缸動式快鍛液壓機的性能分析

孫 茂，劉崇民

（上海蘭石重工機械有限公司，上海 201108）

缸動式快鍛液壓機的性能分析

孫 茂，劉崇民

（上海蘭石重工機械有限公司，上海 201108）

分析了缸動式快鍛壓機的整機構造、結構型式、機架受力，論述了缸動式快鍛壓機的性能特點、發展前景，提出缸動式快速鍛造液壓機是替代蒸-空氣鍛錘的最佳選擇，將成為小型快鍛壓機的發展方向。

液壓機；快速鍛造；缸動式；X導向；預應力整體框架；多泵容積控制；預測型模糊控制

快速鍛造液壓機的加壓速度和控制精度是衡量快鍛壓機性能的主要參數，鍛造速度決定了快鍛壓機的工作效率及運行平穩性，控制精度決定了鍛件的鍛造質量及鍛件材料的利用率，直接影響經濟效益[1]。從1994年蘭石公司在國內推出第一臺快鍛壓機開始，經過二十多年努力，快速自由鍛造壓機在國內已有了長足發展。與國外同行相比在小型快鍛壓機的結構型式、性能參數上還有一定差距。國內小型快鍛壓機還主要以下拉式為主，這種型式的快鍛壓機雖有諸多優點，但由于活動部分的運動慣量大，制約了其快速性能。而代表著小型快鍛機發展方向的缸動式快鍛壓機將以其強大的優越性，在中小型快鍛機領域扮演重要角色。

上海蘭石重工機械有限公司從2008年開始在吸收國外先進技術的基礎上，結合三十年快鍛壓機實際使用和設計經驗，經優化設計后，開發出6.3MN、8MN、10MN、12.5MN、16MN 系列缸動式快鍛壓機，其中6.3MN、10MN、12.5MN均已于2012年投放市場。近幾年來的實際應用證明缸動式快鍛壓機在控制精度與快速性方面與下拉式快鍛壓機相比具有明顯優勢，缸動式快鍛壓機的最高鍛造頻次可穩定運行在200min次/分，壓下量10mm時的鍛造頻次達到60次/分，已經與鍛錘的每分鐘打擊次數相當。因此缸動式快鍛壓機將是取代自由鍛錘首選設備。

1 缸動式快鍛壓機結構

缸動式快速鍛造液壓機的主機本體結構如圖1所示。

圖1 缸動式快鍛壓機本體結構示意圖

與下拉式快鍛壓機相比，缸動式快鍛壓機具有鮮明的結構特點。其主機由兩部分組成，整體鑄造框架8與由上橫梁2、柱套5、通過四根預應力拉桿4及預緊螺母1連接的預緊結構組成一個整體機架。工作缸柱塞3固定在上橫梁2上，高壓液壓油可以通過工作柱塞供給工作缸7。工作缸7的外平面可以在整體式主框架上梁內部的導向機構上下移動，上砧9固定在可以移動的工作缸體上，工作缸體在整體式主機架8內部呈“X”形方向的上下8塊導向板6內作往復運動。因此缸動式快鍛壓機沒有活動橫梁。回程缸14固定在整體式主機架8的上梁內部，回程缸柱塞13通過小動梁12和工作缸7連接在一起，帶動工作缸7作回程運動，而工作缸7外表面為圓形加工出來的四個導向平面，四個平面通過上下8塊呈“X”形分布的導向板6實現平面導向。工作缸7與導向板6之間的間隙可通過導向楔板來調節導向間隙，保證導向精度。圖2為缸動式快鍛壓機工作示意圖。

圖2 缸動式快鍛壓機工作示意圖

2 缸動式快鍛壓機性能分析

2.1 整體框架結構偏載受力分析

整體框架預應力缸動式結構具有獨特的梁柱組合特點，由主機架、副機架兩個受力框架組成，將整體框架和預應力立柱兩種結構型式巧妙地結合起來，主機架、副機架、工作主缸體具有合理的剛度比。

下面對缸動式預應力整體框架式結構偏載時的受力進行分析。

上機架又稱副機架，由預應力拉桿、套筒、上橫梁、預緊螺母等組成。上機架在偏載作用下，一般會隨移動工作缸偏擺，可以認為上機架與固定其上的工作缸柱塞對移動工作缸偏擺的約束不大，從而可簡化整體式機架的計算，其偏載受力簡圖如圖3所示。上機架和主機架如圖4所示。

圖3 工作缸偏轉時的側向力和位移

圖4 整體框架與預應力結構組合

在偏心載荷形成的彎矩作用下，主工作缸將產生偏轉，并在整體機架的導向機構上1、2兩點處形成側向力T1、T2及相應的水平位移△1、△2，在工件處也有側向力推力T，如圖3所示。側向力T1與T2和工作缸與導向板上的彈性壓縮變形基本成正比，可以近似認為：T1/T2=△1/△2

