典型锻压机的结构特点与检修

秦向宏

（宝鸡钛业股份有限公司，陕西宝鸡 721014）

0 引言

锻压机在航空航天、探测设备、压力容器、化工、冶金、汽车等多行业应用较为广泛。随着泵控、阀控系统技术日趋成熟，现已实现模锻和自由锻压机的吨位的大幅提升。通过精密铸造、无损探伤等手段，提升了大型铸件的性能、成品率及使用寿命。锻压机结构设计更加完善，利用超级螺母紧固的预应力拉杆能使压机框架承受更大的载荷，增强刚性、抗形变的能力。主体各部件模块化的设计，便于长途运输，也使得大型压机的安装和检修更节省时间，能创造更大的经济价值。控制系统采用PLC与多台上位机电脑实现数据的传输，对于启动、运行、故障（超压、超温、超差等）信号的监测，有效地实现过程的闭环控制，避免系统由隐患向故障的转化，保护人员和设备的安全。基于局域网的压机控制系统可以与多台操作机、辅助设备相连，兼容性更强，配合作业、自动化程度更高。动力源的节能设计，变量泵、变频电机的参与，实现压力峰值与执行动作一致，波谷低转速、低功率，更加节能，实现可持续性发展。介绍两种典型锻压机的结构特点及一些检修方案。

1 25/31.5MN 油压机

油压机采用三梁双柱上传动结构，工作介质为46#液压油。主机由上横梁、活动横梁、下横梁、主缸、回程缸等部件通过张立柱、预应力拉杆组合形成一个封闭的框架机构。活动横梁位于上、下横梁之间，与主缸、回程缸柱塞铰接，在液压力的作用下沿张立柱的矩形表面做直线运动，实现压下和回程等动作，把来自主缸的压力通过锤头传递到被锻压的工件上。25/31.5MN 油压机主机如图1 所示。

图1 25/31.5MN 油压机主机

1.1 结构上的优点

1.1.1 能方便、快捷的调整活动横梁与立柱的间隙

（1）青铜滑板与锥状基板安装在活动横梁的顶部和底部，对活动横梁运动的导向间隙提供调节功能，同时也可延长滑板的使用寿命，滑板与基板安装剖视图如图2 所示。在使用过程中，滑板会产生磨损，与立柱的间隙可通过塞尺进行确定。若间隙增大，通过减小调整垫的高度，让锥状基板的高度降低，安装在基板上的青铜滑板往立柱方向靠近，间隙减小，达到理论要求的合理间隙。反之，增加调整垫的高度，使滑板远离立柱方向，间隙增大。通过调整垫铁的纵向高度来调整滑板的横向导向间隙，操作方便、快捷。可以多次调整，直至青铜滑板的导油槽被完全磨损，再进行更换，使用寿命较长。

图2 滑板与基板安装

（2）间隙调整的理论数值。活动横梁设计成与压力方向相对的微量的挠度，当来自主缸的液压力施加于横梁上时，曲面变形，趋于平面；液压力切断后，曲面复位。预留合理的间隙（图3），防止滑板与立柱的过渡磨损。

图3 活动横梁与立柱的间隙

1.1.2 主缸柱塞的球面垫设计

主缸缸体位于上横梁的中心，强制适配连接，通过缸的配合带和连接螺栓固定于上横梁。柱塞通过球面垫座体、压兰、球面垫等部件连接于活动横梁上。

在偏心锻造时，活动横梁微量的偏移，但球面垫与座体始终保持垂直于压机本体，有效的避免主缸密封和衬套的磨损。球面垫配合面采用甘油集中润滑，且压兰处的防尘圈有效的阻隔外来污染源进入，延长使用寿命，主缸柱塞连接剖视图如图4 所示。

