成先飚，張建華，郭曉鋒

(中國重型機(jī)械研究院有限公司，陜西 西安 710032)

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著我國重型機(jī)械行業(yè)的迅速發(fā)展，電力、船舶、冶金、化工、航空和航天等行業(yè)急需的高品質(zhì)特大鍛件已成為制約我國大型裝備制造業(yè)發(fā)展的瓶頸，各行業(yè)均將目光轉(zhuǎn)向了發(fā)展萬噸級(jí)自由鍛造液壓機(jī)［1］。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前國內(nèi)已投產(chǎn)萬噸級(jí)自由鍛造液壓機(jī)共九臺(tái)，在建約七臺(tái)，國內(nèi)壓機(jī)擁有量約占世界萬噸級(jí)自由鍛造液壓機(jī)總臺(tái)數(shù)的三分之一，其中140～185 MN壓機(jī)七臺(tái)，100～125 MN壓機(jī)九臺(tái);2006年以后新建壓機(jī)中，全部機(jī)電液自主設(shè)計(jì)加工成套的有三臺(tái)左右，整套設(shè)備進(jìn)口的僅有一臺(tái)，機(jī)電液全部采用國外技術(shù)，聯(lián)合加工成套的有五臺(tái)左右。

1 自由鍛造壓機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)

在國內(nèi)除上世紀(jì)六十年代建成的三臺(tái)舊的泵－蓄勢(shì)器傳動(dòng)水壓機(jī)外，新增自由鍛造液壓機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)歸納如下:

1.1 主機(jī)結(jié)構(gòu)

壓機(jī)按立柱的數(shù)量分為四柱和雙柱兩種形式，一般四柱壓機(jī)為單拉桿，雙柱壓機(jī)為多拉桿。四柱壓機(jī)為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以滿足各種鍛件形狀和鍛造工藝的要求，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，安全可靠;雙柱壓機(jī)則具有視野開闊、操作空間大等優(yōu)勢(shì)，在中小型壓機(jī)中占主流，而萬噸級(jí)壓機(jī)仍以四柱為主，國內(nèi)壓機(jī)占15臺(tái)。已投產(chǎn)的四柱壓機(jī)最大噸位為上海重型機(jī)器廠的165 MN自由鍛造油壓機(jī)［2］(圖1)，而雙柱壓機(jī)最大噸位為中信重機(jī)公司的185 MN自由鍛造油壓機(jī) (圖2)。

所有新建的壓機(jī)均采用全預(yù)應(yīng)力框架結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將在偏載下承受拉彎聯(lián)合作用而處于復(fù)雜受力狀態(tài)的立柱改成由拉桿和壓套分別近似單一承載，即高強(qiáng)拉桿承受近似單向拉伸力，大截面壓套承受偏心鍛造時(shí)產(chǎn)生的彎曲力，提高框架的疲勞壽命和整體剛度，這是新型壓機(jī)本體框架的基本結(jié)構(gòu)［3］。

四柱壓機(jī)按壓套與上下橫梁的接觸方式，又分為壓套插入式和壓套平接式兩種形式，如圖3所示。

偏心鍛造時(shí)，平接式結(jié)構(gòu)壓套的最大彎矩可以簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁計(jì)算，而插入式結(jié)構(gòu)壓套的最大彎矩則簡(jiǎn)化為固定梁計(jì)算，其最大彎矩為簡(jiǎn)支梁的二分之一。也就是說，理論上講，插入式結(jié)構(gòu)壓套在偏載時(shí)所承受的最大彎矩約為平接式結(jié)構(gòu)的一半，如圖4所示。有限元模擬分析計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)預(yù)緊系數(shù)取1.14時(shí)，插入式較平接式壓套的彎曲拉應(yīng)力可降低約19.6%，如圖5所示。插入式壓套兩端面與梁的接觸面積可達(dá)80%以上，而平接式壓套兩端面接觸面積僅為25%，如圖6所示。因此，插入式較平接式壓機(jī)框架剛度明顯增強(qiáng)。近年來，壓套插入式結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于四柱壓機(jī)的框架結(jié)構(gòu)。

