160MN 电动螺旋压力机的研究

张元良，张华德，刘学贞，张祥元

(青岛青锻锻压机械有限公司，山东 青岛 266300)

0 前言

160 MN 电动螺旋压力机是我国自行研制具有完全自主产权的高新技术产品，它是我国目前规格最大的电动螺旋压力机。具有结构紧凑，传动链短、故障率低、维护简单、打击力控制准确、自动化程度高等特点，是节能环保的智能型锻压设备，适用于金属精密锻造、模锻、镦粗、挤压、精整等工艺的不同需求。

我国在短暂的四年时间内研制了电动机直接驱动式、齿轮(或皮带)机械传动式等结构形式的电动螺旋压力机并推向市场，采用的驱动电机分别有三相异步电动机、开关磁阻电动机、伺服永磁无刷电动机等多种形式，其性能都远远超越了传统压力机，将逐步取代传统的螺旋压力机，它代表着螺旋压力机的发展方向。青岛青锻锻压机械有限公司研发的EPC-8000 型80 MN 电动螺旋压力机，其公称力80 MN、允许使用力128 MN、冷击力为160 MN。日前通过了国家检测中心检测和用户验收，各项性能指标达到了国际当代水平。

本文介绍该压机的结构性能、与相同吨位不同形式的螺旋压力机的比较，为用户的选择提供参考依据。

1 160 MN 电动螺旋压力机结构原理

160 MN 电动螺旋压力机采用齿轮传动式结构，由两台特制的异步电动机通过齿轮传动机构驱动飞轮作旋转运动，大齿轮亦即飞轮，经摩擦超载打滑装置与轮体联结，轮体与螺杆通过多个均布的圆柱销传递力矩，铜螺母安装在滑块内。电动机带动大齿轮作正反向旋转，通过螺杆、螺母将螺旋运动变为滑块上下直线运动。滑块下行时，电动机带动飞轮加速旋转，达到预先设定的速度后，装在滑块上的上模对锻件毛坯加压成形，随即电动机反转，带动滑块回程，当回程到设定位置后，电动机断电，由飞轮储蓄的能量带动滑块继续上行，当滑块回程到上限位置时，制动器制动飞轮，使滑块停止，完成一次打击循环。本压机的结构示意图如图1 所示。

图1 EPC-8000 型80MN 电动螺旋压力机结构示意图Fig.1 Structure diagram of EPC－800080 MN electric screw press

1.1 电动机驱动系统

驱动电机是压力机的主要动力来源，采用ABB 变频调速系统，运用直接转矩控制(DTC)技术，使电机的运行满足各种锻件的锻造工艺要求。该机采用的电动机是一种特殊结构形式的三相异步电动机，电机轴和小齿轮的结合采用了齿轮轴式结构，可传递大力矩，适合频繁正反转时带来的冲击载荷。

1.2 飞轮装置

飞轮是储存能量的组合部件，具有足够大的惯量，在滑块打击工件时将其能量释放。

该压机的飞轮轮缘就是大齿轮，与驱动电动机上的小齿轮相啮合传递力矩，电动机通过正反转驱动飞轮旋转运动。轮体与轮缘之间设有超载打滑装置，当打击锻件有剩余的能量时通过该装置释放，起到了主要受力部件的保护作用。

1.3 制动器

制动器是压机运动安全可靠性的主要标志。该机制动器由四组彼此独立控制的制动单元组成。每一组制动单元上有一个大的制动臂，上面装有四个内装多片碟形弹簧的制动缸，通过弹簧压力制动飞轮外缘使设备实现制动，满足滑块在任意位置能可靠地停住，制动器的打开通过液压缸实现。

1.4 平衡装置

平衡装置的主要作用是平衡滑块部分重量使其运动平稳，减轻电机在提升滑块时的能力付出，另外它对打击力的准确控制有很大的帮助。

该装置由两组四个气缸组成，钢壳固定在机架上，活塞杆与滑块连接，滑块每打击一次平衡缸活塞往复运动一次。

1.5 滑块

滑块即是压机的锤头，是主要受力部件，由导轨、铜螺母及滑块本体的组成。

滑块主体采用优质铸钢，滑块上部装有特殊材料制造的铜螺母，通过平键和螺钉固定。为提高使用寿命铜螺母采用了特殊材料配方经离心浇注而成，与螺杆组成螺旋副传递动力。滑块导轨采用加长X 型放射形式，为提高滑块的导向精度特增加了导向长度，滑块活动导轨采用矩形形式，使其导轨热敏感度低，温度变化影响较小，导轨间隙可以调整的很小，可保证锻件的尺寸精度。

