45/50MN快鍛油壓機本體結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

范玉林，張營杰，房志遠，牛 勇

（中國重型機械研究院有限公司 金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國家重點實驗室，陜西 西安 710032）

45/50MN快鍛油壓機本體結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

范玉林，張營杰，房志遠，牛 勇

（中國重型機械研究院有限公司 金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國家重點實驗室，陜西 西安 710032）

論述了45/50MN快速鍛造油壓機本體結(jié)構(gòu)選型設(shè)計。機器主要技術(shù)參數(shù)及本體結(jié)構(gòu)設(shè)計特點包括：采用有限元分析方法優(yōu)化大型鑄鍛件結(jié)構(gòu)；主缸柱塞與活動上橫梁采用雙球面中間桿連接型式，減輕柱塞與導(dǎo)套和密封的磨損，提高導(dǎo)套和密封的使用壽命；活動橫梁采用在壓套上的X形平面可調(diào)導(dǎo)向，導(dǎo)向效果好，調(diào)節(jié)方便，減少鍛件熱輻射對導(dǎo)向間隙的影響等。實際應(yīng)用表明，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，穩(wěn)定可靠。

機械制造；結(jié)構(gòu)；快速鍛造油壓機；設(shè)計；有限元

1 引言

快速鍛造油壓機是20世紀(jì)60年代開始發(fā)展起來的一種新型鍛壓設(shè)備，用于鋼錠開坯和自由鍛件的壓力加工，特別適合合金成分較高材料的鍛造。目前，在自由鍛設(shè)備中被認(rèn)為是發(fā)展的主要方向之一，世界各工業(yè)發(fā)達國家都在大力開發(fā)。特別是近年來，隨著液壓技術(shù)和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，更加速了這種進程。由于快速鍛造油壓機有著運行速度快、控制精度好、機械化程度高、節(jié)能節(jié)材效果顯著等特點，與鍛錘和鍛造水壓機相比，擴大了生產(chǎn)能力、提高了鍛件質(zhì)量、減少了操作人員，振動小、噪聲低。機器自動化控制操作，改善了鍛造勞動環(huán)境和操作工勞動強度，是一種較為理想的自由鍛設(shè)備[1～4]。

2 45/50MN快鍛油壓機本體結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)選型

快速鍛造油壓機在主機結(jié)構(gòu)形式上分為上推式和下拉式兩種方式，且立柱均采用雙柱矩形截面[3]。上推式結(jié)構(gòu)源于水壓機的結(jié)構(gòu)形式，即工作主缸置于壓機上端，在上橫梁與活動梁之間。上推式結(jié)構(gòu)運動部分慣量小，易于控制，節(jié)省功率，對基礎(chǔ)要求低。下拉式結(jié)構(gòu)是工作主缸置于壓機下端，在下橫梁與固定梁之間。該結(jié)構(gòu)主機重心低、穩(wěn)定性好，液壓閥站距主缸距離短，可有效減小液壓沖擊產(chǎn)生的振動、節(jié)省占地面積且安全性好；但由于下拉式壓機運動部分慣量大，損失一部分功率，增大了控制難度，對壓機基礎(chǔ)要求高，土建投資較大?；诖耍蛪簷C采用三梁兩柱上傳動預(yù)應(yīng)力框架結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

壓機公稱噸位15/30/45/50MN；本體采用三梁兩柱上傳動應(yīng)力框架結(jié)構(gòu)；主柱塞直徑?1100mm；最大凈空距4600mm；最大工作行程2300mm；柱間凈空距1760mm×3100mm；系統(tǒng)工作壓力31.5/35MPa。

2.3 本體組成結(jié)構(gòu)

45/50MN快速鍛造油壓機是一種主機采用三梁兩柱上傳動預(yù)應(yīng)力框架結(jié)構(gòu)，泵直接傳動的油壓機。機器由框架、動梁、三個主工作缸、兩個回程缸、移動工作臺、橫向移砧臺、上砧快換裝置和壓機底座等組成。三個柱塞式主缸在31.5MPa工作壓力下，提供45MN的額定工作壓力；并可以實現(xiàn)15MN、30MN和45MN三級鍛造壓力分級，以經(jīng)濟地適應(yīng)各種鍛造工藝的不同需求；在35MPa工作壓力下，能夠提供50MN的鐓粗力量。

3 本體結(jié)構(gòu)設(shè)計特點

（1）壓機框架與橫向移砧臺中心線呈35°布置，通過兩個減振支座用螺栓連接在基礎(chǔ)上。壓機框架由上橫梁、下橫梁、柱套和預(yù)應(yīng)力拉桿機構(gòu)組成，柱套與上、下橫梁采用平面十字鍵連接，通過加熱或液壓拉伸預(yù)緊方式，將上橫梁、壓套、下橫梁強力壓緊，組成一個封閉的剛性框架，以承受鍛造時整個壓機的鍛造力。柱套承受預(yù)緊壓應(yīng)力，十字方向布置的鍵傳遞偏心鍛造時框架受到的水平力；而預(yù)應(yīng)力拉桿則承受相應(yīng)的拉應(yīng)力。壓機上橫梁、下橫梁、動梁和柱套為大型鑄件，利用有限元計算和數(shù)值模擬技術(shù)，對壓機大型鑄鍛件進行優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計更為合理。圖2所示為45/50MN快鍛油壓機預(yù)應(yīng)力框架有限元分析模型。

