霍 光

（北方重工集團(tuán)（沈陽）工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽 110141）

0 引言

本項(xiàng)目為北方重工集團(tuán)與沈陽鑄造研究所簽訂的70MN葉片壓制專用液壓機(jī)設(shè)備合同項(xiàng)目，北方重工研發(fā)了國內(nèi)首臺(tái)全焊接結(jié)構(gòu)葉片模壓類專用液壓機(jī)，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。該機(jī)外形結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 70MN葉片壓制液壓機(jī)示意圖

大型水輪機(jī)葉片熱模壓成形工藝是一種先進(jìn)的葉片成形工藝，只有少數(shù)發(fā)達(dá)國家掌握。沈陽鑄造研究所掌握了全套工藝技術(shù)，急需一臺(tái)能適應(yīng)該工藝的設(shè)備。這臺(tái)液壓機(jī)采用全焊接組合機(jī)架整體預(yù)緊結(jié)構(gòu)，選用先進(jìn)成熟的液壓系統(tǒng)，擁有兩套獨(dú)立的位移控制傳感系統(tǒng)，自動(dòng)控制系統(tǒng)采用上位機(jī)與PLC兩級控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了葉片成形精度±1mm。70MN葉片壓制液壓機(jī)的研制成功實(shí)現(xiàn)了大型模壓葉片的國產(chǎn)化，使我國生產(chǎn)的大型水輪機(jī)模壓葉片完全替代進(jìn)口，打破了國外技術(shù)長期壟斷的局面，對提高我國水電裝備制造業(yè)總體水平具有重要的戰(zhàn)略意義。

1 技術(shù)特點(diǎn)

1.1 全焊接結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的大型液壓機(jī)的三梁四柱多采用鑄造結(jié)構(gòu)，大型鑄鋼件不但生產(chǎn)周期較長，質(zhì)量也不容易保障。隨著市場競爭的加劇，國內(nèi)越來越多的設(shè)計(jì)和制造單位在考慮怎樣縮短設(shè)計(jì)周期和降低設(shè)計(jì)成本，以增強(qiáng)產(chǎn)品競爭能力[1]。該項(xiàng)目為EPC總包模式，合同簽訂10個(gè)月交貨。項(xiàng)目組經(jīng)與用戶溝通決定采用全焊接結(jié)構(gòu)，這在該類專用壓機(jī)上尚屬國內(nèi)首次。不但保證了按期交貨，而且設(shè)備總重較同規(guī)格鑄鋼結(jié)構(gòu)壓機(jī)降低25%；另外由于采用16Mn鋼板，三梁四柱的質(zhì)量得到了較好的控制。

三大梁為大型箱體類焊接件，有些地方操作空間受到嚴(yán)重限制，焊接難度大，且基本上是厚板焊接，需要預(yù)熱，易變形。該壓機(jī)選用16Mn鋼板，對應(yīng)現(xiàn)國標(biāo)Q345B鋼板，該材料綜合性能良好，焊接性良好。大件中板厚基本都超過了50mm，故采用帶鈍邊雙J形坡口，除非遇到焊不到的地方采用單邊帶鈍邊J形坡口，主要焊縫采用GB/T11345探傷，質(zhì)量評定Ⅱ級，全熔透。焊后采用退火處理，消除殘余應(yīng)力。焊接大件信息如表1所示。

表1 主要焊接件信息表

1.2 六工作缸布置，上置式回程缸

由于制品尺寸大，最大葉片空間尺寸達(dá)到4310mm×4728mm×1758mm，該壓機(jī)工作臺(tái)尺寸達(dá)到6000mm×5000mm，而同規(guī)格壓機(jī)中工作臺(tái)短邊尺寸在3400mm[2]左右，于是立柱中心距達(dá)到了6400mm×4000mm；同時(shí)考慮模壓液壓機(jī)對壓制力均勻性要求高的特點(diǎn)，采用6缸布置，不但提高了壓制力分布均勻性，而且改善了壓機(jī)的受力條件，提高了上橫梁的剛度。采用三級壓力工作制：中間兩缸工作時(shí)產(chǎn)生一級壓力23.2MN；兩側(cè)四缸工作時(shí)產(chǎn)生二級壓力46.4MN；六缸同時(shí)工作產(chǎn)生三級壓力70MN；分級壓力提高了設(shè)備的利用率，節(jié)約能源。主工作缸與活動(dòng)橫梁的連接采用了雙球鉸短搖桿設(shè)計(jì)，該結(jié)構(gòu)因其對導(dǎo)套及密封處所產(chǎn)生的磨損最小而在大型液壓機(jī)工作缸上普遍使用[3]。

