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POLRO一項(xiàng)新的雙式支撐回轉(zhuǎn)窯技術(shù)
在水泥生產(chǎn)者和水泥生產(chǎn)機(jī)器供應(yīng)商的緊密協(xié)作中，機(jī)器的效率因機(jī)械設(shè)備、工藝流程的新發(fā)展和不斷改善而取得很大提高。在制造技術(shù)領(lǐng)域，最新發(fā)展的是通過托輪獲得直接傳動系統(tǒng)的POLRO雙支撐式回轉(zhuǎn)窯，第一臺POLRO回轉(zhuǎn)窯于1995年在德國Alsen Breitenburg Zementund Kalkwerke Gmbh(AB)公司投入使用（圖1）。擁有三級漩風(fēng)預(yù)熱器煅燒窯POLRO以及互換的爐篦冷卻裝置具有4500tpd的額定功率。與POLRO同步，針對于程序加工技術(shù)測定儀，人們進(jìn)行了一個(gè)輔以計(jì)算機(jī)模擬的實(shí)驗(yàn)室測試程序，這篇論文對POLRO進(jìn)行了全面的闡述，并提供初次操作測量結(jié)果的同時(shí)，簡單描述了實(shí)驗(yàn)室測試程序。
程序加工技術(shù)測定部分
一臺回轉(zhuǎn)窯（機(jī)器部件）的資金成本與其窯殼容積成比例。故而機(jī)器供應(yīng)商們都致力于生產(chǎn)載荷可能高的回轉(zhuǎn)窯。另一方面，在水泥煅燒過程中（圖2），對其影響因素所有可能發(fā)生的變化作嚴(yán)格檢測，確保其安全達(dá)到額定功率及所要求的熔渣質(zhì)量，對于配有煅燒窯的回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)來說，現(xiàn)在的回轉(zhuǎn)窯容量具體介于4.0—5.5tpd/m3之間。
試驗(yàn)程序及熔渣燃料煅燒過程模擬
為了對熔渣燃燒過程中發(fā)生的復(fù)雜的相互作用進(jìn)行更好的評定，并增加安全限度，Polysius對回轉(zhuǎn)窯中所進(jìn)行的工序作了模擬模型（圖3）。在對模擬進(jìn)行計(jì)算之前，人們進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測試程序，這使人們可以對煅燒過程中游離鈣含量揮發(fā)成份變化，主要熔渣階段形成，原料?；鈿ぬ匦裕约皦m埃的形成等作出有效的評估。結(jié)合1000多種回轉(zhuǎn)窯窯型的實(shí)際使用和迄今為止所使用的鑒定原料燃燒性能的方法，新的實(shí)驗(yàn)室測試程序和電腦模擬極大的提高了回轉(zhuǎn)窯測定，尤其是回轉(zhuǎn)窯容量小型化的安全性。
回轉(zhuǎn)窯部分
對于采用雙支撐式回轉(zhuǎn)窯，回轉(zhuǎn)窯幾何條件（直徑及長度）的技術(shù)性計(jì)算是至關(guān)重要的?；剞D(zhuǎn)窯個(gè)體部件的設(shè)計(jì)取決于顧客們對于操作可靠性，耐火窯襯壽命及維護(hù)所提出的要求。
選擇雙支撐式或三支撐式窯部分
關(guān)于采用雙式支撐還是三式支撐回轉(zhuǎn)窯取決于窯殼長度與直徑的比值（L:D），由于技術(shù)上與經(jīng)濟(jì)上的因素將雙式及三式支撐回轉(zhuǎn)窯的L:D值劃到14：1比較合理。
過去，許多回轉(zhuǎn)窯的L:D值大于14:1。因此，由3個(gè)托輪支撐。然而，在許多情況下，初步煅燒系統(tǒng)逆順流機(jī)器設(shè)備的最優(yōu)化，使得回轉(zhuǎn)窯的L:D值測定合理的調(diào)到小于14:1，這意味著配有煅燒窯的雙式支撐回轉(zhuǎn)窯可以在回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)中幾乎可以通用。
雙式支撐回轉(zhuǎn)窯部分
由于其支撐系統(tǒng)由數(shù)據(jù)測定，相對于三式支撐回轉(zhuǎn)窯，雙式支撐回轉(zhuǎn)窯具備更多的優(yōu)勢，檢測及維護(hù)費(fèi)用較低，可對機(jī)器部件的使用壽命作出了可靠預(yù)測，耐火窯襯的使用期限更長。原因是：底座沉降，窯殼的熱變形以及托輪的準(zhǔn)線欠佳并不影響支座的載荷，窯殼內(nèi)以及基座機(jī)器部件產(chǎn)生的機(jī)器受力振幅反由窯體和外層的變化著的厚度以及回轉(zhuǎn)窯填充系數(shù)決定，L:D比值高于10:1時(shí)，雙式支撐回轉(zhuǎn)窯反而有微小的缺陷。然而，當(dāng)窯長增加時(shí)，即L:D比值增大時(shí)，傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)窯工藝（浮動輪轂，非自動調(diào)整的托輪以及小齒輪傳動系統(tǒng)）的不足開始變得明顯。窯周淺附近分布不均的外殼溫度（由不均勻的外層狀況引起）導(dǎo)致回轉(zhuǎn)窯不規(guī)則彎曲。回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)動十這種變形會產(chǎn)生下列不良影響。
1. 窯入口及輪轂擺動增加
2. 托輪與輪轂邊緣受力
3. 小齒輪與輪帶嚙合不緊
