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袁雯;刘于康
【摘 要】介绍了高能螺旋压力机的构造、特点和优越性能,并与其它类型锻造〔模锻〕,,并对压机构造进展了优化设计.
【期刊名称】《中国重型装备》
【年(卷),期】2025(000)002
【总页数】5 页(P8-12)
【关键词】高能螺旋压力机;模锻设备;优化设计
【作 者】袁雯;刘于康
【作者单位】中国其次重型机械集团公司设计争论院,四川 618013;中国其次重型机械集团公司设计争论院,四川 618013
【正文语种】中 文
【中图分类】TG315
高能螺旋压力机(又称离合器式螺旋压力机)，是 20 世纪 70 年月末、90 年月初国外消灭的型模锻压力机。它结合了一般螺旋压力机、液压机和热模锻压力机的优
点，传动方式有了的突破，是一种构造比较简洁、生产效率高、节约能源的设备。高能螺旋压力机与传统螺旋压力机相比，具有的明显优点是:总机械效率提高以上;
打击能量提高 1 倍以上;生产效率提高 1 倍;具有多工位锻造的力量。
高能螺旋压力机与热模锻压力机相比:打击力可以准确地掌握，设备不会超载;有效打击行程长，滑块在¾的行程都可以发挥最大打击力和最大锻造能量;锻件精度可提高一级;模具热接触时间削减½。
高能螺旋压力机主要用于周密锻造、模锻、镦锻、挤压成形、校正、切边和压印等。由于其本身所具有的优点，因而以很强的竞争力消灭在锻压设备领域。它的价格低 于同等力量的液压螺旋压力机、电动螺旋压力机和曲柄热模锻压力机，而生产率已 接近或超过了热模锻压力机。由于构造简洁、本钱低、价格相对较低、能源消耗比 较小，因此有较大的进展前途。
1 工作原理
25 MN 高能螺旋压力机的构造如图 1 所示。飞轮 3 通过轴承支承在机身 7 上，电动机(图中未画出)通过三角皮带驱动飞轮单向连续旋转。离合器 1 装在飞轮 3 上， 与飞轮同步旋转。离合器中的摩擦盘 2 与螺杆 8 固定连接。当离合器结合时，飞轮带动螺杆一起旋转，螺杆由止推轴承 4 支承在机身上。螺母 6 装在滑块 9 中。当螺杆旋转时，螺母带动滑块作直线运动，完成锻打。回程缸 5 的作用:一是在工作行程中平衡滑块的重量，二是当离合器脱开后，马上带动滑动快速回到上死点。
25 MN 离合器式螺旋压力机的工作过程(原理)为:当工作循环开头时，离合器结合， 螺杆在很短的时间内到达飞轮转速，滑块以 500 mm/s 的速度下行，进展锻造使
工件变形。当变形完成后，离合器准时脱开，滑块在回程缸的作用下马上回程。离合器的脱开受电气和机械惯性机构两套系统掌握。当需掌握滑块行程时，电气系统可依据预先设定好的滑块行程掌握离合器脱开。当需掌握锻压力时，一旦实际锻压力到达操作面板上预置的锻压力，机械惯性机构使离合器的卸荷阀快速翻开，使离合器接合油缸中的介质快速排出，藉弹簧将离合器脱开，从惯性机构开头动作到离合器脱开的全过程所需时间微小。这两套系统准确地掌握滑块行程和打击力，使设
备完全排解了超载的危急。即使两套系统同时失灵，设备也是安全的。由于离合器
的扭矩受液压系统的最高油压限制，而最大锻压力又受离合器扭矩的限制，当载荷过大时，离合器将打滑。这就使高能螺旋压力机与传统螺旋压力机的力能关系明显不同，且公称吨位一样的状况下，传统螺旋压力机的冷击力要大 25%～60%。
图 1 25 MN 高能螺旋压力机 Figure 1 25 MN high power screw press1—离合器油缸 2—摩擦盘 3—飞轮 4—止推轴承 5—回程油缸 6—螺母 7—压力机机身8—螺杆 9—滑块 10—滑块保护板 11—工作台垫板 12—顶出器
25MN 高能螺旋压力机技术参数公称压力/MN:25
压力机在此压力下工作，应满足输出能量、速度、行程次数等项要求，且值为摩擦离合器所能传递最大压力，超过此值则离合器打滑、脱离。
最大压力/MN:
压力机可在此负荷条件下短期工作，但不保证输出能量、速度、行程次数等项要求。最大冷击力/MN:40
此值为压力机在冷击条件下(工件无塑性变形)、离合器传递 25 MN 作用力并打滑、脱离时，压力机所产生最大作用力。在使用中，不允许在接近公称压力条件下产生 冷击。
最大工件变形能/kNm:1 020 滑块最大速度/mm·s－1:500 最大行程/mm:475
最小闭合高度/mm:900
最大行程次数/min－1:201
工作台尺寸/mm:1 400×1 400 螺杆直径/mm:460
主电机功率/kW:132
构造特点
