100MN大型油压机的设计与研究

径直环件的锻造 （见图 3）。
图 3 10 m 环工位图
（3） 锻造天车更容易接近双柱式压机。 （4） 双柱式压机更便于锻件的放入及取出。
100 MN 锻造油压机采用三梁两柱预应力组合 框架结构，压机斜置。整体铸造的上横梁、立柱与 分体组合式下横梁通过多根拉紧螺栓、螺母预紧组 合成一个封闭的受力框架，由框架承受压机全部的 工作载荷。三个等径的工作缸用螺栓把合在上横梁 上，工作缸柱塞通过双摇杆与活动横梁上面的球面 垫相连，传递工作载荷；活动横梁采用分体把合 式，两侧的外套通过超级螺母、双头螺柱与动梁中 间体把合，运动精度调整装置安装在动梁外侧的 上、下两面；活动横梁内安装有四套上砧夹紧装 置，碟簧夹紧液压松开，在碟簧力的作用下活塞带 动 T 型头连杆将上模具固定在活动横梁下面的上 砧板上；整体铸造式工作台下面安装有耐磨板，耐 磨板与安装在下横梁上表面的滑板贴合，移动工作 台可在两侧驱动缸的作用下沿压机轴线前后移动； 下横梁上安装有两套工作台锁紧装置，用来对移动 工作台精确定位；回程缸安装在下横梁的对角，回 程缸柱塞通过双球面垫结构与活动横梁的外套把 合；下横梁的前、后半体通过上、中、下三组螺栓 预紧成一个整体，前后附梁通过止口定位和把合螺 栓与下横梁组合体连接，移动工作台可在其上滑
1 设备选型
1.1 压机功能描述
为了适应新的市场需求及满足新工艺的需要， 某公司决定新增一台 100 MN 自由锻造油压机。为 了满足新工艺的需机需满足以下几个要求： （1） 具有宽阔的操作视野。 （2） 具备自动功能且能与无轨操作机实现联动
操作。 （3） 具备等温模锻功能，锻造速度在 0～0.05
2010 年，我公 司 承 担 了 国 家 重 大 科 技 专 项 “高档数控机床与基础制造装备”项目，该专项的
目标是“到 2020 年航空航天、船舶、汽车和发电 设备制造所需设备的高档数控机床与基础制造装 备 80%以上立足国内”。锻造液压机则是广泛应用 于上述四大领域的不可缺少的装备。大型、特大 型锻造设备及自主研发能力是一个国家综合国力 的重要标志。近年来，大型、特大型锻造设备的 迅猛发展与我国航空航天的发展优有着密切的关 系[1]。2012 年，我公司承担了某公司 100 MN 锻造 油压机的研发、制造合同，本文就 100 MN 锻造油 压机的设计研发中的难点和创新点进行介绍。
2.4 中间分体组合式下横梁
下横梁是机架和基础的连接部件，也对整台压 机的稳定性起着至关重要的作用。下横梁是锻造压 机中最大、最重的部件，因其大尺寸、大重量的特 点，下横梁的设计一直是锻造液压机中的难点。
双柱斜置式压机的下横梁形状不规则、受力复 杂、不易作定量的计算。为了保证压机的可靠性和 使用寿命，双柱斜置式压机的下横梁 （辅梁除外） 多采用整体铸造结构。由于双柱斜置式压机下横梁 的立柱连线与工作台移动方向成一定斜角，导致下 横梁几何外形尺寸和工件自身重量都有增加，此种 情况往往导致工件在生产运输过程中的超宽和超 重，压机的成本大幅增加。基于上述原因，双柱斜 置式压机的吨位一直在 70 MN 以下。一旦超过这 个值，下横梁的设计将非常困难。100 MN 油压机 不但工作台长度尺寸大，而且马杠锻造需在公称压 力下进行 （一般为公称压力的 60%），此要求无形 中为下横梁的定型和设计带来了额外的困难。
（1） 由于压机斜置，使得双柱式压机比四柱压 机有更宽阔的操作视野 （见图 2）。
因此，双柱斜置上传动形式更符合用户对 100 MN 锻造油压机的要求，本文压机最终采用双柱、 斜置、上传动、多拉杆结构 （见图 4、表 1）。
图 4 100 MN 锻造油压机效果图
表 1 压机主要技术参数表
机架斜置角度 （°）
mm/s 之间。 （4） 能满足 10 m 直径环件的锻造需求。 （5） 马杠锻造在公称压力下进行。 （6） 锻件尺寸精度±2 mm。 在上述的要求中，等温模锻速度达到了国际同
类压机水平，锻件尺寸精度±2 mm，这对压机设 计、制造、控制提出的新要求，为达到上述目标， 需要开发出锻件尺寸自动补偿系统[2]。
1 根拉杆的预紧力 （MN）；lA—拉杆计算长
度 （mm）； EA—拉 杆 的 弹 性 模 量 （MPa）； FA—拉杆的截面积 （mm）2 。
通过计算和有限元模拟，我们得到了不同预紧
系数下立柱与上、下横梁接触面的局部开缝情况
（见表 3）。由于预紧力的存在，上横梁、立柱、下
横梁能组成一个整体；由于有一定量的预紧力的存
一重技术
10.3969/j.issn.1673-3355.2014.05.002
设计与计算
100 MN 大型油压机的设计与研究
郝铁文 1，殷文齐 1，宋清玉 2，王小红 3，宇小青 4
