160MN 電動(dòng)螺旋壓力機(jī)的研究

張?jiān)迹瑥埲A德，劉學(xué)貞，張祥元

(青島青鍛鍛壓機(jī)械有限公司，山東 青島 266300)

0 前言

160 MN 電動(dòng)螺旋壓力機(jī)是我國自行研制具有完全自主產(chǎn)權(quán)的高新技術(shù)產(chǎn)品，它是我國目前規(guī)格最大的電動(dòng)螺旋壓力機(jī)。具有結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)鏈短、故障率低、維護(hù)簡單、打擊力控制準(zhǔn)確、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，是節(jié)能環(huán)保的智能型鍛壓設(shè)備，適用于金屬精密鍛造、模鍛、鐓粗、擠壓、精整等工藝的不同需求。

我國在短暫的四年時(shí)間內(nèi)研制了電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)式、齒輪(或皮帶)機(jī)械傳動(dòng)式等結(jié)構(gòu)形式的電動(dòng)螺旋壓力機(jī)并推向市場，采用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)分別有三相異步電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、伺服永磁無刷電動(dòng)機(jī)等多種形式，其性能都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了傳統(tǒng)壓力機(jī)，將逐步取代傳統(tǒng)的螺旋壓力機(jī)，它代表著螺旋壓力機(jī)的發(fā)展方向。青島青鍛鍛壓機(jī)械有限公司研發(fā)的EPC-8000 型80 MN 電動(dòng)螺旋壓力機(jī)，其公稱力80 MN、允許使用力128 MN、冷擊力為160 MN。日前通過了國家檢測中心檢測和用戶驗(yàn)收，各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到了國際當(dāng)代水平。

本文介紹該壓機(jī)的結(jié)構(gòu)性能、與相同噸位不同形式的螺旋壓力機(jī)的比較，為用戶的選擇提供參考依據(jù)。

1 160 MN 電動(dòng)螺旋壓力機(jī)結(jié)構(gòu)原理

160 MN 電動(dòng)螺旋壓力機(jī)采用齒輪傳動(dòng)式結(jié)構(gòu)，由兩臺(tái)特制的異步電動(dòng)機(jī)通過齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)飛輪作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，大齒輪亦即飛輪，經(jīng)摩擦超載打滑裝置與輪體聯(lián)結(jié)，輪體與螺桿通過多個(gè)均布的圓柱銷傳遞力矩，銅螺母安裝在滑塊內(nèi)。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)大齒輪作正反向旋轉(zhuǎn)，通過螺桿、螺母將螺旋運(yùn)動(dòng)變?yōu)榛瑝K上下直線運(yùn)動(dòng)?；瑝K下行時(shí)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪加速旋轉(zhuǎn)，達(dá)到預(yù)先設(shè)定的速度后，裝在滑塊上的上模對(duì)鍛件毛坯加壓成形，隨即電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)滑塊回程，當(dāng)回程到設(shè)定位置后，電動(dòng)機(jī)斷電，由飛輪儲(chǔ)蓄的能量帶動(dòng)滑塊繼續(xù)上行，當(dāng)滑塊回程到上限位置時(shí)，制動(dòng)器制動(dòng)飛輪，使滑塊停止，完成一次打擊循環(huán)。本壓機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 EPC-8000 型80MN 電動(dòng)螺旋壓力機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of EPC－800080 MN electric screw press

1.1 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)是壓力機(jī)的主要?jiǎng)恿碓?，采用ABB 變頻調(diào)速系統(tǒng)，運(yùn)用直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)技術(shù)，使電機(jī)的運(yùn)行滿足各種鍛件的鍛造工藝要求。該機(jī)采用的電動(dòng)機(jī)是一種特殊結(jié)構(gòu)形式的三相異步電動(dòng)機(jī)，電機(jī)軸和小齒輪的結(jié)合采用了齒輪軸式結(jié)構(gòu)，可傳遞大力矩，適合頻繁正反轉(zhuǎn)時(shí)帶來的沖擊載荷。

