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快锻液压机的主要结构及特点

快锻液压机的主要结构及特点

作者:admin    来源:未知    发布时间:2020-08-06 23:02    浏览量:

快锻液压机按机架结构和布置方式可分为四柱和双柱斜置式两种。四柱结构的快锻液压机采用传统三梁四柱预应力结构;双柱斜置式快锻液压机采用上下横梁和两根矩形立柱通过多根拉杆预紧组成受力框架,与锻造轴中心线成一定角度布置,与四柱快锻液压机相比较,机架有较大的截面惯性矩和抗弯刚度,允许偏心锻造范围大;还具有较大的操作空间和工艺适应性;易于接近中心、钢锭进出空间大的特点,以及良好的可操作性和可视性。因此,双柱式预应力机架结构已成为快速锻压机技术进步的一个标志。

快锻液压机是由压机本体、液压控制系统、电气控制系统、机械化辅助设备和不同种类的锻造工具等组成。

1.预应力组合受力机架

现代化的快速自由锻液压机的受力机架均采用预应力组合受力框架,预紧力设计和预紧方法有别于任何压机受力机架:预应力设计按最大锻造力和最大允许偏心距设计、调整和设定拉杆的预应力,上、下横梁与立柱接触部分的横截面尺寸相当,梁的高度方向受压缩后的变形不可忽略,计算的被压缩构件的尺寸应包括上、下横梁和立柱的相应高度尺寸。预应力组合受力框架分为双柱多拉杆和四柱多拉杆两种结构,见图1、图2。
双柱多拉杆预应力组合机架四柱单拉杆预应力组合机架

锻造液压机的机架整体刚性和稳定性决定了液压机适合于不同锻造工况的优异力学行为。预应力机架通过采用截面惯性矩较大的空心矩形立柱、增大拉杆预紧力,使上、下横梁与立柱形成一个坚固的整体。拉杆脉动应力幅值减小了85%左右,提高了液压机的抗偏载能力,显著增加了液压机的整体结构刚性、稳定性、抗疲劳强度、承载能力和安全可靠性。图3所示为预应力拉杆和立柱力-变形图。
预应力拉杆和立柱力-变形图

 

2.主工作缸

除小吨位的锻造压机采用单缸结构外,一般的锻造压机采用三缸结构,可分为三个等径缸或三个不等径缸两种布置方式,无论采用哪种方式,都可以实现锻造压力的分级,满足在不同锻造压力下的锻造频次。

工作缸柱塞与活动横梁的连接均设计为双球铰节短摇杆结构。柱塞下部为空心体,内装有凸球面垫和双凹球短圆柱铰轴,通过一个安装在活动横梁中的凸球面垫,将力传递到活动横梁。凸球面垫上均开有润滑槽和连接孔,与干油集中润滑系统连接。球铰轴回转半径的设计将与活动横梁在偏心载荷的回转半径协调,减小偏心载荷对缸导套和密封处的水平力作用,从而提高密封和导向的寿命,见图4。
主工作缸结构
1—主缸体 2—柱塞 3—上球面垫 4—导套 5—短摇杆 6—密封 7—柱塞压盖 8—压法兰 9—下球面垫 10—连接螺柱

3.活动横梁

活动横梁采用的是整体铸钢结构,上平面的圆孔内装有三个凸球面垫,支承主工作缸的双凹球短圆柱铰轴,借助于半开式压盖将短圆柱铰轴固定在凸球面垫上。

为了缩短更换上砧时间,减小劳动强度,活动横梁上安装四套上砧夹紧装置,布置成正方形,在更换上砧时,可以按下砧对齐或成90°安装,满足长筒类锻件的生产工艺要求,见图5。
快锻液压机活动横梁夹紧装置

1—主活动横梁 2—上砧夹紧装置

 

4.高精度导向装置

特殊构造的具有超长导向结构、围绕立柱横截面四周的整体式活动横梁,以及双凹球铰接式短圆柱摇杆轴自适应式的加载系统,当液压机承载后,高刚度机架的立柱导向面变形减小,可有效减小立柱与活动横梁间的导向间隙;低接触应力的平面导向长度增加,消除了圆形张力柱点接触应力和偏磨损的导向现象;通过铰接式摇杆的自适应性转动,减小了主柱塞对活动横梁的刚性约束和对液压缸导套密封处的水平力作用,延长了密封和导向寿命;通过在线实时监测装置监控活动横梁运行水平度,获得了较高的运行精度,如图6所示。
快锻液压机高精度导向装置

1—活动横梁 2—立柱 3—框架 4—连接螺杆 5—导向块

5.回程缸

回程缸均为柱塞缸倒装式结构,设置在立柱的外侧面,根据压机不同吨位,布置两个或四个。缸底和柱塞通过两组球铰座和螺钉分别与活动横梁和下横梁连接。回程缸的回程力大小,需要根据活动件质量和锻造频次等确定。回程蓄能器站和回程控制阀块靠近回程缸布置,缩短了回程缸控制管道,减少了管道油液附加质量,有利于提高系统液压固有频率和频响特性。

