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重型模锻液压机的主要结构

重型模锻液压机的主要结构

作者:admin    来源:未知    发布时间:2020-08-18 21:34    浏览量:

重型模锻液压机的主要结构

重型模锻液压机的巨大压制能力,相当于将一艘航空母舰的重量作用于一张双人床的面积上,因此重型模锻液压机的工作过程伴随着巨大的能量聚集、传递和释放,其建造的要求都处于加工制造、运输安装的极限状态,难度大。

重型模锻液压机作为代替大型自由锻液压机对零件进行整体锻造的先进装备,最初的设计大量借鉴了传统的自由锻液压机三梁四柱结构形式。而随着模锻件尺寸的增大,模锻液压机吨位逐渐增大,达到了大型自由锻压机的4~5倍以上。传统三梁四柱结构难以满足要求,新型结构和设计思想在重型模锻液压机上不断涌现,形成了独特的技术发展路线,从最初的三梁四柱非预应力结构,发展到钢板叠板非预应力结构,再发展到粗螺栓预紧的预应力,最近又发展到预应力钢丝缠绕结构。

下面通过对重型模锻液压机发展历史的简单回顾,来说明这条技术发展路线。

 

1.非预应力结构

1938~1944年德国建造了2台150MN和1台300MN模锻水压机。

二战结束后,美国拆走了德国的150MN模锻液压机并实施“空军重型压机计划”。在克利夫兰(Cleveland)的美国铝业公司(Alcoa)安装了由梅斯塔(Mesta)公司设计制造的450MN模锻液压机和犹纳切曼公司制造的315MN模锻液压机。

上述液压机的结构沿袭了自由锻水压机的三梁四柱结构,大量采用重型铸锻件——铸造的三梁,锻造的重型立柱。

与梅斯塔公司同时实施空军重型压机计划的美国列维建设公司(Loewy Construction Company),在为威曼高登(Wyman Gordon)锻造公司设计制造另一台450MN和315MN模锻液压机时,采用了厚钢板叠板的非预应力结构。其巨大的上梁、动梁均为厚板叠板结构。巨大的叠板立柱与铸造的小梁(约250t)通过T形钩头形成三个牌坊,组成三牌坊承载机架。该设计突破了自由锻压机的三梁四柱传统模式。

在美国实施空军重型压机计划的同时,苏联对从德国缴获的300MN模锻液压机和美国、欧洲其他国家重型模锻液压机进行了仔细研究,于20世纪60年代开始建造300MN和750MN模锻液压机。其最大的特点是采用叠板结构替代铸造结构,6块200mm厚的立柱、间隔夹在7块180mm厚的小梁钢板中,用多根?100mm的螺栓坚固成整体(框架)。按此种设计,苏联共建造了两台非预应力结构的750MN重型模锻液压机。它们是2012年前世界上公称吨位最大的模锻液压机。

与威曼高登(Wayman-Gordon)公司的450MN压机相比,苏联的750MN液压机重型铸件的比例进一步降低,仅为整机质量的7%,而钢板则占到65%。该压机总高34.7m,自重26000万t。分别安装在古比雪夫(萨玛拉)铝厂和乌拉尔上萨而达冶金生产联合厂(ВСМПО)。该压机的投产,标志着非预应力结构模锻液压机达到全盛时期。

此外,德国奥托福克斯(Otto-Fuchs)公司于1964年建造的单缸叠板300MN压机也是模锻压机中十分成功的典型。

 

2.粗螺栓预应力结构

前述非预应力结构,上、下梁要承受巨大的弯矩,立柱承受巨大的拉弯联合作用。无论T形钩头,还是用螺栓夹固形成的叠板框架,大量的应力集中源难以避免。要进一步提高可靠性,就必须采用预应力结构才能改变这一状况。

液压机的承载机架可以想象为一O形,若将其沿中央垂直对称面剖分,就形成两个左右对称的C形。用水平的预紧螺栓将两个C形,在上下端夹紧,重新构成一个整体,即构成C形框架结构。C形框架结构是一种以螺栓为预紧件的预应力结构,它部分地减小了上下梁上的弯曲应力。C形框架结构的另一个好处是使整体板框机架实现了垂直剖分,减小框架板的宽度,降低了制造、运输的难度。

苏联为法国AD公司设计制造650MN模锻水压机时采用了这种结构。机架由前后左右四组C形叠板结构,中间夹十字形梁,用拉杆在上下两端水平预紧组成整体框架。框架的上下梁有水平方向的预紧,而在压机的主承载方向(垂直方向)没有预紧力保护,工作载紧,而在压机的主承载方向(垂直方向)没有预紧力保护,工作载荷完全由立柱承受,受力以拉应力为主。

于2012年建成的800MN液压机也采用了C形板框组合式机架结构。整个机架由4组C形叠板,与上下十字形梁、夹紧梁和水平预紧拉杆组成含前后两个闭合框架的机架主体,为了增加前后纵向刚度,在机架主体的左右两侧与上下夹紧梁之间各设置了一副可自由伸长的抗弯侧机架。

C形叠板是该组合机架的关键部件之一,800MN压机的每张C形板由9块轧制钢板焊接而成,其中立柱部分是3段厚320mm的20MnMo钢板,上下横梁(含过渡圆角)各是3段厚350mm的20MnNiMo钢板。加工后的C形板高36119mm、宽4165mm,单重约250t。

800MN压机是目前全球吨位最大的模锻液压机,其结构制造难度是对我国重型机械制造能力的巨大挑战。压机总重达22000t,除C形叠板及上下8根拉杆外,机架的其他主要构件都采用铸钢件,80t以上的大型铸件有32件。充分体现了我国重型零部件制造技术上的进步。

