陈哲  绳会玲  尚英军  张慧

（西安兰石重工机械有限公司 西安710065）

 

作者简介：陈哲（1987-），男，汉族，籍贯：福建南平，工程师，燕山大学本科毕业，主要从事快锻压机、锻造操作机、精锻机、锻造装出料机，及钻机自动化辅机的设计研发工作

 

摘要：50吨有轨装出料机的吊挂系统采用的是潘克的平行升降结构，由于存在串缸结构，所以吊挂系统中倾斜缸的受力分析比较复杂，本论文通过结合理论力学的相关知识，对50吨有轨装出料机倾斜缸和平升缸的所需要提供的推力进行分解和综合分析，得出一套正确的计算方法。

关键词：有轨装出料机；吊挂系统；潘克；平行升降结构；串缸结构；倾斜缸；平升缸。

引言

在锻造行业中，锻件在加热后装取、运送是个难点，为解决这个难题，在锻造车间一般会设置机械手、吊钳或者装出料机。其中，装出料机是一种集合多种独立动作，可实现行走、升降及旋转功能的热锻件装取料设备。装出料机的种类较多，但就其分类来说，大体上与锻造操作机相类似，即按其运行方式的不同，可分为有轨装出料机、无轨装出料机及悬挂式装出料机。其中，轨道式装出料机由于可承受重载，往往大型锻造压机会配备轨道式装出料机。而轨道式装出料机，主要有潘克结构、惠尔曼式等结构。10000T模锻压机配备的50吨有轨装出料机的吊挂系统采用的是潘克的平行升降结构，由于存在串缸结构，所以吊挂系统中倾斜缸的受力分析比较复杂，现针对50吨有轨装出料机倾斜缸的力进行分析。

1 潘克结构装出料机

 

图1

如图1，潘克结构装出料机采用的是平升缸与倾斜缸联动的形式实现钳杆的升降，倾斜缸为柱塞缸，平升缸为活塞缸，平升缸有杆腔的面积和倾斜缸的缸径面积一致，平升缸和倾斜缸之间设置有串联管路。当钳杆需要平行升降时，只需要使压力液体通过对平升缸的无杆腔进液/排液，以及平升缸与倾斜缸之间的串联管路实现。当钳杆需要倾斜时，只需要对倾斜缸进行单独控制。此种结构平行控制简单，通过平升缸的控制就可实现倾斜缸的联动，从而保证钳杆的平行升降。

2 油缸受力

无论分析哪种油缸的受力情况，最终都可以转化到杆的受力情况，比如柱塞缸就是分析柱塞杆的受力情况，活塞缸就是分析活塞杆的受力情况。

柱塞杆的受力分析较简单，由于柱塞缸只有一腔油，所以柱塞杆只受液压油对柱塞杆的压力和一个外力；由于活塞缸有两腔油（有杆腔和无杆腔），所以相对于柱塞杆就多了一个力（另外当其中一腔与油箱相连时，此腔的压力视为零）。

3 根据理论力学中力和力矩的方法计算倾斜缸的力

对于串缸结构中的倾斜缸由于它也是柱塞缸，所以它所受的力也只有两个力，也就是外力和液压油对柱塞杆的压力。我在分析50吨有轨装出料机平升缸和倾斜缸的受力情况时，推算倾斜缸的压力是通过分析钳杆和前吊臂的受力情况得出的，既分析钳杆和前吊杆所受的力和力矩。

具体分析过程:

首先，由于前后吊杆相对于竖直方向的夹角都比较小，为计算方便，假定前后吊杆的都是竖直状态。（另：忽略缓冲缸对前吊杆的作用力和各个部位的摩擦力）

3.1 对钳杆的受力分析

钳杆只受三个外力，既重力、前吊杆提供的力、后吊杆提供的力。如图2.

 

图 2

已知前后吊杆铰接处的距离为3680mm。

通过SolidWorks作图得出：当夹持50吨棒料时，钳杆和物料的整体重心位置距离前吊杆和钳杆铰接处约为2990mm。

已知重力的方向向下。根据理论力学的知识可以很容易得出F1和F2的方向（如图2所示）。已知重力G = 117 T，由以上数据列方程式：

力方程式：F1 + G = F2                             ……………… ①

力矩方程式：F2 × 3680 = G × ( 3680 + 2990 )       ……………… ②

由方程①、②解出F2 = 212 T，F1= 95 T。

3.2 对前吊臂的受力分析

由于忽略缓冲缸对前吊杆的作用力，所以可以把前吊杆看为二力杆；前吊杆要给钳杆提供向上的拉力F2，而这个力需要前吊臂提供，由于前吊杆是二力杆，那么钳杆就有一个向下拉前吊臂的力F2’。如图3.

