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伺服曲柄压力机设计说明书


伺服曲柄压力机设计计算
目录 0 引言 1 伺服曲柄压力机技术参数 2 伺服曲柄压力机原理与性能设计分析 3 伺服曲柄压力机工艺曲线设计分析 4 伺服曲柄压力机负载曲线设计分析 5 伺服曲柄压力机电机功率设计分析 6 伺服曲柄压力机传动机构设计 7 伺服曲柄压力机工作机构设计

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0 引言

金属的锻压加

工大量采用曲柄压力机, 也称为冲床, 据不完 全统计,我国在用的曲柄压力机冲床数量高达数百万台。目前, 锻压生产所用曲柄压力机由高转差率的电动机驱动, 由刚性离合 器和摩擦离合器控制, 存在安全性差、 能耗高、 故障率高的缺陷。 高转差率电动机的效率低于 GB18613-2012《中小型三相异 步电动机能效限定值及能效等级》 , 从 2012 年 9 月 1 日起被强制 淘汰,选用高能效的电动机成为压力机换代升级的首要目标。 “开关磁阻电机系统是一种机电一体化节能型调速电机系 统。它由开关磁阻电动机、功率变换器及控制器组成。同传统的 直流及交流电机调速系统比较,具有以下优点:电机结构坚固、 制造成本低;效率高,不仅在额定输出状态下,而且在宽广的调 速范围内也能保持高效率运行;一般系统效率达 80%以上;启 动转矩大、启动电流小;制动性能好,能实现再生制动,节约电 能效果显著; 系统调控性能好, 四象限控制灵活; 具有无刷结构, 适合于在高粉尘、高速、易燃易爆等恶劣环境下运行;可以在各 行各业应用。 ” (摘自 《中华人民共和国国家发展和改革委员会 中 华人民共和国科学技术部 国家环境保护总局 公告 2005 年 第 65 号》 ) 采用节能的开关磁阻电机替代高耗能的传统电机成为企 业节能的发展方向。 目前, 国外的伺服压力机技术采用永磁伺服技术, 抗冲击性 能不好, 可靠性低、 成本高, 没有形成对传统压力机的全面替代。

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1999 年以来,由山东科汇电力自动化有限公司研发生产的 开关磁阻伺服系统, 在压力机领域获得广泛应用。 在山东理工大 学赵婷婷教授的技术支持下, 开关磁阻伺服压力机分别在青岛益 友锻压机械有限公司、 扬力集团等单位进行了研制, 各吨位系列 的开关磁阻伺服压力机相继诞生, 并开始投入批量生产。 实际应 用证明,与现有压力机比较,开关磁阻伺服压力机的优势明显、 特点突出, 特别是高效节能、 智能数控自动化与高可靠性的独特 优势,受到广大用户的积极响应,并获得一致好评。 淄博市能源监测部门的监测, 给出了开关磁阻伺服螺旋压力 机比摩擦式螺旋压力机节能 67.86%的结果(引自《淄博市能源 监测中心检测报告》 编号 J1010138) , 由此, 当地政府颁布文件, 用 节 能 数 控 压 力机 强 制 淘 汰 摩 擦压 力 机 ( 引 自 淄经 信 节 字 [2011]77 号) 。 电机能效新国标的强制执行与开关磁阻伺服电机技术的成 熟, 为传统压力机的升级换代以及冲压生产节能智能化带来发展 机遇。开关磁阻伺服压力机是具有感知、决策、执行功能的智能 锻压装备。 智能锻压装备作为高端装备制造业的重点发展方向和 信息化与工业化深度融合的重要体现, 大力培育和发展智能锻压 装备产业对于加快锻压业转型升级, 提升生产效率、 技术水平和 产品质量, 降低能源资源消耗, 实现锻压生产过程的智能化和绿 色化发展具有重要意义。

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1 伺服曲柄压力机技术参数

250 吨伺服曲柄压力机技术参数
公称压力 Fg / kN: 2500 公称压力行程 S g / mm: 13 滑块行程 S / mm: 315 行程次数(额定值) n g / spm: 20

行程次数调速范围 n/ spm:10—40

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2 伺服曲柄压力机原理与性能设计分析 2.1 伺服曲柄压力机原理与分析
伺服压力机由开关磁阻伺服电机驱动,与传统机械压力机结构不同之处是没有飞轮、 离合器、气动制动器及其控制系统。结构组成为:开关磁阻伺服电机经过减速驱动曲柄连杆 滑块运动;电机轴设置电磁制动器,电机轴与曲轴端设置位置传感器;制动器和位置传感器 连接电机控制器(图 2-1) 。 结构件的连接关系为:伺服电机输出轴键固连小带轮,小带轮通过 V 带传动连接大带 轮, 大带轮键固连传动轴的一端, 传动轴通过轴承连接机身, 传动轴的另一端键固连小齿轮, 小齿轮与大齿轮相互齿轮传动,大齿轮键固连接曲柄轴的一端,曲柄轴通过轴承连接机身, 曲柄轴的中部通过轴承连接连杆的大端,连杆的另一端滑动连接滑块.

图 2-1 伺服曲柄压力机原理图 1、开关磁阻伺服电机 动 7、曲轴 机控制器 8、 连杆 2、角位移传感器 9、滑块 3、制动器 4、皮带传动 11、机身 12、模具 5、传动轴 13、液压缸 6、齿轮传 14、电

10、传感器

工作原理:
压力机起动时, 开关磁阻伺服电机以大起动转矩由零速加速旋转, 通过减速传动带动曲 柄连杆滑块运动, 电机在起动加速过程提供的能量储存于系统转动惯量, 其能量为

1 2 J e? e , 2

此能量(可由电机转速数控值决定)大于等于额定工作能量 E g ,压力行程时,电机全速降, 释放此能量, 实施冲压; 位置传感器给出滑块上止点的位置, 通过电机控制器传给伺服电机。

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单击状态下,当滑块靠近上止点时,伺服电机减速,制动器实施制动,滑块停在上至点,完 成一个工作循环。 开关磁阻伺服曲柄压力机与传统曲柄压力机的原理比较:

E?

1 1 2 2 2 J e? e ? J (?1 ? ? 2 ) 2 2

(2-1)

2.2 伺服系统原理与分析
伺服系统有永磁伺服系统和无永磁伺服系统两种。 考虑到压力机的冲击性负载特性, 主 运动采用无永磁体的开关磁阻伺服系统驱动。 , 开关磁阻伺服系统(SRD)由电机(SRM)及控制器两大部分组成。其电机定、转子 由冲有凸极和凹槽的硅钢冲片叠压而成。 转子上既无绕组也无永磁体, 定子的相绕组为集中 绕组。结构设计如图 2-2 所示。以图中三相 12/8 极定、转子的相对位置作为起始位置,依 次给 B→C→A 相绕组通电,转子即会逆着励磁顺序以逆时针方向连续旋转;反之,则电机 会顺时针方向转动。绕组电流是单向的,有效避免了直通短路。 当绝缘栅双极晶体管(IGBT)S1、S2 导通时,A 相绕组从直流电源 U 吸收电能,而当 S1、S2 关断时,绕组电流经续流二极管 D1、D2 继续流通,并回馈给电源 U。因此,SRD 的特点是具有再生作用,系统节电、效率高。 转子上固定有齿盘, 定子上装有检测齿盘转动的光电传感器, 转子角位移以电脉冲信号 的方式传送给 SRD 控制器,由 SRD 控制器控制电机的工作运动。 SRD 控制器包括嵌入式微处理器、PLD 可编程逻辑器件、IGBT 驱动电路、光电隔离、 通信接口、显示屏、键盘、电力电子器件及软件(图 2-3) 。微处理器把输入信息、反馈信 息处理计算,结果传给可编程逻辑器件,PLD 控制驱动单元和 IGBT 的导通与关断,因定、 转子的两凸极对齐位置下电感最大 Lmax ,不对齐位置下电感最小 Lmin ,可通过控制电流的 斩波值 i 、开通角 ? on 和关断角 ? off ,来控制电机运行。

图 2-2

SRM 控制原理图

2.3 曲柄压力机数控方法设计
驱动压力机的开关磁阻伺服系统工作在用户设定的转速数值。具体数控方法如下:

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电机定子相电流和转子瞬时转矩及其运动方程为:

1 dL i (? ) 2 2 d? d? Me ? ML ? J dt 式中 i --相电流(A) ? --转子角位移 Me ?