通常鍛造液壓機(jī)的回程缸布置在活動(dòng)橫梁和下梁之間，也有采用小橫梁結(jié)構(gòu)布置在上橫梁和活動(dòng)梁之間。該壓機(jī)回程缸采用單作用式活塞缸布置于上橫梁和活動(dòng)梁之間，活塞缸無缸底，兩端開口，降低了加工制造難度，不占用操作部分空間。為防止無桿腔灰塵和雜物的進(jìn)入，安裝了空氣濾清器。回程缸安裝有磁滯位移傳感器，兩個(gè)回程缸各有一套，一用一備，可實(shí)現(xiàn)無擾熱切換。傳感器安裝在回程缸內(nèi)，其可靠性優(yōu)于其他類型傳感器，已在多臺(tái)壓機(jī)上成功運(yùn)行多年?；爻袒钊c活動(dòng)橫梁的連接采用球鉸，如圖2所示，鎖緊螺母的背部有碟簧支撐，防止球鉸長時(shí)間磨損后出現(xiàn)縫隙，保證接觸面貼合。

圖2 回程缸活塞桿與活動(dòng)橫梁連接結(jié)構(gòu)

1.3 全預(yù)緊組合機(jī)架，滾動(dòng)式移動(dòng)工作臺(tái)

葉片成形溫度在800℃～1100℃之間，同時(shí)該壓機(jī)屬于精密熱模壓設(shè)備，必須考慮溫度影響因素。由于工作過程中機(jī)架溫度會(huì)升高，且溫度分布不均勻，又由于機(jī)架長期處于交變應(yīng)力作用下，綜合兩種效應(yīng)，容易引起組合機(jī)架的應(yīng)力松弛和高溫蠕變，若預(yù)緊力不足會(huì)引起整個(gè)組合機(jī)架的剛度大大削減，更可導(dǎo)致設(shè)備破壞，因此采用全預(yù)緊組合機(jī)架，當(dāng)出現(xiàn)上述狀態(tài)時(shí)可采用再次旋轉(zhuǎn)螺母達(dá)到二次預(yù)緊，保證設(shè)備的長期使用。

全預(yù)緊組合機(jī)架由上橫梁、下橫梁、立柱、拉桿、拉桿螺母、定位套、定位鍵組成，上橫梁和立柱、立柱和下橫梁之間通過定位套加定位鍵組合在一起，構(gòu)成整體。

如圖3所示，導(dǎo)向采用八面導(dǎo)向，活動(dòng)橫梁由活動(dòng)橫梁中間體和兩個(gè)側(cè)架組成，通過螺栓進(jìn)行連接，每個(gè)立柱角上有四組可調(diào)間隙滑板，通過楔鐵進(jìn)行間隙調(diào)整，滑板上開有潤滑油槽，滑板表面進(jìn)行堆銅處理，保證了滑板的耐磨性。該導(dǎo)向提供了足夠的導(dǎo)向接觸面積，使面壓大大降低。活動(dòng)橫梁中間較薄，兩側(cè)導(dǎo)向位置增加了導(dǎo)向高度，在保證活動(dòng)橫梁運(yùn)動(dòng)精度的同時(shí)，也克服了成形時(shí)的水平側(cè)推力。

圖3 立柱和活動(dòng)橫梁導(dǎo)向結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的液壓機(jī)移動(dòng)工作臺(tái)的移動(dòng)為滑動(dòng)摩擦，通過液壓缸牽引。滑板經(jīng)常磨損，影響使用。雖然文獻(xiàn)[4]中提到可以采用滾動(dòng)摩擦來代替滑動(dòng)摩擦，但在已投產(chǎn)的壓機(jī)中，尤其是熱模壓類壓機(jī)上，采用滾輪式的移動(dòng)工作臺(tái)并不多見。本壓機(jī)移動(dòng)工作臺(tái)采用變頻電機(jī)減速機(jī)經(jīng)一對齒輪副傳動(dòng)到傳動(dòng)軸上，驅(qū)動(dòng)一組輪對，在另一組從動(dòng)輪對上安裝有旋轉(zhuǎn)編碼器，用來進(jìn)行速度、位置控制。與滑動(dòng)式移動(dòng)工作臺(tái)比較，磨損可忽略不計(jì)，驅(qū)動(dòng)功率大幅降低。在一側(cè)滾輪上有凸緣，一側(cè)軌道上開有導(dǎo)向槽，起到很好的導(dǎo)向作用。

1.4 數(shù)字化液壓系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了活動(dòng)橫梁位置、速度和壓力全數(shù)字化控制，主泵采用1臺(tái)A4VSO250EO2比例泵和10臺(tái)定量泵。在所有關(guān)鍵部位都有壓力檢測點(diǎn)。各液壓缸的壓力控制采用壓力傳感器、數(shù)字顯示及控制，可以任意設(shè)定、測量、記錄壓力；壓力測量和顯示精度分別為0.1MPa。位置控制采用位移傳感器，數(shù)字顯示及控制位移、速度；活動(dòng)橫梁位移和速度測量顯示精度分別為0.05mm、0.1mm/s；并設(shè)有上、下極限行程限位裝置。設(shè)備運(yùn)行精度高，葉片模壓控制精度±1mm。

