張偉瑋，王小松，2，王仲仁，2

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 金屬精密熱加工國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150090）

重型液壓設(shè)備本體結(jié)構(gòu)的發(fā)展與創(chuàng)新

張偉瑋1，王小松1，2，王仲仁1，2

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 金屬精密熱加工國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150090）

重型液壓設(shè)備的性能是衡量一個(gè)國(guó)家大鍛件制造業(yè)水平的重要標(biāo)志，也是一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的體現(xiàn)。本文綜述國(guó)內(nèi)外重型液壓設(shè)備的發(fā)展歷程，重點(diǎn)論述了重型液壓設(shè)備承載結(jié)構(gòu)的發(fā)展與創(chuàng)新。由于液壓機(jī)工作時(shí)是一個(gè)封閉受力系統(tǒng)，本體結(jié)構(gòu)作為液壓機(jī)的重要承力構(gòu)件，均承受高負(fù)荷、復(fù)雜加載，由于質(zhì)量大，制造難度也大。重型模鍛設(shè)備從最初的梁-柱結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)楹皲摪褰M合框架結(jié)構(gòu)，再發(fā)展到粗螺栓預(yù)緊結(jié)構(gòu)，以及螺栓預(yù)緊和鋼絲纏繞預(yù)緊的剖分-組合結(jié)構(gòu)，最近廣泛采用的鋼絲纏繞預(yù)緊的剖分-坎合結(jié)構(gòu)，不同時(shí)期的重型鍛壓設(shè)備的本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)既受所處時(shí)代制造能力的限制，也具備不同時(shí)期的創(chuàng)新特點(diǎn)。缸梁一體式液壓機(jī)作為一個(gè)創(chuàng)新概念的提出，也為重型設(shè)備的發(fā)展提供一個(gè)可供參考的思路。

重型液壓設(shè)備；本體結(jié)構(gòu)；缸梁一體結(jié)構(gòu)；發(fā)展

在航天、航空領(lǐng)域，大尺寸、高精度、高強(qiáng)度零件的鍛造成形已成關(guān)鍵工藝之一，而重型鍛壓設(shè)備在鍛件成形過程中起到?jīng)Q定性作用。世界各國(guó)均把重型鍛壓設(shè)備作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的重要保障進(jìn)行重點(diǎn)規(guī)劃立項(xiàng)、投資建設(shè)。我國(guó)正處于國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展時(shí)期，重型鍛壓設(shè)備在各行各業(yè)中均占有舉足輕重的地位，為了保障航空大鍛件以及高溫難變形合金的精密成形，建設(shè)世界一流的鍛壓設(shè)備十分必要。隨著材料工業(yè)的發(fā)展，材料變形抗力不斷提高，而鍛件形狀復(fù)雜程度及鍛件精度要求也不斷提高，重型鍛壓設(shè)備作為大鍛件生產(chǎn)的重要保障，其噸位的增大不可避免。但是液壓機(jī)本體結(jié)構(gòu)作為液壓機(jī)的關(guān)鍵承力構(gòu)件，受力復(fù)雜，整體制造難度大。因此隨著噸位的增大，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)鍛件精度的提高、設(shè)備承載的穩(wěn)定性提高以及疲勞壽命的提高，本體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)與創(chuàng)新勢(shì)在必行[1-6]。

1 重型自由鍛液壓機(jī)本體結(jié)構(gòu)的發(fā)展與創(chuàng)新

在自由鍛液壓機(jī)出現(xiàn)之前，鋼錠的開坯與鍛造主要由鍛錘完成。1884年英國(guó)曼徹斯特工廠制造了首臺(tái)自由鍛水壓機(jī)，體現(xiàn)出鍛錘無可比擬的優(yōu)點(diǎn)；其后1893年美國(guó)制造世界首臺(tái)萬噸級(jí)自由鍛水壓機(jī)，完全取代了大鍛錘。其后因戰(zhàn)爭(zhēng)擴(kuò)張的需要，自由鍛液壓機(jī)迅速發(fā)展，二戰(zhàn)結(jié)束前，共有萬噸級(jí)自由鍛液壓機(jī)16臺(tái)，其中大部分動(dòng)力裝置為原始的蒸汽泵或蒸汽-液壓式增壓器，液壓缸多為雙缸或者三缸，最大公稱壓力為150MN。戰(zhàn)后二三十年內(nèi)，落后的蒸汽增壓式設(shè)備相繼淘汰。20世紀(jì)70年代至今，世界各國(guó)制造的萬噸級(jí)自由鍛液壓機(jī)共14臺(tái)，其中中國(guó)有5臺(tái)，本體結(jié)構(gòu)諸如橫梁以及立柱的制造工藝趨向多樣化，出現(xiàn)了厚板焊接、鑄焊結(jié)合、鍛焊結(jié)合、鑄鋼件全預(yù)緊組合等形式，導(dǎo)向裝置由原始的立柱導(dǎo)向轉(zhuǎn)為平面可調(diào)間隙導(dǎo)向。

