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        10000t多向模鍛水壓機(jī)改油壓機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究

        2019-04-08 07:47:42楊紅娟楊大祥薛菲菲段麗華周少凡
        鋁加工 2019年6期

        楊紅娟,楊大祥,薛菲菲,段麗華,周少凡

        (中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司,西安 710032)

        0 前言

        多向模鍛是在多向模鍛液壓機(jī)上進(jìn)行分模模鍛的一種精密鍛造技術(shù),采用這一工藝能夠避免產(chǎn)生飛邊,節(jié)約毛坯材料,減少模鍛工序,并能提高鍛件精度和機(jī)械性能。因此在航空、石油、化工、汽車(chē)制造、原子能工業(yè)中有關(guān)中空架體、活塞、軸類(lèi)、筒形件、大型閥體、飛機(jī)起落架等鍛件大多采用多向模鍛進(jìn)行生產(chǎn)[1]。

        中鋁西南鋁10000t多向模鍛水壓機(jī)是鋁加工行業(yè)國(guó)寶級(jí)設(shè)備,造于上個(gè)世紀(jì)七十年代,是我國(guó)自力更生設(shè)計(jì)生產(chǎn)的第一臺(tái)大型鋁加工多向模鍛壓機(jī),也是西南鋁的重大設(shè)備。

        長(zhǎng)期的使用和近些年模鍛技術(shù)的迅速發(fā)展,使得這臺(tái)國(guó)寶級(jí)的設(shè)備不僅顯得技術(shù)落后,而且能耗極高,尤其是水壓驅(qū)動(dòng)元件壽命低,系統(tǒng)易泄露,造成設(shè)備故障率逐年加大,可靠性降低,已不適應(yīng)目前高效節(jié)能綠色生產(chǎn)的發(fā)展趨勢(shì)和市場(chǎng)的需求[2]。

        因此從2017年開(kāi)始,中國(guó)重型院開(kāi)始對(duì)此設(shè)備進(jìn)行全面升級(jí)改造。本文主要介紹10000t多向模鍛水壓機(jī)改為油壓機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。

        1 結(jié)構(gòu)形式及改造后的主要技術(shù)參數(shù)

        1.1 10000t多向模鍛壓機(jī)結(jié)構(gòu)形式

        如圖1所示,10000t多向模鍛壓機(jī)是由一臺(tái)10000t三梁四柱立式壓機(jī)和一臺(tái)雙向作用的5000t臥式壓機(jī)組合而成[3]。

        垂直部分為上下梁和4個(gè)拉桿、4個(gè)內(nèi)襯套組成一個(gè)封閉受力框架,活動(dòng)橫梁在機(jī)架內(nèi)部來(lái)回運(yùn)動(dòng)。活動(dòng)橫梁壓下由中間主缸和2個(gè)側(cè)主缸驅(qū)動(dòng)。

        水平部分為左右橫梁和4個(gè)拉桿組成組成一個(gè)封閉受力框架,左右主缸缸體固定在左右橫梁上,分模模具分別和左右主缸主柱塞相連,左右主柱塞尾部伸出主缸體和導(dǎo)向橫梁相連;驅(qū)動(dòng)主柱塞回程的左右水平回程缸缸體固定在左右橫梁上,活塞桿和導(dǎo)向橫梁相連。

        圖1 10000t多向模鍛壓機(jī)結(jié)構(gòu)圖

        1.2 改為油壓機(jī)的主要任務(wù)

        10000t多向模鍛水壓機(jī)技術(shù)升級(jí)主要包括:(1)大型構(gòu)件留用,輔助零部件更新制作,恢復(fù)壓機(jī)精度; (2) 將液壓系統(tǒng)由水泵-蓄勢(shì)器傳動(dòng)的水控系統(tǒng)改為油泵直接傳動(dòng)的油控系統(tǒng);(3) 在保留左右水平主缸聯(lián)動(dòng)功能的前提下,增加水平模鍛左右水平主缸獨(dú)立控制功能;(4) 更新全套電氣控制系統(tǒng)。

        1.3 升級(jí)后的技術(shù)參數(shù)

        多向模鍛水壓機(jī)主要缸的結(jié)構(gòu)形式為柱塞缸,水壓機(jī)為水泵-蓄勢(shì)器傳動(dòng),采用水壓驅(qū)動(dòng)時(shí)速度控制精度較差。水控系統(tǒng)改為油控系統(tǒng)后,液壓系統(tǒng)除了滿足壓力、速度要求外,還要對(duì)主要幾個(gè)部件進(jìn)行速度精度控制。升級(jí)后10000t多向模鍛油壓機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