(2-2) (2-3)

M e --电机转矩 (N·m)

t --时间(s)
M L 为负载转矩(N·m)
J --电机转子及工作运动部分的转动惯量(kg·m2) L --相电感(H)

? --电机角速度(s-1)
考虑

dL 电感上升沿或下降沿的斜率近似为 K ,则电机的转矩可写为 d?

?1 2 Ki , ? n ?1 ? ? n ? ?2 Me ? ? , K ? R? ?? 1 Ki 2 , ? ? ? n ?1 n ? ? 2

(2-4)

在额定转速以下电机运行在电流斩波状态,把(2-3) 、 (2-4)式合并,并写成数值的形 式,则斩波电流瞬时值为:

? ? n ?1 ? ? n ?M L ? J t n ?1 ? t n ? , ? K /2 ? i?? ? ? J ? n ? ? n ?1 ? M L ? t n ?1 ? t n , ? K /2 ?

? n ?1 ? ? n
(2-5)

? n ?1 ? ? n

由电流计算值,给定电流上限幅值 iH ? i ? ?i0 和下限幅值 i L ? i ? ?i0 。若检测电流值

ic ? iH ,IGBT S1、S2 同时关断,迫使电流下降;若检测电流 ic ? iL ,IGBT 导通,电流又
开始上升,以此实现对电流斩波值的限定。

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图 2-3

SRD 控制器系统框图

数控方法由图 3 的控制电路实现。 根据反馈的转子位置信号, 确定上止点和下止点的位 置,并计算出转速反馈值 ? n ,根据 PID 算法使 ?n?1 逼近 ? ,根据公式(5)计算电流斩波 值 i ;PLD 根据位置编码通过驱动电路控制 IGBT 的导通与关断。

2.4 开关磁阻伺服曲柄压力机的特性分析
开关磁阻伺服系统与其它系统相比有以下优点: (1) 系统效率高 开关磁阻伺服在其宽广的调速范围内,整体效率比其它调速系统高出至少 10%。在 低转速及非额定负载下高效率则更加明显。 (2) 调速范围宽,低速下可长期运转 开关磁阻调速带负荷长期运转的转速范围可在零到最高转速内, 电机及控制器的温升低 于工作在额定负载时的温升。 (3) 无过冲起动电流 开关磁阻伺服具有软起动特性, 电机起动过程没有交流电机起动电流大于额定电流 5~7 倍的现象, 而是起动电流平滑增加至所需的电流。 设定的电机起动时间越长, 起动电流越小。 (4) 高起动转矩,低起动电流 开关磁阻伺服起动转矩达到额定转矩的 150%时,起动电流仅为额定电流的 30%。 (5) 三相输入电源缺相或控制器输出缺相不烧电动机 开关磁阻伺服若三相输入电源缺相或者欠功率运行或者停转,不会烧毁电机和控制器。 电动机输入缺相只会导致电动机输出功率减小,或者有可能导致电动机无法起动。 (6) 过载能力强 开关磁阻伺服过载能力强, 当负载短时大于额定负载时, 转速下降, 保持最大输出功率, 不出现过流现象。当负载恢复正常时,转速恢复到设定转速。 (7) 功率器件控制错误不会引起短路 开关磁阻伺服的上下桥臂功率器件和电机的绕组串联, 不存在发生功率器件控制错误导 致短路而烧毁的现象。 (8) 可靠性高 开关磁阻伺服的转子无绕组和鼠笼条,电机可高速运转而不变形,机械强度和可靠性均
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高于其它类设备。定子线圈嵌装容易,端部短而牢固,热耗大部分在定子,易于冷却。转子 无永磁体,可有较高的最大允许温升。 (9) 功率因数高 普通交流电机空载时功率因数为 0.2~0.4,满载时为 0.86~0.89;而开关磁阻伺服的功率 因数空载时可达 0.995,满载时可达 0.98。 与现有压力机比较,开关磁阻伺服曲柄压力机的突出优势为: 曲柄压力机滑块速度 v ?

(1) 运动数控

?e

? ? ? R ? sin ? ? sin 2? ? ,电机角速度 ?e 的 i ? 2 ?

闭环数控,使滑块运动曲线可根据工艺要求进行数字设置,可以设计特殊的工作特性曲线, 进行高难度、高精度加工,能够实现低速锻冲急回的变速功能。 (2) 生产率高 可以根据工况和自动化连线的需要, 在较大范围内数字设定滑块行程次 数,其宽范围调速功能,可以有效提高生产率,彻底解决了“不能用连续行程压延较大较深 的零件”的难题。 (3) 能量数控 开关磁阻数控曲柄压力机加压能量可数控, 数控其速度, 即数控其能量。 (4) 智能数控 对不同工艺、 不同材料可调用计算机存储的不同工作曲线, 使压力机的 加工性能、加工范围大大提高。工艺曲线、时间、产量、耗电量等数据可由微机智能存储和 处理,易实现制造过程信息化管理的目标。 (5)制件精度高 没有液压过载保护装置,不存在液体受压变形影响闭合高度,床身

弹性变形误差小,压力重复精度高,制件精度高。 (6)可视化 加压速度、压力、压制时间等工艺参数实时反馈并显示。 (7) 通用性提高 现有压力机根据工艺不同而种类繁多,开关磁阻数控压力机可依工

艺调节,而满足不同工艺的需求,使同一台压力机工作在不同工况。 (8) 模具寿命高 命提高。 (9) 结构简化 曲柄压力机没有了大皮带轮、离合器、液压过载保护装置等,结构极大 地得到简化。因滑块能量数控,在吨位仪指示下,打击力不会超载,无需过载保护装置。 (11) 上止点位置可控 摆动工艺的上止点可以任意设定, 正常停机时,确保滑块停 因压制工件的能量和速度可准确数控,使模具受冲击速度减小,寿

在上止点,编码器反馈位置信号,在停机前电机减速;当滑块处在上止点时,电机轴制动, 确保滑块停在上止点。 (12) 安全性高 在电机制动和制动器作用下,滑块可以在任何位置紧急制动停止。 (13) 节能 在额定点以下工作,开关磁阻电机比其他电机耗能低;在低速阶段,节能

更加明显。数控伺服压力机没有离合器结合能耗,滑块停止后,电机停转,也没有了电机、

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皮带轮空转,能耗显著降低。同时,开关磁阻电机在制动时可变为发电机,能量回馈,重新 利用。 (14) 工作可靠性高 与其他电机系统相比, 开关磁阻电机转子即无绕组也无永磁体,

机械强度高; 电机在三相输入电源缺相或者欠功率运行或者闷车的情况下, 不会烧毁电机和 控制器;功率器件不会发生因控制错误导致短路而烧毁的现象,并且温升低。 (15)不会闷车 当故障停车时,电机反转回程,不会发生闷车现象。 (16) 可以保压 能。 (17)易维护 没有易损易耗件,减少了维护工作、维护时间和维护费用。 (18)使用方便 模具调试时,能够以极慢的速度寸动下行,不会发生故障,不用配置 在下止点压紧工件时,滑块可以短时间停留,实现液压机的保压功

