试析偏置结构曲柄连杆滑块机构压力机设计

试析偏置结构曲柄连杆滑块机构压力机设计

王寒阳

身份证号码：32030419861228081X

摘要：在当前金属塑性加工中，曲柄连杆滑块机构的机械压力机的应用范围十分广泛，因为该设备的机构设计较为简单，易于安装和维护，且整体运行成本较低，可以很好的满足金属塑性加工需求。在压力机实际设计过程中，偏置结构设计和正置结构设计模式最为常见，其中，尤以前者结构设计方式的利用率最为明显，因为该结构设计可以切实满足压力机行程和吨位及功率要求，并在一定程度上减小杆系总体尺寸，降低压力机的总体结构重量。因此，要想进一步推动偏置结构曲柄连杆滑块机构压力机的应用和发展，就要对其滑块机构的设计要点进行深入分析。本文也会针对该类压力机滑块机构的特点，对其受力情况以及面临的侧向力影响因素进行着重分析，并提出相应的优化设计方案，以便有关人士参考。

关键词：偏置结构曲柄连杆滑块机构压力机；受力分析；侧向力影响

前言

一般情况下，偏置结构的曲柄连杆滑块机构压力机在运行期间，都会因滑块侧向力所影响，而使得压力机的动态性能逐步降低。基于此，要想改善现状，满足压力机的应用发展需求，当务之急，就是要通过相应的控制措施来进一步减小滑块所受侧向力，如合理设计杆系尺寸、明确压力机其他参数等方式，这样才能使其动态性能得到最大化提升。

1.偏置结构曲柄连杆滑块机构特点及受力分析

1.1滑块机构的特点

图一 偏置结构曲柄连杆滑块机构设计简图

偏置结构曲柄连杆滑块机构的设计架构如图一所示。其中，图a所示的滑块机构位于一般位置，图b所示的滑块机构位于下死点位置。而滑块的运动方式则要以方程式（1）和（2）为依据，通过相应的改写进行合理确定。即改写成运动方程（3）。在该式中，e代表压力机的偏置量。另外，根据方程式（2）和（3）还可以求得方程式（4）、方程式（5）以及方程式（6）和方程式（7）。当滑块机构位于下死点处时，，根据运动方程（6）和（4）的联立，根据连杆1和2的角度特点，可以求解出方程式（8）和方程式（9）。将两个方程式代入到方程式（5）可以求解出方程式（10）

。而将方程式（8）、（9）、（10）分别代入到方程式（7）中，可以获得滑块在下死点处时，其自身位移对压力机曲柄转角的二阶导数，具体如方程式（11）所示：，这样依据该方程式和压力机曲柄的转速，就可对滑块加速度进行全面的掌握。

此外，从图一中的b图可以了解到，要想对连杆的受力情况进行分析确定，前提条件就是要依据压力机连杆和滑块的相互作用力开展实施。但若压力机滑块受到加速度和重力因素影响时，连杆2非单纯的二力杆，其受力情况可以从以下几个方面去体现：首先，曲柄杆竖直方向的作用力可以用F1x和F1y进行表示，mg则表示受到的重力影响因素，即连杆质量和重力加速度；其次，ma表示加速度引起的动载荷大小。这种载荷的流动方向与连杆3质心加速度方向呈相反的关系；最后，F3x和F 3y表示滑块对连杆产生的水平作用力[1]。