        表1改為油壓機(jī)后的技術(shù)參數(shù)

        2 改為油壓機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)

        2.1 動(dòng)力源的選取和設(shè)定

        10000t多向模鍛壓機(jī)改造前有三種動(dòng)力源:32MPa的高壓水泵站、8~12bar的充液罐、低壓補(bǔ)長(zhǎng)器(置于壓機(jī)頂部)。水平模鍛所需的45MPa超高壓水是32MPa的高壓水通過(guò)增壓器獲得的。

        隨著液壓技術(shù)的發(fā)展,柱塞泵的技術(shù)越來(lái)越成熟。柱塞泵的結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕,并且具有較高的容積效率和總效率,能在較高的轉(zhuǎn)速和壓力下工作,所以在液壓系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛[4]。此次改造升級(jí),選用德國(guó)力士樂(lè)公司A4VSO500HS5、A4VBO450HS5軸向柱塞變量泵作為32MPa、45MPa的動(dòng)力源,選用A4VSO125DR作為伺服外控、普通外控和輔助動(dòng)作動(dòng)力源。

        壓機(jī)改造前,壓機(jī)垂直部分活動(dòng)橫梁主工作缸和回程缸、水平部分左右主缸及回程缸均為柱塞缸,充液罐空程時(shí)起動(dòng)力源的作用,所以壓力較高,為8~12bar。為了降低壓力,確保低壓密封壽命,此次升級(jí)改造,水平部分回程缸改為了活塞缸,空程前進(jìn)和后退靠主油泵直接驅(qū)動(dòng),充液罐只起充液作用,垂直部分空程下降時(shí)設(shè)備自重本身就是動(dòng)力源,壓力需求不高。因此,改造后的充液罐壓力為2~5bar。

        充液罐就布置在壓機(jī)前,從油壓機(jī)使用的安全角度出發(fā),此次改造去掉了置于壓機(jī)頂部的低壓補(bǔ)償器。

        改造后的壓機(jī),增加了水平部分獨(dú)立和聯(lián)動(dòng)控制功能,因此,主泵必須能組合成5種壓力源:垂直主缸控制油源P1、左水平主缸控制油源32MPa P2、左水平主缸控制油源45MPa P3、右水平主缸控制油源32MPa P4,以及右水平主缸控制油源45MPa P5。

        改造后的壓機(jī),有一個(gè)主油箱、一個(gè)伺服油箱、2個(gè)充液罐(互相連通)共三種盛放傳動(dòng)介質(zhì)的容器。壓機(jī)要正常運(yùn)轉(zhuǎn),這三種容器的液位控制必須有一定的邏輯關(guān)系,即:充液罐液位超過(guò)最高液位以后,會(huì)通過(guò)安全閥或電控閥排放至主油箱,充液罐液位低于最低液位以后,螺桿泵會(huì)及時(shí)補(bǔ)液給充液罐;伺服油箱液位超過(guò)最高液位以后,會(huì)通過(guò)螺桿泵抽油至主油箱,伺服油箱液位低于最低液位以后,螺桿泵會(huì)及時(shí)補(bǔ)液給伺服油箱。

        2.2 垂直部分模鍛控制技術(shù)

        垂直部分活動(dòng)橫梁主要有快速下降、慢速下降、加壓、停止、保壓、慢速回程、快速回程、停止等幾個(gè)動(dòng)作,這些動(dòng)作需要依靠主缸及回程缸控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制才能實(shí)現(xiàn)。

        垂直部分控制系統(tǒng)由主缸控制閥塊、充液閥、回程缸控制閥塊和低速等溫模鍛閥塊組成。垂直部分共有3個(gè)柱塞缸,中間主缸φ1680mm,2個(gè)側(cè)主缸φ800mm。工藝要求可以分3000t、7000t、10000t3個(gè)壓力等級(jí)。因此,中間主缸獨(dú)立控制,2個(gè)側(cè)主缸并聯(lián)一起獨(dú)立控制,共設(shè)中間主缸和側(cè)主缸2個(gè)控制閥塊。

