高文章

(陜西多倫科技發(fā)展有限公司，陜西 西安 710043)

0 前言

從1884年到現(xiàn)在，水壓機(jī)的使用歷史已經(jīng)有130多年。其間早在1893年就研制成功世界上第一臺(tái)120 MN鍛造水壓機(jī)。多年來(lái)壓機(jī)的機(jī)架有老的三梁四柱、四柱預(yù)應(yīng)力、多拉桿預(yù)應(yīng)力、鋼絲纏繞預(yù)應(yīng)力等，用的最多的是前三種。壓機(jī)的液壓系統(tǒng)從泵蓄勢(shì)器發(fā)展到最先進(jìn)的德國(guó)威暜克—潘克正弦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。1977年，潘克在法國(guó)克魯索建成世界第一臺(tái)雙柱多拉桿預(yù)應(yīng)力壓機(jī)，現(xiàn)在已運(yùn)行40年。沈重于1989年與潘克公司合作生產(chǎn)一臺(tái)30 MN雙柱下拉式多拉桿預(yù)應(yīng)力機(jī)架快鍛液壓機(jī)，這樣先進(jìn)的壓機(jī)在國(guó)內(nèi)尚屬首次生產(chǎn)。1995年又完成一臺(tái)主機(jī)和第一臺(tái)相同的壓機(jī)。壓機(jī)的固定梁和下梁都是缸梁合鑄，為此做了“懸浮鑄造”實(shí)驗(yàn)，保證了大型鑄鋼件的質(zhì)量。沈陽(yáng)重機(jī)重礦2007年9～11月先后拿到邢臺(tái)德龍和重慶龍盛兩臺(tái)50 MN雙柱上傳動(dòng)多拉桿預(yù)應(yīng)力機(jī)架泵控系統(tǒng)壓機(jī)合同。2008年底，威暜克—潘克與中信洛礦共同完成一臺(tái)185 MN雙柱上傳動(dòng)多拉桿預(yù)應(yīng)力機(jī)架自由鍛壓機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試并投產(chǎn)。

1961年上海江南造船廠120 MN壓機(jī)的三梁四柱都用電渣焊制造的，到現(xiàn)在已運(yùn)行了50多年, 而現(xiàn)在的焊接技術(shù)又遠(yuǎn)超過(guò)那個(gè)年代，為建造鍵連接全焊接機(jī)架大壓機(jī)奠定基礎(chǔ)。目前60 MN以下的鍵連接壓機(jī)設(shè)計(jì)是成熟的。萬(wàn)噸以上至兩萬(wàn)噸壓機(jī)，各大件用板厚一般都在300 mm以下，個(gè)別的用到380 mm，采用電渣焊技術(shù)是可行的。16 MN下拉式壓機(jī)都采用整體機(jī)架，超過(guò)20 MN壓機(jī)很少采用整體機(jī)架，由于機(jī)架超重(36 MN壓機(jī)機(jī)架重250 t，40 MN則達(dá)300 t)造成運(yùn)輸困難，而鍵連接機(jī)架，就迎刃而解了。2006年為遼陽(yáng)金百機(jī)械設(shè)計(jì)制造一臺(tái)25 MN鍵連接全焊接機(jī)架上傳動(dòng)自由鍛壓機(jī)。和多拉桿壓機(jī)相比，其造價(jià)和制造周期明顯降低，更為明顯的是機(jī)架具有超強(qiáng)的剛度。因此，對(duì)鍵連接壓機(jī)進(jìn)行了深入研究。

1 鍵連接機(jī)架和多拉桿預(yù)應(yīng)力機(jī)架的對(duì)比

1.1 受力分析

圖1是福建祥鑫40 MN鍵連接全焊接機(jī)架壓機(jī)，鍵連接機(jī)架的上梁、底座與立柱間采用過(guò)盈配合的平鍵連接。鍵設(shè)計(jì)成細(xì)長(zhǎng)，它將隨鍵槽變形，鍵沿長(zhǎng)度方向受力均勻。這是鍵連接機(jī)架不晃動(dòng)，優(yōu)于任何形式壓機(jī)的地方。壓機(jī)的立柱承受鍛造力，承受的最大拉力也沒(méi)超過(guò)公稱(chēng)力。實(shí)際中壓機(jī)的設(shè)計(jì)都有一定的余量，在一定范圍內(nèi)超過(guò)公稱(chēng)力鍛造也是允許的。鍵連接機(jī)架鍛造時(shí)立柱受拉，立柱承受的拉力從0到最大值(公稱(chēng)力，即鐓粗最大件時(shí)的鍛造力)間變化。

圖1 40 MN鍵連接全焊接機(jī)架斜置雙柱自由鍛壓機(jī)

