现代重型模锻液压机的关键技术研究

韩露+郭贺贺+徐响

摘要：现代重型模锻液压机的重要特点是在压制过程中具有相当的压制强度，为了提高现代重型模锻液压机的压制精度、压制效果以及设备的可靠性和安全性，我们必须对现代重型模锻液压机采取相应的措施。文章主要针对现代重型模锻液压机的关键技术进行了分析和研究。

关键词：重型模锻液压机；压制精度；压制效果；预应力

中图分类号：TG315 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）01-0006-02

重型模锻液压机通常情况下指的是100MN以上的基本吨位，主要应用领域为电力、船舶、航空航天行业。重型模锻液压机是我国大型锻件在模锻过程中的重要设备，由于我国在重型模锻液压机技术方面发展较晚，过去很长时间内，其严重制约我国相关行业的发展，但是就现阶段而言，我国成为世界拥有最多数量、最大吨位重型模锻锻压设备的国家，我国在重型模锻液压机的应用和实践方面已经达到先进的水平。以下我们主要针对重型模锻液压机的关键技术进行分析。

1 重型模锻液压机的关键技术

由于重型模锻液压机具有相当大的负载，造成其在设计的过程中对于设计的强度和刚度具有严格的要求，因此使重型模锻液压机设备的制造具有很大的困难，在一定程度上限制了其数量。在20世纪60年代，传统的重型模锻液压机属于泵-蓄势器传动水压机，这种设备一直处于恒压的情况下进行运动，这种工作模式的工作速度受到锻件变形抗力的影响；而现阶段生产的重型模锻液压机基本上处于恒流量传动模式，并将超高压技术融入其中，使得在锻造过程中，其精度和效率得到了显著的提高，超高压技术决定了重型模锻液压机的基本特征。

电力、船舶、航空航天行业都需要高强度的合金和高温合金的高技术含量的器材，其在锻造过程中单位面积的模具压力比高达2000MPa，为了达到这种单位面积的模具压力比，最有效的方法是提高液压压力，只有这样才能最大限度地提高压机压力，或者是采取超高压技术，采用此种技术的效果是在较小的单位面积上能够实现更高的压制强度。现代化的重型模锻液压机主要是以大型超高压工作模式，提高单位面积的模具压力比，从而减少结构的整体种类和缩减相应架构的尺寸，进而减少制造成本。在此前提上，必须要解决压缸结构问题和其间隙密封性问题。

1.1 压缸结构问题

重型模锻液压机的压缸是整个液压机的中枢神经，重型模锻液压机压缸的基本强度直接关系到整个模锻液压机的有效使用。在小型和中型模锻液压机设计过程中一般采用非预应力结构，这种结构在设计过程中一般不适用于重型模锻液压机压缸设计，主要是因为普通压缸在运行过程中由于其压力有限造成整体缸底和缸筒位置处结构发生的变化不大，处于可控制范围内，但是对于重型模锻液压机压缸设计而言，其巨大的压力使得缸底和缸筒位置处结构形变较大，严重地影响整体运行，容易发生缸底裂痕，主要是由于应力集中导致。另外是由于液压压缸的基本特点造成的，由液压压缸的受力特点分析可知，其内壁的受力特点极度的不均衡，其内外壁切向应力，可以根据相应公式得到如下公式：

式中：

—内壁切向应力

—外壁切向应力

K—内外径的比例

图1 重型液压缸结构模型图

从公式中我们可以得出以下结论，当内外径的比例增大时，我们的切向应力比就会增大。这就说明我们人为地增加外面的材料的过程并不是完全合理的，不能够有效地提高其真实的承载能力。当油压处于一定的水平时，就不可能单纯地利用增加内壁厚度，因为这所有的值都是固定的，不可能通过增加内壁厚度得以实现。

因此而言，我们必须对其采用新的结构模式。

在超高压的重型液压缸的设计过程中完全取消了传统非应力式结构设计的整体缸底模型，采用如图1所示的嵌入式缸底模型。

液压缸保持通孔形状，内壁光滑无台阶，有利于内壁的加工，并且避免了壁厚变化而引起的应力集中。独立的缸底嵌入缸筒，用螺栓将两者连接，并以可靠的密封封闭高压油。除此之外，更加重要的是采用了预应力的结构设计，从整体上提高了系统的承载能力。