1.1 結(jié)構(gòu)多樣化

萬噸級(jí)以上自由鍛液壓機(jī)基本都是“三梁四柱”式，如分別在俄羅斯伊諾斯基重機(jī)廠和烏克蘭新廠的 120MN自由鍛水壓機(jī)以及韓國(guó)釜山現(xiàn)代的100MN自由鍛油壓機(jī)；后來隨著自動(dòng)化改造，集成了多項(xiàng)信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了公稱壓力分級(jí)并配備高壓增壓器，如羅馬尼亞的150MN自由鍛水壓機(jī)（圖1a）、意大利臺(tái)而尼公司的126MN自由鍛水壓機(jī)（圖1b）、韓國(guó)斗山重工的130MN自由鍛油壓機(jī)（圖1c）、我國(guó)一重的150MN自由鍛水壓機(jī)（圖1d）、二重160MN自由鍛水壓機(jī)（圖1e）、上重的165MN自由鍛油壓機(jī)（圖1f）以及日本神戶制鋼所的130MN自由鍛油壓機(jī)（圖1g）。上述自由鍛液壓機(jī)均為三梁四柱上傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，為了降低設(shè)備重心，提高穩(wěn)定性，出現(xiàn)了四柱下拉式結(jié)構(gòu)，如德國(guó)薩爾公司的85MN自由鍛油壓機(jī)（圖1h）。

圖1 典型四柱式自由鍛液壓機(jī)

近年來，德國(guó)多家公司開發(fā)了不同形式的雙柱自由鍛液壓機(jī)，我國(guó)的蘭石、太重及西重所等企業(yè)也設(shè)計(jì)制造了數(shù)十臺(tái)雙柱壓力機(jī)，結(jié)束了三梁四柱壓力機(jī)一統(tǒng)天下的局面。它與四柱壓力機(jī)相比，確實(shí)具有獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)。其鍛造空間大，允許環(huán)類件沿壓力機(jī)橫向超出立柱，操作視域?qū)掗?，但雙柱式自由鍛液壓機(jī)在重量上無優(yōu)勢(shì)，抗橫向偏載能力較差。典型的萬噸級(jí)雙柱式自由鍛液壓機(jī)有日本鑄鍛鋼戶細(xì)工廠的100MN自由鍛水壓機(jī)（圖2a）、法國(guó)克魯索鋼鐵廠的110MN自由鍛水壓機(jī)（圖2b）和我國(guó)洛陽中信重工的185MN自由鍛油壓機(jī)（圖2c）。

圖2 國(guó)內(nèi)外典型雙柱式自由鍛液壓機(jī)

1.2 全預(yù)緊結(jié)構(gòu)框架

傳統(tǒng)上傳動(dòng)四柱式自由鍛液壓機(jī)均采用局部預(yù)緊形式，僅在立柱插入梁內(nèi)的部分施加了預(yù)緊力，鍛造載荷完全由立柱承擔(dān)，立柱在拉彎應(yīng)力反復(fù)作用下，容易斷裂。采用平接式全預(yù)緊結(jié)構(gòu)，立柱與橫梁接觸面部分由拉桿預(yù)緊作用而產(chǎn)生壓應(yīng)力，立柱僅承受壓彎載荷，這樣立柱可以采用鑄鋼或鑄焊結(jié)構(gòu)，拉應(yīng)力由拉桿承擔(dān)，雖然截面內(nèi)拉應(yīng)力數(shù)值較高，但是脈動(dòng)幅值很小，抗疲勞性能提高[7]。典型設(shè)備為我國(guó)一重設(shè)計(jì)的150MN自由鍛水壓機(jī)。

1.3 主要構(gòu)件整體化

受制造水平限制，液壓機(jī)橫梁多采用預(yù)應(yīng)力組合結(jié)構(gòu)方式。如1964年，我國(guó)一重和沈陽重機(jī)廠聯(lián)合設(shè)計(jì)125MN自由鍛水壓機(jī)，為三缸三梁四柱上傳動(dòng)式液壓機(jī)，三橫梁均為鑄鋼組合結(jié)構(gòu)，并通過螺栓施加預(yù)應(yīng)力（圖3a），立柱為鍛焊結(jié)構(gòu)。1962年江南造船廠制造的120MN自由鍛水壓機(jī)，三橫梁為厚鋼板整體焊接結(jié)構(gòu)，立柱為鑄焊結(jié)構(gòu)。隨著制造能力的提高，已經(jīng)具備了煉鋼、澆鑄、起重和加工大型鑄件的能力，現(xiàn)代液壓機(jī)橫梁等鑄鋼件出現(xiàn)了整體化趨勢(shì)，整體橫梁以及活動(dòng)橫梁的最大重量已經(jīng)達(dá)到了500t。我國(guó)一重的150MN自由鍛水壓機(jī)和上重的165MN自由鍛油壓機(jī)的上橫梁均為整體鑄鋼件（圖3b）。