雙式支撐回轉(zhuǎn)窯的浮動輪轂的使用也會產(chǎn)生問題，以為在入口處的更短的高溫煅燒帶，輪轂支撐著位于受熱不穩(wěn)定帶且外層厚度劇烈變化的窯殼，這會引起窯殼溫度短暫變化，這變化可能導(dǎo)致其橢圓度發(fā)生較大變化，窯殼可能收縮，如果橢圓率變大，整個(gè)輪轂附近的耐火窯襯都會發(fā)生故障。
新的POLRO回轉(zhuǎn)窯
為了更完整地發(fā)掘數(shù)據(jù)測定支持系統(tǒng)的優(yōu)勢并消除上述缺陷，Polysius與回轉(zhuǎn)窯廠家緊密合作，針對雙式支撐的回轉(zhuǎn)窯開發(fā)了新技術(shù)。其特征是新的回轉(zhuǎn)窯支撐與傳動理念。第一臺POLRO式回轉(zhuǎn)窯與1995年投入使用，其直徑為4.8米，長度為65米，輸入功率為4500tpd，即負(fù)載量為406tpd/m3。
窯殼由于傾斜的多鍵輪轂支撐，即可自動校正。滾筒通過進(jìn)口端的托輪基座直接驅(qū)動摩擦力將發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩從自動調(diào)整滾筒轉(zhuǎn)移到多鍵輪轂，輔以氣控操作的帶大徑隙進(jìn)出口密封圈，液壓軸向推力系統(tǒng)及一個(gè)直通氣冷進(jìn)口，POLRO型回轉(zhuǎn)窯變得完善，這種窯型設(shè)計(jì)可以保證。
多鍵輪轂保持窯體的圓形狀態(tài)，且不論其處于運(yùn)行條件或輪轂處于何處就可以防止頸縮現(xiàn)象。
滾筒自動調(diào)整，防止輪轂與滾筒的邊緣受力。
回轉(zhuǎn)窯的直接傳動操作不受窯軸變形（外殼的徑向偏心度）影響。
窯進(jìn)出口的搖擺在密封圈承受限度以內(nèi)。
多鍵部分
多鍵輪轂（圖5）為POLRO新的傳動理念提供了基礎(chǔ)。于浮動輪轂相比，多鍵輪轂?zāi)軐鲃愚D(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)移到窯殼。
多鍵輪轂（圖5）的彈性固定系統(tǒng)從1988年開始使用，迄今50多年，這種裝置證明了這種固定系統(tǒng)的耐用性和抗磨損性。而以前的裝置則不能做到，這種配有彈性固定系統(tǒng)的多鍵輪轂使得窯殼在所有操作條件下都保持圓形。冷卻時(shí)間間隙為0.4％，消除了頸縮的危險(xiǎn)，這為耐火窯襯的長時(shí)間使用提供了相應(yīng)的預(yù)處理。
可自動調(diào)整的托輪部分
窯殼與輪轂軸與一般托輪之間的角度差會導(dǎo)致接點(diǎn)性能不良，而赫茲應(yīng)力提升到其不能承受的水平，角偏差可能由很多因素引起（底座沉降，窯殼變形裝配不當(dāng)），自動調(diào)整托輪的使用確保了在任何角位置窯殼與輪轂間都有良好的接觸性能，通過固定彈性材料（類似于橋式基座上的托輪底版），這些滾筒可獲得自動調(diào)整性能，這些彈性材料在支承力方向有很高的硬度?；剞D(zhuǎn)窯對支撐底座超過6000KN的負(fù)載量，只能使彈性壓縮材料壓縮量小于1毫米，彈性材料高度的壓縮穩(wěn)定性保證了一個(gè)穩(wěn)定的支撐系統(tǒng)，由于托輪的幾何設(shè)置與低的切變穩(wěn)定性，它們很容易隨窯殼傾斜。
自動調(diào)整托輪的主要問題由輪轂與托輪間不可避免的軸向力引起。當(dāng)窯體和輪轂有任何擺動或軸向移動以及當(dāng)窯體被軸向力推力系統(tǒng)移動時(shí)，這種情況就會產(chǎn)生。當(dāng)旋轉(zhuǎn)瞬時(shí)中心（圖7）不是位于輪轂與托輪間的接觸點(diǎn)十，這會導(dǎo)致自動調(diào)整托輪接觸。
旋轉(zhuǎn)瞬時(shí)中心是任何時(shí)刻自動調(diào)節(jié)托輪隨著輪轂的傾斜位置，而傾斜十所繞的那個(gè)點(diǎn)，有了自動調(diào)節(jié)托輪（圖6.7） 旋轉(zhuǎn)瞬時(shí)中心被彈性材料角定位在輪轂與托輪間的接觸點(diǎn)上，這確保了在所有負(fù)載情況下均勻的接觸點(diǎn)特性。從鋼結(jié)構(gòu)機(jī)械工程學(xué)及架橋領(lǐng)域?qū)椥圆牧鲜褂玫亩嗄杲?jīng)驗(yàn)來看，這保證了在沒有任何維護(hù)的情況下的高度的工作和使用的可靠性。
托輪校準(zhǔn)部分
在一個(gè)數(shù)據(jù)測盯的支持系統(tǒng)，支承力不會因托輪軸與回轉(zhuǎn)窯中心的移位而增加。然而，如果回轉(zhuǎn)窯裝配的是普通的非自動調(diào)節(jié)托輪。滾筒與窯體輪轂間會發(fā)生邊緣受力，作為預(yù)防措施配備普通托輪的雙式支撐回轉(zhuǎn)窯的托輪座需要每年測量及仔細(xì)校準(zhǔn)，如三式支撐窯的POLSCAN光電測量。
如果安裝自動調(diào)節(jié)托輪，情況就會完全不一樣了。它們可以彌補(bǔ)不同程度的位移，而且位移可由一個(gè)簡單的安裝在托輪基座上的指針測量儀表指示，這個(gè)儀表安裝在托輪基座上，用于長期指示彈性材料剪切的變形情況。指數(shù)可在任何時(shí)刻（一年足夠）與其最大容許限度標(biāo)準(zhǔn)作比較，只有當(dāng)指數(shù)達(dá)到或超過這個(gè)限度是，才有必要重新校正托輪軸，這意味著檢測POLRO窯雙式支撐托輪基座有了長期性的措施。輪轂與托輪的邊緣剝落情況可以被排除。