摘要：对 100 MN 双柱斜置式锻造压机的项目来源、压机特点、设计过程进行描述，着重介绍压机的选型、压机 斜置角度、多拉杆的布置形式、中间分体组合式下横梁等方面的设计思路和过程。 关键词：液压机；双柱斜置；中间分体；单厚壁；多拉杆 中图分类号：TG315.4 文献标识码：A 文章编号：1673-3355 （2014） 05-0002-04
自由锻是一种伴着随强烈冲击的生产工艺，在 锻造的过程中，冲击载荷将作用在框架上。因此， 大型自由锻压机横梁的制造材质首推铸钢。以往上 横梁多采用箱型结构，此种结构在模型制造、钢水 浇注、铸后清砂、检查探伤等工序中都存在很多的 困难；为了克服以上的不足，简化生产工序，出现 了单厚壁铸造式结构。它是将以往多层薄立筋合并
近年来，双柱斜置式压机的拉杆数量有增加趋 势，多根拉杆与单拉杆相比有以下的优势：
（1） 每根拉杆的直径减小，可采用高强度合金 钢棒材直接加工，芯部质量比大直径锻件好，两端 加工螺纹后可直接使用，中间不需加工。
（2） 辅助工具较大直径拉杆简单，成本低。 （3） 小直径拉杆对零件加工误差在螺纹根部产 生的弯曲应力小，拉杆使用寿命长[4]。 （4） 多拉杆体系中一旦其中一根发生松动，压 机不需马上停机检修，压机仍可继续工作。 依据本台压机的结构形式特点，最终采用了 8 拉杆结构 （图略）。
Design & Study of 100 MN Oil Press Hao Tiewen，Yin Wenqi，Song Qingyu，Wang Xiaohong，Yu Xiaoqing
Abstract: The paper discusses the project source, characteristics and design of presses and focuses on the type selection, inclination angle determination, multi-link arrangement and split-type isolator design. Key words: hydraulic press；two inclined columns；single-wall thickness；multi-link
在，上横梁、下横梁不会与立柱产生平移性开缝；
当预紧系数达到一定数值后，上横梁、下横梁将与
立柱完全贴合，即使在满负荷工况下也无开缝。
100 MN 油压机最终的预紧力约 140 MN，通过计算
和模拟，在同等预紧力的前提下，8 拉杆的的计算
结果优于 7 拉杆，此结果也是本台压机选取 8 拉杆
的重要依据。
2.3 铸造横梁结构
公称压力 （MN）
活动横梁行程 压机开口度
（mm）
（mm）
30
100
2 600
6 000
立柱横向内侧 净空距 （mm）
移动工作台 系统最大工作 尺寸 （mm） 压力 （MPa）
3 700
2 800×7 000
35
2 本体结构
(a) 双柱斜置
(b) 四柱式
图 2 操作视野比较图
（2） 由于压机自身的特点，双柱压机更适合大
2.2 拉杆的数量与布置
依据每根立柱里拉紧螺栓的数量，双柱式锻造 压机可分为单拉杆、双拉杆和多拉杆 （见表 2）。
表 2 双柱斜置压机拉杆典型布置
单侧拉杆数量 1 8
设备能力 70 80
设计单位 SMS MEER 太原重工
使用厂家 北满特钢 太原重工
5
100
日本三菱
长崎锻造
16
185
PAHNKE
中信重工
yz.js@
设计与计算
CFHI TECHNOLOGY
成单层厚壁立筋，取消了多层立筋之间狭小的型 腔，在保证了横梁刚度和强度的同时，大大降低了 制造难度。由于此种横梁的前后截面与立柱前后方 向尺寸相当，因而尤其适用于双柱式锻造液压机， 国内新建双柱锻造液压机的上横梁多采用此种结构 （图略）。
1.2 压机机型的选择
锻造液压机按传动介质分为水压机和油压机， 两种压机在机械本体上无大的差别 （见图 1）。
依据该用户对压机的具体要求，100 MN 油压 机的本体结构形式只能在四柱上传动、双柱上传动
项目名称：“重型锻压装备与工艺创新能力平台建设”科技重大专项 项目编号：2010ZX04017-013 1. 一重集团大连设计研究院有限公司高 级工程师，辽宁 大连 116600；2. 一 重集团大连设计研究院有限公司研究员 级高级工程师；3. 一重集团大连设计研 究院有限公司工程师；4. 一重加氢公司 工程师，辽宁 大连 116113
同，但每根拉杆的预紧力和预紧顺序是不同的。
ΔlAi-1-ΔlAi=
!Pi-1-Pi "lA EAFA
×106
!!!!! （1）
式中，ΔlAi—在 Pi 力作用下拉杆的伸长量（mm）；
ΔlAi-1—在 Pi-1 力作用下拉杆的伸长量 （mm）；
Pi—第 i 根拉杆的预紧力 （MN）；Pi-1—第 i-
表 3 局部开缝值对比
预紧 序号
系数
1 1.5 2 1.6 3 1.7 4 1.8