缸動式快鍛液壓機(jī)的性能分析

孫 茂，劉崇民

（上海蘭石重工機(jī)械有限公司，上海 201108）

缸動式快鍛液壓機(jī)的性能分析

孫 茂，劉崇民

（上海蘭石重工機(jī)械有限公司，上海 201108）

分析了缸動式快鍛壓機(jī)的整機(jī)構(gòu)造、結(jié)構(gòu)型式、機(jī)架受力，論述了缸動式快鍛壓機(jī)的性能特點、發(fā)展前景，提出缸動式快速鍛造液壓機(jī)是替代蒸-空氣鍛錘的最佳選擇，將成為小型快鍛壓機(jī)的發(fā)展方向。

液壓機(jī)；快速鍛造；缸動式；X導(dǎo)向；預(yù)應(yīng)力整體框架；多泵容積控制；預(yù)測型模糊控制

快速鍛造液壓機(jī)的加壓速度和控制精度是衡量快鍛壓機(jī)性能的主要參數(shù)，鍛造速度決定了快鍛壓機(jī)的工作效率及運行平穩(wěn)性，控制精度決定了鍛件的鍛造質(zhì)量及鍛件材料的利用率，直接影響經(jīng)濟(jì)效益[1]。從1994年蘭石公司在國內(nèi)推出第一臺快鍛壓機(jī)開始，經(jīng)過二十多年努力，快速自由鍛造壓機(jī)在國內(nèi)已有了長足發(fā)展。與國外同行相比在小型快鍛壓機(jī)的結(jié)構(gòu)型式、性能參數(shù)上還有一定差距。國內(nèi)小型快鍛壓機(jī)還主要以下拉式為主，這種型式的快鍛壓機(jī)雖有諸多優(yōu)點，但由于活動部分的運動慣量大，制約了其快速性能。而代表著小型快鍛機(jī)發(fā)展方向的缸動式快鍛壓機(jī)將以其強(qiáng)大的優(yōu)越性，在中小型快鍛機(jī)領(lǐng)域扮演重要角色。

上海蘭石重工機(jī)械有限公司從2008年開始在吸收國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合三十年快鍛壓機(jī)實際使用和設(shè)計經(jīng)驗，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后，開發(fā)出6.3MN、8MN、10MN、12.5MN、16MN 系列缸動式快鍛壓機(jī)，其中6.3MN、10MN、12.5MN均已于2012年投放市場。近幾年來的實際應(yīng)用證明缸動式快鍛壓機(jī)在控制精度與快速性方面與下拉式快鍛壓機(jī)相比具有明顯優(yōu)勢，缸動式快鍛壓機(jī)的最高鍛造頻次可穩(wěn)定運行在200min次/分，壓下量10mm時的鍛造頻次達(dá)到60次/分，已經(jīng)與鍛錘的每分鐘打擊次數(shù)相當(dāng)。因此缸動式快鍛壓機(jī)將是取代自由鍛錘首選設(shè)備。

1 缸動式快鍛壓機(jī)結(jié)構(gòu)

缸動式快速鍛造液壓機(jī)的主機(jī)本體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 缸動式快鍛壓機(jī)本體結(jié)構(gòu)示意圖

與下拉式快鍛壓機(jī)相比，缸動式快鍛壓機(jī)具有鮮明的結(jié)構(gòu)特點。其主機(jī)由兩部分組成，整體鑄造框架8與由上橫梁2、柱套5、通過四根預(yù)應(yīng)力拉桿4及預(yù)緊螺母1連接的預(yù)緊結(jié)構(gòu)組成一個整體機(jī)架。工作缸柱塞3固定在上橫梁2上，高壓液壓油可以通過工作柱塞供給工作缸7。工作缸7的外平面可以在整體式主框架上梁內(nèi)部的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)上下移動，上砧9固定在可以移動的工作缸體上，工作缸體在整體式主機(jī)架8內(nèi)部呈“X”形方向的上下8塊導(dǎo)向板6內(nèi)作往復(fù)運動。因此缸動式快鍛壓機(jī)沒有活動橫梁?；爻谈?4固定在整體式主機(jī)架8的上梁內(nèi)部，回程缸柱塞13通過小動梁12和工作缸7連接在一起，帶動工作缸7作回程運動，而工作缸7外表面為圓形加工出來的四個導(dǎo)向平面，四個平面通過上下8塊呈“X”形分布的導(dǎo)向板6實現(xiàn)平面導(dǎo)向。工作缸7與導(dǎo)向板6之間的間隙可通過導(dǎo)向楔板來調(diào)節(jié)導(dǎo)向間隙，保證導(dǎo)向精度。圖2為缸動式快鍛壓機(jī)工作示意圖。

