锻造液压机（共7篇）
锻造液压机 篇1
1 现状与需求
从1893年世界第一台12 600 t自由锻造水压机在美国建成以来,万吨级液压机就一直占据着大型高强度零件锻造的核心装备地位,成为一个国家工业实力的象征。
中国锻造行业从1953年太重、沈重相继装备1 000 t和2 000 t水压机开始,经过近60年的发展,尽管还有重量众多的各类锻锤,但水压机一直是大型锻件生产的主导设备。有统计数据显示,中国现有自由锻造液压机210台以上,其中30多台为近7年来增加的25 MN以上吨位级别的新一代自由锻造液压机,80 MN~185 MN级的超过10台,而且为数不少的大压机还在继续增加。除几台基于对原有系统的利用和改造,仍沿用了水泵-蓄势器传动系统外,90%以上采用了油泵直接传动的全液压控制系统,并且都配置了先进的全液压轨道式锻造操作机和其他机械化辅助装置。
这些举世瞩目的成就,集中体现了中国装备制造业巨大的技术进步,不仅自由锻造液压机的数量、等级和装备水平达到了世界领先水平,而且,极大地提高了大锻件的制造能力,生产的技术含量高和质量要求高的大型锻件产品已经替代进口产品,使中国的锻件产量位居世界之首,进入了世界大锻件生产大国行列。
但不可忽视的是,中国仍有100台左右的水压机是20世纪50年代到90年代制造的。这些水压机结构大都是三梁四柱式,技术水平低、设备精度差,张力柱断裂、横梁开裂的事故时有发生;传动形式为水泵-蓄势器传动,无功功率损耗大,水资源浪费严重;操纵方式为接力器控制的提阀分配器,操控水平落后,锻件尺寸精度和生产效率低;配套工艺装备效率低,工模具搬运更换处理时间长,锻造车间能耗高。
为提高锻造行业的整体技术水平,适应锻造车间装备现代化和锻件生产经济性要求,开发研制新型结构和和传动系统的锻造液压机设备,更新传统水压机的结构、操控系统和配套设施的技术改造,满足使用工艺、降低功能消耗和利于操作维护,实现锻件最终成形是一个必然的发展方向。
2 现代自由锻造液压机的技术经济性分析
2.1 重要的关注点
新一代自由锻造液压机采用的是油泵直接传动的全液压控制系统,它取代了传统的水泵-蓄势器传动。该技术在世界发达国家二十多年前就已经在锻造压机上得到应用。在中国军工、航空、冶金、石化、船舶、汽车、铁路等行业工厂的压力加工车间,油压机和油泵站驱动装置的应用也非常广泛,数量一点都不比水压机少,很多制造工艺尤其适用于采用油压控制系统。究竟油泵直接传动系统是否适用于自由锻造压机,如何看待一个竞争力极强的现代自由锻造油液压机的角色和地位,应该说,重要的关注点在于从锻件生产的经济性观点出发,对现代自由锻造油液压机的技术性和经济性进行客观的分析和评价。
所谓锻件生产的经济性,是在确保安全与环保的前提下,以最低的耗费获得最大的经济效果,包括生产效率、产品质量、材料利用率和成本。锻件生产的资源消耗受多方面因素影响,诸如锻件的材料、批量、用途和所使用的锻造设备等,因而,以通常的吨锻件能耗或万元产值能耗来衡量经济效果会各有不同,甚至不可相比。然而,所购设备安装前的一次性资本支出,虽然是以折旧的方式分摊到产品中的埋没费用,但其技术性能及其对于锻件生产的经济合理性影响却是长期的、决定性的,是最重要的影响因素。它直接影响到设备投产后的剩余寿命周期费用,即输入到设备的能源和维护的经费支出。因而,以锻件实际负荷的能耗和设备的维护费用指标来评价锻件生产的经济性更为合理。
2.2 油泵直接传动系统的节能价值取向
2.2.1 传动方式的演变
锻造压机的传动方式和控制技术随着时代的技术进步在不断地发生着变化。19世纪,世界多采用能耗很高的蒸汽增压器传动的水压机;20世纪,经济节能的新型水泵-蓄势器传动系统问世,大部分水压机改为水泵-蓄势器传动;20世纪90年代后,高压大流量油泵及液压控制元件进入工业应用领域,为锻造压机的传动与控制技术进步奠定了基础;21世纪初以来,更为经济合理的油泵直接传动系统开始大规模地应用于自由锻造液压机,液压操纵和控制系统开始广泛采用电液伺服先导的二通式比例插装阀控制,以及正玄泵闭式传动系统;电气控制系统采用工控机与PLC两级控制和一人操作模式。因而使压机的速度、位置和压力得到精确的控制,实现了锻造液压机的自动化操作。
由此可知,水泵-蓄势器传动并非锻造压机与生俱有,优胜劣汰的设备技术进化同样在自由锻造加工领域是不可免的。
2.2.2 油泵直接传动系统的适应性
自由锻造生产中,“趁热打铁”的行话是一个永恒的真理,这也是所有金属热塑性成形工艺中普遍适用的一个准则。体现在液压机上最为关键的两个概念是力和速度。
对于力,水泵-蓄势器传动是“有多大的力使多大的劲”,与负载大小无关,即使是小型锻件,或小变形量精整,或空负荷回程,总是消耗蓄势器内储蓄的高压水,随着行程加大,压力将下降10%~15%;而油泵直接传动是随负载“量入为出”,功率消耗取决于工件的变形抗力,可满吨位连续工作。
对于速度,水泵-蓄势器传动升压速度快,但随负载抗力增大而降低,难以实现自动调节,节流调速能耗高;而油泵直接传动有个短暂的建压过程,工作速度与负载无关,泵的流量有多少,可保持的速度就有多快,可通过泵的组合或变量泵调整的节能方式改变加压速度。
简而言之,压力取决于负载,流量决定速度。油泵直接传动与控制系统对自由锻造工艺的优越性表现在,常锻时,具有平稳较快的可控的行程速度(包含空程和加压行程),通过油缸工作数量的选择获得更高的工作速度;轴类件精整时具有较高的快锻频次;通过自适应负载抗力的大小可获得恒功率控制;容易控制特殊锻件的变形速率,提高锻件的质量;由活动横梁即上砧的位置控制精度来保证高的锻件尺寸精度,达到±1~2 mm。所有这些都是在节能的条件下实现的,也是水泵-蓄势器传动很难做到的。
同时,由于全液压控制技术的应用,锻件尺寸自动测量、锻砧行程自动控制及其与锻造操作机的联动控制,锻造过程自动化才能得以实现。这对于提高锻件尺寸精度、材料利用率、提高生产效率和降低能源消耗和成本,具有举足轻重的经济意义。
2.2.3 两种系统的能耗和效率比较
第53页表1是一台15 MN锻造液压机在相同压下量、回程量和每分钟相同锻造次数条件下的各项指标比较,但两种传动系统的能耗和总效率截然不同。水系统总效率仅为30%~40%,而油系统可在70%以上。水系统的平均消耗功率是油的2倍以上,而总效率却是油的1/2。另据实测,同为30MN的锻造水压机,耗电大约为1.8 k W·h,而锻造油压机则低于1.2 k W·h。这就是国内外新造的锻造液压机为什么极少采用水泵-蓄势器传动的原因。因此,从锻件生产的技术经济性和节能降耗观点看,即使大型和特大型自由锻造液压机,今后也不应再采用水泵-蓄势器传动系统。
2.2.4 两种系统的可维护性比较
