多層壓機偏置杠桿式同時閉合機構(gòu)設(shè)計

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510642)

目前多層人造板壓機上最常用的同時閉合機構(gòu)是圖1所示的杠桿式同時閉合機構(gòu)，其典型結(jié)構(gòu)形式有對置式和偏置式兩種，杠桿式同時閉合機構(gòu)的設(shè)計計算也有詳細介紹[1-2]，但其中構(gòu)件尺寸計算公式以偏置式推導(dǎo)而得，構(gòu)件受力分析公式以對置式推導(dǎo)而得。筆者在講授《木材加工裝備學(xué)》課程時，配套布置有偏置式杠桿同時閉合機構(gòu)課程設(shè)計實踐，發(fā)現(xiàn)多數(shù)學(xué)生在參考相關(guān)文獻時[3]，只是機械地引用書中公式，致使設(shè)計計算結(jié)果存在較大偏差甚至錯誤。

圖1 杠桿式同時閉合機構(gòu)多層壓機

本文以5層偏置式杠桿同時閉合機構(gòu)設(shè)計為例，給出了構(gòu)件主要尺寸計算、主要構(gòu)件受力分析及強度校核計算的公式或方法。

1 計算簡圖和設(shè)計參數(shù)

在多層壓機的四角布置有四套杠桿式同時閉合機構(gòu)，每套機構(gòu)由推桿、擺桿、若干拉桿組成。如圖2所示，推桿的一端與壓機活動下頂板在C點鉸接，推桿的另一端與擺桿在B點鉸接，擺桿另一端與壓機機架在A點鉸接；拉桿的一端鉸接在擺桿的節(jié)點Bi，拉桿另一端鉸接在對應(yīng)熱壓板的一角Ci。

壓機閉合時，主油缸柱塞推動活動下頂板上移帶動推桿運動，通過B鉸推桿推動擺桿繞A鉸轉(zhuǎn)動，鉸接在擺桿與熱壓板上的拉桿提升各熱壓板同時向上運動，從而實現(xiàn)壓機同時閉合。

本文以5層偏置式杠桿同時閉合機構(gòu)的設(shè)計為例，設(shè)計參數(shù)見表1，壓機各層熱壓板全開和全閉時的計算簡圖如圖2(a)、圖2(b)所示，受力分析如圖2(c)所示。

圖2 尺寸計算簡圖與構(gòu)件受力分析

表15層偏置式杠桿同時閉合機構(gòu)設(shè)計參數(shù)

偏距OA/mm張開角α/°閉合角α′/°熱壓板間距Cmax/mm熱壓板尺寸L×B/mm×mm熱壓板厚度δ/mm制品尺寸L×b/mm×mm制品厚度s/mm制品密度ρ坯/kg·min-3擺桿支點A距上熱壓板表面距離a/mm推桿支點C距下熱壓板表面距離b/mm19845862002 700×1 4201202 500×1 28010700380270

2 構(gòu)件主要尺寸計算

當(dāng)n層壓機完全開啟時，有：

O點至各層熱壓板鉸接點距離：

OC1=a+Cmax+δ/2

(1)

OCi=OCi+(i-1)×(Cmax+δ)，i=2，2…，n-1

(2)

擺桿鉸接點A到推桿鉸接點C的距離：

AC=OC1+(n-1)×(Cmax+δ)-δ/2+b

(3)

ACi與鉛垂線AC之間夾角：

(4)

(5)

類似地，當(dāng)n層壓機完全閉合時(熱壓板間無板坯)有：

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(12)