微调传动,调模试模极为方便,需要外设调模试模液压机,可以在导柱导套接触后,试冲工 件,不会发生闷车。 (19)多机同步控制 多台压机连线时,开关磁阻数控系统更容易实现同步控制。 开关磁阻伺服曲柄压力机即保持了机械驱动的种种优点,又改变了其工作特性不可调 的缺点,能极方便地改变滑块的运动曲线,获得不同的工件变形速度,使机械驱动的成形装 备也具有了柔性化和智能化的特点, 工作性能和工艺适应性大大提高, 保证了冲压件的质量; 同时,结构简化,重量减轻,安装、调试、使用方便,无离合器及其气动系统,减少维修、 降低能耗,可靠性提高,安全性提高,实现主运动的数字化信息化控制。 开关磁阻伺服曲柄压力机的高效节能、智能数控性能优越,能够逐步替代现有的交流 电机和直流电机驱动的各种曲柄压力机, 实现传统产业的升级换代。 开关磁阻伺服压力机提 升了成形加工产业的制件精度的整体水平, 将使我国制造业水平进入了高技术低消耗的新阶 段。

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3 伺服曲柄压力机工艺曲线设计分析 3.1 工艺曲线设计需求分析
由于冲压工艺有冲裁、弯曲、拉深等多种加工方法,不同的加工方法对压力行程、速度 等工艺参数有相应的要求,伺服曲柄压力机应满足不同工艺的参数即运动曲线要求。

3.2 曲柄滑块运动分析

空载状态下的运动分析如下.
3.2.1 滑块位移与曲柄转角的关系

图 3-1 曲柄连杆滑块机构运动分析图

图 3-1 中: ( 1 ) O 点为曲柄的回转中心; ( 2 ) A 点为连杆与曲柄的连接点; ( 3 ) B 点为连杆与滑块的连接点,B 点的运动代表滑块的运动 (即分析时滑块可看作点运动) ; ( 4 ) ( 5 )
OA 表示曲柄半径 R;
AB 表示连杆长度 L;

( 6 ) ?为曲柄与铅垂线的夹角,顺时针为正方向;
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( 7 ) ( 8 )

? 曲柄旋转的角速度,逆时针为正方向;
s 代表滑块距下死点的距离,向上为正;

( 9 ) ? 代表滑块作往复直线运动的速度,向下为正方向; ( 10) 曲轴在最高点为 1800 ,最低点为 0 0 度。曲轴从 1800 逆时针

正转经过 900 到 0 0 ,随后正转经过- 900 到 ? 1800 为一工作周期。 根据图 3-2,滑块位移 s 的数学表达式为
s ? R ? L ? ( R cos? ? L cos ? )

(3-1)

? ?

R ( ? 连杆系数) L

由三角函数公式可得: cos ? ? 1 ? sin 2 ? 由图 3-2 结构,可得: sin ? ?
cos ? ? 1 ? sin 2 ? ? 1 ? ?2 sin 2 ?

R sin ? ? ? sin ? L

? s ? R[(1 ? cos ? ) ?

1

?

(1 ? 1 ? ?2 sin 2 ? )]

将 cosβ按泰勒公式展开,取前两项得:
1 cos ? ? 1 ? ?2 sin 2 ? 2 1 ? cos 2? 又? sin 2 ? ? 2 1 ? ? ? s ? R ?(1 ? cos? ) ? ? (1 ? cos 2? )? 4 ? ?

(3-2)

假 设 , 曲 柄 上 止 点 为 0 度 , 下 止 点 为 180 度 。 令
? ? ? ??
1 ? ? ? s ? R ?(1 ? cos? ) ? ? (1 ? cos 2? )? 4 ? ?

(3-3)

(3-3)式中, s 为滑块位移,向上为正方向; ? 为连杆系 数 ,? ?
R ; R 为曲柄半径。 L

3.2.2

滑块速度与曲柄转角的关系
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根据运动学中位移和速度的微分方程 ? ? 又因速度正方向向下,可列以下速度公式
v?

ds dt

d (2 R ? s) ds ds d? ds 1 ? ? ?? ?? ? ? (?? ) ? ?R? sin ? ? ? sin 2? ? dt dt d? dt dt 2 ? ?

其中 -- ? =

d? dt

令? ? ? ??
? ? ? v ? ?R? sin ? ? sin 2? ? (3-4) 2 ? ?

(3-4)式中, ? 为曲柄的角速度,? 为滑块速度,向下为 正方向。

3.2.3 滑块加速度与转角的关系
利用相同的原理可对速度公式进行时间求导得滑块的角加速度
a? dv dv d? d ? ? 1 ?? ? ? ?R? sin ? ? ? sin 2? ???? ? ? ? ?? 2 R?cos? ? ?cos2? ? ? dt d? dt d? ? ? 2 ??

令? ? ? ??
a ? ? 2 R?cos? - ? cos2? ?(3-5)

由以上分析可得滑块的运动学公式: 滑块运动与曲柄转角的关系式
1 ? ? ? s ? R ?(1 ? cos? ) ? ? (1 ? cos 2? )? 4 ? ?

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? ? ? v ? ?R? sin ? ? sin 2? ? 2 ? ?
a ? ? 2 R?cos? - ? cos2? ?

(3-6) 滑块运动与时间的关系式 匀速运动时,令 ? ? ?t
1 ? ? ? s ? R ?(1 ? cos?t ) ? ? (1 ? cos 2?t )? 4 ? ?

? ? ? v ? ?R? sin ?t ? sin 2?t ? 2 ? ?
a ? ? 2 R?cos?t - ? cos2?t ?

(3-7)

由公式(3-6) 、 (3-7)可知: 1)滑块的运动特性在曲柄角速度一定时只与曲柄转角刚性有关,与其他因 素没有关系。不同的行程次数时,由于滑块的速度 v,加速度 a 都与曲柄的角速 度有关,在不同的行程次数下,滑块的速度 v,加速度 a 是变化的。 2 )滑块的行程只是在上下止点间循环滑动,不可随意的刚性缩短或增长。 3)? 是曲柄滑块的转速,其大小是由伺服电机通过传动机构按照一定的传 动比转换过来参数( ?电 =

?曲 ? i ,i

为传动比) ,所以计算机控制伺服电动机

的角速度可以直接控制滑块的运动。考虑到 ? 变化。 3.3 曲柄滑块运动工艺曲线设计计算 3.3.1 滑块运动工艺曲线与曲柄转角的关系 根据位移 s、速度 v、加速度 a 的公式,
1 ? ? ? s ? R ?(1 ? cos? ) ? ? (1 ? cos 2? )? 4 ? ?

? ?t

,滑块运动曲线随时间发生

? ? ? v ? ?R? sin ? ? sin 2? ? 2 ? ?
a ? ? 2 R?cos? - ? cos2? ?
式中, R 为曲柄半径, R ? S / 2 ? 315 / 2 ? 157 .5mm ,
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? 为连杆系数,λ=0.1 ? 为曲柄转角。
计算 得:

表0 序号 1 2 3 4 5 6 关键点 7 8 9 10 11 12 13 14 15

角度-位移的对应数据 角度 ? /° 位移 s/mm 315.0 0 295.9 30 242.2 60 90 165.4 120 150
84.70 23.10

? g =22.4
160 170 180 210 240 270 300 330 360

Sg=13
10.40 2.600 0 23.10 84.70 165.4 242.2 295.9 315.0

图 3-2 角度-位移曲线图

当行程次数分别为: n1= ng /2=10, n2=15,
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ng=20, n4=1.5 ng =30, n5=2 ng =40,(/min-1)时, 计算得如下数据: 表 1 行程次数 n1=10,滑块速度、加速度数据 序号 角度 位移 曲 轴 转 速 滑块速度 ? /° s/mm n1/rpm v1/mm?s-1 1 2 3 4 5 6 关键点 7 8 9 10 11 12 13 14 15 0 30 60 90 120 150 157.6 160 170 180 210 240 270 300 330 360
315.0 295.9 242.2 165.4 84.70 23.10