由油泵直接传动系统的负载特性可知,大量非工作时间,泵处于低压空循环状态,系统管道中的压力很低,加之采用高性能的密封件,以及油介质良好的润滑和防锈蚀性能,因而系统漏损极少,泵、阀、油缸、管件寿命长,造成火灾的可能性降为极低。一个可为“是油压机就漏油”正名的佐证是,中国锻压协会于2009年10月组团赴日考察,一个锻造企业正在工作的7台双柱式锻造油液压机绝无一点漏油现象,随机参观40 MN和80 MN的地下室油泵站时,地面和四壁全部用油漆涂装,看不到一片裸露的水泥,摸不到一滴漏油和一点粉尘,管理的精细和到位的维护令人难以置信。
反观我国水压机的泵站,从蓄势器到主阀分配器的所有法兰、管道中充满了高压水,应力腐蚀大,抗疲劳性能低,金属垫密封性能差;加载和卸压时的高压水冲击力大,压机摇晃,活动横梁运动精度差,导致主缸密封寿命低,人们习以为常的跑冒滴漏现象时时发生,令人叹为观止。
由此足以见证,锻造压机并非只是水泵-蓄势器传动的专利。油压机可以做到不漏油,而水压机却做不到不漏水。采用油泵直接传动全液压控制系统,可以在快速与噪音和振动一对矛盾之间实现一种技术上的平衡,但不能像操作锻锤一样随心所欲。
目前,高效率、高压、大流量的油泵、阀、密封等基础液压件虽然在国内是个空白,但并不成为制约发展油泵直接传动系统的锻造液压机的瓶颈。以设备技术参数相当的锻造液压机,采用水泵-蓄势站,包括压机操纵系统的造价与油泵直接传动采用进口全部液控、电控装置的造价大体相当,但是后者的使用寿命和大修维护时间间隔延长,大大降低了维修直接费用和间接费用支出,其中包括由于故障造成的减产而带来的利润损失和人力窝工,以及伴随事故而发生的材料利用率、能量、质量、人员费用开支以及其他方面所造成的费用损失。
2.3 预应力机架结构对于锻造压机的适用性
2.3.1 人所共知的一个事实
普通非全预应力三梁四圆柱式水压机的机架属于高次超静定空间受力框架,计算时通常做了种种假设。应用现代计算机三维有限元(FEM)接触问题分析法,使机架的变形和应力获得了科学的和精确的求解。结果显示:框架不再是那个刚性连接的平面框架,3个梁也不再是那个刚度无穷大的简支梁了。
事实上,水压机在恶劣的锻造工况下,圆形张立柱既作为机架又作为拉杆,还作为活动横梁的导向体。张立柱不但时时承受满吨位不规则的脉动轴向拉力,当偏心锻造时,还要承受活动横梁的横向推力和弯矩,以及由于上、下横梁变形而作用于内侧固定螺母处的角弯矩。因而,张力柱总是在大幅值的单向交变拉应力下工作,在快速加载和突然卸载产生剧烈振动和晃动,成为液压机构件中最易破坏的一个零件,导致张立柱发生断裂的例子屡见不鲜。有统计,16 MN以下的锻造水压机,立柱断裂和损坏了几十根,25 MN,31.5 MN,60 MN,120MN级的水压机立柱断裂事故都有发生。最近,一台60 MN非预应力三梁四柱模锻液压机在工作700万次后发生断裂。断口具有疲劳破坏特征,断裂和损坏部位大多处于立柱在下横梁上平面拧螺母的螺纹根部,或锥面与下横梁定位的立柱时,位于下横梁下平面拧螺母的螺纹处。
如果将油泵直接传动简单地应用在这样一个胚子上,或将焊接结构三梁和四圆柱式普通油压机作为锻造压机使用,其整体刚性和运动精度可想而知,造成焊缝开裂、油缸漏油的成因不言而喻。
2.3.2 何种的机架结构更适合于自由锻造工况
第54页图1为全预应力机架的拉杆拉伸和立柱压缩的力—变形三角形力学关系平衡图。当压机总装预紧完毕后,机架在“a”点达到平衡状态;承受工作载荷P时,在“b”点达到新的平衡。显然,立柱始终处于压应力状态,并且保持着一个梁与柱不开缝的残余压力P0,拉杆所承受的最大和最小拉力在P2与P1之间变化,拉应力的变化幅值仅为最大载荷应力的15%。实践证明,这种机架结构具有较高的整体刚性、抗疲劳强度、承载能力和安全可靠性。同时,上、下横梁的内侧不再需要固定螺母,无论是键定位或插入式,不开缝,无需频繁紧固外侧大螺母,处于立柱内的拉杆的循环应力幅值大为减小,永无磨损,可以说在整机寿命周期内不会产生立柱断裂事故,各个构件的使用寿命因此而延长,大大降低了设备维修费用和寿命周期成本。
这就是近几年无论双柱或四柱式新型的25 MN到185 MN自由锻造液压机均采用预应力机架的缘由所在。
2.3.3 主工作缸为什么可以不漏油
全预应力机架立柱的典型结构为中空的矩形或方形截面,因而也就为活动横梁提供了全封闭立柱外围四平面导向的条件。导滑面接触面积大、面压低、耐磨,导向元件寿命长,导向间隙调节和导板更换更加方便容易。由于导板磨损而导致间隙增大,活动横梁失去水准,可由传感器装置监控;特殊构造的活动横梁超长导向结构,使内侧导板能够随着立柱横向的微量变形保持自动贴合状态,有效地提高了导向精度,实现了偏载力向立柱的传递。
同时,在主缸的柱塞与活动横梁的连接方式上,采用了一种双球铰式活节摇杆轴结构设计,使允许的锻造偏心距提高了一倍。工作时,锻造力通过铰接式摇杆传递到活动横梁,而不是通过主柱塞直接传递;由于铰接式摇杆的适应性转动,使偏心锻造所产生的偏载力经立柱传递到上横梁,有效地减小了对油缸导套与密封处的水平作用力,从而提高了密封能力和延长了密封寿命。
毋庸置疑,新型构造的导向系统的优越性,都是传统圆张立柱和导套所无法比拟的,其贡献不仅在于技术层面上提高了压机抗偏心锻造能力,使压机保持高的运动精度,使主工作缸不漏油,还在于经济层面上提高锻件的尺寸精度和锻造质量,降低了维护经费支出和设备寿命周期成本。
2.4 锻造压机配套设备的必要性
2.4.1 必须装备的工模具机械化处理系统
相对于冲压压机、挤压机等,锻造压机的负荷率比较低,一些80 MN,100 MN水压机的负荷率仅为45%~55%,锻件年产量不到3万t。很多水压机缺少必要的机械化配套设施则是效率低下的主要原因之一。
据统计,锻造水压机上每锻造1 t成品锻件要反复搬运钢锭、坯料8.5次,若包含锻造工模具在内超过10次,导致辅助作业时间长,有效开机率低下。而在1台10 MN油泵直接传动双柱斜置式锻造液压机上,配置有1台100 k N·m全液压轨道式操作机、钢锭旋转升降台、双横向换砧装置、含有6种砧具的砧库。只由一个操作工操作所有设备,快速地调换不同砧具,由方坯一火干成了一支曲柄连杆锻件。
可见,无论是对锻造车间进行技术改造,还是新建,装备工模具和锻件机械化处理系统是必要的。如砧库、砧子横向移动装置、快速换砧和夹紧装置、钢锭旋转升降台装置或钢锭运送小车或工具操作机等“宜人化”功能性装置,不仅改善锻造车间的劳动环境和条件,实现锻造作业自动化、机械化操作和文明化生产,而且可缩短辅助时间,降低消耗,提高生产效率、设备负荷率和产量。与此同时,相对降低了固定费用,达到降低成本目的。
此外,装备大截面气割装置,锻造之前对钢锭冒口和底部进行切割,也是节省压机机动台时的必要措施。
2.4.2 配置锻造操作机的必要性。
在传统水压机锻造生产过程中,主要借助于锻造吊车、翻料机和钳把套筒进行坯料或钢锭的转动和送进。那么,现代锻造车间配置锻造吊车是必不可少的吗?