代入示例設(shè)計參數(shù)，計算得到5層偏置式杠桿同時閉合機構(gòu)的主要尺寸Ri、li，見表2。

表25層偏置式杠桿同時閉合機構(gòu)的主要尺寸

拉桿號OCi/mmαi/°OC′i/mmα′i/°ACi/mmAC′i/mmRi/mmli/mm164017.190 760 1744024.227 745 32669.93 482.50 225.30 598.94 296011.653 840 5956019.472 139 3980.21 593.97 435.99 825.26 31 2808.793 247 30268016.234 317 091 295.22 708.24 642.50 1 052.27 41 6007.054 487 65180013.901 350 771 612.20 824.14 847.25 1 279.52 51 9205.887 814 28492012.145 784 921 930.18 941.07 1 051.09 1 506.88 62 45001 25002 450.00 1 250.00 1 349.37 1 774.25

注：表中第6行數(shù)據(jù)分別為AC、∠ACA、AC′、∠AC′A、AC、AC′、R、L。

3 主要構(gòu)件的受力分析與強度計算

為簡化分析計算，以熱壓機全開啟狀態(tài)時的靜態(tài)作用力代替熱壓機閉合過程中的動態(tài)作用力，忽略轉(zhuǎn)動副中的摩擦力。各構(gòu)件受力分析如圖2(c)所示，推桿和拉桿是二力桿，擺桿受軸力、剪力和彎矩共同作用。

3.1 拉桿受力分析

考察熱壓板的平衡，拉桿對熱壓板的垂直分力：

Fi=FH/4

(13)

FH是每塊熱壓板上的作用力，包括重力和慣性力。為計算簡便，只計入熱壓板和板坯質(zhì)量，不計慣性力，即：

FH=ρ鋼LBδ+ρ坯Lbs

(14)

拉桿軸向拉力：

Fis=Fi/cosβi

(15)

其中，βi=αi+γi，γi可在△ACiBi中應(yīng)用余弦定理求得：

(16)

求出所有拉桿中最大拉桿拉力Fismax作為拉桿強度計算的依據(jù)。拉桿設(shè)計直徑為：

(17)

式中：[σ]為拉桿材料許用應(yīng)力。

將示例設(shè)計參數(shù)代入以上公式，計算得到5層偏置式杠桿同時閉合機構(gòu)中各拉桿的拉力Fis，見表3。

為分析應(yīng)用的需要，拉桿作用在擺桿鉸接點的拉力Fis分解為垂直分力Fit和軸向分力Fit。

表35層偏置式杠桿同時閉合機構(gòu)的拉桿拉力等

拉桿號βi/°Fis/NFir/NFit/NFitRi/N·mFit(R-Ri)/N·m136.624 354 3311 023 1 606 10 906 2 457 12 259 237.842 243 6911 203 1 396 11 116 4 846 10 153338.309 925 811 275 1 314 11 198 7 195 7 916 438.533 037 4511 310 1 274 11 238 9 521 5 643538.654 406 7811 329 1 252 11 259 11 835 3 358Fismax=11 329

3.2 擺桿受力分析

擺桿BA，在各個鉸點Bi上受到各拉桿li的拉力Fis作用。其軸向拉力Fir和垂直分力Fit分別為：

Fir=Fissin(90°-(α-βi))=Fiscos(α+βi)

(18)

Fir=Fiscos(90°-(α-βi))=Fissin(α+βi)

(19)

(20)

支點B處推桿對擺桿的軸向力FCt：

(21)

(22)

軸承A處的軸向分力FAr：

(23)

3.3 推桿受力分析

根據(jù)力三角形，推桿受到的軸向力為：

(24)

其中β可在△ABC中應(yīng)用余弦定理求得：

(25)

推桿截面設(shè)計公式為：

(26)

式中：[σ]為推桿材料許用應(yīng)力。

推桿BC在鉸點C的總作用力可分解為垂直分力FC力和水平分力FCn：

(27)

水平分力FCn由設(shè)置在對邊的另一組杠桿機構(gòu)平衡。

熱壓機動梁的總推力：

(28)

