现代自由锻造液压机的技术经济性分析——从锻件生产经济性要求看自由锻造液压机的发展趋势

1、现代自由锻造液压机的技术经济性分析从锻件生产经济性要求看自由锻造液压机的发展趋势决策参文章编号:16749146(2010)12-0051-06现自由锻造液压机技术经济挂分析从锻件生产经济性要求看自由锻造液压机的发展趋势郭玉玺(太原重工股份有限公司技术中心,山西太原030024)摘要:从锻件生产的经济性观点出发,对现代自由锻造港机_油泵谣传动_双柱斜置式预机架自由锻造液压机及其成套装备的技术性能,经济性满足度及其发展方向进行了探讨和分析,以期有助于锻造行业向节能节材晦耗的低碳经济良&.提高奇国锻惜生产的整体技朱永平.|关键包由锻迄液r玉机;技朱经济牲|年图分类号tg316支赫褥志码a|

2、1现状与需求从1893年世界第一台12600t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1000t和2000t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25mn以上吨位级别的新一代自由锻造液压机,80mn185mn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,仍沿用了水泵一蓄势器传动系统外,90%以上采用了油

3、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j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;传动形式为水泵一蓄势器传动,无功功率损耗大,水资源浪费严重:操

4、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一蓄势器传动.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,

5、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收稿日期:20100930;修回日期:201011-09作者简介:郭玉玺(1948一),男,山西长子人,教授级高级工程师,主要从事金属塑性成形设备与工艺研究email:gyuxisohucom.科掊倒葡复圭!2ooq-12月总第203期,一一051策参考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

6、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

7、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.l9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一蓄势器传动系统问世,大部分水压机改为水泵一蓄势器传动;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

8、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.水泵一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.sci-techinnovation&productivity【-?-?-一一d52一一dec一.20t0talno.203对于力,水泵一蓄势器传动是”有多大的力使多大的劲”,与负载大小无关,即使

9、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”量人为出”,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,水泵一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

10、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l2inm.所有这些都是在节能的条件下实现的,也是水泵一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15mn锻造液压机在相同压下量,回程量和每分钟相同锻

11、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l/2.另据实测,同为30mn的锻造水压机,耗电大约为1.8kw?h,而锻造油压机则低于1.2kw?h.这就是国内外新造的锻造液压机为什么极少采用水泵一蓄势器传动的原因.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一蓄势器传动系统.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,系统管道中的决策参表115mn锻造液压

12、机指标比较表泵的流量泵的效率装机功率锻造力选择功率消耗分配平均功率消耗总效率项目/l?min一/%/kw/mn/kw/kw/%15101o33086油泵直接800(允许传动180090130%过载)1o705240825380150701548_水泵一蓄73.95(泵效率87%600106006oo32势器传动900减速机效率85%)519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

13、油液压机绝无一点漏油现象,随机参观40mn和8omn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,抗疲劳眭能低,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一蓄势器传动的专利.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

14、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,采用水泵一蓄势站,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

15、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

16、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,16mn以下的锻造水压机,立柱断裂和损坏了几十根,25mn,31.5mn.60mn.120mn级的水压机立柱断裂事故都有发生.最近.一台60mn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

17、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一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”n”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与pl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,这种机架结构科接幽嘶与生产力l2olog-12月总第203期一053策参考e盟盈盛翟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

18、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.b0枯预应力组合框架a_十a,=1.396,p1一m/一/ag=1.351/lllia1.215li8变形量/cm图1预应力拉杆和立柱力变形图这就是近几年无论双柱或四柱式新型的25mn到185mn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

19、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粱,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

20、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lsci-techinnovation&productivityl.一054一no.12dec-2010,totalno.203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80mn,100mn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

21、上每锻造1t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10mn油泵直接传动双柱斜置式锻造液压机上,配置有1台100kn?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

22、,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80mn水压机配备了1台2100kn?m/4000kn?i1q锻造操作机,生产效率比原先采用的两台锻造

23、吊车提高了1.6-2倍.某厂140mn水压机经现代化改造,配备了1台1600kn?iti和4000kn?m锻造操作机,在600mw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,辅助时间缩短决策参12%.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200t的锻造吊车,与1台现代的80mn自由锻造油液压机配套.投产后,经常锻造8090t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100t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

24、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25mn.35mn,45mn,63mn,80mn和125mn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

25、200mn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,l0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80/100mn双柱式锻造压机,1976年法国克鲁索钢铁厂水泵一蓄势器传动的90mn/110

26、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,150mn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80mn以下压机,双柱下拉式结构只适用于30mn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35mn级以上双柱结构锻造液压机就增加到20台以上,其中以63mn,70mn,80mn级居多.正在某厂安装的185mn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200mn双柱型自由锻造液压机的记录所刷新.除了具有前述预

27、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:水泵一蓄势器传动固有的高压水力冲击产生

28、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

29、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35hz.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.科接刨葡与生产力i一一一2010g-12月总第203期一055策参考e厂,卜,一/1一重2一a双柱斜置式机架2一b四柱式机架图2双柱斜置式机架与四柱式机架布置比较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qd60q240mm间.材料的许用应力

30、可达700mpa,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主柱外侧开el,将冷空气吸人.使聚集在立柱内

31、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200t,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100mn的锻造压机大多是在当地借助于