滑块加速度 a1/mm?s-2
155.4 140.9 94.90 17.30 -77.70 -158.1 -171.9 -175.5 -186.3 -189.9 -158.2 -77.70 17.30 94.90 140.9 155.4

10

0 75.30 135.7 164.9 149.9 89.60 68.60 61.70 31.50 0 -89.60 -149.9 -164.9 -135.7 -75.30 0

Sg=13
10.40 2.600 0 23.10 84.70 165.4 242.2 295.9 315.0

图 3-3 角度、位移-速度曲线图

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图 3-4 角度、位移-加速度曲线图

表 2 行程次数 ng=15,滑块速度、加速度数据 序号 角度 位移 曲 轴 转 速 滑块速度 ? /° s/mm n1/rpm v1/mm?s-1 315.0 0 1 0 15 295.9 112.9 2 30 242.2 203.4 3 60 4 90 165.4 247.3 5 6 关键点 7 8 9 10 11 12 13 14 15 120 150 157.6 160 170 180 210 240 270 300 330 360
84.70 23.10 224.9 134.3 102.9 92.50 47.20 0 -134.4 -224.9 -247.3 -203.4 -112.9 -0

滑块加速度 a1/mm?s-2
349.4 316.8 213.5 38.80 -174.7 -355.6 -386.5 -394.5 -418.8 -427.0 -355.6 -174.7 38.80 213.5 316.8 349.4

Sg=13
10.40 2.600 0 23.10 84.70 165.4 242.2 295.9 315.0

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图 3-5 角度、位移-速度曲线图

图 3-6 角度、位移-加速度曲线图

表 3 行程次数 ng=20,滑块速度、加速度数据 序号 角度 位移 曲 轴 转 速 滑块速度 ? /° s/mm n1/rpm v1/mm?s-1 315.0 0 1 0 20 295.9 150.3 2 30 242.2 270.8 3 60 4 90 165.4 329.2 5 6 120 150
84.70 23.10
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滑块加速度 a1/mm?s-2
619.2 561.4 378.4 68.80 -309.6 -630.2

299.3 178.8

关键点 7 8 9 10 11 12 13 14 15

157.6 160 170 180 210 240 270 300 330 360

Sg=13
10.40 2.600 0 23.10 84.70 165.4 242.2 295.9 315.0

137.0 123.2 62.80 0 -178.8 -299.3 -329.2 -270.8 -150.3 0

-684.8 -699.2 -742.2 -756.7 -630.2 -309.6 68.80 378.4 561.4 619.2

图 3-7 角度、位移-加速度曲线图

图 3-8 角度、位移-加速度曲线图

表 4 行程次数 ng=30,滑块速度、加速度数据 序号 角度 位移 曲 轴 转 速 滑块速度 滑块加速度 ? /° s/mm n1/rpm v1/mm?s-1 a1/mm?s-2 315.0 0 1398 1 0 30
19

2 3 4 5 6 关键点 7 8 9 10 11 12 13 14 15

30 60 90 120 150 157.6 160 170 180 210 240 270 300 330 360

295.9 242.2 165.4 84.70 23.10

225.9 406.9 494.6 449.7 268.7 205.9 185.0 94.30 0 -268.7 -449.7 -494.6 -406.9 -225.9 0

1267 854.1 155.3 -698.8 -1423 -1546 -1578 -1675 -1708 -1423 -698.8 155.3 854.1 1267 1398

Sg=13
10.40 2.600 0 23.10 84.70 165.4 242.2 295.9 315.0

图 3-9 角度、位移-加速度曲线图

图 3-10 角度、位移-加速度曲线图
20

表 5 行程次数 n=40,滑块速度、加速度数据 序号 角度 位移 曲 轴 转 速 滑块速度 ? /° s/mm n1/rpm v1/mm?s-1 315.0 0 1 0 40 295.9 301.2 2 30 242.2 542.5 3 60 4 90 165.4 659.5 5 6 关键点 7 8 9 10 11 12 13 14 15 120 150 157.6 160 170 180 210 240 270 300 330 360
84.70 23.10 599.7 358.3 274.5 246.7 125.8 0 -358.3 -599.7 -659.5 -542.5 -301.2 0

滑块加速度 a1/mm?s-2
2485 2253 1519 276.1 -1243 -2529 -2749 -2806 -2979 -3037 -2529 -1243 276.1 1519 2253 2485

Sg=13
10.40 2.600 0 23.10 84.70 165.4 242.2 295.9 315.0

图 3-11 角度、位移-速度曲线图

21

图 3-12 角度、位移-加速度曲线图

图 3-13

角度、位移-速度范围图

图 3-14

角度、位移-加速度范围图
22

3.3.2 滑块运动工艺曲线与时间的关系

令 ? ? ?t
1 ? ? ? s ? R ?(1 ? cos?t ) ? ? (1 ? cos 2?t )? 4 ? ?

? ? ? v ? ?R? sin ?t ? sin 2?t ? 2 ? ?
a ? ? 2 R?cos?t - ?cos2?t ?

? g ? 22.4?

N=360/ ? g =16

时间步长?t=60/(nN),关键点为位移 S=Sg=13,S=0 表 6 位移数据 单位:mm

时间 t 0 1?t 2?t 3?t 4?t 5?t
6?t

n1=10
315.0 314.5 308.2 285.0 236.3 164.5 85.60 23.60 0 23.40 85.40 164.3 236.1 284.9 308.2 314.5 315.0

n2=15
315.0 314.5 308.3 285.0 236.4 164.6 85.70 23.70 0 23.30 85.10 164.0 235.9 284.8 308.2 314.5 315.0

ng=20
315.0 314.5 308.3 285.2 236.8 165.3 86.40 24.20 0 22.70 83.90 162.6 234.7 284.0 307.9 314.5 315.0

n 3=30
315.0 314.5 308.3 285.0 236.4 164.6 85.70 23.70 0 23.30 85.10 164.0 235.9 284.8 308.2 314.5 315.0

n 4=40
315.0 314.5 308.3 285.0 236.4 164.6 85.70 23.70 0 23.30 85.20 164.2 235.9 284.8 308.2 314.5 315.0

7?t 8?t 9?t 10?t 11?t 12?t 13?t 14?t 15?t 16?t

23

图 3-15 时间-位移曲线图 时间步长?t=6/n2,关键点为位移 S=Sg=10 ,速度为 0 点 和最大值点 表 7 速度数据 单位:mm?s
-1

时间 t 0 1?t 2?t 3?t 4?t 5?t
6?t 7?t 8?t 9?t 10?t 11?t 12?t 13?t 14?t 15?t 16?t

n1=10
0 57.30 108.3 146.5 164.9 158.2 124.9 69.00 0.100 -68.80 -124.8 -158.1 -164.9 -146.6 -108.5 -57.40 0

n2=15
0 85.80 162.4 219.6 247.3 237.3 187.4 103.7 0.400 -102.9 -186.9 -237.0 -247.3 -219.9 -162.9 -86.50 -0.700

ng=20
0 114.1 215.9 292.1 329.1 316.2 250.4 139.5 2.400 -135.2 -247.3 -314.8 -329.5 -294.1 -218.9 -117.8 -3.900

n 3=30
0 171.7 324.8 439.3 494.5 474.5 374.8 207.4 0.900 -205.9 -373.7 -474.1 -494.7 -439.9 -325.9 -173.0 -1.400

n 4=40
0 228.9 433.2 585.8 659.4 632.7 499.7 276.4 0.900 -274.7 -498.5 -632.2 -659.6 -586.6 -434.4 -230.5 -1.600