1.2 间隙密封性问题

对于间隙密封性问题而言，本身系统的密封性无问题，产生问题的主要原因是在高压力运行过程中缸壁由于液压缸承受内压的原因造成一定的膨胀，对于膨胀而言造成这种现象主要跟压力成正比。例如在实际运行过程中，一个400MN的液压缸，当其内压处于130MPa的情况时，若内径为972mm，对于其内壁膨胀可以高达2.0mm，再加上在内壁制作的过程中保留的间隙，此时的内壁间隙甚至高达2.5mm，因此而言，间隙密封性是一个重大问题，同时也是一个难题。

（a）初始状态 （b）工作状态

图2 高压密闭性组成图

通常情况下造成密封问题的关键原因是在运行的过程中密封器具被破坏，过去的密封材料通常其材质较软，选择这样的密封材料的目的是为了适应其形变，但是这种较软的材质容易被破坏，对于超高压间隙密封性问题更加不适合。因此对于超高压间隙密封性问题，我们拟采用支撑件，这个支撑件的密闭性、强度较好，最重要的原因是支撑件能够对内壁进行一定的补偿，通过补偿可以最大限度地保证超高压过程中的密闭性问题。这种形式已经在个别单位投入使用了，使用的等级为200MN和100MN，已经证明是具有一定的可行性。高压密闭性组成图如图2所示。

从图2中可以明显地看出，起初是状态和工作状态膨胀状态的变换。

2 重型模锻液压机的其他技术分析

对于预应力超高压液压缸的初步设计结构的基本思想是通常是在液压缸内壁预先建立切向压应力（预应力），这个预应力的构造程度与工作状态产生的拉应力叠加，这样做的目的在于能够尽可能多地减小或消除缸壁上的切向拉应力，使液压缸始终处于切向压应力或压应变状态，以提高液压缸的承载能力、发挥缸壁材料的强度潜力、提高抗疲劳性能。

对于重型液压机，除液压缸外，另一个重要的关键部件就是承载机架，在对承载机架设计的过程中，由于其机架设计原因，具有较高的强度和可靠性，但是横梁和立柱就较易出现问题，解决的方法是将横梁和立柱分开，再用预紧力将它们连接成整体，即预应力结构的机架。

3 结语

本文主要针对重型模锻液压机的关键技术进行了分析，通过分析压缸结构问题和其间隙密封性问题，首先介绍了过去压缸结构和其间隙密封性的缺点，其次基于缺点对压缸结构问题和其间隙密封性问题进行了针对性的分析，从而为以后提高现代重型模锻液压机的压制精度、压制效果以及设备的可靠性和安全性提供了依据。

参考文献

[1] 俞新陆.液压机[M].北京：机械工业出版社，1982.

[2] 俞新陆，杨津光.液压机的结构与控制[M].北京：

机械工业出版社，1989.

[3] 林宗棠.重型预应力混凝土水压机研究[M].北京：

清华大学出版社，1988.

[4] 米海耶夫·B.A.，太原重型机器厂设计科锻压设计

室.超高压液压机设备[M].北京：中国工业出版

社，1964.

[5] 颜永年，俞新陆.机械设计中的预应力结构[M].北

京：机械工业出版社，1989.

作者简介：韩露（1984—），男，湖北武昌人，江苏省徐州市特种锻压机床厂主管设计师，助理工程师，研究方向：液压机设计与锻压工艺。

摘要：现代重型模锻液压机的重要特点是在压制过程中具有相当的压制强度，为了提高现代重型模锻液压机的压制精度、压制效果以及设备的可靠性和安全性，我们必须对现代重型模锻液压机采取相应的措施。文章主要针对现代重型模锻液压机的关键技术进行了分析和研究。

关键词：重型模锻液压机；压制精度；压制效果；预应力

中图分类号：TG315 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）01-0006-02

重型模锻液压机通常情况下指的是100MN以上的基本吨位，主要应用领域为电力、船舶、航空航天行业。重型模锻液压机是我国大型锻件在模锻过程中的重要设备，由于我国在重型模锻液压机技术方面发展较晚，过去很长时间内，其严重制约我国相关行业的发展，但是就现阶段而言，我国成为世界拥有最多数量、最大吨位重型模锻锻压设备的国家，我国在重型模锻液压机的应用和实践方面已经达到先进的水平。以下我们主要针对重型模锻液压机的关键技术进行分析。

1 重型模锻液压机的关键技术

由于重型模锻液压机具有相当大的负载，造成其在设计的过程中对于设计的强度和刚度具有严格的要求，因此使重型模锻液压机设备的制造具有很大的困难，在一定程度上限制了其数量。在20世纪60年代，传统的重型模锻液压机属于泵-蓄势器传动水压机，这种设备一直处于恒压的情况下进行运动，这种工作模式的工作速度受到锻件变形抗力的影响；而现阶段生产的重型模锻液压机基本上处于恒流量传动模式，并将超高压技术融入其中，使得在锻造过程中，其精度和效率得到了显著的提高，超高压技术决定了重型模锻液压机的基本特征。