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第一章 引言
1.1 本課題的意義
鍛造操作機(jī)是鍛造車間實(shí)現(xiàn)鍛造自動化的關(guān)鍵設(shè)備，用于夾持鍛件配合壓機(jī)完成鍛造工藝動作。在大鍛件生產(chǎn)中，鍛造操作機(jī)更是必不可少的設(shè)備。鍛造操作機(jī)在20世紀(jì)60年代初就已問世，近二、三十年更是得到了迅速的發(fā)展。最早是在美國、前蘇聯(lián)，而后在德國、英國、日本等國發(fā)展起來，并成為系列化產(chǎn)品進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)。最初的操作機(jī)多為全機(jī)械傳動，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，到60、70年代出現(xiàn)了混合傳動和全液壓傳動、結(jié)構(gòu)緊湊、操作靈活的鍛造操作機(jī)。它與壓機(jī)配合使用，提高了生產(chǎn)效率及最大鍛件質(zhì)量。80年代以后，隨著大型裝備制造的快速發(fā)展，對大鍛件生產(chǎn)又提出了更高的要求，促進(jìn)了鍛造操作機(jī)技術(shù)的發(fā)展，主要表現(xiàn)在對鍛造操作機(jī)的需求量不斷增加，對鍛造操作機(jī)的最大鍛件質(zhì)量要求大大提高，引起了各國對鍛造操作機(jī)在鍛造生產(chǎn)作用的重視。
我國鍛造操作機(jī)起步于70年代，開始只能由一些鍛造廠自己制造有軌鍛造操作機(jī)，這些操作機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，鉗子的張合夾緊靠與吊鉗分離開的電動方頭扳手來完成，因而夾緊鍛件不方便，只能用于鋼錠開坯、撥料。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，80年代開始研制出全機(jī)械傳動和少數(shù)液壓傳動有軌操作機(jī)。隨后，小型液壓傳動有軌操作機(jī)得到發(fā)展，并出現(xiàn)了液壓傳動無軌操作機(jī)。90年代初期我國自行設(shè)計(jì)制造的100kN鍛造操作機(jī)主要技術(shù)性能已達(dá)到世界80年代水平，該臺鍛造操作機(jī)于1992年5月在太原試制成功。
近年來，核電、造船、化工、國防等領(lǐng)域的大型鍛件精確高效制造迫切需要重載鍛造操作機(jī)。重載鍛造操作機(jī)發(fā)展水平的落后制約了我國的大裝備制造能力，部分大型裝備的關(guān)鍵構(gòu)件完全依賴進(jìn)口。重載鍛造操作機(jī)直接影響國家重大工程的實(shí)施和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，開展重載鍛造操作機(jī)的研究具有重要戰(zhàn)略意義。
1.2 鍛造操作機(jī)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
大型鍛造操作機(jī)屬于當(dāng)前世界最大的多自由度重載機(jī)器人，屬于機(jī)、電、液高度一體化的復(fù)雜裝備，它是萬噸鍛造壓機(jī)的重要配套設(shè)備，也是國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)急需的重大機(jī)械裝備之一。并且，大型鍛件制造業(yè)是裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)行業(yè)，是關(guān)系到國家安全和國家經(jīng)濟(jì)命脈的戰(zhàn)略性行業(yè)，其發(fā)展水平是衡量國家綜合國力的重要標(biāo)志。通過深入開展大型鍛造操作機(jī)的研究工作，將逐步實(shí)現(xiàn)大型鍛造操作機(jī)的國產(chǎn)化，對提升我國大型裝備及關(guān)鍵零部件的自主設(shè)計(jì)和制造能力、滿足國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需求結(jié)束我國不能設(shè)計(jì)大型鍛造操作機(jī)的歷史都具有重要的社會意義和經(jīng)濟(jì)效益。
一、大型鍛造操作機(jī)的發(fā)展歷史
鍛造操作機(jī)最早出現(xiàn)在美國和原蘇聯(lián)，而后在日本、英國、奧地利等國發(fā)展起來，并成為系列化產(chǎn)品進(jìn)入工業(yè)性生產(chǎn)。最初的操作機(jī)多為全機(jī)械傳動，60、70年代出現(xiàn)了混合傳動和全液壓傳動、結(jié)構(gòu)緊湊、操作靈活的鍛造操作機(jī)。到了80年代，各國對鍛造操作機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、技術(shù)改造方面又有了更高的要求，不斷改進(jìn)結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)工藝，促進(jìn)了鍛壓技術(shù)的發(fā)展。特別是鍛造操作機(jī)的需求量不斷增加，引起了國內(nèi)外大、中型企業(yè)對鍛造操作機(jī)在生產(chǎn)中作用的重視。90年代中期，國外大型鍛造操作機(jī)技術(shù)已經(jīng)成熟，大型操作機(jī)與30000kN自由鍛造水壓機(jī)聯(lián)動操作，不斷提高了水壓機(jī)生產(chǎn)能力。