1.4 平面可調(diào)間隙導(dǎo)向結(jié)構(gòu)

圖3 典型上橫梁結(jié)構(gòu)[8]

圓立柱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但導(dǎo)向精度低，間隙不可調(diào)，導(dǎo)致動(dòng)梁的定位精度及鍛件尺寸精度很低，大大降低了鍛件利用率。為有效提高鍛件尺寸精度，20世紀(jì)70年代后，出現(xiàn)了方立柱平面可調(diào)間隙導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向精度高，即使偏載時(shí)，鍛件仍保持較高尺寸精度。在現(xiàn)代萬噸級(jí)自由鍛液壓機(jī)中，除羅馬尼亞的150MN自由鍛水壓機(jī)仍采用圓立柱結(jié)構(gòu)導(dǎo)向，其余均采用平面可調(diào)間隙導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。

2 重型模鍛液壓機(jī)本體結(jié)構(gòu)的發(fā)展與創(chuàng)新

在重型模鍛液壓機(jī)發(fā)展的80多年中，最先認(rèn)識(shí)到大型鍛壓設(shè)備對(duì)航空鍛件制造的重要性的是二戰(zhàn)前的德國(guó)，它曾秘密制造150MN和300MN模鍛液壓機(jī)，對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)整體性能的提升起到了至關(guān)重要的作用[9]。二戰(zhàn)后，德國(guó)的重型模鍛液壓機(jī)全部被美國(guó)和前蘇聯(lián)以戰(zhàn)利品的形式帶回本國(guó)進(jìn)行研制和使用。

此后模鍛設(shè)備得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展。美國(guó)梅斯塔和列維公司于1955年分別制造了一臺(tái)450MN模鍛液壓機(jī)（圖4a），前蘇聯(lián)新克拉馬托爾斯克重機(jī)廠于1961年制造750MN模鍛液壓機(jī)兩臺(tái)（圖4b），該公司還于1976年為法國(guó)制造650MN模鍛液壓機(jī)一臺(tái)（圖4c）。與之前美、蘇的四臺(tái)超級(jí)液壓機(jī)相比，法國(guó)650MN模鍛液壓機(jī)不僅具備模鍛功能，還具備水平鍛造功能[10，11]。以上五臺(tái)模鍛設(shè)備為20世紀(jì)鍛造行業(yè)的頂級(jí)設(shè)備，其所在公司亦為生產(chǎn)鍛件數(shù)量和品種最全的企業(yè)。

圖4 國(guó)外頂級(jí)模鍛液壓機(jī)

除上述頂級(jí)模鍛設(shè)備外，僅就三萬噸以上設(shè)備，美國(guó)于1955年、1970年相繼制造315MN模鍛液壓機(jī)共三臺(tái)，前蘇聯(lián)也于1951年、1961年、1962年相繼制造300MN模鍛液壓機(jī)共四臺(tái)，德國(guó)于1964年制造300MN模鍛液壓機(jī)一臺(tái)，英國(guó)于1964年制造300MN模鍛液壓機(jī)一臺(tái)[10，11]。21世紀(jì)初，伴隨著油壓元件和系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，大型模鍛液壓機(jī)在壓機(jī)的壓力、位置、速度等系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)上要求實(shí)現(xiàn)精確控制和自動(dòng)控制，除對(duì)現(xiàn)有大型模鍛液壓機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造外，美國(guó)、法國(guó)又相繼制造400MN模鍛液壓機(jī)各一臺(tái)，以滿足其對(duì)航空大鍛件生產(chǎn)的需要。

從噸位大小上看，美國(guó)的液壓機(jī)并不占優(yōu)勢(shì)，美國(guó)航空界曾計(jì)劃建造2000MN液壓機(jī)，但是遇到難以解決的問題：要有足夠數(shù)量的液壓缸實(shí)現(xiàn)2000MN總壓力，要有足夠大的橫梁來支撐液壓缸。所有設(shè)計(jì)方案中橫梁的高度均相當(dāng)于10層樓以上的高度。后來由于工藝技術(shù)的提高（主要是采用等溫鍛造與超塑性鍛造）使變形抗力降低80%以上，使得建造大噸位液壓機(jī)的方案被擱置，這也是迄今為止美國(guó)不建造更大噸位液壓機(jī)的原因所在[12]。截止到目前，國(guó)外萬噸級(jí)以上的模鍛液壓機(jī)共計(jì)三十余臺(tái)，美國(guó)在數(shù)量上占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，約占總數(shù)50%左右。

