1、杠杆串联增力液压-机械复合传动压力机设计与研究 Des_叼 nandResea铰杆一杠杆串联增力液压一机械复合传动压力机窦云霞钟康民(苏州大学机电工程学院,江苏苏州 215021)摘要:介绍了一种新型的液压一机械复合传动压力机的工作原理 ,给出了相应的力学计算公式,并分析了其技术特性.该压力机由于采用了无杆活塞式液压缸与滚动高副双边铰杆一杠杆串联增力机构,不仅刚性好,力传递效率高,且在液压缸直径及输出力一定的条件下,能显着降低系统工作压力.关键词:压力机液压一机械复合传动铰杆一杠杆串联增力机构增力系数AHydraulic-MechanicalDrivingPresswithBi-barTogg
2、le-leverForceAmplifierinSeriesDOUYunxia,ZHONGKangmin(SchoolofMechanicalandElectronicEngineering,SoochowUniversity,Suzhou215021,CHN)Abstract:Inthispaperweintroducetheworkingprincipleofanewkindofhydraulicmechanicaldrivingpressandgiveoutthecorrespondingmechanicscalculatingformulae.Thetechnicalcharacter
3、isticsofthisnewpressmachineareanalyzed.Thispressiscomposedbyabi-bartoggle-leverforceamplifierinseriesbasedonrollinghigherpairandrodlesspistoncylinder.Itisnotonlyhavegoodrigiditybutalsohavehighefficiencypowertransfer.Wecanobservablyreducethehydraulicsystempressurecomparedwiththetraditionalhydraulicdr
4、ivingpresswhenthediameterofthecylinderandtheoutputforcearedetermined.Keywords:PressMachine;HydraulicmechanicalDrive;Toggle-leverForceAmplifierinSeries;ForceAmplif-yingFactor液压传动压力机是一种应用广泛的压力机械,其基本工作原理是通过液压泵把电动机输出的机械能,转换为液体的压力能,来推动液压缸活塞输出所需的运动和作用力.在活塞面积一定的条件下,要想提高压力机的输出力,人们自然会想到用提高系统压力的方法来解决.但是,过高的系统
5、压力,会导致泵,阀等元件的价格及密封系统的成本急剧上扬.利用机械增力机构与液压传动技术进行组合,形成液压一机械复合传动压力机,能在一定程度上弥补单纯液压传动压力机的不足.图 1 所示是我们设计的基于无杆液压缸与滚动高副双边铰杆一杠杆二级增力机构的液压一机械复合传动压力机.l 工作原理在无杆活塞液压缸的活塞中部,加工出一个矩形的径向孔.以适当间隙与该径向孔配合的滚轮,与两只铰杆用销轴铰接在一起,形成滚动高副双边铰杆增力机构.下端的铰杆与压力机固定机体铰接,上端的?66?铰杆与杠杆的动力臂铰接,压力机的输出滑块则通过过渡铰杆与杠杆的阻力臂铰接.当换向阀处于图 1a 所示左位状态时 ,活塞在液压缸左
6、腔压力油的作用下向右运动,滚动高副双边铰杆增力机构的滚轮,便在矩形径向孔中向上运动,继而通过上端铰杆推动杠杆机构逆时针摆动,再通过过渡铰杆推动输出滑块向下运动,对工件进行压力加工.由于双边铰杆增力机构是一个角度效应机构,而杠杆是一个长度效应增力机构,因此,由压力油作用于活塞左端面上的力,是经过了二次放大后,最后由滑块进行输出.输出力 F 随铰杆压力角的减小而增大,当两根铰杆同时处于垂直位置即临界状态时,F.达到最大值,这一加工过程便告结束.此后活塞继续向右运动,直至终点停止.卸下已加工好的工件并再次安装上待加工工件后,换向阀切换至图 1b 所示右位状态工作,液压缸右腔压力油使活塞向左运动,双边