图4 主缸柱塞连接

1.1.3 回程缸连接的球面垫设计，位移传感器参与控制

回程缸安装在活动横梁的项部区域，每个冲程后把活动横梁向上拉回起始位置，柱塞末端通过球状帽，与活动横梁铰接方式连接，在偏心锻造时，使其只有很小的侧向作用力作用在密封和导向衬套上，受很少的磨损。在两个回程缸活塞的心部各安装一只磁性位移传感器，用于检测活动横梁的位移量和倾斜量。一侧为控制传感器，另一侧比较传感器。当二者的差值大于10 mm时，即|X-Y|>10 mm 时，压机偏载超差，系统报警，解除后才可以动作，对于设备的安全起到有效地保护作用，回程缸剖视图如图5 所示。

图5 回程缸剖视图

1.1.4 上砧锁紧、换砧机构的液压驱动

上砧锁紧机构，由两个锁紧油缸、导向连杆、T 形挂钩、成套碟形弹簧等组装后安装在活动横梁内部，上砧锁紧、旋转缸剖视图如图6 所示。旋转缸固定于锁紧缸体的外壳，配有组合式光电开关，控制旋转角度及油路的通断。

图6 上砧锁紧、旋转缸剖视图

执行换砧指令时，锁紧缸无杆腔进油，推动柱塞杆连接的件6—T 形挂钩下行，与件7—上砧底座形成2 cm 间隙，此时件3—碟簧处于压缩状态，件4—旋转缸拖拽锁紧缸体整体转动至指定位置停止，T形挂钩短边与上砧底座T 形沟槽短边平行，活动横梁提升，挂钩完全与上砧脱离。更换完毕后，旋转缸转动，锁紧缸与挂钩整体转动，T 形挂钩长边与上砧T 形沟槽短边垂直，锁紧缸无杆腔高压油停止，原处于压缩状态的成套碟簧回弹，推动T 形挂钩上移。

依靠成套碟簧向上预压紧的力，使得上砧与活动横梁的基面始终保持贴合。旋转缸的组合开关与锁紧缸控制阀信号闭环控制（即两个旋转缸转动到位，触碰开关，锁紧缸控制阀才失电断油，否则不予执行），避免了更换上砧时误操作，造成事故。

1.1.5 工作缸密封压兰调平机构

3 个工作缸密封压兰上设置有4 组顶丝、调整垫等压兰调平机构，使得密封压兰始终垂直于柱塞，保证密封均匀的压缩量，防止偏磨。使用过程中，通过更换调整垫，紧固密封压兰，获得V 形密封相同的压缩量，方便、快捷。例如：将4 个厚度为12 mm调整垫，替换成为8 mm 后，紧固密封压兰，即V 形密封获得了4 mm 的压缩量。

1.1.6 主机控制系统

采用2 个西门子S7－400 PLC 和2 个西门子S7－300 PLC，通过4 个HMI 界面任意一个来访问CPU。系统采用PROFIBUS－DP现场总线技术，用一根通信电缆代替大量的I/O 电缆，用数字化通信代替DC 24 V 和4～20 mA 信号的传送，实现对现场设备的控制和监测。

1.2 主要的检修过程

1.2.1 主缸衬套、压套的更换

先拆除活动梁下冲程限位、回程缸与动梁的锁紧装置等部件，保证主缸柱塞能够继续下行与缸体分离，预留检修空间。同时为保证过程的平稳性，需借助于平衡梁，贯穿在立柱开档之间，使用行车抬吊，或使用成对千斤顶同步运行，调整高度。导套安装于缸筒内部，过盈配合，安装过程可采用温差法（液氮冷却铜套）安装，防止其局部变形，进而影响与柱塞的配合间隙。

1.2.2 主缸密封的更换

V 形开口密封的安装方式、裁剪形式如图7 所示。为延长密封的使用寿命，一般预留合理的余量。密封长度按L=πD+e 来计算（其中D 为密封的中径，e 为预留尺寸），e 的选用参考见表1。

表1 e 的选用参考 mm

图7 密封的安装、裁剪剖视图

以直径为Ф250 mm 的柱塞，装配Ф250/280×125 mm 的密封为例，密封的中经D=（250+280）/2=265 mm，裁剪密封长度L=3.14×265+7=839.1 mm。