建國(guó)初期，國(guó)內(nèi)鍛壓設(shè)備起步于修復(fù)日本戰(zhàn)敗散存的幾臺(tái)千噸級(jí)的自由鍛水壓機(jī)，直到1973年由第一重型機(jī)器廠和一機(jī)部聯(lián)合研制300MN模鍛水壓機(jī)在西南鋁投入使用（圖5a），該設(shè)備標(biāo)志著我國(guó)向模鍛設(shè)備邁進(jìn)的一個(gè)新起點(diǎn)。1982年，由第二重型機(jī)器廠設(shè)計(jì)研制的100MN多向模鍛水壓機(jī)在西南鋁投入使用。近幾年，重型模鍛液壓機(jī)紛紛投入使用。2009年，由清華大學(xué)設(shè)計(jì)的300MN模鍛液壓機(jī)在昆侖先進(jìn)制造技術(shù)裝備有限公司投入使用（圖5b）；2010年，由濟(jì)南巨能液壓工程機(jī)電有限公司設(shè)計(jì)的300MN模鍛液壓機(jī)在蘭州石化投入使用；2012年3月，由清華大學(xué)設(shè)計(jì)的世界上最大的單缸400MN模鍛液壓機(jī)在西安閻良國(guó)家航空高技術(shù)產(chǎn)業(yè)基地試制成功（圖5c），順利鍛造出其首個(gè)大型盤類產(chǎn)品，這是我國(guó)向?qū)崿F(xiàn)大型航空模鍛件自主研制邁出的重要而堅(jiān)實(shí)的一步。而由第二重型機(jī)器廠和清華大學(xué)聯(lián)合設(shè)計(jì)的800MN模鍛液壓機(jī)也于2013年投入使用，該設(shè)備是世界上最大噸位的模鍛液壓機(jī)（圖5d）。

圖5 國(guó)內(nèi)頂級(jí)模鍛液壓機(jī)布局

重型鍛壓設(shè)備的本體結(jié)構(gòu)作為重要的承力構(gòu)件，其發(fā)展與創(chuàng)新既受所處時(shí)代的制造能力的限制，也體現(xiàn)著隨著時(shí)代進(jìn)步對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的深刻認(rèn)識(shí)和對(duì)鍛件質(zhì)量、精度更高要求的客觀需要。重型鍛壓設(shè)備本體結(jié)構(gòu)的主要形式有：傳統(tǒng)梁柱結(jié)構(gòu)、厚鋼板組合框架結(jié)構(gòu)、粗螺栓預(yù)緊的C型框架結(jié)構(gòu)、螺栓預(yù)緊剖分-組合結(jié)構(gòu)、鋼絲纏繞預(yù)緊剖分-組合結(jié)構(gòu)和鋼絲纏繞預(yù)緊剖分-坎合結(jié)構(gòu)，同時(shí)，液壓缸結(jié)構(gòu)和分布也從普通多液壓缸結(jié)構(gòu)向超高壓、少液壓缸結(jié)構(gòu)、甚至向鋼絲預(yù)緊單缸結(jié)構(gòu)發(fā)展。

2.1 梁柱結(jié)構(gòu)

重型鍛壓設(shè)備本體結(jié)構(gòu)最典型的就是三梁四柱式，以早期德國(guó)施列曼公司的150MN為例，上橫梁由五個(gè)鑄件組成，活動(dòng)橫梁和下橫梁分別由三個(gè)鑄件組成，其中最大鑄件重105t。而施列曼公司的300MN液壓機(jī)為八柱結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于兩臺(tái)150MN液壓機(jī)組合而成，活動(dòng)橫梁和下橫梁仍舊為幾個(gè)鑄件組合而成[13]。如此大的鑄件已經(jīng)達(dá)到當(dāng)時(shí)材料加工能力的極限。

1955年，美國(guó)梅斯塔公司分別制造了450MN和315MN模鍛液壓機(jī)，這兩臺(tái)設(shè)備基本沿用了德國(guó)300MN液壓機(jī)的設(shè)計(jì)方法，均為八缸八柱上傳動(dòng)式。其中450MN模鍛液壓機(jī)的立柱直徑達(dá)1016mm，長(zhǎng)23m，單重137t，設(shè)備本體結(jié)構(gòu)總重6486t；單缸噸位5625t，最高工作壓力31.5MPa，工作臺(tái)尺寸7925mm× 3660mm。這種本體結(jié)構(gòu)的最大缺點(diǎn)是：由于主體構(gòu)件均為鑄造成形，承重件剛度較差，不能滿足鍛件精度要求；同時(shí)整體鑄造或者鑄造焊接件的疲勞壽命較低，為了降低制造風(fēng)險(xiǎn)，往往還不得不降低許用載荷，從而加大本體結(jié)構(gòu)的厚度、高度來滿足載荷要求[13-15]。