滑块导轨与机架导轨接触面镶有铜导板，矩形导轨背面装有调节垫片，通过调节或更换垫片可改变导轨的间隙。

1.6 润滑

润滑是该机至关重要组成部分，润滑部位的润滑液是否充分直接影响到压力机的打击性能，为此该机对润滑的油量、油压、油温等设置了多方面的监控。

主机导轨、大齿轮的齿面润滑采用电动浓油泵供油。螺旋副、铜推力轴承、飞轮支撑轴承是自动稀油润滑，并带有自动循环检测报警装置。平衡缸中工作面的润滑主要是通过开机自动润滑，同时用安装在空气管路中的油雾器喷油润滑，其余如顶料装置的活动面等则用油枪注入润滑油。

1.7 平台

平台分为上下两层，采用与主机分离式复合结构，减少了震动。为充分利用空间并使润滑站、液压站尽量接近各执行部件，减少损失，并便于维护，将其都放置在第一层平台上。第二层平台主要用来机器顶部的维护和保养。

1.8 气路

压缩空气主要用于平衡缸对滑块的平衡。气源压力不得低于0.6 Mpa，回路中装有一个足够大的储气罐、设有增压装置以便满足正常的压力、以及气量的补给。

1.9 顶料

机器采用液压顶料，顶料动作平稳可靠，顶料力和顶料行程均可调整。

上顶料器安装在滑块上。由油缸带动连杆机构，通过一组齿轮齿条实现顶料动作。该装置是根据用户需求而定。

下顶出装置带有行程检测设施，顶料力和顶料行程可调节。该装置除具有正常的顶出功能外还可以在更换模座时起到顶起作用。

1.10 机架

机架是压力机的主要受力部件，需通过认真的理论计算。本机架采用组合式预应力机身，横梁、立柱、底座通过四根拉紧螺栓电加热预紧而成一封闭式框架结构，横梁与立柱、立柱与底座之间设有定位环定位。组合机架的横梁、立柱与底座都是铸钢材料，主要受力件拉紧螺栓是优质合金钢锻件，并进行充分调质处理，具有足够的强度满足要求。

2 电气控制系统

该压机电气控制系统采用西门子S7-300 可编程控制器(PLC)作为主控元件，实现整机的实时控制;通过人机界面(HMI)实现操作人员与机器之间的信息交换，操作人员和维护人员可及时了解设备的运行情况和故障信息;主电机为三相异步电动机，采用瑞士ABB 公司生产的多传动调速系统进行驱动，驱动系统的直接转矩控制(DTC)模式使电机的运行完全满足了各种锻造零件的工艺要求;滑块行程和底座顶料行程采用德国生产的微脉冲位移传感器进行检测，达到了较高的检测精度和控制精度;电气控制系统使用了国际标准的现场总线PROFIBUS-DP 进行连接，保证了系统信息传递的准确性和运行的可靠性。

2.1 主控元件

采用德国西门子公司生产的可编程控制器S7-300 系列CPU315-2DP 作为主控元件，该器件具有较高的数据处理速度和运行可靠性。用户程序中包括了位逻辑，计数器，定时器，复杂数学运算及与其它智能模块通信等指令内容，使其能够及时准确地处理各种数据和报警信息，监控整机的运行。

在本机中，S7－300PLC 主要控制实现整机各种功能，以满足各种锻件的锻造工艺要求。机器共有改装、调整、手动、脚踏和自动五种工作模式，改装模式用于机器模具的更换和调整;调整模式用于机器的检修和模具的调整;手动、脚踏和自动模式用于锻件的正常生产，可分别通过手动按钮、脚踏开关和外部信号，启动机器自动完成一个工件打击的循环。机器的各种模式之间互锁，保证了机器动作的安全性和可靠性。PLC通过检测整机运行中各种故障控制机器进行相关的动作并及时报警，以保护操作人员及机床的安全;PLC 极高的运行可靠性，保障了机器高效地运转，降低了设备的故障率。

2.2 人机界面(HMI)

在操纵箱内装有一台监控计算机，即人机界面HMI 如图2 所示，使用的是西门子公司生产的MP277 型触摸式人机界面。人机界面基于新型的Microsoft Windows CE 操作系统，借助于计算机(PC)的强大软件功能，大大地提高了使用的灵活性。它结合了专用硬件解决方案的可靠度和速度，集成了PC 软件功能，是一款先进的智能型产品。