1.2 飛輪裝置

飛輪是儲(chǔ)存能量的組合部件，具有足夠大的慣量，在滑塊打擊工件時(shí)將其能量釋放。

該壓機(jī)的飛輪輪緣就是大齒輪，與驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)上的小齒輪相嚙合傳遞力矩，電動(dòng)機(jī)通過正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。輪體與輪緣之間設(shè)有超載打滑裝置，當(dāng)打擊鍛件有剩余的能量時(shí)通過該裝置釋放，起到了主要受力部件的保護(hù)作用。

1.3 制動(dòng)器

制動(dòng)器是壓機(jī)運(yùn)動(dòng)安全可靠性的主要標(biāo)志。該機(jī)制動(dòng)器由四組彼此獨(dú)立控制的制動(dòng)單元組成。每一組制動(dòng)單元上有一個(gè)大的制動(dòng)臂，上面裝有四個(gè)內(nèi)裝多片碟形彈簧的制動(dòng)缸，通過彈簧壓力制動(dòng)飛輪外緣使設(shè)備實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，滿足滑塊在任意位置能可靠地停住，制動(dòng)器的打開通過液壓缸實(shí)現(xiàn)。

1.4 平衡裝置

平衡裝置的主要作用是平衡滑塊部分重量使其運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，減輕電機(jī)在提升滑塊時(shí)的能力付出，另外它對(duì)打擊力的準(zhǔn)確控制有很大的幫助。

該裝置由兩組四個(gè)氣缸組成，鋼殼固定在機(jī)架上，活塞桿與滑塊連接，滑塊每打擊一次平衡缸活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次。

1.5 滑塊

滑塊即是壓機(jī)的錘頭，是主要受力部件，由導(dǎo)軌、銅螺母及滑塊本體的組成。

滑塊主體采用優(yōu)質(zhì)鑄鋼，滑塊上部裝有特殊材料制造的銅螺母，通過平鍵和螺釘固定。為提高使用壽命銅螺母采用了特殊材料配方經(jīng)離心澆注而成，與螺桿組成螺旋副傳遞動(dòng)力?；瑝K導(dǎo)軌采用加長X 型放射形式，為提高滑塊的導(dǎo)向精度特增加了導(dǎo)向長度，滑塊活動(dòng)導(dǎo)軌采用矩形形式，使其導(dǎo)軌熱敏感度低，溫度變化影響較小，導(dǎo)軌間隙可以調(diào)整的很小，可保證鍛件的尺寸精度。

滑塊導(dǎo)軌與機(jī)架導(dǎo)軌接觸面鑲有銅導(dǎo)板，矩形導(dǎo)軌背面裝有調(diào)節(jié)墊片，通過調(diào)節(jié)或更換墊片可改變導(dǎo)軌的間隙。

1.6 潤滑

潤滑是該機(jī)至關(guān)重要組成部分，潤滑部位的潤滑液是否充分直接影響到壓力機(jī)的打擊性能，為此該機(jī)對(duì)潤滑的油量、油壓、油溫等設(shè)置了多方面的監(jiān)控。

主機(jī)導(dǎo)軌、大齒輪的齒面潤滑采用電動(dòng)濃油泵供油。螺旋副、銅推力軸承、飛輪支撐軸承是自動(dòng)稀油潤滑，并帶有自動(dòng)循環(huán)檢測報(bào)警裝置。平衡缸中工作面的潤滑主要是通過開機(jī)自動(dòng)潤滑，同時(shí)用安裝在空氣管路中的油霧器噴油潤滑，其余如頂料裝置的活動(dòng)面等則用油槍注入潤滑油。

1.7 平臺(tái)

平臺(tái)分為上下兩層，采用與主機(jī)分離式復(fù)合結(jié)構(gòu)，減少了震動(dòng)。為充分利用空間并使?jié)櫥?、液壓站盡量接近各執(zhí)行部件，減少損失，并便于維護(hù)，將其都放置在第一層平臺(tái)上。第二層平臺(tái)主要用來機(jī)器頂部的維護(hù)和保養(yǎng)。

