王四森，黃 慧，魏鳳凱，岳 磊

（山東高密高鍛機(jī)械有限公司 研發(fā)部，山東 濰坊 261500）

SP-160伺服壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

王四森，黃 慧，魏鳳凱，岳 磊

（山東高密高鍛機(jī)械有限公司 研發(fā)部，山東 濰坊 261500）

根據(jù)市場(chǎng)需求設(shè)計(jì)伺服壓力機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)，利用SolidWorks軟件進(jìn)行壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)三維建模，并進(jìn)行強(qiáng)度和剛度分析，校核各主要零部件是否滿足設(shè)計(jì)要求。

伺服壓力機(jī)；有限元分析；SolidWorks；虛擬樣機(jī)；仿真

自從大容量AC伺服電機(jī)研發(fā)以來，伺服壓力機(jī)的發(fā)展成為了必然。所謂伺服壓力機(jī)，顧名思義即利用伺服電機(jī)提供的瞬時(shí)扭矩作為動(dòng)力源的壓力機(jī)。與傳統(tǒng)的機(jī)械壓力機(jī)不同之處在于伺服壓力機(jī)摒棄了慣量大、用來儲(chǔ)存和釋放能量的飛輪，使壓力機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡化精確，滑塊的運(yùn)動(dòng)控制更加靈活，工作特性變得更可調(diào)，工藝范圍得到一定擴(kuò)展，從而滿足不同材料加工工藝的要求[1]。本文SP-160伺服壓力機(jī)傳動(dòng)的主要結(jié)構(gòu)為：伺服電機(jī)聯(lián)接減速齒輪，帶動(dòng)偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)（帶有急回性質(zhì)），利用電磁制動(dòng)器聯(lián)接電機(jī)軸從而控制伺服電機(jī)開關(guān)，電機(jī)軸和曲軸軸端設(shè)角位移傳感器，再將電磁制動(dòng)器和角位移傳感器與電機(jī)控制器相連。本壓力機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，機(jī)械效率較高，且沖壓過程中滑塊的運(yùn)動(dòng)可隨時(shí)調(diào)控，比傳統(tǒng)機(jī)械壓力機(jī)優(yōu)勢(shì)明顯。其工作原理如圖1所示。

圖1 伺服壓力機(jī)工作原理圖

根據(jù)用戶需求和壓力機(jī)標(biāo)準(zhǔn)及壓力機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，確定本曲柄伺服壓力機(jī)的基本參數(shù)如表1所示。

表1 曲柄伺服壓力機(jī)基本參數(shù)表

1 工作方案的確定

圖2 曲柄肘桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖

本壓力機(jī)的傳動(dòng)工作機(jī)構(gòu)選用曲柄肘桿機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)簡圖如圖2所示。此種機(jī)構(gòu)在工作時(shí)，有明顯的急回特性（行程速比系數(shù)為1.06），大大減少了空行程時(shí)間，提高生產(chǎn)率；滑塊在接觸到工件時(shí)的速度低且更均勻，有利于工件的成形，工作更平穩(wěn)，振動(dòng)更??；三角形的連桿可降低曲柄承受的扭矩，減小離合、制動(dòng)器的尺寸；為了在降低驅(qū)動(dòng)速度的同時(shí)還能增大驅(qū)動(dòng)的扭矩，還需要選用結(jié)構(gòu)簡單、傳動(dòng)平穩(wěn)的一級(jí)減速齒輪。利用ADAMS動(dòng)態(tài)分析軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)仿真，建立各桿件的動(dòng)態(tài)簡化模型，設(shè)置好各類約束，進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析。并根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步優(yōu)化，最終得到各桿件尺寸：l1=100mm，l2=700mm，l3=300mm，l4=900mm，l5=400mm，l6=420mm。

2 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 壓力機(jī)功能及總功

壓力機(jī)功能組成及總功A的計(jì)算表如表2所示。

表2 壓力機(jī)功能組成計(jì)算表[2]

2.2 電動(dòng)機(jī)的選擇

經(jīng)計(jì)算得壓力機(jī)工作行程的總功

實(shí)際選用電機(jī)的功率N=KNm=1.3×28151.5≈37kW

K——壓力機(jī)工作安全系數(shù)，查機(jī)械手冊(cè)可得。

本壓力機(jī)采用兩級(jí)齒輪傳動(dòng)，由于兩級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)一般采用1000r/min或1500r/min的電動(dòng)機(jī)[3]，故選用上海珊華公司生產(chǎn)的SGMVH-3GD3DLN型伺服電機(jī)，額定輸出功率37kW，額定轉(zhuǎn)速1500r/min，滿載轉(zhuǎn)速為1000r/min。

