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重型自由锻液压机的工作原理、特点及主要应用领域

重型自由锻液压机的工作原理、特点及主要应用领域

作者:admin    来源:未知    发布时间:2020-08-07 00:20    浏览量:

进入21世纪以来,随着我国重型机械行业的迅速发展,在国防、电力、船舶、冶金、化工、航空和航天等行业急需的高品质特大型锻件,已成为制约我国大型装备制造业发展的瓶颈,各行业均将目光转向了发展万吨级自由锻液压机。据不完全统计,目前国内已投产万吨级自由锻液压机共18台,拥有量约占世界万吨级自由锻液压机总台数的四成,其中140~195MN超大型压机6台。

重型自由锻液压机的工作原理

液压机是以高压液体(油、乳化液等)传送工作压力的锻压机械。液压机从结构上易于得到较大的总压力、工作空间和行程,并能够在任意位置发出最大的工作力,易于得到较大的锻造深度,最适合于大锻件的锻造。液压机按所使用的动力装置分为泵直接传动和泵-蓄势器传动。按工作介质分主要有两种,采用乳化液的一般称为水压机,采用液压油的称为油压机。在自由锻液压机中,水压机一般采用泵-蓄势器传动,油压机采用泵直接传动。

泵-蓄势站传动的自由锻水压机维持了近百年,其操纵系统,虽然几经改革,但仍然以手动操作为主,且无精度控制。进入20世纪50年代,随着工业革命的进一步发展,对锻压设备提出了新的要求,如自动化生产、高精密锻造次数和锻件厚度尺寸精确控制等,通过对自由锻压力机增加锻件尺寸控制,增加辅机,由计算机控制,使压机与操作机进行联动来提高劳动生产率,减轻工人劳动强度,是自由锻工艺的一大突破。但若采用传统的泵-蓄势站传动的水压机是难以实现的。此时,油系统液压技术已趋于成熟,油控基础元件品种规格齐全,加之,油压系统比水压系统有很多优势,于是,各国开始专注于油压机的研究开发,英国和德国首先在油压机上成功实现厚度控制和液压机与操作机联动,使泵直接传动自由锻油压机得到快速发展和应用。

为了满足压机自动化、高速度和高精度的生产需要,到20世纪70年代,欧美各国便开始对旧的泵-蓄势器传动水压机进行改造,努力使水压机达到或接近油压机的控制水平,第一种方式便是废弃旧的操纵系统和水泵蓄势站,留用压机的本体,重新配备油压系统,变为泵直接传动的油压机。第二种方式是保留原有的水泵蓄势站,依然利用《水压机零部件》标准中类似的分配器,采用油压伺服系统控制主分配器的摇杆轴摆动,并增加位置反馈;或者,采用油压伺服系统控制伺服液压缸完成压机进排水阀的启闭,实现快锻和锻件的尺寸精度控制。

重型自由锻液压机的特点

1.油压系统逐步取代水压系统,为实现自由锻的数控化、高精度化和程序化创造条件

目前,世界万吨级的自由锻液压机40多台,泵-蓄势器传动水压机最大吨位为中国第二重型机械集团公司的160MN水压机,泵直接传动油压机最大吨位是195MN油压机。国内除20世纪60年代建成的三台旧的泵-蓄势器传动水压机外,新增水压机仅三台,其余均为油压机。

泵直接传动和泵-蓄势器传动系统两种动力装置技术分析比较见下表。
泵直接传动和泵-蓄势器传动的技术分析

(1)基本性能比较 由上表可知,泵直接传动与泵-蓄势器传动压机的主要差别在于,泵直接传动压机活动横梁的运动速度取决于泵的供液量,而与锻件变形阻力无关,利用恒定的速度及变化的压力作为操纵分配器的信号,易于实现压机的自动控制;泵-蓄势器传动压机的活动横梁的运动速度取决于锻件变形阻力,与泵的供液量无关,而锻件变形阻力在锻造中是变化的,实现压机的速度控制很难,另外,由于目前还没有成熟的水系统元件,必须借助油系统间接控制水阀门的流量。如对中小型水压机多采用油压伺服系统控制主分配器的摇杆轴(或凸轮轴),而对大型水压机多采用油伺服阀(或高性能比例阀)控制伺服接力缸来分别控制主分配器中的单个水压阀门。无论哪种油控水的改造方案,都是力求达到泵直接传动的控制水平,然而,由于泵-蓄势器传动压机锻造速度的非恒速性,即使进行了上述的油控水技术改造,泵-蓄势器传动压机锻件尺寸误差值仍为泵直接传动压机锻造尺寸误差值的3~5倍。

(2)运行效率比较 泵-蓄势器传动时泵的供液压力为蓄势器压力,仅在某一特定范围内波动,而与压机负荷无关;泵直接传动时泵出口压力是随液压机的负荷变化而变化,这样就引起了传动效率的差异。清华大学俞新陆教授主编的《液压机》中以1500t锻造液压机为例作了对比分析,见下表。
泵直接传动和泵-蓄势器传动的液压性能比较

