佘寬，徐惠，劉志，徐敏，胡志梅

（揚力集團股份有限公司，江蘇 揚州 225127）

0 引言

機械壓力機是金屬成形行業(yè)重要的鍛壓設備，在汽車及家電行業(yè)廣泛應用。平衡器是機械壓力機的重要部件之一。本文介紹氣動式平衡器的結構、作用及設計計算，最后對活塞計算結果利用有限元分析軟件進行了優(yōu)化設計。

1 平衡器的結構

平衡器是氣缸、活塞、活塞桿、密封件、進氣蓋、滑塊聯(lián)結機構等組成。平衡缸的安裝位置通常有三種安裝形式：①吊掛于橫梁下端面（可以是橫梁左右兩側、也可以是前后兩側）；②安裝于機械壓力機立柱內部；③安裝橫梁上端面。根據(jù)滑塊部件、連桿、導柱及用戶模具重量不同，單臺壓力機通常選用單只、兩只或四只平衡器。平衡器活塞桿通過吊塊、掛角或銷軸等零件與滑塊聯(lián)結。

2 平衡器的作用

機械壓力機平衡器主要作用是：①可以消除連桿軸承間隙、芯軸軸承間隙、調節(jié)螺桿螺紋間隙、滑塊的間隙，避免零件的沖擊和異常磨損；②降低離合器接合時候負載，降低接合電流；③降低滑塊調模電機負載；④在制動器失靈或調節(jié)螺桿、連桿、導柱等與滑塊體聯(lián)結件異常斷裂時，平衡器起到保證滑塊體不墜落發(fā)生安全事故；⑤平衡器平衡壓力機低速副大齒輪重力，保證機床運轉時低速附齒輪中心距與理論設計中心距相一致，從而降低齒輪嚙合噪聲，提高齒輪嚙合穩(wěn)定性。

3 氣動平衡器的設計與計算

3.1 平衡缸缸徑計算

平衡缸需要平衡影響滑塊的重力部件，需平衡的零件主要分為四大類：①平衡缸自身影響滑塊部件重量G1：包含平衡缸活塞、活塞桿、平衡缸與滑塊聯(lián)結機構；②滑塊部件重量G2：包含滑塊本體、調模傳動部件、過載保護部件、滑塊壓力點部件等；③機床傳動部件影響滑塊的重量G3：包含導柱、連桿、連桿瓦、連桿銷、偏心齒輪、偏心軸承套等；④用戶上模部件重量G4：包含上模、上模墊板、夾模器或其他鎖模裝置。

根據(jù)用戶工廠機床安裝位置的氣壓，可以初步確定平衡器的缸徑：

式中：D——單個平衡缸缸徑，mm；

G1——平衡缸自身影響滑塊部件重量（活塞、活塞桿等）,N；

G2——滑塊部件重量（滑塊本體、調模傳動部件、過載保護部等）,N；

G3——機床傳動部件影響滑塊的重量（導柱、連桿、偏心齒輪等）,N；

G4——用戶最大上模部件重量（上模、上模墊板、夾模器等）,N；

q——機床安裝位置處的用戶工廠氣壓，MPa；

m——機床平衡器數(shù)量，個；

3.2 平衡缸活塞計算

壓力機正常工作時，工廠氣源通過平衡器進氣口進入平衡器內部，平衡器缸體固定安裝在橫梁或立柱上，氣壓作用于平衡器活塞上，活塞通過鎖緊螺母與活塞桿連接，活塞桿將平衡器的提升力作用到滑塊體上，活塞作為重要的受力部件，可以根據(jù)實際受力狀況簡化為圖1 所示受力模型。

圖1 簡化受力模型

根據(jù)圖1 受力模型，推導出活塞厚度計算公式:

式中：h 為平衡缸活塞高度，mm；R 為活塞外圓半徑,mm；r 為鎖緊螺母外圓半徑,mm；c 為計算系數(shù)，詳見表1；q 為用戶工廠機床安裝位置的氣壓，MPa；f 為最大撓度，可根據(jù)活塞與缸體單邊間隙推導；E 為彈性模量。

表1 計算系數(shù)

4 平衡器活塞有限元分析與優(yōu)化

通過理論計算我們可以初步確定某型號平衡器活塞的厚度。為了降低活塞重量的同時能增加活塞的剛度，運用三維軟件初定活塞及優(yōu)化活塞三維建模。如圖2 所示為初定活塞，重量358.7kg；圖3 為優(yōu)化活塞，重量349.2kg，優(yōu)化后活塞降低了9.5kg。并在同等的受力及約束條件下對初定活塞及優(yōu)化活塞進行有限元分析設計，得出應力及變形，結果分別如圖4、圖5、圖6、圖7 所示。

圖2 原活塞

圖3 活塞優(yōu)化

圖4 原活塞變形結果

圖5 優(yōu)化后活塞變形結果

圖6 原活塞應力分析結果

圖7 優(yōu)化后活塞應力分析結果

圖4 為原活塞整體變形分析結果，最大變形為0.0823mm；圖5 為優(yōu)化活塞整體變形分析結果最大變形為0.0766mm；

圖6 為原活塞整體應力分析結果，最大應力為93.88MPa；圖7 為優(yōu)化活塞整體應力分析結果，最大應力為48.387MPa；

5 結論

壓力機平衡器的正確選用與其使用、安全有密切關系。本文對壓力機氣動平衡器的關鍵部位進行了理論計算與有限元分析，在保證平衡器安全使用的同時，降低了活塞重量，增加了活塞剛度，降低了活塞最大應力。實際的生產、使用也檢驗了理論計算的可靠性、穩(wěn)定性，驗證了優(yōu)化設計的合理性、經濟性。