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          重型自由鍛液壓機的工作原理、特點及主要應用領域

          重型自由鍛液壓機的工作原理、特點及主要應用領域

          作者:admin    來源:未知    發布時間:2020-08-07 00:20    瀏覽量:

          進入21世紀以來,隨著我國重型機械行業的迅速發展,在國防、電力、船舶、冶金、化工、航空和航天等行業急需的高品質特大型鍛件,已成為制約我國大型裝備制造業發展的瓶頸,各行業均將目光轉向了發展萬噸級自由鍛液壓機。據不完全統計,目前國內已投產萬噸級自由鍛液壓機共18臺,擁有量約占世界萬噸級自由鍛液壓機總臺數的四成,其中140~195MN超大型壓機6臺。

          重型自由鍛液壓機的工作原理

          液壓機是以高壓液體(油、乳化液等)傳送工作壓力的鍛壓機械。液壓機從結構上易于得到較大的總壓力、工作空間和行程,并能夠在任意位置發出最大的工作力,易于得到較大的鍛造深度,最適合于大鍛件的鍛造。液壓機按所使用的動力裝置分為泵直接傳動和泵-蓄勢器傳動。按工作介質分主要有兩種,采用乳化液的一般稱為水壓機,采用液壓油的稱為油壓機。在自由鍛液壓機中,水壓機一般采用泵-蓄勢器傳動,油壓機采用泵直接傳動。

          泵-蓄勢站傳動的自由鍛水壓機維持了近百年,其操縱系統,雖然幾經改革,但仍然以手動操作為主,且無精度控制。進入20世紀50年代,隨著工業革命的進一步發展,對鍛壓設備提出了新的要求,如自動化生產、高精密鍛造次數和鍛件厚度尺寸精確控制等,通過對自由鍛壓力機增加鍛件尺寸控制,增加輔機,由計算機控制,使壓機與操作機進行聯動來提高勞動生產率,減輕工人勞動強度,是自由鍛工藝的一大突破。但若采用傳統的泵-蓄勢站傳動的水壓機是難以實現的。此時,油系統液壓技術已趨于成熟,油控基礎元件品種規格齊全,加之,油壓系統比水壓系統有很多優勢,于是,各國開始專注于油壓機的研究開發,英國和德國首先在油壓機上成功實現厚度控制和液壓機與操作機聯動,使泵直接傳動自由鍛油壓機得到快速發展和應用。

          為了滿足壓機自動化、高速度和高精度的生產需要,到20世紀70年代,歐美各國便開始對舊的泵-蓄勢器傳動水壓機進行改造,努力使水壓機達到或接近油壓機的控制水平,第一種方式便是廢棄舊的操縱系統和水泵蓄勢站,留用壓機的本體,重新配備油壓系統,變為泵直接傳動的油壓機。第二種方式是保留原有的水泵蓄勢站,依然利用《水壓機零部件》標準中類似的分配器,采用油壓伺服系統控制主分配器的搖桿軸擺動,并增加位置反饋;或者,采用油壓伺服系統控制伺服液壓缸完成壓機進排水閥的啟閉,實現快鍛和鍛件的尺寸精度控制。

          重型自由鍛液壓機的特點

          1.油壓系統逐步取代水壓系統,為實現自由鍛的數控化、高精度化和程序化創造條件

          目前,世界萬噸級的自由鍛液壓機40多臺,泵-蓄勢器傳動水壓機最大噸位為中國第二重型機械集團公司的160MN水壓機,泵直接傳動油壓機最大噸位是195MN油壓機。國內除20世紀60年代建成的三臺舊的泵-蓄勢器傳動水壓機外,新增水壓機僅三臺,其余均為油壓機。

          泵直接傳動和泵-蓄勢器傳動系統兩種動力裝置技術分析比較見下表。
          泵直接傳動和泵-蓄勢器傳動的技術分析

          (1)基本性能比較 由上表可知,泵直接傳動與泵-蓄勢器傳動壓機的主要差別在于,泵直接傳動壓機活動橫梁的運動速度取決于泵的供液量,而與鍛件變形阻力無關,利用恒定的速度及變化的壓力作為操縱分配器的信號,易于實現壓機的自動控制;泵-蓄勢器傳動壓機的活動橫梁的運動速度取決于鍛件變形阻力,與泵的供液量無關,而鍛件變形阻力在鍛造中是變化的,實現壓機的速度控制很難,另外,由于目前還沒有成熟的水系統元件,必須借助油系統間接控制水閥門的流量。如對中小型水壓機多采用油壓伺服系統控制主分配器的搖桿軸(或凸輪軸),而對大型水壓機多采用油伺服閥(或高性能比例閥)控制伺服接力缸來分別控制主分配器中的單個水壓閥門。無論哪種油控水的改造方案,都是力求達到泵直接傳動的控制水平,然而,由于泵-蓄勢器傳動壓機鍛造速度的非恒速性,即使進行了上述的油控水技術改造,泵-蓄勢器傳動壓機鍛件尺寸誤差值仍為泵直接傳動壓機鍛造尺寸誤差值的3~5倍。

          (2)運行效率比較 泵-蓄勢器傳動時泵的供液壓力為蓄勢器壓力,僅在某一特定范圍內波動,而與壓機負荷無關;泵直接傳動時泵出口壓力是隨液壓機的負荷變化而變化,這樣就引起了傳動效率的差異。清華大學俞新陸教授主編的《液壓機》中以1500t鍛造液壓機為例作了對比分析,見下表。
          泵直接傳動和泵-蓄勢器傳動的液壓性能比較

