國內大型自由鍛造液壓機的技術特點

成先飚，張建華，郭曉鋒

(中國重型機械研究院有限公司，陜西 西安 710032)

0 引言

進入21世紀以來，隨著我國重型機械行業的迅速發展，電力、船舶、冶金、化工、航空和航天等行業急需的高品質特大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造液壓機［1］。據不完全統計，目前國內已投產萬噸級自由鍛造液壓機共九臺，在建約七臺，國內壓機擁有量約占世界萬噸級自由鍛造液壓機總臺數的三分之一，其中140～185 MN壓機七臺，100～125 MN壓機九臺;2006年以后新建壓機中，全部機電液自主設計加工成套的有三臺左右，整套設備進口的僅有一臺，機電液全部采用國外技術，聯合加工成套的有五臺左右。

1 自由鍛造壓機的技術特點

在國內除上世紀六十年代建成的三臺舊的泵－蓄勢器傳動水壓機外，新增自由鍛造液壓機的結構特點歸納如下:

1.1 主機結構

壓機按立柱的數量分為四柱和雙柱兩種形式，一般四柱壓機為單拉桿，雙柱壓機為多拉桿。四柱壓機為傳統結構，可以滿足各種鍛件形狀和鍛造工藝的要求，結構穩定，安全可靠;雙柱壓機則具有視野開闊、操作空間大等優勢，在中小型壓機中占主流，而萬噸級壓機仍以四柱為主，國內壓機占15臺。已投產的四柱壓機最大噸位為上海重型機器廠的165 MN自由鍛造油壓機［2］(圖1)，而雙柱壓機最大噸位為中信重機公司的185 MN自由鍛造油壓機 (圖2)。

所有新建的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，這是新型壓機本體框架的基本結構［3］。

四柱壓機按壓套與上下橫梁的接觸方式，又分為壓套插入式和壓套平接式兩種形式，如圖3所示。

偏心鍛造時，平接式結構壓套的最大彎矩可以簡化為簡支梁計算，而插入式結構壓套的最大彎矩則簡化為固定梁計算，其最大彎矩為簡支梁的二分之一。也就是說，理論上講，插入式結構壓套在偏載時所承受的最大彎矩約為平接式結構的一半，如圖4所示。有限元模擬分析計算結果表明，當預緊系數取1.14時，插入式較平接式壓套的彎曲拉應力可降低約19.6%，如圖5所示。插入式壓套兩端面與梁的接觸面積可達80%以上，而平接式壓套兩端面接觸面積僅為25%，如圖6所示。因此，插入式較平接式壓機框架剛度明顯增強。近年來，壓套插入式結構已廣泛應用于四柱壓機的框架結構。

國內萬噸級壓機均采用等徑三缸上推式，缸體倒裝在上橫梁，因此防止缸體和管道油液的泄漏至關重要，國內已發生油壓機頂部油液泄漏引起火災的案例，應引起設計制造者和使用維護者的高度重視。

下拉式結構缸體正裝在下橫梁，可以有效避免因泄漏引起的火災，廣泛應用于中小型壓機。但對于大型壓機由于地下基礎太深，造價昂貴，在國外近30臺萬噸級自由鍛造液壓機中僅有2～4臺采用下拉式結構。

工作缸一般都采用雙球鉸中間桿結構，可以有效減小偏載時缸內導套磨損，延長密封壽命［4］。其結構簡圖如圖7所示。

活動橫梁分為整體式和組合式兩種結構，組合式將導向座與梁體組合，可在壓機框架不解體的情況下把梁體取出，方便維護。活動橫梁均采用環繞壓套四周可調式平面導向裝置，可以精確調整動梁與壓套之間的導向間隙。一般在動梁上均設有上砧快換或上砧旋轉裝置，縮短換砧時間。

圖7 工作缸簡圖Fig.7 Diagram of working cvlinder

1.2 液壓系統

壓機的液壓動力裝置分為泵——蓄勢器傳動和泵直接傳動兩種形式。泵——蓄勢器傳動近似為恒壓力傳動，壓機工作速度與鍛件變形抗力有關;而泵直接傳動近似為恒流量傳動，壓機工作速度僅與投入主泵的數量有關，與鍛件變形抗力無關，泵直接傳動壓機的恒速性使鍛件的尺寸控制精度可達到較高水平。選擇乳化液作為工作介質的壓機多采用泵——蓄勢器傳動，俗稱自由鍛造水壓機;選擇液壓油作為工作介質的壓機則采用泵直接傳動，稱為自由鍛造油壓機［4］。