在螺栓预应力的重型承载结构中,螺栓承受的载荷大、数量少、尺寸大。而尺寸效应限制了材料性能的发挥,加上螺纹的应力集中现象,使得螺栓强度难以提高,一般设计许用应力为100~150MPa。而较低的许用应力又进一步增大了螺栓的结构尺寸,加大了制造的难度和成本。因此出现了没有尺寸效应、没有螺纹应力集中的预应力钢丝缠绕结构,并成功应用于设计制造重型模锻液压机。

 

3.预应力钢丝缠绕结构

预应力钢丝缠绕技术自1939年由瑞典通用电器公司(ASEA)率先应用到世界上第一台140MN人造金刚石液压机后,得到了极大的发展。20世纪60年代后,苏联采用该技术先后研制了10~150MN模锻液压机、60~600MN板材成形液压机、10~160MN人造金刚石液压机和20~120MN冷热等静压机等,均取得了良好的效果。

自20世纪70年代,我国开始了预应力钢丝缠绕技术的研究,研制了我国首台15MN热等静压机、200MN橡皮囊板料成形压机等。1981年为研制650MN航空模锻压机,设计制造了10MN全功能模拟样机。

自20世纪80年代后,预应力钢丝缠绕技术大量应用于板式换热器波纹板成形液压机和陶瓷砖成形液压机上。2003年后,随着国家加大了重型锻造/挤压液压机的装备建设,预应力钢丝缠绕技术由于其抗疲劳强度高、质量轻、制造难度低等优点,在重型模锻、挤压等热成形压机上逐渐得到应用。

2009年建成的360MN挤压机组包括1台360MN垂直挤压机和1台150MN穿孔制坯压机,是当时世界上同类设备中吨位最大的。其机架、动梁、液压缸等重型承载结构都采用了预应力钢丝缠绕以及在此基础上提出的预应力剖分-砍合结构设计技术。所谓预应力剖分-砍合结构是利用预应力钢丝缠绕产生的巨大预紧力,将零部件分解成更小的子件,在子件间的连接结合面上,进行坎合表面处理,制作出凹凸相貌,并夹上软性板材,构成具有高抗剪切能力的预应力坎合面,坎合面上的抗剪系数(相当于静摩擦因数)可达0.7。

采用预应力钢丝缠绕及剖分-坎合连接技术后,不仅可以能够使重型承载结构的整体质量大大减轻,抗疲劳性能大大提高,而且还能进一步减轻单个零件的质量,并有效解决大截面连接的技术难题。

图9-10 内蒙古北方重工360MN挤压机组及原位钢丝缠绕施工现场

360MN垂直挤压机采用预应力钢丝缠绕双牌坊结构设计,预紧系数取1.5,整个机架的预紧力为540MN,预紧件(钢丝)的应力波动比:3.48%<4%,说明钢丝的应力波动很小,接近于静力作用,不易发生疲劳破坏。而被预紧件(机架)在公称载荷360MN下,仍有219MN的预紧力。表明整个机架仍有较大的预紧力保护,抗疲劳破坏性能好。

150MN穿孔制坯压机机架的预紧系数同样为1.5,机架在公称150MN工作载荷下,仍有91.4MN预紧力的保护。

在360MN挤压机组的制造过程中,还开发了计算机控制的缠绕机器人装置和基于原位导轨的卫星式缠绕施工方法。在挤压机组的安装厂房内完成机架牌坊的原位缠绕施工,避免了重型部件的长途运输难题。

西安的400MN模锻液压机于2012年建成,采用预应力钢丝缠绕及剖分-坎合单缸单牌坊结构,具有压制力集中、压制性能高等特点,是一台高精度、中台面、高比压的航空模锻液压机。400MN模锻液压机主承载机架缠绕后的总质量达2090t。基于预应力钢丝缠绕及剖分-坎合的设计思想,机架主体被剖分成20块质量在55~85t之间的子件,经坎合处理结合界面后,在压机地基旁进行原位卫星式机器人水平缠绕,组成整体机架结构。活动横梁重530t,同样采用预应力钢丝缠绕及剖分-坎合结构,使每个子件的质量不超过84t,保证了制造质量和周期。

400MN液压缸的主缸为目前世界上最大的模锻液压缸,油压为60MPa,内径为2920mm,外径超过4000mm,芯筒高2600mm,质量为400t。由厚125mm的内衬筒、四块厚365mm的伞形块及钢丝层组成。主缸的加工制造难度大大降低,而且强度得到了极大的增强。

由于在400MN压机的设计中广泛采用了先进的预应力钢丝缠绕及剖分-坎合结构,该压机的整体质量仅为3324t,而且除平衡梁重105t外,单个零件的质量都低于90t。

苏州的300MN模锻液压机也是一台全面采用预应力钢丝缠绕及剖分-坎合结构设计的单缸、单牌坊模锻液压机,而且油压达到了90MPa。该压机的机架与400MN模锻液压机的类似,也是采用预应力钢丝缠绕及剖分-坎合结构设计,分解成20个分段。但在机架缠绕施工方法上,则采用了创新的卫星式机器人原位垂直缠绕,即各分段(20段)在安装基础上、机架处于垂直状态进行组装并缠绕,开发的全周平衡、分散构形的缠绕机器人成功地完成了这一高难度的缠绕施工,为超大型机架(如1000MN压机机架)的缠绕施工难题提供了可靠的解决方案。

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