电力、船舶、航空航天行业都需要高强度的合金和高温合金的高技术含量的器材，其在锻造过程中单位面积的模具压力比高达2000MPa，为了达到这种单位面积的模具压力比，最有效的方法是提高液压压力，只有这样才能最大限度地提高压机压力，或者是采取超高压技术，采用此种技术的效果是在较小的单位面积上能够实现更高的压制强度。现代化的重型模锻液压机主要是以大型超高压工作模式，提高单位面积的模具压力比，从而减少结构的整体种类和缩减相应架构的尺寸，进而减少制造成本。在此前提上，必须要解决压缸结构问题和其间隙密封性问题。

1.1 压缸结构问题

重型模锻液压机的压缸是整个液压机的中枢神经，重型模锻液压机压缸的基本强度直接关系到整个模锻液压机的有效使用。在小型和中型模锻液压机设计过程中一般采用非预应力结构，这种结构在设计过程中一般不适用于重型模锻液压机压缸设计，主要是因为普通压缸在运行过程中由于其压力有限造成整体缸底和缸筒位置处结构发生的变化不大，处于可控制范围内，但是对于重型模锻液压机压缸设计而言，其巨大的压力使得缸底和缸筒位置处结构形变较大，严重地影响整体运行，容易发生缸底裂痕，主要是由于应力集中导致。另外是由于液压压缸的基本特点造成的，由液压压缸的受力特点分析可知，其内壁的受力特点极度的不均衡，其内外壁切向应力，可以根据相应公式得到如下公式：

式中：

—内壁切向应力

—外壁切向应力

K—内外径的比例

图1 重型液压缸结构模型图

从公式中我们可以得出以下结论，当内外径的比例增大时，我们的切向应力比就会增大。这就说明我们人为地增加外面的材料的过程并不是完全合理的，不能够有效地提高其真实的承载能力。当油压处于一定的水平时，就不可能单纯地利用增加内壁厚度，因为这所有的值都是固定的，不可能通过增加内壁厚度得以实现。

因此而言，我们必须对其采用新的结构模式。

在超高压的重型液压缸的设计过程中完全取消了传统非应力式结构设计的整体缸底模型，采用如图1所示的嵌入式缸底模型。

液压缸保持通孔形状，内壁光滑无台阶，有利于内壁的加工，并且避免了壁厚变化而引起的应力集中。独立的缸底嵌入缸筒，用螺栓将两者连接，并以可靠的密封封闭高压油。除此之外，更加重要的是采用了预应力的结构设计，从整体上提高了系统的承载能力。

1.2 间隙密封性问题

对于间隙密封性问题而言，本身系统的密封性无问题，产生问题的主要原因是在高压力运行过程中缸壁由于液压缸承受内压的原因造成一定的膨胀，对于膨胀而言造成这种现象主要跟压力成正比。例如在实际运行过程中，一个400MN的液压缸，当其内压处于130MPa的情况时，若内径为972mm，对于其内壁膨胀可以高达2.0mm，再加上在内壁制作的过程中保留的间隙，此时的内壁间隙甚至高达2.5mm，因此而言，间隙密封性是一个重大问题，同时也是一个难题。

（a）初始状态 （b）工作状态

图2 高压密闭性组成图

通常情况下造成密封问题的关键原因是在运行的过程中密封器具被破坏，过去的密封材料通常其材质较软，选择这样的密封材料的目的是为了适应其形变，但是这种较软的材质容易被破坏，对于超高压间隙密封性问题更加不适合。因此对于超高压间隙密封性问题，我们拟采用支撑件，这个支撑件的密闭性、强度较好，最重要的原因是支撑件能够对内壁进行一定的补偿，通过补偿可以最大限度地保证超高压过程中的密闭性问题。这种形式已经在个别单位投入使用了，使用的等级为200MN和100MN，已经证明是具有一定的可行性。高压密闭性组成图如图2所示。

从图2中可以明显地看出，起初是状态和工作状态膨胀状态的变换。

2 重型模锻液压机的其他技术分析

对于预应力超高压液压缸的初步设计结构的基本思想是通常是在液压缸内壁预先建立切向压应力（预应力），这个预应力的构造程度与工作状态产生的拉应力叠加，这样做的目的在于能够尽可能多地减小或消除缸壁上的切向拉应力，使液压缸始终处于切向压应力或压应变状态，以提高液压缸的承载能力、发挥缸壁材料的强度潜力、提高抗疲劳性能。

