摘要：分析了成型辊装置的工况条件及运动机构设计，提出了一种恒功率自适应同步容积调速系统，并对其驱动力矩进行理论计算与实测比较，分析、测试了该控制系统的相应的参数，为一步法封头冷成型机的系列设计提出具有参考价值的参数数据。
关键词：成型辊；驱动力矩；调速系统
1 前言
封头旋压冷成形方法主要有三种：有胎旋压、两步法无胎旋压和一步法无胎冷旋压。一步法无胎冷旋压将板坯置于一台机器中一次装卡旋压出所期望的封头，省时、省力、省能源、占地面积小、生产效率高。FWX20型数控无胎旋压成型机工作原理见图1。
图1 封头成型机工作原理
1 顶紧缸 2 主轴箱托垫 3 旋压辊 4 成型辊 5 摇杆 6 机架 7 滑动平面副
由图1可知，该机中的成型辊装置类似于有胎旋压的胎模，但成型辊辊头直径比胎模的直径小，因此，在旋压加工时，成型辊势必按着预计的运动轨迹与旋压辊同步由板坯中心向外边缘移动，才能最终旋压出封头。可见成型辊的运动方式、驱动动力、自适应的同步控制系统设计是整机不可忽视的关键技术之一。
2 成型辊运动机构的设计与分析
取代胎膜的成型辊运动机构将直接影响到该旋压机的繁简程度及加工封头规格的范围。为了使成型辊实现工艺上要求的圆弧曲线运动轨迹，国外已有的机构是采用直流电机，经变速箱驱动实现的。其旋转用丝杠-滑块-摇杆机构，使成型辊在旋压过程中摆动。由于考虑到旋压小规格封头的需要和结构刚度等因素，滑块导轨靠近主轴，因而在加工大规格封头时，封头的深度受到限制，这在很大程度上削减了该机加工封头种类的能力，即生产封头的规格范围受到限制。
因此，我们创新地设计出了如图2所示的一种能可靠地实现成型辊圆弧运动的行走机构。它能有效地保证了被加工封头的壁厚减薄量和加工大规格的深封头，拓宽加工范围，提高了加工封头种类的能力"行走机构由摆杆（液压缸）、摇杆等组成。摆杆是一个能够伸长或缩短的液压缸部件；液压缸缸体底部通过铰链与机架相连，活塞杆端部通过铰链和成型辊变速箱相连，可以调整长短的摇杆一端也与成型辊箱体相连，另一端与主轴箱体的中心线上的铰套相接。液压缸活塞杆进给，成型辊上升靠近主轴。活塞杆缩回，成型辊下降走圆弧运动轨迹。这样不存在滑块靠近主轴的问题，从而保证了成型辊稳定地实现工艺要求的圆弧曲线的运动轨迹；另外，在旋压不同规格的封头时只调整定点摆杆及液压缸的进油量，就可旋压各种规格的容器封头。这一创新设计使整机结构大大简化。
图2 成型辊运动及速度分析图
1 摇杆 2 成型辊箱体 3 摆杆（油缸） 4 成型辊
5 旋压辊 6 顶紧缸 7 封头 8 主轴变速箱 9 铰套
3 成型辊转速同步控制系统设计
从图2可知，在旋压加工过程中，由于板料依靠主轴和成型辊通过啮合点产生作用力去克服旋压时的变形抗力而旋转的。所以，要求成型辊和主轴在板坯啮合点处产生的线速度必须相同。为此，国外某些公司生产卧式封头翻边机中的成型辊和主轴均采用直流电机驱动，采用测速电机测量其转速。但是这种方法只能使二者近似同步，近似的原因在于成型辊曲面上的啮合点在板坯的变形区是变化的。设旋压时啮合点切向线速度vi不变，而旋压从板坯起始部位到边缘的旋压啮合点距离A是变化的，当板坯半径Ra变大时，主轴转速n相应减小(n=vi/2πR1)。当成型辊的转速nz和主轴转速n同步时，则nz=vi/2πR1(r1为A点成型辊鼓形半径）。当在A点啮合时，nzA=vi/2πR1=nAR1/r1，而旋压到B啮合点时，nzB=vi/2πR2=nBR2/r2，无疑R1/r1≠R2/r2，可见n和nz的关系是随着啮合点位置而变化。况且还有一些无法忽略的非线性和不确定因素影响，因此很难精确建立数学模型和制定n和nz的同步自适应调速程序。所以测速电机不能检测出这些变化，不得不采取各种改进或补偿措施，如在成型辊的变速机构中装上一个超越离合器。