多拉桿的預(yù)緊力Fj=nFg，式中Fg為公稱(chēng)力，n為預(yù)緊系數(shù)，多拉桿壓機(jī)預(yù)緊系數(shù)一般大于1.5。當(dāng)工作載荷達(dá)到公稱(chēng)力Fg時(shí)，拉桿受力達(dá)最大值Fmax。拉桿受力在預(yù)緊力和拉桿受力最大值間變化。圖2為40 MN多拉桿壓機(jī)預(yù)緊后拉桿和柱套(立柱)的力—變形圖。拉桿預(yù)緊力60 MN，拉桿最大拉力68.7 MN，已達(dá)到鍵連接壓機(jī)公稱(chēng)力的1.72倍。多拉桿壓機(jī)的立柱承受最大壓力值等于預(yù)緊力，它的受力是鍵連接立柱的1.5倍還要多。

圖2 40 MN多拉桿壓機(jī)預(yù)緊后拉桿和柱套力—變形關(guān)系

1.2 壓機(jī)最大鍛造力時(shí)機(jī)架的變形量

40 MN鍵連接機(jī)架變形量，根據(jù)虎克定律計(jì)算結(jié)果為1.68 mm。多拉桿壓機(jī)最大鍛造力時(shí)，立柱變形量可用預(yù)緊后拉桿和柱套力—變形圖測(cè)出。如圖2中DH=1.82 mm，DH是壓機(jī)最大鍛造力時(shí)變形量。圖2由計(jì)算機(jī)PCCAD繪制，輸入的拉桿和立柱的變形量可精確到0.01 mm，測(cè)得DH值的誤差也不會(huì)超過(guò)0.01 mm。

上述兩種壓機(jī)的變形量都沒(méi)超過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)壓機(jī)鍛造時(shí)立柱變形補(bǔ)償量限定的范圍。

1.3 成本分析

與40 MN多拉桿壓機(jī)比較，鍵連接壓機(jī)沒(méi)有拉桿。僅拉桿這一項(xiàng)就節(jié)省180萬(wàn)～200萬(wàn)的投資。多拉桿壓機(jī)材質(zhì)必須選用屈服極限為700～1000 MPa的高合金鋼。其三個(gè)梁和兩個(gè)立柱都是鑄鋼件，和焊接件相比鑄鋼件的重量偏大，鑄造工藝相對(duì)復(fù)雜，容易產(chǎn)生裂紋。焊接結(jié)構(gòu)沒(méi)有這些缺陷，制造成本也相對(duì)較低。

鍵連接壓機(jī)與多拉桿壓機(jī)相比，不需要對(duì)每個(gè)拉桿預(yù)緊力進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算和煩雜的拉桿預(yù)緊工作。不管是采用預(yù)緊缸和高壓手動(dòng)泵，還是組合螺栓和力矩搬手。對(duì)多拉桿壓機(jī)全部拉桿預(yù)緊完，所有拉桿的預(yù)緊力應(yīng)基本一致，否則有的拉桿預(yù)緊力過(guò)高，這個(gè)拉桿就可能過(guò)早損壞。通常在預(yù)緊前，所有拉桿都貼電阻片檢測(cè)預(yù)緊過(guò)程中及預(yù)緊完成后各拉桿的預(yù)緊力值。最近剛興起的用測(cè)壓墊檢測(cè)預(yù)緊后每個(gè)拉桿的實(shí)際預(yù)緊力值。60 mm厚的測(cè)壓墊裝在拉桿下部，有導(dǎo)線連接到控制柜，可隨時(shí)監(jiān)測(cè)拉桿的受力情況。然而，這些都占有不低的成本，而這些成本并不計(jì)入造價(jià)中。

2 鍵連接焊接機(jī)架

2.1 25 MN鍵連接全焊接機(jī)架自由鍛液壓機(jī)

2006年6月天津博達(dá)鍛造簽訂的25 MN壓機(jī)合同，包括主機(jī)、液壓電氣、操作機(jī)和升降回轉(zhuǎn)臺(tái)。主機(jī)是根據(jù)2002年設(shè)計(jì)制造的兩臺(tái)模壓機(jī)，機(jī)架采用鍵連接。操作機(jī)選用20T/40TM的操作機(jī)。它有九個(gè)動(dòng)作：大車(chē)走行、走行機(jī)構(gòu)抬起、鉗桿旋轉(zhuǎn)、夾鉗夾緊、鉗桿前后擺動(dòng)、鉗桿橫向平移、鉗桿橫向擺動(dòng)、鉗桿垂直移動(dòng)和鉗桿垂直擺動(dòng)。在進(jìn)行拔長(zhǎng)鍛造時(shí)，大車(chē)走行一直不停的勻速前行，當(dāng)上砧壓住工件的瞬間，鉗桿前后擺動(dòng)裝置的活塞壓縮(活塞腔和蓄勢(shì)器連接保持常壓)。當(dāng)上砧抬起瞬間，活塞桿快速前行。這樣，大車(chē)走行就可不停的勻速前行，直到一根棒料鍛完。這將有利于提高鍛造次數(shù)，實(shí)現(xiàn)用計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中的程序鍛造。此壓機(jī)的全套設(shè)備總價(jià)1 300萬(wàn)。圖3為25 MN雙柱鍵連接全焊接機(jī)架壓機(jī)，立柱安全系數(shù)達(dá)到5.5，鍛造時(shí)機(jī)架沒(méi)有晃動(dòng)，主機(jī)重298 t。而25 MN老的三梁四柱壓機(jī)晃動(dòng)達(dá)70 mm，主機(jī)重量為551 t。