对于重型液压机，除液压缸外，另一个重要的关键部件就是承载机架，在对承载机架设计的过程中，由于其机架设计原因，具有较高的强度和可靠性，但是横梁和立柱就较易出现问题，解决的方法是将横梁和立柱分开，再用预紧力将它们连接成整体，即预应力结构的机架。

3 结语

本文主要针对重型模锻液压机的关键技术进行了分析，通过分析压缸结构问题和其间隙密封性问题，首先介绍了过去压缸结构和其间隙密封性的缺点，其次基于缺点对压缸结构问题和其间隙密封性问题进行了针对性的分析，从而为以后提高现代重型模锻液压机的压制精度、压制效果以及设备的可靠性和安全性提供了依据。

参考文献

[1] 俞新陆.液压机[M].北京：机械工业出版社，1982.

[2] 俞新陆，杨津光.液压机的结构与控制[M].北京：

机械工业出版社，1989.

[3] 林宗棠.重型预应力混凝土水压机研究[M].北京：

清华大学出版社，1988.

[4] 米海耶夫·B.A.，太原重型机器厂设计科锻压设计

室.超高压液压机设备[M].北京：中国工业出版

社，1964.

[5] 颜永年，俞新陆.机械设计中的预应力结构[M].北

京：机械工业出版社，1989.

作者简介：韩露（1984—），男，湖北武昌人，江苏省徐州市特种锻压机床厂主管设计师，助理工程师，研究方向：液压机设计与锻压工艺。

摘要：现代重型模锻液压机的重要特点是在压制过程中具有相当的压制强度，为了提高现代重型模锻液压机的压制精度、压制效果以及设备的可靠性和安全性，我们必须对现代重型模锻液压机采取相应的措施。文章主要针对现代重型模锻液压机的关键技术进行了分析和研究。

关键词：重型模锻液压机；压制精度；压制效果；预应力

中图分类号：TG315 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）01-0006-02

重型模锻液压机通常情况下指的是100MN以上的基本吨位，主要应用领域为电力、船舶、航空航天行业。重型模锻液压机是我国大型锻件在模锻过程中的重要设备，由于我国在重型模锻液压机技术方面发展较晚，过去很长时间内，其严重制约我国相关行业的发展，但是就现阶段而言，我国成为世界拥有最多数量、最大吨位重型模锻锻压设备的国家，我国在重型模锻液压机的应用和实践方面已经达到先进的水平。以下我们主要针对重型模锻液压机的关键技术进行分析。

1 重型模锻液压机的关键技术

由于重型模锻液压机具有相当大的负载，造成其在设计的过程中对于设计的强度和刚度具有严格的要求，因此使重型模锻液压机设备的制造具有很大的困难，在一定程度上限制了其数量。在20世纪60年代，传统的重型模锻液压机属于泵-蓄势器传动水压机，这种设备一直处于恒压的情况下进行运动，这种工作模式的工作速度受到锻件变形抗力的影响；而现阶段生产的重型模锻液压机基本上处于恒流量传动模式，并将超高压技术融入其中，使得在锻造过程中，其精度和效率得到了显著的提高，超高压技术决定了重型模锻液压机的基本特征。

电力、船舶、航空航天行业都需要高强度的合金和高温合金的高技术含量的器材，其在锻造过程中单位面积的模具压力比高达2000MPa，为了达到这种单位面积的模具压力比，最有效的方法是提高液压压力，只有这样才能最大限度地提高压机压力，或者是采取超高压技术，采用此种技术的效果是在较小的单位面积上能够实现更高的压制强度。现代化的重型模锻液压机主要是以大型超高压工作模式，提高单位面积的模具压力比，从而减少结构的整体种类和缩减相应架构的尺寸，进而减少制造成本。在此前提上，必须要解决压缸结构问题和其间隙密封性问题。

1.1 压缸结构问题

重型模锻液压机的压缸是整个液压机的中枢神经，重型模锻液压机压缸的基本强度直接关系到整个模锻液压机的有效使用。在小型和中型模锻液压机设计过程中一般采用非预应力结构，这种结构在设计过程中一般不适用于重型模锻液压机压缸设计，主要是因为普通压缸在运行过程中由于其压力有限造成整体缸底和缸筒位置处结构发生的变化不大，处于可控制范围内，但是对于重型模锻液压机压缸设计而言，其巨大的压力使得缸底和缸筒位置处结构形变较大，严重地影响整体运行，容易发生缸底裂痕，主要是由于应力集中导致。另外是由于液压压缸的基本特点造成的，由液压压缸的受力特点分析可知，其内壁的受力特点极度的不均衡，其内外壁切向应力，可以根据相应公式得到如下公式：