在国外普遍认为操作机是提高锻造工效和生产率必备的手段,因而所有锻造液压机上均配置有锻造操作机。某厂80 MN水压机配备了1台2 100k N·m/4 000 k N·m锻造操作机,生产效率比原先采用的两台锻造吊车提高了1.6~2倍。某厂140 MN水压机经现代化改造,配备了1台1 600 k N·m和4 000 k N·m锻造操作机,在600 MW级的低压涡轮转子轴的锻造中,锻造时间缩短了8%,设备负荷率可达到74%,实际月产量增加了20%。由于不受起重机更换工模具作业的限制,辅助时间缩短了12%。
相反,某新厂延续了传统水压机车间设备的配置思想,采用了1台200 t的锻造吊车,与1台现代的80 MN自由锻造油液压机配套。投产后,经常锻造80~90 t的钢锭,锻造吊套筒套料烟熏火烤苦不堪言,操作极为不便,效率极为低下。迫不得已,只好又筹划上1台100 t以上的锻造操作机。
事实证明,即使是油泵直接传动的锻造液压机,没有操作机的配合,压机的技术性能也不可能得到充分发挥。因此,在现代化的锻造车间,尤其在大型自由锻造液压机上配备轨道式锻造操作机已是必不可少,而且一台锻造液压机左右各配置一台有轨操作机已逐渐成为一个新的发展趋势。
3 现代双柱型自由锻造油液压机
太原重工股份有限公司在新型的自由锻造液压机进行开发和研制中,消化吸收了国外同类液压机的先进经验,运用现代设计方法和手段,成系列地开发了25 MN,35 MN,45 MN,63 MN,80 MN和125 MN级别的油泵直接传动的双柱斜置式预应力机架自由锻造液压机,以及与之配套的不同吨位的全液压轨道式锻造操作机成套装备,并实现了向市场供货。目前,正在为某公司研制一台世界最大吨位的200 MN双柱型自由锻造液压机,并在制订“双柱型自由锻造液(油)压机”推荐性国家或行业标准。
3.1 自由锻造压机技术进步的一个标志
历史雄辩地证明,基于对结构力学和材料力学知识的掌握,对于一个满足工艺参数要求的规范化设计,只要其构件能够借助于现有的装备和手段制造出来,对于压机结构的多样性及任何形式的结构设计没有一个必然的限制。
40年前的锻造水压机大都是四柱式结构,近40年以来,在国内外已建和在建的13台超过万吨级的自由锻造液压机中,10台为四柱式,双柱式为3台,分别是:1971年日本铸锻钢公司油泵直接传动的80/100 MN双柱式锻造压机,1976年法国克鲁索钢铁厂水泵-蓄势器传动的90 MN/110 MN双柱式锻造压机,两台都已使用了30多年。第三台诞生于2008年,150 MN双柱下拉式自由锻造液压机在韩国太熊公司投产,又使得诸如“双柱结构仅能用于80 MN以下压机、双柱下拉式结构只适用于30 MN以下的小型压机”划分说不再成立。
原来仅有一两台,大家在观望,现在多起来,被更多人接受,这就是进步。从2000年以来,世界仅35 MN级以上双柱结构锻造液压机就增加到20台以上,其中以63 MN,70 MN,80 MN级居多。正在某厂安装的185 MN自由锻造液压机,将双柱结构压机的设计技术演绎到了极致。但是还未投产就与世界之最擦肩而过,被太重制造的一台200 MN双柱型自由锻造液压机的记录所刷新。
除了具有前述预应力机架结构的所有优点外,双柱式锻造液压机较四柱具有较大的操作空间和工艺适应性、易于接近中心、钢锭进出空间大的特点,以及良好的可操作性和可视性。这也是引起人们重新审视和接受双柱式的原因之一。
3.2 双柱机架的稳定性判据
在大型自由锻造液压机上采用双柱结构机架的设计是具有挑战性的。
由于受锻件工艺设计如剁切、错移、扭转引起的偏锻,材料加热不均匀性影响,以及受工具位置影响等所引起的非对称加载,锻件抗力远小于常锻压力,都是在压机设计允许的偏心距锻造范围内。尤其是采用轨道式操作机后,极大地消除了意外大偏心加载的可能性。导致水压机加载和泄压时机架的晃动和不稳定因素主要是:水泵-蓄势器传动固有的高压水力冲击产生的横向力,三梁四圆柱结构必须承受单向大幅值的交变载荷,活动横梁圆导套的点接触应力状态而引起的不均匀磨损和导向间隙增大,任一侧的两根立柱都不可能均匀受力,会导致单根立柱承受偏心载荷。这里也有操作者的随意性问题。
从材料力学分析可知,构件的抗弯面积惯量,即截面惯性矩是衡量截面抗弯能力的一个判据。在截面面积相同的情况下,矩形横截面构件的惯性矩是最大的,抗弯曲性比圆形或是正方形截面更稳定。即使是四根矩形截面立柱,将任一侧的两根分体立柱截面的惯性矩叠加起来,总惯性矩也仅是具有相同截面面积和结构特性的一根整体立柱的1/4。关键是,必须以适当的方式利用这种效果。第56页图2显示的双柱斜置式机架布置,较四柱式具有较大的截面惯性矩和抗弯刚度,允许偏心锻造范围大,并且能够达到很好的平衡性和稳定性。
通过计算,万吨级锻造压机共振频率仅为3~5 Hz。实际上,在这样大的压机上,无论何部位产生300次/min的频率都是不可能的,因而也不必担心快速锻造时产生共振影响。
3.3 空心矩形立柱和多拉杆结构设计
实践证明,采用多根拉杆优于只用一根拉杆。空心矩形断面立柱的材料远离中性轴,多拉杆可随之远离布置,受力均衡。每根拉杆直径一般在φ160~φ240 mm间,材料的许用应力可达700 MPa,安全系数一般在2.5以上。拉杆螺纹根部加工误差小,产生的弯曲应力影响较小,材料组织和热处理性能均匀性好,可用较小的液压预紧缸分别变张力预紧每根拉杆,应力均匀一致性好。
传统水压机的四根张立柱虽然设置有限程套,能部分防止氧化皮、工具等对张立柱表面造成损伤,却不能阻隔由于钢锭或锻件的热辐射,对张立柱的应力和变形造成的不均匀影响。锻件大量的热能传递影响,与距离的平方成反比。恰恰在双柱斜置式机架中,才可能使拉杆由于立柱的阻热作用,更多地远离了热源。这种空心结构立柱犹如一个自然烟囱,既可直接阻隔来自钢锭或锻件热的热辐射,又可通过下横梁的出砂孔或立柱外侧开口,将冷空气吸入,使聚集在立柱内部的热气流从上横梁的出砂孔散出,有效防止了热辐射造成拉杆的不均匀伸长。
3.4 结构的整体性与安全性
任何一个设计人员宁愿或尽可能采用较少的构件,使主要构件整体化,尤其上横梁、活动横梁、下横梁、机架等各主要构件,以避免它们之间的连接问题,由此带来附加的磨损、潜在的失效以及维护和修理的附加要求。但任何1台万吨级以上的锻造压机,这几个构件的净重都会超过200 t,铸造、热处理和机加工都是有难度的。如果采用铸焊结构或焊接结构替代整体铸造结构,存在诸如材料重量增加、焊缝质量、退火处理、焊缝疲劳寿命等问题。因而常常要将主要构件分成2件或更多件,采用机械连接方式。同时,为了避免制造、运输、吊装等一系列问题,大凡超过100 MN的锻造压机大多是在当地借助于自身条件设计建造的。
但是,特殊的细节设计可将分体结构的不安全因素减少到最低。诸如应力集中部位结构的优化和加工处理,出砂孔光刀处理和磁粉探伤,上横梁安装主缸孔的大圆角过渡,防止活动横梁非正常下落措施,超允许偏心矩加载测控,拉杆防松和应力监测,事故状态或停电后的处置等。
4 结论
1)从锻件生产的经济性要求出发,在自由锻造液压机上采用油泵直接传动全液压控制系统、矩形或方形立柱全预应力机架结构、锻造操作机等机械化操作配套设备的趋势不可逆转。
2)对传统水压机的结构、操控系统和配套设施进行技术改造,开发研制满足使用工艺、高效低耗和利于操作维护、实现锻件近终成形的新型锻造液压机,是一个必然的发展方向。
参考文献
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快速锻造液压机的液压系统设计 篇2
快速锻造液压机,是上世纪60年代开始发展起来的一种新型锻压设备。由于该设备机械化程度高、速度快,又能控制压下量的尺寸,在锻压行业应用也越来越多。对于快锻液压机,它的主要功能是实现快锻时有高的锻造次数及锻件尺寸控制精度,而保证这些性能实现的关键在于液压控制系统的设计。
2 液压系统的基本要求
(1)在计算机控制下,能实现液压机在较小工作行程和回程时有较高的工作循环次数即快锻次数,通常应大于80min-1。
(2)液压机在较高锻造次数下工作,要使液压系统的冲击、振动控制在最小范围之内,即系统在高压大流量(几千升乃至上万升)、工作循环次数较高状态下,能安全、正常、稳定工作,并要充分保证液压机本体工作的平稳性。
(3)由于活动横梁的位置直接影响到锻件的尺寸精度,要求控制液压机百吨左右的横梁的动作,包括空程下降、回程至停止、加压至回程位置等,横梁位置控制精度±1mm。
3 液压系统设计思想
(1)考虑到系统属高压大流量系统,为了减小液压冲击与振动,尽量缩短管路,特别是主进油阀块和卸压阀块尽可能靠近主工作油缸和两个回程油缸。在主缸进油阀块和回程缸进油阀块上,安装有插装式比例阀作为进油阀。由于比例阀带有位移传感器,可以根据所给定的电信号使主阀处于关闭至全行程范围内的任意位置,从而可以实现主阀最大流量范围内的流量随意调节。主阀的启闭速度也完全可以根据所给定的电信号随意调节,从而实现动梁速度的调节并减小冲击振动。
