快速锻造液压机工作中的动载因素分析
刘崇民等
上海兰石重工机械有限公司 上海 201108
关键词：压机，固有频率，液压瞬变，动载因素
前言
快速锻造液压机组由于加压速度、锻造频次快，控制精度高，可实现自动化操作等优势，已经广泛应用于黑色和有色金属在热态下的塑性变形，尤其是高合金材料、钛合金材料的锻造现已基本上在快锻液压机组上完成。快锻液压机组是一个机、液、电合一的复杂系统，液压传动装置属于高压大流量系统,被控制件的运动质量在几十到几百吨不等，动梁的运动频率在100次/分以上，由于速度的变化，将带来一些动载因素，其中主要包括振动、液压冲击等，因此分析机械系统在外力输入作用下的响应是有必要的，尤其是分析液压瞬变与流体在管道内的振动对机械系统振动的影响更有必要。
本文以兰石重工有限公司生产的20MN下拉式快速锻造液压机组为研究对象(液压系统工作压力31.5MPa，流量4000L/Min，运动部分质量135000kg，具有一定代
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性)，分析了动载因素对压机工作可靠性的影响，提出了快锻液压机组设计中应遵守的准则。
1. 振动引起的动载分析
快锻液压机是一种以矿物油为工作介质传递能量实现各种自由锻压工艺过程的机器，其液压传动装置由电机驱动的高压油泵、阀组、管网等组成，因此整个液压装置或其中某个液压组件均可等效成具有一定质量、弹性和阻尼的振动系统。通常简化为单自由度简谐激振力作用的强迫振动系统, 单自由度振动模型见图1。该振动系统的运动微分
20MN快锻液压机在一个工作循环过程中由于动梁速度大小、方向、液压系统压力的变化，尤其是偏心锻造和突然失荷的工艺过程，都会引起主机本体的振动，当激振力频率与系统的固有频率接近时，就会产生系统共振。机架会产生剧烈晃动，立柱应力会增高，基础对高压管道的约束力会增加很多。减少和降低这些现象是快锻液压机可靠工作的先决条件，因此这是我们在设计机械和液压系统时，必须考虑与预防的准则。
工作中的20MN快锻油压机在加压转回程的起动过程中机组的弹性体积（比如回程缸等）聚了势能，而势能要转化为动能，因此系统中的压力、速度、动梁位移均具有振动属性，为一固有频率很低的振动系统，由于摩擦力及泄漏的存在，是一个线性阻尼振动系统。其力学模型可简化为一个质量，两个弹簧并联的系统（回程缸相当两个油压弹簧），在不考虑阻尼的情况下，20MN液压系统的无阻尼自然频率可按下式计算：
式中K为油压弹簧的刚度，m为运动部分质量
经计算20MN快锻液压机系统的固有频率为6.31HZ，略小于实测的8MN快锻液压机的固有频率（7.2Hz）。
20MN快锻液压机动梁的工作频率为1.41Hz，约是系统固有频率的1/5，当工作频率增高时，就会接近其固有频率。有关文献介绍（见参考文献），当快锻压机的工作频率达到100次/分时，其动载因子可达到3，而其动载应力为静载或低频时的3倍。快锻液压机的结构件主要是疲劳破坏，因此在机组设计中应充分考虑动载因子对结构设计的影响，提高系统固有频率，使其与工作频率有一个合适的范围。
1、 液压瞬变对机械系统振动的影响
20MN快锻液压机组的主机由机械与液压传动两部分组成，液压传动的特点是高压大流量，传输管道较长，动作切换频繁，因此压力瞬变在液压传动过程中经常产生，对机械系统产生冲击与振动，快锻快锻液压机的真蒂就是解决好冲击和频次间的矛盾。
同样，执行机构的运动与运动状况对液压管道内流体的流动参数也产生影响。当系统在外力或其它输入力作用的时候，机械系统都会因受迫产生振动，而机械系统中位移、速度或加速度随时间变化也会引起相关机械与液压系统的振动。
由于20MN液压机的机械系统的受迫振动是在一个非周期性干扰力的作用下，一般不是简谐函数，它们由工作缸中液体压力和体积的变化及工作频率等决定，当非周期性冲击停止后，系统是按其固有频率作衰减的自由振动，因此系统只有瞬态振动。目前有于高频响快速阀的应用使我们能够设计出频次更高，性能更优越的快锻压机，同时也提出了解决好液压冲击的难题。
液压系统的直接压力瞬变值可近下式计算：
ΔP=aVo/g
式中，a压力波在管道内的流度，Vo阀关闭时管道液体的流速
资料介绍[2]液压系统的压力瞬变值可为额定值的2-3倍。值得注意的是，压力瞬变将引起高压管道内液体的强烈振动，因此我们在设计中必须考虑增加管道基础对高压管道的约束力，从而提高基础与管卡间的强度与刚性。
20MN快锻液压机的液压系统中，主缸进液管道，主缸泄载管道及回程缸的进液管道，其工作压力都是31.5Mpa，由于液压传动存在着高压大流量及动作切换频繁的特点，管道内的流体都会由于压力瞬变的作用而产生振动，流体在管道中是一种衰减的振动，其振动频率为100-200Hz，与液压系统的固有频率相比，没有产生共振的可能。但液压冲击引起的振动，其振动频率与周围机械管路的固有频率比较接近，因此有可能产生共振，从而形成很大的液压冲击力对设备产生破坏性的后果，这是我们在设计中必须考虑的问题。
结论：
借鉴我们兰石重工公司在快锻压机组设计中解决了由于冲击振动而产生的动载因素的经验，参考目前国内引进的多台快锻压机的应用实践。在快锻液压机组设计中必须考虑由于振动、液压冲击而对机械系统动载因素的影响。
1） 在快锻液压机组的设计中必须解决好动载因素和机组主机，液压传动系统的关系，它是快锻液压机组能够可靠工作的先决条件。
2） 设计中必须考虑动梁的工作频率与系统的固有频率有一个合适的范围，可适当增加系统的刚度，提高系统的固有频率。
3） 必须考虑液压瞬变对高压管道强度的设计要求。
4） 合理设计高压管道及支承管卡的刚性要求，降低压力冲击的幅度和频率，避免管道系统产生共振。
参考文献
[1]《液压机现代设计理论》 俞新陆主编 机械工业出版社 1987年
[2]《自由锻造油压机的泵直控传动系统》 森田奉文 《重型机械》1980年
[3]Danel,F.,A Special Design Robot for Press-Brake Operation, Proceedings of the 12th International Symposium on Industrial Robots(1982)
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