文/郭曉鋒，段麗華，蘇振華·中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司

195MN 自由鍛造油壓機(jī)是由中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司設(shè)計(jì)，江蘇國(guó)光重型機(jī)械有限公司制造和安裝，主要用于生產(chǎn)大型冶金、化工、電力、航空航天和國(guó)防軍工等行業(yè)高品質(zhì)鍛件。本文主要介紹195MN自由鍛造油壓機(jī)的組成和關(guān)鍵技術(shù)。

設(shè)備簡(jiǎn)介及主要技術(shù)參數(shù)

該壓機(jī)主機(jī)采用三梁四柱全預(yù)應(yīng)力框架結(jié)構(gòu)，由框架、動(dòng)梁、移動(dòng)工作臺(tái)、工作缸、回程缸、底座和潤(rùn)滑裝置等組成。液壓系統(tǒng)采用液壓油作為工作介質(zhì)，采用泵直驅(qū)閥控傳動(dòng)技術(shù)，由高壓泵供液，通過(guò)比例伺服閥控制工作缸的進(jìn)排液和卸壓，實(shí)現(xiàn)鍛壓和回程動(dòng)作的轉(zhuǎn)換；通過(guò)改變泵的供液流量，實(shí)現(xiàn)壓機(jī)的速度控制。該系統(tǒng)投入低，運(yùn)行功耗低，具有高精度、高頻響和長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)。

設(shè)備采用10kV 高壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)主泵，采用可編程控制器為主控器，以工控機(jī)為人機(jī)界面，組建工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)。在操作臺(tái)即可完成鍛件的工藝參數(shù)設(shè)定和生產(chǎn)操作，可實(shí)時(shí)監(jiān)控液壓系統(tǒng)關(guān)鍵閥的工作狀態(tài)以及油箱、充液罐等處的液位、壓力、溫度等關(guān)鍵參數(shù)。設(shè)備見(jiàn)圖1，主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 壓機(jī)主要參數(shù)

主機(jī)研制的關(guān)鍵技術(shù)

該設(shè)備噸位大，部分零部件達(dá)到了目前制造極限，加工難度大。在保證設(shè)備可靠性的前提下，為了提高設(shè)備使用壽命、減少設(shè)備投資和維修成本、提高生產(chǎn)效率，必須創(chuàng)新設(shè)計(jì)和制造，才能保證設(shè)備滿足設(shè)計(jì)要求，降低制造和維護(hù)成本。這臺(tái)壓機(jī)的設(shè)計(jì)采用了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，加工制造也突破了多項(xiàng)制造極限。

壓套插入式全預(yù)應(yīng)力框架結(jié)構(gòu)

該壓機(jī)框架采用壓套插入式全預(yù)應(yīng)力框架，由上、下橫梁、壓套、拉桿、螺母等組成。壓套插入上橫梁和下橫梁之中，四根拉桿貫穿上橫梁、壓套、下橫梁，通過(guò)螺母在每個(gè)拉桿的兩端施加足夠的預(yù)緊拉應(yīng)力，將上橫梁、壓套、下橫梁強(qiáng)力壓緊，組成一個(gè)封閉的剛性框架，以承受鍛造時(shí)整個(gè)壓機(jī)的鍛造力；壓套兩端各有兩段圓柱形臺(tái)階，將其插入上橫梁和下橫梁，對(duì)壓套起到徑向定位作用，并承受偏心鍛造時(shí)動(dòng)梁上的偏心力矩引起的作用在壓套的橫向力。預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)將偏載下承受拉彎作用而處于復(fù)雜受力狀態(tài)的立柱改成由拉桿和壓套分別近似單一承載，即高強(qiáng)拉桿承受近似單向拉伸力，壓套承受偏心鍛造時(shí)產(chǎn)生的彎曲力，提高了框架的疲勞壽命和整體剛度。而壓套插入式結(jié)構(gòu)和平接式結(jié)構(gòu)，如圖2 所示，壓套插入式結(jié)構(gòu)可有效降低壓套在偏載時(shí)所承受的最大彎矩，較平接式結(jié)構(gòu)的壓套所受彎曲拉應(yīng)力降低19.6%，明顯增強(qiáng)了框架的剛度。