(2)液压系统采用油泵直接传动,阀组高度集成化,组合成几个液压集成块,从而大量减少外接液压管路和管式连接的液压元件,减小系统的冲击振动。
(3)在精整锻造过程中,所需压力比镦粗时小得多,行程量也小。故采用回程缸和工作缸连通构成差动系统。回程缸常通高压油省去回程时系统的建压时间,以此来增加锻造次数。锻造精度的控制通过回程缸的背压来实现。在液压机加压时回程缸液压油经平衡阀及排液阀排出,回程缸内始终有一定背压平衡动梁下降时产生的惯性力,保证液压机停止位置的精度,即锻件高度尺寸精度。
(4)快锻液压机把主缸的进油和排油分开,使它们走两股道,让液体在系统内沿单行道走环形回路,从而大大减少了液压冲击和振动。
(5)各种液压元器件包括主泵、主阀、先导阀及监控元件全部选用进口元件,以保证系统工作的可靠性和稳定性。其余选择标准逻辑阀插装组件,性能好,质量高,互换性好,备件易购置,同时液压阀块的制造也相对简单。
4 25000kN快锻压机的液压系统设计及注意事项
(1)大通径的高压管路使用接管法兰。由于快锻液压机管子壁厚一般比较厚,在使用传统插焊法兰时,管道会受到液压油的冲击,冲击位置如图1箭头处所示。久而久之,液压油的反复冲击会使管路与法兰的焊缝松动,导致漏油。比较好的解决方法是使用接管式法兰,只要在管子坡口处焊接即可。
(2)由于泵的高压油、回油及泄油都是连到主管路上通油缸或油箱,因此,要加截止阀,防止检修泵时主管路里的油流出。
(3)阀台要比主管路要高,防止在检修阀块时主管路里的油在重力作用下回流阀块。同时在主管路上增加排气装置,可以防止出现虹吸现象并在启动时放掉管道中的空气。
(4)高压管路不使用弯头,采用压机折弯。由于弯头的弯曲半径为外径的1.5倍,弯曲半径小,造成弯头承受的液压冲击大,时间长了,容易漏油。而采用机械或人工煨弯由于其弯曲半径大,可避免此问题。但弯管应在装有胎具的弯管机上进行,管子煨弯后,不允许有皱纹和裂纹。
(5)对系统油温、油压均有显示和控制及连锁、报警等。在油箱上设置一个液位显示控制器装置,随时显示液位位置和变化,并将控制点的信号取出通过电气控制循环阀的动作,与主泵、循环泵等连锁。
(6)在低压管路上均设有橡胶减振器,另外对较小的高压管路尽量选用了高压胶管,这样可以减小振动,防止泄漏,同时为管道的安装和检修创造了良好的条件。正确安装的软管应该弯数最少,用直角接头代替直接头可以减少弯数,缩短长度。同时用支架和管夹固定软管,以减小软管的摆动,避免在升压及卸荷时出现的“劈啪”声。
(7)具有外部泄油的减压阀、顺序阀、电磁阀等的泄油口与回油管连通时不允许有背压。否则应单独接回油箱,以免影响阀的正常工作。
(8)将系统的各个部分的工作压力、管路、阀的开启状态等信号检测出来,提供给电气控制系统,以达到对液压系统各动作状态的显示、控制、联锁、报警、保护,以确保系统能安全正常工作。比如蝶阀增加接近开关,防止在蝶阀没有打开的情况下泵吸油或系统回油。
5 结束语
实践证明,机器液压系统的质量将直接影响到液压机以后的调试及生产过程的顺利与否。在设计安装过程中注意到以上问题,不仅方便后期的维护工作,更重要的是可以大大减少生产过程中的停机时间,提高生产效率,使液压机充分发挥其潜能。
摘要：随着制造业的迅速发展,自由锻件的市场需求量日益增大,对自由锻造液压机的需求十分紧迫。本文探讨了在设计这类液压机液压系统时的思路及需要注意的一些细节。
关键词：机械制造,液压系统,快速锻造液压机,设计
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锻造液压机液压系统的维修与管理 篇3
1 锻造液压机液压系统的组成
锻造液压系统与其他设备液压系统一样, 具有液压系统的一般共性, 这主要表现在锻造液压系统具有一般液压系统的组成原件, 主要包括动力元件、控制元件、执行元件和其他辅助元件等四大模块, 锻造液压机液压系统的油箱主要保障对设备需要的工作油进行事前储备, 而锻造液压机液压系统的过滤器主要功能是对工作油进行过程过滤, 进而最大限度的保障工作油的相对清洁, 而液压系统中的液压泵主要功能是在液压系统正常工作时产生定值压力和流量, 保障工作油具有相对稳定性, 因为这能够保证液压系统对一些重要控制元件执行相关指令, 如压力阀、流量阀、方向阀等。锻造液压系统的液压缸主要功能是保证工作时生成数字。正确认识和理解锻造液压机液压系统的构造元件及其工作原理是进行液压系统维修与管理的重要前提。
2 锻造液压机液压系统管理要点
锻造液压机液压系统的管理中最重要的第一就是加强对液压系统的保养, 而保养的重要方面就是能够避免也不必要的失误造成液压系统的故障, 对液压系统的维修与管理要重视事前的故障控制, 随着工业技术的飞速发展, 人们对机器设备进行事前维护已经受到了越来越多工程师的重视, 拒不完全统计, 液压系统的故障大多数是由于液压油品质部良引起的。主要可以从以下几个方面着手。
2.1 锻造液压机液压系统管理要重视工作油的加注
锻造液压机液压系统所使用的工资油对液压系统稳定性具有十分重要的意义, 液压系统使用的液压油的好坏直接决定了液压系统的工作效率和系统的稳定性, 对液压系统所使用工作油具有明确的技术规范指标, 特别是对其中工作油的相关规定如要满足液压系统其对对工作油液粘温特性、抗氧化性、耐磨性、润滑性等性能指标的要求加注时应注意按照技术资料规定的液压油型号进行加注。
2.2 重视锻造液压机液压系统工作油和过滤芯的更换
锻造液压机液压系统在工作时对工作油的要求较高, 因为在锻造液压机液压系统工作时, 工作系统本身在运转过程中会产生杂质, 工作油产生杂质会破坏油液循环, 这会直接导致油液循环中产生的相关杂质吸附在液压系统的油芯上, 最极端的情况下还会导致油路堵塞, 使得油路的流通性变差, 进而影响液压系统的正常运作, 因此对锻造液压机液压系统油芯要保证定期进行清洗和更换显得很有必要。
3 锻造液压机液压系统的故障诊断
锻造机液压系统的诊断是液压系统维修与管理的重要内容, 锻造液压机液压系统故障诊断要把握两个重要的关键, 一是液压系统压力和流量是否显示正常, 二是液压系统温度执行元件速度参数显示是否正常, 这是把握锻造液压机液压系统诊断的两个关键点。
锻造液压机液压系统进行诊断应该重视对元件故障的诊断, 因此在对液压系统元件进行诊断时要找出故障元件, 这是液压系统诊断的关键, 一般情况下, 锻压液压机液压系统在故障诊断与维修时可以采取一些有效的检查方法进行故障排除, 主要集中在以下几个方面。
3.1 直接观察法
直接观察法是比较常用的一种检测方法, 无论是在工程机械检修还是在医疗服务领域观观察法都扮演着十分重要的角色, 直接观察法简单说就是通过工程师对机械设备进行肉眼观察, 通过对机器设备进行观察, 通过对关键部位进行直接触摸, 进而实现对设备故障的诊断, 当然这是建立在拥有专业知识和丰富经验的基础上, 直接观察法并不是万能的, 通过这种方法主要是检查液压系统关键设备是否存在破裂、漏油、松脱和变形等故障现象, 通过工程师的观感和触觉来判断液压系统关键元器件是否工作正常, 还有是否存在异常声响等。
3.2 元件调换法
在对设备进行直接观察法后如果没有发现相关问题, 并且现场并不具备对设备进行维修, 遇到这种情况时, 可以采用工程师运用较多的元件调换法对液压系统精密元器件进行调换检查, 对于液压系统的一些精密元器件, 无法进行现场检修, 就采用元件调换法, 如液压系统中的溢流阀、单向阀之类的体积小和易拆装的元件, 可以采用元件调换法, 这种方法操作起来并不复杂, 也相对较为简单。
3.3 仪器检测法
液压系统出现故障采用的检修方法也相对较多, 其中仪器检测法也是比较关键的方法, 仪器检测法的关键在于借助检测设备对液压系统关键元器件的相关数值进行检测, 根据仪器设备反馈的数值进行故障诊断, 如液压系统中油压数值、流量数值、油温数值等, 通过对这些进行测量, 来判断液压系统的故障所在, 这些检测数值是判断液压系统故障的关键参考数据, 仪器检测在液压系统故障排除方面具有广阔的运用前景。
摘要：新型材料的不断出现, 客观上对锻造液压机提出了更高的要求, 这往往要求使用的锻压设备具有更强的功能, 但是这也使得锻压设备的维修与管理面临着更大的压力, 因此加强对锻造液压机液压系统维修与管理方面的研究就显得十分迫切, 本文从锻造液压机出现故障的常见原因着手, 分析了锻造液压机液压系统的工作原理, 提出了针对性的液压系统维修与管理建议, 希望能够使读者获得有益启发。
关键词：锻造液压机,液压系统,维修,管理
参考文献
[1]高阶.液压系统维修与保养[M].机械工业出版社, 2009, 20 (36) .
