80MN双柱式预应力结构快速锻造液压机的设计研发.pdf

文章 编号 1 6 7 2 0 1 2 1 2 0 1 1 0 3 - 0 0 2 1 - 0 4 8 0 MN双柱式预应力 结构快速锻造液压机的设计研发 张 亦工 。陈峰 1 ． 太 原 重工股 份 有 限公 司 技术 中心 ， 山西太原 0 3 0 0 2 4； 2 ． 济 南铸 造锻 压机 械研 究所 有 限公 司 ， 山东济南 2 5 0 0 2 2 摘 要 阐述 了 8 0 MN油 泵直 接传 动、 双 柱 式预 应力 结构 快速 锻 造 液压 机 技术 特 点及 设 计 方 法 ， 实现 了大 型 自由锻 造液 压机 结构 、 传 动方 式和 控制 技术 的创 新 。工程 应用 表 明 ， 该锻 造 液压机 整机 性 能指标 达 到 国际 先 进 水 平 。 关 键词 机 械制 造 ； 锻 造 液压 机 ； 结构设 计 ； 性 能特 点 中图分 类号 T G3 1 5 ． 4 文献标 识 码 B 1引 言 为 适 应 锻 造 车 间 装 备 现 代 化 和生 产 经 济 性 要 求 ，太 原 重 工 股 份有 限公 司研 制 了 国 内首 台 7 2 ／ 8 0 MN油 泵直 接传 动 双 柱式 预 应 力结 构 快 速锻 造 液压 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 2 2 8 作者简介 张亦工 1 9 6 0 一 ， 男， 高级工程师， 从事锻压设备及其生产 工艺的设计研究管理 机 ， 如 图 1所 示 。 这 台新 型 自由锻造 液压 机 配置 了世 界上 最先 进 的机 电液 控制 元件 和 系统 ，以及 配套 齐全 的机 械 化 辅 助设 备 ， 采 用 P L C与 计 算 机 两 级 控 制 ， 使 液压 机 速 度 、 位置 和压 力得 到精 确控 制 ， 实现 大 型 自由锻 造 液 压 机结构 、 传 动方 式 和控制 技术 的创 新 。 从根 本 上 改 善 了锻造 车 间 的劳动环 境 和作业 条件 ，实现 了锻 造 自动化操 作 和文 明化生 产【 ” 。 成 原有 尺寸 ， 最后 再 打磨 ； 另一 是直 接将 缸 筒 内径 变 大 ， 把划 伤 区域加 工 掉 ， 最 后打 磨 。 因考 虑 到缸 筒 内 空 间狭小 ， 散 热不 好 ， 不适合 工 人在 里面 进行 焊 接操 作 ， 故选 择第 二种 修 复方案 。因缸筒 内径 加 大 ， 原 有 活塞 就需 要更 换 ， 需重 新配 做 活塞 。 7结 束 语 油缸 修 复完成 进行 装配 ， 液 压元件 更 换完 毕 ， 电 器元 件更 换完 毕后 ， 进行 压机 试 车 。经过 压机 调 整 、 空运 转 、 带 载 运转几 个 步骤试 车完 成后 ， 结 果 表 明压 机运 转 良好 ， 液 压 系统 泄漏 问题得 到完 全解 决 ， 压 机 能很好 地 满足 客户 的各 种工 艺要求 。 至今 为止 ， 液 压 机运转 正 常 。 【 参 考 文献 】 [ 1 】 雷天觉． 新编液压工程手册【 M】 ．北京 北京理工大学出版社， 1 9 9 8 ． 【 2 】 徐 灏． 机械设计手册第 5 卷[ M ] ．北京； 机械工业出版社， 1 9 9 8 ． T h e s o l u t i o n o f ma j o r r e p a i r f o r h y d r a u l i c s y s t e m o f 3 6 ／ 4 2 MN d o u b l e - a c t i n g o i l h y dr a ul i c pr e s s LIW e i，M EILi y e J i n a n F o u n d r yMe t a l f o r mi n g Ma c h i n e ry Re s e a r c h I n s t i t u t e Co ． ， L t d ． ， J i n a n 2 5 0 0 2 2， S h a n d o n g Ch i n a Ab s t r a c t T h e p r o b l e ms a n d s o l u t i o n d u ri n g t h e ma j o r r e p a i r o f 3 6 ／ 4 2 MN d o u b l e - a c t i n g o i l h y d r a u l i c P h a v e b e e n di s c us s e d i n t h e t e x t ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c s y s t e m； Ma j o r r e p a i r ；Oi l h y d r a u l i c p r e s s F辛 l r 辛气 一 q 太 屎 重 工 ． I I 1 ． 