輾鋼車輪鍛造液壓機的研制

輾鋼車輪鍛造液壓機的研制

太原市重型鐵路設備有限公司第二條自行鋼車輪生產線由德國smsmee公司設計，于2012年11月29日竣工。整條生產線由一臺50MN預成型液壓機、一臺100MN成型液壓機、9輥立式軋機和一臺50MN壓彎沖孔液壓機組成。壓機的機械結構為拉桿預緊框架結構;傳動方式采用電液伺服及二通插裝閥控制的油壓系統(tǒng);控制系統(tǒng)采用西門子PLC、觸摸屏、工控機等設備,實現(xiàn)了壓機的參數(shù)化、自動化、信息化控制。1壓機的基本性能液壓機的基本參數(shù)反映了液壓機的工作性能、總體尺寸和總重量等,見表1。2活動網格預緊機裝置液壓機主體采用拉桿預緊框架式結構,由拉桿、側立柱、上橫梁、下橫梁、活動橫梁等組成。拉桿將上下橫梁及側立柱串在一起,并通過超級螺母進行預緊;主缸采用單工作缸缸動式結構,主缸和活動橫梁為一體設計;活動橫梁導向機構采用外45°X型可調間隙式結構;活動橫梁提升裝置為兩個柱塞缸。此外,預成型液壓機安裝有對中裝置;壓彎沖孔液壓機安裝有沖孔裝置。2.1液壓加載后拉拔特性拉桿預緊框架式結構具有剛度大、抗疲勞強度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點,是大型鍛造液壓機最常用的一種結構。拉桿預緊后,框架整體產生壓縮變形,使得拉桿被拉長。當液壓機主缸加載后,拉桿繼續(xù)被拉長,機架壓縮量得到一定釋放,但仍然留有一部分壓縮量,保證了側立柱和上下橫梁無開縫發(fā)生。在整個工作過程中,拉桿承受軸向拉力,側立柱承受壓力和偏心載荷引起的彎矩,避免了框架中的部件同時承受拉力和偏心載荷引起的彎矩,較傳統(tǒng)的三梁四柱結構有更好的受力狀況、更好的抗疲勞性能和更大的剛度,提高了液壓機的精度和穩(wěn)定性。2.2活動網格內安裝主缸是將液壓能轉變?yōu)閿D壓工件的機械能的執(zhí)行元件,是整個液壓機的關鍵零部件。該主缸采用單工作缸缸動式結構,即主缸和活動橫梁為一體設計,這種結構具有抗偏心載荷能力強、抗動載性能高等特點,對減小車輪偏心,提高成型精度有著重要的意義。主缸內徑的計算公式為式中:F為液壓機公稱壓力;p為液壓系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力;Δt為主缸內壁和柱塞的徑向間隙?；顒訖M梁導向機構采用外45°X型可調間隙式結構。由于外45°X型導軌在受熱膨脹時橫向和縱向膨脹量幾乎相等,因此膨脹位移只發(fā)生在與導向面平行的方向上,可自由伸縮,不會對導軌產生側推力,受熱膨脹不易卡死,導軌導向距離長,導向間隙調整方便,導向精確保證了活動橫梁運動精度,從而提高了工件的成型精度。這種結構非常適用于熱模鍛液壓機。2.3間通過球鉸相連接液壓機的兩個側立柱上對稱安裝了兩個柱塞缸,用于活動橫梁的提升。柱塞桿和活動橫梁之間通過球鉸相連接。在主缸保壓過程中,活動橫梁難免會因工件偏心產生傾斜,球鉸連接可以保證回程缸柱塞始終鉛直,偏心力不會傳遞到提升缸和導套上,既保護了導套密封,提高了導套和密封的壽命,又可以減小活動橫梁在提升時的震動,減輕導向部分的磨損。2.4推頂、鎖定模具壓機除整體框架結構外,還有打料裝置、推頂裝置、模具鎖緊裝置、模具頂出裝置、主缸鎖緊裝置等。打料裝置位于活動橫梁內主缸下方,用于在主缸提升前將工件從模具中頂出;推頂裝置位于工作臺上,用于在工件卸載前將工件頂起,便于機械手抓取;模具鎖緊裝置用于壓機鎖緊模具,其設計要求較高,既要保證模具能夠牢固地固定在壓機上,又要方便拆裝;模具頂出裝置位于下墊板上,用于在模具解鎖后,將模具頂起,便于換模下車將模具從壓機內拆出;主缸鎖緊裝置位于側立柱提升缸上方,用于檢修或更換模具期間將主缸鎖住,保證主缸不會下落造成安全事故。