(華南農業(yè)大學，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是圖1所示的杠桿式同時閉合機構，其典型結構形式有對置式和偏置式兩種，杠桿式同時閉合機構的設計計算也有詳細介紹[1-2]，但其中構件尺寸計算公式以偏置式推導而得，構件受力分析公式以對置式推導而得。筆者在講授《木材加工裝備學》課程時，配套布置有偏置式杠桿同時閉合機構課程設計實踐，發(fā)現(xiàn)多數學生在參考相關文獻時[3]，只是機械地引用書中公式，致使設計計算結果存在較大偏差甚至錯誤。

圖1 杠桿式同時閉合機構多層壓機

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

1 計算簡圖和設計參數

在多層壓機的四角布置有四套杠桿式同時閉合機構，每套機構由推桿、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的設計為例，設計參數見表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 尺寸計算簡圖與構件受力分析

表15層偏置式杠桿同時閉合機構設計參數

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 構件主要尺寸計算

當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)

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

表25層偏置式杠桿同時閉合機構的主要尺寸

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行數據分別為AC、∠ACA、AC′、∠AC′A、AC、AC′、R、L。

3 主要構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，忽略轉動副中的摩擦力。各構件受力分析如圖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。拉桿設計直徑為：

(17)

式中：[σ]為拉桿材料許用應力。

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

為分析應用的需要，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

根據力三角形，推桿受到的軸向力為：

(24)

其中β可在△ABC中應用余弦定理求得：

(25)

推桿截面設計公式為：

(26)

式中：[σ]為推桿材料許用應力。

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由設置在對邊的另一組杠桿機構平衡。

熱壓機動梁的總推力：

(28)

將示例設計參數代入以上公式，計算得到5層偏置式杠桿同時閉合機構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

根據工程力學中對梁的內力分析方法，5層偏置式杠桿同時閉合機構中擺桿內力圖如圖3所示。圖3(a)分別選取A點右側、B點左側、各拉桿鉸接點左右兩側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左側控制面軸向力為：

(29)

節(jié)點i右側控制面軸向力為：

(30)

3.4.2 剪力

節(jié)點i左側控制面剪力為：

(31)

節(jié)點i右側控制面剪力為：

(32)

3.4.3 彎矩

節(jié)點i左右兩側控制面彎矩相等，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中擺桿各集中力附近控制面上各內力分量

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選取多個危險截面，計算其當量應力不超過許用應力。粗略計算時忽略剪力的影響，按最大彎曲應力和最大軸向拉伸應力的疊加應力進行強度校核。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計計算方法，包括補償缸行程和油缸直徑的計算，相關文獻有詳細介紹，在此不再展開。

5 小結

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