淺析直驅(qū)式數(shù)控節(jié)能電動螺旋壓力機(jī)設(shè)計(jì)

尤新

（青島青鍛鍛壓機(jī)械有限公司，山東 青島 266000）

1 緒論

1.1 螺旋壓力機(jī)的背景

活字印刷機(jī)是螺旋壓力機(jī)的前身，15世紀(jì)剛發(fā)明出來的活字印刷機(jī)被當(dāng)作壓榨機(jī)來使用。螺旋壓力機(jī)的工作主要是靠螺桿與滑塊的打擊作用，飛輪在其中起到了儲能作用，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛使用到社會生產(chǎn)中。19世紀(jì)，人們開始使用現(xiàn)代化大生產(chǎn)的螺旋壓力機(jī)，當(dāng)時(shí)的螺旋壓力機(jī)的動力是依靠摩擦盤來傳遞，這種螺旋壓力機(jī)稱為摩擦壓力機(jī)，不僅結(jié)構(gòu)簡單，工作也很可靠。液壓螺旋壓力機(jī)、電動螺旋壓力機(jī)和離合器式螺旋壓力機(jī)在20世紀(jì)就已經(jīng)出現(xiàn)了。

1.2 螺旋壓力機(jī)的工作特性與原理

（1）螺旋壓力機(jī)的工作原理。螺旋壓力機(jī)的工作過程主要有3部分，分為打擊前、打擊過程中以及打擊后。首先，在打擊前，飛輪是處于儲能狀態(tài)，動能儲存在飛輪中；在打擊過程中，飛輪將存儲的動能釋放，螺旋副將釋放的飛輪旋轉(zhuǎn)的動能轉(zhuǎn)換成螺桿的上下移動的動能，移動的螺桿與滑塊打擊在需要加工的零件上；打擊后，飛輪開始重新蓄能，準(zhǔn)備進(jìn)行下一次的打擊。

（2）螺旋壓力機(jī)的工作特性。①依靠飛輪儲能，打擊過程中能量全部釋放。②打擊力與鍛件變形功相互制約。③豎向打擊力封閉于機(jī)身，不傳于基礎(chǔ)。④有標(biāo)稱的行程長度及上、下死點(diǎn)位置，沒有固定的下死點(diǎn)，但實(shí)際行程可控制。

1.3 螺旋壓力機(jī)驅(qū)動類型的分類

自工業(yè)革命以來，工業(yè)的發(fā)展越來越快，在20世紀(jì)出現(xiàn)了螺旋壓力機(jī)，螺旋壓力機(jī)的出現(xiàn)又加快了工業(yè)的發(fā)展，特別是在鑄造行業(yè)，螺旋壓力機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用，出現(xiàn)了各種類型的螺旋壓力機(jī)，其中有四種比較典型的結(jié)構(gòu)得到了最廣泛的應(yīng)用。下面對四種典型結(jié)構(gòu)作詳細(xì)的介紹。

（1）摩擦螺旋壓力機(jī)。摩擦螺旋壓力機(jī)是通過摩擦的方式驅(qū)動飛輪旋轉(zhuǎn)來儲能的。就拿雙盤摩擦壓力機(jī)來說，雙盤摩擦壓力機(jī)有3個(gè)行程，下行程、工作行程和回升行程，這3個(gè)行程形成了摩擦壓力機(jī)的一個(gè)工作循環(huán)。摩擦壓力機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡單，成本低，便于操作；摩擦壓力機(jī)的缺點(diǎn)是傳動的效率比較低，因?yàn)槟p較大，所以摩擦帶的壽命不長。在我國，摩擦壓力機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)有關(guān)資料顯示，摩擦壓力機(jī)在汽車的行業(yè)中，其模鍛件占據(jù)了總模鍛件的25%，在模鍛設(shè)備中又占據(jù)了52%?，F(xiàn)如今，我國已經(jīng)有以摩擦力機(jī)為主機(jī)的精鍛齒輪廠，能自行設(shè)計(jì)制造重型摩擦壓力機(jī)。

（2）液壓螺旋壓力機(jī)。液壓螺旋壓力機(jī)主要是運(yùn)用到液壓缸與液壓馬達(dá)達(dá)到傳動的目的。目前，液壓螺旋壓力機(jī)體型較大，一般用于比較大的生產(chǎn)活動中，但是因?yàn)轶w型較大，建造一臺液壓螺旋壓力機(jī)需要的成本比較高。為了比較方便液壓螺旋壓力機(jī)的操作，一般都是采用數(shù)控方式。