圖2 缸動式快鍛壓機(jī)工作示意圖

2 缸動式快鍛壓機(jī)性能分析

2.1 整體框架結(jié)構(gòu)偏載受力分析

整體框架預(yù)應(yīng)力缸動式結(jié)構(gòu)具有獨特的梁柱組合特點，由主機(jī)架、副機(jī)架兩個受力框架組成，將整體框架和預(yù)應(yīng)力立柱兩種結(jié)構(gòu)型式巧妙地結(jié)合起來，主機(jī)架、副機(jī)架、工作主缸體具有合理的剛度比。

下面對缸動式預(yù)應(yīng)力整體框架式結(jié)構(gòu)偏載時的受力進(jìn)行分析。

上機(jī)架又稱副機(jī)架，由預(yù)應(yīng)力拉桿、套筒、上橫梁、預(yù)緊螺母等組成。上機(jī)架在偏載作用下，一般會隨移動工作缸偏擺，可以認(rèn)為上機(jī)架與固定其上的工作缸柱塞對移動工作缸偏擺的約束不大，從而可簡化整體式機(jī)架的計算，其偏載受力簡圖如圖3所示。上機(jī)架和主機(jī)架如圖4所示。

圖3 工作缸偏轉(zhuǎn)時的側(cè)向力和位移

圖4 整體框架與預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)組合

在偏心載荷形成的彎矩作用下，主工作缸將產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，并在整體機(jī)架的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)上1、2兩點處形成側(cè)向力T1、T2及相應(yīng)的水平位移△1、△2，在工件處也有側(cè)向力推力T，如圖3所示。側(cè)向力T1與T2和工作缸與導(dǎo)向板上的彈性壓縮變形基本成正比，可以近似認(rèn)為：T1/T2=△1/△2

在偏心載荷作用下，主工作缸會以偏心為支點產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，整體框架上部導(dǎo)向板處在外力作用下變形，假設(shè)導(dǎo)向板與整體機(jī)架間沒有間隙，則整體機(jī)架與主工作缸在1、2兩點的位移應(yīng)該分別相等，即：

△1架及△2架分別為整體式機(jī)架上1、2兩點在受力后的位移值，△1移及△2移分別為主工作缸上1、2兩點在主工作缸受偏心載荷作用下轉(zhuǎn)動時的位移值。

△1移與△2移的比值可以用純幾何關(guān)系求出[2]：

式中：C12——機(jī)架幾何尺寸決定的常數(shù)。

缸動式快鍛壓機(jī)主機(jī)整體剛性好，在偏心鍛造時，主工作缸的偏擺主要由主機(jī)架進(jìn)行約束，減少了機(jī)架晃動，具有較高的抗偏心載荷和抗動載能力；而副機(jī)架中的預(yù)應(yīng)力拉桿則只承受軸向拉應(yīng)力，拉桿應(yīng)力值波動小，抗疲勞強(qiáng)度高，使用壽命高。因此這種組合機(jī)架具有較高的抗偏載能力和抗疲勞強(qiáng)度。在同樣偏載的狀況下，應(yīng)用計算機(jī)有限元分析與計算方法進(jìn)行了對比，缸動式整體框架預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)要比上傳動及下拉式快鍛壓機(jī)受力狀況好，機(jī)架變形小。因此保證了缸動式快鍛壓機(jī)在高的鍛造速度和工作頻次下平穩(wěn)工作。在選擇快速鍛造工作方式時，快鍛次數(shù)可達(dá)到200次/分。

2.2 活動部分質(zhì)量小

缸動式壓機(jī)的活動部分質(zhì)量輕，運動慣量小，因慣性引起在停位精度方面的超程量也小，控制相對容易，控制精度高。并且鍛造速度快、頻次高，大大提高了生產(chǎn)效率。

以10MN缸動式快鍛液壓機(jī)為例，缸動式快鍛壓機(jī)其活動部份質(zhì)量比下拉式快鍛壓機(jī)減輕55%，鍛造速度140mm/s，快鍛頻次最高可達(dá)200次/分。實際應(yīng)用的經(jīng)驗和計算證明，鍛造速度提高30%，生產(chǎn)效率可提高16%。因此缸動式壓機(jī)的生產(chǎn)效率比下拉式提高約10%～15%。而相同級別的下拉式壓機(jī)，其鍛造速度一般在100mm/s左右，其快鍛頻次一般也不超過100次/分。