我國鍛造操作機(jī)起步于60年代，開始只能由某些工廠自己制造有軌操作機(jī)。90年代初期，我國自行設(shè)計(jì)制造的100kN鍛造操作機(jī)于1992年5月在太原試制成功，其主要技術(shù)性能已達(dá)到世界80年代水平，能替代同類進(jìn)口產(chǎn)品。至今，我國自主研發(fā)投產(chǎn)的全液壓鍛造操作機(jī)最大夾持能力也只有500kN。
世界上裝備的萬噸級自由鍛造壓機(jī)近30臺，最大的模鍛水壓機(jī)載荷能力高達(dá)7.5萬噸，最大的六自由度鍛造操作機(jī)操作力矩達(dá)7500kN·m，最大承載能力高達(dá)2500kN。目前，我國已具備了萬噸級鍛壓裝備的設(shè)計(jì)與制造能力，如中國一重自主設(shè)計(jì)、自主制造的世界上最先進(jìn)的150MN自由鍛造水壓機(jī)，2006年末已經(jīng)投產(chǎn)使用，但與之配套的大型鍛造操作機(jī)仍在研發(fā)當(dāng)中。
二、大型鍛造操作機(jī)的研究現(xiàn)狀
國內(nèi)外大型鍛造操作機(jī)的研究現(xiàn)狀
鍛造操作機(jī)作為進(jìn)行鍛造工藝的重要設(shè)備，眾多國外公司對其進(jìn)行了系統(tǒng)化研究，目前，德國DDS公司、韓國HBE PRESS公司以及捷克ZDAS公司的鍛造操作機(jī)的制造水平處在世界前列。其中，德國DDS公司和WEPUKO公司是世界著名的鍛造操作機(jī)專業(yè)研發(fā)、制造企業(yè)，在重型鍛造操作機(jī)研制領(lǐng)域具有70多年的歷史。此外，日本三菱長琦生產(chǎn)的操作機(jī)因擁有高速、高精度的機(jī)械手及控制系統(tǒng)而著稱。
國內(nèi)鍛造操作機(jī)的研究起步較晚，在一些技術(shù)方面與國外相比還有一定的差距。與萬噸壓機(jī)配套的大型鍛造操作機(jī)全部采用進(jìn)口設(shè)備，自主開發(fā)的大型鍛造操作機(jī)至今尚未問世，如中國一重與上海交大聯(lián)合開發(fā)的1600kN鍛造操作機(jī)和北方重工自主開發(fā)的2000kN鍛造操作機(jī)的整機(jī)水平還有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。
我國與大型鍛造操作機(jī)相關(guān)的研究項(xiàng)目
為解決我國重大裝備制造中一批關(guān)鍵技術(shù)和共性技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)重大裝備及其成套技術(shù)的自主研發(fā)，科技部在“十一五”國家科技支撐計(jì)劃中設(shè)立了“大型鑄鍛件制造關(guān)鍵技術(shù)及裝備研制”項(xiàng)目，在重點(diǎn)完成的工作中明確提出“150MN自由鍛造水壓機(jī)及配套設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)研究”和“165MN自由鍛造油壓機(jī)及配套設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)研究”。第一個(gè)課題主要開展大型自由鍛造水壓機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)、模態(tài)分析、預(yù)應(yīng)力框架結(jié)構(gòu)整體振動及疲勞分析，開展快換機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，研制配套操作機(jī)；第二個(gè)課題自主開展大型自由鍛造油壓機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)、快換機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)研究和關(guān)鍵部件研制，攻克多功能操作機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)、驅(qū)動和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)研究和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件制造技術(shù)等，掌握核心技術(shù)，開展壓機(jī)與操作機(jī)及輔助裝備聯(lián)動協(xié)調(diào)控制技術(shù)研究等。上述兩個(gè)課題，對掌握大型操作機(jī)核心技術(shù)、攻破我國重大技術(shù)裝備的生產(chǎn)瓶頸、提高特大型自由鍛件的制造技術(shù)水平與制造能力起著關(guān)鍵性的作用。