24

图 3-16

时间-速度曲线图

时间步长?t=6/n2,关键点为加速度为 0 点 和最大值点 表 8 加速度数据 单位:mm?s
-2

时间 t 0 1?t 2?t 3?t 4?t 5?t
6?t 7?t 8?t 9?t 10?t 11?t 12?t 13?t 14?t 15?t 16?t

n1=10
155.4 147.3 122.1 78.3 17.3 -53.8 -122.0 -171.7 -189.9 -171.8 -122.2 -54.0 17.1 78.1 122.0 147.3 155.4

n2=15
349.4 331.2 274.6 176.2 39.1 -120.7 -274.1 -385.8 -427.0 -386.5 -275.2 -122.0 37.9 175.2 274.0 330.9 349.4

ng=20
619.2 587.1 487.0 313.3 71.1 -211.6 -483.4 -682.2 -756.8 -686.9 -491.6 -221.3 61.9 306.1 482.4 584.9 619.1

n 3=30
1398 1325 1098 704.8 156.5 -482.8 -1096 -1543 -1708 -1546 -1101 -488.1 151.6 700.9 1096 1324 1398

n 4=40
2485 2356 1953 1253 277.9 -858.9 -1950 -2745 -3037 -2748 -1957 -866.8 270.5 1247 1949 2354 2485

25

图 3-17 时间-加速度曲线图

26

4 伺服曲柄压力机负载曲线设计分析

4.1 曲柄、连杆与滑块
曲柄连杆滑块机构受力分析如图 4-1。

Fn ω FAB D A
α

L

β

B F
图 4-1 曲柄连杆滑块机构受力分析图

图中, FAB 为连杆作用力, Q 为导轨作用力, F 为负载的作用力, ? 为 连杆的长度系数, ? 为曲柄转角。

4.2.1 连杆与滑块的受力分析
由图 4-1 受力分析:
- F ?FAB cos? ? mg ? ma FAB ? F ? 0
FAB ? F co? s

(4-1)

(4-2) (4-3) (4-4)

Q ? F tan ?

在一般情况下, ? ? 0.3 ,且通用压力机的 ? 一般小于 30? ,

27

对应的 cos? 大于 0.95,故上式可化简为
FAB ? F (4-5)
Q ? F? sin ?

(4-6)

4.2.2 曲轴受转矩:
由转矩公式: M
= F ?l 得

M L ? FAB .OD ( OD 为曲柄相对于旋转中心的力矩)



























OD ? R sin?? ? ? ? ? R?sin ? cos? ? cos? sin ? ?

(4-7)

其中: cos ? ? 1

FAB ? F

(4-8)

sin ? ? ?s i n ?

? ? ? ? OD ? R?sin ? ? ? sin ? cos? ? ? R? sin ? ? sin 2? ? (4-9) 2 ? ?

所以

? ? ? M L ? FR? s i n ?? sin 2? ? 2 ? ?

(4-10)

由于曲轴强度有限,不能承载无限大的弯矩,所以现定义一临界 角(标称压力角 ? g ) ,在此点能承受的工件变形抗力称为标称压力 Fg
? ? ? M gL ? Fg R? sin ? g ? sin 2? g ? 2 ? ?
? 令 mL ? R? ? sin ? ? sin 2? ? ? 2 ?

?

M L ? F.mL

许用负载公式 考虑摩擦
M gq ? Fg mgq

F?

?1 M gL ? ? ? s i n ? ? s i n 2 ? ? ? R ? 2 ?

(4-11)

? 1 ? ? Fg ?R(sin ? g ? sin 2? g ) ? ? ?(1 ? ? )d A ? ?d B ? dO ?? 2 2 ?

(4-12)
28

针对 250 吨曲柄压力机, 标称压力 Fg: 2500KN 曲柄半径 R: 157.5mm 标称压力行程 S g :13mm 连杆长度 L: 1575mm(由 L=R/?, ??0.1) 标称压力角:
cos? g ? R 2 ? ( R ? L ? S g ) 2 - L2 2R(R ? L - S g ) ? 0.9247

?? g ? 22.4?
根据许用扭矩的公式: 许用扭矩(不计摩擦)的公式: ? M gL ? Fg R (sin? g ? sin2? g ) 2 代入数据: ? M gL ? Fg R (sin? g ? sin2? g ) 2

? 2500? 103 ? 0.1575? (0.381? 0.05? 0.7046 ) ? 163.9kN ? m
许用压力 F ?
M gL R (sin ? ?

?
2

sin2? ) ?1

? =30°时, F ?

163900 3 ?1 ? (0.5 ? 0.05 ? ) ? 1915.4KN 0.1575 2 163900 3 3 ?1 ?( ? 0.05? ) ? 1144 .4KN 0.1575 2 2

? =60°时, F ?

? =90°时, F ?

163900 ? (1 ? 0.05 ? 0) ?1 ? 1040 .6KN 0.1575

根据 ? ? ? g 时, F ? Fg

29

? ? ? Fg ? sin ? g ? sin ?2? g ?? 2 ? ? ? ? g 时, F ? ? ? R (sin ? ? sin ?2? ?) 2
许用负荷图如下

图 18 许用负荷图 在额定行程次数下,可把滑块的运动与受力综合为图 15。

图 15 角度、位移-滑块速度、加速度、许用负荷图

30

5 伺服曲柄压力机电机功率设计分析 5.1 伺服曲柄压力机的能量设计分析 最大有效能量 A 0 : A 0 ?A1 ?A 2

A1 为工件变形功。 A 2 为拉深垫工作功

A1 ? 0.7Fg h ? 0.7 ? 0.45h0 ? 0.315Fg h0
?0.2 Fg , 快速型 ? h0 ? ? ? ?0.4 Fg

一般工况下, A ? 0.126 F 3 1 g

A 0 ?A1 ? 0.126 ? 2500? 2500 ? 15750 J ? 16kJ
工作能量 E ? A ?

A1

?

=16/0.3=53.3kJ

工作功率 P0 ? A/t ?

nA1 60?

?

20 ? 16 ? 17.8kW 60 ? 0.3

360 度的电机工作循环下电机功率 P:

P ? KnA1 / 60 ? ? KP .8kW ? 21.3KW 0 ? 1.2 ? 17
选用 Y200-L2-6 型电机 22kW。 5.2 伺服电机功率
考虑伺服曲柄压力机,无离合器,电机在曲轴转角 180 度范围内储能,考虑开关磁阻电机具 备起动转矩 2 倍以上的过载能力,设计电机功率为 45kW。

5.3 电机驱动转矩与压力机负载扭矩的关系: ? 压力机负载扭矩: M gL ? Fg R (sin? g ? sin2? g ) 2

? 2500? 103 ? 0.1575? (0.381? 0.05? 0.7046 ) ? 163.9kN ? m
曲轴动力转矩 M ? P / ? =45000/2.09=21531.1Nm 曲轴动力转矩是负载转矩的 M n / M gL ? 21531 .1 / 163900 ? 13.1%左右。 考虑摩擦,曲轴动力转矩是负载转矩的 21531 .1 / 320000 =6.7%左右。

31

曲柄连杆机构增力效果大于 10 倍。

6.传动装置的总体设计
6.1 选定电机
选择开关磁阻伺服电机,型号:SRM315L2-7.5,额定功率 110KW,额定转速 750r/min,额定转矩 1401 N ? m 。 2、确定传动装置的总传动比和分配传动比 1) 、总传动比 i? 为

i? ?

n0 500 ? ? 25 ng 20

(式 6-1)

式中, n 0 为电机额定转速; n g 为滑块行程次数。 2) 、分配传动比

i? ? i? i??
式中, i? 为带传动的传动比, i?? 为齿轮传动的传动比。 选 i?

(式 6-2)

? 4.55 , i?? ? 5.5

3.、计算传动装置的运动和动力参数 1) 、各轴的转速 电机轴 I轴

n0 ? 500r min
n0 ? 109.9 r min i? n n?? ? ?? ? 20 r min i?? n? ?