在偏心載荷作用下，主工作缸會以偏心為支點產生轉動，整體框架上部導向板處在外力作用下變形，假設導向板與整體機架間沒有間隙，則整體機架與主工作缸在1、2兩點的位移應該分別相等，即：

△1架及△2架分別為整體式機架上1、2兩點在受力后的位移值，△1移及△2移分別為主工作缸上1、2兩點在主工作缸受偏心載荷作用下轉動時的位移值。

△1移與△2移的比值可以用純幾何關系求出[2]：

式中：C12——機架幾何尺寸決定的常數。

缸動式快鍛壓機主機整體剛性好，在偏心鍛造時，主工作缸的偏擺主要由主機架進行約束，減少了機架晃動，具有較高的抗偏心載荷和抗動載能力；而副機架中的預應力拉桿則只承受軸向拉應力，拉桿應力值波動小，抗疲勞強度高，使用壽命高。因此這種組合機架具有較高的抗偏載能力和抗疲勞強度。在同樣偏載的狀況下，應用計算機有限元分析與計算方法進行了對比，缸動式整體框架預應力結構要比上傳動及下拉式快鍛壓機受力狀況好，機架變形小。因此保證了缸動式快鍛壓機在高的鍛造速度和工作頻次下平穩工作。在選擇快速鍛造工作方式時，快鍛次數可達到200次/分。

2.2 活動部分質量小

缸動式壓機的活動部分質量輕，運動慣量小，因慣性引起在停位精度方面的超程量也小，控制相對容易，控制精度高。并且鍛造速度快、頻次高，大大提高了生產效率。

以10MN缸動式快鍛液壓機為例，缸動式快鍛壓機其活動部份質量比下拉式快鍛壓機減輕55%，鍛造速度140mm/s，快鍛頻次最高可達200次/分。實際應用的經驗和計算證明，鍛造速度提高30%，生產效率可提高16%。因此缸動式壓機的生產效率比下拉式提高約10%～15%。而相同級別的下拉式壓機，其鍛造速度一般在100mm/s左右，其快鍛頻次一般也不超過100次/分。

此外，由于運動部分質量輕，驅動消耗功少，比較節能。如圖5所示，仍以10MN缸動式快鍛液壓機為例，其運動部分的重量約為21t，不到相同級別的下拉式快鍛液壓機的50%（10MN下拉式快鍛液壓機活動部分的重量約為45t）；以每年工作300天，每天工作20h計算，由于運動部分重量較輕而節約的電能約為 160000°。

圖5 活動部分質量小

2.3 適應惡劣鍛造工況

整個導向機構上移，氧化皮等臟物不易損傷導向面；兩立柱表面均為鑄造平面，制造工藝性好，在使用中受到碰撞摩擦損傷時，不會影響機架的壽命，更加適合用于自由鍛造環境。

主工作缸缸口向上，工作柱塞的密封部分在機架上部，離高溫鍛件的工作區較遠，延長了密封的使用壽命，維修更換方便；四周裝有高頸接油盤，油液滲漏不到工作區域，比較安全。如圖6所示。

圖6 主缸缸口朝上

2.4 工作缸使用壽命長

液壓缸直接靠缸底支承與固定在橫梁上的結構稱為缸底支承，這種缸不需要法蘭，消除了法蘭區的應力集中；就工作缸的受力狀態而言是一種很好的結構型式，但由于這種結構使橫梁和壓機高度有較大增加，所以在快鍛壓機上使用不多。缸動式快鍛壓機的構造使其適合采用缸底支承結構，同時又不增加壓機高度，進而改善了工作缸的受力狀態，大大提高了工作缸的使用壽命。如圖7所示。

圖7 缸底支撐

2.5 預應力拉桿設計

優化設計預應力拉桿與空心柱套截面積比值，使拉桿受合理預應力后在鍛造過程中壓縮與拉伸比更加合理。

預應力拉桿是壓機的關鍵受力零件，由高強度合金鋼制成，技術要求很高。而缸動式快鍛機的預應力拉桿長度只是普通上壓式快鍛機預應力拉桿長度的1/2，降低了加工制造難度，質量更容易得到保證。

2.6 導向精度高

主框架為鑄鋼件，剛性極強，在受力狀況下，框架上梁基本上沒有撓曲變形，導向裝置固定在框架上梁內部，距離熱源較遠，熱輻射造成的工作缸膨脹變形小。“X”形導向結構，導向面呈對角線分布，不會使工作缸因受熱膨脹而減小導向面間的間隙，偏載時導向面上的比壓也降低。同時主缸體作為受力件剛性也很強，形變很小，因此缸動式快鍛壓機可采用高精度導向，導向面間隙一般調整在0.3mm左右，而下拉式快鍛壓機導向面間的間隙一般在0.8mm～1.2mm。

