高速压力机传动系统对下死点精度影响的研究.pdf

文章编号：1672—0121(2011)06—0079—04 高速压力机传动系统对下死点精度影响的研究 管培鹏，赵字，吴洪涛 (南京航空航天大学机电学院，江苏南京210016) 摘要：下死点精度是高速压力机重要的动态精度，直接影响着冲压件的质量。从高速压力机传动系统入 手，以转速、静平衡气压和运动副间隙等因素对下死点精度的影响为例，采用多体系统动力学建模仿真和田 口法，分析了最优下死点精度的参数组合和影响因素的显著性关系，从而为提高高速压力机下死点精度和优 化其传动系统设计提供参考。 关键词：机械制造；精度；下死点；高速压力机 中图分类号：TG315．5 文献标识码：A 1引言 高速压力机是一种以连续式高速冲压为目的的 自动冲床，它具有自动、精密、高效的特点，已广泛用 于电机定／转子、E／I铁芯、IT芯片等功能性冲压件的 生产[1l。国外著名锻压生产企业如瑞士BRUDERER、 德国舒勒等，已掌握了较成熟的高速压力机下死点 精度(<~2mm)控制技术，国内尚未完全掌握这项技 术嘲。下死点精度作为高速压力机关键的性能指标， 直接影响到冲压件的质量以及模具的使用寿命。 由于国内零件加工精度和轴承材料的不足，限 制了国产高速压力机下死点精度的进一步提高，制 约了高速压力机的发展，为此，提高下死点精度已是 当务之急。国内对高速压力机下死点的研究，目前还 主要采用实验对比分析方法。鹿新建等通过对高速 压力机下死点波形图的分析研究，获得气压和转速 等因素对下死点的影响规律[2]例；柯尊芒等将灰色关 联度应用到下死点影响关系分析中，分析了转速、时 间、气压对下死点位置的影响关系 。在实际高速压 力机实验中，可用于研究的影响下死点因素(如气 压、转速)较少，本文采用多体系统动力学建立高速 压力机传动系统模型，可对气压、转速、冲裁力、运动 副间隙、尺寸误差等影响因素进行分析，并采用田口 法分析最优下死点精度的因素参数组合和各因素对 下死点精度影响的显著度，根据仿真结果获得最优 下死点精度的参数组合和影响因素的显著性关系， 基金项目：江苏省科技创新与成果转化项目(BY2010108)；南航青年 科技创新基金项目(NS2010146) 收稿日期：2011-09—22 作者简介：管培鹏(1986一)，男，硕士在读，主攻锻压装备设计研究 通过仿真验证实验确定了经最优参数组合预测的下 死点精度的正确性。 2高速压力机传动系统建模 2．1传动系统构成 高速压力机由润滑系统、传动系统、机身、离合 器和制动器等组成『51，其中传动系统是影响下死点精 度的关键因素之一。高速压力机的传动机构一般使 用曲柄滑块机构，在高速下曲柄滑块机构会产生较 大的不平衡惯性力，严重影响下死点精度，常采用对 称布置的曲柄滑块机构作为辅助机构进行平衡。图 1所示为JFv75G一200高速压力机传动系统的结构原 理图。机身1、曲轴2、主连杆3、调节螺杆4和滑块 体5构成压力机的主传动机构，它将电机的旋转运 动转变为滑块的往复直线运动。机身1、曲轴2、副连 杆6和配重块7构成压力机的动平衡机构。下死点 是指滑块体5运动到最低点的位置，下死点精度是 指滑块体的最低点位置的重复精度。 理论上x,-J~布置的曲柄滑块机构能完全平衡惯 性力，即可使惯性力在图1中轴承C处所引起的动 压力得到完全平衡，但是由于尺寸误差和间隙等因 素的存在，使机构中还存在不平衡惯性力。在 JF75 度尺 柄长 在不 响会 2．2 速变 对下死点的影响主要体现在主 要尺寸的尺寸误差和运动副的 间隙，主要尺寸如图1中的 、 6c，间隙如图1中A、B、G三处 运动副，其径向最大间隙量为 e 、e 、es；静平衡气压采用力的形 式，作用在滑块体上，图1所示 的P；配重块质量的变化主要用 于减小不平衡惯性力；转速是用 曲轴每分钟的转数，等价于压力 机的冲裁次数，转速的变化会影 响到不平衡惯性力的变化，进而 影响到下死点精度。 根据传动系统构成和影响 因素，建立压力机传动系统拓扑 结构图如图2所示，取系统中每 个刚体Bi为研究对象进行受力 分析。作用于刚体的力有重力、 运动副的约束力，各运动副处要 D fF 图1高速压力机传动 系统原理图 考虑摩擦力。