(式 6-3) (式 6-4)

II 轴

(式 6-5)

6.2 带传动设计
(1) 、定 V 带的型号 工作情况系数 计算功率 选择 25J 型窄 V 带 小轮直径 查表得
D1 =315mm

查表得

K A =1.5

P C ? KA ? P 0 ? 1.5 ? 45 ? 67.5KW

(式 6-6)

32

D2 ? (1 ? ? ) ?

大带轮直径

D1 ? n1 n2

315? 500 ? (1 ? 1%) ? ? 1419mm 109.9

(式 6-7)

式中,ε 为带传动的滑动率; n1 为小带轮转速; n 2 为大带轮转速。 查表 大带轮转速 (2)、计算带长
Dm ? (D1 ? D2) / 2 ? (1500? 315) / 2 ? 907.5mm ? ? ( D1 ? D2 ) / 2 ? (1500? 315) / 2 ? 592.5mm

选 D2 =1500mm
D1 ? n1 315? 500 ? (1 ? 1%) ? ? 104r/min D2 1500

n 2 ? (1 ? ? ) ?

(式 6-8)

(式 6-9) (式 6-10)

初取中心距 带长 基准长度 (3) 、中心距和包角

a=1250mm

L ? ?Dm ? 2a ? ?2 / a ? 3.14159? 907.5 ? 2 ?1250? 592.52 / 1250? 5630 .4mm
查表得

(式 6-11)

Ld =5690mm

L ? ?Dm 1 ? ( L ? ?Dm ) 2 ? 8?2 4 4 5690? 3.14159? 907.5 1 ? ? (5690? 3.14159? 907.5) 2 ? 8 ? 592.52 4 4 ? 1283 .5m m a?
小轮包角 ?1 ? 180 ? ? (4) 、求带的根数 带速 传动比 带根数
V? D2 ? D1 1500 ? 315 ? 60? ? 180 ? ? ? 60? ? 124 .6? a 1283 .5

(式 6-12) (式 6-13)

?D1n1
60 ?1000

?

3.14159 ? 315 ? 500 ? 8.24 m s 60 ?1000

(式 6-14)

i?

n1 500 ? ? 4.8 n2 104

查表得 P=19.75KW,

Δ P=2.5KW,

k? =0.85, k L =0.98。
(式 6-15) 取 Z=4 根。

Z?

PC 67.5 ? ? 3.64, ( P ? ?P)k? k L (19.75 ? 2.5) ? 0.85? 0.98

式中,k? 为包角系数;k L 为长度系数;P 为单根窄 V 带所能传递的功率;
33

Δ P 为单根窄 V 带 i ? 1 时传递功率的增量.
(5)求轴上载荷: 张紧力:

F0 ? 500? ? 500?

pc 2.5 ? K? ? ? qv2 vz K?
(式 6-16)

67.5 ? 2.5 - 0.85 ? 2 ?? ? ? 0.693? 8.24 8.24? 4 ? 0.85 ? ? 2034 .8
式中, q --带质量,查表取 q ? 0.693kg / m ;

p c --计算功率;
z --带根数;

v --带速;
K ? --包角修正系数。
轴上载荷:

FQ ? 2 zF0 ? sin
式中, z --带根数;

?1
2

(式 6-17)

F0 --张紧力; ?1 --小带轮包角。

FQ ? 2 zF0 ? sin

?1
2 124.6? 2
(式 6-18)

? 2 ? 4 ? 2034 .8 ? sin ? 14412 .8 N

(8)带轮结构: 大带轮采用腹板式。 槽形尺寸:如图 3-2 所示,

34

图 3-2
查表知, 轮槽与端面距离 带轮槽角 带轮宽:

v 带轮槽形尺寸

f min ? 19mm

?1 ? 38? ? 0.5?
(式 6-19)

B ? ( z ? 1)e ? 2 f
式中, z --带根数; e --槽间距;

f --轮槽与端面距离。
得: B ? ( z ? 1)e ? 2 f ? (4 ? 1) ? 28.6 ? 2 ? 19 ? 123.8mm

6.3 齿轮传动计算
采用开式标准直齿圆柱齿轮,小齿轮用 40Cr,调质处理,硬度为 241HB~286HB, 表面淬火 HRC 50?55;大齿轮用 ZG35CrMnSi,正火处理,硬度为 169HB~229HB,表面 淬火 HRC50?55。 齿轮传动设计主要进行接触疲劳强度和弯曲疲劳强度的校核计算。 齿轮传动的接触疲劳强度取决于齿轮的直径,弯曲疲劳强度取决于齿轮模数。 接触疲劳极限 查表取

? H lim1 ? 1210MPa , ? H lim2 ? 1200MPa
(式 6-20)

初步计算许用接触应力

[? H ] ? 0.9? H l i m [? H1 ] ? 0.9? H lim1 ? 0.9 ?1210? 1089 MPa [? H 2 ] ? 0.9? H l i m 01 0 8MP 0 a 2 ? 0.9 ?1 2 0 ?
35

6.3.1

计算参数一:以电机方向传来的转矩为计算依据

(1)小齿轮转矩

P 45 T ? 9550?1000 ? 9550?1000? ? 4132212 N ? mm n1 104
式中, P 为电机功率,P=45kW; n1 为小齿轮转速 104r/min; (2)小齿轮直径

(式 6-21)

d1 ? Ad 3

T u ?1 ? 2 u ? d [? H ]

(式 6-22)

? d --齿宽系数;
Ad 值
查表取

? d ? b / d1 =0.8
Ad ? 90 ,
u ? 5 .2 。

u 为齿轮传动比,
d1 ? Ad 3
得: ? 90? 3

T u ?1 ? 2 ? d [? H] u

4132212 5.2 ? 1 ? 0.8 ?10802 5.2 ? 156.7m m
取 d1 ? 200mm

初步计算齿宽 (3)强度校核

b ? ? d d1 ? 0.8 ? 200 ? 160mm

(式 6-23)

圆周转速 v 精度等级

v?

?d1n1
60 ?1000

?

3.14159 ? 200 ?104 ? 1.09 m s 60 ?1000
查表应取齿轮等级为 8 级 取 z1 =20, z 2 = z1 ? i ? 20? 5.2 ? 104
m ? d1 / z1 ? 200/ 20 ? 10

(式 6-24)

齿数 z 和模数 m

使用系数 K A 动载系数 KV

查表得

K A =2

KV =1.1

36

齿间载荷分配系数 K H?

? Ft ?

2T1 2 ? 4132212 ? ?4 1 3 2 N2 d1 200

(式 6-25) (式 6-26)

K A Ft 2 ? 41322 ? ? 100 N mm b 160

查表得

? K H? 取 1.2

? ? ? ?1.88 - 3.2 ? ? ?
?

?

? 1 1 ?? ? ? ?? cos? ? z1 z2 ??

1 ? ? 1 ? 1.88 ? 3.2 ? ? ? ? ? 1.69 ? 20 104?

(式 6-27)

Z? ?

4 - ?? 3

4 - 1.69 ? ? 0.88 3
齿间载荷分配系数 K H?
K H? ? A ? B 1 ? 6.7?b / d1 ? (b / d1 ) 2 ? c ?10?7 b
2

(式 6-28)

?

? 1.17 ? 0.16? 1 ? 6.7?160/ 200? ? (160/ 200) 2 ? 0.61?10?7 ?160
2

?

?

?

(式 6-29)

? 1.81

载荷系数 K 弹性系数 Z E 节点区域系数 Z H

K ? K A KV K H? K H? ? 2 ?1.1?1.2 ?1.81 ? 4.78
查表得 查表得

Z E ? 189.8 MPa
Z H ? 2.5 S H min =1.05

接触最小安全系数 S H min 总工作时间 t h 应力循环次数 N L 接触寿命系数 Z H 许用接触应力 ?? H ?

th ? 10? 220?16? 0.1 ? 1760 h

(式 6-30) (式 6-31)

N L1 ? 60rnth ? 60?1?104?1760? 1.1?107 N L 2 ? N L1 / i ? 1.1?107 / 5.2 ? 2.1?106
查表得

Z N1 ? 1.14, Z N 2 ? 1.27

?? H 1 ? ? ? H lim1Z N 1
S H lim 1210? 1.14 ? ? 1314MPa 1.05
(式 6-32)

37

?? H 2 ? ? ? H lim2 Z N 2 ? 1200?1.27 ? 1451MPa
S H lim 1.05
验算:

? H ? Z E Z H Z?

