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您現在的位置:產品中心產品分類電動螺旋壓力機 / J58K型電動螺旋壓力機
  • 產品名稱: J58K型電動螺旋壓力機
  • 產品編號: 3
  • 上架時間: 2014-07-17
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  作為模鍛設備,螺旋壓力機同模鍛錘和熱模鍛壓力機等相比較,具有性價比高,結構簡單,使用維護方便,工藝應用范圍廣等優點;而電動螺旋壓力機與摩擦、液壓、高能等其它形式的螺旋壓力機相比,具有運行時噪聲更小,傳動鏈更短,打擊效率更高,并能準確控制其打擊能量等突出特點,因而在汽車、摩托車、高速鐵路機車、工程機械、船舶、工具和航空航天等制造領域得到了廣泛應用,是生產精密模鍛件的一種新型的、通用的模鍛設備,是螺旋壓力機更新換代的產品。

  華中科技大學(原華中理工大學)在國內最早于20世紀80年代初即開始了電動螺旋壓力機的研究開發工作,并于1982年最先研制出國內第一代電動螺旋壓力機,但因為當時技術水平的限制,沒有達到人們的預期,一是電機頻繁啟停,電機發熱嚴重,無法長期穩定運行;二是啟動電流過大(達額定電流的3~5倍),電網沖擊過大,無法獲得市場推廣。直到近年來,電力電子、電機控制和計算機等技術得到了飛速發展,才真正為解決電動螺旋壓力機的問題帶來了契機。2003年,華中科技大學根據國內外最新的研究進展推出了國內首臺第二代數控電動螺旋壓力機樣機,其公稱壓力為3150kN,長期許用載荷5000kN,在此基礎上通過大量的試驗獲得了寶貴的研究成果和豐富的工程經驗;隨后,華中科技大學武漢新威奇科技有限公司迅速將科技成果轉化為生產力,推出了J58K系列數控電動螺旋壓力機產品,很快得到了市場的青睞和用戶的認可,獲得了市場推廣并具有可觀的產業前景。圖1為J58K系列數控電動螺旋壓力機產品外形圖。

    

  圖1  J58K型數控電動螺旋壓力機外形圖

  華中科技大學武漢新威奇科技有限公司研發生產的J58K系列數控電動螺旋壓力機技術領先、方案成熟、操作方便、維護量小且自動化程度高,是國內電動螺旋壓力機技術研究開發的領跑者,下面就其幾個主要特點予以詳細介紹。

  一、采用進口ABB ACS800系列變頻器控制交流異步電機的驅動方案,技術先進且成熟,配置高端且可靠。

  驅動方案是電動螺旋壓力機的核心關鍵技術,至關重要。國外主要電動螺旋壓力機生產企業--德國萬家頓(Weingarten)公司和拉斯科(Lasco)公司生產的電動螺旋壓力機均為變頻驅動系統,即采用變頻技術驅動的交流異步電機驅動方案;日本榎本機工(Enomoto)公司生產的電動螺旋壓力機采用永磁交流伺服電機驅動方案。

  華中科技大學武漢新威奇科技有限公司結合國內外的研究現狀,將基于矢量控制技術的永磁交流伺服電機驅動系統和基于直接轉矩控制技術的交流異步電機驅動系統均成功應用于電動螺旋壓力機,兩種驅動方案均能實現設備的設計參數目標且能長期穩定運行,對電網無沖擊;接著,又通過大量的對比實驗證明了基于直接轉矩控制的交流異步電機驅動系統在轉矩響應和輸出能力,以及電機溫升等關鍵方面均優于永磁交流伺服驅動系統,性價比更高;且直接轉矩控制無需軸端編碼器反饋,在鍛壓工藝強震動的惡劣環境中環節越少,故障率越低。

  直接轉矩控制作為最先進的交流調速技術,ABB公司已將其完全商品化并形成成熟產品進行了推廣應用,即ABB ACS800系列變頻器產品。J58K系列數控電動螺旋壓力機采用進口的ABB ACS800系列變頻器控制交流異步電機驅動方案,技術先進且成熟,驅動系統的性能、可靠性以及長期運行的穩定性等等均有保障。圖2是J58K系列數控電動螺旋壓力機打擊過程中通過每10ms采樣滑塊位移和速度而繪出的典型的滑塊打擊流程-時間曲線:

  圖2  J58K型數控電動螺旋壓力機的滑塊打擊流程曲線

  圖中,OA段為滑塊打擊下行階段,AB段為滑塊打擊鍛件,飛輪等運動部分釋放能量階段(實驗中工作臺上墊橡皮代替鍛件吸收能量),BC段為滑塊回程加速階段,CD段為滑塊回程減速階段,至設定打擊行程位置,滑塊速度減至接近零速,剎車動作,將滑塊固定。

  國內其他電動螺旋壓力機生產商采用的主要是開關磁阻電機驅動方案,變頻器為國產的開關磁阻電機驅動單元。開關磁阻電機早期最廣泛的應用于電動車行業,其特點是結構簡單、啟動電流小;但其突出問題是轉矩脈動大,震動和噪聲大,且需要電機軸端編碼器反饋,在鍛壓設備強震動的惡劣環境下增加了故障點。另外,任何型號和功率的開關磁阻電機均為特制電機,而交流異步電機卻是應用最廣泛的驅動動力,結構簡單、制造容易、運行可靠、維護方便,價格低、重量輕、效率高。在鍛造行業惡劣的工業環境下,如果電動螺旋壓力機能采用交流異步電機驅動,那這種驅動系統毫無疑問將被公認為是低維護、高可靠的高效驅動方式。

  二、采用雙電機驅動的齒輪傳動方式,效率高且磨損小。

  電動螺旋壓力機目前主要是兩種傳動形式,一是電機的轉子與螺桿連為一體的電機直接傳動形式,如德國萬家頓公司45000 kN以下產品、日本榎本機工公司150DS型產品和華中科技大學80年代初研制成功的JD58-100型電動螺旋壓力機。這一方案的特點是傳動環節少,但須設計低速、大扭矩專用電機,螺桿導套磨損后會影響電機的氣隙,電機出現故障維修困難。

  二是電機經齒輪或皮帶帶動飛輪螺桿的電機機械傳動形式。萬家頓公司PZS系列45000 kN~320000 kN產品、拉斯科公司產品和榎本機工公司500ZES型產品采用這一方案,其中榎本機工采用皮帶傳動方式,而萬家頓和拉斯科采用更加高效的齒輪傳動方式。這一方案的特點是專用電機轉速較高,轉矩較小,可以設計少數幾種的專用電機系列供不同噸位壓力機使用,電機出現故障時,更換方便,維護簡單;同時,螺桿導套磨損后不會影響電機性能。

  華中科技大學武漢新威奇科技有限公司在深入研究各種傳動形式的具體特點后,最終決定J58K系列數控電動螺旋壓力機采用雙電機驅動的齒輪傳動方式,其結構原理圖如圖3所示。

    

圖3  J58K型數控電動螺旋壓力機結構原理圖

  相同規格的兩臺電動機相隔180度對稱的固定在機身頂部,使飛輪受力均衡,以避免螺桿導套(銅套)產生偏磨。小齒輪由高分子材料制造,強度高且重量輕,慣量不到同樣尺寸鋼齒輪的1/5,這樣可以保證電機軸在頻繁的正反轉沖擊中受損最小,壽命最長;另外,小齒輪與驅動電機軸采用摩擦聯接,通過摩擦打滑安全保險裝置可保證打擊力超載時小齒輪可以打滑,進一步有效的保護電機。

  電機經小齒輪帶動飛輪和螺桿加速旋轉,通過螺旋副將螺桿的旋轉運動轉化為滑塊的上下往復運動。接收到打擊命令后,電機由靜止狀態啟動,通過齒輪傳動帶動滑塊加速下行,檢測達到預先設置的打擊能量時,利用飛輪儲存的動能做功,使制件成形。飛輪釋放能量后,電機立即反轉,帶動滑塊返回至一定高度后,進入制動狀態,使得滑塊回到預先設定的打擊行程位置。由于滑塊回程時主要靠電機制動,機械制動器僅在滑塊接近上止點時才工作,因而制動材料不易磨損。從用戶現場得到的數據表明,在打擊300萬次后,J58K系列數控電動螺旋壓力機左、右兩邊剎車板磨損量均不超過2mm,對比于摩擦壓力機而言,維護量極小。