油壓機具有低投入、低功耗、高精度和高壽命等顯著特點，近年來已成為國內外自由鍛造液壓機的主流方向，本世紀國內新投產的壓機僅有三臺為水壓機，其余均為油壓機。

油壓機的電液控制系統分閥控系統和泵控系統兩類。

閥控系統具有高精度和高頻響的特點，被絕大多數壓機所采用。由高壓泵供液，通過比例伺服閥控制工作缸的進排液和卸壓，實現鍛壓和回程動作的轉換;通過改變泵的供液流量，實現壓機的速度控制。控制原理如圖8所示。

泵控系統用于油品好、效率高、功率大的場合。泵控系統的代表公司為德國潘克 (PAHNKE)，它采用潘克改進型正弦驅動系統，工作缸直接由變量伺服泵控制進排液和卸壓，通過調節可變向泵的流體速率可使壓機無級變速;通過正弦運動方式變換流動方向，進行鍛壓和回程動作轉換，在主油路中無需設方向控制閥，控制閥全被集成于泵裝置中。控制原理如圖9所示。本系統主泵僅限于選用潘克 (PAHNKE)正弦改進型高壓徑向柱塞泵，其余高壓泵不能在這樣的系統中使用。

1.3 電控系統

所有壓機的電控系統均以可編程控制器(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。操作機和鍛造壓機由獨立PLC單元控制，通過高速通訊總線進行數據交換，實時采集相關數據 (如位置、壓力、溫度、液位等)，不僅可實現壓機、操作機或輔助設備的單機程序控制，還可以對壓機、操作機及輔助設備進行聯機程序控制。一般壓機和操作機共用一個操作臺，由一名工人控制操作，在操作臺可實時監控液壓系統關鍵控制泵閥的工作狀態，并完成鍛件的工藝參數設定和生產報表管理等。

主泵驅動大多采用6 kV或10 kV的高壓電機。

2 輔助設備

萬噸級自由鍛造液壓機均配有2～3 MN/4.5～7.5 MN·M有軌式全液壓鍛造操作機，以國外SMS、DDS等著名公司設計，國內制造為主，整機引進的很少。國內最新自主研發的世界最大的3 MN/7.5 MN·M有軌式全液壓鍛造操作機已經得到應用，打破了國外公司長期壟斷國內大型有軌式全液壓鍛造操作機市場的局面。

一般用于鋼錠轉運和鍛件掉頭的回轉升降臺或運錠小車是壓機的必配裝置。在中小型壓機得到廣泛應用的其它輔助設備如頂出器、橫向移砧臺和砧庫等，在萬噸級自由鍛造液壓機上配備不多。

3 發展趨勢

無論從萬噸級自由鍛造液壓機的數量或規格來看，我國已成為世界擁有最多數量、最大噸位重型自由鍛壓設備的國家。國內萬噸級自由鍛造液壓機和全液壓鍛造操作機的設計成套能力已達國際先進水平。隨著自由鍛造液壓機向智能化、精細化和程序化方向發展，我國現階段的首要任務是:

(1)從設計、制造、使用、維護和環境等方面全方位深入研究探討，確保油壓機工作的安全性。

(2)注重新材料和新工藝的開發，使國內電力、船舶、冶金、化工、航空和航天等行業急需的高品質特大鍛件全面國產化。

(3)控制系統實現精細化控制，提高產品的精度和生產效率。

(4)建立現場通訊網絡，相關設備進行聯控，實現自動程序鍛造。

［1］ 高峰，郭為忠，宋清玉．重型制造裝備國內外研究與發展 ［J］．機械工程學報，2010，(19):92－107．

［2］ 錢康華，張鈞杰．165 MN自由鍛造油壓機制造中的精度測量與控制 ［J］．上海電氣技術，2009，(4):13－17．

［3］ 王勇勤，戴文軍，嚴興春．大型鍛壓機預應力結構受力－變形的分析與研究［J］．鍛壓裝備與制造技術，2008，(3):29－31．

［4］ 俞新陸．液壓機 ［M］．北京:機械工業出版社，1982．