6.机械化系统

现代化的快速自由锻液压机为了缩短辅助作业时间,减轻繁重的体力劳动,有效地提高生产效率,从而实现自由锻生产的自动化和机械化操作,机械化系统都配有工作台移动装置、型砧横向移动装置、上砧快速夹紧旋转装置,以及钢锭运输旋转小车等机械化设备,两砧锻造工作台、型砧横向移动装置和砧库之间的相互工作关系,以及工具配置与调配系统,如图7所示,可按程序组合和调用上下砧具。
快锻液压机锻造工具调配系统

移动工作台与型砧横向移动装置运动方向成正交布置,砧库正交布置于型砧横移装置的外端部,装有连续检测行程位置的编码器。移动工作台上可放置两套砧具,型砧横向移动装置可容纳三套型砧,砧库可容纳包含上下砧在内的四套砧模。上位机预先编制好每套型砧的上下砧的位置编号,屏幕上可随时显示出相应型砧的数据,以及它们的当前位置和调整位置。操作者点击屏幕上的任一套型砧,非常容易地识别型砧所处的位置,可得到该型砧的全部技术信息。

根据每种锻件的锻造程序对型砧的先后调动需要,当型砧随着工作台或型砧横移装置运动,进入压机中心后,上、下砧的数据信息则传递给控制系统,由快速夹紧/松开装置实现上砧自动快速更换。

在所有锻造工具中,旋转锻造工作台是一套独立的承载和传动装置,适用于某些特殊锻件的回转锻造和辗平作业。应用时,将其放置于移动工作台的镦粗模工位上。液压驱动油源已连接到移动工作台的快速接头上,将移动工作台一角的盖板打开,将安装在旋转锻造工作台内的接头软管与装在移动工作台内的快速接头连接,即可由操作台上电动控制,对旋转锻造工作台进行操作。

7.液压控制系统

快速自由锻液压机的液压系统能够以优化和节能方式适应锻造程序不断变化的要求,系统压力按照锻件材料的变形阻力大小而相应变化,使电能的消耗减少到最小,并可在最大工作压力下连续压下,特别适用于执行高压连续和间隙式压力工作程序。

液压系统的动力泵站集中设置在锻造车间内靠近锻造压机的封闭的泵房内。整个泵站由油箱装置、循环加热/冷却/过滤(HCF)系统、控制泵和保压泵系统、主泵供油增压和轴承冲洗系统、主泵组和电动机与泵头集成控制阀块、管路系统等组成。

循环加热/冷却/过滤(HCF)系统是保证设备正常运行的关键,系统的介质油的清洁度必须达到使用元件的要求,主系统≤NAS8级,控制系统≤NAS6级。热电偶温度变送器检测和采集主油箱油的温度。油箱油温通过温度信号进行控制,保证液压系统在正常的温度范围内进行工作,如图8所示。
快锻液压机主油箱及HCF循环系统原理

主工作缸在快速下降和回程时,缸体内需要补充低压油或排出低压油,可以采用两种方式,高位上油箱或低压充液罐。高位上油箱控制比较简单方便,但会增加厂房的高度,存在一定的风险,常在中小型锻造液压机上采用。低压充液罐尽量布置在靠近压机的半地坑内,通过管道与主缸上的充液阀相连接,管内的液位和压力要满足系统正常运行的要求。

主、辅逻辑控制系统采用了集成设计和分布式控制技术,操纵系统集成阀块采用了二通插装式逻辑阀,分为各种功能组,分别设置于各个工作缸的附近,合理地规定了油流方向,能够实现维护工作的简易性。由不同功能的插装件、控制盖板和先导控制球阀、快锻阀、安全阀、蓄能器、压力传感器和测压接头组成,控制油路中的油流方向、压力和流量,具有流阻小、响应快、内泄漏少、启闭特性好、主侧缸排气、安全联锁和行程极限过载保护等特点。按规定操作程序,实现系统柔性升压、升速,通过控制各阀启闭瞬时的动作时间,使工作缸柔性换向,运行平稳,降低了振动和噪声,并有助于对外泄漏的控制。图9所示为主工作缸液压系统原理。
快锻液压机主工作缸液压系统原理

常锻加压工作时,根据需要可以预选择1个主缸工作方式,2个侧缸工作方式或3个缸工作方式。当活动横梁快速下降或转慢速下降完成、上砧接触到锻件后,根据锻造压力分级,相应的充液阀和快锻阀关闭,来自泵站的高压油通过相应的进油插装阀进入主缸和/或侧缸,压机进行加压。加压速度取决于预选的泵的数量。采用绝对式光电编码器设定和检测活动横梁的行程。

当主、侧缸分别进行快速精整锻造时,相应主工作缸的充液阀处于关闭状态,进油阀处于常开状态,来自泵站的油进入主工作缸加压,同时将回程缸的油通过一个进油阀压回到蓄势站的蓄能器中;当压下行程达到设定位置时,主工作缸的高频响比例阀开启卸压和排油,蓄势站又将蓄能器的油压回到回程缸,推动活动横梁回程;当回程到设定位置时,高频响比例阀关闭,主工作缸进行下一个加压循环。锻造压机行程次数取决于所需的锻透深度、行程量、锻造速度和回程速度,当操作机优先操作方式时,也取决于操作机的行程步距。