此外，由于運動部分質(zhì)量輕，驅(qū)動消耗功少，比較節(jié)能。如圖5所示，仍以10MN缸動式快鍛液壓機(jī)為例，其運動部分的重量約為21t，不到相同級別的下拉式快鍛液壓機(jī)的50%（10MN下拉式快鍛液壓機(jī)活動部分的重量約為45t）；以每年工作300天，每天工作20h計算，由于運動部分重量較輕而節(jié)約的電能約為 160000°。

圖5 活動部分質(zhì)量小

2.3 適應(yīng)惡劣鍛造工況

整個導(dǎo)向機(jī)構(gòu)上移，氧化皮等臟物不易損傷導(dǎo)向面；兩立柱表面均為鑄造平面，制造工藝性好，在使用中受到碰撞摩擦損傷時，不會影響機(jī)架的壽命，更加適合用于自由鍛造環(huán)境。

主工作缸缸口向上，工作柱塞的密封部分在機(jī)架上部，離高溫鍛件的工作區(qū)較遠(yuǎn)，延長了密封的使用壽命，維修更換方便；四周裝有高頸接油盤，油液滲漏不到工作區(qū)域，比較安全。如圖6所示。

圖6 主缸缸口朝上

2.4 工作缸使用壽命長

液壓缸直接靠缸底支承與固定在橫梁上的結(jié)構(gòu)稱為缸底支承，這種缸不需要法蘭，消除了法蘭區(qū)的應(yīng)力集中；就工作缸的受力狀態(tài)而言是一種很好的結(jié)構(gòu)型式，但由于這種結(jié)構(gòu)使橫梁和壓機(jī)高度有較大增加，所以在快鍛壓機(jī)上使用不多。缸動式快鍛壓機(jī)的構(gòu)造使其適合采用缸底支承結(jié)構(gòu)，同時又不增加壓機(jī)高度，進(jìn)而改善了工作缸的受力狀態(tài)，大大提高了工作缸的使用壽命。如圖7所示。

圖7 缸底支撐

2.5 預(yù)應(yīng)力拉桿設(shè)計

優(yōu)化設(shè)計預(yù)應(yīng)力拉桿與空心柱套截面積比值，使拉桿受合理預(yù)應(yīng)力后在鍛造過程中壓縮與拉伸比更加合理。

預(yù)應(yīng)力拉桿是壓機(jī)的關(guān)鍵受力零件，由高強(qiáng)度合金鋼制成，技術(shù)要求很高。而缸動式快鍛機(jī)的預(yù)應(yīng)力拉桿長度只是普通上壓式快鍛機(jī)預(yù)應(yīng)力拉桿長度的1/2，降低了加工制造難度，質(zhì)量更容易得到保證。

2.6 導(dǎo)向精度高

主框架為鑄鋼件，剛性極強(qiáng)，在受力狀況下，框架上梁基本上沒有撓曲變形，導(dǎo)向裝置固定在框架上梁內(nèi)部，距離熱源較遠(yuǎn)，熱輻射造成的工作缸膨脹變形小。“X”形導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向面呈對角線分布，不會使工作缸因受熱膨脹而減小導(dǎo)向面間的間隙，偏載時導(dǎo)向面上的比壓也降低。同時主缸體作為受力件剛性也很強(qiáng)，形變很小，因此缸動式快鍛壓機(jī)可采用高精度導(dǎo)向，導(dǎo)向面間隙一般調(diào)整在0.3mm左右，而下拉式快鍛壓機(jī)導(dǎo)向面間的間隙一般在0.8mm～1.2mm。

高精度導(dǎo)向也是缸動式壓機(jī)在高頻次鍛造工況下保持平穩(wěn)運行的原因之一。如圖8所示。

圖8 X形導(dǎo)向

2.7 設(shè)備基礎(chǔ)費用低

缸動式快鍛機(jī)的基礎(chǔ)施工費用約為同規(guī)格下拉式快鍛壓機(jī)的25%。

此外，采用缸動式液壓機(jī)替換已有的鍛錘時，還可以利用原有的地基，并且安裝相對容易，使用安全性能高。

2.8 液壓系統(tǒng)采用油泵直接傳動

液壓傳動系統(tǒng)采用多泵分級和變量泵相結(jié)合的容積節(jié)流調(diào)速方式，主缸采用分流進(jìn)液，蓄能器恒壓回程，主缸卸壓采用伺服比例閥卸荷的液壓傳動系統(tǒng)。既有正弦泵控制系統(tǒng)的平穩(wěn)性、快速性，又有開關(guān)閥組控制系統(tǒng)的低成本和易維護(hù)性[3]。壓機(jī)工作速度快、頻次高、沖擊小、運行平穩(wěn)?？戾戭l次最高可達(dá)200 次/分。