[2]王万婷.锻压机液压系统故障诊断方法探讨[M].工业出版社, 2010.
锻造液压机 篇4
日前,天津锻压自主研发的160MN(2万吨)等温锻造液压机在中航工业集团陕西宏远航空锻造有限责任公司热载试车圆满成功,标志着我国首台套160MN等温锻造液压机已经具备正常投产能力,可满足国内特种高温合金、钛合金以及金属间化合物等难变形合金锻件的等温超塑成形的生产需求。该设备是国内目前最大吨位的等温锻造液压机。
该设备结构件采用超厚钢板焊接而成,机身采用多拉杆预紧框架式结构。设备开口高度为3600mm,具有上、下顶料装置,可实现单独控制和同步工作。具有双┣型移动工作台,满足不同尺寸工件的锻造需求。在等温锻工艺条件下,200MN压力机锻造能力相当于(800-1000)MN普通压力机的锻造能力,在提高锻件质量上具有很大的技术优势。设备具备锻造速度和位移精确可控功能,尤其是通过滑块工作速度0.005mm/s的超低速控制能力,提高了锻件的综合性能以及整个锻件的变形均匀性,达到机械加工量少的目标。
目前,国家大飞机的发展计划与量产化的趋势加速,航空制造业正形成明显的新型规模市场,航空锻造产品也将向高端产品结构转型,未来将向超精、超大、超重等方向发展。200MN等温锻造液压机的顺利投产将极大地促进航空飞机及其发动机锻件的研制生产,为突破我国航空工业发展瓶颈奠定坚实基础。
锻造液压机 篇5
带四角调平系统的等温锻造液压机，是我国发展新型航空航天高新技术工程中所需的重大设备，主要适用于航空高强度材料等温超塑性成形新工艺。因被锻材料塑性差，变形抗力大，变形速率要求严格，锻造工艺复杂，因此，液压机的设计制造都应满足工艺对结构形式、刚度、强度、机械精度，特别是对滑块运动速度及滑块平面位置的控制精度的特殊要求，以便改善产品精度，提升产品质量。这里，等温锻造液压机采用了新型组合大型框架主机结构，滑块采用5缸驱动。主缸是一个可产生主吨位压力的柱塞缸，滑块四角分布4个调平缸，为活塞缸。目前，对等温锻造液压机工作参数作了如下要求：速度范围0.005～0.5mm/s，实现恒速控制，滑块下平面精度在0.1mm/m内。
2 系统设计控制方式
2.1 四角调平理论
在等温锻造高强度材料时，因单位面积材料上变形抗力不一致，容易导致滑块受力偏载而发生弹性变形(此处假设模具不发生变形)，难以保证压制产品精度。为此，在设计液压机时，应使滑块具备四角调平功能，以抵消滑块偏载变形。
滑块在压制产品过程中，可以从滑块四角的各直线位移数显尺检测出其各自所对应调平缸的实时位置数据，同时并将这4组数据与主缸的直线位移数显尺检测出的数据进行比较，然后再根据各自比较所得的差值数据进而输出电信号，决定液压调平系统控制各自对应的调平缸作用力的状况，以抵消滑块在等温锻造工艺过程中受力偏载而发生的弹性变形，进而达到理想调平效果。例如，调平缸的直线位移数显尺数值位置高于中间主缸直线位移数显尺数值位置，说明此处安装的调平缸对应的滑块点上位置发生弹性变形，已经高于滑块中心位置，此时通过其液压控制系统供给调平缸一个向下的作用力，以消除此处滑块的弹性变形量。图1所示为调平作用受力状况。同理，当调平缸的直线位移数显尺数值位置低于中间主缸直线位移数显尺数值位置时，此处就需要液压控制系统供给调平缸一个向上的作用力，以消除此处滑块的弹性变形量。
由上述分析可知，达到调平效果要求，需要满足如下条件：
2.2 液压系统
等温锻造液压机的四角调平控制要求严格，在其液压传动系统中，高控制精度及反应灵敏度一直是一个较难解决的难题。为此，采取了以下几个方面的措施。
(1)为了保证调平控制系统和主液压控制系统的简单性及独立性，将调平控制系统和主液压控制系统分别做成独立的泵阀液压控制系统，以防干涉，并为调试及检修提供了简单的平台。
(2)理论上可以认为滑块受力均匀，压制工艺过程中不存在偏载情况，并且针对等温锻造工艺特点，其压制速度一般情况在0.005～0.5mm/s之间，根据V调平速度>V主缸速度的要求，可以知道实际调平缸调平工作所需要的流量是很小的。同时，在假设滑块压制工艺过程中不存在偏载情况，为了尽可能保证4个调平缸同步下行，所以从理论上考虑选取4个小型柱塞定量泵，每个柱塞定量泵供给各自的调平缸流量，以便从宏观上保证调平缸的同步运动和滑块平衡下行。
(3)为保证液压机滑块下平面0.1mm/m的高精度，根据阀控系统具备高精度和高动态响应及功率小的特点，采用比例伺服阀及补偿同步偏差形成的闭环回路，组合成一套液压调平系统。每套调平系统都采用独立液压控制单元，每套比例伺服控制阀安装在各对应调平缸缸体上。一方面进一步提高同步精度、调平精度和高响应效果的控制，另一方面又能够便于跟踪管理和系统维护。
(4)比例伺服阀流量可以按输入的电信号连续地、按比例或非线性地控制液压系统的流量，有效地解决超调问题。根据直线位移数显尺比较的实时数值，当有大误差时，比例伺服阀根据电信号阀口以大流量方式开启，以使阀芯能以最短时间达到并跟踪其给定的位置;当误差达到一个允许的小误差时，比例伺服阀阀口根据电信号以小流量开启，并且根据误差大小自动计算在给定的小流量条件下，达到给定位置需要的时间，在时间达到后，关闭比例伺服阀避免控制超调，并实现阀芯的精确定位。以此方式解决微观上调平缸的同步运动和滑块下平面精度0.1mm/m。
2.3 比例伺服阀电控系统
在液压机工作过程中，调平缸有可能出现相对较大的速度变化，因此，要求系统要有较高的动态响应，而同时在等温锻造恒速运行时又要求速度波动很小，即要求系统的稳态指标要高。为了达到设计要求，采用积分分离PID控制方法，研制了一种具有高可靠性和可维护性的锻造液压机控制系统，完成了对液压机的恒速度、同步、调平的控制。在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。常规PID控制系统原理框图如图3所示。
1.泵2.电机3.过滤器4.压力传感器5.溢流阀6.比例伺服阀
简单来说，PID控制器各校正环节的作用如下：比例环节可及时成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ⅰ，且Ⅰ越大，积分作用越弱，反之则越强。微分环节能反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引人一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，缩短调节时间，保证调平缸具备高动态响应性能。经过现场负载实验，被锻材料采用800℃变形高温合金，测得的调平缸调平曲线如图4所示，完全满足等温锻造工艺精度0.1mm/m的使用要求。