（3）電動螺旋壓力機(jī)。電動螺旋壓力機(jī)主要采用的是電動機(jī)的傳動，其電動機(jī)是可以做正反方向的換向運(yùn)動。其電動機(jī)有2種傳動方式：①直接傳動式。直接傳動式的電動螺旋壓力機(jī)并不是單獨(dú)存在于壓力機(jī)外的電機(jī)，其電動機(jī)的轉(zhuǎn)子起到了飛輪的作用。與有單獨(dú)的飛輪的螺旋壓力機(jī)相比，減少了傳動的環(huán)節(jié)，操作更加方便。②機(jī)械傳動式。這種電動螺旋壓力機(jī)與其他的螺旋壓力機(jī)相比，其一般采用齒輪傳動，飛輪安裝在齒輪上。

（4）離合器式螺旋壓力機(jī)。離合器是螺旋壓力機(jī)不同于其他的螺旋壓力機(jī)，因?yàn)榕c其他螺旋壓力機(jī)相比，其多了一個(gè)安裝在飛輪上的離合器。離合器式螺旋壓力機(jī)有著良好的優(yōu)點(diǎn)。

1.4 螺旋壓力機(jī)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

（1）參數(shù)系列化。螺旋壓力機(jī)是工業(yè)發(fā)展的重要內(nèi)容，在鑄造行業(yè)螺旋壓力機(jī)大放光彩，推動和加快了社會的生產(chǎn)，但是，以往的螺旋壓力機(jī)在不同公司或國家，其設(shè)計(jì)和建造的螺旋壓力機(jī)的尺寸和參數(shù)不盡相同?，F(xiàn)在很多國家和企業(yè)都已經(jīng)規(guī)范化了螺旋壓力機(jī)的基本參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。

（2）大型化。隨著社會的發(fā)展、生產(chǎn)力的提高，螺旋壓力機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，特別是航空、交通、電力和鑄造業(yè)等工業(yè)的發(fā)展，需要使用到的螺旋壓力機(jī)壓力較大，所以壓力機(jī)也比較大型化。

（3）應(yīng)用更加廣泛。螺旋壓力可以代替人工對工件進(jìn)行打擊，并且打擊的能力可以達(dá)到很高，因此，螺旋壓力機(jī)的應(yīng)用范圍廣泛?，F(xiàn)在的螺旋壓力機(jī)不僅僅只是應(yīng)用在鑄造行業(yè)，就連農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和食品加工中也應(yīng)用到了螺旋壓力機(jī)。

（4）自動化。隨著社會的發(fā)展，生產(chǎn)技術(shù)的提高，螺旋壓力機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，出現(xiàn)了各種類型的螺旋壓力機(jī)，數(shù)控技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展使得人們對機(jī)械的操作越來越方便，加快了社會的生產(chǎn)力，提高了生產(chǎn)效率，因此，螺旋壓力機(jī)也在適應(yīng)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展。螺旋壓力機(jī)也開始慢慢加入了數(shù)控技術(shù)，使得其具備操作的自動化控制。

1.5 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

（1）通過介紹螺旋壓力機(jī)的背景、現(xiàn)狀，發(fā)展趨勢，了解螺旋壓力機(jī)。（2）了解設(shè)計(jì)的原理，對各種典型的螺旋壓力機(jī)進(jìn)行對比，從中選擇出需要的一種典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。（3）確定螺旋壓力機(jī)的設(shè)計(jì)方案，選擇螺旋壓力機(jī)的驅(qū)動類型。

2 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇設(shè)計(jì)的類型為電動螺旋壓力機(jī)。

2.1 確定電動螺旋壓力機(jī)的參數(shù)

在古代，戰(zhàn)爭使用的武器是冷兵器，因?yàn)楣糯纳a(chǎn)技術(shù)低下，冷兵器的鑄造大都依靠人工完成，其中兵器的鑄造的一個(gè)重要步驟，是打擊金屬塊，提高金屬的純度，但是，這樣就會費(fèi)時(shí)費(fèi)力，往往鑄造一塊金屬需要很久。螺旋壓力機(jī)的發(fā)明便是用在一些需要打擊的鑄造行業(yè)中，本次設(shè)計(jì)的電動螺旋壓力機(jī)，是對金屬鑄造打擊金屬所設(shè)計(jì)，因?yàn)榻饘俚挠捕容^大，需要打擊的力度大，特別是對鐵、銅、鋁合金等鑄件的鑄造，所以本次設(shè)計(jì)以鐵、銅、鋁合金等鑄件為電動螺旋壓力機(jī)的鑄件，要求其公稱力為160OkN。其主要對公稱力、最大負(fù)荷、滑塊行程、行程次數(shù)等參數(shù)的確定。

2.2 直驅(qū)式數(shù)控節(jié)能電動螺旋壓力機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路

