70MN葉片壓制液壓機研發(fā)設計

霍 光

（北方重工集團（沈陽）工程設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110141）

0 引言

本項目為北方重工集團與沈陽鑄造研究所簽訂的70MN葉片壓制專用液壓機設備合同項目，北方重工研發(fā)了國內(nèi)首臺全焊接結構葉片模壓類專用液壓機，填補了國內(nèi)空白。該機外形結構示意圖如圖1所示。

圖1 70MN葉片壓制液壓機示意圖

大型水輪機葉片熱模壓成形工藝是一種先進的葉片成形工藝，只有少數(shù)發(fā)達國家掌握。沈陽鑄造研究所掌握了全套工藝技術，急需一臺能適應該工藝的設備。這臺液壓機采用全焊接組合機架整體預緊結構，選用先進成熟的液壓系統(tǒng)，擁有兩套獨立的位移控制傳感系統(tǒng)，自動控制系統(tǒng)采用上位機與PLC兩級控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了葉片成形精度±1mm。70MN葉片壓制液壓機的研制成功實現(xiàn)了大型模壓葉片的國產(chǎn)化，使我國生產(chǎn)的大型水輪機模壓葉片完全替代進口，打破了國外技術長期壟斷的局面，對提高我國水電裝備制造業(yè)總體水平具有重要的戰(zhàn)略意義。

1 技術特點

1.1 全焊接結構

傳統(tǒng)的大型液壓機的三梁四柱多采用鑄造結構，大型鑄鋼件不但生產(chǎn)周期較長，質(zhì)量也不容易保障。隨著市場競爭的加劇，國內(nèi)越來越多的設計和制造單位在考慮怎樣縮短設計周期和降低設計成本，以增強產(chǎn)品競爭能力[1]。該項目為EPC總包模式，合同簽訂10個月交貨。項目組經(jīng)與用戶溝通決定采用全焊接結構，這在該類專用壓機上尚屬國內(nèi)首次。不但保證了按期交貨，而且設備總重較同規(guī)格鑄鋼結構壓機降低25%；另外由于采用16Mn鋼板，三梁四柱的質(zhì)量得到了較好的控制。

三大梁為大型箱體類焊接件，有些地方操作空間受到嚴重限制，焊接難度大，且基本上是厚板焊接，需要預熱，易變形。該壓機選用16Mn鋼板，對應現(xiàn)國標Q345B鋼板，該材料綜合性能良好，焊接性良好。大件中板厚基本都超過了50mm，故采用帶鈍邊雙J形坡口，除非遇到焊不到的地方采用單邊帶鈍邊J形坡口，主要焊縫采用GB/T11345探傷，質(zhì)量評定Ⅱ級，全熔透。焊后采用退火處理，消除殘余應力。焊接大件信息如表1所示。

表1 主要焊接件信息表

1.2 六工作缸布置，上置式回程缸

由于制品尺寸大，最大葉片空間尺寸達到4310mm×4728mm×1758mm，該壓機工作臺尺寸達到6000mm×5000mm，而同規(guī)格壓機中工作臺短邊尺寸在3400mm[2]左右，于是立柱中心距達到了6400mm×4000mm；同時考慮模壓液壓機對壓制力均勻性要求高的特點，采用6缸布置，不但提高了壓制力分布均勻性，而且改善了壓機的受力條件，提高了上橫梁的剛度。采用三級壓力工作制：中間兩缸工作時產(chǎn)生一級壓力23.2MN；兩側四缸工作時產(chǎn)生二級壓力46.4MN；六缸同時工作產(chǎn)生三級壓力70MN；分級壓力提高了設備的利用率，節(jié)約能源。主工作缸與活動橫梁的連接采用了雙球鉸短搖桿設計，該結構因其對導套及密封處所產(chǎn)生的磨損最小而在大型液壓機工作缸上普遍使用[3]。

通常鍛造液壓機的回程缸布置在活動橫梁和下梁之間，也有采用小橫梁結構布置在上橫梁和活動梁之間。該壓機回程缸采用單作用式活塞缸布置于上橫梁和活動梁之間，活塞缸無缸底，兩端開口，降低了加工制造難度，不占用操作部分空間。為防止無桿腔灰塵和雜物的進入，安裝了空氣濾清器?；爻谈装惭b有磁滯位移傳感器，兩個回程缸各有一套，一用一備，可實現(xiàn)無擾熱切換。傳感器安裝在回程缸內(nèi)，其可靠性優(yōu)于其他類型傳感器，已在多臺壓機上成功運行多年?；爻袒钊c活動橫梁的連接采用球鉸，如圖2所示，鎖緊螺母的背部有碟簧支撐，防止球鉸長時間磨損后出現(xiàn)縫隙，保證接觸面貼合。

