工作缸柱塞连接形式对锻造液压机的影响_刘艳妍.pdf

第 48 卷 第 3 期Vol.48 No.3FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 3 月Mar.2023装备与成套技术工作缸柱塞连接形式对锻造液压机的影响刘艳妍1,王 勇1,何琪功2(1.兰州交通大学 机电工程学院,甘肃 兰州 730070;2.兰州兰石能源装备工程研究院有限公司,甘肃 兰州 730050)摘要:针对上压式双柱自由锻造液压机的结构特性和工作状态,分析了工作缸与活动梁连接球铰副的工作条件,阐述了横向偏心锻造与纵向偏心锻造的成形过程,分析了偏载工况下柱塞与缸体的接触状态。结合上压式双柱自由锻造液压机工作缸与活动梁的典型连接形式,研究了工作缸柱塞与活动梁连接形式的工作机理,明确了工作缸柱塞与活动梁的不同连接形式对液压机的影响,确定了适合大型上压式双柱自由锻造液压机的结构形式,研究了合理控制液压机偏心锻造的条件,制定了液压机的偏载控制策略,提出了液压机最大允许锻造偏心距的确定思路,为大型上压式双柱自由锻造液压机的结构设计和安全使用提供了理论依据。关键词:液压机;偏心锻造;球铰连接;锻造偏心距;偏载DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.03.024中图分类号:TG315 文献标志码:A 文章编号:1000-3940(2023)03-0170-05Influence of working cylinder plunger connection form on forging hydraulic pressLiu Yanyan1,Wang Yong1,He Qigong2(1.School of Mechanical Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China;2.Lanzhou LS Energy Equipment Engineering Research Co.,Ltd.,Lanzhou 730050,China)Abstract:In view of the structural characteristics and working conditions for upward pressure double-column free forging hydraulic press,the working conditions of ball hinge pair connecting working cylinder and movable beam were analyzed,the forming processes of transverse eccentric forging and longitudinal eccentric forging were explained,and the contact state between plunger and cylinder body under the con-dition of eccentric load was analyzed.Then,combined with the typical connection form of the working cylinder and the movable beam for the upward pressure double-column free forging hydraulic press,the working mechanism of the connection form for the the working cylin-der plunger and the movable beam was studied,and the influences of different connection forms for the working cylinder plunger and the movable beam on the hydraulic press were clarified.Furthermore,the structure form suitable for the large-scale upward pressure double-column free forging hydraulic press was determined,and the conditions for the reasonable control of eccentric forging for hydraulic press were studied.Finally,the eccentric load control strategy of hydraulic press was formulated,and the determination thoughts of the maxi-mum allowable forging eccentricity for hydraulic press was proposed,which provided a theoretical basis for the structural design and safe use of the large-scale upward pressure double-column free forging hydraulic press.Key words:hydraulic press;eccentric forging;ball hinge connection;forging eccentricity;euentric load收稿日期:2022-05-09;修订日期:2022-08-12基金项目:国家自然科学基金资助项目(51265022);甘肃省科技计划资助项目(145RJZA187)作者简介:刘艳妍(1964-),女,学士,教授E-mail:liuyy 双柱自由锻造液压机主机的结构形式主要分为斜置下拉式和斜置上压式两种,大型双柱自由锻造液压机主要采用斜置上压式的结构形式。