对锻造操作机的机构运动分析

摘 要：锻造操作机是锻造车间的重要设备，对其进行运动学分析更是实现操作机运动控制的基础。合理的使用锻造操作机，不仅可以提高产品的质量，更能提高产品的经济效益。文章将对锻造机的各部分机构加以分析，并且对锻造操作机进行仿真计算，找到误差最小的仿真结果，得到提升机构的最优设计参数。

关键词：锻造操作机；运动；分析

锻造操作机用于夹持锻件配合压机完成锻造工艺动作，不仅是锻造车间实现锻造机械化与自动化的重要设备，也是辅助锻造液压机组的重要设备。近几年来，国内外大量使用锻造机来提升车间的劳动生产率，减少人工劳动量，并提高产品的质量。锻造操作机对锻件锻造质量和机组设备生产效率的提高起着至关重要的作用。

1 运动分析之运动部件

锻造操作机的主要动作基本都是由钳杆和钳子完成的，钳杆移动的动力由动力油缸提供，操作机承受的最大载荷是在锻造过程中发生的。锻件从塑性变形起被压在锻造主机的砧子间，变形时其中心线在垂直平面有位移，引起操作机钳头在垂直平面的移动，钳杆架的前悬挂被拉长，使钳杆绕后铰转动，钳杆的位移迫使锻件从钳口向外串动，钳口必有与钳杆转动相应的一张开量，当钳口张开时，若拉紧机构为机械传动或气动，拉杆或气缸气体将被压缩若拉紧机构为液压传动，油缸内油液将溢入高压管，此段称作塑性变形期。变形结束的瞬时，锻件中心线的移动速度降低，使转动着的钳杆有惯性作用，钳杆将相对于锻件中心线继续下移，最大惯性力在锻造主机上砧突然回程时出现。惯性运动中，系统中拥有的动能大部分用来克服拉紧机构的制动作用，另一部分转化为前缓冲器的势能，此段称为动荷后效期。在动荷后效期内，其全部载荷都由钳头杠杆承受，即锻造主机使钳口承受最大的动载荷。回转支承的内外圈分别与台架底板、小车底板用螺栓联接外圈及齿圈。油马达与减速器直联减速器与台架底板用螺栓联接减速器输出轴外伸端上的小齿轮与回转支承的外齿券啮合。当油马达转动时减速器输出轴外伸端上的小齿轮则一边自转一边环绕回转支承的外齿圈公转台架便作旋转运动。

2 锻造操作机的各部分机构构造

2.1 锻造操作机之“提升机构”的构型

对大型DDS锻造操作机提升机构进行了运动学分析，建立了操作机的运动学模型，在此基础上运用数值优化方法对其进行了优化设计。设备的回转动作和方筒的伸缩动作都是由低速大扭矩带内控制动器的液压马达来驱动的在液压管路上设有过载保护起动了缓和、保护机构不受过载破坏的作用。锻造操作机用来配备0.5t以上各种自由锻造压机，主要完成工件的升降、水平送进、回转、减速机选用标准设计提高互换性维修性减速机壳采用自制焊接构件大大增加了减速机壳抗冲击强度提高了使用寿命。对比分析了优化结果与其他不同工况的仿真结果，研究结果表明夹钳在提升过程中其水平方向的误差较小，得到提升机构的最优设计参数。

2.2 锻造操作机之“悬挂并联机构”的构型

锻造操作机机械系统的装出炉夹钳是我国早期应用的装出炉工具，通过它可以完成几十到上百公斤重工件的装出料作业，它具有结构简单，造价低廉，以及与之配套的室式加热炉制作成本低，热效率高等优点。但由于这种装出炉方式的自动化程度低，承载能力小，生产效率低，人工操作劳动强度大，安全性差等缺点，现在这种锻造装出料方式已基本淘汰。为了解决工件的装出料作业，人们发明了起重吊钳的装出料方式，与之配套的是台车式加热炉。在锻造大型锻件时，通过起重吊钳，把钢锭或坯料放到加热炉台车上，或从台车上取下已加热的钢锭或坯料，然后送到液压机或锻锤上锻造。根据钢锭或坯料或坯如是一个典型的起重吊钳简图。和其他装出料方式相比，这种方式存在台车式加热炉制作成本高、加热过程和出料过程的热损失大以及生产效率低等缺点。

2.3 锻造操作机的钳头夹紧旋转机构的构型

钳头夹紧旋转机构主要包括：电动机、皮带传动、减速器、制动器、联轴器、齿轮、离合器、钳杆、钳头、钳臂、滑块、主轴、拉杆以及压缩弹簧。钳口夹紧机构所需拉紧力，一般是在钳口夹住最重而且最长的锻件时（此时载重量及载重力矩最大）根据力和力矩的平衡关系来考虑。由于操作过程中钳杆需要经常旋转，钳口位置也随着不断变化。当钳口处于不同位置时，整个钳头的受力情况也就不同，力和力矩的平衡关系也随之改变，所以对钳口在不同位置时的拉紧力应分别加以计算，取其中最大值作为设计拉紧装置的依据。为简化计算起见，现按二个位置来考虑，即钳口处于垂直位置和水平位置。

3 “机钳杆机构”之于锻造机的操作仿真分析

3.1 关于计算方面

动力学模型中的三点假设在有限元模型中依然适用，根据垂直夹持的特点，对夹持机构有限元模型施加如下载荷与约束：（1）在对称面上施以法向位移固定约束；（2）在钳轭连接法兰面上施加三向位移固定约束；（3）在y负方向上施加重力加速度g为9.8m/s；（4）在推杆上施加z负方向夹紧力，Fo的一半。锻造操作机实体模型的创建是动力学分析的前提，也是该项技术的基础，模型的准确合理性直接影响到仿真数据的正确性，所以将实体模型建立得更精确是动力学分析中必不可少的一步。由于ADAMS建模功能不很强大，我们可以在其他的三维实体建模软件如Pro/E等中建立操作机的实体模型，然后通过模型预处理，就可以按parasolid格式转化到ADAMS中，相应零部件的质量参数与图形元素一起被转化。操作机的部件全部建立后，应对模型施加约束、限制和外力，最后再加上运动形式。在施加约束过程中，由于转化的图形取向是不确定的，在空间上很难准确选取特征方向，通过适当添加Maker可以解决这一问题。以下利用所建立的ADAMS模型进行锻造操作机台架机构在典型工况下的动力学仿真。限于篇幅，本文只给出了平行升降工况的动力学仿真结果。平行升降工况：锻造操作机夹持工件，钳杆水平上升8.8m，初始和末状态都静止。具体参数设置如下，工件质量40t，长4m，钳头水平位置xq=5.8m，初始竖直位置YQ=1.437m，钳杆倾角=0；摆移机构居中，Z1=Z=0。

3.2 自由锻造机

自由锻造操作机是一种在自由锻造工艺中用于夹持锻件，配合压机进行锻打的大型设备，可方便地实现锻件的提升、俯仰、翻转等工艺动作。有了操作机的配合，自由锻造的生产效率得到了提高。

4 结束语

本文通过对锻造操作机各机构的运动分析以及仿真计算，使我们更加深入的了解锻造机各部分工作的具体情况，使锻造机节约了经费开支。从而提高劳动生产率，改善产品质量，减轻劳动强度，提高锻造机的经济效益。

参考文献

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