2.3 傳動(dòng)比的分配

2.3.1 總傳動(dòng)比

由于伺服電機(jī)的滿載轉(zhuǎn)速為nm=1000r/min，故總傳動(dòng)比：

2.3.2 分配傳動(dòng)比

本壓力機(jī)選用兩級(jí)傳動(dòng)，一級(jí)為帶傳動(dòng)，一級(jí)為齒輪傳動(dòng)。

式中：i0——帶傳動(dòng)傳動(dòng)比；

i1——齒輪傳動(dòng)傳動(dòng)比。

為保證帶傳動(dòng)外廓尺寸在合理范圍內(nèi)，在機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中查表得到i0的數(shù)值取5，則可得到齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比為：

2.4 帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)

2.4.1 確定功率

查文獻(xiàn)[4]中的表8-7得，工況系數(shù)KA=1.2，則：

2.4.2 確定帶型

由于本壓力機(jī)屬于伺服壓力機(jī)，能實(shí)現(xiàn)滑塊運(yùn)動(dòng)的微調(diào)，故選用圓弧齒輪帶，模數(shù)確定為m=14。

圓弧齒輪帶的接觸屬于線接觸，而經(jīng)過力的傳遞過程又變形為面接觸，接觸強(qiáng)度更大了，所以在傳遞運(yùn)動(dòng)時(shí)比V帶傳動(dòng)具有更好的實(shí)時(shí)性。圓弧齒輪嚙合過程中的磨損更均勻，故使用壽命相對(duì)延長。相對(duì)于V帶圓弧齒輪帶跑合性更好，機(jī)構(gòu)更緊湊。

2.4.3 確定帶輪節(jié)徑

2.4.3.1 確定小帶輪節(jié)徑

根據(jù) [4]中的表8-6、8-8取小帶輪直徑dd1= 142mm。

2.4.3.2 確定大帶輪節(jié)徑

根據(jù)[4]中的式8-15a，得大帶輪直徑

2.4.3.3 確定中心距a及帶長L

由于98.25mm≤a0=2050mm[4]，故初步設(shè)定中心距a0=930mm。

根據(jù)圓弧齒輪帶的基準(zhǔn)長度選定為帶長

3 三維模型的建立

根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)建立主要傳動(dòng)零件的三維模型，如圖3～6所示。

圖3 小帶輪圖

圖4 大帶輪圖

圖5 直齒輪圖

圖6 齒輪軸圖

3.1 曲軸應(yīng)力場(chǎng)分析

曲軸在本壓力機(jī)中承受巨大的彎矩和扭矩，相比于其他零件，曲軸的受力更加復(fù)雜，故在設(shè)計(jì)時(shí)曲軸的校核和分析更顯重要，制造的要求也更高。本文中的曲軸材料選用45鋼，支撐頸處精車并磨光，整個(gè)零件進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，使其更耐磨，強(qiáng)度更高，使用壽命延長。采用三維繪圖軟件SolidWorks進(jìn)行曲軸的三維建模，建立更能真實(shí)反映實(shí)際受力情況的三維模型。將此模型直接在SolidWorks的SimulationXpress模塊中進(jìn)行靜態(tài)和模態(tài)分析，為其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供依據(jù)。本壓力機(jī)的曲柄三維模型建立如圖7所示。

圖7 曲軸三維模型圖

定義45鋼作為有限元模型的材料類型，其密度為ρ=7.8×103kg/m3，泊松比μ，=0.3彈性模量E= 2.1×105MPa。由于曲柄肘桿機(jī)構(gòu)的滑塊在下死點(diǎn)時(shí)各部件受力最大，通過受力分析求得曲軸軸頸處受到的力最大為F1=334.91kN。

將載荷加載到曲軸軸頸上，在SolidWorks軟件中運(yùn)行計(jì)算，得到等效應(yīng)力分布云圖如圖8所示。

由于曲軸材料為45鋼，屈服強(qiáng)度σs=355MPa，

圖8 曲軸等效應(yīng)力分布云圖

由此可得出許用應(yīng)力[σ0]為[5]：

其中曲軸是在動(dòng)載荷條件下工作，故s值取3。由等效應(yīng)力圖中可以看出，曲軸過渡圓角處的應(yīng)力集中明顯，最大為σmax=67MPa，仍然比許用應(yīng)力小，故曲軸尺寸設(shè)計(jì)完全滿足強(qiáng)度要求。