組合上橫梁

壓機(jī)上橫梁是壓機(jī)主受力部件之一，除承受壓機(jī)全部噸位壓力的反作用力外，還要承受由鍛造偏心矩產(chǎn)生的力矩。若采用整體鑄造上橫梁，整個(gè)鑄件的重量將超過(guò)400 噸，需要約700 噸以上鋼水澆鑄，同時(shí)受到鑄造、機(jī)械加工乃至運(yùn)輸、安裝等一系列環(huán)節(jié)的制約。因此該壓機(jī)上橫梁采用兩件組合式結(jié)構(gòu)，沿垂直于移動(dòng)工作臺(tái)的方向剖分，用16 根拉桿預(yù)緊組合裝配。此設(shè)計(jì)使得上橫梁的單個(gè)鑄件重量不超過(guò)200噸，使制造難度及制造成本大大降低，并為更大型的設(shè)備設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供了設(shè)計(jì)參考。圖3 為裝配好的組合上橫梁。

靜壓潤(rùn)滑工作臺(tái)

國(guó)內(nèi)外大型壓機(jī)移動(dòng)工作臺(tái)大都采用滑動(dòng)形式，滑動(dòng)面磨損、拉傷在所難免，是液壓機(jī)普遍存在的一個(gè)難題，另外還存在潤(rùn)滑方面的問(wèn)題。在此壓機(jī)中創(chuàng)新性的將靜壓潤(rùn)滑技術(shù)用于大型壓機(jī)的移動(dòng)工作臺(tái)，解決了普通滑動(dòng)摩擦導(dǎo)板磨損快，低速蠕動(dòng)等問(wèn)題，實(shí)際使用情況表明工作臺(tái)運(yùn)行平穩(wěn)可靠，滑板磨損速率大大減小。

液壓系統(tǒng)

該壓機(jī)液壓系統(tǒng)采用油泵直接驅(qū)動(dòng)閥控系統(tǒng)，其系統(tǒng)具有如下突出特點(diǎn)：系統(tǒng)壓力高，流量巨大，系統(tǒng)龐大，高壓管道長(zhǎng)而粗；受壓縮高壓油液容積大，卸壓時(shí)易造成劇烈的液壓沖擊和設(shè)備振動(dòng)；由于活動(dòng)橫梁等運(yùn)動(dòng)部分重量和運(yùn)動(dòng)慣量大，這使壓機(jī)動(dòng)梁的位置控制難度大，難以保證較高精度的控制鍛件尺寸。

液壓系統(tǒng)的構(gòu)成

該壓機(jī)液壓系統(tǒng)主要由主泵站、主控閥站、充液系統(tǒng)、先導(dǎo)外控系統(tǒng)等幾部分組成。主泵站由2 套主油箱、36 臺(tái)高壓油泵和8 個(gè)主泵控制閥站組成，為系統(tǒng)提供驅(qū)動(dòng)設(shè)備動(dòng)作所需的高壓油液。

壓機(jī)通過(guò)主控閥站實(shí)現(xiàn)對(duì)其運(yùn)行動(dòng)作及狀態(tài)的控制，主控閥站主要包括主缸進(jìn)液閥塊、回程缸控制閥塊、工作臺(tái)控制閥塊等。這些主控閥塊均安裝于壓機(jī)旁邊的地下室內(nèi)，盡可能靠近壓機(jī)及執(zhí)行油缸，減少高壓管路長(zhǎng)度和高壓液體的壓縮體積，有利于減小壓機(jī)的沖擊振動(dòng)，使壓機(jī)動(dòng)作更快速、平穩(wěn)。