3原油系統(tǒng)壓機的液壓系統(tǒng)主要由動力系統(tǒng)、控制閥臺和執(zhí)行元件三大部分組成,見圖1。3.1主缸提升缸控制閥臺主要控制了速度、位移和壓力動力系統(tǒng)由壓力油箱、泄漏油箱、輔助泵站和主泵站組成控制閥臺的主要作用是控制各執(zhí)行元件的方向、速度、位移和壓力。主缸提升缸控制閥臺主要控制主缸在快速下降、加壓、保壓和提升過程中的速度、位移和壓力。輔助裝置控制閥臺用于控制輔助執(zhí)行元件的速度、位移和壓力。執(zhí)行元件包括主缸、提升缸、沖孔缸、對中裝置等主要執(zhí)行裝置和打料缸、推頂器油缸、主缸鎖緊缸、模具鎖緊缸等輔助裝置。3.2快速下降及主缸緩壓泄壓過程壓機的工作模式分為設置模式和手動自動模式。在設置模式下,通過兩位四通換向閥控制主缸的運動方向,輔助泵在主缸提升時為提升缸提供動力。在手動自動模式下,壓機主缸的工作過程主要有快速下降、加壓、保壓、泄壓和提升5個步驟。在主缸后側裝有磁滯位移編碼器,用于反饋主缸的位置。整個工作過程采用二級插裝閥控制主缸提升缸的運動方向,通過控制主泵的加壓數(shù)量來控制擠壓速度,并通過變量泵保壓來控制成型精度,100MN成型壓機的成型精度可達到0.1mm。1)快速下降及主缸預充液。在快速下降過程中,主缸靠自身重力下降,其速度通過控制比例閥的開度大小來控制。開始下降時,閥芯開度逐漸變大,主缸下降速度變快;快接觸到工件時,閥芯開度減小,主缸下降速度變慢。在主缸下降時,主缸容積變大,需要及時充入液壓油,即預充液。傳統(tǒng)的油壓機將油箱置于壓機頂部,靠液壓油重力完成主缸預充液2)主缸的加壓、保壓和泄壓。主缸的加壓和保壓由主泵站提供壓力,50MN壓機的主泵站有6臺主泵,100MN壓機的主泵站有12臺主泵。通過控制加壓主泵的數(shù)量可以控制主缸在加壓和保壓過程中的速度。當主缸快接觸到工件時,主缸開始減速,充液閥處于關閉狀態(tài),加壓插裝閥打開,此時壓力油路跟主缸連通,所有主泵開始加壓。當主缸擠壓工件到成型高度前4mm時,剩2臺主泵加壓,其他主泵泄壓。當主缸擠壓工件到成型高度前2mm時,進入保壓過程,只有1臺變量泵加壓,直到完成工件成型。主缸保壓完成后,進入泄壓階段,系統(tǒng)采用比例溢流閥來實現(xiàn)緩慢泄壓,避免了主缸泄壓時出現(xiàn)壓力振動過大、噪音過大等現(xiàn)象。比例溢流閥由德國Rexroth提供,其原理是通過比例放大器來控制比例溢流閥的開啟速度以實現(xiàn)緩慢泄壓。調節(jié)比例放大器可以調節(jié)泄壓的時間。3)主缸的提升。主缸的提升動作由提升缸完成。主缸完全泄壓后,主缸準備提升,此時充液閥打開,加壓插裝閥關閉,提升插裝閥打開,壓力油路和提升缸連通,4臺主泵開始加壓,高壓油通過壓力油路進入提升缸,主缸開始提升。隨著提升高度的增加,加壓的主泵逐漸減少,直到主缸達到提升高度時,主泵全部泄壓。3.3比例閥和hnp控制器對中裝置由兩個對稱的對中油缸組成,通過比例閥、編碼器、HNC控制器實現(xiàn)對兩個油缸的同步控制。比例閥和HNC控制器由德國Rexroth提供,編碼器采用MTS磁滯位移編碼器。編碼器將油缸活塞的具體位置反饋到HNC控制器,比例閥接收HNC控制器的指令,完成對對中油缸的同步控制。