舉例來說，梅斯塔450MN模鍛液壓機(jī)，滿載時(shí)其活動(dòng)橫梁縱向撓度達(dá)每米0.6mm，活動(dòng)500萬次就損壞；而施列曼的300MN模鍛液壓機(jī)，滿載時(shí)底座縱向撓度為每米6mm，當(dāng)偏載量為200mm時(shí)，活動(dòng)橫梁的傾斜量為每米3.3mm，鍛件每邊凸起高度為1.75mm～2.5mm，成形精度偏差較大[13]。

2.2 鋼板組合框架結(jié)構(gòu)

與梅斯塔公司不同，美國(guó)列維公司設(shè)計(jì)的450MN和315MN模鍛液壓機(jī)均采用了新結(jié)構(gòu)，即方形立柱-拉桿結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)取消了原鑄造結(jié)構(gòu)，將龐大的上橫梁和活動(dòng)橫梁均改為鍛造鋼板疊合而成，疊板立柱和鑄造小梁通過T型勾頭形成牌坊。其中450MN模鍛液壓機(jī)共有六個(gè)立柱（三個(gè)框架），每個(gè)立柱有三塊各重110t的鋼板組成，橫梁和固定橫梁也是鍛造鋼板直立疊組而成，具備很大的抗彎剛性[43]。液壓缸全部位于下橫梁之下，下橫梁成了液壓缸的支承部分，單缸噸位為5000t，最高液體壓力為31.5MPa，工作臺(tái)尺寸9900mm×3760mm，設(shè)備總重9000t。其缺點(diǎn)是下橫梁除液壓缸產(chǎn)生的力外，還要計(jì)入主體結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的力，優(yōu)點(diǎn)是降低設(shè)備地面高度從而降低廠房高度。

前蘇聯(lián)克拉馬托爾斯克重機(jī)廠設(shè)計(jì)的750MN模鍛液壓機(jī)相比美國(guó)列維公司設(shè)計(jì)的450MN模鍛液壓機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)就是將鑄造結(jié)構(gòu)的小梁也改為疊板。其主體結(jié)構(gòu)由四組框架組成，框架的立柱部分有六塊厚200mm的鋼板組成，框架的橫梁由七塊厚180mm的鋼板組成，他們之間用直徑100mm的螺栓緊固在一起，同時(shí)為使大面積活動(dòng)橫梁均勻承載，12個(gè)液壓缸均布于四個(gè)框架上[10，15，16]。單缸噸位為6250t，最高液體壓力為 32MPa，工作臺(tái)尺寸16000mm×3500mm，設(shè)備總重26000t。

前蘇聯(lián)的750MN模鍛液壓機(jī)在設(shè)計(jì)過程中充分考慮了結(jié)構(gòu)對(duì)模鍛件精度的影響，所以本體結(jié)構(gòu)的所有零部件均提高了剛度，以防止?jié)M載時(shí)活動(dòng)橫梁撓度過大以及偏載時(shí)活動(dòng)橫梁的傾斜。其中厚鋼板的總重量為本體結(jié)構(gòu)總重的65%，鑄造零件的比例進(jìn)一步降低（不超過總重的7%），大大提高了整體構(gòu)件的抗彎剛度。滿載時(shí)，其縱向剛度和橫向剛度大致相同，相對(duì)撓度值分別為每米0.34mm和每米0.28mm，與梅斯塔的450MN模鍛液壓機(jī)的每米0.6mm相比明顯降低[13]。

2.3 粗-細(xì)螺栓預(yù)緊結(jié)構(gòu)

無論是美國(guó)的450MN模鍛液壓機(jī)，還是前蘇聯(lián)的750MN模鍛液壓機(jī)，均屬于非預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。不管形式如何改變，上下梁總要承受巨大的彎矩，立柱承受巨大的拉彎聯(lián)合作用，與此同時(shí)，用螺栓緊固疊板框架，大量的應(yīng)力集中在所難免。上述液壓機(jī)的承載機(jī)架為一整體框架，如果沿中央垂直對(duì)稱面剖分，形成兩個(gè)對(duì)稱C型，再用水平的預(yù)緊螺栓，在上下端將兩個(gè)C型框架預(yù)緊成一個(gè)整體，即構(gòu)成所謂C型框架結(jié)構(gòu)。C型框架結(jié)構(gòu)是一種以粗螺栓為預(yù)緊件的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，它部分地克服了非預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在上下橫梁的彎曲應(yīng)力。