将所有作用于刚体B 上的主动力和约 束反力分别向质心C 简化，得到主动力主矢 和 主矩 ，以及约束反力 和主矩如于是可以对每 个刚体写出牛顿一欧拉方程的动力学方程为： tmiv F +F { (1) L~Ido + chbi= + 式中： 和∞ ——刚体质心的速度矢量和绕质心的 角速度矢量； m广一刚体的质量； ，—一刚体绕其质心的惯性张量。 再将各刚体动力学方程合并建立系统的动力学 方程，结合约束方程并整理可得系统的常微分方程 的形式： [ }_{ ) 式中：q——刚体中一点的坐标向量； 香和 ——位置向量的一阶和二阶时间导数； 卜质量矩阵； p——与外力和速度有关的惯性力矢量； 。——运动学约束方程的Jacobian矩阵； A——Lagrange乘子。 2-3间隙碰撞模型 图2中的含间隙的运动副是不理想的约束，需 要建立间隙碰撞模型。没有误差的理想旋转副和圆 柱副是一个圆柱面(作为轴)在另一个圆柱面(作为 孔)的内部，为实现含间隙的旋转副和圆柱副，采用 相对坐标系的多体动力学接触分析算法，即位形空 间法和边界盒法的混合接触检测算法阎。它将作为孔 的圆柱面近似为三角形碎片(称防御体)，作为轴的 圆柱面用一组球(称撞击体)表示，其中碎片和球的 数量由计算精度决定。通过计算分析碎片和球之间 是否接触，来判断两圆柱面是否碰撞，进一步确定旋 转副和圆柱副所处的状态。若发生碰撞，则根据碎片 和球之间的侵入量来确定穿深量占。根据穿深量可 计算法向接触力为： K 一十c (3) I dl 式中：卜接触刚度系数 c—一阻尼系数； m 、m 、m厂分别为刚度指数、阻尼指数及凹 痕指数； d和 分别表示穿透深度及接触点的相对 速度(穿透深度的导数)。 这些参数取决于材料的类型、尺寸等。其切向摩 擦力为： f~m(v) I (4) 式中：m(v)——摩擦系数，其符号和数值由接触位 置和接触两者的相对速度决定[9]。 通过修改两圆柱面的直径就可以实现含间隙的 旋转副和圆柱副。接触刚度系数根据Hertz碰撞理 论中的等效刚度系数K确定，计算公式为： K= ， =器，hk~-． (5) 式中：R ， ，E厂一分别代表构件i在碰撞点处的曲 率半径、材料的泊松比和弹性模 量[91。 2．4实验模型的实现 将各影响因素可 以看做压力机传动系 统模型的输入量，而下 死点的-fir置作为模型 的输出量，其详细计算 流程参见图3。将代表 各影响因素的数值代 人模型中，再将计算所 得刚度阻尼系数等模 型参数输入到模型中， 设定一定的时间步长 ，根据间隙碰撞模型 中的多体动力学接触 读人各因素数值 l读入模型参数l 申 根椐间隙模型计算6确定 和 计算方程(2)获 得q、口、 等 图3计算流程图 分析算法确定运动副中防御体是否与撞击体接触及 其穿深量 ，通过式(3)、(4)确定碰撞力大小，并由 式(2)计算出滑块体的位置，最后判断是否达到仿真 的时长 ，最后可获得滑块体的位移曲线，并得到 下死点的位置。将此模型用RecurDyn软件实现。 3实验设计 3．1参数确定 JF75G一200高速压力机的传动系统的主要结构 参数如表1所示。在压力机动力学模型中，要考虑摩 擦力，计算所需静态摩擦系数取0．1，动态摩擦系数 取0．05t 。由图2可知，调节螺杆与滑块体是通过螺 纹连接的，将其等效成弹簧一阻尼系统，其刚度系 数是通过ANSYS分析获得(取1．2xl09N／mm)。三处 含间隙运动副的接触刚度系数可由式(5)计算获得， 对应的阻尼系数一般取接触刚度系数的1％，详细 参数见表2。 表1模型主要结构参数 主曲柄 主连杆 副曲柄 副连杆 滑块体 配重块 长度 长度 长度 长度 质量 质量 L nlln LaN'mm ￡ mill ￡珊f1／1171 mdkg mT／kg 15 485 30 60o 230o 150o 3．2田口正交实验 此高速压力机是双点式的，有两套图1中的机 构，根据压力机传动机构实际中可能存在的影响因 素，所建模型可用于分析曲轴中两主曲柄长度误差、 两主连杆长度误差、曲轴与左右主连杆连接转动副 的间隙(e 和e )、主连杆与两调节螺杆连接转动副 的间隙、两调节螺杆与两上导套之间圆柱副的间隙 (e 和e )、曲轴的转速 、冲裁力、气压力P和配重 表2含间隙碰撞模型参数 静摩擦系数帆 动摩擦系数md 刚度指数m 阻尼指数 O．