將示例設(shè)計參數(shù)代入以上公式，計算得到5層偏置式杠桿同時閉合機構(gòu)中擺桿與推桿的受力，見表4。

表45層偏置式杠桿同時閉合機構(gòu)擺桿與推桿受力

β/°FCt/NΣFir/NFCs/NFCr/NFC/NFA/NFAr/N32.532 210 5826 571 6 841 27 213 5 875 22 943 29 146 -966

3.4 擺桿強度計算

根據(jù)工程力學(xué)中對梁的內(nèi)力分析方法，5層偏置式杠桿同時閉合機構(gòu)中擺桿內(nèi)力圖如圖3所示。圖3(a)分別選取A點右側(cè)、B點左側(cè)、各拉桿鉸接點左右兩側(cè)無限近處的橫截面作為控制面。以假想橫截面在各控制面處分開擺桿，分析擺桿任一部分的平衡，可計算出擺桿在各控制面處的各內(nèi)力分量。

(a) 擺桿受力圖

(b) 擺桿軸力圖

(c) 擺桿剪力圖

(d) 擺桿彎矩圖

3.4.1 軸向力

節(jié)點i左側(cè)控制面軸向力為：

(29)

節(jié)點i右側(cè)控制面軸向力為：

(30)

3.4.2 剪力

節(jié)點i左側(cè)控制面剪力為：

(31)

節(jié)點i右側(cè)控制面剪力為：

(32)

3.4.3 彎矩

節(jié)點i左右兩側(cè)控制面彎矩相等，按以下遞推公式計算：

M(1)=FA·R1

M(2)=FA·F2-F1t(R2-R1)

……

M(i-1)=FA·Ri-F1t(Ri-R1)-F2t(Ri-R2)

-…F(i-1)t(Ri-Ri-1)

(33)

表55層偏置式杠桿同時閉合機構(gòu)中擺桿各集中力附近控制面上各內(nèi)力分量

控制面ab1′b1″b2′b2″b3′b3″b4′b4″b5′b5″cFN(x)/N966 966 -640 -640 -2 036 -2 036 -3 349 -3 349 -4 623 -4 623 -5 875 -5 875 FQ(x)/N29 146 29 146 18 240 18 240 7 124 7 124 -4 074 -4 074 -15 312 -15 312 -26 571 -26 571 M(x)/N·m0 6 566 6 566 10 409 10 409 11 881 11 881 11 047 11047 7 926 7 926 0

由圖3可見，最大彎矩Mmax、最大軸力FNmax和最大剪力FQmax出現(xiàn)在擺桿不同截面上。精確的擺桿強度校核應(yīng)選取多個危險截面，計算其當(dāng)量應(yīng)力不超過許用應(yīng)力。粗略計算時忽略剪力的影響，按最大彎曲應(yīng)力和最大軸向拉伸應(yīng)力的疊加應(yīng)力進行強度校核。得擺桿強度校核公式：

(34)

式中：A為擺桿的橫截面積；W為擺桿的抗彎截面模量。

4 拉桿長度補償油缸計算

雖然各拉桿按壓機閉合過程中保持長度不變來設(shè)計，但由于存在制造、裝配及板坯厚度等偏差，不可能保證各層熱壓板同時閉合，為了不損壞拉桿，要求壓機閉合過程中各拉桿具有既柔又剛的特性，即必要時拉桿長度能在一定范圍內(nèi)伸長或縮短。一般在各拉桿上安裝彈簧式或液壓缸式長度補償裝置。對于液壓缸式拉桿長度補償裝置的設(shè)計計算方法，包括補償缸行程和油缸直徑的計算，相關(guān)文獻有詳細介紹，在此不再展開。

5 小結(jié)

本文推導(dǎo)出了偏置式杠桿同時閉合機構(gòu)設(shè)計過程所需的相關(guān)計算公式，包括構(gòu)件主要幾何尺寸計算、主要構(gòu)件受力分析與粗略強度校核計算。以給定參數(shù)的5層偏置式杠桿同時閉合機構(gòu)設(shè)計為例，對這些公式的具體應(yīng)用作了計算驗證和展示。