對中油缸為差動連接,當油缸活塞伸出并執(zhí)行對中動作時,油缸前后腔連通,油缸活塞快速運動完成對中。3.4液壓鎖的控制在設置模式下,沖孔缸由1個兩位四通換向閥控制,在換向閥前裝有液壓鎖(即兩個互鎖的液控單向閥),保證了沖孔缸平穩(wěn)的控制。在手動自動模式下,沖孔缸通過二級插裝閥控制運動方向,1號、2號主泵為沖孔缸工作提供壓力,編碼器反饋沖孔缸柱塞的位置。3.5位置控制精度其他輔助裝置的壓力由輔助泵提供。除推頂器油缸外,其余輔助裝置工作原理均較為簡單,主要采用換向閥控制油缸運動方向,通過溢流閥、減壓閥等控制工作裝置的壓力。由于推頂器要與抓料機械手相互配合工作,故位置控制精度要求較高。推頂器油缸采用磁滯位移編碼器、比例閥和HNC控制器實現(xiàn)伺服控制。4電氣系統(tǒng)液壓機的電氣系統(tǒng)主要分為動力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。動力系統(tǒng)主要為主泵和輔助泵電機提供動力4.1mcc柜啟動方式動力系統(tǒng)主要由變壓器、PCC柜和MCC柜組成。以50MN預成型液壓機為例,有兩臺變壓器,一臺容量為1600kVA,另一臺容量為2000kVA。10kV的高壓電通過變壓器變?yōu)?30V的低壓電后,進入PCC柜,然后分別進入不同的MCC柜。MCC柜為液壓泵電機提供動力并控制電機的啟動。主泵站共有6臺355kW電機為主泵提供動力,輔助泵站有15kW,45kW,22kW電機各一臺,55kW電機兩臺。各電機功率均比較大,不能直接啟動,需降壓啟動。由于液壓泵電機在工作中不會頻繁啟動,亦不需要進行速度控制,所以采用經濟實惠的星三角換接啟動方式。由于電機為感性負載,在設備運行過程中,尤其是電機空載過程中,會產生大量的無功功率,大大降低了系統(tǒng)的功率因數(shù)。無功功率的增加不僅會使電能的利用率降低,而且產生的無功電流也會對電纜產生很大的負荷。所以在PCC柜中,增加了動態(tài)無功補償裝置,大大降低了系統(tǒng)的無功功率,提高了功率因數(shù)。4.2plc的硬件配置在液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)中,安裝有大量的傳感元件(如溫度傳感器、壓力傳感器、位移編碼器等)和執(zhí)行元件(液壓閥、交流接觸器、繼電器等),為壓機系統(tǒng)實現(xiàn)自動化奠定了基礎。液壓機采用了西門子S7-400PLC、觸摸屏、工控機等設備,實現(xiàn)了壓機的參數(shù)化、自動化控制。PLC系統(tǒng)用于接收傳感信號,使整個液壓機系統(tǒng)實現(xiàn)啟動、設置、手動、自動控制;觸摸屏用于現(xiàn)場檢修或換模操作;工控機實現(xiàn)了壓機系統(tǒng)的參數(shù)化。PLC系統(tǒng)的硬件配置見第77頁圖2。系統(tǒng)中,主站采用S7-400PLC,從站通過DP總線連接到主站。從站中,X41和X44.1為MCC柜從站;X311為泵站控制從站;X51為操作臺從站;DP/DPCoupler從站用于同整線自動化控制系統(tǒng)通信。此外還有HNC100控制器及變量泵控制器等用作從站與PLC通信。觸摸屏通過DP總線與主站進行通信,實現(xiàn)對設備的現(xiàn)場控制。工控機通過以太網與PLC的CPU進行通信。工控機的應用不僅實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的參數(shù)化,