鍛造起重機的特點及配套翻料機的計算

郝建光

(太原重型機械(集團)有限公司技術中心，山西030024)

鍛造起重機是太重的主要產品之一。在20世紀70年代我公司生產過320 t和200 t鍛造起重機。2007年開始先后為一重、中信重機、泰安山口設計生產了550 t鍛造起重機，配套使用470 t的翻料機，是目前最大規格的鍛造起重機。還為邢臺中機、馬鋼、武鋼東北特鋼等配置了200 t、300 t、180 t不同規格的鍛造起重機。鍛造起重機作為一種特種起重機，為了滿足鍛造工藝要求，在結構設計和安全保護等方面有別于其它起重機。由于鍛件規格種類繁多，所以有的鍛造廠配套兩臺相同規格的鍛造起重機，以方便在鍛造大型環形鍛件時采用兩臺鍛造起重機通過抬桿由兩臺翻料機同時工作來實現翻料。如果是軸類零件，通常用一臺起重機由主、副鉤配合翻料機翻料，實現鍛壓、拔長等工藝。

如果鍛造車間同時配置有鍛造起重機和鍛造操作機，在鍛造大型零件時可以配合使用。在不需要副鉤參加鍛造時，可以將鍛造起重機做成雙梁單小車結構，例如東北特鋼的200t/50t鍛造起重機，其副鉤只用于檢修及地面工件的吊運，不參加鍛造。

下面通過對鍛造起重機結構和特點的介紹，可以更好的了解它，以便于在工作中更好的利用它的各種性能。

1 鍛造起重機的結構型式

通常鍛造起重機采用三主梁四軌雙小車結構，見圖1。由橋架、主小車、副小車、起重機運行機構、主副吊具、翻料機和司機室裝置等部件組成。為了防止鍛件拔長時鋼絲繩脫離卷筒繩槽，主、副小車起升機構的卷筒均平行于主梁方向，翻料機掛在主鉤上，通過鏈條轉動帶動鋼錠或鍛造套筒轉動，實現翻料。在副鉤下掛鏈輪鏈條裝置，配合翻料機支承鍛件或鍛造套筒。壓機進行自由鍛造時，灼熱鍛件的壓縮量較大，為了防止將水壓機的部分壓力通過鍛件傳到起重機上，在上滑輪組、翻料機和副鉤上均設有緩沖彈簧，在主起升機構中設有機械松閘和電氣松閘裝置。司機室掛在主梁的下方，電氣控制元件放在主梁內部的電氣間里，設有司機室和遙控兩種操作方式，現場操作主要以搖控為主。在副小車上配置的小鉤只用于地面設備的吊運，不參與鍛造也不設緩沖彈簧。在地面有、無鍛造操作機的情況下都可選用這種型式。這種配置的特點是可以用鍛造起重機或操作機進行鍛造，也可實現特殊情況下的聯動。另一種型式是雙梁單小車結構的鍛造起重機，由于選用的廠家較少，就不加敘述了。

圖1 鍛造起重機結構Figure 1 The structure of forge crane

2 鍛造起重機與常規起重機的不同點

常規的起重機，如鑄造起重機、板坯夾鉗、電磁掛梁、電站橋門機、干法熄焦提升機等，它們有一個共同特點是：最大提升載荷是固定的。是否提升由起重機自身來控制，起重機如果出現超載，首先是負載限制器起作用，通過控制系統保證起升機構不提升載荷，達到保護起重機的目的。鍛造起重機則不同，除了起吊的載荷外，由于壓機和起重機是由兩個操作者來控制的，如果起重機不工作，壓機的操作人員仍然在進行鍛件下壓，則壓機的下壓能力，會遠大于起重機的工作能力，如果采用常規的起升機構，就會導致起重機破壞。為了保證在上述工況下起重機的安全，在鍛造起重機主起升機構中均設置機械松閘機構和電氣松閘機構。它的原理如下：制動器特殊設計，帶有松閘機構，在超載時首先通過機械松閘機構限制制動器的制動力矩，限制載荷不超過調定的載荷。超過該值時通過電氣松閘機構，切換到電氣制動狀態，將制動器打開，允許下降，在載荷降低到調定的載荷以下時重新實現機械制動。

3 鍛造起重機特殊構件簡介

鍛造起重機工作時要承受較大的沖擊載荷，需要用彈簧來吸收沖擊能量，所以在滑輪組、翻料機及副鉤中均采用變截面塔型彈簧。與一般圓柱形彈簧比較，塔型彈簧具有體積小、吸收沖擊能力高的特點，特別適合用于外形尺寸受限制，受力大，但又要承受強烈沖擊的機械上。塔型彈簧由鋼板熱卷成，它還有一個重要特性，就是它的特性曲線(負載與變形的關系曲線)不是直線而是曲線，在小負荷時剛性較低，重負荷時剛性較強，這一特性使得物體接觸的瞬時產生的強烈沖擊得到顯著的降低，同時能較好的滿足機械松閘裝置對起重機的保護要求。彈簧變形量還是機械松閘裝置的動力源，該裝置的目的是限制超載時制動器制動力矩的大小，起到保護起重機的目的。