1.8 氣路

壓縮空氣主要用于平衡缸對(duì)滑塊的平衡。氣源壓力不得低于0.6 Mpa，回路中裝有一個(gè)足夠大的儲(chǔ)氣罐、設(shè)有增壓裝置以便滿足正常的壓力、以及氣量的補(bǔ)給。

1.9 頂料

機(jī)器采用液壓頂料，頂料動(dòng)作平穩(wěn)可靠，頂料力和頂料行程均可調(diào)整。

上頂料器安裝在滑塊上。由油缸帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)，通過一組齒輪齒條實(shí)現(xiàn)頂料動(dòng)作。該裝置是根據(jù)用戶需求而定。

下頂出裝置帶有行程檢測設(shè)施，頂料力和頂料行程可調(diào)節(jié)。該裝置除具有正常的頂出功能外還可以在更換模座時(shí)起到頂起作用。

1.10 機(jī)架

機(jī)架是壓力機(jī)的主要受力部件，需通過認(rèn)真的理論計(jì)算。本機(jī)架采用組合式預(yù)應(yīng)力機(jī)身，橫梁、立柱、底座通過四根拉緊螺栓電加熱預(yù)緊而成一封閉式框架結(jié)構(gòu)，橫梁與立柱、立柱與底座之間設(shè)有定位環(huán)定位。組合機(jī)架的橫梁、立柱與底座都是鑄鋼材料，主要受力件拉緊螺栓是優(yōu)質(zhì)合金鋼鍛件，并進(jìn)行充分調(diào)質(zhì)處理，具有足夠的強(qiáng)度滿足要求。

2 電氣控制系統(tǒng)

該壓機(jī)電氣控制系統(tǒng)采用西門子S7-300 可編程控制器(PLC)作為主控元件，實(shí)現(xiàn)整機(jī)的實(shí)時(shí)控制;通過人機(jī)界面(HMI)實(shí)現(xiàn)操作人員與機(jī)器之間的信息交換，操作人員和維護(hù)人員可及時(shí)了解設(shè)備的運(yùn)行情況和故障信息;主電機(jī)為三相異步電動(dòng)機(jī)，采用瑞士ABB 公司生產(chǎn)的多傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)模式使電機(jī)的運(yùn)行完全滿足了各種鍛造零件的工藝要求;滑塊行程和底座頂料行程采用德國生產(chǎn)的微脈沖位移傳感器進(jìn)行檢測，達(dá)到了較高的檢測精度和控制精度;電氣控制系統(tǒng)使用了國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP 進(jìn)行連接，保證了系統(tǒng)信息傳遞的準(zhǔn)確性和運(yùn)行的可靠性。

2.1 主控元件

采用德國西門子公司生產(chǎn)的可編程控制器S7-300 系列CPU315-2DP 作為主控元件，該器件具有較高的數(shù)據(jù)處理速度和運(yùn)行可靠性。用戶程序中包括了位邏輯，計(jì)數(shù)器，定時(shí)器，復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算及與其它智能模塊通信等指令內(nèi)容，使其能夠及時(shí)準(zhǔn)確地處理各種數(shù)據(jù)和報(bào)警信息，監(jiān)控整機(jī)的運(yùn)行。

在本機(jī)中，S7－300PLC 主要控制實(shí)現(xiàn)整機(jī)各種功能，以滿足各種鍛件的鍛造工藝要求。機(jī)器共有改裝、調(diào)整、手動(dòng)、腳踏和自動(dòng)五種工作模式，改裝模式用于機(jī)器模具的更換和調(diào)整;調(diào)整模式用于機(jī)器的檢修和模具的調(diào)整;手動(dòng)、腳踏和自動(dòng)模式用于鍛件的正常生產(chǎn)，可分別通過手動(dòng)按鈕、腳踏開關(guān)和外部信號(hào)，啟動(dòng)機(jī)器自動(dòng)完成一個(gè)工件打擊的循環(huán)。機(jī)器的各種模式之間互鎖，保證了機(jī)器動(dòng)作的安全性和可靠性。PLC通過檢測整機(jī)運(yùn)行中各種故障控制機(jī)器進(jìn)行相關(guān)的動(dòng)作并及時(shí)報(bào)警，以保護(hù)操作人員及機(jī)床的安全;PLC 極高的運(yùn)行可靠性，保障了機(jī)器高效地運(yùn)轉(zhuǎn)，降低了設(shè)備的故障率。

