文章编号：１６７２—０１２１（２０１ １）０３－００２１－０４ ８０ＭＮ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０３００２４； ２．济南铸造锻压机械研究所有限公司，山东济南２５００２２） 摘要：阐述了８０ＭＮ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：ＴＧ３１５．４ 文献标识码：Ｂ １引言 机，如图１所示。 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７２／８０ ＭＮ油泵直接传动双柱式预应力结构快速锻造液压 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ＰＬＣ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 收稿日期：２０１１－０２—２８ 液压机结构、传动方式和控制技术的创新。从根本上 作者简介：张亦工（１９６０一），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 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。 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，１９９８． ７结束语 【２】徐灏．机械设计手册第５卷［Ｍ］．北京；机械工业出版社，１９９８． 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、 Ｔｈｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｊｏｒ ｒｅｐａｉｒ ｆｏｒ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ３６／４２ ＭＮ ｄｏｕｂｌｅ－ａｃｔｉｎｇ ｏｉｌ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｐｒｅｓｓ ＬＩＷｅｉ，ＭＥＩＬｉｙｅ （Ｊｉｎａｎ Ｆｏｕｎｄｒｙ＆Ｍｅｔａｌｆｏｒｍｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｊｉｎａｎ ２５００２２，Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ａｎｄ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｍａｊｏｒ ｒｅｐａｉｒ ｏｆ ３６／４２ＭＮ ｄｏｕｂｌｅ－ａｃｔｉｎｇ ｏｉｌ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｐ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｔｅｘｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ；Ｍａｊｏｒ ｒｅｐａｉｒ；Ｏｉｌ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｐｒｅｓｓ Ｆ辛 ｌｒ — 辛气 一 ｑ 太屎重工 Ｉ Ｉ １ ． １．－－ 一 Ｅ 一 一 口 ［＝０ ｌ ｌ ｔ－ ， ．． ｆ广 － ’ ｜ ｜ ．、ｉ＝＝二 ｌ ｒ 同 “ｆ１ ０ ｌ． ；斗 【 －一 １； ！ 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４１＝”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ｌ １ 硼Ｉ坷ｌ １ｌｌ Ｉｌｌ ｌ ｌｌ Ｉ１ ２ 。 ｌ 珊 一 １．．＿Ｊ Ｉ４ 商 一ｊ ５ 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２１２ 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 Ｔｅａｃｈ—ｉｎ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 以太网ＴＣＰ／ＩＰ 【ｌ造ＩＰｃ ＪＪＩＬ篮 甲 ｆ ｆ － － ｌ锻造压机ＰＬＣ ｌ ｌ 操作机ＰＬＣ Ｉ ｌＳＩＥＭＥＮＳ Ｓ７ ｌ６—２ｌ ｌＳＩＥＭＥＮＳ Ｓ７—４ｌ６—２』 Ｐｍ肪 ＤＰｌ １ ｌ Ｐｒｏｉｆｂｕｇ ＤＰ ｆ Ｐｒｏ ｂｕｓ ＤＰ 阀、限位开关、编码器、继电器等 卤卤卤Ｈ 阀、由卤卤Ｈ限位开关、编码器、继电器等 Ｎ 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一１００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１６０ｍｍ／ｓ，锻造频次≥７５ ｍｉｎ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 ＨＮＣ一１００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１ｍｍ。 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ＭＳＣ．Ｍａｒｃ、Ｉ－ＤＥＡＳ、Ｎａｓｔｒａｎ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ＭＳＣ．Ｍａｒｃ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ＭＳＣ．Ｍａｒｃ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３－５Ｈｚ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±３Ｏ％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１Ｈｚ，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ＩＴＩ—ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＸ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 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ＰＬＣ逻辑控 制程序、故障检测系统数据库建库、上位工业计算机 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 与通讯系统开发、液压机与操作机联机操作程序等， 流速等动态参数，阀、液压缸等元件，以及活动横梁 都是现代自由锻造液压机研发的重要组成部分。 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 ４结束语 所示。 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， ２００９，（１）：５２—５８． 【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，２０１０，４５（４）：２５—２７． ［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，２０１０，３５（２）：１０２—１０６． 图７基于ＩＴＩ—ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＸ平台的液压机系统 【４】尹云，孙彩丽，郭康，等．５０ＭＮ锻造水压机整体机架有限元 与本体联合仿真 分析［Ｊ］．锻压装备与制造技术，２００８，４３（２）：８８—８９． ［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，２００８，３３（５）：１２６—１２８． 【６］王丽薇，解文科，薛峰．１２５ＭＮ双柱快速锻造液压机本体模态 分析【Ｊ］．锻压技术，２０１０，３５（６）：１２６—１２８． 图８快锻位移特性曲线 Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ８０ ＭＮ ｄｏｕｂｌｅ ｃｏｌｕｍｎｓ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｆｏｒｇｉｎｇ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｐｒｅｓｓ ｉｎ ｐｒｅ－ｓｔｒｅｓｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ＺＨＡＮＧ Ｙｉｇｏｎｇ ，ＣＨＥＮ Ｆｅｎｇ２