3 结束语
现场生产表明，液压机的控制精度使锻造出的产品质量达到保证，说明该液压系统设计成功。选用比例伺服阀控制作为调平系统，满足了高动态响应，高精度要求，此系统安全可靠，安装、调试、维护方便。
参考文献
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锻造液压机 篇6
现有的液压机拉杆普遍采用顶角为45°锯齿螺纹,如图1所示,齿根圆角半径很小,计算机三维有限元分析结果表明[1,2,3],齿根圆角应力集中现象非常严重,甚至超过了材料的屈服强度,导致拉杆的抗疲劳强度大大降低,成为拉杆频繁断裂的主要原因之一。而且,随着装备制造业逐步大型化的发展,超万吨的压机越来越多,拉杆螺纹承受的力也不断增大,仅通过不断加大拉杆螺纹直径效果十分有限。因此,急需设计一种低应力螺纹拉杆,以解决锻造液压机拉杆频繁断裂问题,延长拉杆使用寿命。
图1 45°锯齿螺纹牙型
本文提出一种低应力高强度螺纹型式,用于消除现有锻造液压机拉杆螺纹的应力集中现象,延长拉杆的使用寿命。
1 传统拉杆螺纹牙强度计算方法
目前,对螺纹牙强度的计算,一般仍沿用将螺纹牙展开当作一个悬臂梁、并假设载荷在螺纹牙表面平均分布,用作用在螺纹牙高度中点的一个集中力来代替的方法,求其根部危险断面上的应力值。
现将一般工程上螺纹强度计算方法说明如下。作用在每一圈螺纹上的力:
式中:p2———立柱所受总拉力;
n———立柱数目;
工作螺纹圈数Z并不好确定,根据使用经验一般只能保守假设前3、5扣受力。后文的有限元计算证实这种假设可行,同时可清楚看到螺纹牙受力呈逐渐递减趋势。
式中:a—螺纹牙根部宽度;
t—螺纹牙高,
D—螺纹外径;
D1—螺纹内径。
用以上方法计算的螺纹强度因为有很多假设,很难真实反映螺纹的应力水平。
2 新型拉杆高强度螺纹牙型
新型拉杆采用高强度螺纹,拉杆与螺母的螺纹配合一致使用同一台机床加工。多种规格的拉杆已在工程实际中应用,在经过多次优化设计后得出基本参数的公式。
如图2、图3所示为锻造液压机设计的新型螺纹牙型。拉杆的外螺纹与内螺纹具有如下特征:与传统的45°锯齿形螺纹不同,拉杆的外螺纹与内螺纹的原始三角形顶角的角度θ相对较大,远大于45°,该角度θ可以选取在55~65°之间,且以60°为优选;外螺纹及内螺纹的螺距P相对较大。此外,外螺纹与内螺纹的根部均为一圆弧。外螺纹的根部圆弧半径R大于内螺纹的根部圆弧半径r。
图2 新型拉杆螺纹牙型
图3 新型螺母螺纹牙型
如图2所示对拉杆的螺纹进行分析,外螺纹的基本参数包括:螺距P,原始三角形的顶角θ,外螺纹根部圆弧的半径R,以及外螺纹的大径d,外螺纹根部圆弧相切于外螺纹的原始三角形的两腰。结合图3可以看到,内螺纹的基本参数包括:螺距P,原始三角形的顶角θ,内螺纹根部圆弧的半径r,以及内螺纹小径D1,内螺纹根部圆弧相切于内螺纹的原始三角形的两腰。
其中,螺距P的取值与外螺纹的大径d有关,d较大者,则螺距P也应较大。在某一限定尺寸范围内,螺距P的取值约为外螺纹大径d的6.5%~8%。例如,对于d=150mm~190mm的螺杆,螺距P可选取10mm~15mm,考虑到便于实际生产,可统一选取一较佳值P为12mm;对于d=200~260mm的螺杆,螺距P可选取13mm~20mm,且可统一选取一较佳值P为16mm。
根据上述的基本参数,就能够计算得出外螺纹及内螺纹的规格参数。包括:外螺纹的原始三角形高度H,外螺纹的牙齿高度h1,外螺纹的牙根高度h2,外螺纹的牙顶高度h3,外螺纹的中径d2和小径d1;内螺纹的原始三角形的高度H,内螺纹的牙齿高度H1,内螺纹的牙根高度H2,内螺纹的牙顶高度H3,内螺纹的大径D,中径D2和小径D1。
根据上述设计,由于增大了内螺纹和外螺纹的螺距P及原始三角形的顶角θ,使得外螺纹及内螺纹的接触面增大,因而能有效减小螺纹所受应力。此外,由于设计增大了外螺纹的根部圆弧半径,能进一步减小外螺纹根部应力集中现象,延长螺杆的寿命。
3 新型拉杆高强度螺纹有限元计算
基于I-DEAS有限元分析软件建立真实工况力学模型,采用接触算法进行分析计算。以M240的螺纹为例,通过拉杆与螺母的接触分析能清晰地看到45°锯齿形螺纹和新型高强度螺纹在受力后的应力大小及分布。
图4 45°锯齿螺纹拉杆与螺母接触分析模型图
3.1 模型建立
查标准JB/ZQ4723液压机用45°锯齿螺纹牙型与基本尺寸[5],选用YS240×8,按标准尺寸建立拉杆和螺母的模型如图4所示。
采用上面工程实例中计算公式得到M240×16新型螺纹拉杆和螺母的详细尺寸建立有限元模型如图5所示。
图5 新型高强度螺纹拉杆与螺母接触分析模型图
以上建立的两个有限元分析模型拉杆和螺母的直径大小相等,但螺纹部分的区别十分明显,图4啮合的螺纹牙大约是28对,而图5啮合的螺纹牙数大约是14对。也正是这种区别使得这种新型螺纹具有了承受高强度的能力。
3.2 网格划分
由于拉杆属于轴对称件,为缩短计算时间,两个模型都取1/4计算;且螺纹牙型部位尺寸细小,为体现出主要受力部分的应力应变,运用I-DEAS中分离命令将拉杆与螺母螺纹部位分离出来,螺纹牙型局部网格细化如图6、7所示。
6 45°锯齿螺纹模型网格图图
图7 新型螺纹模型网格图
3.3 计算结果分析
根据在液压机上使用的实际工况,建立以下边界条件:(1)载荷边界条件,拉杆两端部施加拉力,螺母一端部施加压力;(2)接触边界条件,拉杆螺纹面与螺母螺纹面建立接触对,设置接触探测距离及接触面之间的摩擦系数;(3)约束边界条件。求解之后计算结果如图8、9、10、11所示。
从应力图中可清楚看到,45°锯齿螺纹拉杆最高应力为538MPa,螺母最高应力424MPa;而新型螺纹的拉杆最高应力为294MPa,螺母最高应力308MPa。充分证明新型螺纹拉杆的优势。
图8 45°锯齿螺纹拉杆应力图
图9 新型螺纹拉杆应力图
图1 0 45°锯齿螺纹螺母应力图
图1 1 新型螺纹螺母应力图
由图8可看到,45°锯齿螺纹的拉杆上第一扣应力最高538MPa,第二扣约为450MPa,第三扣约为365MPa,第四扣约为281MPa,由此可见应力高值主要集中在前面3~5扣(这也验证了前面45?锯齿螺纹强度计算中假设3~5扣受力的合理性),随后应力值迅速递减,大约到整个啮合螺纹长度的一半时,应力值就递减到约127MPa,直至啮合终了应力值递减为24.7MPa。
由图9可以看到新型螺纹的拉杆在前6扣应力值从294MPa递减到168MPa,应力值递减缓慢,应力高值占了整个啮合螺纹长度大约一半,直至啮合终了应力值缓慢递减为61.8MPa。