        主缸控制閥塊由進(jìn)液閥、斷電安全閥、泄壓閥組成。為了獲得最佳的卸壓特性和最大限度地降低卸壓給設(shè)備造成的液壓沖擊,卸壓閥選用的是力士樂(lè)的2WCR高頻響比例插裝閥。這種閥是一個(gè)先導(dǎo)閥為伺服閥,主閥為帶行程傳感器的兩級(jí)閥,通過(guò)伺服閥控制主閥上部活塞兩腔的進(jìn)排油狀態(tài)來(lái)控制主閥的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。由于主閥帶有傳感器,所以可以根據(jù)所給的電信號(hào)使主閥處于全行程范圍內(nèi)的任意位置,從而實(shí)現(xiàn)主閥流量的隨意調(diào)節(jié),主閥的啟閉速度也可以根據(jù)所給的電信號(hào)隨意調(diào)節(jié)[5]。這種閥的滯環(huán)精度小于0.2%,相應(yīng)靈敏度小于0.1%。斷電安全閥在設(shè)備正常生產(chǎn)過(guò)程中遭遇突然斷電時(shí)自動(dòng)緩慢卸荷,起安全保護(hù)作用。中間主缸有效面積是兩側(cè)主缸的2倍,為了方便閥塊的設(shè)計(jì)和備件的準(zhǔn)備,進(jìn)液閥、斷電安全閥、泄壓閥各選三套,兩套并聯(lián)用于控制中間主缸,一套用于控制兩側(cè)主缸。

        壓機(jī)改造后,垂直部分活動(dòng)橫梁的回程由原來(lái)的回程缸和平衡缸共同來(lái)控制?;爻谈缀推胶飧拙鶠橹?,活動(dòng)橫梁的回程控制由進(jìn)液閥、單向閥、慢降閥、平衡閥、快降閥、限速閥、安全閥組成。進(jìn)液閥為插裝式方向閥,進(jìn)液閥打開(kāi)時(shí),單向閥防止回程缸里的液體反向流動(dòng),活動(dòng)橫梁的回程速度靠變量泵直接調(diào)節(jié)。慢降閥是一代調(diào)節(jié)桿的插裝式方向閥,主要用于壓機(jī)對(duì)模、排氣、調(diào)零等輔助操作,慢降閥的開(kāi)口量可以手動(dòng)調(diào)節(jié)??旖甸y選用的是力士樂(lè)的2WCR高頻響比例插裝閥。限速閥是一代調(diào)節(jié)桿的插裝式方向閥,活動(dòng)橫梁快速下降時(shí),快降閥和限速閥均開(kāi)啟,橫梁下降速度的大小取決于快降閥的開(kāi)口度。限速閥可以防止快速閥失調(diào)時(shí)造成設(shè)備事故。壓機(jī)活動(dòng)部分質(zhì)量大、慣性大,因此帶有兩級(jí)壓力設(shè)置的插裝式電磁壓力閥在下降時(shí)用以平衡這部分重量及慣性力,回程時(shí)用以設(shè)置回程壓力,平衡取低壓,回程取高壓。

        壓機(jī)改造后,垂直部分增加了低速等溫鍛造功能。低速等溫鍛造閥塊由開(kāi)關(guān)閥和力士樂(lè)4WRPEH伺服電磁閥組成。該回路為伺服變量泵和4WRPEH高頻響方向閥組成的旁路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng),旁路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)液壓泵的工作壓力隨負(fù)載力的變化而變化,回路功率損失小,效率較高[6]。圖2為旁路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)的速度-負(fù)載特性曲線。從該曲線可以看出:(1)當(dāng)閥開(kāi)口面積不變時(shí),負(fù)載越大,回路速度剛度越高;(2)當(dāng)負(fù)載不變時(shí),閥開(kāi)口面積越小,速度剛度越高。閥開(kāi)口面積越大,回路速度剛度越低。因此,該回路的調(diào)試要注意伺服變量泵的流量和伺服電磁閥閥口大小的匹配。4WRPEH伺服電磁閥的滯環(huán)精度小于0.2%,信號(hào)從0到100%的響應(yīng)時(shí)間為25ms。采用以上回路,鍛造速度可以在0.01~0.05mm/s無(wú)級(jí)可調(diào),精度±10%。

        圖2旁路節(jié)流調(diào)速速度-負(fù)載特性曲線

        2.3 水平部分模鍛控制技術(shù)

        壓機(jī)的水平部分有3550t和5000t2個(gè)壓力等級(jí),左右水平主缸可以單動(dòng),也可以聯(lián)動(dòng)。改造后的壓機(jī)由活塞式側(cè)缸驅(qū)動(dòng)空程前進(jìn)和后退,工作時(shí)主側(cè)缸同時(shí)加壓。