  三、采用長滑塊、長導軌導向形式,精度高,抗過載和偏載能力強。

  J58K系列數控電動螺旋壓力機吸收行業的長期積累經驗,采用長滑塊、長導軌的導向形式,導向精度高,抗過載和偏載能力強。通過調研,下表1在打擊力、抗偏載能力、模具壽命和價格等主要方面簡單的總結了摩擦螺旋壓力機、高能螺旋壓力機和J58K系列數控電動螺旋壓力機的特點。

  表1  摩擦、高能和電動螺旋壓力機比較一覽

 

結構

使用維護

滑塊末速

打擊力

抗偏載能力

模具壽命

價格

摩擦

復雜

有易損件,無力能顯示

0.5~0.6m/s

1.6Pg

H/B=0.9

便宜

高能

最復雜

有易損件,有力能顯示

0.5m/s

1.25Pg

H/B=1.58

最貴

J58K電動

簡單

無易損件,可控制力能

0.7m/s

1.6Pg

H/B=1.38

適中

 

  其中,要特別說明的是,上表的數據雖然表明高能的高寬比H/B最大,但其為上圓柱導向,下短滑塊導向,二者很難調整至同時起作用,故其H/B=1.58為假象,實際不如J58K電動的H/B=1.38.

  國內有些電動螺旋壓力機生產商直接在高能螺旋壓力機主機的基礎上,將離合器裝置和液壓驅動部分用電機驅動代替,所以該產品也不可避免的繼承了高能的某些特點,如打擊超載能力僅為1.25倍,上圓柱導向加下短滑塊導向難以調整至同時起作用等,其圓柱導向部分實際主要起密封潤滑油的作用。

  四、銅柱鐓粗試驗結果表明J58K系列數控電動螺旋壓力機高效、節能。

  螺旋壓力機屬于定能量的鍛造設備,主要依靠其運動部分的能量做功,有效能量是螺旋壓力機最重要的一個技術參數,反映了設備的打擊效率和節能水平。我國現行摩擦壓力機技術標準中有關力能方面的規定要求鍛造型壓力機在公稱力時的有效能量不能低于運動部分能量的60%,電動螺旋壓力機的國家標準已由華中科技大學武漢新威奇科技有限公司實際起草并發布,電動螺旋壓力機有關力能方面的要求與摩擦壓力機相同。因此有效能量的檢測是檢驗電動螺旋壓力機的關鍵項目,它反映了電動螺旋壓力機的設計和制造水平,直接影響其使用性能。

  J58K系列數控電動螺旋壓力機每一種型號產品定型時均要求進行銅柱鐓粗實驗,試驗結果表明:J58K系列數控電動螺旋壓力機的摩擦損耗能不超過標稱能量的5%,公稱壓力下機器的彈性變形能不超過10%,因此其在公稱壓力下的打擊能量不會低于運動部分總能量的85%,遠超過國家標準中要求螺旋壓力機在公稱壓力下有效能量不低于運動部分總能量60%的要求,具有很高的打擊效率,這正反應了J58K系列數控電動螺旋壓力機的高效和節能。

  附錄1 為J58K-630型數控電動螺旋壓力機的銅柱鐓粗試驗報告。

  五、J58K系列電動螺旋壓力機數控系統自動化程度高、操作簡單且功能完備。

  J58K系列數控電動螺旋壓力機控制系統總體方案設計如圖4所示,可簡單分為幾個部分。

圖4  J58K型數控電動螺旋壓力機控制系統總體方案

  控制核心是系統的大腦,它由基于可編程控制器(簡稱PLC)的硬件和軟件組成,根據輸入輸出信號和參數來監測設備的運行狀態、控制執行機構的動作,實現打擊能量精確控制和滑塊準確回程等,保證設備正確、穩定和可靠運行。