2 31.5 MN 水压机

3150T 水压机以乳化液为介质，传动形式是泵—蓄势器传动，即在水路系统中增设高压容器—蓄势器。水压机工作时，高压水由泵和蓄势器共同供给，短时间内可供给水压机大量的高压水。水压机不工作时，高压水则储存于蓄势器内，所以水泵及电机的功率可以小些，其利用系数及水压机的速度都可以提高。3150T 水压机主机实物如图8 所示。

图8 3150T 水压机主机

压机主体采用3 梁4 柱，上横梁和下横梁通过4 根立柱和螺帽连接成一个封闭的刚性框架，并承受全部工作载荷。上横梁安装3 个工作缸、2 个回程缸缸体等。中间设活动横梁，与3 个工作缸、2 个回程缸柱塞连接，上、下面设有立柱导套。

控制系统为阀控系统。利用凸轮机构的逻辑顺序控制阀的开关，分配通向工作缸的高压水，驱动工作缸执行相关的工作。

2.1 结构上的特点

2.1.1 柱塞与活动横梁的连接

主缸采用刚性连接，当偏心锻造时，活动横梁发生倾斜，由于立柱导套和立柱的间隙较大（1～3 mm）；而柱塞与工作缸导套的间隙较小（D4/dc4），偏心矩主要通过柱塞和工作缸传给上横梁。立柱受力虽有改善，但工作缸导套和密封环会加速磨损，增加维修，而且制造、安装找正比较困难。且密封压兰处未设置压兰调平机构，易出现密封的偏磨，工作介质容易泄漏。

侧缸采用球面支承连接，柱塞立于活动横梁球面座上，其半径为柱塞直径的1.5～2 倍。偏心锻造时，活动横梁产生倾斜，柱塞在球面副上相对滑动，使柱塞仍能保持垂直，不易损坏密封及工作缸导套。

2.1.2 活动横梁的导向装置

衬套采用铸铜对开圆柱体，在长期的滑动摩擦下，会产生磨损，因无预先设计的间隙调整装置，活动横梁与立柱之间的间隙增大后，需要更换新件达到预设的间隙要求，寿命较短，操作繁琐。且衬套处为手动润滑方式，未设置心部润滑通道，润滑效果欠佳。

2.1.3 阀控系统

采用伺服电机驱动摇杆轴、凸轮、顶杆机构，实现液压阀的开关，控制高压水的通断、流向，阀控系统原理如图9 所示。存在的问题有以下2 点：

图9 阀控系统原理

（1）凸轮、顶杆机构的运动轨迹线性较差，凸轮表面易磨损，进而导致控制高压水的通断时冲击大、振动大。

（2）液压阀的结构未设计通过先导高压来开启主阀，且伺服电机负载较大，联轴器受较大扭矩，加速磨损，间隙增大后，反馈在摇杆轴另一侧的角度传感器上的误差增大。累计误差的存在，需要不断的在给定和反馈值上修正，故障率高。不能准确的反馈活动横梁的精确位置，会造成压机加压不受控的风险。

2.1.4 上砧采用T 形挂钩的方式固定

上砧底座与活动横梁采用螺栓连接后，用T 形挂钩将上砧与上砧底座相连接。无相应的防松装置，使用过程中，螺栓易松动、T 形挂钩易磨损，造成间隙过大。上砧在上行，下行的过程中，由于惯性与底座相互冲击，产生噪声。

2.2 主要检修工艺

2.2.1 工作缸配合带的修复，缸体衬套、压套的更换

从压机顶部缓冲罐、充液阀、接力器、回程缸拉杆等部件的拆卸，然后落下工作缸，吊开上横梁，移除缸体、柱塞、活动横梁等。按技术要求进行修复。

2.2.2 阀控系统检修

更换伺服电机联轴器时，保证与凸轮轴的同轴度，避免内啮合齿轮的过度磨损，间隙增大。凸轮在轴上的基准位置共线，牢靠固定。凸轮的升角、曲线，符合阀开关的逻辑顺序。安装在凸轮轴两端的轴承的轴肩位置定位精确。顶杆与套配合间隙合理，润滑可靠。