主缸進(jìn)液閥塊還集成有比例流量控制閥，在加壓完后實(shí)現(xiàn)了主缸平穩(wěn)快速的卸壓?；爻谈卓刂崎y塊主要實(shí)現(xiàn)回程缸的進(jìn)排液控制，并為壓機(jī)提供活動(dòng)部分的背壓。同時(shí)在回程缸控制閥塊上設(shè)有平衡閥和安全閥，為壓機(jī)動(dòng)梁提供了穩(wěn)定可靠平衡力和超壓保護(hù)，擁有穩(wěn)定可靠的平衡力是壓機(jī)控制精度的重要保證。移動(dòng)工作臺(tái)控制閥站主要包括進(jìn)液閥、排液閥、補(bǔ)液閥及安全閥等，可實(shí)現(xiàn)工作的快速、慢速左右移動(dòng)、停止及液壓鎖緊等動(dòng)作。

充液系統(tǒng)主要由充液罐、充液閥塊及緩沖罐等組成。充液系統(tǒng)主要是將主缸通過(guò)充液閥塊與充液罐聯(lián)通起來(lái)。壓機(jī)快速下降時(shí)充液罐通過(guò)充液閥快速向主缸充填補(bǔ)液，避免主缸在快降時(shí)產(chǎn)生吸空現(xiàn)象；壓機(jī)在回程時(shí)，充液閥打開(kāi)，主缸通過(guò)充液閥快速的向充液罐排液。由于壓機(jī)噸位大充排液量大、充液管路直徑大且管路長(zhǎng)，在充液或排液時(shí)容易產(chǎn)生大的沖擊振動(dòng)，為此專門在充液閥塊與充液罐中間設(shè)有一個(gè)緩沖罐，進(jìn)一步對(duì)充排液流進(jìn)行緩沖，有效實(shí)現(xiàn)大流量的平穩(wěn)充排液。

油箱在線維護(hù)和檢修技術(shù)

該壓機(jī)系統(tǒng)采用雙油箱設(shè)計(jì)，若其中一個(gè)油箱出現(xiàn)故障，另一個(gè)油箱也可滿足系統(tǒng)正常運(yùn)行需求，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)油箱均可在線維護(hù)清理和檢修，提高了檢修效率、降低了維修維護(hù)成本，避免了油箱清理維護(hù)時(shí)對(duì)生產(chǎn)的影響。

系統(tǒng)安全保護(hù)技術(shù)

液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮安全問(wèn)題，防止設(shè)備在誤操作、過(guò)載等意外情況下造成安全事故。

充液系統(tǒng)長(zhǎng)期帶有壓力，如果液位、壓力控制不當(dāng)容易造成大流量泄漏，本系統(tǒng)在充液罐和低壓補(bǔ)償器上除具有液位和壓力傳感器雙保險(xiǎn)控制外，還設(shè)有氣、液智能排放系統(tǒng)和補(bǔ)償系統(tǒng)，可自動(dòng)調(diào)節(jié)罐內(nèi)氣液占比和壓力，確保罐內(nèi)的液體在指定的液位和壓力范圍內(nèi)，安全正常地進(jìn)行工作。壓機(jī)工作時(shí)，若工件的變形抗力超過(guò)設(shè)備噸位能力而產(chǎn)生悶車現(xiàn)象時(shí)，壓機(jī)將自動(dòng)卸壓并回程，從而起到保護(hù)壓機(jī)的作用，減少了油泵長(zhǎng)時(shí)間高壓溢流而造成的系統(tǒng)發(fā)熱現(xiàn)象。

電控系統(tǒng)

電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)是由可編程序控制器(PLC)、遠(yuǎn)程I/O 從站及操作員站(HMI)、工業(yè)以太網(wǎng)(TCP/IP)以及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(Profibus-DP)、傳感器及檢測(cè)元件等組成。自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用分布式遠(yuǎn)程I/O 從站，遠(yuǎn)程I/O 從站分別設(shè)置在主操縱室、各地操縱箱、控制閥組以及主體設(shè)備附近。該電控系統(tǒng)采用了以下關(guān)鍵控制技術(shù)。

鍛件尺寸智能化控制技術(shù)