主機采用預(yù)應(yīng)力框架結(jié)構(gòu)，提高壓機框架的整體剛度，改善壓套在偏心鍛造時的受力狀況，使拉桿和壓套在工作時均處于近似單一受力狀態(tài)，充分利用材料性能和承載能力，提高拉桿的疲勞壽命。拉桿選用高強度合金鋼，可以減小橫梁的尺寸，降低橫梁的重量。

（2）動梁在兩邊柱套的四個側(cè)面上滑動，導(dǎo)向間隙由動梁上面的導(dǎo)向調(diào)整機構(gòu)方便地進行調(diào)節(jié)和固定。同時，由于“X”型導(dǎo)向受熱輻射影響小，導(dǎo)向間隙相對穩(wěn)定，容易得到比較精確的調(diào)整間隙。由于機架剛性好，運動部分的慣性相對較小，因此，快速鍛造時的穩(wěn)定性好。動梁是鍛造油壓機的主要部件之一，它的上部與工作主缸柱塞連接，高壓液體作用于三個主缸柱塞上的力，通過動梁及上砧傳遞到鍛件上做功。動梁導(dǎo)向座分別沿著兩根壓套側(cè)面的平面導(dǎo)向面上下運動。

（3）壓機的主缸柱塞采用雙球鉸與動梁連接，側(cè)缸柱塞與動梁球鉸連接；缸體法蘭支承在上橫梁上，用螺栓固緊。主缸柱塞由柱塞、連桿和上下球支組成，通過下部球支柱塞與動梁鉸接。在偏心鍛造時，減輕了柱塞與導(dǎo)套和密封的磨損，提高了導(dǎo)套和密封的使用壽命。

（4）工作臺移動油缸和橫向移砧臺油缸為活塞式結(jié)構(gòu)，采用浮動連接方式連接，保證鍛造過程中油缸不承受過大的徑向力。缸內(nèi)裝有位移傳感器，便于實現(xiàn)移動工作臺的半自動或自動定位控制，可以快速有效地進行工作臺位置更換。

（5）上砧快換裝置由T型拉桿、碟形彈簧、缸體等組成。垂直安裝在動梁上，擺動缸水平安裝在快換裝置的頂部，驅(qū)動T型桿旋轉(zhuǎn)。

（6）主缸、側(cè)缸、移動工作臺缸、橫向移砧臺工作缸缸體均采用鍛焊結(jié)構(gòu)，性能容易保證。所有液壓缸的密封均采用進口密封件，并適當(dāng)提高柱塞表面光度，保證密封效果，提高使用壽命。同時在主缸和回程缸的柱塞密封外側(cè)增設(shè)防低壓泄漏密封圈；在上橫梁和活動橫梁上表面設(shè)置廢油池，集中處理泄漏油回收，保證油壓機工作的安全性。

（7）壓機活動橫梁和移動工作臺的行程檢測均選用進口的磁致伸縮位移傳感器?；顒訖M梁行程檢測位移傳感器裝在回程缸內(nèi)；移動工作臺、橫向移砧臺行程檢測位移傳感器裝在工作臺移動缸內(nèi)。采用磁致伸縮線性位移傳感器進行非接觸型位移檢測，可以達到微米級測量精度，且永不磨損，無需維護。

4 實際應(yīng)用

2006年根據(jù)大連華銳鑄鋼股份有限公司風(fēng)電項目要求，由中國重型機械研究院有限公司設(shè)計并成套供貨的45/50MN快速鍛造油壓機于2008年底熱負(fù)荷試車成功，并順利投入生產(chǎn)使用，如圖3所示。該機組主要用于風(fēng)力發(fā)電風(fēng)機軸的鍛造，經(jīng)過兩年的生產(chǎn)實踐考核，設(shè)備性能穩(wěn)定，運轉(zhuǎn)正常。由此可見，機器設(shè)計實用可靠，滿足生產(chǎn)需要。

[1]陳上達.國內(nèi)外重型鍛壓設(shè)備的發(fā)展、現(xiàn)狀和趨勢.重型機械，1988，（12）:1-5.

[2]蔡 墉.我國自由鍛液壓機和大型鍛件生產(chǎn)的發(fā)展歷程.大型鑄鍛件，2007，（1）:37-44.

[3]徐宇謹(jǐn)，韓大衛(wèi)，黃 新，裴志強，張營杰，王殿楹.快速鍛造油壓機組主機結(jié)構(gòu)形式與選型.重型機械，2004，（6）:45-47.

[4]李貴閃，何曉燕，榮兆杰.我國液壓機行業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2006，41（4）:17-19.

Structural design and analysis of 45/50MN high-speed forging oil press

FAN Yulin，ZHANG Yingjie，F(xiàn)ANG Zhiyuan,NIU Yong
（State Key Laboratory of Metal Extrusion and Forging Equipment，China National Heavy Machine Research Institute Co.,Ltd.,Xi'an 710032，Shanxi China）

The structure selection,the main technical parameters and structure design of the 45/50MN highspeed forging hydraulic press have been discussed.The structure of key parts have been optimized by use of FEM.Master cylinder pistons and moving beams have been connected by double spherical intermediate type,which reduces the wear among the plunger,the guide sleeve and seal.The X-shaped flat has been used to conveniently adjust direction of the moving beam with good effect.The application shows that the structural design is reasonable,stable and reliable.

Structure；High-speed forging press；Design;FEM

TG315.4+6

B

1672－0121(2011)04－0024－02

國家科技重大專項項目（2010ZX0413-021）

2011-04-21

范玉林（1972-），男，高工，從事鍛壓設(shè)備與工藝方面研究