图2 机器的工作界面Fig.2 Work interface of the press

人机界面HMI 可以在工作界面中将操作状态、当前过程数据、机器的各种故障以及整个系统的运行状态用中文进行显示(如图3 所示)，以方便操作者监控和使用设备。人机界面在本机中主要承担操作人员对机器的打击能量和顶料工作状态等运行参数的设定、修改，显示机器运行过程中的相关数据和出现的故障，如主电机工作状态、机器的润滑状况、顶料油泵电机过载等等，并能提供故障的排除方法等相关帮助信息，方便了操作人员和维修人员对机器的操作控制和维护维修。人机界面主要有如下功能:

(1)打击参数的设定，可设定每个锻件有几个打击工位，每个工位的打击能量、顶料高度等参数;

(2)机器打击数据的显示，在打击完成后，可显示本次打击的打击力、打击能量、电机转速等数值;

(3)模具管理功能，可对压力机所用模具的打击参数进行保存、修改，更换模具后可直接调用已保存的打击参数，无需再次试验、调整。

(4)实时显示机器运行的故障报警信息，并可查阅故障排除和机器维修的帮助信息。

(5)可查阅机器的PLC 地址表，方便机器的维修。

图3 故障报警Fig.3 Failure warning

2.3 变频驱动系统

电动螺旋压力机是一种节能高效的设备，在机器上、下料等工作间隙，主电机是不工作的，从而达到节电的目的。但是在打击工作时，要求主电机迅速启动并达到设定速度，这就要求电机和驱动系统能提供更高的启动转矩，即驱动系统应有较强的过载能力，ABB 工业传动按电流额定值设计的，以满足工业应用中高过载能力的要求。ACS800 型变频调速系统的核心是直接转矩控制-DTC 技术，基于DTC 原理的控制技术可以提供优异的性能和显著的优点:精确的静态和动态速度及转矩控制、高启动力矩。

160 MN 电动螺旋压力机采用ACS800 型空冷式多传动调速系统，主要由辅助控制单元(ACU)、进线单元(ICU)、供电单元(DSU)、制动斩波器单元(BCU)、传动单元(INU)和网络接入设备组成。供电单元为十二脉波二极管整流单元，额定功率为2521 kW;多传动系统共包括两个传动单元，每个传动单元驱动一台电机，单元的额定功率1400 kW;制动斩波器的连续制动功率为357 kW。

ACS800 传动系统是高度灵活的交流变频器，其配置能满足各种工业的精确需要，具有很宽的功率和电压范围，逆变器是微机控制的，可通过编程满足其在各种场合下的自动化应用，智能化的检测及故障报警记录功能，为主电机提供了强大的保护功能。

2.4 开放性的硬件、软件结构，方便组成智能化、柔性化的制造系统

控制系统采用S7-300 型PLC，硬件本身是开放式的，PLC 具有各种网络连接模块，并且软件系统可进行开放式、结构化编程，这样使得电气控制系统既可与现场各种辅助设备通过现场总线如PPROFIBUS、ASI 等连接，实现生产线逻辑化动作;也可通过工业以太网与上位机连接，组成工厂级智能化管理系统，使锻造生产线成为柔性制造系统，成为企业资源计划系统(ERP)的一个重要的组成部分。

3 160 MN 电动螺旋压力机性能参数比较

表1 对青锻公司生产的EPC-8000 型80 MN电动螺旋压力机、J53-8000 型80 MN 双盘摩擦压力机和德国万家顿公司生产的PZS900 型80 MN 电动螺旋压力机的性能参数进行了比较。

表1 160 MN 电动螺旋压力机性能参数比较Tab.1 Performances and parameters of 160 MN electric screw press

(续)

从表1 中可以看出:

(1)电动螺旋压力机性能优于双盘摩擦压力机;

(2)电动螺旋压力机飞轮总能量国产比进口的要低一些，仅达到其下限，这方面有一定差距;

(3)由于材质原因电动螺旋压力机螺杆直径国产比进口的稍大一点;

(4)电动螺旋压力机工作台面宽度方向尺寸与进口机器基本相当，而前后方向的大小可根据用户的要求适当改变;

(5)电动螺旋压力机重量有一定的差异，受铸件毛坯重量控制的影响;

(6)电动螺旋压力机参考价格国产仅为进口的一半;

(7)电动螺旋压力机用控制器件等都是采用国际品牌产品，控制方式、功能原理相当。

4 结论

电动螺旋压力机其结构性能、控制水平、先进程度等都优于传统形式的螺旋压力机，代表着螺旋压力机的发展方向。从国产EPC-8000 型80 MN，德国产PZS900 型80 MN 电动螺旋压力机比较来看，国产电动螺旋压力机的各项性能指标已经基本达到了国际当前水平，从性价比上看国产电动螺旋压力机是优选对象。

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