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          重型模鍛液壓機的主要結構

          重型模鍛液壓機的主要結構

          作者:admin    來源:未知    發布時間:2020-08-18 21:34    瀏覽量:

          重型模鍛液壓機的主要結構

          重型模鍛液壓機的巨大壓制能力,相當于將一艘航空母艦的重量作用于一張雙人床的面積上,因此重型模鍛液壓機的工作過程伴隨著巨大的能量聚集、傳遞和釋放,其建造的要求都處于加工制造、運輸安裝的極限狀態,難度大。

          重型模鍛液壓機作為代替大型自由鍛液壓機對零件進行整體鍛造的先進裝備,最初的設計大量借鑒了傳統的自由鍛液壓機三梁四柱結構形式。而隨著模鍛件尺寸的增大,模鍛液壓機噸位逐漸增大,達到了大型自由鍛壓機的4~5倍以上。傳統三梁四柱結構難以滿足要求,新型結構和設計思想在重型模鍛液壓機上不斷涌現,形成了獨特的技術發展路線,從最初的三梁四柱非預應力結構,發展到鋼板疊板非預應力結構,再發展到粗螺栓預緊的預應力,最近又發展到預應力鋼絲纏繞結構。

          下面通過對重型模鍛液壓機發展歷史的簡單回顧,來說明這條技術發展路線。

           

          1.非預應力結構

          1938~1944年德國建造了2臺150MN和1臺300MN模鍛水壓機。

          二戰結束后,美國拆走了德國的150MN模鍛液壓機并實施“空軍重型壓機計劃”。在克利夫蘭(Cleveland)的美國鋁業公司(Alcoa)安裝了由梅斯塔(Mesta)公司設計制造的450MN模鍛液壓機和猶納切曼公司制造的315MN模鍛液壓機。

          上述液壓機的結構沿襲了自由鍛水壓機的三梁四柱結構,大量采用重型鑄鍛件——鑄造的三梁,鍛造的重型立柱。

          與梅斯塔公司同時實施空軍重型壓機計劃的美國列維建設公司(Loewy Construction Company),在為威曼高登(Wyman Gordon)鍛造公司設計制造另一臺450MN和315MN模鍛液壓機時,采用了厚鋼板疊板的非預應力結構。其巨大的上梁、動梁均為厚板疊板結構。巨大的疊板立柱與鑄造的小梁(約250t)通過T形鉤頭形成三個牌坊,組成三牌坊承載機架。該設計突破了自由鍛壓機的三梁四柱傳統模式。

          在美國實施空軍重型壓機計劃的同時,蘇聯對從德國繳獲的300MN模鍛液壓機和美國、歐洲其他國家重型模鍛液壓機進行了仔細研究,于20世紀60年代開始建造300MN和750MN模鍛液壓機。其最大的特點是采用疊板結構替代鑄造結構,6塊200mm厚的立柱、間隔夾在7塊180mm厚的小梁鋼板中,用多根?100mm的螺栓堅固成整體(框架)。按此種設計,蘇聯共建造了兩臺非預應力結構的750MN重型模鍛液壓機。它們是2012年前世界上公稱噸位最大的模鍛液壓機。

          與威曼高登(Wayman-Gordon)公司的450MN壓機相比,蘇聯的750MN液壓機重型鑄件的比例進一步降低,僅為整機質量的7%,而鋼板則占到65%。該壓機總高34.7m,自重26000萬t。分別安裝在古比雪夫(薩瑪拉)鋁廠和烏拉爾上薩而達冶金生產聯合廠(ВСМПО)。該壓機的投產,標志著非預應力結構模鍛液壓機達到全盛時期。

          此外,德國奧托??怂梗∣tto-Fuchs)公司于1964年建造的單缸疊板300MN壓機也是模鍛壓機中十分成功的典型。

           

          2.粗螺栓預應力結構

          前述非預應力結構,上、下梁要承受巨大的彎矩,立柱承受巨大的拉彎聯合作用。無論T形鉤頭,還是用螺栓夾固形成的疊板框架,大量的應力集中源難以避免。要進一步提高可靠性,就必須采用預應力結構才能改變這一狀況。