圖2 回程缸活塞桿與活動橫梁連接結構

1.3 全預緊組合機架，滾動式移動工作臺

葉片成形溫度在800℃～1100℃之間，同時該壓機屬于精密熱模壓設備，必須考慮溫度影響因素。由于工作過程中機架溫度會升高，且溫度分布不均勻，又由于機架長期處于交變應力作用下，綜合兩種效應，容易引起組合機架的應力松弛和高溫蠕變，若預緊力不足會引起整個組合機架的剛度大大削減，更可導致設備破壞，因此采用全預緊組合機架，當出現(xiàn)上述狀態(tài)時可采用再次旋轉(zhuǎn)螺母達到二次預緊，保證設備的長期使用。

全預緊組合機架由上橫梁、下橫梁、立柱、拉桿、拉桿螺母、定位套、定位鍵組成，上橫梁和立柱、立柱和下橫梁之間通過定位套加定位鍵組合在一起，構成整體。

如圖3所示，導向采用八面導向，活動橫梁由活動橫梁中間體和兩個側架組成，通過螺栓進行連接，每個立柱角上有四組可調(diào)間隙滑板，通過楔鐵進行間隙調(diào)整，滑板上開有潤滑油槽，滑板表面進行堆銅處理，保證了滑板的耐磨性。該導向提供了足夠的導向接觸面積，使面壓大大降低?；顒訖M梁中間較薄，兩側導向位置增加了導向高度，在保證活動橫梁運動精度的同時，也克服了成形時的水平側推力。

圖3 立柱和活動橫梁導向結構

傳統(tǒng)的液壓機移動工作臺的移動為滑動摩擦，通過液壓缸牽引?；褰?jīng)常磨損，影響使用。雖然文獻[4]中提到可以采用滾動摩擦來代替滑動摩擦，但在已投產(chǎn)的壓機中，尤其是熱模壓類壓機上，采用滾輪式的移動工作臺并不多見。本壓機移動工作臺采用變頻電機減速機經(jīng)一對齒輪副傳動到傳動軸上，驅(qū)動一組輪對，在另一組從動輪對上安裝有旋轉(zhuǎn)編碼器，用來進行速度、位置控制。與滑動式移動工作臺比較，磨損可忽略不計，驅(qū)動功率大幅降低。在一側滾輪上有凸緣，一側軌道上開有導向槽，起到很好的導向作用。

1.4 數(shù)字化液壓系統(tǒng)，網(wǎng)絡控制系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)實現(xiàn)了活動橫梁位置、速度和壓力全數(shù)字化控制，主泵采用1臺A4VSO250EO2比例泵和10臺定量泵。在所有關鍵部位都有壓力檢測點。各液壓缸的壓力控制采用壓力傳感器、數(shù)字顯示及控制，可以任意設定、測量、記錄壓力；壓力測量和顯示精度分別為0.1MPa。位置控制采用位移傳感器，數(shù)字顯示及控制位移、速度；活動橫梁位移和速度測量顯示精度分別為0.05mm、0.1mm/s；并設有上、下極限行程限位裝置。設備運行精度高，葉片模壓控制精度±1mm。

由于葉片尺寸大，回彈較大，壓機必須具備自動判斷、自動調(diào)整、在線檢測功能。根據(jù)液壓機的控制精度及動態(tài)響應要求開發(fā)了液壓系統(tǒng)的非線性PID控制策略。開發(fā)了基于神經(jīng)網(wǎng)絡的液壓系統(tǒng)智能故障診斷系統(tǒng)。基于嵌入式技術，搭建硬件平臺，采用模塊化設計，實現(xiàn)智能前端與PLC的通信及遠程知識服務；采用以網(wǎng)絡為基礎的通用工業(yè)現(xiàn)場總線（Profibus plus）系統(tǒng)結構，由帶有網(wǎng)絡控制功能的德國SIEMENS可編程控制器（PLC）、工業(yè)現(xiàn)場總線控制單元、工業(yè)控制計算機（IPC）和工業(yè)監(jiān)控計算機聯(lián)網(wǎng)組成壓機實時控制網(wǎng)絡系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 控制網(wǎng)絡結構