4 鍛造設備的配置及鍛造方法

鍛造車間通常配置有壓機(水壓機或液壓機)，鍛造起重機，鍛造操作機，加熱爐等。從現有裝備看，鍛造起重機、翻料機與壓機通常采用表1所示的配置。

由于鍛件規格種類多，所以有的鍛造廠配套兩臺相同規格的鍛造起重機，方便在大型鍛件鍛造時兩臺翻料機配合動作。

如果鍛造車間同時配置有鍛造起重機和鍛造操作機，在鍛造大型零件時可以配合使用。

表1 鍛造車間配置Table 1 The configuration of forge shop

5 翻料機

翻料機是鍛造起重機實現翻料的工作裝置，主要由上部懸吊裝置、翻料機構、下部傳動裝置和機架四部分組成。上部懸吊裝置的目的是設一組緩沖彈簧，實現減振和緩沖。翻料機構由電機、力矩限制器、制動器、蝸輪蝸桿減速機、開式齒輪及鏈輪鏈條組成，通過鏈條帶動鍛件轉動實現翻料。電磁力矩限制器由于體積小，調控方便，是翻料機構中的首選，通常用24 V直流電壓控制，力矩的大小靠調節電壓的高低來控制，可在司機室實現調節。減速機為平面二次包絡蝸輪蝸桿減速機。平面二次包絡環面蝸桿副是一種新型環面蝸桿付，它是以一個平面為母面，通過相對圓周運動，包絡出環面蝸桿的齒面，再以蝸桿的齒面為母面，通過相對運動包絡出蝸輪的齒面。它的特點是，環面蝸桿付與蝸輪同時嚙合的齒數多，蝸桿齒面磨削而成，硬度≥50HRC，精度也很高，接觸線的總長度長，齒面潤滑角大，嚙合中易生成動壓油膜，減少齒面磨損。具有承載能力大，使用壽命長，傳動效率高等優點，適合于重載傳動，比漸開線蝸輪蝸桿減速機好。

6 翻料機構的設計和需要注意的問題

翻料機構是鍛造起重機所特有的機構，計算選擇元件的前提是必須滿足機構的工作要求，必須考慮鍛件鍛造中出現的工藝載荷，例如工件偏心造成的附加載荷，部分工裝的重量。通常翻料機構工作制為M6(重級)，電機和力矩限制器可用下面的方法確定，其它元件依據電機功率來確定。

1)翻料電機的選擇計算

電動機可按下式進行初選：

式中Gn——翻料載荷(指最大鍛件的重量)，單位t；

Gz——需要與鍛件同時翻轉的最大工裝重量，單位t；

V——翻料機鏈條的回轉線速度，單位m/min；

η——機構效率；

P——電機功率，單位kW。

2)力矩限制器的選擇

力矩限制器的作用是在超載時對翻料機構實現保護，力矩限制器的最大力矩的選擇要考慮電動機的起動過程，應不低于電機額定轉矩的兩倍。電機的力矩為：

式中M——電機額定轉速下的轉矩，單位Nm；

n——電機轉速，單位r/min；

P——電機功率，單位kW。

3)翻料電機的復核

在實際鍛造中工況千差萬別，翻料的最大翻轉力矩出現在軸類零件的開坯階段。將鋼錠鍛成軸，先要壓出鉗口，裝入套筒，見圖2。為了將鋼錠的鉗口裝入套筒中，兩者的直徑會有較大的差值，會導致工件與套筒的不同心，產生附加翻料轉矩。翻料的部位在套筒上，而不是工件，這個力矩很大，且具有很大的隨機性，套筒直徑的大小也直接影響翻料機構產生的最大翻轉力矩。電機和力矩限制器提供的力矩要能滿足最大翻轉力矩的要求，如不夠，應給以修正。翻料機設計時要充分考慮工藝載荷，這是鍛造起重機與其它起重機的不同點之一，要特別關注。

圖2 坯料翻轉Figure 2 Turn over blank

7 鍛造起重機標準的特殊規定和調試要求

鍛造起重機作為特種起重機，對機構的調試也有許多特殊要求。

靜載試驗：起重機靜載按1.4Gn加載，主副小車起升試驗分別進行。試驗主小車起升時副小車開到橋架端部，試驗副小車時起升主小車開到橋架端部。

動載試驗：按1.2Gn加載，保證1.0Gn時不松閘，主小車主起升機構，當起重量超過1.2Gn時松閘裝置開始打滑。

翻料機試驗：將翻料機掛在主鉤上，翻轉鏈條懸掛在副鉤上，并下降到工作位置，然后應抬起相當于1.2倍最大鍛件重量的整個試件，做翻轉試驗。通常工件直徑比較大，翻轉會很輕松。實際鍛造中工況千差萬別，比如圖2中的工況，需要根據翻料機的能力，對套筒直徑提出適用范圍。由于鍛造起重機的試驗載荷為1.4倍的額定載荷，大于GB/T5905《起重機試驗規范和程序》中3.3.1.3條所規定的起重機試驗載荷為1.25倍的額定起重量的要求，這一點也要特別注意。

[1] GB3811—2008 起重機設計規范.

[2] JB/T7688.10 鍛造起重機.

[3] GB/T5905 起重機試驗規范和程序.