小松式机械压力机功能设计计算

曲慧敏，周胜德，王立辉，刘 莹

（齐齐哈尔二机床（集团）有限责任公司，黑龙江 齐齐哈尔161005）

1 引言

压力机功能设计主要包括做功量、主电机功率和飞轮转动惯量三个方面，它是一台压力机设计计算的基础。以往的诸多文献对此均有论述，但它们给出的计算公式中存在许多系数、计算过程过于繁琐，且计算结果与实际情况不符，不具备可操作性。

本文在研究小松式压力机技术的基础上，从分析压力机一个工作循环的能量消耗入手，得出了一套压力机功能设计计算行之有效的方法。

2 压力机一个工作循环所消耗的能量

要确定压力机的主电机功率及飞轮转动惯量，首先要确定压力机一个工作循环内消耗的能量，其计算公式如下[1]：

式中：A——压力机一个工作循环的总能量消耗，t·m；

A1——工件变形功与拉深垫工作功之和（属有效能量），t·m；

A2——压力机一个工作循环的摩擦消耗能量（属无效能量），t·m；

A3——离合器接合所消耗的能量（属无效能量），t·m；

A4——离合器搅油损失能量（属无效能量），t·m；

A5——特殊附属装置所消耗的能量（含有效能量和无效能量两部分），t·m。

2.1 工件变形功与拉伸垫工作功之和A1

压力机工作能量的确定比较复杂，在压力机初步设计时一般用理论工作能量来计算，即：

式中：p——压力机的公称能力（双动为内滑块的公称能力），t；

h——公称压力行程（双动为内滑块压力行程），一般取h=0.013～0.015m，或由用户所需规定，m；

pB——外滑块的公称能力，t；

hB——外滑块的公称压力行程，一般取h=0.006m，或由用户所需规定，m；

S——滑块公称行程（双动为内滑块行程），m；

pD——拉深垫的公称能力，t；

KD——拉伸垫能力系数，一般KD=6。

设计单动压力机时，按pB=0、hB=0 计算；不带拉伸垫的压力机按KD=p/6 计算；落料、修边、锻造用压力机可以按KD=0 计算。压力机的工作能力A1必须在订货时与用户共同商定，它主要取决于用户根据典型工艺载荷图算出A1值。

2.2 压力机在一个工作循环中摩擦消耗的能量A2

压力机一个工作循环中因摩擦所消耗的能量由多方面因素组成，主要包括：①曲柄滑块机构的摩擦所消耗的能量；②工作行程时由于压力机受力系统的弹性变形所消耗的能量；③压力机空行程向下和空行程向上时所消耗的能量；④滑块停顿飞轮空转时所消耗的能量。这些能量损失量引起的原因很多，一般压力机均按经验公式估算。

即对于曲柄驱动的曲柄压力机有：

而对于偏心齿轮驱动的曲柄压力机：

2.3 离合器接合所消耗的能量A3

对于连续行程，A3=0。对于单次行程，离合器接合时所消耗的能量可分成两部分：①压力机从动部分加速所需的能量损失；②离合器接合发热的能量损失。两部分损失能量均可按下式计算：

式中：GD2——压力机从动部分折算到离合器轴上的转动惯量，t·m2；

ns——离合器轴的转数，r/min。

在初步设计时，压力机从动部分转动惯量GD2未知，A3可按如下经验公式估算：

式中：K0——压力机种类系数，根据压力机种类而定，K0=1～1.25；

K1——行程系数，K1=1.08+0.6S，S 为滑块行程；

K2——行程次数系数，K2=1.62-0.02Nb，Nb为压力机连续行程次数，min-1；

nc——离合器理论转速，r/min-1；

E0c——离合器理论转速下的损失能量，一般取E0c=2～5t·m。

2.4 离合器、制动器的搅油损失能量A4

对于干式离合器制动器，A4=0。对于湿式离合器制动器：

式中：N——压力机工作行程次数，s/min；

Nb——压力机连续行程次数，s/min；

Kn——离合器制动器种类系数，Kn=0.5～0.7；

e——离合器制动器单位时间的搅油损失量，t·m/s。

2.5 特殊附属装置消耗的能量A5

特殊附属装置一般包括上打料装置、上气垫装置和送料机构等，驱动这些装置所需能量和这些装置摩擦消耗的能量即为A5。

3 主电机功率的确定

主电机的计算功率P（kW）为[2]：

式中：L——特殊附属装置所需要的电机功率，kW。对只有送料装置的压力机，一般取L=3～5kW。压力机有上气垫装置时，上气垫所需电机功率会很大，需参考下气垫所需电机功率的方法计算出。当无上气垫、无送料机构时一般L 很小，可以忽略；

K——电机种类系数，DC 电机K=1，AC 电机K=1.1～1.2，VS 电机K=1.3；

N——压力机工作行程次数，min-1。对于手工送料压力机，N 为断续行程次数；对于全自动在线压力机，N 为该线实际每分钟生产的工件数。

对于双速或调速电机，如果工件变形功和拉伸垫工作功之A1和是在某一连续行程次Nb′所对应的断续行程次数N′下给出，则按公式（9）求出了电机功率P′。它对应于另一连续行程次数Nb″和工作行程次数下N″的电机功率P″，按下式计算：

式中：P″、P′——不同行程次数下的电机功率，kW；

4 飞轮转动惯量的计算

对于冲裁工艺，由于工作时间很短，故主要靠飞轮释放能量来满足工作行程功的需要。如果忽略电机在这时所输出的能量，那么飞轮等因速降所产生的能量输出EA应等于压力机在一个工作循环的能量消耗A，即[2]：

式中：EA——压力机主动转动惯量（飞轮、离合器等）释放的能量，t·m；

A——见式（1），t·m；

ns——飞轮轴的转速，r/min；

kv——速度降系数。

式中：Sv——速度变化率（电机滑差率）。

高滑差驱动飞轮用电动机的最大允许Sv数值见表1，双速电机在低速时Svmax≤20%。

毫无疑问，由公式（14）算出的飞轮转动惯量偏于安全，因为在冲压工件时电机也会提供一些能量。应指出的是工件变形功与拉伸垫工作功之和A1的计算式在下述假设条件下成立的：在一个冲压循环中压力机的能力、压边能力和拉伸垫从压力机的1/6行程开始作用的能力同时达到公称能力。也就是说公式（2）只有在极限的情况下才会成立，而这一点在实际使用中几乎是不可能的。为了防止将飞轮选得过大而造成不必要的浪费，在实际设计中直接取EA=A1，舍去A2、A3、A4、A5的影响。实践证明这种取法是比较合理的，从而：

表1 电机最大允许速降

将式（16）代入到式（15）中，有：

5 结论

压力机一个工作行程做功量是一定的，以上几项内容的计算是否合理，也就决定了一台压力机的工作能力和使用范围。所以在机械压力机的设计计算中，主电机功率、飞轮转动惯量及一次工作行程做功量的计算是非常关键的。本文提出的上述算法经多台压力机的校核计算，结果与实际情况完全吻合。

[1]何德誉.曲柄压力机[M].北京：机械工业出版社，1981.

[2]小松式机械压力机设计资料.齐齐哈尔二机床集团有限责任公司内部资料，1987.