1． -- 一 E 一 一 口 [ 0 l l t - ， ． ． ～ ’ 广 f - | | ．、i二 l r 同 “ ． 斗 1 0 l； f 【 -1； 一 图 1 双柱式预应力结构快速锻造液压机 2技 术 特点 2 ． 1 双 柱斜 置 、 预应 力组 合框 架 结构 自由锻造 液压 机 整体 刚性 和导 向精 度是 决 定 压 机整 体工 作性 能 的关键 因素 。大 型 自由锻 造液 压 机 采用 双立 柱斜 置 、 预应 力组 合框 架结 构 ， 在 我 国 尚属 首次 。 将 双 立柱 设计 成 整体长 方 形空 心 断面 ， 使 材 料 远离 中性 轴 ，立 柱 与工作 台移 动方 向成一 定 角度 斜 置 ， 具有 较 大 的截 面惯 性矩 和 抗弯 刚度 ， 允 许偏 心 锻 造 范 围大 ， 能够 承受 较大 偏心 载荷 ， 并 保持 很好 的平 衡性 和 稳定 性 。预应 力组 合 框架 由上 横梁 、 下 横 梁 、 双 立柱 、 拉 杆 、 拉 杆 螺母 、 定位 键组 成 ， 通 过定 位键 将 上 、 下横 梁 与立 柱牢 固地 嵌合 在一 起 。 采 用 预紧装 置 对 拉杆 施加 预 紧力 ，从 而使 整个 框架 处 于具 有较 高 整 体 刚性 的预应 力 状态 ， 具有 较 高抗 疲劳 强度 、 承载 能力 和安 全可靠 性 。 作 为 框架 主要 部件 ，活动 横梁 和立 柱共 同组成 了封 闭立 柱 的平 面导 向结构 ， 如 图 2所示 。 活动 横梁 为组合 式 结构 ，两 个 导 向架 与 中横 梁通 过 螺杆 连 接 并预 紧 ；立柱 四周 每 一侧 固定 有一 组或 两 组可 更 换 4 5 6 耐磨 导 板 ， 为活 动横 梁提 供 坚 固 、 刚性 的导 向平 面 。 与传 统 圆导套 相 比 ， 平 面导 板接 触 面积 大 ， 导 向面 压 低 ， 导 向间 隙可调 ， 更 换方 便 。活动 横梁 具 有超 长 导 向结 构 ，使 内侧 导板 能够 自动 贴合 产 生横 向变 形 后 的立柱 ， 有效 提 高 了导 向精 度 。 2 ． 2“ 宜 人4 1 ” 锻造 操 作环境 锻 造操 作环 境 的“ 宜 人化 ” 设计 体 现在 操作 视 野 开 阔 、操作 空 间范 围大 和锻 造工具 操 作程 序化 几 方 面 。 与 四柱式 液压 机相 比 ， 双柱 斜置 式结 构具 有更 开 阔 的操 作视 野及 更 大范 围 的操作 空 间 ，锻造 行 车易 于接 近压 机 中心 、 钢 锭 和锻件 进 出空 间大 。 锻 造 工具 配置 与调 配系统 ， 如 图 3所 示 ， 可 按程 序 自动 组 合 和 调 用上 、 下 砧 ， 实现操 作程 序 化 。移动 工作 台可放 置 两 套砧 具 ， 砧子 横 向移动 装 置可容 纳 三套 砧具 ， 砧 库 可容纳 包 括上 、 下砧 在 内的 四套砧 具 。 每个砧 子 有 固 定 编号 ， 并 在上 位机 上有 对应 数据 块 ， 砧 库每 移 动一 个 砧位 ， 对 应 编号 的砧子 位 置信 息会 即 时显示 ， 用 鼠 标点击 屏 幕上 的任 一砧 子数 据块 ，即可 获取 该 砧 子 的全 部信 息 。 衄 硼 I 1 I l l 坷 l l l l I l 1 l l l 1 2 。 l 珊 一 1 ．．．．．．．．．．_JI 4 商 一 j 5 一 匾 一 图 3 锻造工具配置 1 ． 砧具2 ． 砧库3 ． 液压机4 ． 移动工作 台 5 ． 砧子横移装置 2 ． 3友好 的人 机操 作 系统 和过程 控 制技术 液压 机 具有 友好 的人 机交 互操 作 系统 和故 障诊 断 系 统 ，能 够 多 层 面 、 实 时 地 向 操 作 者 提 供 生 产 2 1 2 艺 、 设备 状 态等信 息 。 液压机 与 锻造 操作 机及 辅 助装 备 实现 协调 联动 ，并 可按 预先 编 制 的锻 造程 序 自动 完 成锻 造过 程 。