  人機交互包括基于觸摸屏的用于設置和顯示參數的人機界面和由按鈕和指示燈組成的操作面板,J58K系列數控電動螺旋壓力機人機界面友好,操作簡單、方便,操作員只要根據產品工藝設置好打擊行程和打擊能量,其它包括能量控制和流程控制的一切都由數控系統完成。

  驅動系統是控制系統的關鍵,由它來實現電機轉矩的快速響應和穩定輸出,保證電機溫升穩定,實現電動螺旋壓力機的全能量設計要求并具有長期穩定運行能力。

  潤滑系統負責潤滑電動螺旋壓力機的關鍵部件,如軸承、銅套、鍾塊、螺旋副和導軌副等,是優化設備運行性能和提高設備壽命的重要保障。

  頂料系統也是電動螺旋壓力機的必要組成部分,按動力可分為氣動和液壓頂料,按功能又包括上頂料和下頂料等,具體方案由用戶根據產品需要決定。

  故障診斷系統采集來自驅動系統、潤滑系統、剎車和擴展外設等各個部分的傳感器檢測信號,提示系統報警信息并具有一定的故障診斷能力。

  擴展外設部分包括電動螺旋壓力機周邊的常見外設,如自動上、下料機構、自動噴石墨機構等,使得電動螺旋壓力機可以很方便的擴展成自動化生產線,降低工人的勞動強度,減少人的干預,提高產品的一致性。

  J58K系列數控電動螺旋壓力機采用編碼器裝置實時的檢測滑塊位移和速度,可直接計算設備的運動部分能量,從而與驅動系統形成閉環控制系統,實現打擊能量的準確控制和滑塊的準確回程。另外螺旋壓力機傳統的、常用的能量檢測與控制方法還有限位開關控制法、時間繼電器控制法等,這些都只能定性的、粗略的控制壓力機的打擊能量而已。國內其他電動螺旋壓力機生產商采用的是開環控制系統控制運動部分能量,回程與剎車等關鍵節點信號通過調整限位開關控制的方式,人的干預性更多,自動化程度和控制精度較低。

  截止目前,某公司購買的多臺本公司J58K-400型及以下的小型數控電動螺旋壓力機均已生產鍛件超過1000萬件,大多數時候每天開三班,平均日產量超過1萬件,使用過程中除了正常的、少量的備件更換,系統運行穩定、可靠,設備節能、操作簡單且維護量少。

  J58K系列數控電動螺旋壓力機的主顯信息、基本參數設置及系統報警信息界面分別如下圖5、圖6和圖7所示。

圖5  J58K型數控電動螺旋壓力機主顯信息界面

圖6  J58K型數控電動螺旋壓力機基本參數設置界面

圖7  J58K型數控電動螺旋壓力機系統狀態及報警信息界面

  附錄1、J58K-630型數控電動螺旋壓力機有效能量檢測實驗報告

  J58K-630型電動螺旋壓力機公稱壓力為6300 kN,長期允許使用載荷為10000 kN,標稱能量為80 kJ,最大打擊行程450 mm.因此,按照電動螺旋壓力機銅柱鐓粗檢測標準選擇1個直徑60 mm、高90 mm的銅柱放置在工作臺中央,先將滑塊點動至滑塊與銅柱接觸面對零,再將滑塊點動至最高點(因銅柱高度原因,滑塊最大打擊行程只能設為430 mm),設置為全能量進行打擊。打擊完成后,測得銅柱鐓粗后高度為36.7 mm,數控系統顯示測得的滑塊最大打擊速度約為702 mm/s,對應的運動部分實際能量為80.4 kJ.實驗現場照片如附圖1-1所示。

  a、銅柱鐓粗前               b、銅柱鐓粗后

  附圖1-1  J58K-630型電動螺旋壓力機銅柱鐓粗試驗現場

  通過計算,得到J58K-630型數控電動螺旋壓力機的有效能量和打擊效率如下:

  銅柱的變形功即設備的有效能量為:

  設備的打擊效率為:

  因為銅柱很軟,要注意這個試驗結果是在打擊力較小(約1000kN)的前提下獲得的,即力能曲線中機身彈性能很小、鍛件變形能較高的部分,而不是在設備公稱壓力或長期許用載荷下的打擊效率。但根據機身設計剛度,可以計算出公稱壓力(6300kN)下的機身變形能如下:

  所以,公稱壓力下機身變形能占運動部分能量的比例為:

  從結果可以看出,J58K系列數控電動螺旋壓力機的摩擦損耗能不超過標稱能量的5%,公稱壓力下機器的彈性變形能不超過10%,因此其在公稱壓力下的打擊能量不會低于運動部分總能量的85%,遠超過國家標準中要求螺旋壓力機在公稱壓力下有效能量不低于運動部分總能量60%的要求,具有很高的打擊效率,這正反應了J58K系列數控電動螺旋壓力機的高效和節能。

  通過數控系統采樣并記錄下打擊過程中每定時中斷周期(10ms)的滑塊位移值,生成整個打擊流程的滑塊位移-時間和滑塊速度-時間曲線如附圖1-2所示。

  圖中,OA段為滑塊打擊下行加速階段。AC段為銅柱鐓粗階段,時間約120 ms,其中AB段屬于滑塊錘擊階段,時間約60 ms,這是由于螺旋副之間的間隙而造成的,即滑塊接觸到銅柱后迅速減速再因為間隙消除后又迅速加速至與主螺桿同步的一個過程;BC段則為鍛打階段,飛輪將加速過程中所積蓄的運動能量全部釋放鐓粗銅柱的過程。CD段為滑塊反彈階段,時間約100ms,壓力機運動部分能量釋放完畢后,銅柱已鐓粗至最低點,此時機身彈性變形能使得滑塊反彈,滑塊中的主螺母再推動主螺桿反彈,直到主螺桿上的鍾塊頂到機身上橫梁內的止推軸承座后整個反彈過程結束;打擊力越大時,機身彈性變形能越大,反彈越快,時間越短。DE段為滑塊回程加速階段,EF段為滑塊回程勻速階段,FG段為滑塊回程減速階段,至設定打擊行程位置,滑塊速度減至設定的最小值,剎車動作,將滑塊固定。整個銅柱鐓粗實驗打擊流程耗時約4.61s.

附圖1-2  J58K-630型銅柱鐓粗過程滑塊位移-時間和速度-時間曲線

附錄2、與開關磁阻電動螺旋壓力機對比一覽表

 

武漢新威奇科技有限公司
J58K系列數控電動螺旋壓力機

開關磁阻驅動電動螺旋壓力機

驅動方案

進口ABB ACS800系列變頻器 (直接轉矩控制技術)+ 交流異步電機
(基座強度、散熱以及軸系特別設計), 且無需電機軸端編碼器反饋

國產科匯(或中紡銳力)開關磁阻變頻器
+ 開關磁阻電機,
需電機軸端編碼器反饋

傳動方式

雙電機驅動(抗偏磨),齒輪傳動 (高分子材料齒輪,重量輕,慣量小),
帶摩擦打滑安全保護裝置

小噸位采用皮帶傳動,
稍大噸位采用齒輪傳動(鋼齒輪)

超載倍率

長期許用載荷1.6倍公稱壓力,最大容許能力為2倍公稱壓力

1.25倍公稱壓力(同高能)

導向方式

長滑塊、長導軌,精度高,調整方便

上圓柱導向、下短滑塊導向,難同時作用

打擊效率

>85%標稱能量(公稱壓力打擊下)

不詳

能量預選

操作員根據產品工藝設置為標稱能量的1-100%即可,由控制系統自動計算電機目標轉速和滑塊目標速度等

要求設置電機打擊轉速和回程轉速

能量控制

控制系統實時檢測滑塊位移和速度,計算運動部分能量,從而通過與驅動單元的閉環控制實現準確控制打擊能量

采用變頻器開環控制,
不檢測實際運動部分能量

流程控制

控制系統通過實時檢測滑塊位移和速度實現滑塊打擊下行和準確回程

通過調整限位開關實現反向和回程剎車

人機界面

友好,關鍵參數全部可控,調試方便,且具有較詳盡的故障診斷能力

界面簡單,對比如下圖所示

 

a、J58K型數控電動螺旋壓力機人機界面b、某開關磁阻電動螺旋壓力機人機界面

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