2.2 人機(jī)界面(HMI)

在操縱箱內(nèi)裝有一臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)，即人機(jī)界面HMI 如圖2 所示，使用的是西門子公司生產(chǎn)的MP277 型觸摸式人機(jī)界面。人機(jī)界面基于新型的Microsoft Windows CE 操作系統(tǒng)，借助于計(jì)算機(jī)(PC)的強(qiáng)大軟件功能，大大地提高了使用的靈活性。它結(jié)合了專用硬件解決方案的可靠度和速度，集成了PC 軟件功能，是一款先進(jìn)的智能型產(chǎn)品。

圖2 機(jī)器的工作界面Fig.2 Work interface of the press

人機(jī)界面HMI 可以在工作界面中將操作狀態(tài)、當(dāng)前過程數(shù)據(jù)、機(jī)器的各種故障以及整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)用中文進(jìn)行顯示(如圖3 所示)，以方便操作者監(jiān)控和使用設(shè)備。人機(jī)界面在本機(jī)中主要承擔(dān)操作人員對(duì)機(jī)器的打擊能量和頂料工作狀態(tài)等運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定、修改，顯示機(jī)器運(yùn)行過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)和出現(xiàn)的故障，如主電機(jī)工作狀態(tài)、機(jī)器的潤滑狀況、頂料油泵電機(jī)過載等等，并能提供故障的排除方法等相關(guān)幫助信息，方便了操作人員和維修人員對(duì)機(jī)器的操作控制和維護(hù)維修。人機(jī)界面主要有如下功能:

(1)打擊參數(shù)的設(shè)定，可設(shè)定每個(gè)鍛件有幾個(gè)打擊工位，每個(gè)工位的打擊能量、頂料高度等參數(shù);

(2)機(jī)器打擊數(shù)據(jù)的顯示，在打擊完成后，可顯示本次打擊的打擊力、打擊能量、電機(jī)轉(zhuǎn)速等數(shù)值;

(3)模具管理功能，可對(duì)壓力機(jī)所用模具的打擊參數(shù)進(jìn)行保存、修改，更換模具后可直接調(diào)用已保存的打擊參數(shù)，無需再次試驗(yàn)、調(diào)整。

(4)實(shí)時(shí)顯示機(jī)器運(yùn)行的故障報(bào)警信息，并可查閱故障排除和機(jī)器維修的幫助信息。

(5)可查閱機(jī)器的PLC 地址表，方便機(jī)器的維修。

圖3 故障報(bào)警Fig.3 Failure warning

2.3 變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

電動(dòng)螺旋壓力機(jī)是一種節(jié)能高效的設(shè)備，在機(jī)器上、下料等工作間隙，主電機(jī)是不工作的，從而達(dá)到節(jié)電的目的。但是在打擊工作時(shí)，要求主電機(jī)迅速啟動(dòng)并達(dá)到設(shè)定速度，這就要求電機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能提供更高的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)有較強(qiáng)的過載能力，ABB 工業(yè)傳動(dòng)按電流額定值設(shè)計(jì)的，以滿足工業(yè)應(yīng)用中高過載能力的要求。ACS800 型變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心是直接轉(zhuǎn)矩控制-DTC 技術(shù)，基于DTC 原理的控制技術(shù)可以提供優(yōu)異的性能和顯著的優(yōu)點(diǎn):精確的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)速度及轉(zhuǎn)矩控制、高啟動(dòng)力矩。

160 MN 電動(dòng)螺旋壓力機(jī)采用ACS800 型空冷式多傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)，主要由輔助控制單元(ACU)、進(jìn)線單元(ICU)、供電單元(DSU)、制動(dòng)斬波器單元(BCU)、傳動(dòng)單元(INU)和網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備組成。供電單元為十二脈波二極管整流單元，額定功率為2521 kW;多傳動(dòng)系統(tǒng)共包括兩個(gè)傳動(dòng)單元，每個(gè)傳動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電機(jī)，單元的額定功率1400 kW;制動(dòng)斬波器的連續(xù)制動(dòng)功率為357 kW。