2 研發(fā)設計

2.1 工藝仿真

設備的制造是以工藝系統(tǒng)為先決條件的。本機的開發(fā)首先是主要參數(shù)的確定，其中最重要的是壓機公稱力、水平側向推力，而這兩個力都是和工藝相關的，傳統(tǒng)的手工計算已經(jīng)不能適應現(xiàn)代設計的需求，于是項目組進行了工藝仿真計算。工藝分析流程如圖5所示。工藝分析后，確定了最大工藝力為6850t，最大水平推力為1100t。

圖5 葉片熱模壓工藝分析流程圖

2.2 本體結構有限元計算

壓機本體結構傳統(tǒng)的設計方法是材料力學方法，其局限性是建立模型時必須對結構做大幅度簡化[5]。而以有限元法[6]為代表的現(xiàn)代設計方法已被廣泛應用于大型液壓機的設計與研發(fā)。目前，從工程實踐來看，有限元計算已經(jīng)成為本體設計計算的主流設計方法。采用大型通用有限元軟件ABAQUS6.12-3對壓機本體中心載荷、偏心載荷兩種工況條件下的應力和變形進行分析，對本體結構進行了優(yōu)化，降低了高應力區(qū)的分布范圍和最大值，使整個機架的設計更加合理。如圖6所示。

由于機架中的最大件是下橫梁，重量達到229t，從現(xiàn)有的吊耳標準中已經(jīng)不能選到符合需求的吊耳，于是項目組自主設計了非標吊耳，參照JB/ZQ4630-2006進行75噸級插入式圓柱形吊耳設計，并應用有限元進行了設計驗證，如圖7所示。

2.3 智能化控制

圖6 本體結構計算

智能液壓機屬于高檔數(shù)控裝備，具有柔性化、智能化的特點，工作性能和工藝適應性大大提高[7]。葉片熱模壓屬于精密模鍛，其工藝具有很大的柔性。成形工藝中的熱模壓壓力中心和回彈的計算十分復雜，而這兩個參數(shù)都影響到最后的產(chǎn)品質(zhì)量，尤其是回彈量直接影響制品精度，有限元計算是解決這兩個問題的最好方法。通過智能識別材料參數(shù)，進行在線有限元計算，確定熱模壓壓力中心、模片初始位置、回彈量。將這些數(shù)據(jù)反饋給壓機智能控制系統(tǒng)，調(diào)整壓機有關參數(shù)，實現(xiàn)在線智能控制。

圖7 吊耳計算

開發(fā)神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)，使壓機具有學習功能、自動選取壓制參數(shù)功能，壓制過程自動檢測葉片形狀、自動調(diào)整壓機參數(shù)功能。通過計算機有限元數(shù)值模擬和實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，形成葉片模壓數(shù)據(jù)庫。當在壓機觸摸屏上給定葉片的厚度、規(guī)格、材料、葉片三維圖等信息，壓機可自動生成壓制程序，生成壓制參數(shù)。

3 結語

大型專用液壓機市場具有廣闊的發(fā)展空間，與傳統(tǒng)液壓機市場出現(xiàn)衰退的市場局面完全不同，研發(fā)此類壓機的特點就是專用性，完全為貼合產(chǎn)品工藝和用戶需求而開發(fā)，這也要求產(chǎn)品制造理念從提供產(chǎn)品向提供整體解決方案的方向轉(zhuǎn)變。有限元計算已經(jīng)成為現(xiàn)代液壓機設計可靠的計算和驗證方法，專用化、智能化成為未來壓機發(fā)展的重要方向。

[1] 顏昌亞.焊接結構組合機架液壓機本體的CAD/CAE研究[D].秦皇島：燕山大學，2002.

[2] 俞新陸.液壓機[M].北京：機械工業(yè)出版社.1982.

[3] 趙 鑫.大型柱塞缸雙球鉸結構研究.秦皇島：燕山大學，2012.

[4] 俞新陸.液壓機的設計與應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[5] 俞新陸，楊津光.液壓機的結構與控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，1989.

[6] 張亦工.80MN雙柱式預應力結構快速鍛造液壓機的設計研發(fā)[J].鍛壓裝備與制造技術，2011，46（ 3）.

[7] 嚴建文，劉家旭.智能液壓機研究現(xiàn)狀及關鍵技術[J].鍛壓裝備與制造技術，2013，48（ 2）.