1 O．05 1．5 l A处接触刚度系数 A处阻尼系数 B处接触刚度系 凹痕指数m3 ，(N／mm) ，(N·S／mm) Ks／(N／mm) 2 9．7 105 9．7 1O 6．6 l o5 B处阻尼系数 C处接触刚度系 C处阻尼系数 C (N·S／mm) 数KJ(N／mm) Cd(N·S／ram) 6．6 10 1．5 l06 l_5 1o4 块质量等具体因素对下死点的影响。此处只取e 、 e 、e 、e 、09、P作为影响因素分析，其中e6=e ，es=eg 。 高速压力机的下死点精度包括l，向(滑块运动 方向)、 向(旋转副轴向)和z向(垂直于XY平面 方向)的精度，在实际中主要关注下死点】，向的精 度，取其为实验分析的评价指标。设下死点理论位置 为零，用实际下死点位置值与其理论值之差作为下 死点精度。以工程实际的设计数据和经验取值作为 因素水平选取的依据，安排因素及水平见表3。进行 9次仿真实验，每次实验取20个下死点位置值，由 于下死点的精度越高越好，即下死点的位置值越接 近零越好，属于望小特性。S／N的计算公式为： 表3因素水平表 因 素 水平 ~o／spm edgm e~gm 1 10o 50 5 5 2 200 60 10 10 3 30o 70 15 l5 S／N=-10log( ) (6) 获得仿真结果如表4所示。 3．3实验结果分析 在模型中，下死点的平均位置值越小代表下死 点精度越高，S／N值越大表示评价指标的变异越小， 通过算术平均的方法求出各影响因素在不同水平上 表4田口实验因子配置与实验结果 y向 序号 n， P eb eg 平均值／mm s／N 1 3 2 3 1 0．225 12．96 2 3 3 1 2 0．220 13．20 3 2 1 3 2 0．307 10．24 4 2 3 2 l 0．304 10-33 5 2 2 1 3 0．301 10．44 6 1 3 3 3 0．254 11．9O 7 1 1 1 1 0．245 12．23 8 3 1 2 3 0．222 13．07 9 1 2 2 2 0．249 12．07 平均值 0．258 11．83 A ／＼ ／ ＼ ／ ＼_二 一 I{＼ ＼ P I 水平1 水平2 水平3 不同水平 图4下死点影响因子效果图 } f l n 。 ／ ＼ ／ ’ ＼ ／ ＼ ／ ＼ ／ ＼／ 水平1 水平2 水平3 不同水平 图5 S／N因子效果图 因素影响越显著；P值表示该因素对实验误差 的概率。在0．05显著水平下，四个因素的F值 大于R ，说明四个因素都是显著的，其中转速 值最大且远大于其他三个，是最主要影响因素， 与连杆之间运动副的间隙的影响次之，气压力 节螺杆与上导套之间圆柱副的间隙的影响较 表5方差分析表 影响因素 偏差平方和 自由度 均方和 F值 P值 显著性 甜 0．210269 2 0．105134 lO6O461 0 l P O．0o0o33 2 0．O0oO16 161 O 1 e6 O．0o1650 2 O．0oO825 8321 O 1 eg 0．OOoo27 2 O．O0o014 137 0 1 其他 0．000339 171 O．OOOo02 总计 0．212318 179 0．105991 3．4实验验证 用四个因素的最优水平组合可以预测最小的下 死点位置。预测公式为： l，=y+(1， 一y)+(y只一y)+(Y 6 3一y)+(Y．g 3-Y) (7) 式中：y——评价指标对应的总的平均值； y 广一第i个因素的最优水平对应的平均评 价指标值。 通过式(7)计算得，下死点位置预测值为0．2175 mm，S／N值的预测结果为13．234。 为了验证所得最优因素水平组合所对应的下死 点位置值是否和预测相一致。为此，将模型中的转速 设为300spm，气压力设为50N，两处间隙设为5／xm， 通过实验获得下死点平均位置值为0．2182mm，对应 S／N值为13．222，都在99％的置信区间内，故与预测 值是一致的。 