前蘇聯(lián)克拉馬托爾斯克重機(jī)廠為法國(guó)設(shè)計(jì)的650MN模鍛液壓機(jī)采用了這種結(jié)構(gòu)。機(jī)架由前后左右四組C型框架組成，中間夾十字形梁，用拉桿在上下兩端水平預(yù)緊組成整體框架。框架的上下梁有水平方向的預(yù)緊，可部分消除梁上的彎曲應(yīng)力，而在壓機(jī)的主承載方向（垂直方向）沒有預(yù)緊力保護(hù)，工作載荷完全由立柱承受，立柱無預(yù)緊保護(hù)，受拉應(yīng)力作用[10，15]。該模鍛液壓機(jī)為四柱五缸結(jié)構(gòu)，中央缸噸位高于四周缸，為1.5萬噸，其余四個(gè)缸為1.25萬噸，最高液體壓力 63MPa，工作臺(tái)尺寸 6000 mm× 3500mm，總重為13000t。由于提高了工作壓力，液壓缸數(shù)量減少，結(jié)構(gòu)緊湊，臺(tái)面尺寸大大降低，總重也下降。2013年在我國(guó)四川德陽投入生產(chǎn)的世界最大噸位的8萬噸模鍛液壓機(jī)的本體結(jié)構(gòu)與650MN基本一致，均為C型組合框架和五缸結(jié)構(gòu)，只是每個(gè)液壓缸的噸位提升。因而與36年前的法國(guó)的650MN模鍛液壓機(jī)相比，各方面性能指標(biāo)都有進(jìn)一步提高[17]。

德國(guó)西馬克公司和德國(guó)SPS公司于2006年為法國(guó)制造安裝一臺(tái)400MN模鍛液壓機(jī)，其承載機(jī)架由4根巨大的粗螺栓預(yù)緊而成，同樣屬于粗螺栓預(yù)緊結(jié)構(gòu)。但是其承載機(jī)架不再是厚鋼板整體框架或者C型框架，而是采用了剖分－組合結(jié)構(gòu)，子件間不通過焊接形成冶金結(jié)合的方式，而是由直徑很大的粗螺栓將子件預(yù)緊而形成的具有重型承載能力的組合件[9]。但是組合件截面間壓應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度不足以阻止界面相互錯(cuò)動(dòng)，所以必須在剪切界面上增設(shè)鍵、銷、塊、臺(tái)等抗剪切結(jié)構(gòu)。

大直徑粗螺栓受成形工藝限制，其許用應(yīng)力通常只在100MPa～150MPa之間。為了提高預(yù)緊強(qiáng)度，提高螺栓的許用應(yīng)力就顯得尤為關(guān)鍵，工程界通常就通過多根直徑較小的細(xì)螺栓來代替粗螺栓的方法，因?yàn)橥N材料，細(xì)螺栓的許用應(yīng)力通常可以達(dá)到300MPa～350MPa，大大提高了預(yù)緊效果。

2.4 鋼絲纏繞預(yù)應(yīng)力剖分-坎合結(jié)構(gòu)

通過上論分析可知，對(duì)于重型鍛壓設(shè)備，傳統(tǒng)的鑄造形式本體結(jié)構(gòu)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足鍛件精度、結(jié)構(gòu)剛度及設(shè)備穩(wěn)定性要求；而厚鋼板組合框架結(jié)構(gòu)由于沒有預(yù)緊力的存在，其橫梁仍舊受彎矩作用，立柱受拉彎聯(lián)合作用；粗-細(xì)螺栓預(yù)緊結(jié)構(gòu)雖然解決了預(yù)應(yīng)力的問題，但是局部應(yīng)力集中不可避免；而剖分-組合結(jié)構(gòu)雖然降低了每個(gè)組合件的成形難度，但是組合件間通過鍵合、銷合等結(jié)構(gòu)也不能提供更大的局部摩擦而使組合件不產(chǎn)生錯(cuò)位移動(dòng)，且鍵合部位本身就是應(yīng)力集中區(qū)域。

如果螺栓的許用應(yīng)力更高一些，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性將會(huì)大大提高；如果組合件之間由庫倫摩擦狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻佑|面多峰結(jié)構(gòu)，則形成一個(gè)非線性不可逆的彈塑性接觸狀態(tài)。清華大學(xué)提出鋼絲纏繞預(yù)應(yīng)力剖分－坎合結(jié)構(gòu)就是能解決以上矛盾的最好方法[7，18]。高強(qiáng)度細(xì)鋼絲纏繞預(yù)緊效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于螺栓，且不會(huì)有應(yīng)力集中存在，而剖分-坎合結(jié)構(gòu)替代剖分-組合結(jié)構(gòu)也能使組合件具備更強(qiáng)的承剪能力。2009年7月，我國(guó)首臺(tái)預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞剖分-坎合液壓機(jī)——360MN垂直擠壓機(jī)在北方重工集團(tuán)熱試成功，該液壓機(jī)僅對(duì)拱梁部分進(jìn)行了剖分-坎合，分為3個(gè)子件，子件之間采用滾花處理形成坎合的多峰結(jié)構(gòu)。而立柱則采用分段鑄造，然后焊接為一個(gè)整體。