传统螺旋压力机包括摩擦压力机、电动螺旋压力机和液压螺旋压力机，它们共同的特点是飞轮与螺杆固定联接，每一次上、下循环都有两次储存和释放能量过程，而且必需拖动一大惯量的飞轮作正、反向旋转。而高能螺旋压力机飞轮与螺杆和滑块系统通过离合器联接，电机驱动的大惯量飞轮只作定向旋转。下行时，离合器接合; 打击完成后，离合器脱开，由回程缸拉升螺杆与滑块系统。由于这种独特的构造， 使高能螺旋压力机具有以下一些明显的优点。
有效锻造能量高
由于传统螺旋压力机和高能螺旋压力机有不同的传动构造，所以它们具有不同的力能关系，参见图 2。传统螺旋压力机属能量固定设备，冷击力一般为公称压力的2～ 倍。由于设备上主要受力部件的强度都是按冷击力设计的，冷击力与有效能量的平方根成正比，为了使设备不过于笨重，及每次飞轮起动引起电机电流不致过大，飞轮能量受到严格掌握。高能螺旋压力机打击力可受到准确的掌握，这点与液压机相近，应属于力固定的设备。飞轮能量不受冷击力的限制，可以依据锻件的需要敏捷设计，冷击力是公称压力的 ～ 倍。公称压力一样的两台设备，一般传统螺旋压力机的冷击力要大 25%～60%，固然螺杆和机身也要大得多。高能螺旋压力机主电机要小 40%～50%，而供给的有效能量要大 2～3 倍。
图 2 力能关系曲线 Figure 2 Relation curve of force and energy 高能螺旋压力机冷击力计算公式:
式中 Mk——离合器传递的最大扭矩; hk——螺杆导程; Ck——设备的垂直刚度;
η——机械效率;
Ak——螺杆和滑块具有的动能。
高能螺旋压力机锻造能量由飞轮供给。在锻造过程中飞轮转速一般降低 %～ 15%。飞轮储存的总能量为:
式中 Az——飞轮储存的总能量; Jk——飞轮转动惯量; Ω——飞轮角速度;
N——飞轮转速。
工作循环中飞轮释放能量为:
式中 ω0——开头角速度; ω1——工作后角速度; n0——开头飞轮转速; n1——工作后飞轮转速。
当允许飞轮转速降为 %时，飞轮释放能量的百分比为: 高能螺旋压力机吨位选择公式:
式中 PKN——高能螺旋压力机公称压力; qk——设备特征系数。其值等于设备最大打击力 Pkmax 与公称压力的比值。一般qk=～。
有效打击行程长和行程次数高
传统螺旋压力机在工作循环中，惯量很大的飞轮系统要被加速到额定转速需要很长
的加速行程。在回程过程中，飞轮又被反向加速，储存的能量在制动过程中全部转
为摩擦能。因此设备总的机械效率低，行程次数少，生产率较低。高能螺旋压力机由于飞轮连续旋转，在工作循环中只有惯量很小的螺杆和摩擦盘被加速和减速，所以加速行程很短。滑块离开上死点后，只需总行程的约 10%，即经过 100 mm～ 150 mm 行程就到达额定速度，可以输出最大打击力和额定能量，滑块的空行程
大大缩短，压力机有效行程次数比传统螺旋压力机提高 1 倍以上。由于总的机械效率提高，高能螺旋压力机的主电机功率只有同吨位传统螺旋压力机的 50%～ 60%。
高能螺旋压力机的行程和打击力可以依据需要预先设定。当滑块到达预定位置或打击力到达预定值，离合器马上脱开，完全没有闷车的危急。其有效行程可占总行程的¾以上。由于锻件精度是依靠上下模具打靠来保证，模具调整格外简洁。
热模锻压力机锻件精度不但受模具尺寸的影响，还受机身弹性变形的影响。而高能螺旋压力机的锻件只受模具尺寸影响，因而其锻件精度一般比热模锻压力机锻件精度高 1～2 级。
成形速度均匀
当离合器接合时，数毫秒内螺杆即与飞轮接合，滑块也在极短时间内加速，到达它的成形速度，且保持匀速直到行程终了，因此允许在滑块行程的较宽范围内快速成形。
热接触时间短
由于成形速度快以及传动系统质量及转动惯量较小，离合器即时脱开，使滑块在行程终了时，瞬时停顿后即返回上死点，使模具与锻件的接触时间减至最小。同时由于模具温升—冷却的热应力较低，使模具寿命较长。
偏心锻造和多工位模锻
高能螺旋压力机机身具有横向稳定性。滑块具有 X 形和圆柱形两套导向，因而抗
偏力量大大提高。因此，即使在偏心载荷时，滑块垫板与工作台也能保持平行，没
有弯曲力传给螺杆。螺杆仅在每次工作行程终了时，受到压力和扭矩作用。
独特的滑块回程系统
该系统具有两个回程缸，位于滑块两侧。当离合器脱开时，将滑块提升到上死点。由于液压缸是由传动系统掌握的，所以成形后，飞轮可马上以肯定的转速从降速状态开头恢复原速，因而增加压力机可能的行程次数。回程缸同时也作为一种安全装置，一旦螺杆失效，其对滑块仍可保持肯定压力。
压力机根底要求低