        水平部分控制系統(tǒng)由主缸控制閥塊、充液閥、回程缸控制閥塊和左右水平主缸聯(lián)通閥塊組成。

        水平主缸控制閥塊由單向閥、進(jìn)液閥、斷電安全閥、排液閥組成。壓力等級(jí)32MPa時(shí),最大模壓速度30mm/s,主泵A4VSO和A4VBO全部投入。壓力等級(jí)45MPa時(shí),最大模壓速度12mm/s,主泵A4VBO投入。為了防止壓力等級(jí)45MPa時(shí),A4VBO出口的高壓油串至A4VSO出口油路上,主缸控制閥塊設(shè)置了單向閥,壓力等級(jí)32MPa的油源接在閥前,壓力等級(jí)45MPa的油源接在閥后。斷電安全閥在設(shè)備正常生產(chǎn)過(guò)程中遭遇突然斷電時(shí)自動(dòng)緩慢卸荷,起安全保護(hù)作用。排液閥選用的是帶兩級(jí)壓力調(diào)節(jié)的比例溢流閥,一級(jí)起安全閥作用,一級(jí)起比例卸荷排液作用。

        改造后的壓機(jī),水平回程缸活塞桿固定在左右橫梁上,缸體和左右主柱塞導(dǎo)向橫梁剛性連接?;钊贿M(jìn)油,壓機(jī)回程,活塞桿腔進(jìn)油,壓機(jī)空程前進(jìn)或加壓?;爻谈卓刂崎y塊活塞腔由進(jìn)液閥、單向閥、平衡閥、排液閥、安全閥和后位保持閥組成,回程缸控制閥塊活塞桿腔由進(jìn)液閥、排液閥、安全閥和補(bǔ)液閥組成?;钊贿M(jìn)液壓機(jī)回程時(shí),主缸充液閥打開(kāi)連通充液罐,充液罐雖然壓力不高,但是主缸面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于側(cè)缸,為了防止側(cè)缸活塞腔減壓過(guò)程中壓機(jī)反向運(yùn)動(dòng),活塞腔進(jìn)液閥后串接了單向閥?;钊麠U腔進(jìn)液壓機(jī)空程前進(jìn)時(shí),主缸充液閥打開(kāi)連通充液罐,為了便于精確控制,活塞腔設(shè)置了平衡閥,用以平衡充液罐的作用力。壓機(jī)加壓時(shí)該平衡閥電磁閥帶電,不再起平衡作用,不會(huì)損失壓機(jī)壓力。壓機(jī)后退至停止位時(shí),輔助系統(tǒng)蓄能器壓力通過(guò)后位保持閥使壓機(jī)可靠地停止在后位。

        3 結(jié)論

        目前,10000t多向模鍛油壓機(jī)安裝調(diào)試已經(jīng)全部完成,采用以上集成技術(shù),實(shí)現(xiàn)了壓力分級(jí)控制選擇功能,實(shí)現(xiàn)了垂直活動(dòng)橫梁和水平模座的自動(dòng)控制功能,實(shí)現(xiàn)了模壓鍛造精確定位、位置預(yù)置和監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)了模壓鍛造和低速等溫模鍛速度無(wú)極可調(diào)、閉環(huán)控制。

        通過(guò)本文的研究和試驗(yàn),以下幾條結(jié)論對(duì)舊的模鍛水壓機(jī)的改造和新的模鍛油壓機(jī)的設(shè)計(jì)都有很重要的借鑒意義。

        (1) 高壓泵和充液罐組合動(dòng)力源對(duì)多向模鍛壓機(jī)是切實(shí)可行的。

        (2) 模鍛壓機(jī)選用2WCR高頻響比例插裝閥做為主缸泄壓閥,既能有效地減少卸壓時(shí)間,又能成功地減小卸壓時(shí)的液壓沖擊和震動(dòng)。

        (3) 模鍛壓機(jī)回程缸設(shè)置帶有兩級(jí)壓力的插裝式電磁壓力閥可以用以平衡活動(dòng)橫梁的重量及慣性力,不用另外設(shè)置平衡缸。

        (4) 伺服變量泵和4WRPEH高頻響方向閥組成的旁路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng),能成功地實(shí)現(xiàn)0.01~0.05mm/s的低速等溫模鍛。

        (5) 鍛造水壓機(jī)改造為油壓機(jī),由于活塞密封技術(shù)的成熟和可靠,在原設(shè)備結(jié)構(gòu)空間允許的情況下,可以盡可能把回程缸改為活塞缸,這樣既方便控制,又能提高壓機(jī)節(jié)奏。

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