2011年7月，我國(guó)第一臺(tái)采用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)“智能纏繞-坎合技術(shù)”制造的300MN單缸模鍛液壓機(jī)在昆山建成。不但本體結(jié)構(gòu)采用鋼絲纏繞預(yù)緊結(jié)構(gòu)，同時(shí)該設(shè)備通過預(yù)緊纏繞、剖分-坎合技術(shù)得到直徑2060mm、高3.5m的超大液壓缸，最大液體壓力達(dá)90MPa，在超高壓預(yù)緊力作用下的液壓缸通過了45分鐘的保壓實(shí)驗(yàn)。德國(guó)奧拓?？怂构驹圃?00MN單缸多向模鍛液壓機(jī)，最大工作壓力為50MPa；美國(guó)韋伯公司曾制造350MN單缸模鍛液壓機(jī)，最大工作壓力為62MPa。以上兩臺(tái)液壓機(jī)為世界上單缸模鍛液壓機(jī)的經(jīng)典代表，但昆山300MN單缸模鍛液壓機(jī)將最大工作壓力提升到一個(gè)新的高度，這都是鋼絲纏繞技術(shù)帶來的巨大優(yōu)勢(shì)。

2012年3月，在西安閻良試制成功的400MN單缸模鍛液壓機(jī)，如圖5c所示，參考了360MN垂直擠壓機(jī)的拱梁剖分+整體立柱的成功設(shè)計(jì)方案，進(jìn)一步提出了拱梁+立柱全剖分的設(shè)計(jì)方案，拱梁和立柱均采用中空結(jié)構(gòu)，不但質(zhì)量輕，剛度也較好，整個(gè)機(jī)架由20個(gè)子分塊構(gòu)成。該設(shè)備的設(shè)計(jì)已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，即使在較大偏載的情況下，仍可以保證零件的成形精度，為實(shí)現(xiàn)精密模鍛提供了保證。400MN模鍛液壓機(jī)的制造和試制成功是鋼絲纏繞預(yù)緊技術(shù)和坎合全剖分技術(shù)得以成功應(yīng)用的重要體現(xiàn)。

2.5 缸梁一體式結(jié)構(gòu)

王仲仁教授基于多年無模液壓脹球的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，相同輪廓尺寸下，球體的承載能力是筒體的2倍，如果將液壓缸從筒形創(chuàng)造性的改為半球形，那么同樣噸位下，半球形液壓缸的壁厚將大大降低，相應(yīng)的本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尺寸都會(huì)相應(yīng)降低，液壓機(jī)總體質(zhì)量也將大大降低。傳統(tǒng)的液壓機(jī)由于上橫梁與液壓缸分別加工為兩個(gè)，從強(qiáng)度上不如“合二為一”更合理、更節(jié)省材料。如果說100多年以前受機(jī)械加工能力的限制，液壓缸與橫梁分別加工再組裝是合理的，如今制造能力有長(zhǎng)足的進(jìn)步，完全有可能采取缸梁一體式結(jié)構(gòu)，如圖6所示[19，20]。

相對(duì)于傳統(tǒng)液壓機(jī)，它具備如下特點(diǎn)：①液壓缸兼作上梁，它的法蘭直接與機(jī)身相連，液壓缸內(nèi)的柱塞下部仍與活動(dòng)橫梁相連[21，22]；②半球形液壓缸是缸梁一體式液壓機(jī)最具特色的關(guān)鍵部件，考慮到其內(nèi)柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所以半球缸內(nèi)設(shè)有圓筒形導(dǎo)向套，它與半球殼連成一體，并設(shè)有專門的液體通道使筒內(nèi)外受相等的液體壓力，不同于傳統(tǒng)圓筒形液壓缸內(nèi)壁受很高的液體壓力，因而筒壁可以設(shè)計(jì)得較薄，液壓缸的承力部件主要為半球殼，其承載能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于圓筒形液壓缸[23]；③缸梁一體式液壓機(jī)相比同一外輪廓的液壓機(jī)能提供更高的公稱壓力，活塞作用面積可大幅度增加[24]；④半球形液壓缸兼做上橫梁，使橫梁得到加固且過渡平緩，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以使應(yīng)力變化平緩[25，26]；⑤由于梁截面質(zhì)心的提高，大大增加了梁的截面抗彎模量，相對(duì)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，避免了通過增加上橫梁厚度或增加筋板的高度而帶來的整體質(zhì)量增加[27]。

圖6 缸梁一體式液壓機(jī)示意圖[19，20]