其工作缸由 3 个柱塞缸组成,包括 1 个主缸和 2 个侧缸,工作缸柱塞与活动梁一般采用单球铰或双球铰连接1,不同的连接形式对液压机的工作原理有着重要的影响。针对双柱自由锻造液压机工作缸的连接球铰形式,文献 1 对双柱自由锻造液压机的结构特点和技术参数进行了全面分析,并认为铰接式短摇杆轴的自适应性转动,可使柱塞缸导套和密封处所承受的水平推力减小,延长其使用寿命。文献 2 基于球铰自锁条件分析了柱塞缸的工作状态,研究了连接球铰副挤压工件时的自锁偏心距,明确了柱塞缸连接球铰副的运动条件。文献 3 研究了上推式快锻液压机工作缸支撑球铰的摩擦阻力矩和摩擦圆半径,分析了液压机柱塞连接球铰的自锁条件,确定了锻造工况下液压机柱塞与活动梁连接球铰的工作状态。文献 4分析了柱塞与活动梁球铰连接的结构特性,研究了主缸柱塞与活动梁的连接形式,分析了单、双球铰连接的自锁特性。文献 5 根据球铰连接的结构特性,分析了工作缸柱塞球铰支撑的工作机理,提出了锻造工况下工作缸柱塞球铰支撑应处于自锁状态,明确了球铰转动的条件和球铰侧向推力对柱塞缸受力分析的重要性。文献 6 通过实验方法,研究了中间杆长度和球铰半径对柱塞与导套间侧推力的影响规律,提出了中间杆长度和球铰半径的设计准则。文献 7 针对柱塞与活动梁的不同连接形式,分析了液压机偏载工况下作用于工作缸的侧推力,研究了侧推力对工作缸的影响。文献 8 针对快锻液压机采用位移传感器测量的锻件尺寸与实际尺寸存在一定误差的问题,通过数学建模和有限元分析,研究了活动横梁受力偏转对锻件检测精度的影响规律。文献 9 研究了液压机滑块的四角调平电液系统,提出了一种基于空间任务坐标系的控制方法。针对斜置上压式双柱自由锻造液压机,本文结合球铰自锁条件,分析工作缸柱塞与活动梁采用刚性连接、单球铰连接和双球铰连接时的结构特性,并研究了工作缸柱塞与活动梁的连接方式对液压机工作过程的影响,以及主缸和侧缸的合理连接方式,明确了双柱自由锻造液压机的机构原理,确定液压机的偏载控制策略,为上压式双柱自由锻造液压机的主机结构设计与理论分析提供了依据。1 连接方式对工作缸工作状态的影响为了有效研究连接方式对工作缸工作状态的影响,分别建立工作缸柱塞与活动梁采用刚性连接、单球铰连接和双球铰连接的单柱塞缸简化模型,并分析锻造工况下柱塞与缸体的接触状态,如图 1 所示。其中,e 为锻造偏心距,r 为球铰摩擦圆半径,M 为偏载力矩,F 为偏心载荷,p 为工作缸压力。柱塞与活动梁采用刚性连接的示意图如图 1a 所示。在偏心载荷 F 的作用下,偏载力矩通过柱塞作用于缸体,柱塞与缸体的接触状态在图 1 所示的 3种结构中最恶劣。随着锻造偏心距的增加,作用于缸体的偏载力矩越大。柱塞与活动梁采用单球铰连接的示意图如图 1b所示。由球铰副转动自锁条件10可知:由于摩擦力图 1 工作缸连接形式1.柱塞 2.活动梁 3.上砧 4.工件 5.下砧(a)刚性连接(b)单球铰连接(c)双球铰连接Fig.1 Connecting forms of working cylinder(a)Rigid connection(b)Single spherical hinge connection(c)Double spherical hinge connection的影响,受径向载荷作用的转动副,当外力的合力作用于摩擦圆之内时,转动副处于自锁状态。无论作用力多大,处于自锁状态的转动副均不会旋转,属刚性连接。即 er时,球铰满足转动条件。由文献 3 可知,液压机球铰副的摩擦圆半径为:r=3Rqsin2(4-sin2)8(1-cos3)(1)式中:为球面最大张角,();Rq为球面半径,m;为球面摩擦因数。当球铰转动时,球铰的摩擦转矩 Mf为:Mf=FPr(2)式中:Fp为球铰径向载荷,N。目前,国产和进口锻造液压机的工作缸连接球铰副均选用了钢-铜和钢-球墨铸铁的匹配,国产设备选用钢与球墨铸铁的匹配居多。钢与铜的无润滑静摩擦因数为 0.19,而钢与球墨铸铁的无润滑静摩擦因数为0.3011。对于双柱自由锻造液压机,工作缸连接球铰的较大半径和较高摩擦因数使得球铰的摩擦圆半径显著增大,这一特点为液压机在球铰自锁状态下进行锻造提供了条件。柱塞与活动梁采用双球铰连接的示意图如图 1c所示。双球铰连接同样满足单球铰连接的运动条件,具备单球铰连接的运动特性;不同点在于柱塞与缸体的接触状态在图 1 所示的 3 种结构中改善最为明显,而偏载力矩的方向与单球铰连接相反。由图 1 所示 3 种结构比较可知:在挤压工件时,图 1b 和图 1c 有 1 个必备的工作条件,即 er。171第 3 期刘艳妍等:工作缸柱塞连接形式对锻造液压机的影响 2 连接方式对液压机的影响分析斜置上压式双柱自由锻造液压机的工作过程包括快速下降、对工件挤压的锻造过程和快速回程。由于快速下降和快速回程的负荷相对锻压工况要小很多,为便于分析,将快速下降和快速回程定义为空载运动。液压机的空载运动由回程缸控制,而锻造过程由工作缸作用的。在双柱自由锻造液压机的锻造过程中,作用于上砧的偏心载荷可分为横向偏载和纵向偏载,如图 2所示。横向偏载主要是由操作不当而产生的,具有一定的不确定性;而纵向偏载是由锻造工艺所决定的,是液压机锻造工件的必要条件。在现有的文献1,12-13中,更多的是以横向偏载研究液压机的相关问题,而忽视了纵向偏载对液压机工作的影响。图 2 偏载工况示意图(a)横向偏载(b)纵向偏载Fig.2 Schematic diagrams of eccentric load conditions(a)Lateral eccentric load(b)Longitudinal eccentric load锻造过程中,在锻造力的作用下,机架会产生较大的变形,且立柱的变形更为显著,如图 3 所示。双柱自由锻