          液壓機的承載機架可以想象為一O形,若將其沿中央垂直對稱面剖分,就形成兩個左右對稱的C形。用水平的預緊螺栓將兩個C形,在上下端夾緊,重新構成一個整體,即構成C形框架結構。C形框架結構是一種以螺栓為預緊件的預應力結構,它部分地減小了上下梁上的彎曲應力。C形框架結構的另一個好處是使整體板框機架實現了垂直剖分,減小框架板的寬度,降低了制造、運輸的難度。

          蘇聯為法國AD公司設計制造650MN模鍛水壓機時采用了這種結構。機架由前后左右四組C形疊板結構,中間夾十字形梁,用拉桿在上下兩端水平預緊組成整體框架??蚣艿纳舷铝河兴椒较虻念A緊,而在壓機的主承載方向(垂直方向)沒有預緊力保護,工作載緊,而在壓機的主承載方向(垂直方向)沒有預緊力保護,工作載荷完全由立柱承受,受力以拉應力為主。

          于2012年建成的800MN液壓機也采用了C形板框組合式機架結構。整個機架由4組C形疊板,與上下十字形梁、夾緊梁和水平預緊拉桿組成含前后兩個閉合框架的機架主體,為了增加前后縱向剛度,在機架主體的左右兩側與上下夾緊梁之間各設置了一副可自由伸長的抗彎側機架。

          C形疊板是該組合機架的關鍵部件之一,800MN壓機的每張C形板由9塊軋制鋼板焊接而成,其中立柱部分是3段厚320mm的20MnMo鋼板,上下橫梁(含過渡圓角)各是3段厚350mm的20MnNiMo鋼板。加工后的C形板高36119mm、寬4165mm,單重約250t。

          800MN壓機是目前全球噸位最大的模鍛液壓機,其結構制造難度是對我國重型機械制造能力的巨大挑戰。壓機總重達22000t,除C形疊板及上下8根拉桿外,機架的其他主要構件都采用鑄鋼件,80t以上的大型鑄件有32件。充分體現了我國重型零部件制造技術上的進步。

          在螺栓預應力的重型承載結構中,螺栓承受的載荷大、數量少、尺寸大。而尺寸效應限制了材料性能的發揮,加上螺紋的應力集中現象,使得螺栓強度難以提高,一般設計許用應力為100~150MPa。而較低的許用應力又進一步增大了螺栓的結構尺寸,加大了制造的難度和成本。因此出現了沒有尺寸效應、沒有螺紋應力集中的預應力鋼絲纏繞結構,并成功應用于設計制造重型模鍛液壓機。

           

          3.預應力鋼絲纏繞結構

          預應力鋼絲纏繞技術自1939年由瑞典通用電器公司(ASEA)率先應用到世界上第一臺140MN人造金剛石液壓機后,得到了極大的發展。20世紀60年代后,蘇聯采用該技術先后研制了10~150MN模鍛液壓機、60~600MN板材成形液壓機、10~160MN人造金剛石液壓機和20~120MN冷熱等靜壓機等,均取得了良好的效果。

          自20世紀70年代,我國開始了預應力鋼絲纏繞技術的研究,研制了我國首臺15MN熱等靜壓機、200MN橡皮囊板料成形壓機等。1981年為研制650MN航空模鍛壓機,設計制造了10MN全功能模擬樣機。

          自20世紀80年代后,預應力鋼絲纏繞技術大量應用于板式換熱器波紋板成形液壓機和陶瓷磚成形液壓機上。2003年后,隨著國家加大了重型鍛造/擠壓液壓機的裝備建設,預應力鋼絲纏繞技術由于其抗疲勞強度高、質量輕、制造難度低等優點,在重型模鍛、擠壓等熱成形壓機上逐漸得到應用。