图10、11的螺母应力图也显著表示出二者之间受力的差异。说明由于新型螺纹特殊的牙型使得拉杆啮合部位的螺纹牙受力趋于均匀,大大改善了普通螺纹由最初啮合3~5扣齿受力状况,降低拉杆螺纹应力45%,消除了高应力集中现象。
4 结论
本文给出了新型螺纹牙型的详细参数设计方法,然后采用有限元的接触算法,结合实际工况,避免传统计算方法的假设过多状况,通过细化螺纹部位网格,计算并比较了两种不同螺纹时拉杆和螺母的应力,真实且直观地反映了各自受力状况。说明新型螺纹的拉杆通过增大螺纹的螺距及原始三角形的顶角,以及螺杆螺纹的根部圆弧半径,能有效降低螺纹应力,使螺纹的受力更均衡,提高了拉杆的承载能力和可靠性。从而使拉杆螺纹不会发生研死粘合现象,便于安装且使用寿命长。
摘要：目前锻造液压机的拉杆较多采用45°锯齿型螺纹。随着设备大型化、高强度的要求,仅通过不断加大拉杆螺纹直径解决问题十分有限,因此本文提出一种新型高强度特殊螺纹型式拉杆,推导出该特殊螺纹牙型参数的具体计算公式。基于三维有限元软件I-DEAS建立真实工况的力学模型,运用接触分析方法,并结合设计实例比较了两种螺纹型式拉杆的受力状况及应力云图。工程应用实践证明该设计降低拉杆螺纹应力45%,消除了高应力集中现象。
关键词：机械设计,锻造液压机,高强度螺纹拉杆,锯齿螺纹,有限元分析
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锻造液压机 篇7
一、典型液压系统故障分析、诊断和处理方法
1. 充液罐工作液位不稳故障
充液罐产生故障的原因, 一般包括液位开关的电气控制感应发信故障, 不发信或者发信错误;循环阀出现故障, 处于全开或者关闭状态;供液泵压力低, 调不上去;充液罐压力过高。
(1) 检查液位控制开关感应发讯情况是否正常。正常工作时, 当液位处于最高工作液位时, 液位控制开关发讯指令循环阀先导电磁阀带电使主阀打开, 充液罐油液经循环阀流回主油箱, 液位低于最低工作液位时, 液位控制开关发讯指令循环阀先导电磁阀失电使主阀关闭, 充液罐保持满足系统工作油位。不正常时, 一是调整液位控制开关感应接近位置并紧固牢靠;二是检查液位控制开关是否损坏, 如损坏及时更换。
(2) 检查循环阀, 包括先导电磁阀、插装阀阀芯、插装阀盖板。检查先导电磁阀工作是否正常, 先捅电磁阀芯动作是否灵活, 可对照电磁阀上的机能关系, 用吹烟的办法检查电磁阀带电及失电状态下的通道是否通畅, 如有故障及时用煤油清洗或用抛光砂纸打磨拉上产生毛刺的阀芯, 使之动作灵活。
检查阀芯与阀杯之间的运动性能是否灵活, 如阀芯因拉伤产生毛刺不灵活, 需进行抛光砂纸打磨修理或者更换;注意阀杯的上下两道密封是否损坏, 如有损坏及时更换。
用吹烟的办法检查主阀控制盖板通道是否通畅, 如不通畅, 及时清洗;安装主阀控制盖板时应注意盖板的方向, X口、Y口的对应关系应符合循环阀的启闭机能。
(3) 调整供液泵泵头阀的压力, 如调不上去再按下面的方法处理。检查先导电磁阀工作是否正常, 先捅电磁阀芯动作是否灵活, 可对照电磁阀上的机能关系, 用吹烟的办法检查电磁阀带点及失电状态下的通道是否通畅, 如有故障及时用煤油清洗处理。
用吹烟的办法检查主阀控制盖板通道是否通畅, 如不通畅, 及时清洗;并注意盖板时应注意盖板的方向, X口、Y口与阀体安装的对应关系是否合理。
(4) 检查阀芯与阀杯之间的运动性能是否灵活, 如不灵活检查原因进行抛光砂纸打磨修理或者更换;检查阀杯的上下两道密封是否损坏, 如果损坏及时更换。
(5) 检查低压溢流阀的阀芯是否有卡死或者滑阀中心的控制油孔是否堵塞的故障, 如有卡死用抛光砂纸打磨和清理处理。
(6) 充液罐充气压力过高, 检查充液罐充气压力, 在最低液位时充气压力为0.3 MPa;在最高工作液位时, 压力不能超过0.65 MPa。可采用先将油泵给充液罐充油至工作液后再充气或在高工位超压时, 用放气的方法来调整充液罐补、排油的正常液位。
2. 主泵泄压, 主系统没有压力, 压力下降或调不上去故障
故障原因, 主泵的泵头泄压阀问题;主泵卸载分配器总溢流阀泄压;主系统泄压阀 (主分配器V1卸载阀) 处于开启状态或者封不死。
按泵头测试开关或手动捅先导电磁阀阀芯, 测试主泵溢流阀是否能够正常关闭上压, 如不上压, 即先检查先导电磁阀, 再拆检溢流阀的调压阀, 看阀锥封闭面是否磨损或有异物卡住, 如有则清洗研修处理即可;如调压阀检查属于正常, 那么还需检查主泵溢流阀的盖板和插装阀, 是否因通道节流孔堵塞, 阀芯拉伤异物卡住或阀杯密封损坏有泄漏, 使主阀无法关死不能上压, 如有清洗研修处理即可。
如果发生所有主泵都不上压或压力下降调不上去的故障时, 需检查主泵卸载分配器总的溢流阀, 拆检溢流阀的调压阀和盖板, 插装阀确定问题所在, 清洗研修处理即可。不修复的溢流阀应及时更换新阀。
主分配器V1卸上设有主系统V1泄压阀, 在主泵调压时可将调压开关打到调压位置令压阀先导阀带电关闭主阀, 盖板上有限程杆的也可旋动丝杆将主阀手动轧死, 才能完成主泵调压。主系统V1卸压阀如发生故障时会导致主系统没有压力, 所以需要最先修V1卸压阀, 处理方法为:先检查先导电磁阀, 再拆检盖板, 插装阀确定问题所在, 清洗研修处理即可。不能修复的先导电磁阀应及时更换新阀。
3. 压机无加压动作, 加压时压力下降故障
故障原因有主系统无压力;主缸进液阀V2未启;卸载分配器上的卸载阀开启泄压;卸载分配器上的主缸充液阀卡阻或座底部密封损坏导致泄压。
(1) 主系统无压力, 可参照主系统没有压力的诊断处理方法进行处理。检查主缸进液阀V2是否开启, 打压机主令手柄开关至加压位置, 观察监视屏压力传感显示, 主缸进液阀V2如未开启主系统压力显示有而主缸显示没有压力。则说明主缸进液阀V2未开启, 具体处理方法如下。
打压机主令手柄开关至加压位置, 检查先导电磁阀工作是否带电, 如没有电信号输入, 先处理电气线路及输入故障, 如电气没有问题;再按机能检查主阀的盖板和插装阀, 阀芯与阀杯之间的运动性能是否因有异物拉伤阀芯而卡死主阀, X口, Y口的对应关系是否通畅符合机能。如有故障及时用煤油清洗或用抛光砂纸打磨研修处理。
如果是内控比例阀, 检查内控油路及阀芯导油通道是否堵死, 如果是外控比例阀, 一要检查控制油压力是否合适, 压力不能低于16 MPa。二可通过在放大板上测得输入电压的反馈值, 确定先导及主阀是否卡阻再决定拆修, 无专业知识的维修人员不允许拆修。
(2) 卸载分配器上的卸载阀, 在压机加压时属于全部关闭状态, 如有开启和关不死的故障发生, 也会导致压机无加压动作和加压时压力下降。因卸载分配器上的卸载阀有多阀设置, 究竟是那一个阀有泄漏或开启泄压, 诊断具体处理方法如下。