2006年，上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)、中南大學(xué)清華大學(xué)、大連理工大學(xué)、華中科技大學(xué)共同承擔(dān)了國家科技部“973”計(jì)劃中“巨型重載操作裝備的基礎(chǔ)科學(xué)問題”項(xiàng)目，圍繞“多自由度重載操作機(jī)構(gòu)構(gòu)型與操作性能的映射規(guī)律”“重載操作裝備的界面行為與失效機(jī)理”“重載操作裝備的多源能量傳遞規(guī)律與動態(tài)控制”三個(gè)基礎(chǔ)科學(xué)問題，開展了7個(gè)課題研究，包括大型構(gòu)件制造操作運(yùn)動軌跡建模、重載裝備多自由度操作性能度量與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理、低速非連續(xù)工況下重載裝備界面行為與力學(xué)特征、大尺度重型構(gòu)件穩(wěn)定夾持原理與夾持系統(tǒng)驅(qū)動策略、大流量電液伺服系統(tǒng)的介質(zhì)流動規(guī)律、重載大慣量裝備的快速協(xié)調(diào)控制和巨型重載操作裝備的性能仿真與優(yōu)化等。從基礎(chǔ)研究的角度，揭示了巨型重載操作裝備的操作靈活性、力承載能力、剛度等性能與機(jī)構(gòu)構(gòu)型的映射規(guī)律。此課題為我國巨型重載操作裝備的研究提供了理論基礎(chǔ)，同時(shí)，也為配套操作機(jī)的研究提供了進(jìn)一步的可行性。
三、大型鍛造操作機(jī)的技術(shù)特征
大型鍛造操作機(jī)和萬噸鍛造壓機(jī)是配合在一起聯(lián)合工作的，工作過程中操作機(jī)保持著頻繁的重復(fù)動作，對其性能的要求為動作速度高、空行程時(shí)間短、精整時(shí)定位準(zhǔn)確，以達(dá)到快速鍛造，并得到尺寸精確的鍛件。與加工裝備相比，大型操作機(jī)的特點(diǎn)是載荷大、慣量大、自由度多、操控能力強(qiáng)。大型鍛造操作機(jī)的主要技術(shù)特征:一是在重載操作條件下，操作機(jī)構(gòu)件的分布式柔性變形直接影響末端執(zhí)行器的操作精度。因此，在裝備的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，既要保證操作裝備在整個(gè)工作空間中具有理想的剛度特性，又要通過運(yùn)動學(xué)設(shè)計(jì)對結(jié)構(gòu)變形在裝備運(yùn)動鏈中的傳遞特性進(jìn)行控制。此外，鍛造操作機(jī)長期在非連續(xù)工作條件下進(jìn)行操作，其動力學(xué)性能在空載和負(fù)載操作情況下存在顯著差別。二是大型鍛造操作機(jī)制造成本高，設(shè)計(jì)與制造周期長，通常采用單臺制造模式。重載操作機(jī)通常很難通過物理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)對其操作性能進(jìn)行分析和驗(yàn)證，因此，計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬是鍛造操作機(jī)設(shè)計(jì)、性能評估與優(yōu)化的重要支撐技術(shù)。
第二章 鍛造操作機(jī)簡介
鍛造操作機(jī)（manipulator for forging ）用于夾持鋼錠或坯料進(jìn)行鍛造操作及輔助操作的機(jī)械設(shè)備。
所謂，“10噸操作機(jī)”，是指該操作機(jī)可夾持的鋼錠最大重量為十噸。
2.1 基本含義
用以夾持鍛坯配合水壓機(jī)或鍛錘完成送進(jìn)、轉(zhuǎn)動、調(diào)頭等主要動作的輔助鍛壓機(jī)械。鍛造操作機(jī)有助于改善勞動條件，提高生產(chǎn)效率。根據(jù)需要，操作機(jī)也可用于裝爐、出爐，并可實(shí)現(xiàn)遙控和與主機(jī)聯(lián)動。操作機(jī)結(jié)構(gòu)分有軌和無軌兩種，其傳動方式有機(jī)械式、液壓式和混合式等。此外，還有專門用于某些輔助工序的操作機(jī)，如裝取料操作機(jī)和工具操作機(jī)等。為了配合操作機(jī)的工作，有時(shí)
圖2-1 鍛造操作機(jī)
還配置鍛坯回轉(zhuǎn)臺，以方便鍛坯的調(diào)頭。在模鍛和大件沖壓中，機(jī)械手的應(yīng)用已日益普遍，這樣的機(jī)械手實(shí)際上是一種自動的鍛造操作機(jī)。
主要用于750kg空氣錘、1000-2000kg電液錘、模鍛錘或其它相應(yīng)噸位的鍛錘，是我國鍛造行業(yè)最先進(jìn)的設(shè)備之一。
2.2 操作設(shè)備
采用全液壓傳動，高集成閥塊，超大流量通徑，使系統(tǒng)壓力損失少 密封性能高，油溫控制好。
匠心獨(dú)特的油路設(shè)計(jì)，真正使液壓系統(tǒng)處在最佳狀態(tài)，即使在長期大負(fù)荷情況下工作，也能輕松勝任。
運(yùn)動系統(tǒng)采用了擺線齒輪馬達(dá)和漸開線減速機(jī)組合，完美地實(shí)現(xiàn)了大車的無級變速行走、臺架回轉(zhuǎn)。
三級連動機(jī)構(gòu)使鉗口平行升降，鉗桿傾斜，360度旋轉(zhuǎn)，三維空間任意靈活轉(zhuǎn)動。