另外,回程缸设有压力限制安全溢流阀和安全支承,活动横梁下降/提升调整回路,紧急安全手动提升(下降)回路,蓄能器加载、保压和压力限制回路。

8.液压系统快速锻造仿真计算

为确保液压控制系统的设计可靠、运行稳定,避免设备出现振动、噪声和气蚀等现象,需要对整个液压系统在不同吨位下的锻造频次进行仿真计算,完善液压系统原理设计,提供现场调试服务。

快锻液压机液压系统快速锻造仿真计算模型

采用由回程缸常压蓄势站与主缸快速锻造阀构成的位置闭环快速锻造控制系统,满足了最大快速锻造频次和锻造尺寸精度要求,图10所示为液压系统快速锻造仿真计算模型,图11所示为快速锻造液压缸位置和锻造频次。
快速锻造液压缸位置和锻造频次

9.电气控制系统

电气控制系统由上位工业控制计算机(IPC)和可编程序控制器(PLC)两级控制构成。通过计算机和PLC系统的协调工作,实现对压机工作过程的在线智能管理和控制。PLC对锻造压机及其辅助设备进行精确过程控制,包括对锻造尺寸的控制,以及锻造压机与操作机联机操作。IPC实现锻造压机设备的参数设置、人机对话操作和故障检测。U形操作台具有良好的可视性和可操作性。锻造压机和操作机由一个人操作,工作制度分三种方式,即手动、半自动和联机自动控制三种工作制度,在操作台上通过转换开关进行选择,见图12。

快锻液压机一人操作的U形操作台

 

主要特点如下:

1)清晰地再现所有控制。

2)监视所有工序过程。

3)能进行人机对话式操作。

4)能与辅助、多级计算机系统连接。

5)根据智能IPC可给出的故障指示和维修可采取的方法进行维护,容易进行修改或补充。

电气控制设备分别安装在高压与低压配电室、控制室、泵站和压机现场,包括动力柜和控制柜,1个操作台,若干个总线控制箱和若干个接线盒。压机供电为高、低压两种供电方式,主泵为高压供电10kVAC,辅助系统供电为380V,三相四线制。为避免大电流冲击,系统连锁控制各台主泵电动机分别依次启动。

系统的可编程控制器PLC采用Siemens SIMATIC S7-400系列产品,CPU程序存储容量大、运算速度高。PLC编程软件采用STEP 7,采用模块化结构程序设计,各模块之间可进行任意组合以满足各种工况要求。各种输入/输出模块使PLC直接同电气元件即电液阀线圈、按钮、接近开关、压力继电器、压力、温度、位置传感器、编码器、比例阀控制器连接,满足压机的位置、压力、速度及各主、辅助机构动作的可靠控制与安全联锁。由PLC处理锻造控制系统的所有输入数据和反馈信号(如编码器、传感器和限位开关等),并且实现所要求的过程控制。

整个PLC通过一个开放的标准化现场工业现场控制通信总线(PROFIBUS—DP)连接各个部件,分布式的内部总线允许CPU与I/O间进行快速通信,具有调整和扩展灵活的特点,见图13。

快锻液压机计算机操作网络系统

锻造尺寸控制其主要特点如下:

1)集成在PLC中。

2)全数字化的传感器系统。

3)通过补偿压机机架的延伸量对实际值进行自动纠正。

4)通过按钮开关键接受实际值。

5)按照前一次锻造行程进行实际值自动修正。

6)在上转换点对过运行进行补偿。

7)根据工件的上平面位置确定操作机动作。

8)根据锻件的上部边缘位置,自动进行压机快速下转慢速下切换操作。

9)分别显示设定尺寸和实际尺寸,在每个行程的下转换点可选择实际尺寸的连续显示或者实际储存值的显示。

10)压下和返回速度可无级控制。

可视化上位计算机可通过本地TCP/IP网络同压机控制系统连接。通过监视器、键盘提供人机对话操作。可将上位工业计算机系统连接到锻造压机和操作机的PLC系统,进行生产、工艺、控制信息的传输、数据交换和管理通信。上位机(IPC)监控界面(HMI)加Siemens视窗控制中心(Wincc)组态软件,使操作工获得下列功能信息:

1)帮助信息,例如,无响应、错误的开关设置、不正确的数据输入、没有设定初始位置等。

2)泵的选择和状态显示。

3)以文字形式显示故障信息。

4)压机设定数据和实际数据的补充显示。

还可使操作工获得下列功能信息:

执行机构的行程、速度、压力参数设定及实时显示,对设备状态数据显示和故障信息显示(包括故障报警显示和检测,极限参数报警,各动作时阀通断电检测及显示,各动作连锁条件检测及显示)进行监控,液压系统仿真显示。

工艺参数包括钢锭材质、锻造比、速度、位置、系统压力显示及工作曲线、钢锭温度设定和显示。

对控制、工艺、生产数据库中的数据进行处理。

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