整个 锻造 过程 由计 算 机操 作 网络 系 统 控制 ， 如 图 4所示 。 系统 可在 屏幕 上进 行启 动 和设 置参 数 等操 作 ， 而且 可将 生产 经验 输入 智 能 型 、 具 有 T e a c h i n功能 的操 作 软件 。 工艺 过 程数据 库 可在 线 、 实 时显 示 图形化 的工 艺状 态 ， 以及 液压 系 统参 数 、 各 锻造压 L 控制 室 【l 造 IP c JJ IL篮 甲 以 太 网 T C P ／IP f f - - l锻造压机P L C l l 操作机P L C I lS I E ME N S S 7 l 6 2 l l S I E ME N S S 7 4 l 6 2 』 P m 肪 D P l 1 l P r o fi b u g D P f P r o b u s D P 卤 卤 卤 H 由 卤 卤 H N 阀、 限位开关、 编码器、 继电器等 阀、 限位开关、 编码器、 继电 器等 图4 计算机操作网络系统 机 构运 动 位置 和参 数 、 故 障诊 断信 息等 ； 以数字 或 曲 线 形 式显 示 并 实 时更 新 机 器 实 际运 行 状 态参 数 ， 如 工 作 压力 、 速度 、 位置 和 锻 造 温度 ， 以及用 户 要 求 的 相 关数 据 。 2 ． 4与操 作机 联 机操作 系统 与 锻造 液压 机 同步开 发 的多功 能 、 无侧 隙驱 动 、 全 液压 轨道 式锻 造操 作机 ， 采 用 HNC一 1 0 0智能 数字 轴 控器 ， 实 现锻件 自动夹持 ， 以及送 进 、 旋转 、 升 降 等 动作 的高精 度 自动控 制 ， 同时具 有倾 斜 、 侧移 、 侧 摆 、 水 平缓 冲等 功能 ， 配合 液 压 机完 成 钢 锭 开坯 、 拔 长 、 整 圆等联 动 锻造工 艺 。 联 机 时采用 计算 机集 中控 制 ， 可使 操作 机 与液压 机 动作互 相 协调 配合 ，实 现 多种 联动 控制 功 能 ， 如 单机 手动 控制 ， 液压 机 和操 作 机各 自的优先 控制 等 。 2 ． 5性 能指 标 采 用 大流 量 、双联 泵直 接传 动及 高频 响 比例 阀 与数控 技 术 ，实现 液压 机与 操作 机在 规定 条件 下 快 速 、 联 机 运 行 ， 工 作 速 度 达 1 6 0 mm／ s ， 锻 造 频 次 ≥7 5 mi n 一 ， 大大 缩短作 业 时 间 ， 并 提高 了锻件 品质。 采用 两 套绝 对值 编码 器实 时检 测活 动横 梁行 程并 进 行位 置 闭环 控制 ；针 对快 速锻 造 时连续 锻打 特点 ，采用 HN C一1 0 0智 能数 字 轴控 器 自动 补偿 活 动横 梁 位 移 ， 控制 锻件 的热 态精 整锻 造 精度 达土1 mm。 3 设 计 与研 发 现代 设计 方法 已被 广泛 应用 于 大型液 压 机 的设 计 与研 发 ， 尤其 是有 限元 法 。 应 用大 型通 用有 限元 软 件 ， 如 MS C． Ma r c 、 I - DEAS 、 Na s t r a n等 ， 不仅 可 以完 成 大型液 压 机结构 静力 分析 ， 接 触非 线性 分析 ， 还 能 够 进 行结 构 动力学 分析 。 另 外 ， 多学科 工程 高 级建模 仿 真软 件也 使得 液压 机本 体 与系统 的联 合仿 真 成 为 可 能 ， 真正地 实 现 了液压 机机 械结 构 、 液 压及 控 制 系 统的集成设计 ，保证 了在产品研发 阶段完成液压机 整 机最 优设 计 。 3 ． 1 结 构有 限元 分析 3 ． 1 ． 1 结 构强 度及 刚度 分析 应 用 有 限 元 分 析 软 件 MS C． Ma r c对 液 压 机 本 体 ， 包括 双 柱 预应 力 机 架 、 上 、 下 横 梁 等关 键 结 构 进 行三 维应 力场 、 应变 场分 析 ， 预测不 同载荷 工况 下 的 结 构应 力 状态及 变 形趋 势如 图 5所 示 。通 过对 比不 同方 案 ， 寻 求最 优 设 计 ， 做 到 材料 合 理 分 配 ， 同时满 足强度 和 刚度设 计要 求 。 图5 液压机机架与上、 下横梁强度及刚度分析 3 ． 1 ． 