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圖2-2鍛造操作機(jī)
機(jī)械手造型美觀，結(jié)構(gòu)緊湊，轉(zhuǎn)動極其靈活，能出色地完成龐大的操作機(jī)無法完成的動作，讓操作工體驗(yàn)到人機(jī)合一、隨心所欲的感覺，充分體現(xiàn)操作機(jī)向機(jī)械手轉(zhuǎn)變的根本意義。
鍛造操作機(jī)適用于鍛造和鍛壓行業(yè)，與各種自由鍛錘及壓機(jī)配合，能完成坯料成型的各種工序；對減輕勞動強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率60%以上；是鍛造鍛壓行業(yè)不可缺少的輔助設(shè)備。
鍛造操作機(jī)分類
鍛造操作機(jī)分為：直移式、回轉(zhuǎn)式、平移式等多種運(yùn)動形式，全機(jī)械、全液壓、機(jī)械液壓混合等多種驅(qū)動形式，可以從各方面滿足不同用戶的需要。
鍛造操作機(jī)功能
操作機(jī)具有以下動作功能：大車在軌道上自由行走；鉗架前后升降、傾斜；鉗頭夾持、松開、旋轉(zhuǎn)等。大車架采用整體框架式結(jié)構(gòu)，由電機(jī)或馬達(dá)驅(qū)動。鉗架升降有鋼絲繩或油缸帶動，可實(shí)現(xiàn)前后同步升降或分別升降，使鉗架到達(dá)水平或?qū)崿F(xiàn)一定角度的傾斜。鉗頭夾緊由大螺距絲桿或油缸帶動夾持拉桿水平移動實(shí)現(xiàn)，并且有緩沖保險(xiǎn)裝置。鉗頭旋轉(zhuǎn)由電機(jī)減速機(jī)帶動，并設(shè)有過載保護(hù)裝置。鉗架的前后、兩側(cè)及鉗架與升降機(jī)之間均設(shè)有防振動的緩沖裝置（另有大量配件供應(yīng)）。
2.3 操作機(jī)的結(jié)構(gòu)
10噸操作機(jī)是由四部分所組成，其結(jié)構(gòu)示意如圖2-3所示。
(1)升降機(jī)構(gòu)：包括前提升油缸12、后提升油缸9、活塞7和13、活塞桿6和14、活動架19、沿塊5以及彈簧24等。
(2)夾緊機(jī)構(gòu)：包括旋轉(zhuǎn)滑閥26、夾緊油缸22活塞23、活塞桿21、鉗殼17、夾緊滑塊18、夾臂16和鉗口15等。
圖2-3 10噸操作機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
(3)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：包括電動機(jī)l、制動器2、行星減速器3、減速器4與空心鈾20等。
(4)大車行走機(jī)構(gòu)：包括電動機(jī)27、減速器35、車輪28、車體29等。
2.3.1 升降機(jī)構(gòu)
升降機(jī)構(gòu)主要是為實(shí)現(xiàn)柸料的提升、下降、傾斜等動作，以滿足鍛造工藝過程的需要。升降機(jī)構(gòu)由前提升機(jī)構(gòu)、后提升機(jī)構(gòu)、活動架等三部分所組成。
2.3.2夾緊機(jī)構(gòu)
夾緊機(jī)構(gòu)主要用來夾持坯料、鍛件或鋼錠。
夾緊機(jī)構(gòu)可以分成鉗頭和夾緊油缸俯兩大部分，它們分別
固定在空心軸的兩抵鉗頭在前端，夾緊油缸在后端。
(1)鉗頭
鉗頭的結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。兩個(gè)鉗口l通過銷軸l0分別
與夾臂3的一端鉸接。小軸9穿過夾臂中間的孔，使夾臂小
揣固定在鉗殼2上，這樣，夾臂便形成可以繞小軸回轉(zhuǎn)的杠
桿。夾臂的另一端通道銷軸4與連板5鉸接。連板又通過銷
軸8與夾緊滑塊6相連?；钊麠U7則以螺紋與夾緊滑塊構(gòu)成
一體。
圖2-4 鉗頭
當(dāng)活塞桿在夾緊油缸的拉力作用下，帶動滑塊和連板向
后(即向左)移動時(shí)，上夾臂繞小軸作順時(shí)鐘方向轉(zhuǎn)動，下夾臂
臂繞小軸作逆晌針方向轉(zhuǎn)動，使兩鉗口間的距離越來越小，
坯料被夾緊。當(dāng)活塞桿在夾緊油缸的推力作用下，推動滑
塊、連板向前(即向右)移動時(shí)，上夾臂繞小軸作逆時(shí)針方向
轉(zhuǎn)動，下夾臂繞小軸作順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動，兩鉗口的距離越來
越大，于是刨門鉗口便張開。鉗口與夾臀鉸接是為了擴(kuò)大夾持坯
料的尺寸范圍。如當(dāng)夾持?jǐn)嗝娉叽巛^大的鋼錠或坯料時(shí)，兩
個(gè)鉗口可以繞銷鈾向鉗頭內(nèi)轉(zhuǎn)動，而當(dāng)夾持?jǐn)嗝娉叽巛^小的
鋼錠或坯料時(shí)，兩個(gè)鉗口就繞銷軸向鉗頭外轉(zhuǎn)動，使鉗口與
被夾持的鋼錠或坯料始終保持有足夠的接觸面積，被夾持的
鋼錠或坯料就不易松脫。
(2)夾緊油缸
夾緊油缸是操作機(jī)產(chǎn)生夾緊力的機(jī)構(gòu)，在它的拉力或推
力作用下，使鉗頭的鉗口完成對鋼錠、坯料或鍛件的夾緊與
張開動作。
夾緊油缸又可分成兩大部分，一部分為油缸，另一部分
為旋轉(zhuǎn)滑閥。詞條圖冊更多圖冊
2.3.3大車行走機(jī)構(gòu)