2 KT1 (u ? 1) 2 bd1 u 2 ? 4.78? 4132212 ? 6.2 2 160? 200 ? 5.2

? 189.8 ? 2.5 ? 0.88? ? 1132 .8MPa ? ?? H 1 ?

(式 6-33)

齿面接触疲劳强度校核安全。 (4) 、确定传动主要尺寸 分度圆直径 d 中心距 a
齿宽

d1 ? m z1 ? 10? 20 ? 200m m d 2 ? m z2 ? 10?104 ? 1040m m
m? (z1 ? z2) 10 ? (20 ? 104 ) ? ? 620 mm 2 2

(式 6-34) (式 6-35) (式 6-36)


a?

b ? ? d d1 ? 0.8 ? 200 ? 160mm

b1 ? 170m m b2 ? 160m m

(5) 、齿根弯曲疲劳强度校核

重合度系数 Y?

Y? ? 0.25 ? 0.75 / ? ? ? 0.25 ? 0.75 / 1.69 ? 0.69



(式 6-37)

式中, ? ? 为端面重合度。 齿间载荷分配系数 K F? 齿向载荷分配系数 K F? 载荷系数 齿形系数 YFa 应力修正系数 YSa 弯曲疲劳极限 ? F lim 查表得

K F? =1.2
取 K F? =1.75 (式 6-38)

?b / h ? 160/(10 ? 2.25) ? 7.11?

K ? K A KV K F? K F? ? 2 ?1.1?1.2 ?1.75 ? 4.62



YFa1 ? 2.8,YFa2 ? 2.18

取 YSa1 ? 1.54,YSa 2 ? 1.81 查表得 ? F lim1 ? 720MP MP a , ? F lim2 ? 710 a
38

弯曲最小安全系数 S F min 应力循环次数 N L 弯曲寿命次数 YN 尺寸系数 YX

查表得 S F min ? 1.25

N L1 ? 1.1?107,N L 2 ? 2.1?106
查表得 查表得

YN1 ? 0.99, YN 2 ? 1.08
YX =1

许用弯曲应力 ?? F ?

?? F1 ? ? ? F lim1YN 1YX
S F lim 720? 0.99?1 ? ? 570MPa 1.25
(式 6-39)

?? F 2 ? ? ? F lim2YN 2YX
S F lim

?

710?1.08?1 ? 613MPa 1.25

? F1 ?
验算:

2 KT1 YFa1YSa1Y? bd1m

2 ? 4.62? 4132212 ? ? 2.8 ?1.54? 0.69 ? 3 5 MP 5 a ? ?? F 1 ? 160? 200?10

(式 6-40)

? F 2 ? ? F1YFa2YSa 2 / YFa1YSa1

? 355? 2.18?1.81/ 2.8 / 1.54 ? 324.8MPa ? ?? F 2 ?

(式 6-41)

齿根弯曲疲劳强度校核安全。 6.3.2 以不考虑摩擦的曲轴转矩计算 (1) 、小齿轮转矩
(2) 、小齿轮直径

T?

M gL ig

?

163900000 ? 31520000 N ? mm 5.2

d1 ? Ad 3

T u ?1 ? 2 u ? d [? H ]

? d --齿宽系数; ? d ? b / d1 =0.8
Ad 值 查表取 Ad ? 90 ,

u 为齿轮传动比, u ? 5.2 。

39

d1 ? Ad 3
得: ? 90? 3

T u ?1 ? 2 ? d [? H] u

31520000 5.2 ? 1 ? 0.8 ?10802 5.2 ? 308.5m m

取 d1 ? 360mm 初步计算齿宽 (3) 、强度校核

b ? ? d d1 ? 0.8 ? 200 ? 288mm

圆周转速 v

v?

?d1n1
60 ?1000

?

3.14159 ? 360 ?104 ? 1.96 m s 60 ?1000

精度等级 查表应取齿轮等级为 8 级 齿数 z 和模数 m 取 z1 =20, z 2 = z1 ? i ? 20? 5.2 ? 104 查表取 m=20 取 z 2 ? 94
K A =2

m ? d1 / z1 ? 360/ 20 ? 18
z1 ? 360 ? 18 20

z 2 ? iz ? 18? 5.2 ? 93.6

使用系数 K A 动载系数 KV 齿间载荷分配系数 K H?
? Ft ?

查表得

KV =1.1
2T1 2 ? 31520000 ? ? 1 7 5 1N 11 d1 360

K A Ft 2 ?175111 ? ? 100 N mm b 288

? K H? 取 1.2

? ? ? ?1.88 - 3.2 ? ? ?

? 1 1 ?? ? ? ?? cos? z z 1 2 ? ?? ? ?1 1 ? ? 1.88 ? 3.2 ? ? ? ? ? 1.67 ? 18 94 ?

?

Z? ? ?
齿间载荷分配系数 K H?

4 - ?? 3

4 - 1.67 ? 0.88 3

40

K H? ? A ? B 1 ? 6.7?b / d1 ? (b / d1 ) 2 ? c ?10?7 b
2

?

? 1.17 ? 0.16? 1 ? 6.7?160/ 200? ? (160/ 200) 2 ? 0.61?10?7 ?160
2

?

?

?

? 1.81

载荷系数 K 弹性系数 Z E

K ? K A KV K H? K H? ? 2 ?1.1?1.2 ?1.81 ? 4.78
查表得 Z E ? 189.8 MPa 查表得 Z H ? 2.5
S H min =1.05

节点区域系数 Z H 接触最小安全系数 S H min 总工作时间 t h 应力循环次数 N L 接触寿命系数 Z H 许用接触应力 ?? H ?

th ? 10? 220?16? 0.1 ? 1760 h

N L1 ? 60rnth ? 60?1?104?1760? 1.1?107 N L 2 ? N L1 / i ? 1.1?107 / 5.2 ? 2.1?106
查表得 Z N1 ? 1.14, Z N 2 ? 1.27

?? H 1 ? ? ? H lim1Z N1 ? 1210?1.14 ? 1314MPa
S H lim 1.05

?? H 2 ? ? ? H lim2 Z N 2 ? 1200?1.27 ? 1451MPa
S H lim 1.05
验算:

? H ? Z E Z H Z?

2 KT1 (u ? 1) 2 bd1 u 2 ? 4.78? 31520000 ? 6.2 2 288? 360 ? 5.2

? 189.8 ? 2.5 ? 0.88? ? 1295.5MPa ? ?? H 1 ?

齿面接触疲劳强度校核安全。 (4) 、确定传动主要尺寸 分度圆直径 d 中心距 a
齿宽

d1 ? mz1 ? 20?18 ? 360mm d 2 ? mz2 ? 20? 94 ? 1880 mm
a? m? (z1 ? z2) 10 ? (18 ? 94) ? ? 1120 mm 2 2


b ? ? d d1 ? 0.8 ? 360 ? 288mm
41

b1 ? 296m m b2 ? 288m m

(5) 、齿根弯曲疲劳强度校核 重合度系数 Y?