2结 构振 动分 析 为满 足 轴 类 和板 材 类 锻件 的精 整 锻造 要 求 ， 即 使 是万 吨 级 以上 的 自由锻造 液压机 ，也应 具有 较 高 锻 造频 次 ， 相应 地 ， 液压机 本体 也要 承受 较 高频 率 的 锻 造激 振力 ，一 旦此 激振 力频 率与 机器 本体 固有频 率 接近 ， 将会 产 生共 振 ， 导 致振 动甚 至破 坏 。 因此 ， 需 要 对液 压机 进行 结构 振动 分析 ，准 确掌 握其 振 动特 性 。应 用 有 限元 软 件 MS C ． Ma r c对压 机 本 体模 态 进 行 求解 ， 获 得 了本 体前 几 阶 固有频 率 和 振型 ， 如 图 6 所示 ， 本 体低 阶 固有频 率在 3 - 5 Hz 左 右 。根 据经 验 ， 为避 免产 生共 振 ，激振 力频 率应 避 开结 构 固有频 率 的 3 O ％的范 围 ， 此 范 围为共振 区阎。由于该液 压机 最 高激 振 力 频 率 为 1 Hz ， 不 在共 振 区 内 ， 因此 ， 机 器 本 体在 锻造 激振力 作 用下 不会 发生共 振 。 3 ． 2系统 与本体 联合 仿 真 基 于 系统 仿 真 软 件 I T I S i mu l a t i o n X平 台 建 立 液压 机 系统仿 真模 型 ， 并结 合 三维 实体模 型 ， 实 现 液 压机 系统 与本 体联 合 仿真 ，在 设计 阶段 呈 现液 压 机 在不 同工 况下 的运 行状 态 ， 同时获取 系 统压 力 、 油液 流 速等 动 态参 数 ， 阀 、 液 压缸 等 元 件 ， 以及 活 动横 梁 的 动态特 性 曲线 等 。快锻 工况 下 系统 与本 体联 合 仿 真模 型 、以及 快锻 位 移特 性 曲线 分 别 如 图 7和 图 8 所 示 。 图7 基于 I T I S i m u l a t i o n X平台的液压机系统 与本体联合仿真 图8 快锻位移特性曲线 3 ． 3系统软 件 开发 系统 软件 开发 ， 如 典型 轴类 件锻 造 工艺 程序 、 拉 杆应 力 一应 变 状 态监 测 程序 、 锻造 过 程 P L C逻辑 控 制 程序 、 故 障检测 系统 数据 库建 库 、 上位 工 业计 算 机 与通 讯 系统 开发 、 液压 机 与操作 机联 机操 作 程序 等 ， 都是 现代 自由锻造 液 压机研 发 的重要 组 成部 分 。 4结束 语 为适 应 我 国锻压 行业 的发 展 ，提 高大 型锻 压 装 备水 平 与能 力 ， 顺 应 大型液 压 机发展 趋 势 ， 研制 出新 型 结构 锻造 液压 机 ， 实现 了液 压机 在生 产制 造 、 使 用 维 护等 方面 的技 术创 新 ，并将 现代 设计 方 法应 用 于 锻 造液 压机 结构 分析 与 系统设 计 ，提 高 了大 型锻 造 液 压机 的整 机设 计水 平 。 【 参 考文 献 】 [ 1 】 张亦工， 郭玉玺， 李翔．现代新型 自由锻造液压机[J ] ． 锻造与冲压 ， 2 0 0 9 ， 1 5 2 5 8 ． 【 2 ] 张元越． 基于有限元的单柱开式液压机机身结构的应力应变分 析[ J ] _ 锻压装备与制造技术， 2 0 1 0 ， 4 5 4 2 5 2 7 ． [ 3 】 吕琳 ， 邓明， 李艳霞， 等． 基于有限元分析的精冲液压机机身 结构优化[ J ] ． 锻压技术， 2 0 1 0 ， 3 5 2 1 0 2 1 0 6 ． 【 4 】 尹云， 孙彩丽， 郭康 ， 等． 5 0 M N锻造水压机整体机架有限元 分析[ J ] ． 锻压装备与制造技术， 2 0 0 8 ， 4 3 2 8 8 8 9 ． [ 5 ] 黄明辉， 段智勇， 湛利华， 等． 巨型模锻水压机机架的有限元模态 分析 [ J 】 _锻压技术 ， 2 0 0 8 ， 3 3 5 1 2 6 1 2 8 ． 【 6 ] 王丽薇， 解文科， 薛峰． 1 2 5 M N双柱快速锻造液压机本体模态 分析【 J ] ． 锻压技术， 2 0 1 0 ， 3 5 6 1 2 6 1 2 8 ． De s i g n a n d d e v e l o p m e n t o f 8 0 M N d o u b l e c o l u mn s h i g h s p e e d f o r g i n g h y d r a u l i c p r e s s i n pr e - s t r e s s s t r uc t ur e ZHANG Yi g o n g ， CH EN Fe ng 2