肘杆式压力机冲压机构的动力学分析与优化

(整期优先)网络出版时间:2023-06-14
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肘杆式压力机冲压机构的动力学分析与优化

万博

广东锻压机床厂有限公司 广东佛山 528000

摘要:在现代工业中,冲压成形工艺展现出的优势较多,具有较高应用价值。机械式压力机作为工业生产中不可缺少的重要锻压设备,对生产质量和效率的提升有促进作用。传统机械式压力机在应用过程中,对曲柄连杆机构使用广泛,工艺的适用性不强,工作期间的速度缺乏稳定性,经常出现振动、噪音等问题。近年来,随着产品需求量的增多,对质量的要求也明显提升,传统机械式压力机已经无法满足高效生产要求。基于此种背景,肘杆式压力机冲压机构应运而生。为提升设备的应用效果,需要加强动力学与优化分析。

关键词:肘杆式压力机冲压机构动力学优化

引言

机构力学的研究目的是获取机构所需的驱动力,得到在运动期间机构运动副上的支反力。如果机构在运行期间,状态是低速轻载,由于速度和加速度偏小,所以产生的惯性力小,不会对机构造成太大影响。但若机构在运行过程中,处于高速重载状态,产生的惯性力大,需要对其造成的影响重点考虑。因此应该对肘杆式压力机冲压机构的动力学以及优化深入分析。

1肘杆式压力机冲压机构的动力学分析

1.1 肘杆式机构杆件质心的运动学分析

通过对肘杆式机构的运动学深入研究可知,在机构中,每个构件的角位移为,角速度为。结合动态静力分析方法,在对机构动力学研究过程中,应该将机构的运动学作为依据,确保全部构件在质心部位的运动参数能精准获取,最终将各个构件承受的惯性力计算出来。在理论分析阶段,将构件看成材质均匀且规则的杆件,由此确定杆件质心[1]

在分析肘杆式机构杆件质心运动学期间,建立的坐标系,具体如图1所示,固定点O作为原点,y轴负方向代表的是重力方向。已知,肘杆式机构杆件中,每个构件的杆长度分别为:。在三角板中,是BC和BD的夹角。结合图1来看,是肘杆式机构杆件各个构件质心位置距离相对应的铰链的长度。

图 1 杆件质心位置简图

1.2 肘杆式机构杆件的受力分析

在对肘杆式机构杆件的受力分析期间,主要侧重动态静力分析。为提升分析的合理性与科学性,将达朗贝尔原理作为基础,将惯性力看成加载到构件上的外力,将肘杆式机构看作静力平衡状态,并对静力学合理运用。通过对肘杆式机构杆件的拆分,拆下的构件建立平衡方程组,包含的内容有主动力、约束支反力以及惯性力,最后对各个构件的受力进行计算[2]

在肘杆式机构中,包含各个方面的力,主要有驱动载荷、工作阻力、杆件自身的重力等。从肘杆式机构整体角度分析,可以将支反力视为内力。但如果对每个构件拆分,在受力分析期间,支反力则属于外力。结合肘杆式机构杆件质心的运动学分析,可以获得质心位置的运动参数。因此在动态静力分析过程中,可以利用这些参数,在遵照达朗贝尔原理的前提下,对各个杆件的惯性力充分考虑,从而对肘杆式机构杆件展开受力分析,构建完整的动态静力模型。其中,杆件的惯性力和惯性力矩:

在公式中,在X、Y轴上,属于第个杆件所受到的惯性力。并且在第个杆件中,所受到的惯性力矩为

滑块上的惯性力以及惯性力矩为:

通过对肘杆式机构中每个杆件拆分,之后对受力情况进行分别分析,具体的平衡方程组如下:

假设曲柄OB的初始相位角位移,滑块工进时阻力为Q,曲柄OB上驱动力矩是Md。各个杆件的角位移具体为,具体杆件OB受力分析如图2所示。

图 2 杆件OB受力分析图

对于杆件AC,其受力分析如下图3所示:

图 3 杆件AC受力分析图

三角板BCD受力分析如图4所示。

图 4 三角板BCD受力分析

1.3 基于ADAMS的肘杆式机构的动力学仿真分析

对肘杆式机构运动学深入分析,通过采取逆动力学分析方法,对已有的肘杆式机构运动情况工作阻力展开研究,并以此为基础,对达朗贝尔原理科学运用,构建动态静力分析的数学模型,完成受力分析。通过运用数学计算软件MATLAB,计算动态静力分析的数学模型,获得机构中各个运动副的支反力。在肘杆式机构的动力学仿真分析过程中,本文采用理论分析和仿真分析相融合的办法,在ADAMS软件中,对肘杆式机构展开动力学仿真,获得ADAMS软件的原动曲柄上的驱动载荷随时间变化的规律曲线图[3]。通过与MATLAB软件中设定机构在空载以及满载状态下的工作运行情况对比分析,验证机构动态静力数学理论分析的正确性,最终得出可靠的理论分析结果。

2肘杆式压力机冲压机构的优化分析

通过分析肘杆式压力机冲压机构可知,在优化分析过程中,需要对设计变量、优化目标函数进行精准定义。肘杆式压力机冲压机构展现出来的优点较多,最明显的便是急回特性,工进时速度偏低,具有较强的安全性和平稳性,整个冲压行程中,滑块的速度先是快速进行,之后缓慢进行,最后速度加快。因此在研究期间,在对肘杆式压力机冲压机构急回特性充分保留的前提下,将目标合理优化。在本次研究过程中,对肘杆式压力机冲压机构优化分析期间,为保证工作效率能整体提高,让急回特性充分展现出来,提高工作的质量和水平,在冲压行程中,机构的速度低且平稳。压力机在工作行程中,对速度的平衡性有较高要求,特别是在深拉伸工艺中,稳定的速度对产品的合格率提高有较大影响。因而在肘杆式压力机冲压机构过程中,确定的优化目标为压力机滑块在冲压行程中的速度波动量最小。

对肘杆式压力机冲压机构优化设计的约束条件以及优化目标函数建立之后,开始机构优化,获得肘杆式压力机冲压机构各个杆件优化后的尺寸以及优化效果图,具体如图5、6、7所示。

图 5 滑块优化后的速度曲线

图 6 滑块优化后的加速度曲线

图 7 机构的压力角

在本次研究过程中,通过对肘杆式压力机冲压机构优化分析,最终的目的是要让压力机滑块在冲压行程中的速度的波动降到最小。从最终的优化效果图可以看出,通过优化分析后,优化目标滑块工作行程的速度波动量整体趋于稳定,波动量减小,速度更为平稳。并且对肘杆式压力机冲压机构优化,从滑块优化后的加速度、滑块优化后的速度曲线可以看出,虚线为优化前的曲线,实线是优化后的曲线,优化后滑块在工进时的速度减小,效果要好于优化之前,波动量小。由此可以看出,在冲压期间,对板料的冲击力不大,让产品的合格率全面提高,保证工作过程中不会出现噪声污染。在优化之前,回程中最大速度为298.91mm/s,完成回程所用的时间为4.68s,优化之后的肘杆式压力机冲压机构在这方面也有所减小,最大速度为283.84mm/s,时间为4.56s,急回特性的展现更为突出,压力机在工作过程中,生产效率有明显上升的趋势。通过对加速度曲线的分析,优化后滑块在工作行程中的加速度有减小的情况出现,冲压过程中,对模具不会产生太大冲击力。通过分析肘杆式压力机冲压机构曲线,与初始压力角曲线相比,在滑块的空行程中,优化之后的压力角整体没有太大改变,但在工作行程中,优化后肘杆式压力机冲压机构的压力角最大绝对值低于优化之前,并且在整个冲压工作行程中,如果压力角小,压力机的传动角便会增大,对肘杆式压力机冲压机构传动效率的提升有促进作用。

结束语:

综合而言,在多元化产品需求量不断增加的当下,人们对产品质量愈发关注,以往的曲柄连杆机构的压力机很难高效生产需求,存在的缺陷较多。因此应该加强对肘杆式压力机冲压机构的利用,提升现代制造业生产水平和质量。因此,对肘杆式压力机冲压机构的动力学与优化展开深入分析,对设备工作性能与运行效率的提升有促进作用。

参考文献:

[1]钱伟,吴钊,吴华伟,张运军,王乙坤,李正.上三角肘杆式压力机构间隙动力学特性分析[J].锻压技术,2022,47(06):214-223.

[2]孔俊超,顾猛,陈世雨,王硕.肘杆式高速压力机主运动机构的多目标优化设计[J].蚌埠学院学报,2022,9(05):21-25.

[3]张昭,刘军营,朱艳飞.肘杆式注塑机合模回路的压力补偿仿真分析[J].塑料,2022,46(03):126-129.