式中：

—内壁切向应力

—外壁切向应力

K—内外径的比例

图1 重型液压缸结构模型图

从公式中我们可以得出以下结论，当内外径的比例增大时，我们的切向应力比就会增大。这就说明我们人为地增加外面的材料的过程并不是完全合理的，不能够有效地提高其真实的承载能力。当油压处于一定的水平时，就不可能单纯地利用增加内壁厚度，因为这所有的值都是固定的，不可能通过增加内壁厚度得以实现。

因此而言，我们必须对其采用新的结构模式。

在超高压的重型液压缸的设计过程中完全取消了传统非应力式结构设计的整体缸底模型，采用如图1所示的嵌入式缸底模型。

液压缸保持通孔形状，内壁光滑无台阶，有利于内壁的加工，并且避免了壁厚变化而引起的应力集中。独立的缸底嵌入缸筒，用螺栓将两者连接，并以可靠的密封封闭高压油。除此之外，更加重要的是采用了预应力的结构设计，从整体上提高了系统的承载能力。

1.2 间隙密封性问题

对于间隙密封性问题而言，本身系统的密封性无问题，产生问题的主要原因是在高压力运行过程中缸壁由于液压缸承受内压的原因造成一定的膨胀，对于膨胀而言造成这种现象主要跟压力成正比。例如在实际运行过程中，一个400MN的液压缸，当其内压处于130MPa的情况时，若内径为972mm，对于其内壁膨胀可以高达2.0mm，再加上在内壁制作的过程中保留的间隙，此时的内壁间隙甚至高达2.5mm，因此而言，间隙密封性是一个重大问题，同时也是一个难题。

（a）初始状态 （b）工作状态

图2 高压密闭性组成图

通常情况下造成密封问题的关键原因是在运行的过程中密封器具被破坏，过去的密封材料通常其材质较软，选择这样的密封材料的目的是为了适应其形变，但是这种较软的材质容易被破坏，对于超高压间隙密封性问题更加不适合。因此对于超高压间隙密封性问题，我们拟采用支撑件，这个支撑件的密闭性、强度较好，最重要的原因是支撑件能够对内壁进行一定的补偿，通过补偿可以最大限度地保证超高压过程中的密闭性问题。这种形式已经在个别单位投入使用了，使用的等级为200MN和100MN，已经证明是具有一定的可行性。高压密闭性组成图如图2所示。

从图2中可以明显地看出，起初是状态和工作状态膨胀状态的变换。

2 重型模锻液压机的其他技术分析

对于预应力超高压液压缸的初步设计结构的基本思想是通常是在液压缸内壁预先建立切向压应力（预应力），这个预应力的构造程度与工作状态产生的拉应力叠加，这样做的目的在于能够尽可能多地减小或消除缸壁上的切向拉应力，使液压缸始终处于切向压应力或压应变状态，以提高液压缸的承载能力、发挥缸壁材料的强度潜力、提高抗疲劳性能。

对于重型液压机，除液压缸外，另一个重要的关键部件就是承载机架，在对承载机架设计的过程中，由于其机架设计原因，具有较高的强度和可靠性，但是横梁和立柱就较易出现问题，解决的方法是将横梁和立柱分开，再用预紧力将它们连接成整体，即预应力结构的机架。

3 结语

本文主要针对重型模锻液压机的关键技术进行了分析，通过分析压缸结构问题和其间隙密封性问题，首先介绍了过去压缸结构和其间隙密封性的缺点，其次基于缺点对压缸结构问题和其间隙密封性问题进行了针对性的分析，从而为以后提高现代重型模锻液压机的压制精度、压制效果以及设备的可靠性和安全性提供了依据。

参考文献

[1] 俞新陆.液压机[M].北京：机械工业出版社，1982.

[2] 俞新陆，杨津光.液压机的结构与控制[M].北京：

机械工业出版社，1989.

[3] 林宗棠.重型预应力混凝土水压机研究[M].北京：

清华大学出版社，1988.

[4] 米海耶夫·B.A.，太原重型机器厂设计科锻压设计

室.超高压液压机设备[M].北京：中国工业出版

社，1964.

[5] 颜永年，俞新陆.机械设计中的预应力结构[M].北

京：机械工业出版社，1989.

作者简介：韩露（1984—），男，湖北武昌人，江苏省徐州市特种锻压机床厂主管设计师，助理工程师，研究方向：液压机设计与锻压工艺。