高精度導向也是缸動式壓機在高頻次鍛造工況下保持平穩運行的原因之一。如圖8所示。

圖8 X形導向

2.7 設備基礎費用低

缸動式快鍛機的基礎施工費用約為同規格下拉式快鍛壓機的25%。

此外，采用缸動式液壓機替換已有的鍛錘時，還可以利用原有的地基，并且安裝相對容易，使用安全性能高。

2.8 液壓系統采用油泵直接傳動

液壓傳動系統采用多泵分級和變量泵相結合的容積節流調速方式，主缸采用分流進液，蓄能器恒壓回程，主缸卸壓采用伺服比例閥卸荷的液壓傳動系統。既有正弦泵控制系統的平穩性、快速性，又有開關閥組控制系統的低成本和易維護性[3]。壓機工作速度快、頻次高、沖擊小、運行平穩。快鍛頻次最高可達200 次/分。

2.9 預測型多模式模糊控制

電控系統采用預測型多模式模糊控制技術，由預測機構、開關控制器、速度控制器、位置控制器、控制對象和傳感器組成[4]。根據快鍛壓機工作特點，在大偏差范圍內采用開關控制，在趨向目標位置時采用速度控制，在接近目標值時采用位置控制。控制方式的切換時點由預測模型決定。這種控制方式形式簡單，具有快速、準確、超調量小及對參數不敏感的特點。缸動式快鍛液壓機采用預測型多模式模糊控制技術使鍛造尺寸控制精度最高可達±0.5mm。

3 前景與展望

綜上所述，缸動式快鍛壓機的主機結構、液壓傳動與控制方式使其具有工作速度快、控制精度高、鍛造頻次快、加工制造性優良、土建基礎費用低等特點，是一款具備良好發展前景的小型快鍛壓機機型。

目前，我國在線運行的小型快鍛壓機主要以雙柱下拉型式為主，結構單一。原因主要是：①我國對快鍛壓機的研究起步比較晚，對快鍛機結構了解比較少，加上雙柱下拉式快鍛壓機最先傳入國內；②當時液壓密封材料使用壽命與可靠性還不能滿足上傳動型式壓機安全性要求，因而小型下拉式快鍛壓機占主流地位。

目前，國內數千家大小不一的鍛造廠，擁有兩萬多臺自由鍛造設備，大多是老式的自由鍛錘和水壓機。這些老式設備故障率高、耗能高、精度低、效率低、產品附加值低，遠遠不能滿足國內對鍛件的尺寸精度和生產效率的要求。

因此，小型快鍛壓機取代蒸-空氣鍛錘、電液鍛錘和水壓機將是鍛造行業發展的必然趨勢[5]。而缸動式快鍛液壓機將是首選設備。其較高的鍛造速度，與電液錘相當的鍛造頻次，優良的鍛件尺寸控制精度，以及高效、節能、環保的優勢，成為小型快鍛壓機的主流形式，必將加速蒸-空氣鍛錘和電液錘的更新換代。

[1]中國機械工程學會鍛壓學會，編.鍛壓手冊[M].北京：機械工業出版社，2002.

[2]俞新陸.液壓機的設計與應用[M].北京：機械工業出版社，2007.

[3]Hans J.Pahnko.鍛造液壓機傳動裝置發展的新趨勢.

[4]陳柏金，黃樹槐，高俊峰，等.自由鍛造液壓機控制策略[J].機械工程學報，2008 ，44（10）.

[5]高俊峰.我國快鍛液壓機的發展與現狀[J].鍛壓技術，2008.

[6]曹瑞豐.基于AMESim的沖裁液壓機緩沖系統仿真分析[J].鍛壓裝備與制造技術，2016.

[7]胡亞民，王 偉，孫金剛.從《鍛造工藝過程及模具設計》教材看鍛造工藝發展的新進展[J].鍛壓裝備與制造技術，2012.

Performance analysis of cylinder-action fast forging hydraulic press

SUN Mao,LIU Chongmin
（Shanghai LS Heavy Machinery Co.,Ltd.,Shanghai 201108,China）

The whole machine structure,structure type and frame force of the cylinder-action fast forging hydraulic press have been analyzed,while performance characteristics and development prospects have been discussed.It is put forward that the cylinder-action fast forging hydraulic press is the best choice instead of steam-air forging hammer.It would be the developing direction of the small type of fast forging press.

Fast forging press;Cylinder-action structure;X-guided;Pre-stress whole framework;Multi-pump volume control;Predictive fuzzy control

TG315.4

B

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.04.003

1672-0121（2017）04-0012-04

2017-04-01；

2017-05-22

孫 茂（1968-），男，工程師，總經理，從事鍛壓設備研發制造。E-mail：wangzhuo251325@163.com