          從而可以看出,泵直接傳動的泵流量配置比泵-蓄勢器的高約一倍,但由于鍛件大小不同,實際所需變形力各異,前者不總是在最大負荷下工作,由此造成泵直接傳動平均功率消耗僅為泵-蓄勢器傳動平均功率消耗的1/4~1/2,也就是說泵直接傳動的實際功率消耗遠遠低于泵-蓄勢器傳動,對于大型自由鍛壓機泵直接傳動會顯示出更大的優勢。

          (3)投資分析比較 泵直接傳動與泵-蓄勢器傳動壓機的本體和電氣的投資差異不是很大,主要表現在液壓系統上的差別。以60MN自由鍛壓機為例,其主要配置見下表。

          60MN自由鍛壓機主要技術參數

          從目前了解的市場報價來看,泵-蓄勢器傳動僅國產主泵、蓄勢水罐和氣罐三項合計約1800萬元(若選用進口水泵,則價格更高),泵直接傳動選用進口液壓泵總價僅約260萬元;加之,泵-蓄勢器傳動系統閥門的加工成本較泵直接傳動系統要高很多,閥體質量大。因此,泵直接傳動系統購置成本約為泵-蓄勢器傳動系統的一半。另外,由于水系統閥門的壽命低、故障率高、沖擊振動大等原因,必將造成設備運行的使用維修費用大大提高。

          (4)結論 從以上的分析可知,泵直接傳動系統的自由鍛油壓機具有以下優點:

          1)符合國際上自由鍛液壓機的發展趨勢,滿足大型自由鍛向數控化、高精度化和專業化發展的需要。

          2)泵直接傳動油壓機控制精度比泵-蓄勢器傳動水壓機高3~5倍,壓機運行平穩,沖擊振動小,設備壽命長。

          3)采用進口液壓泵及液壓控制元件的泵直接傳動系統購置成本約為采用國產水泵及元件的泵-蓄勢器傳動系統的一半,備品備件價格低廉、使用及維修費用小。

          4)泵直接傳動平均功率消耗僅為泵-蓄勢器傳動的1/4~1/2,可實現高效節能。

          5)泵直接傳動壓機可控性好,控制閥反應靈敏,卸壓快速平穩,可以實現快速鍛造。

          2.高壓大流量快速無沖擊供排液系統,保證油壓機動作的快速性和平穩性

          由于萬噸級液壓機運動部分的質量很大,加之,高壓力、大流量的液體在系統升壓、卸壓和主閥開關時會產生巨大的能量沖擊,引起液壓管道乃至整個壓機的振動,如何實現高壓大流量油液的快速平穩卸壓是液壓系統設計的關鍵。例如江蘇國光195MN油壓機,壓機運動部分質量超800t,在加壓結束進行動作轉換時,液壓系統最高壓力達35MPa,主缸和管道內油的壓縮容積超500L,是同噸位水壓機水的壓縮容積的1.5倍,無沖擊快速卸壓難度極大。借助高壓大流量快速供排液系統,完成高壓或低壓超大流量快速進排液和高壓大流量壓縮油液的無沖擊快速卸壓,是保證鍛件尺寸精度、工作頻次和平穩性的必要條件。

          3.全預應力組合機架結構,增加框架剛度,提高壓機抗偏載能力

          新型壓機均采用全預應力框架結構,其結構特點是將在偏載下承受拉彎聯合作用而處于復雜受力狀態的立柱,改成由拉桿和壓套分別近似單一承載,即高強拉桿承受近似單向拉伸力,大截面壓套承受偏心鍛造時產生的彎曲力,提高框架的疲勞壽命和整體剛度。

          4.大型鑄鍛件的極端制造和裝配,嚴重制約重型鍛造壓機的發展

          萬噸級壓機的制造首先受制于大型鑄鍛件的加工技術,壓機的上橫梁、下橫梁、活動橫梁、主柱塞、主缸體、工作臺、壓套和拉桿等超重和超大的零件,對制造廠的澆鑄、鍛造、運輸、焊接、熱處理和加工等提出嚴峻考驗,極限加工甚至超限加工成為常態,這在超過150MN四柱鍛造壓機的制造中表現尤為突出。其中,上橫梁質量近400t,鑄件毛坯約600t,直接挑戰制造廠大型鑄件的鑄造、起重、運輸、加工能力和技術水平;四根拉桿鍛件長度超過20m,給鍛造、加工和熱處理增加很多困難;每根壓套質量近150t,采用鍛焊結構,焊接殘余應力如何消除等;這類壓機超過百噸的大零件約占總質量的60%,施工現場的起重、運輸、修配、安裝和調試等是對技術水平和綜合能力的考驗。

          5.智能化電氣控制系統,提高系統的可靠性,降低設備的故障率

          電氣控制系統以西門子可編程控制器(PLC)為主控器,以工控機作為人機監控界面,組建工業現場控制網絡,利用位移、速度、壓力、溫度等傳感器對壓機和操作機進行在線實時檢測,實現壓機單機控制及壓機與操作機的聯動控制。

          重型自由鍛液壓機的主要應用領域

          大型鑄鍛件制造能力反映了國家在國民經濟、國防軍事等領域的高端綜合實力。重型自由鍛液壓機是解決大型和超大型鍛件制造能力和技術水平的核心裝備,適用于鋼錠的開坯和各種軸類、餅類、環類等鍛件所對應的鐓粗、拔長、滾圓、沖孔、擴孔等鍛造,為國防、電力、船舶、冶金、化工、航空和航天等重大裝備制造行業提供大型和特大型高品質鍛件。產品包括大型曲軸,高、中、低壓轉子,船用舵桿,核電(筒體、封頭、錐體等)和支承輥等。

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