1.2滑块机构受力情况

由于滑块对连杆产生的水平作用力为F3x，所以滑块所受的侧向力就要利用-F3x进行表示。假设连杆2所受的各力与点A相对应时，根据已知条件，就可获得方程式（12）

。在该式中，表示连杆质心位置与点B之间的距离以及与连杆2之间的总长度之比；表示下死点位置滑块中连杆1和2竖直方向的夹角。另外，连杆质心处的加速度要依据点A和点B的加速度进行计算，例如，若两点的加速度矢量分别为a1和a3时，则连杆质心加速度矢量a就可利用方程式（13）进行表示。同时，还能在此基础上求解出方程式（14）和方程式（15）1。在该式中，曲柄杆的角速度用进行表示。鉴于此，将方程式（14）和（15）分别代入到方程式（12）中，并依据就可求得方程式（16）。在该式中，a可由偏置参数e进行确定，而F3y的确定则根据额定公称力进行代入。另外，若A点位置的加速度会沿着连杆1的轴向方向移动，则连杆的动载荷与A点之间的取矩指数可以选择0。基于这种情况，在计算过程中，相关工作人员就要对B处的加速度进行充分考虑。相对而言，若B点位置的加速度会沿着连杆1的竖直方向移动，就会使得滑块与连杆竖直方向之间产生一定的夹角。因此，要想对滑块所受侧向力的具体情况进行充分明确，前提条件就是要准确计算出偏置结构的受力情况。

2.产生滑块受侧向力影响的具体因素分析

根据运动方程式（16）可以得知，对于偏置结构曲柄连杆滑块机构而言，其所涉及的偏置量、曲柄和连杆尺寸、连杆质量、曲柄转速等参数若设置不合理，就会导致一定的侧向力影响因素产生。例如，在r1和r2都为50mm的条件下，这些参数一旦发生变化，滑块机构就会受到很大的侧向力因素所影响，具体影响结果如图二所示。从该图中的a图可以得知，当滑块偏置量设置为最小数值时，滑块所受侧向力与偏置量之间就会呈正比关系。最终影响结果为：r1=50mm、r2=500mm、F3y

=200kN、λ=0.5、m=100kg、曲柄转速n=1.25转/s。基于此，要想保证滑块所受侧向力得到一定程度的控制，关键任务就是要对滑块偏置量的大小进行合理控制。另外，从该图中的b图可以得知，当连杆质心位置与滑块顶端相接近时，滑块所受的侧向影响作用力也会相对偏小，特别是在滑块加速度较高的条件下，这种情况会更加明显。最终影响结果为：r1=50mm、r2=500mm、F3y=200kN、e=20mm、m=100kg、曲柄转速n=1.25转/s。而从该图中的c图可以得知，若压力机曲柄转速设置为较大数值时，连杆就会产生一定的动载荷，进而使得滑块会受到不同程度的侧向力影响。最终影响结果为：r1=50mm、r2=500mm、F3y=200kN、λ=0.75、m=100kg、e=20mm。此外，从该图中的d图可以得知，若连杆质量符合相应的规范标准要求时，则滑块受到的侧向影响作用力也会相对0平衡，最终影响结果为：r1=50mm、r2=500mm、F3y=200kN、λ=0.5、e=20mm、曲柄转速n=1.25转/s。而从该图中的e图可以得知，滑块在不同载荷作用下，其所受的侧向力大小也是不尽相同，由此可以证明，滑块载荷会直接影响其所受侧向力的大小。最终影响结果为：r1=50mm、r2=500mm、m=100kg、λ=0.5、e=20mm、曲柄转速n=1.25转/s。

鉴于上述内容，要想最大化减小滑块所受侧向力影响，前提条件就是要对压力机的额定工作载荷、行程和每分钟行程次数等进行合理确定。同时还要确保连杆质量，并根据实际情况适当调整连杆质心位置或增大连杆尺寸等，这样才能实现对滑块所受侧向压力的有效控制。

图二 单一因素变化对滑块所受侧向力的具体影响

结束语：

综上所述，本文主要以偏置结构曲柄连杆滑块压力机作为研究对象，根据对其滑块机构受力情况的分析，可以了解到，滑块受侧向力的大小与其自身的偏置量、连杆加速度和自重以及曲柄转速和连杆尺寸、连杆质量等因素都有着很直接的关系。因此，要想确保压力机的正常运行，使其在金属塑性加工中发挥出最大的实效作用。前提条件就是要对其滑块所受侧向压力的影响进行准确分析和计算。同时还要根据实际情况，适当调整滑块机构设计方案，这样才能使滑块所受侧向力得到有效控制，进而为压力机的持久稳定运行打下良好的基础。

参考文献

[1]宋浩.新型多连杆机械压力机机构的力学分析[J].山东科技大学,20

18,(02):33-35.

[2]梁森,陈新乐,安广明.一种多点曲柄连杆压力机滑块安装调整装置及方法[J].锻压技术,2019,(10):75-77.