根据啮合点Fi切向变形力基本恒定，vi在啮合点旋压变形速度不变，驱动功率P恒定这一观点，将液压油马达分别作为成型辊和主轴的驱动动力，利用力返馈工作原理，首次设计出液压油马达和恒功率变量泵组成的容积调速同步控制系统（见图3）。解决了封头成型过程中啮合点处成型辊与主轴自动适应的同步关系。
图3 泵-马达容积调速同步控制系统
1 成型辊 2 油马达 3 控制单元 4 变量泵 5 压力调节单元 6 电机 7 油箱
如果在旋压过程中主轴与成型辊在啮合点处线速度不相同，快者承担较大的作用力，功率相应增加；速度慢者承担较小的作用力，功率就小。由恒功率容积调速系统特性决定了功率增加，速度就自动减慢；功率减小，速度就自动增快，至使二机构自动调节到平衡为止。可见，力返馈控制原理既能使控制系统简单，又达到成型辊与主轴在旋压过程中任意啮合点、任意瞬时转速同步的要求。
4 成型辊驱动力矩的计算
成型辊的主动旋转运动由液压系统来驱动。因其与主轴共同驱动板坯旋转，所以在啮合点A处线速度同步正常工作情况下，板坯旋压成型的变形功率等于主轴输出的功率与成型辊输出功率之和；根据能量原理，主动力矩做的总功等于板坯的转动惯性动能增量与阻力矩所做功之和，即
式中：M为总驱动力矩，N·m；φ为某瞬时转过的角度，red；△E为转动惯性动能增量J·N·m；S为错位距，m；Fr为旋压辊与板料之间的摩擦阻力；η为效率；R为板坯和成型辊接触点回转半径，m。
式中M1为主轴驱动力矩，N·m；Mz为成型辊驱动力矩，N·m；rz为成型辊半径，m；ηz为传动效率（考虑到成型辊和板坯接触面积小，偶而有打滑现象出现）。
如果在考虑封头旋压时的旋压力和板坯起皱与其表面质量及润滑条件等因素的影响，将式（1）加以整理与修正为
式中：D为封头直径，m；m为惯性质量，kg；t为板坯厚度，m；σs为材料屈服应力，Pa；K为滚动摩擦力臂，m；c为影响系数； ；δ为旋压辊压下量，m；Rx为旋轮的半径，m。
总驱动力矩求出后，则可求成型辊驱动力矩。根据该机结构和工艺特点，二机构驱动功率相等均为P。则主轴驱动力矩为：M1=9550P/n1。由公式（2）（3）可将成型辊驱动力矩简化得
5 测试结果及分析
对生产使用的FWX20型一步法封头冷成型旋压机在旋压直径为2.4m封头加工过程中的成型辊驱动力矩参数进行了理论计算和实测。结果见图4。理论计算和实测数值基本吻合。同时，对成型辊驱动力矩Mz、功率、转速也进行测试，为得到旋压封头相应位置时的力能参数，还记录了旋压辊径向位移参数。给出了成型辊的液压马达功率Pz、转速nz、力矩Mz随封头半径R不断变化的曲线，如图5所示。
图4 成型辊驱动力矩实测值与理论值比较
图5 Mz、nz、Pz-R的实测曲线
从实测曲线看出，参数的设计值与实测值完全吻合，且工作稳定。当有外载力冲击时，力矩Mz跳跃，相当于调速系统输入一阶跃扰动，而仍然平稳。随着R的增大和啮合点的变化，成型辊鼓形半径r减小，Mz减小，而转速nz有增加的趋势。恒功率自适应同步控制系统在多台旋压机上的应用，已充分证明其结构合理、可靠、性能稳定。整机运行工况良好，生产效率高，取得了很好的经济效益。
参考文献：
[1] 官忠范 液压传动系统[M] 北京 机械工业出版社 1987
[2] 刘士钊 一步法封头无胎冷旋压变形特点及旋压力计算[J] 金属成型工艺 1992（4）(end)
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