精確的控制動(dòng)梁位置，才能控制最終鍛件的尺寸精度。因?yàn)樵撛O(shè)備活動(dòng)橫梁等活動(dòng)部分的重量超過(guò)800 噸，運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的運(yùn)動(dòng)慣量，在加壓時(shí)通過(guò)回程缸控制閥塊上的平衡閥精確平衡活動(dòng)部分的重量，實(shí)現(xiàn)動(dòng)梁位置的高精度控制。在實(shí)際工作時(shí)，不同壓力、不同行程時(shí)，加壓完成并卸壓后，壓機(jī)及鍛件會(huì)出現(xiàn)不同程度的反彈現(xiàn)象，對(duì)此電氣控制系統(tǒng)的控制軟件中使用中國(guó)重型院自主研發(fā)的“尺寸自動(dòng)修正補(bǔ)償系統(tǒng)”，從而進(jìn)一步保證鍛件尺寸具有較高的控制精度。

油泵智能組合控制技術(shù)

首次采用油泵智能化組合控制，實(shí)現(xiàn)考慮多種因素下的油泵組合選用機(jī)制。如圖4 所示，當(dāng)接到壓機(jī)動(dòng)作指令后，程序根據(jù)不同動(dòng)作指令確定需投入工作的油泵數(shù)量，然后執(zhí)行油泵組合選用程序，選取確定數(shù)量的油泵投入系統(tǒng)，壓機(jī)執(zhí)行動(dòng)作。

該油泵組合選用程序根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況綜合考慮多種因素，如壓機(jī)動(dòng)作、每臺(tái)泵在本輪工作中已投入使用的總時(shí)間、每臺(tái)泵距上次停止使用的時(shí)間等。通過(guò)該程序選用的油泵組合，防止某幾臺(tái)泵超長(zhǎng)時(shí)間使用而某些泵很少使用，有效避免油泵使用的不均衡，提高了油泵密封和軸承的使用壽命。

大流量快速卸壓和排液控制技術(shù)

該壓機(jī)系統(tǒng)采用油泵直接傳動(dòng)，工作壓力高達(dá)32MPa，每分鐘流量達(dá)數(shù)千升，運(yùn)動(dòng)部件重量上百噸，活動(dòng)橫梁控制精度要求達(dá)到±1mm，控制難度大。主缸的卸壓主要通過(guò)二通型比例流量插裝閥實(shí)現(xiàn)，采用分段比例卸壓的策略，并通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，確定主缸卸壓和排液的理想曲線后，應(yīng)用電控程序完成高壓大流量按設(shè)定曲線的分段比例控制，使壓機(jī)卸壓和排液平穩(wěn)且快速，有效的緩解了液壓沖擊和設(shè)備振動(dòng)。

聯(lián)動(dòng)智能化鍛造技術(shù)

由于鍛造工藝需求，鍛造壓機(jī)和操作機(jī)需要聯(lián)合操作，協(xié)調(diào)動(dòng)作。該系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)采集和處理設(shè)備關(guān)鍵部位及位置、壓力、溫度和液位等信號(hào)，保證壓機(jī)各個(gè)動(dòng)作之間、壓機(jī)和操作機(jī)的有序正常工作。通過(guò)處理來(lái)自壓機(jī)和操作機(jī)的各項(xiàng)實(shí)時(shí)信號(hào)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓機(jī)與操作機(jī)的聯(lián)合控制；具有操作機(jī)優(yōu)先和壓機(jī)優(yōu)先兩種聯(lián)動(dòng)控制模式，可將各種規(guī)格鍛件的成熟工藝，通過(guò)人機(jī)對(duì)話窗口輸入計(jì)算機(jī)。在鍛造時(shí)，只需調(diào)取相關(guān)程序，壓機(jī)就按照預(yù)存工藝的順序及數(shù)據(jù)自動(dòng)完成鍛造生產(chǎn)過(guò)程，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要最大程度地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化鍛造。

結(jié)束語(yǔ)

195MN 自由鍛造油壓機(jī)是目前世界最大噸位自由鍛造液壓機(jī)，具備世界先進(jìn)水平。該設(shè)備的成功研制，提高了我國(guó)重型鍛壓裝備的加工能力和機(jī)械化水平，打破了大型電力、船舶、冶金、航空航天和國(guó)防軍工等領(lǐng)域超大型優(yōu)質(zhì)鍛件的制造瓶頸，對(duì)推動(dòng)我國(guó)重型裝備水平升級(jí)具有重要意義。