 

图 3

对于前吊臂，它受三个力，既前吊杆对前吊臂向下的拉力、倾斜缸对前吊臂的支撑力、机架对前吊臂的作用力，如上图所示。再根据理论力学的方法得出它们的方向，并列方程：

（1） 力方程式：F2’ + F3= F倾                         ………………③

（2） 力矩方程式：F倾 × 1090 = F2’ × ( 1090 +570 )    ………………④

由方程③、④得出倾斜缸对前吊臂的支撑力F倾为323T，由于有两个倾斜缸，所以每个倾斜缸所需的力为161.5T，这样就可以根据倾斜缸的直径270mm得出倾斜缸的压力28MPa，这个值是理论值，需要乘上系数1.2，既最终确定倾斜缸的压力为33.6MPa。

4 结果正确性的判断

目前，对于用以上方法得出的倾斜缸的压力，很多人存在很多疑问，认为所求出的值过大。

首先认为串缸结构对于倾斜缸的受力是没有影响的。

倾斜缸是柱塞缸，它只受两个力，也就是外力和液压油提供的力；其次、对于倾斜缸来说他的外力只靠钳杆的自重来提供，钳杆的重量和重心不变，它所受的外力也不会改变，那么液压油的压力也就不会改变。

串缸结构真正影响的是平升缸，它只是增加了一个对平升缸上腔的压力。

下面对平升缸进行受力分析。

由上述计算过程已经得出F1 = 95 T，对后吊臂进行受力分析。

 

图 4

后吊杆要给钳杆提供向上的压力F1，而这个力需要后吊臂提供，由于后吊杆是二力杆，那么钳杆就有一个向上压后吊臂的力F1’。如图4.

对于后吊臂，它受三个力，既后吊杆对后吊臂向上的压力、倾平升缸对后吊臂的向下的拉力、机架对后吊臂的作用力，如上图所示。再根据理论力学的方法得出它们的方向，并列方程：

（1） 力方程式：F1’ + F4= F平                         ………………③

（2） 力矩方程式：F平 × 1090 = F1’ × ( 1090 +570 )    ………………④

由方程③、④得出倾斜缸对前吊臂的支撑力F平为145T，由于有两个平升缸，那么每个平升缸需要提供的拉力为72.5T。

当不存在串缸结构时，那么平升缸的有杆腔需要提供一个向下的压力P1（≥ 72.5），且无杆腔压力Fp可以为零。此时四连杆结构要实现平升降是很困难的，因为系统要对平升缸的有杆腔提供一个向下的压力，而平升缸的活塞杆又要向上运动。（如图5）

当存在串缸结构时（如图6），由于倾斜缸的油腔和平升缸的有杆腔相连，倾斜缸内的油压等于平升缸有杆腔的油压，由于它们的面积相等，所以液压油提供的压力也相等，既P1’=P2。

              

图5                                       图 6

由此可列方程式：

（1） P1’ = P2 = F倾 / 2’ =  161.5 T

（2） F平/2’ = 72.5T

（3） Fp’ = P1’ – P1’

有上述方程式解出平升缸下腔液压油提供的压力为 89 T。

且根据简化最后得出：平升缸的推力为定值Fp =S×G/2，S为吊臂的杠杆比。

通过以上计算我推断设计串缸的工程师的初衷是：

（1）、通过串缸把倾斜缸的油压作用到平升缸的上腔，产生一个向下的拉力，这个拉力用来可以用来抵消平升缸对后吊臂的拉力，使得系统只需提供一个对平升缸向上的压力。

（2）让四连杆结构平行升降。

上述过程把串缸结构产生的力也计算在内，所以以上计算所求出的倾斜缸所需的压力是正确的。

参考文献：

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[5] 余发国等 锻造操作机的回顾与展望[J] 机械设计与研究.2007 12-15；

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