大車行走機(jī)構(gòu)承擔(dān)著操作機(jī)自身的全部重量和操作機(jī)所
夾持的鋼錠、坯料或鍛件的重量而在軌道上運(yùn)行，完成鍛造
時(shí)需要坯料進(jìn)退的動作。
大車行走機(jī)構(gòu)由車體和行走機(jī)構(gòu)兩部分組成。
(1)車體
車體承擔(dān)著操作機(jī)自身的重量和被夾持件的重量，它的
結(jié)構(gòu)如圖13所示。車體的底座1支承在四個(gè)車輪9的鈾承
上。八個(gè)定位塊l o用以保證車輪與車體的相關(guān)位置。托扳
13焊接在底座尾部，托看行走機(jī)構(gòu)的電動機(jī)3、減速器40
在底座上固定著兩根前立柱7和兩根后立柱6，四根立柱又
都與車頂11固定在一起。在兩根前立柱間有前導(dǎo)板8，為
活動架的前部升降導(dǎo)向部位。雨棍后立柱間則裝有后導(dǎo)板12，
后提升機(jī)構(gòu)的升降滑塊就在其問上、下滑動。車頂是裝置液
壓系統(tǒng)的油箱、電動機(jī)、油泵、蓄能器、各種閥類等部件的
地方，同時(shí)又支承著升降機(jī)構(gòu)的油缸。
圖2-5 大車行走機(jī)構(gòu)
第三章 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的組成
旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要是為帶動被夾持坯料作左右旋轉(zhuǎn)動作，以滿足鍛造生產(chǎn)中對坯料進(jìn)行不同方向的鍛壓。
10噸操作機(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)系采用機(jī)械傳動方式，如圖3-1所示。電動機(jī)1通過聯(lián)拙器2與制動器3相連。制動器在電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動時(shí)起制動作用，使旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)能迅速而準(zhǔn)確地停在所需要酌位置。行星減速器4的一端與制動器相連，另一端通過聯(lián)抽器5與齒輪6相連。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中的上述部分都安裝在活動架中間部分的平向上。與齒輪6、惰輪7相嚙合的大齒輪8同定在空心軸10上?？招妮S則通過軸承分別支承在活動架的前、后軸承座內(nèi)。此外，空心抽又將夾緊機(jī)構(gòu)中的鉗頭和夾緊油缸連成一個(gè)整體，使夾緊機(jī)構(gòu)所夾持的坯料可以隨空心軸一起左右旋轉(zhuǎn)。
圖3-1 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖
當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)，制動器的閘緊裝置立即脫開。電動機(jī)的較高轉(zhuǎn)速經(jīng)行星減速器按一定速比減速后，被傳至齒輪6。齒輪6通過惰輪7帶動大齒輪8旋轉(zhuǎn)(此時(shí)又作一次減速)。這樣，夾緊機(jī)構(gòu)所夾持的坯料和空心軸一起隨大齒輪轉(zhuǎn)動，帶動坯料作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。按動正、反按鈕，電動機(jī)可左、右旋轉(zhuǎn)，坯料也隨之左、右旋轉(zhuǎn)。
在鍛造生產(chǎn)過程中，經(jīng)常有這種情況發(fā)生：正當(dāng)鍛造操作機(jī)夾持著坯料不斷地旋轉(zhuǎn)，在鍛擊著的上下砧子間進(jìn)行圓軸的滾鍛時(shí)，砧于突然壓住了坯料使坯料不能繼續(xù)轉(zhuǎn)動。然而，整個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在電動機(jī)的作用下卻仍在繼續(xù)轉(zhuǎn)動。這樣就可能導(dǎo)致電動機(jī)因過載而燒損，或是旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中的零部件因此而被破壞的嚴(yán)重后果。為了避免這種情況的發(fā)生，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中必須設(shè)置過載保護(hù)裝置。行星減速器在這里除了起減速作用外，它的另一個(gè)重要作用，既是成為旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中的過載保護(hù)裝置。
3.2 行星減速器設(shè)計(jì)
行星減速器在齒輪傳動系統(tǒng)中為周轉(zhuǎn)輪系。所謂周轉(zhuǎn)輪系，既是在齒輪傳動中至少有一個(gè)齒輪的幾何軸線是繞另一個(gè)定鈾齒輪軸線轉(zhuǎn)動的齒輪傳動系統(tǒng)。如圖3-2所示，齒輪2和齒輪3的軸線可以繞齒輪1、4的固定軸線轉(zhuǎn)動，這種傳動系統(tǒng)即稱為周轉(zhuǎn)輪系。
圖3-2 行星減速器示意圖