7、铰杆机构与滚轮,杠杆,输出滑块等,以上述同样的方式工作,即再次以作用力对工件进行压力加工.如此进行往复工作循酱 uu 平幂.朋Des 啪 andResea 设计与研究(a)(b)图 1 工作原理图环,这就是基于双边铰杆一杠杆增力机构且双向作用 2.2 输出力计算的液压一机械复合传动压力机的基本工作原理.根据式(1),(3),可得图 1 所示压力机的理论输2 力学计算出力 F 与实际输出力 Fop 的计算公式分别为2.1 增力系数计算增力系数是机构的输出力与输入力之比值,常用 i表示.通常,串联式组合增力机构的增力系数是各个机构增力系数的乘积,即 i=F./Fi=ili2ii(i 为增力系数,为
8、输人力,为输出力).不考虑摩擦损失的增力系数为理论增力系数,用 i 表示;考虑摩擦损失的增力系数为实际增力系数,用 i 表示.经建立力学模型并进行分析推演,可得图 1 所示液压一机械复合传动压力机中铰杆一杠杆二级增力机构的 i 和.的计算公式分别为i=ll/(2l2tanc)(1)一!二兰兰! 二!呈,),212tanap.式中 Z杠杆动力臂长度Z杠杆阻力臂长度铰杆机构的理论压力角(如图 1 所示)铰杆机构的实际压力角,=O/+卢,卢为铰杆的当量摩擦角,JB=arcsin(/2),为铰接处铰链轴的直径,Z 为铰杆两端铰链孔的中心距,为铰链副的摩擦因数,力输出件与其导向孔间的当量摩擦角,其计算公
9、式见相关文献 L2滚轮与活塞径向孔之间的摩擦角(由于是滚动摩擦,其值很小,可忽略不计)卵杠杆的传递效率,通常取 0.971代入-or,并忽略掉摩擦角 0 影响后,式(2)变为.LZ1(1 一 tanotptanT)叼 LZ1(1 一 tan(+卢)tanT)2l2tanctp212tan(+)(3)等 uu 年寻暑朋Fo=百 I/(8z2tanot)(4)=81tan(5)印,(+8)式中液压缸活塞的直径p液压缸内液体的工作压力3 技术特性分析基于滚动高副双边铰杆一杠杆二级增力机构的液压一机械复合传动压力机,具有以下技术特点:(1)双边铰杆一杠杆增力机构是串联的二级增力机构,相对于一级机构,显
10、着提高了增大系数.用此机构进行力放大,在液压缸直径及输出力一定的条件下,能显着降低液压系统的工作压力,不仅能显着降低泵,阀等元件的成本,而且能减少油液泄漏,有利于环境保护.(2)利用杠杆改变力的传递方向,可以在结构非常紧凑的前提下,使输出力可以作用到几乎任意需要的方向.(3)由材料的加工硬化特性所决定,压力加工时所需要的作用力,随着被加工材料变形量的增大而增大.而图 1 所示新型压力机中输出滑块的作用力 F,也随着铰杆机构压力角的减小而增大,与压力加工过程形成了极好的协调.(4)双边铰杆增力机构与固定液压缸组合时,存在自由度不足的问题.此前我们一直采用前苏联技术人员发明的增加低副运动构件法来解
11、决,即在活塞中部径向孔内放置一个过渡滑块 J.而在图 1 所示压力机中,我们采用的是自行创新的方法高副取代低副法.这种创新机构更为简单紧凑,而且摩擦损失小,力传递效率高.?67?设计与研究 Des.目 nandReseanch(5)图 1 所示压力机是双向工作的,因此,滚轮的导向孔是双边磨损,即对称磨损.这意味着其使用寿命较单边磨损装置,将延长一倍.4 力学计算范例当双边铰杆增力机构的两只铰杆,同时处于垂直位置即临界状态时,根据式(4),输出滑块的理论输出力 F.将达到无穷大 .但在实际上 ,由于摩擦损失及铰杆等构件弹性变形等因素存在,这种理论状态是绝无可能存在的.例如,若我们取铰链轴直径 d
12、=20mln,铰杆两端铰链孔的中心距 f_400mm,铰链副的摩擦因数=0.1, 可计算得 =arcsin(0.1x20/400)=0.3.再取 y=8.(经验运算概略值),z/l=3,根据式(5),可计算得实际增力系数 i 一 285.这一计算结果意味着,在液压缸直径及要求的输出力一定的条件下,采用图 1 所示液压一机械复合传动系统,可以用 P=1.5MPa 的低压传动压力机,来代替约 400MPa 的超高压液压传动压力机.5 结语采用液压一机械增力复合传动的压力机,能够弥补单纯机械传动压力机或单纯液压传动压力机的不足之处,从而实现优势互补.我们希望,本文的发表能够吸引更多相关领域的科研人员