2.9 預(yù)測型多模式模糊控制

電控系統(tǒng)采用預(yù)測型多模式模糊控制技術(shù)，由預(yù)測機(jī)構(gòu)、開關(guān)控制器、速度控制器、位置控制器、控制對象和傳感器組成[4]。根據(jù)快鍛壓機(jī)工作特點，在大偏差范圍內(nèi)采用開關(guān)控制，在趨向目標(biāo)位置時采用速度控制，在接近目標(biāo)值時采用位置控制。控制方式的切換時點由預(yù)測模型決定。這種控制方式形式簡單，具有快速、準(zhǔn)確、超調(diào)量小及對參數(shù)不敏感的特點。缸動式快鍛液壓機(jī)采用預(yù)測型多模式模糊控制技術(shù)使鍛造尺寸控制精度最高可達(dá)±0.5mm。

3 前景與展望

綜上所述，缸動式快鍛壓機(jī)的主機(jī)結(jié)構(gòu)、液壓傳動與控制方式使其具有工作速度快、控制精度高、鍛造頻次快、加工制造性優(yōu)良、土建基礎(chǔ)費用低等特點，是一款具備良好發(fā)展前景的小型快鍛壓機(jī)機(jī)型。

目前，我國在線運行的小型快鍛壓機(jī)主要以雙柱下拉型式為主，結(jié)構(gòu)單一。原因主要是：①我國對快鍛壓機(jī)的研究起步比較晚，對快鍛機(jī)結(jié)構(gòu)了解比較少，加上雙柱下拉式快鍛壓機(jī)最先傳入國內(nèi)；②當(dāng)時液壓密封材料使用壽命與可靠性還不能滿足上傳動型式壓機(jī)安全性要求，因而小型下拉式快鍛壓機(jī)占主流地位。

目前，國內(nèi)數(shù)千家大小不一的鍛造廠，擁有兩萬多臺自由鍛造設(shè)備，大多是老式的自由鍛錘和水壓機(jī)。這些老式設(shè)備故障率高、耗能高、精度低、效率低、產(chǎn)品附加值低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國內(nèi)對鍛件的尺寸精度和生產(chǎn)效率的要求。

因此，小型快鍛壓機(jī)取代蒸-空氣鍛錘、電液鍛錘和水壓機(jī)將是鍛造行業(yè)發(fā)展的必然趨勢[5]。而缸動式快鍛液壓機(jī)將是首選設(shè)備。其較高的鍛造速度，與電液錘相當(dāng)?shù)腻懺祛l次，優(yōu)良的鍛件尺寸控制精度，以及高效、節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)勢，成為小型快鍛壓機(jī)的主流形式，必將加速蒸-空氣鍛錘和電液錘的更新?lián)Q代。

[1]中國機(jī)械工程學(xué)會鍛壓學(xué)會，編.鍛壓手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[2]俞新陸.液壓機(jī)的設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[3]Hans J.Pahnko.鍛造液壓機(jī)傳動裝置發(fā)展的新趨勢.

[4]陳柏金，黃樹槐，高俊峰，等.自由鍛造液壓機(jī)控制策略[J].機(jī)械工程學(xué)報，2008 ，44（10）.

[5]高俊峰.我國快鍛液壓機(jī)的發(fā)展與現(xiàn)狀[J].鍛壓技術(shù)，2008.

[6]曹瑞豐.基于AMESim的沖裁液壓機(jī)緩沖系統(tǒng)仿真分析[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2016.

[7]胡亞民，王 偉，孫金剛.從《鍛造工藝過程及模具設(shè)計》教材看鍛造工藝發(fā)展的新進(jìn)展[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2012.

Performance analysis of cylinder-action fast forging hydraulic press

SUN Mao,LIU Chongmin
（Shanghai LS Heavy Machinery Co.,Ltd.,Shanghai 201108,China）

The whole machine structure,structure type and frame force of the cylinder-action fast forging hydraulic press have been analyzed,while performance characteristics and development prospects have been discussed.It is put forward that the cylinder-action fast forging hydraulic press is the best choice instead of steam-air forging hammer.It would be the developing direction of the small type of fast forging press.

Fast forging press;Cylinder-action structure;X-guided;Pre-stress whole framework;Multi-pump volume control;Predictive fuzzy control

TG315.4

B

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.04.003

1672-0121（2017）04-0012-04

2017-04-01；

2017-05-22

孫 茂（1968-），男，工程師，總經(jīng)理，從事鍛壓設(shè)備研發(fā)制造。E-mail：wangzhuo251325@163.com