3.2 曲軸變形場(chǎng)分析

曲軸位移圖如圖9所示。

曲軸軸頸受力產(chǎn)生的變形需要與許用撓度[δ]相比較[6]：

圖9 曲軸變形圖

由圖可知曲軸的最大變形發(fā)生在曲軸軸頸中間下部，δmax=0.02208mm，δmax＜[δ]，故其剛度滿足條件。

3.3 連桿、搖桿的分析

建立連桿和搖桿的有限元模型，添加邊界條件和加載載荷條件，網(wǎng)格劃分的順序在SolidWorks中對(duì)連桿進(jìn)行靜力分析設(shè)定。參考曲軸的載荷確定方法，得到連桿上加載的載荷大小為132MPa，搖桿上加載的載荷大小為174MPa。最后運(yùn)行得到連桿和搖桿的應(yīng)力云圖分別如圖10、12所示，應(yīng)變?cè)茍D分別如圖11、13所示。

圖10 連桿等效應(yīng)力分布云圖

圖11 連桿變形圖

圖12 搖桿等效應(yīng)力分布云圖

圖13 搖桿變形圖

由于連桿和搖桿的材料均為ZG310-570，屈服強(qiáng)度σs=310MPa，由此可以得出許用應(yīng)力[σ0]為：

其中s值取1.3。由等效應(yīng)力圖可以看出，連桿下部孔與銷軸接觸面的上半圓處的應(yīng)力集中明顯，最大為σmax=147.6MPa，遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力[σ0]，故連桿強(qiáng)度要求已經(jīng)滿足。最大變形δmax=0.1159mm，小于其材料許用撓度，故剛度也滿足要求。搖桿下部孔與銷軸接觸面的半圓處的應(yīng)力集中明顯，最大為σmax= 121MPa，遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力[σ0]，故搖桿強(qiáng)度要求可以滿足。最大變形δmax=0.05297mm，小于其材料許用撓度，故剛度也滿足要求。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了1600kN的曲柄伺服壓力機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)，傳動(dòng)系統(tǒng)中的電機(jī)選用上海珊華公司生產(chǎn)的SGMVH-3GD3DLN型伺服電機(jī)，帶傳動(dòng)選定跑合性更好的JB/T7512.1-1994圓弧齒輪帶，能實(shí)現(xiàn)微調(diào)，齒輪傳動(dòng)采用二級(jí)傳動(dòng)；工作執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用曲柄肘桿機(jī)構(gòu)，利用公式確定出各部件的尺寸，再利用三維設(shè)計(jì)分析軟件SolidWorks對(duì)較重要部件如曲軸等進(jìn)行分析校核，確定各傳動(dòng)部件最終滿足設(shè)計(jì)要求。最終確定出傳動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的三維圖如圖14所示。

圖14 傳動(dòng)系統(tǒng)模型圖

[1]呂 言，周建國，等.最新伺服壓力機(jī)的開發(fā)以及今后的動(dòng)向[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2006，41（1）：11-14.

[2]王衛(wèi)衛(wèi).材料成型設(shè)備[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[3]林道勝.鍛壓機(jī)械及其有限元計(jì)算[M].北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，1998.

[4]張松林.軸承手冊(cè)[M].南昌：江西科學(xué)技術(shù)出版社，2004.

[5]劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[6]何德譽(yù).曲柄壓力機(jī)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

Design and analysis of the transmission system for SP-160 servo press

WANG Sisen，HUANG Hui，WEI Fengkai,YUE Lei
（R&D department,Shandong Gaomi Gaoduan Machinery Co.,Ltd.,Weifang 261500,Shandong China）

The transmission system of servo press has been designed as per the marketing demands.The 3D model has been established to transmission system of servo press by use of Solidworks software.The strength and rigidity have been analyzed.Each main part has been checked to meet the design demands.

Servo press;Finite element analysis;Virtual prototype simulation.

TG315

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.01.004

1672-0121（2016）01-0021-03

2015－08－07

王四森（1972-），男，從事鍛壓機(jī)械設(shè)計(jì)研發(fā)。E-mail：wss007@yeah.net