打压机主令手柄打开至加压位置, 检查各个卸载阀先导电磁阀工作是否带电 (内控比例阀, 外控比例阀为失电关闭) , 如没有电信号输入, 先处理电气线路及输入故障, 如电气没有问题;对于开关阀盖板上有限程杆的, 可采用逐个旋动丝杆将主阀手动轧死进行试动加压的方法, 来诊断究竟是那一个阀有泄漏或开启泄压, 以便快速解决问题。在检修卸载阀主阀时如发生的故障现象, 是加压时压力下降或压力达不到设定值时, 需将主阀阀杯拆出检查上下两道秘密的密封性, 及时更换损坏的密封。
如果是内控比例阀, 检查内控油路及阀芯导油通道是否被堵死, 如果是外控比例阀, 一要检查控制油压力是否合适, 力不能低于16 MPa。二可通过在放大板上测量输入电压的反馈值, 确定先导及主阀是否卡阻再决定拆修, 无专业知识的维修人员不允许拆修。
(3) 卸载分配器上的主缸充液阀因卡阻或阀座底部密封损坏同样也会造成压机无加压动作和加压时压力下降的故障, 所以除了要检查主阀阀芯与阀杯之间的运动性能是否因有异物拉伤阀芯卡阻主阀不能关死外, 同时也要检查阀座底部的密封是否损坏, 如有损坏应及时更换损坏的密封。
4. 压机无回程动作, 有回程但很慢, 有回程但停不住故障
故障原因:主系统无压力, 泵头不上压;回程缸进液阀V3未开启;卸载分配器有个别卸载阀未开启憋压;主分配器上回程缸支撑阀。安全阀有一个开启, 压力油经回程缸排液阀泄压。
主系统无压力, 可参照主系统没有压力的诊断处理方法进行处理。回程缸进液阀V3未开启, 可参照主缸进液阀V2未开启的诊断处方法进行处理。卸载分配器上有个别卸载阀未开启憋压, 会导致压机回程时主缸泄压排液不畅, 造成回程速度减缓变慢。处理方法为:
(1) 打压机主令手柄开关至回程位置, 检查各个卸载阀先导电电磁阀工作是否失电 (内控比例阀, 外控比例阀为带点打开) , 如没有电信号输入, 先处理电气线路及输入故障, 如电气没有问题:在检查各个卸载阀的主阀是否因有异物拉伤阀芯而卡阻主阀不能开启, 如有故障及时用煤油清洗或用抛光砂纸打磨研修处理。
(2) 如果是内控比例阀, 检查内控油路及阀芯导油通道是否被堵死, 如果是外控比例阀, 一要检查控制油压力是否合适, 压力不能低于16 MPa。二可通过在放大板上测量输入电压的反馈值, 确定先导及主阀是否卡阻再决定拆修, 无专业知识的维修人员不允许拆修。
压机主分配器上回程缸支撑阀V7, 安全阀V8 (上传动代号为V5, V6) 当压机没有回程动作, 或回程速度减缓及停不住时, 应首先检查回程缸支撑阀V7是否有压力;安全阀V8能否保住压力, 按工作机能逐一排查检查回程缸安全阀V8、撑阀V7、快降阀V4的启闭情况。如回程缸支撑阀V7压力达不到设定压力值, 安全阀V8也不能保住压力时应及时调整, 当调整无效时拆检溢流阀的调压阀和盖板, 插装阀及阀杯的上下两道密封是否损坏, 确定问题所在清洗研修处理即可 (调压阀内的阀锥上的密封环线应确认清晰完整, 如有断线说明该阀锥已损坏) 。不能修复的溢流阀应及时更换新阀。
5. 压机无快降或因快降阀关不住, 导致压机在空中停不住下滑故障
故障原因:压机没有快降动作, 快降阀V4不开启。压机下滑停不住, 快降阀V4、回程缸排气阀关不死。
诊断和处理办法:压机没有快降动作, 一种是在手动方式下完全没有快降动作, 这个问题一般出在快降阀V4没有开启, 回程缸不排液。首先应检查先导电磁阀工作是否正常, 如电气没有问题;再检查快降阀V4盖板及控制油路和主阀是否因有异物拉伤阀芯而卡阻主阀不能开启, 如有故障及时用煤油清洗或用抛光砂纸打磨研修处理。如果是外控比例阀, 一要检查控制油压力是否合适, 压力不能低于16 MPa。二可通过在放大板上测量输入电压的反馈值, 确定先导及主阀是否卡阻再决定拆修, 无专业知识的维修人员不允许拆修。第二种情况在常锻方式下设有快降动作, 这个问题一般出在回程高度的设定值小于压差值, 而导致快降阀V4不能开启。所以只要重新在控制屏将回程高度值设定大于加压值30即可。
快降阀V4如果开启或关不死的故障, 对压机回程动作会产生很大的影响;一是回程缸进液会通过快降阀V4排液, 导致压机在回程时拉不起来或回程后在空中停不住持续下滑。所以一旦发生这种故障, 就须检查快降阀V4盖板及控制油路和主阀是否因有异物拉伤阀芯而卡阻主阀不能关闭, 如有故障及时用煤油清洗或用抛光砂纸打磨研修处理。如果是外控比例阀, 一要检查控制油压是否合适, 压力不能低于16 MPa。二可通过在放大板上测量输入电压的反馈值, 确定先导及主阀是否卡阻再决定拆修, 无专业知识的维修人员不允许拆修。另外当回程缸放气阀如有开启或关不死的故障时, 也会产生下滑现象。
二、日常重点维护
1. 液压油检测
每半年对液压油脂的污染程度和黏温特性检测一次, 根据检查结果决定清洗滤油系统或更换滤芯, 如黏温特性严重超标者考虑更换液压油。
2. 主泵检查
检查泵的异常噪音、震动、发热, 泵的油封及联接法兰密封全部紧固螺丝。检查主泵压力是否是调定值31 MPa;供液压力是否在0.4~0.6 MPa;系统压力最大31.5 MPa。
3. 分配器及液压阀检查
分配器上各种液压阀异常震动和声响;各液压阀及插装阀盖板与分配器面间是否漏油;节流阀及调压螺杆防松螺母是否松动;各附接法兰的连接螺丝、螺纹管接头是否漏油;阀体与支架的固定螺丝、支架与埋件的固定螺丝是否松动。
4. 充液罐检查
在最高工作液位时油压在0.5~0.65 MPa;压机在最上位, 液位在最高工作液位;油温在45~55℃。
5. 罐体的异常振动和冲击
检查压力表、温度表指示值是否正确, 是否损坏;液位控制器是否松动和损坏。
6. 供液系统检查
泵的异常噪声、振动、发热、地脚螺栓松动等;压力表压力是否正常;主油箱液位控制器、空气滤清器是否正常;精、粗过滤器滤芯观察进出口压力差, 压力差不能超过0.03 MPa, 否则清洗或更换滤芯;冷却器检查冷却效果, 见出口温度差不能高于60℃, 否则清洗、清理冷却器。
7. 辅助控制系统检查
泵的异常噪声、振动、发热、地脚螺栓松动等;压力表压力是否正常;各个装置动作时压力是否在通常范围内有无异常变化;各电磁阀动作是否正常;各液压阀与阀块结合面有无漏油。
8. 气罐检查
检查压力, 应为0.5~0.6 MPa;安全放气阀是否起作用, 动作是否灵敏、无漏气。
9. 液压系统整体检查
液压管路的异常振动、冲击;所有高低压管路连接法兰的连接螺丝是否松动和漏油;全部管夹紧固螺栓是否松动、焊缝是否开裂;全部压力表显示是否是正常值。
摘要：10 MN快速锻造液压机组液压系统故障原因分析、诊断和处理方法, 有针对性的系统预防维护, 降低压机组故障率。