从而可以看出,泵直接传动的泵流量配置比泵-蓄势器的高约一倍,但由于锻件大小不同,实际所需变形力各异,前者不总是在最大负荷下工作,由此造成泵直接传动平均功率消耗仅为泵-蓄势器传动平均功率消耗的1/4~1/2,也就是说泵直接传动的实际功率消耗远远低于泵-蓄势器传动,对于大型自由锻压机泵直接传动会显示出更大的优势。

(3)投资分析比较 泵直接传动与泵-蓄势器传动压机的本体和电气的投资差异不是很大,主要表现在液压系统上的差别。以60MN自由锻压机为例,其主要配置见下表。

60MN自由锻压机主要技术参数

从目前了解的市场报价来看,泵-蓄势器传动仅国产主泵、蓄势水罐和气罐三项合计约1800万元(若选用进口水泵,则价格更高),泵直接传动选用进口液压泵总价仅约260万元;加之,泵-蓄势器传动系统阀门的加工成本较泵直接传动系统要高很多,阀体质量大。因此,泵直接传动系统购置成本约为泵-蓄势器传动系统的一半。另外,由于水系统阀门的寿命低、故障率高、冲击振动大等原因,必将造成设备运行的使用维修费用大大提高。

(4)结论 从以上的分析可知,泵直接传动系统的自由锻油压机具有以下优点:

1)符合国际上自由锻液压机的发展趋势,满足大型自由锻向数控化、高精度化和专业化发展的需要。

2)泵直接传动油压机控制精度比泵-蓄势器传动水压机高3~5倍,压机运行平稳,冲击振动小,设备寿命长。

3)采用进口液压泵及液压控制元件的泵直接传动系统购置成本约为采用国产水泵及元件的泵-蓄势器传动系统的一半,备品备件价格低廉、使用及维修费用小。

4)泵直接传动平均功率消耗仅为泵-蓄势器传动的1/4~1/2,可实现高效节能。

5)泵直接传动压机可控性好,控制阀反应灵敏,卸压快速平稳,可以实现快速锻造。

2.高压大流量快速无冲击供排液系统,保证油压机动作的快速性和平稳性

由于万吨级液压机运动部分的质量很大,加之,高压力、大流量的液体在系统升压、卸压和主阀开关时会产生巨大的能量冲击,引起液压管道乃至整个压机的振动,如何实现高压大流量油液的快速平稳卸压是液压系统设计的关键。例如江苏国光195MN油压机,压机运动部分质量超800t,在加压结束进行动作转换时,液压系统最高压力达35MPa,主缸和管道内油的压缩容积超500L,是同吨位水压机水的压缩容积的1.5倍,无冲击快速卸压难度极大。借助高压大流量快速供排液系统,完成高压或低压超大流量快速进排液和高压大流量压缩油液的无冲击快速卸压,是保证锻件尺寸精度、工作频次和平稳性的必要条件。

3.全预应力组合机架结构,增加框架刚度,提高压机抗偏载能力

新型压机均采用全预应力框架结构,其结构特点是将在偏载下承受拉弯联合作用而处于复杂受力状态的立柱,改成由拉杆和压套分别近似单一承载,即高强拉杆承受近似单向拉伸力,大截面压套承受偏心锻造时产生的弯曲力,提高框架的疲劳寿命和整体刚度。

4.大型铸锻件的极端制造和装配,严重制约重型锻造压机的发展

万吨级压机的制造首先受制于大型铸锻件的加工技术,压机的上横梁、下横梁、活动横梁、主柱塞、主缸体、工作台、压套和拉杆等超重和超大的零件,对制造厂的浇铸、锻造、运输、焊接、热处理和加工等提出严峻考验,极限加工甚至超限加工成为常态,这在超过150MN四柱锻造压机的制造中表现尤为突出。其中,上横梁质量近400t,铸件毛坯约600t,直接挑战制造厂大型铸件的铸造、起重、运输、加工能力和技术水平;四根拉杆锻件长度超过20m,给锻造、加工和热处理增加很多困难;每根压套质量近150t,采用锻焊结构,焊接残余应力如何消除等;这类压机超过百吨的大零件约占总质量的60%,施工现场的起重、运输、修配、安装和调试等是对技术水平和综合能力的考验。

5.智能化电气控制系统,提高系统的可靠性,降低设备的故障率

电气控制系统以西门子可编程控制器(PLC)为主控器,以工控机作为人机监控界面,组建工业现场控制网络,利用位移、速度、压力、温度等传感器对压机和操作机进行在线实时检测,实现压机单机控制及压机与操作机的联动控制。

重型自由锻液压机的主要应用领域

大型铸锻件制造能力反映了国家在国民经济、国防军事等领域的高端综合实力。重型自由锻液压机是解决大型和超大型锻件制造能力和技术水平的核心装备,适用于钢锭的开坯和各种轴类、饼类、环类等锻件所对应的镦粗、拔长、滚圆、冲孔、扩孔等锻造,为国防、电力、船舶、冶金、化工、航空和航天等重大装备制造行业提供大型和特大型高品质锻件。产品包括大型曲轴,高、中、低压转子,船用舵杆,核电(筒体、封头、锥体等)和支承辊等。

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