由于葉片尺寸大，回彈較大，壓機(jī)必須具備自動(dòng)判斷、自動(dòng)調(diào)整、在線檢測功能。根據(jù)液壓機(jī)的控制精度及動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求開發(fā)了液壓系統(tǒng)的非線性PID控制策略。開發(fā)了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的液壓系統(tǒng)智能故障診斷系統(tǒng)?；谇度胧郊夹g(shù)，搭建硬件平臺(tái)，采用模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)智能前端與PLC的通信及遠(yuǎn)程知識(shí)服務(wù)；采用以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的通用工業(yè)現(xiàn)場總線（Profibus plus）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由帶有網(wǎng)絡(luò)控制功能的德國SIEMENS可編程控制器（PLC）、工業(yè)現(xiàn)場總線控制單元、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）和工業(yè)監(jiān)控計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)組成壓機(jī)實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2 研發(fā)設(shè)計(jì)

2.1 工藝仿真

設(shè)備的制造是以工藝系統(tǒng)為先決條件的。本機(jī)的開發(fā)首先是主要參數(shù)的確定，其中最重要的是壓機(jī)公稱力、水平側(cè)向推力，而這兩個(gè)力都是和工藝相關(guān)的，傳統(tǒng)的手工計(jì)算已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代設(shè)計(jì)的需求，于是項(xiàng)目組進(jìn)行了工藝仿真計(jì)算。工藝分析流程如圖5所示。工藝分析后，確定了最大工藝力為6850t，最大水平推力為1100t。

圖5 葉片熱模壓工藝分析流程圖

2.2 本體結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算

壓機(jī)本體結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是材料力學(xué)方法，其局限性是建立模型時(shí)必須對結(jié)構(gòu)做大幅度簡化[5]。而以有限元法[6]為代表的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法已被廣泛應(yīng)用于大型液壓機(jī)的設(shè)計(jì)與研發(fā)。目前，從工程實(shí)踐來看，有限元計(jì)算已經(jīng)成為本體設(shè)計(jì)計(jì)算的主流設(shè)計(jì)方法。采用大型通用有限元軟件ABAQUS6.12-3對壓機(jī)本體中心載荷、偏心載荷兩種工況條件下的應(yīng)力和變形進(jìn)行分析，對本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，降低了高應(yīng)力區(qū)的分布范圍和最大值，使整個(gè)機(jī)架的設(shè)計(jì)更加合理。如圖6所示。

由于機(jī)架中的最大件是下橫梁，重量達(dá)到229t，從現(xiàn)有的吊耳標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)不能選到符合需求的吊耳，于是項(xiàng)目組自主設(shè)計(jì)了非標(biāo)吊耳，參照J(rèn)B/ZQ4630-2006進(jìn)行75噸級插入式圓柱形吊耳設(shè)計(jì)，并應(yīng)用有限元進(jìn)行了設(shè)計(jì)驗(yàn)證，如圖7所示。

2.3 智能化控制

圖6 本體結(jié)構(gòu)計(jì)算

智能液壓機(jī)屬于高檔數(shù)控裝備，具有柔性化、智能化的特點(diǎn)，工作性能和工藝適應(yīng)性大大提高[7]。葉片熱模壓屬于精密模鍛，其工藝具有很大的柔性。成形工藝中的熱模壓壓力中心和回彈的計(jì)算十分復(fù)雜，而這兩個(gè)參數(shù)都影響到最后的產(chǎn)品質(zhì)量，尤其是回彈量直接影響制品精度，有限元計(jì)算是解決這兩個(gè)問題的最好方法。通過智能識(shí)別材料參數(shù)，進(jìn)行在線有限元計(jì)算，確定熱模壓壓力中心、模片初始位置、回彈量。將這些數(shù)據(jù)反饋給壓機(jī)智能控制系統(tǒng)，調(diào)整壓機(jī)有關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)在線智能控制。

圖7 吊耳計(jì)算

開發(fā)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使壓機(jī)具有學(xué)習(xí)功能、自動(dòng)選取壓制參數(shù)功能，壓制過程自動(dòng)檢測葉片形狀、自動(dòng)調(diào)整壓機(jī)參數(shù)功能。通過計(jì)算機(jī)有限元數(shù)值模擬和實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，形成葉片模壓數(shù)據(jù)庫。當(dāng)在壓機(jī)觸摸屏上給定葉片的厚度、規(guī)格、材料、葉片三維圖等信息，壓機(jī)可自動(dòng)生成壓制程序，生成壓制參數(shù)。

3 結(jié)語

大型專用液壓機(jī)市場具有廣闊的發(fā)展空間，與傳統(tǒng)液壓機(jī)市場出現(xiàn)衰退的市場局面完全不同，研發(fā)此類壓機(jī)的特點(diǎn)就是專用性，完全為貼合產(chǎn)品工藝和用戶需求而開發(fā)，這也要求產(chǎn)品制造理念從提供產(chǎn)品向提供整體解決方案的方向轉(zhuǎn)變。有限元計(jì)算已經(jīng)成為現(xiàn)代液壓機(jī)設(shè)計(jì)可靠的計(jì)算和驗(yàn)證方法，專用化、智能化成為未來壓機(jī)發(fā)展的重要方向。

[1] 顏昌亞.焊接結(jié)構(gòu)組合機(jī)架液壓機(jī)本體的CAD/CAE研究[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2002.

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