ACS800 傳動(dòng)系統(tǒng)是高度靈活的交流變頻器，其配置能滿足各種工業(yè)的精確需要，具有很寬的功率和電壓范圍，逆變器是微機(jī)控制的，可通過編程滿足其在各種場合下的自動(dòng)化應(yīng)用，智能化的檢測及故障報(bào)警記錄功能，為主電機(jī)提供了強(qiáng)大的保護(hù)功能。

2.4 開放性的硬件、軟件結(jié)構(gòu)，方便組成智能化、柔性化的制造系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用S7-300 型PLC，硬件本身是開放式的，PLC 具有各種網(wǎng)絡(luò)連接模塊，并且軟件系統(tǒng)可進(jìn)行開放式、結(jié)構(gòu)化編程，這樣使得電氣控制系統(tǒng)既可與現(xiàn)場各種輔助設(shè)備通過現(xiàn)場總線如PPROFIBUS、ASI 等連接，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線邏輯化動(dòng)作;也可通過工業(yè)以太網(wǎng)與上位機(jī)連接，組成工廠級(jí)智能化管理系統(tǒng)，使鍛造生產(chǎn)線成為柔性制造系統(tǒng)，成為企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)(ERP)的一個(gè)重要的組成部分。

3 160 MN 電動(dòng)螺旋壓力機(jī)性能參數(shù)比較

表1 對(duì)青鍛公司生產(chǎn)的EPC-8000 型80 MN電動(dòng)螺旋壓力機(jī)、J53-8000 型80 MN 雙盤摩擦壓力機(jī)和德國萬家頓公司生產(chǎn)的PZS900 型80 MN 電動(dòng)螺旋壓力機(jī)的性能參數(shù)進(jìn)行了比較。

表1 160 MN 電動(dòng)螺旋壓力機(jī)性能參數(shù)比較Tab.1 Performances and parameters of 160 MN electric screw press

(續(xù))

從表1 中可以看出:

(1)電動(dòng)螺旋壓力機(jī)性能優(yōu)于雙盤摩擦壓力機(jī);

(2)電動(dòng)螺旋壓力機(jī)飛輪總能量國產(chǎn)比進(jìn)口的要低一些，僅達(dá)到其下限，這方面有一定差距;

(3)由于材質(zhì)原因電動(dòng)螺旋壓力機(jī)螺桿直徑國產(chǎn)比進(jìn)口的稍大一點(diǎn);

(4)電動(dòng)螺旋壓力機(jī)工作臺(tái)面寬度方向尺寸與進(jìn)口機(jī)器基本相當(dāng)，而前后方向的大小可根據(jù)用戶的要求適當(dāng)改變;

(5)電動(dòng)螺旋壓力機(jī)重量有一定的差異，受鑄件毛坯重量控制的影響;

(6)電動(dòng)螺旋壓力機(jī)參考價(jià)格國產(chǎn)僅為進(jìn)口的一半;

(7)電動(dòng)螺旋壓力機(jī)用控制器件等都是采用國際品牌產(chǎn)品，控制方式、功能原理相當(dāng)。

4 結(jié)論

電動(dòng)螺旋壓力機(jī)其結(jié)構(gòu)性能、控制水平、先進(jìn)程度等都優(yōu)于傳統(tǒng)形式的螺旋壓力機(jī)，代表著螺旋壓力機(jī)的發(fā)展方向。從國產(chǎn)EPC-8000 型80 MN，德國產(chǎn)PZS900 型80 MN 電動(dòng)螺旋壓力機(jī)比較來看，國產(chǎn)電動(dòng)螺旋壓力機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)已經(jīng)基本達(dá)到了國際當(dāng)前水平，從性價(jià)比上看國產(chǎn)電動(dòng)螺旋壓力機(jī)是優(yōu)選對(duì)象。

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