高能螺旋压力机只需简洁而廉价的地基。垂直作用在地基上的动载荷约为压力机重量的 倍。由于传动系统及从动件的质量较小，所以作用在根底上的扭转冲击载荷大大低于其他类型的螺旋压力机。
有限元分析
机身和螺杆是高能螺旋压力机的最重要的两个零件，尤其是机身为影响整体性能水平和重量的主要因素，它的刚度直接影响到产品的精度。因此，合理的机身构造， 是设计优良高能螺旋压力机的一个根本前提。为实现压力机正常工作，必需保证机身有足够的强度和刚度，并使其质量尽可能的小，以削减本钱。而对螺杆来说，主要是保证其强度足够。这就要求我们对它们的强度和刚度进展较准确的计算，及尽可能地对其构造进展优化。
传统的材料力学计算方法精度差，已不能满足要求。而有限元法已被公认为是构造分析的有效工具，可以保证计算的精度和牢靠性。这次机身和螺杆是在 SUN 工程工作站上承受 I－DEAS 软件进展分析。对压力机分别在中心载荷、左右偏心载荷和前后偏心载荷条件下，建立了机身三种载荷工况的有限元模型。网格划分时，考虑了应力集中较严峻的部位。对机身分别在三种载荷工况下，进展了三维有限元分析，对计算结果进展了大量的后处理，绘制了应力等值线图和变形图等。图 3 为
前后偏心载荷应力等值线图，图 4 为前后偏心载荷变形图。螺杆由于不受弯曲力
矩，三种载荷工况下其受力都一样，故对其只在一种工况进展了三维有限元分析， 图 5 为螺杆应力等值线图。
依据计算结果，对这些应力和变形进展了具体的分析，并进展了静强度、疲乏强度和刚度计算，验证了其强度和刚度均满足要求。
优化设计
机身的优化设计主要是构造外形优化，要求在满足强度和刚度条件下即机身在最大载荷下，其变形和应力应当在容许值的范围内，使其重量最轻、尺寸最小。另外， 对机身的一些过渡圆角、过渡面的优化，也是机身优化的一个重要方面。通过它可以改善应力集中，降低局部应力，使应力分布尽可能地合理。考虑到本文分析的对象是一个浩大简单的三维构造问题，在前面的有限元分析中，将构造离散成 18912 个单元，5107 个结点。如承受有限元方法建立目标函数，约束条件，再用优化准则法或数学规划法求解，在计算过程中，必定要用很长的时间，使用大量的机时，在目前的状况下，不具备条件，有待于今后作进一步的争论。
图 3 前后偏心载荷应力等值线图 Figure 3 Forward and backward eccentric load stress contour drawing
图 4 前后偏心载荷变形图 Figure 4 Forward and backward eccentric load deformation drawing
图 5 螺杆应力等值线图 Figure 5 Screw stress contour drawing
经过前面的有限元计算、强度和刚度分析，得知现有的机身构造存在着一些缺乏之处，如质量分布不太合理，某些部位应力集中较大，立柱的强度、刚度较弱等。现从工程的角度，对本机身构造提出一些优化，使其构造更加合理。参考国内外各种压力机类似的机身构造，并分析有限元的计算结果，对该机身提出如下的改进:
立柱的强度和刚度是机身的一个薄弱环节。机身的最大应力在立柱上，且立柱
的变形直接影响滑块导向，进而影响锻件的精度和设备的性能，故应增加立柱的强
度和刚度，尤其是其抗弯力量。考虑立柱内侧应力较大，应适当地增大立柱内侧板的厚度，将立柱中隔板数从一个增加到两个。
由于上横梁上部应力较小，强度较富有。其截面外形可相应简化。
下横梁下部的强度储藏较大，可适当地减小其构造的厚度，但同时要保证其刚度足够。
上横梁与立柱连接的内侧处的应力集中较大，应尽可能加大此处的过渡圆半径。(5)为提高机身的抗弯力量，即抗偏载力量，可在保持截面面积不变的状况下，适 当地增加机身的总宽和总厚尺寸。
机身的构造的优化，要兼顾压力机设计时的各方面要求，而很多要求不但相互冲突， 而且没有精准的界限，甚至有些无法用数学式表达。如从降低本钱，便于制造安装 来说，要求机身重量轻、尺寸小;而在提高模具寿命、保持工件尺寸精度方面，则
要求机身变形小，刚度大;又如为了工艺适用性广，要求工作台面和封闭高度的尺寸大些为好，以及一些制造和装配的工艺要求等。所以，应依据实际状况，兼顾各方面的要求，最终定出最优设计方案。
结论
通过对高能螺旋压力机的构造特点和技术进展全面分析，可以看出，这种压力机与其他压力机相比，具有构造简洁、本钱低廉、节约能源等优点。乐观争论和进展这种压力机，可以推动我国模锻和精模锻设备的进展，使我，并可大大提高企业的经济效益。
参考文献
【相关文献】
［1］，.
［2］，.
［3］，.