國內(nèi)萬噸級(jí)壓機(jī)均采用等徑三缸上推式，缸體倒裝在上橫梁，因此防止缸體和管道油液的泄漏至關(guān)重要，國內(nèi)已發(fā)生油壓機(jī)頂部油液泄漏引起火災(zāi)的案例，應(yīng)引起設(shè)計(jì)制造者和使用維護(hù)者的高度重視。

下拉式結(jié)構(gòu)缸體正裝在下橫梁，可以有效避免因泄漏引起的火災(zāi)，廣泛應(yīng)用于中小型壓機(jī)。但對(duì)于大型壓機(jī)由于地下基礎(chǔ)太深，造價(jià)昂貴，在國外近30臺(tái)萬噸級(jí)自由鍛造液壓機(jī)中僅有2～4臺(tái)采用下拉式結(jié)構(gòu)。

工作缸一般都采用雙球鉸中間桿結(jié)構(gòu)，可以有效減小偏載時(shí)缸內(nèi)導(dǎo)套磨損，延長(zhǎng)密封壽命［4］。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖7所示。

活動(dòng)橫梁分為整體式和組合式兩種結(jié)構(gòu)，組合式將導(dǎo)向座與梁體組合，可在壓機(jī)框架不解體的情況下把梁體取出，方便維護(hù)?；顒?dòng)橫梁均采用環(huán)繞壓套四周可調(diào)式平面導(dǎo)向裝置，可以精確調(diào)整動(dòng)梁與壓套之間的導(dǎo)向間隙。一般在動(dòng)梁上均設(shè)有上砧快換或上砧旋轉(zhuǎn)裝置，縮短換砧時(shí)間。

圖7 工作缸簡(jiǎn)圖Fig.7 Diagram of working cvlinder

1.2 液壓系統(tǒng)

壓機(jī)的液壓動(dòng)力裝置分為泵——蓄勢(shì)器傳動(dòng)和泵直接傳動(dòng)兩種形式。泵——蓄勢(shì)器傳動(dòng)近似為恒壓力傳動(dòng)，壓機(jī)工作速度與鍛件變形抗力有關(guān);而泵直接傳動(dòng)近似為恒流量傳動(dòng)，壓機(jī)工作速度僅與投入主泵的數(shù)量有關(guān)，與鍛件變形抗力無關(guān)，泵直接傳動(dòng)壓機(jī)的恒速性使鍛件的尺寸控制精度可達(dá)到較高水平。選擇乳化液作為工作介質(zhì)的壓機(jī)多采用泵——蓄勢(shì)器傳動(dòng)，俗稱自由鍛造水壓機(jī);選擇液壓油作為工作介質(zhì)的壓機(jī)則采用泵直接傳動(dòng)，稱為自由鍛造油壓機(jī)［4］。

油壓機(jī)具有低投入、低功耗、高精度和高壽命等顯著特點(diǎn)，近年來已成為國內(nèi)外自由鍛造液壓機(jī)的主流方向，本世紀(jì)國內(nèi)新投產(chǎn)的壓機(jī)僅有三臺(tái)為水壓機(jī)，其余均為油壓機(jī)。

油壓機(jī)的電液控制系統(tǒng)分閥控系統(tǒng)和泵控系統(tǒng)兩類。

閥控系統(tǒng)具有高精度和高頻響的特點(diǎn)，被絕大多數(shù)壓機(jī)所采用。由高壓泵供液，通過比例伺服閥控制工作缸的進(jìn)排液和卸壓，實(shí)現(xiàn)鍛壓和回程動(dòng)作的轉(zhuǎn)換;通過改變泵的供液流量，實(shí)現(xiàn)壓機(jī)的速度控制。控制原理如圖8所示。

泵控系統(tǒng)用于油品好、效率高、功率大的場(chǎng)合。泵控系統(tǒng)的代表公司為德國潘克 (PAHNKE)，它采用潘克改進(jìn)型正弦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，工作缸直接由變量伺服泵控制進(jìn)排液和卸壓，通過調(diào)節(jié)可變向泵的流體速率可使壓機(jī)無級(jí)變速;通過正弦運(yùn)動(dòng)方式變換流動(dòng)方向，進(jìn)行鍛壓和回程動(dòng)作轉(zhuǎn)換，在主油路中無需設(shè)方向控制閥，控制閥全被集成于泵裝置中?？刂圃砣鐖D9所示。本系統(tǒng)主泵僅限于選用潘克 (PAHNKE)正弦改進(jìn)型高壓徑向柱塞泵，其余高壓泵不能在這樣的系統(tǒng)中使用。