根據(jù)各種典型的螺旋壓力機(jī)的比較，本文選擇設(shè)計(jì)直驅(qū)式數(shù)控節(jié)能電動螺旋壓力機(jī)這一類型進(jìn)行設(shè)計(jì)。電動螺旋壓力機(jī)直接傳動式的結(jié)構(gòu)主要由主螺桿1、導(dǎo)套2、制動器3、轉(zhuǎn)子4、電動機(jī)定子5、風(fēng)機(jī)6等6部分組成。直接傳動式的電動螺旋壓力機(jī)并不是單獨(dú)存在于壓力機(jī)外的電機(jī),其電動機(jī)的轉(zhuǎn)子起到了飛輪的作用。與有單獨(dú)的飛輪的螺旋壓力機(jī)相比，減少了傳動的環(huán)節(jié)，操作更加方便。電動螺旋壓力機(jī)的電動機(jī)機(jī)械傳動式這種電動螺旋壓力機(jī)與其他的螺旋壓力機(jī)相比，一般采用齒輪傳動，飛輪安裝在齒輪上。

機(jī)械傳動式電動螺旋壓力機(jī)是使用特殊的高強(qiáng)度電動機(jī)，公稱壓力可以達(dá)到很高，而本次設(shè)計(jì)的螺旋壓力機(jī)的公稱壓力為1600kN，所以選擇機(jī)械傳動式電動螺旋壓力機(jī)。根據(jù)機(jī)械傳動式電動螺旋壓力機(jī)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)思路，其包括：電動機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)和選擇：傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)和選擇；螺桿、螺母等重要零件的設(shè)計(jì)：機(jī)身機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

直驅(qū)式數(shù)控節(jié)能電動螺旋壓力機(jī)特點(diǎn)及優(yōu)勢：

（1）設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，安全性高，操作維護(hù)方便。

（2）飛輪采用交流永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動，傳動效率高，噪音低。

（3）能量控制精度高，運(yùn)行穩(wěn)定性好。

（4）最先進(jìn)的變頻驅(qū)動技術(shù)，對電網(wǎng)無影響，電機(jī)發(fā)熱量少。

（5）預(yù)留自動生產(chǎn)線接口，擴(kuò)展性好。

（6）模具使用壽命長，特別適用于各種金屬的精密鍛造。

2.3 電動機(jī)設(shè)計(jì)與選擇

選擇電動機(jī)，首先，要先了解電動螺旋壓力機(jī)的原理，根據(jù)螺旋壓力機(jī)的結(jié)構(gòu)與性能，選擇需要的電動機(jī)的類型。

（1）電動機(jī)的類型與選擇。電機(jī)分很多種，不同的電機(jī)有不同的作用，通常使用的有直流、交流電動機(jī)，還有異步電動機(jī)和開關(guān)磁阻電動機(jī)。①直流電動機(jī)。直流電動機(jī)，通過的電能是直流電，并將直流電能轉(zhuǎn)化成電動機(jī)旋轉(zhuǎn)的動能，其主要結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)子與定子組成。②交流電動機(jī)。交流電動機(jī)與直流電動機(jī)的組成相同，交流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)也是由轉(zhuǎn)子與定子組成，其區(qū)別是直流電動機(jī)是將直流電能轉(zhuǎn)化成電動機(jī)旋轉(zhuǎn)的動能，而交流電動機(jī)是將交流電能轉(zhuǎn)化成電動機(jī)旋轉(zhuǎn)的動能。③異步電動機(jī)。異步電動機(jī)與前面的兩種有所區(qū)別，其轉(zhuǎn)子是放置在磁場中利用磁場的作用獲得轉(zhuǎn)動的裝置。④開關(guān)磁阻電動機(jī)。開關(guān)磁阻電動機(jī)是在直流、交流電動機(jī)的基礎(chǔ)上新發(fā)展出來的一種電動機(jī)，擁有調(diào)速的作用，結(jié)構(gòu)簡單，主要是由開關(guān)磁阻電動機(jī)、功率變換器、控制器、檢測器4大部分組成。