13、,关注并积极开展复合传动压力机的研究与开发工作,使其在工程技术领域发挥更大的作用.参考文献1 林文焕,陈本通编着.机床夹具设计.北京:国防工业出版社 ,1987.2 苏东宁,钟康民,王红岩.铰杆增力机构中滑柱力学模型及计算公式的改善.济南大学,2003,17(1):35 36,433ZhongKangmin,GunPeiquan.Orthogonalreinforcementmechanismandhydraulicdrive.In:Proceedingsoftenthworldcongressonthetheoryofmachinesandmechanisms(Vo15).Oulu,Finl
14、and:OuluUniversityPress,1999,203720424 陆雯,钟康民.平行同步双边铰杆增力机构及其在液压传动中的应用.工程机械,2005(1):45 465 席川,钟康民.对称式二次正交铰杆增力机构与双活塞无杆液压缸的组合系统.机床与液压,2006(12):99100第一作者:窦云霞,女,1974 年生,讲师,硕士,主要从事复合传动技术和价值工程的研究工作,已发表论文 3 篇,申报发明专利一项.(编辑蔡云生)(收稿日期:2008 1105)文章编号:989如果您卷发表对本文的看法.请将文章缩号填入读者意见调查表中的相应位置.?书讯?数控铣工速成与提高(机械工人速成与提高丛
15、书)潘恩彩,易独清编着,2008 年出版.邮购价:38 元本书是专门为数控铣工编写的,是“机械工人速成与提高丛书“ 中的一本.主要内容包括:数控铣床概述,数控铣削工艺分析,数控铣削加工编程技术,宏程序的应用,数控铣削加工实训,数控铣床自动编程与仿真加工以及数控铣床的检验与保养.本书根据国内数控技术及数控机床的应用情况,针对岗前或在岗培训需要和自学的机械工人或职业院校机械类专业学生的特点,突出数控技术的实用性和数控机床的操作性,力求做到理论与实践的最佳结合.本书的主要读者对象是数控铣工,也可供中等职业学校机械类学生使用.机电一体化系统设计禁忌(机械设计禁忌丛书)高安邦等编着,2008 年 1 月
16、出版邮购价:77 元本书从实用的角度出发,详尽介绍了机电一体化系统中各关键技术的设计理念和方法;然后再针对实用的设计理念和方法,介绍了有关设计应注意的问题.本书注重理论联系实际,为了使读者在设计时少走弯路,在介绍设计禁忌的同时,有意识地选择介绍了一些典型的有代表性的设计示范实例,其最终目的还是期望能够指导读者进行自主创新,真正设计出先进的机电一体化高新技术产品.全书共分 8 章,内容包括机电一体化系统与设计理念与禁忌,精密机械系统设计与禁忌,传感检测系统设计与禁忌,伺服系统设计与禁忌,机电一体化接口设计与禁忌,微机控制系统设计与禁忌,机电一体化总体设计与禁忌,典型机电一体化系统设计举例与禁忌.
17、本书可作为设计机电一体化系统的技术人员的参考书,也可作为相关专业大专院校师生的指导书.金属切削刀具设计手册袁哲俊,刘华明主编,2008 年出版.邮购价:202 元本书系统全面地介绍了各种金属切削刀具的结构及其设计,包括普通刀具和复杂刀具的设计.全书共分 16 章,介绍了刀具的共同问题:刀具几何参数的定义和刀具材料;普通刀具部分介绍了车刀,孔加工刀具,铣刀和螺纹刀具;复杂刀具部分介绍了拉刀,数控刀具,齿轮刀具和加工非渐开线齿形工件的刀具.对常用的标准刀具,扼要地介绍了刀具的结构特点和设计方法.对非标准刀具和一些参考资料中叙述较少的先进高效刀具,则较详细地介绍了它们的设计方法.书中除附有大量的图表,数据,标准资料,部分刀具合理正确使用的经验资料和技术要求外,对不少刀具列有详细的设计计算步骤,并附有设计示例和工作图.书未附有刀具夹持部分的结构和尺寸,作为设计时参考.本书可供刀具设计人员作为案头书,并可供刀具制造和使用的工程技术人员以及机械制造专业的师生参考.来款请寄:北京市朝阳区望京路 4 号,机床杂志社收 ,邮编:100102.?68?等 uu 平带 0 删