1.3 電控系統(tǒng)

所有壓機(jī)的電控系統(tǒng)均以可編程控制器(PLC)為主控器，以工控機(jī)作為人機(jī)監(jiān)控界面，組建工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)。操作機(jī)和鍛造壓機(jī)由獨(dú)立PLC單元控制，通過高速通訊總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)時(shí)采集相關(guān)數(shù)據(jù) (如位置、壓力、溫度、液位等)，不僅可實(shí)現(xiàn)壓機(jī)、操作機(jī)或輔助設(shè)備的單機(jī)程序控制，還可以對(duì)壓機(jī)、操作機(jī)及輔助設(shè)備進(jìn)行聯(lián)機(jī)程序控制。一般壓機(jī)和操作機(jī)共用一個(gè)操作臺(tái)，由一名工人控制操作，在操作臺(tái)可實(shí)時(shí)監(jiān)控液壓系統(tǒng)關(guān)鍵控制泵閥的工作狀態(tài)，并完成鍛件的工藝參數(shù)設(shè)定和生產(chǎn)報(bào)表管理等。

主泵驅(qū)動(dòng)大多采用6 kV或10 kV的高壓電機(jī)。

2 輔助設(shè)備

萬噸級(jí)自由鍛造液壓機(jī)均配有2～3 MN/4.5～7.5 MN·M有軌式全液壓鍛造操作機(jī)，以國外SMS、DDS等著名公司設(shè)計(jì)，國內(nèi)制造為主，整機(jī)引進(jìn)的很少。國內(nèi)最新自主研發(fā)的世界最大的3 MN/7.5 MN·M有軌式全液壓鍛造操作機(jī)已經(jīng)得到應(yīng)用，打破了國外公司長(zhǎng)期壟斷國內(nèi)大型有軌式全液壓鍛造操作機(jī)市場(chǎng)的局面。

一般用于鋼錠轉(zhuǎn)運(yùn)和鍛件掉頭的回轉(zhuǎn)升降臺(tái)或運(yùn)錠小車是壓機(jī)的必配裝置。在中小型壓機(jī)得到廣泛應(yīng)用的其它輔助設(shè)備如頂出器、橫向移砧臺(tái)和砧庫等，在萬噸級(jí)自由鍛造液壓機(jī)上配備不多。

3 發(fā)展趨勢(shì)

無論從萬噸級(jí)自由鍛造液壓機(jī)的數(shù)量或規(guī)格來看，我國已成為世界擁有最多數(shù)量、最大噸位重型自由鍛壓設(shè)備的國家。國內(nèi)萬噸級(jí)自由鍛造液壓機(jī)和全液壓鍛造操作機(jī)的設(shè)計(jì)成套能力已達(dá)國際先進(jìn)水平。隨著自由鍛造液壓機(jī)向智能化、精細(xì)化和程序化方向發(fā)展，我國現(xiàn)階段的首要任務(wù)是:

(1)從設(shè)計(jì)、制造、使用、維護(hù)和環(huán)境等方面全方位深入研究探討，確保油壓機(jī)工作的安全性。

(2)注重新材料和新工藝的開發(fā)，使國內(nèi)電力、船舶、冶金、化工、航空和航天等行業(yè)急需的高品質(zhì)特大鍛件全面國產(chǎn)化。

(3)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精細(xì)化控制，提高產(chǎn)品的精度和生產(chǎn)效率。

(4)建立現(xiàn)場(chǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)，相關(guān)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)控，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)程序鍛造。

［1］ 高峰，郭為忠，宋清玉．重型制造裝備國內(nèi)外研究與發(fā)展 ［J］．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，(19):92－107．

［2］ 錢康華，張鈞杰．165 MN自由鍛造油壓機(jī)制造中的精度測(cè)量與控制 ［J］．上海電氣技術(shù)，2009，(4):13－17．

［3］ 王勇勤，戴文軍，嚴(yán)興春．大型鍛壓機(jī)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)受力－變形的分析與研究［J］．鍛壓裝備與制造技術(shù)，2008，(3):29－31．

［4］ 俞新陸．液壓機(jī) ［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1982．