4结论 在RecurDyn环境下，创建高速压力机传动机构 的多体动力学模型，采用田口法安排仿真实验并对 结果进行分析，得出了四个因素的最优水平组合和 对下死点精度影响的显著性顺序，显著性由高到低 依次为：转速、曲轴与连杆之间运动副的间隙、气压 力、调节螺杆与上导套之间圆柱副的间隙。在现有的 技术条件下，采用田口法合理安排下死点精度的影 响因素，可以在一定程度上提高下死点精度，影响因 素的显著性可作为单因素分析的依据。由于模型中 也考虑了其他的影响因素(其他间隙、尺寸误差和外 力等)和下死点 向、z向两个~,qzffr指标，可以在后 续实验中，研究这些因素对下死点精度的影响，找到 进一步提高下死点精度的方法(例如最优水平组 合)，为高速压力机的设计和生产提供参考。 【参考文献】 [1】赵升吨，张学来，高长宇，杨辉．高速压力机的现状及其发展趋 弛 ∞ 嬲 O 0 O 0 O O ＼删 5 O 5 0 5 O 5 O n ¨ n m m ∞p／∈∞ 文章编号：1672—0121(201 1)06—0083—04 缩套式超高压容器简体的有限元分析 徐长江，李东升，窦建鹏，张守勤．梁清 (吉林大学生物与农业工程学院，吉林长春130022) 摘要：使用有限元软件ANSYS对缩套式超高压容器的简体在预应力下的应力分布和施加载荷过程中简 体的应力分布进行了仿真，有限元的仿真结果与理论计算结果的比较证明有限元模拟仿真是正确的。 关键词：机械制造；应力分布；筒体；有限元 中图分类号：TG315．4 文献标识码：B 1 引言 通常，为提高高压、超高压容器承载能力采用的 方法是在筒体使用前使筒体产生预应力。产生预应 收稿日期：2011-09—22 作者简介：徐长江(1986一)，男，硕士在读，主攻机械设计及其自动化 研究 力的方法有两种：一种是在简体使用前进行自增强 处理，使筒体内壁产生塑性变形；另一种是采用缩套 的方法产生预应力，如绕丝、绕带及多层缩套[1】。已有 一些文献[2]报道了超高压简体自增强的有限元仿 真，而缩套式超高压筒体的有限元分析研究则很少。 文献[3】对缩套式超高压简体进行了研究，该文章的 作者把双层预应力缸筒的分析过程分预紧状态(内 势[J】．锻压装备与制造技术，2005，40(1)：17—25． 【2】冯华林，鹿新建．高速压力机下死点精度试验研究[J]．装备，2009， (3)． [3】鹿新建，甄文庆，田洪中，李黎明．气压及转速对高速压力机下死 点的影响[J]．锻压技术，2009，(2)． [4]柯尊芒，鹿新建，闵建成．基于灰色关联度的下死点影响因素分 析[z]．第四届锻压装备与制造技术论坛论文集，2006． [5]李永堂，付建华，白墅洁，张文杰．锻压设备理论与控制[M]．北京： 国防工业出版社，2005：219—241． 【6】赵升吨，张学来，高长宇，等．高速压力机惯性力平衡装置及其特 性研究(二)[J】．锻压装备与制造技术，2005，40(5)：14—2O． [7]鹿新建，柯尊芒，朱思洪，周军．高速精密压力机下死点精度研 究[J]．锻压技术，2010，35(1)． [8】8 焦晓娟，张谐渭，彭斌彬．RecurDyn多体系统优化仿真技术[M]． 清华大学出版社，2010：373—400． 【9] Flores P．A parametric study on the dynamic response of planar muhibody systems with multiple clearance joints[J]．Nonlinear Dy— namics，2010，61：633-653． [1O】成大先，等．机械设计手册[K]．北京：化学工业出版社，2002． Study on influence of transmission system on accuracy of bottom dead center(BDC) for high speed press GUAN Peipeng，ZHAO Yu，WU Hongtao (College of Mechanical and Electrical Engineering，Naming University of Aeronautics and Astronautics，