圖3-2所示的周轉(zhuǎn)輪系可分別進(jìn)行兩種方式的傳動過程：其一，齒輪l為主動輪，它把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動傳給了齒輪2。齒輪2、3都固定在同一根軸一上。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動通過齒輪3又傳給了固定在軸三上的內(nèi)齒輪4。這樣，軸二v便帶動與其相關(guān)聯(lián)的機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動；其二，齒輪1為主動輪，內(nèi)齒輪4固定不動。當(dāng)主動齒輪1轉(zhuǎn)動時(shí)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動經(jīng)齒輪2、鈾二傳動齒輪3。但國內(nèi)齒輪4不動，致使齒輪2、3不能單純地繞自身軸線轉(zhuǎn)動，而是繞抽一、二的軸線旋轉(zhuǎn)(軸一、二同心)。由于軸一是固定在外殼5上的，因此外殼也隨同鈾二一起轉(zhuǎn)動。
在鍛造操作機(jī)正常工作的時(shí)候，行星減起器上的閘緊裝置緊緊抱住了外完殼，使其不能轉(zhuǎn)動因而周轉(zhuǎn)輪系只能按第一種方式傳功，此時(shí)它只起一般減速器作用，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動傳給空心軸，使坯料隨之旋轉(zhuǎn)。當(dāng)坯料在旋轉(zhuǎn)過程中被上下砧子壓住時(shí)，坯料不能轉(zhuǎn)動，第一種方式的傳動便因此而停止。此時(shí)在電動機(jī)的作用下，外殼克服了閑緊裝置的摩擦阻力，以第二種方式進(jìn)行傳動，進(jìn)而保護(hù)了電動機(jī)和相關(guān)零件不會因過載而受損。
操作機(jī)應(yīng)用的這種保護(hù)裝置，由于它不能同時(shí)進(jìn)行兩種方式的傳動過沒只能進(jìn)行其中的一種，這便是所謂周轉(zhuǎn)輪系中的行星輪系，行星減速器也因此而得名。
10噸操作機(jī)所用的這種旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為齒輪等機(jī)械零部件歷構(gòu)成，所以稱它為機(jī)械傳動的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。
除了機(jī)械旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)外，也可以采用液壓旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。液壓旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)僅用油馬達(dá)來驅(qū)動空心軸及鉗頭的旋轉(zhuǎn)，它和液壓傳動的升降機(jī)構(gòu)、液壓夾緊機(jī)構(gòu)共用同一壓力油源，所以結(jié)構(gòu)非常簡單。此外，液壓旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)因?yàn)樵谡麄€(gè)液壓系統(tǒng)中設(shè)置了溢流閥，所以它不怕因坯料被壓住而過載。但它也存在著一些值得注意的問題。如鍛造操作機(jī)鉗頭的旋轉(zhuǎn)速度一般部在十幾到二十幾轉(zhuǎn)，而驅(qū)動鉗頭腦轉(zhuǎn)的泊馬達(dá)轉(zhuǎn)速則是受流入油馬達(dá)的泊液流量大小所決定，它與油泵流量有關(guān)。但油系的流量是報(bào)報(bào)整個(gè)池壓系統(tǒng)的最大流量或系統(tǒng)的平均流量(有蓄能器時(shí))來選定的，因此，這就往往需要在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)中設(shè)置流量控制閥，以減少通入油馬達(dá)的油液流量，使汕馬達(dá)轉(zhuǎn)速適應(yīng)鍛造操作機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的要求。但懸流量控制閥的設(shè)置，會相應(yīng)地帶來壓力汕經(jīng)常不斷地從溢流閥中流回油箱，致使汕溫升高的結(jié)果。當(dāng)油溫高于500°時(shí)，液壓系統(tǒng)中的密封件將不能保證其密封性，造成油液泄漏而使某些液壓元件不能正常工作。盡管如此從長遠(yuǎn)的觀點(diǎn)來看，隨著我國液壓技術(shù)的飛速發(fā)展，液壓傳動的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)有著極為廣闊的發(fā)展前途，它必將會越來越多地應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)之中，以取代機(jī)械傳動的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。
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