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1、曲柄压力机滑块许用负荷图的制定及其作用摘要：曲柄压力机的许用负荷曲线是压力机的主要技术文件,是合理地选用压力机的依据。本文通过对曲柄压力机的曲柄滑块运动受力分析，以及对曲轴载荷与应力分析，制定出曲柄压力机滑块许用负荷图，该图对指导正确使用曲柄压力机有重要作用。关键词：曲柄压力机 滑块机构 曲轴 许用负荷曲线 1 前言曲柄压力机工作时,压力机各主要零件都承受着由工作负荷而引起的作用力,故存在着强度和刚度问题。强度不足,压力机就要被破坏；刚度不足,制件精度和冲模寿命就达不到要求。在保证压力机强度和刚度条件下,压力机所能承受的工作负荷值,称为压力机许用负荷。下面分别讨论滑块的位移和速度与曲柄转角的关
2、系。2曲柄滑块机构的运动分析如图1所示是典型的曲柄滑块机构的运动简图。O点为曲轴的旋转中心，A点为连杆与曲轴的连接点，B为连杆与滑块的连接点，OA为曲柄半径，AB为连杆长度。当OA以角速度绕O点作旋转运动时，B点则以速度作直线运动。2.1 滑块位移与曲柄转角的运动关系 根据如图1所示的曲柄滑块机构的运动关系,由几何关系,可得滑块位移s与曲柄转角的关系： （2-1） 式中 s滑块位移，从下死点算起，滑块离下死点的距离； R曲柄半径； 曲柄转角，从下死点算起，与曲柄旋转方向相反为正； 连杆系数，=RL,其中L是连杆长度，当连杆长度可调时，取最短的数值。 图1 曲柄滑块机构运2.2 滑块速度与曲柄转
3、角的关系 动关系计算简图 将式（2-1）对时间求导，得滑块运动速度： （2-2）式中 滑块速度，想下方向为正； 曲柄角速度，； n曲柄每分钟转速，即滑块每分钟行程次数。 3 曲柄滑块机构的受力分析3.1 理想状态下曲柄滑块机构的曲柄扭矩 曲柄压力机工作时,曲柄滑块机构要承受全部的工艺力，是主要的受力机构之一，其强度决定了滑块允许承载的大小，对此机构所承受的作用力和曲柄扭矩的计算是设计曲柄滑块机构和传动系统的基础，也是理解滑块许用负荷图意义基础。3.1 理想状态下曲柄滑块机构的曲柄扭矩图2 曲轴受力分析图经受力分析及几何关系,可计算出曲轴上所受的扭矩: （3-1）注：一定时，曲轴所受扭矩随a值增
4、大而增大；一定时，变形抗力F随a值增大而减小。3.2 实际工作中曲柄滑块机构的曲柄扭矩实际上，曲柄滑块机构各运动副之间是有摩擦存在的，由此而增加的曲轴摩擦扭矩在实际扭矩中占一定比例，是不可忽略的。在曲柄滑块机构内摩擦主要发生在如下4处，如图2所示。（1）滑块与导轨面（见图2（e）处，摩擦力与运动方向相反且是单面受力。（2）曲轴支撑颈和轴承之间的摩擦（见图(b)、（c）处，由于摩擦产生的阻力力矩。（3）曲柄颈和连杆大端轴承之间的摩擦痛曲轴支撑处阻力一样为阻力力矩。（4）连杆销处连杆小端与滑块支撑之间的摩擦力矩。上述4处得阻力都会使曲柄连杆系统增加所需要的传递扭矩,因此,在实际工作状态下,作用于曲
5、轴上的总扭矩应为工件变形抗力所引起的扭矩和摩擦所引起是扭矩之和,如图3所示为考虑摩擦后曲柄滑块机构受力简图。根据受力分析以及几何关系,可得出曲轴上动力输入端所受扭矩为: (3-2)式中 摩擦系数。不同压力机可查手册；曲轴曲柄颈半径；曲轴支撑颈半径；与的夹角。 (3-3)式中考虑摩擦后的当量力臂。图3 考虑摩擦后曲柄滑块机构受力简图4 曲轴载荷与应力分析4.1 曲轴C C截面力学分析 由材料力学可知，曲轴受力后产生弯曲变形，曲柄径中部的变形大于两边的变形，因此，连杆给予曲柄径的作用力就成为非均布载荷，两端大、中间小，故可以简化为两个集中力作用在曲柄径的两端。考虑到轴瓦的磨损，故提出图4计算简图。
6、即载荷分为两个集中力，作用在距离曲柄臂2r处。两支承也是支在距离曲柄臂2r处 根据第三强度理论，则C C截面的最大应力为： (4-1) 图4 曲轴计算简图式中 标称压力； 曲柄两臂外侧面间的距离； 曲柄颈长度； r圆角半径； R曲柄半径； 连杆系数； 曲柄转角。4.2 曲轴B B截面力学分析支承轴颈的BB截面上也受到弯扭的联合作用，但此处和C C 截面相反，扭矩比弯矩大得多，故计算时，可忽略弯矩的影响。BB截面扭矩为： （4-2）式中符号意义同上。5 滑块许用负荷曲线图的制定及其作用5.1 滑块许用负荷曲线图的制定从上述曲轴载荷的应力分析，及由式（4-1）和（4-2）可知，曲轴危险截CC强度只
7、与压力机标称压力有关有关；危险截面BB强度除与压力机标称压力有关外，还与当量有关。由曲柄压力机的设计参数可知式(4-1)相关参数,再由曲轴材料可查表确定曲轴许用弯曲应力，代入式(4-1)可计算出CC截面所允许滑块作用力=。查表确定许用扭矩，再由式（3-3），可得出曲轴BB截面关于曲柄转角的许用扭矩应力函数： （4-3）由和可以绘制出如图5所示的滑块许用负荷图。纵坐标表示压力机滑块许用负荷，横坐标表示曲柄转角，直线ab是根据作出的许用负荷线；曲线bc是根据作出的许用负荷线。 图5 滑块许用负荷曲线5.2 滑块许用负荷曲线图的作用 由上述得知,即作用在滑块上的负荷不变,曲柄扭矩也随曲柄转角增大而增
8、大,由此,压力机中承受扭矩的零件如曲轴、齿轮等，其应力也是变化的，在曲柄转角为时最小，在附近时最大。而实际压力机时并不是按附近设计，而是按远小于此值的某一特定角（即公称压力角）下设计，因此，当压力机在较大的曲柄转角下工作时为了不致使曲轴及齿轮等零件产生强度破坏，滑块上所容许的工件变形力就应减小。滑块许用负荷曲线就是建立了这种定量关系。6 小结有了压力机的许用负荷曲线图,在使用压力机时,注意压力机的工作角度和最大滑块负荷,使工艺力的最大值落在图5中abc线以下的安全区内，可以保证设备安全稳定工作。在通用曲柄压力机上进行冷挤压工艺或用复合模进行冲压加工时，更要注意此问题，要防止由于工作角度太大而出现机器超载。7 参考文献 1 李永堂，付建华等.锻压设备理论与控制.北京：国防工业出版社，2009 2 卫卫主编.金属与塑形成型设备，北京：机械工业出版社，1996 3 李培武主编.塑形成型设备.北京：机械工业出版社，1995 4 俞新陆主编.锻压手册-锻压车间设备.北京：机械工业出版社，1993