綜上所述根據(jù)對比,選擇開關(guān)磁阻電動機(jī)作為螺旋壓力機(jī)的電動機(jī)。

（2）電動機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與運(yùn)行原理。開關(guān)磁阻電動機(jī)擁有良好的性能，在各種類型的電動機(jī)中有著很大的優(yōu)勢，根據(jù)之前對各種類型的電動機(jī)的介紹本次設(shè)計(jì)選擇了開關(guān)磁阻電動機(jī)這種類型。①開關(guān)磁阻電動機(jī)的原理。當(dāng)電能輸入時(shí)，開關(guān)磁阻電動機(jī)內(nèi)部的功率變換器將電能轉(zhuǎn)換成電動機(jī)旋轉(zhuǎn)的動能，電動機(jī)輸出負(fù)載，主要是使用了磁通量總要向著最大路徑閉合的原理。②電動機(jī)的特點(diǎn)。首先，是定子和轉(zhuǎn)子的形狀與直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子、定子不同，其定子和轉(zhuǎn)子主要是凸極結(jié)構(gòu)的形狀。定子與轉(zhuǎn)子采用了齒數(shù)不同的結(jié)構(gòu)，定子的齒數(shù)要多2個(gè)。定子和轉(zhuǎn)子除了齒數(shù)的不同還有著很大的差異，定子上纏有線圈形成的繞組，而轉(zhuǎn)子上沒有線圈和繞組。

2.4 本章小結(jié)

本章節(jié)確定螺旋壓力的參數(shù)、螺旋壓力機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的大體思路以及電動機(jī)類型的選擇，同時(shí)，了解電動螺旋壓力機(jī)和電動機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對相關(guān)的理論知識進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。

3 工作部件設(shè)計(jì)

3.1 螺旋傳動的類型和應(yīng)用

電動螺旋壓力機(jī)的螺旋傳動有兩部分螺桿與螺母，飛輪釋放能量后帶動螺桿旋轉(zhuǎn)螺桿與螺母組成的移動副將螺桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成滑塊的移動。一般的螺旋傳動具有自鎖性，其主要與螺旋升角有關(guān)，同時(shí)，螺旋傳動也可以將移動運(yùn)動轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，具有很高的實(shí)用性。

（1）螺旋傳動按其在機(jī)械中的作用可分為3種：①力傳遞螺旋傳動。這種傳動主要是在需要比較大的力來傳動時(shí)使用。②傳導(dǎo)螺旋傳動。其傳遞的是運(yùn)動，而不是力。③調(diào)整螺旋傳動。其作用是用來調(diào)整零件位置，使零件之間的配合更加緊密。

（2）按照運(yùn)動方式的不同來劃分，可以分成4種：①第一種是螺母不動，螺桿移動。螺母在其中起到了固定的作用，但是，這種結(jié)構(gòu)占用的空間較大。②第二種是螺母旋轉(zhuǎn)，螺桿運(yùn)動。這種結(jié)構(gòu)在螺桿上設(shè)有防轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)，螺母上也安裝有軸承，因此，與其他的機(jī)構(gòu)相比，其機(jī)構(gòu)更為復(fù)雜。③第三種螺母旋轉(zhuǎn)并移動。這種傳動結(jié)構(gòu)雖然簡單，但是精度較低。④第四種是螺桿旋轉(zhuǎn)，螺母移動。結(jié)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但是，其占據(jù)的空間比較小。本次的螺旋壓力機(jī)設(shè)計(jì)需要間歇性工作、工作速度較低、具有自鎖性，所以主要運(yùn)用了傳力螺旋這種類型。

3.2 螺旋傳動的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的是電動螺旋壓力機(jī)，根據(jù)性能要求，螺旋壓力機(jī)的螺桿帶動螺母，螺旋副將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為滑塊的直線移動，本次設(shè)計(jì)選擇滑動螺旋傳動。這種傳動會產(chǎn)生較大的磨損，而螺旋傳動的尺寸可以根據(jù)螺旋機(jī)構(gòu)的耐磨性計(jì)算。根據(jù)滑動螺旋傳動的一般結(jié)構(gòu)組成，根據(jù)其具體情況分析，設(shè)計(jì)符合本次設(shè)計(jì)的螺旋壓力機(jī)的滑動螺旋機(jī)構(gòu)。螺旋壓力機(jī)的滑動鏈傳動結(jié)構(gòu)組成應(yīng)有螺桿、螺母和機(jī)架3部分。

螺桿。螺桿因?yàn)槭锹菪龎毫C(jī)主要的受力的零件，因此，螺桿的直徑應(yīng)該比較大，其直徑的計(jì)算可以根據(jù)耐磨性來計(jì)算出。

螺母。螺母是與螺桿配合使用的零件，螺母有許多的結(jié)構(gòu)類型，不同的結(jié)構(gòu)類型有著不同的作用，一般有整體式、組合式和剖分式。本文設(shè)計(jì)的螺母主要是整體式，是需要將螺母固定在滑塊上的，而螺母的尺寸可以根據(jù)其強(qiáng)度校核計(jì)算。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種直驅(qū)式數(shù)控節(jié)能電動螺旋壓力機(jī)，控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，自動化程度高，操作簡單且功能完備，滑塊動作響應(yīng)快，永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動，轉(zhuǎn)動鏈較短，效率較高。