          2009年建成的360MN擠壓機組包括1臺360MN垂直擠壓機和1臺150MN穿孔制坯壓機,是當時世界上同類設備中噸位最大的。其機架、動梁、液壓缸等重型承載結構都采用了預應力鋼絲纏繞以及在此基礎上提出的預應力剖分-砍合結構設計技術。所謂預應力剖分-砍合結構是利用預應力鋼絲纏繞產生的巨大預緊力,將零部件分解成更小的子件,在子件間的連接結合面上,進行坎合表面處理,制作出凹凸相貌,并夾上軟性板材,構成具有高抗剪切能力的預應力坎合面,坎合面上的抗剪系數(相當于靜摩擦因數)可達0.7。

          采用預應力鋼絲纏繞及剖分-坎合連接技術后,不僅可以能夠使重型承載結構的整體質量大大減輕,抗疲勞性能大大提高,而且還能進一步減輕單個零件的質量,并有效解決大截面連接的技術難題。

          圖9-10 內蒙古北方重工360MN擠壓機組及原位鋼絲纏繞施工現場

          360MN垂直擠壓機采用預應力鋼絲纏繞雙牌坊結構設計,預緊系數取1.5,整個機架的預緊力為540MN,預緊件(鋼絲)的應力波動比:3.48%<4%,說明鋼絲的應力波動很小,接近于靜力作用,不易發生疲勞破壞。而被預緊件(機架)在公稱載荷360MN下,仍有219MN的預緊力。表明整個機架仍有較大的預緊力保護,抗疲勞破壞性能好。

          150MN穿孔制坯壓機機架的預緊系數同樣為1.5,機架在公稱150MN工作載荷下,仍有91.4MN預緊力的保護。

          在360MN擠壓機組的制造過程中,還開發了計算機控制的纏繞機器人裝置和基于原位導軌的衛星式纏繞施工方法。在擠壓機組的安裝廠房內完成機架牌坊的原位纏繞施工,避免了重型部件的長途運輸難題。

          西安的400MN模鍛液壓機于2012年建成,采用預應力鋼絲纏繞及剖分-坎合單缸單牌坊結構,具有壓制力集中、壓制性能高等特點,是一臺高精度、中臺面、高比壓的航空模鍛液壓機。400MN模鍛液壓機主承載機架纏繞后的總質量達2090t?;陬A應力鋼絲纏繞及剖分-坎合的設計思想,機架主體被剖分成20塊質量在55~85t之間的子件,經坎合處理結合界面后,在壓機地基旁進行原位衛星式機器人水平纏繞,組成整體機架結構?;顒訖M梁重530t,同樣采用預應力鋼絲纏繞及剖分-坎合結構,使每個子件的質量不超過84t,保證了制造質量和周期。

          400MN液壓缸的主缸為目前世界上最大的模鍛液壓缸,油壓為60MPa,內徑為2920mm,外徑超過4000mm,芯筒高2600mm,質量為400t。由厚125mm的內襯筒、四塊厚365mm的傘形塊及鋼絲層組成。主缸的加工制造難度大大降低,而且強度得到了極大的增強。

          由于在400MN壓機的設計中廣泛采用了先進的預應力鋼絲纏繞及剖分-坎合結構,該壓機的整體質量僅為3324t,而且除平衡梁重105t外,單個零件的質量都低于90t。

          蘇州的300MN模鍛液壓機也是一臺全面采用預應力鋼絲纏繞及剖分-坎合結構設計的單缸、單牌坊模鍛液壓機,而且油壓達到了90MPa。該壓機的機架與400MN模鍛液壓機的類似,也是采用預應力鋼絲纏繞及剖分-坎合結構設計,分解成20個分段。但在機架纏繞施工方法上,則采用了創新的衛星式機器人原位垂直纏繞,即各分段(20段)在安裝基礎上、機架處于垂直狀態進行組裝并纏繞,開發的全周平衡、分散構形的纏繞機器人成功地完成了這一高難度的纏繞施工,為超大型機架(如1000MN壓機機架)的纏繞施工難題提供了可靠的解決方案。

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