Y? ? 0.25 ? 0.75/ ?? ? 0.25 ? 0.75/ 1.67 ? 0.7 ,式中,

? ? 为端面重合度。
齿间载荷分配系数 K F? 齿向载荷分配系数 K F? 载荷系数 查表得 K F? =1.2
? b / h ? 288/(20 ? 2.25) ? 6.4 ?取 K F? =1.75

K ? K A KV KF? KF? ? 2 ?1.1?1.2 ?1.75 ? 4.62
取 YFa1 ? 2.9,YFa2 ? 2.19 取 YSa1 ? 1.52,YSa 2 ? 1.81 查表得 ? F lim1 ? 720MP MP a , ? F lim2 ? 710 a 查表得 S F min ? 1.25

齿形系数 YFa 应力修正系数 YSa 弯曲疲劳极限 ? F lim

弯曲最小安全系数 S F min 应力循环次数 N L 弯曲寿命次数 YN 尺寸系数 YX 许用弯曲应力 ?? F ?

N L1 ? 1.1?107,N L 2 ? 2.1?106
查表得 YN1 ? 0.99, YN 2 ? 1.08 查表得 YX =1

?? F1 ? ? ? F lim1YN1YX
S F lim

?

720? 0.99?1 ? 570MPa 1.25 710?1.08?1 ? 613MPa 1.25

?? F 2 ? ? ? F lim2YN 2YX
S F lim
验算:

?

? F1 ?

2 KT1 2 ? 4.62? 31520000 YFa1YSa1Y? ? ? 2.9 ?1.52? 0.7 ? 4 3 .3 4MPa ? ?? F1 ? bd1m 288? 360? 20
2.19 ?1.81 ? 389 .7 MPa ? ?? F 2 ? 2.9 ?1.52

? F 2 ? ? F 1YFa 2YSa 2 / YFa1YSa1 ? 433 .4 ?

齿根弯曲疲劳强度校核安全。 6.3.3 以考虑摩擦的曲轴转矩计算
42

(1) 、小齿轮转矩
(2) 、小齿轮直径

T?

M gL ig

?

300000000 ? 57692300 N ? mm 5.2

d1 ? Ad 3

T u ?1 ? 2 u ? d [? H ]

? d --齿宽系数; ? d ? b / d1 =0.8
Ad 值 查表取 Ad ? 90 ,

u 为齿轮传动比, u ? 5.2 。
d1 ? Ad 3
得: ? 90? 3

T u ?1 ? 2 ? d [? H] u

57692300 5.2 ? 1 ? 0.8 ?10802 5.2 ? 377.4m m

取 d1 ? 450mm 初步计算齿宽 (3) 、强度校核

b ? ? d d1 ? 0.8 ? 450 ? 360mm

圆周转速 v

v?

?d1n1
60 ?1000

?

3.14159 ? 450 ?104 ? 2.45 m s 60 ?1000

精度等级 查表应取齿轮等级为 8 级 齿数 z 和模数 m 取 z1 =20, z 2 = z1 ? i ? 20? 5.2 ? 104 查表取 m=20 取 z 2 ? 120

m ? d1 / z1 ? 450/ 20 ? 22.5
z1 ? 450 ? 22 .5 20

取 z1 =23 查表得 K A =2

z 2 ? iz1 ? 23? 5.2 ? 119.6

使用系数 K A 动载系数 KV

KV =1.1
? Ft ? 2T1 2 ? 5 7 6 9 2 3 0 0 ? ? 2 5 6 4N 10 d1 460

齿间载荷分配系数 K H?

43

K A Ft 2 ? 256410 ? ? 100 N mm b 360

? K H? 取 1.2

? ? ? ?1.88 - 3.2 ? ? ?

? 1 1 ?? ? ? ?? cos? z z 1 2 ? ?? ? 1 ? ? 1 ? 1.88 ? 3.2 ? ? ? ? ? 1.71 ? 23 120?

?

Z? ? ?
齿间载荷分配系数 K H?

4 - ?? 3

4 - 1.71 ? 0.87 3

K H? ? A ? B 1 ? 6.7?b / d1 ? (b / d1 ) 2 ? c ?10?7 b
2

?

? 1.17 ? 0.16? 1 ? 6.7?160/ 200? ? (160/ 200) 2 ? 0.61?10?7 ?160
2

?

?

?

? 1.81

载荷系数 K 弹性系数 Z E

K ? K A KV K H? K H? ? 2 ?1.1?1.2 ?1.81 ? 4.78
查表得 Z E ? 189.8 MPa 查表得 Z H ? 2.5
S H min =1.05

节点区域系数 Z H 接触最小安全系数 S H min 总工作时间 t h

th ? 10? 220?16? 0.1 ? 1760 h

应力循环次数 N L 接触寿命系数 Z H 许用接触应力 ?? H ?

N L1 ? 60rnth ? 60?1?104?1760? 1.1?107 N L 2 ? N L1 / i ? 1.1?107 / 5.2 ? 2.1?106
查表得 Z N1 ? 1.14, Z N 2 ? 1.27

?? H 1 ? ? ? H lim1Z N1 ? 1210?1.14 ? 1314MPa
S H lim 1.05

?? H 2 ? ? ? H lim2 Z N 2 ? 1200?1.27 ? 1451MPa
S H lim 1.05
验算:

44

? H ? Z E Z H Z?

2 KT1 (u ? 1) 2 bd1 u 2 ? 4.78? 57692300 ? 6.2 2 360? 450 ? 5.2

? 189.8 ? 2.5 ? 0.88? ? 1240MPa ? ?? H 1 ?

齿面接触疲劳强度校核安全。 (4) 、确定传动主要尺寸 分度圆直径 d 中心距 a
齿宽

d1 ? mz1 ? 20? 23 ? 460mm d 2 ? mz2 ? 20?120 ? 2400 mm
m? (z1 ? z 2) 10 ? (23 ? 120 ) ? ? 1430 mm 2 2


a?

b ? ? d d1 ? 0.8 ? 460 ? 368mm

b1 ? 376m m b2 ? 368m m

(5) 、齿根弯曲疲劳强度校核 重合度系数 Y?

Y? ? 0.25 ? 0.75/ ?? ? 0.25 ? 0.75/ 1.71 ? 0.69 ,式中,

? ? 为端面重合度。
齿间载荷分配系数 K F? 齿向载荷分配系数 K F? 载荷系数 查表得 K F? =1.2
? b / h ? 368/(20 ? 2.25) ? 8.2 ?取 K F? =1.75

K ? K A KV KF? KF? ? 2 ?1.1?1.2 ?1.75 ? 4.62
取 YFa1 ? 2.68 ,YFa2 ? 2.17 取 YSa1 ? 1.57,YSa 2 ? 1.82 查表得 ? F lim1 ? 720MP MP a , ? F lim2 ? 710 a

齿形系数 YFa

应力修正系数 YSa 弯曲疲劳极限 ? F lim

弯曲最小安全系数 S F min 查表得 S F min ? 1.25 应力循环次数 N L 弯曲寿命次数 YN 尺寸系数 YX

N L1 ? 1.1?107,N L 2 ? 2.1?106
查表得 YN1 ? 0.99, YN 2 ? 1.08

查表得 YX =1

45

许用弯曲应力 ?? F ?

?? F1 ? ? ? F lim1YN1YX
S F lim

?

720? 0.99?1 ? 570MPa 1.25 710?1.08?1 ? 613MPa 1.25

?? F 2 ? ? ? F lim2YN 2YX
S F lim
验算:

?

? F1 ?

2 KT1 2 ? 4.62? 57692300 YFa1YSa1Y? ? ? 2.68?1.57? 0.69 ? 457.1MPa ? ?? F1 ? bd1m 288? 360? 20
2.17 ?1.82 ? 429 MPa ? ?? F 2 ? 2.68 ?1.57

? F 2 ? ? F 1YFa 2YSa 2 / YFa1YSa1 ? 457 .1?

齿根弯曲疲劳强度校核安全。

7 伺服曲柄压力机工作机构设计 工作机构装配图 装模高度手动调整式

图 装模高度电动调整式

46

实物样机

图 5 首台开关磁阻伺服曲柄压力机(一级齿轮传动改造型)

图 6 首台开关磁阻伺服曲柄压力机(皮带-齿轮传动)

47

参考文献
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