圖3 25 MN雙柱鍵連接全焊接機(jī)架自由鍛壓機(jī)

2.2 40 MN鍵連接全焊接機(jī)架斜置雙柱自由鍛壓機(jī)

福建祥鑫集團(tuán)公司設(shè)計(jì)的40 MN雙柱鍵連接壓機(jī)有關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。此斜置雙柱壓機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：操作視野寬、有效作業(yè)范圍廣和起重機(jī)容易靠近。鍵連接機(jī)架壓機(jī)剛度大、制造周期短、重量輕，而且鍛造時(shí)機(jī)架不晃動(dòng)，比多拉桿預(yù)應(yīng)力機(jī)架壓機(jī)加工費(fèi)用低，是一款性能價(jià)格比最高的自由鍛造液壓機(jī)。

表1 40 MN鍵連接斜置雙柱鍛壓機(jī)技術(shù)參數(shù)表

2.3 45 MN鍵連接機(jī)架熱模鍛壓機(jī)

圖4所示為2014年陜西多倫科技發(fā)展有限公司為沈陽(yáng)鑄造研究所設(shè)計(jì)的一臺(tái)45/54 MN熱模鍛液壓機(jī)示意圖。這種鍵連接機(jī)架(牌坊)很適合熱模鍛壓機(jī)的要求，回程缸和其它輔助裝置容易布置在機(jī)架的間隙中。

圖4 45 MN鍵連接機(jī)架熱模鍛液壓機(jī)

2.4 六面模壓機(jī)

2002年遼寧金百機(jī)械為海城某公司設(shè)計(jì)制造兩臺(tái)用于生產(chǎn)紙棺的六面壓機(jī)(圖5)，這兩臺(tái)壓機(jī)采用了鍵連接的焊接機(jī)架。設(shè)計(jì)和制造僅用三個(gè)月，安裝僅用不到十天并壓出合格產(chǎn)品。該壓機(jī)的四個(gè)前后移動(dòng)推頭是用四組直齒圓柱齒輪、齒條和壓機(jī)前后兩組直齒傘齒輪來(lái)完成的。機(jī)座上四組直齒圓柱齒輪軸承孔必須用落地鏜加工。這樣，加工費(fèi)和工期都是問(wèn)題。現(xiàn)場(chǎng)是在機(jī)座上氣割出四組比軸承座套外徑大一點(diǎn)的孔，把所有件裝配到位，檢查齒輪的嚙合間隙合格，再把軸承座套焊于機(jī)座上，使問(wèn)題得到解決。

圖5 鍵連接機(jī)架六面壓機(jī)

3 結(jié)束語(yǔ)

2002年開(kāi)始開(kāi)發(fā)鍵連接機(jī)架模鍛液壓機(jī)，至2006年天津投產(chǎn)了25 MN鍵連接雙柱正置鍛造液壓機(jī)，2008年在唐山鋼鐵公司機(jī)械廠又做了同樣結(jié)構(gòu)的25 MN鍵連接雙柱正置鍛造液壓機(jī)。這兩套鍛造液壓機(jī)使用至今沒(méi)有發(fā)生設(shè)備本體的疲勞，也不存在鍛造液壓機(jī)的晃動(dòng)現(xiàn)象。充分驗(yàn)證了鍵連接機(jī)架設(shè)計(jì)正確性和可靠性。鍵連接機(jī)架壓機(jī)剛度大、制造周期短、重量輕、價(jià)格低，而且鍛造時(shí)機(jī)架不晃動(dòng)。自由鍛造具有偏心特征，經(jīng)過(guò)鍛造液壓機(jī)考驗(yàn)的鍵連接機(jī)架液壓機(jī)，也能夠應(yīng)用到六面模壓機(jī)、汽車(chē)高強(qiáng)度鋼熱沖生產(chǎn)、汽車(chē)覆蓋件沖壓生產(chǎn)、多工位鍛造、大轎車(chē)大型覆蓋件生產(chǎn)等，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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