圖7 6300kN缸梁一體式液壓機(jī)及半球形液壓缸

缸梁一體式液壓機(jī)的基本特點(diǎn)是缸與梁合二為一，徹底改變了液壓機(jī)橫梁的結(jié)構(gòu)域受力狀態(tài)，應(yīng)力分布均勻，因而可以降低液壓機(jī)的重量與制造成本，消除了傳統(tǒng)缸梁組合液壓機(jī)液壓缸的局部應(yīng)力集中及缸梁傳力面局部接觸高應(yīng)力缺陷。它符合結(jié)構(gòu)整體化及受力均勻化的技術(shù)發(fā)展大趨勢(shì)，是液壓機(jī)結(jié)構(gòu)的原始性重大創(chuàng)新，為液壓機(jī)的設(shè)計(jì)制造提供了新思路和技術(shù)儲(chǔ)備。從先易后難角度看，缸梁一體式液壓機(jī)宜首先應(yīng)用于單液壓缸、壓力較大但工作臺(tái)面相對(duì)緊湊的模鍛液壓機(jī)，除此之外也適合如內(nèi)高壓成形機(jī)、護(hù)環(huán)脹形液壓機(jī)以及粉末冶金液壓機(jī)等，積累經(jīng)驗(yàn)后再逐步推廣。目前已開發(fā)出6300kN缸梁一體式液壓機(jī)樣機(jī)，其液壓缸最初形狀為半球形，如圖7所示。未來將面向長(zhǎng)行程、大臺(tái)面、變曲率結(jié)構(gòu)、多缸結(jié)構(gòu)以及整體機(jī)架全預(yù)緊結(jié)構(gòu)等工業(yè)生產(chǎn)廣泛需求的方向發(fā)展。

3 結(jié)束語

重型鍛壓設(shè)備的發(fā)展與創(chuàng)新是從最初的梁柱結(jié)構(gòu)向厚鋼板組合結(jié)構(gòu)發(fā)展、從梁柱分離結(jié)構(gòu)向梁柱融合的C型框架結(jié)構(gòu)和組合框架發(fā)展、從框架結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成螺栓預(yù)應(yīng)力剖分－組合結(jié)構(gòu)、再發(fā)展到鋼絲纏繞預(yù)應(yīng)力剖分－坎合結(jié)構(gòu)、從多液壓缸結(jié)構(gòu)向超高壓液壓缸結(jié)構(gòu)、少液壓缸結(jié)構(gòu)、甚至向鋼絲纏繞預(yù)緊單缸結(jié)構(gòu)發(fā)展。缸梁一體式結(jié)構(gòu)的提出，也是液壓機(jī)本體結(jié)構(gòu)上的一個(gè)重大創(chuàng)新。

近年來，我國(guó)自主研發(fā)的自由鍛造液壓機(jī)無論是數(shù)量還是公稱力均居世界首位，模鍛液壓機(jī)也在逐漸向世界先進(jìn)水平邁進(jìn)。但是中國(guó)只是鍛造液壓機(jī)大國(guó)，還不是鍛造液壓機(jī)強(qiáng)國(guó)，因此鍛造液壓機(jī)的創(chuàng)新與發(fā)展將是永恒的課題。

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The development and innovation of body structure in heavy forging equipment

ZHANG Weiwei1,WANG Xiaosong1,2,WANG Zhongren1,2
（1.School of Material Science and Technology,HIT,Harbin150090,Heilongjiang China；2.National Key Laboratory for Metal Precision Hot forming,HIT,Harbin150090,Heilongjiang China)

By reviewing the development history of heavy forging equipment both at home and abroad,the development and innovation of bearing structure in heavy forging equipment have been mainly discussed in the text.As it is a close forcing system when the hydraulic press is working,the body which is the important bearing member suffers high and complex loading.It is hard to manufacture since the quality of body is big.The body structure of heavy forging equipment has been changed from initial beam-column structure to thick steel composite frame structure then to rough bolts pre-stressed structure as well as the bolt prestressed and steel wire wound pre-stressed sectional combination structure.The steel wire wound prestressed bumpy ridge joining structure has been recently adopted widely.The body structure design of heavy forging equipment in different period has been not only imposed by the manufacturing capacity of different periods,but also represented the innovative features of the different periods.Finally,the cylinder-crownintegrated hydraulic press has been put forward as an innovative structure,which provides reference for the manufacture of heavy equipment

Heavy forging equipment；Body structure;Cylinder-crown integrated structure

TG394；TG315.4

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.02.002

1672-0121（2016）02-0012-07

2015－09－17；

2015－11－03

高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備國(guó)家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目（2011ZX04001-011）

張偉瑋（1985-），男，博士研究生。E-mail：zhangweiwei0509 103@163.com

王小松（1977-），男，博士，副教授，主要從事塑性加工工藝及鍛壓裝備研究。E-mail：hitxswang@hit.edu.cn