交流伺服直接驱动技术

1、交流伺服直接驱动技术,西安交通大学 机械工程学院 赵升吨 教授,提 纲：,机械驱动与传动与研究前沿 电磁伺服直接驱动技术的内涵及外延 典型的交流伺服直驱技术 伺服直驱新技术未来的关键科技问题的思考,一、机械驱动与传动的特点与研究前沿,11个优先资助方向及其关系,机械传动与驱动对机械学科的影响,机构学与机械动力学,机械传动与驱动,复杂机电系统集成科学,机械的表面/界面科学,高精度、数字化制造,高性能洁净成形制造,机械的制造与运行参数及其精度测量,机械结构与系统的安全服役理论,生机电系统与仿生机械,高能束与特种能场制造,微纳机械学与微纳制造,机电装备,驱动与传动是机械学科的基础领域之一； 是科学原

2、理到工程实现的桥梁，也是装备的基础； 直接关系到运载、机器人、机床等机电系统的性能、可靠性与安全性； 对机械学科的发展起着支撑作用。,“机械系统创新”的四个支撑领域之一,机械的传动与驱动装置主要承担着能量传输与分配，运动/力的变换与控制功能，是实现能量传输和运动/力控制目标的主要手段。是推动机电装备向高效、节能、高可靠、高精度、智能化方向发展过程中不可或缺的关键单元部件和系统。,机械驱动与传动的方式,2011年中国机械工程学会年会在武汉召开。 中国工程院院长、中国机械工程学会理事长周济院士在主题报告中指出，我国机械产品“数控进级”进入最佳机遇期。 “我们有一个共同奋斗目标：经由58年，中国的机

3、械产品全面进级为数控一代。”,数控一代,装备智商是指装备智能化，而数控一代包含装备智能化。 目前，对于智能装备的范畴，业界普遍认为，其为先进而智能的高端装备，是先进制造技术、信息技术和智能技术的集成和融合，通常是具有感知、分析、推理、决策和控制功能的装备的统称，体现了制造业的智能化、数字化和网络化的发展要求。,工信部装备工业司司长张相木曾作出解释： “智能装备面向传统产业改造提升和战略性新兴产业发展需求，重点包括智能仪器仪表与控制系统、关键零部件及通用部件、智能专用装备等。 它能实现各种制造过程自动化、智能化、精益化、绿色化，带动装备制造业整体技术水平的提升。”,装备智能化,产品信息化是信息化

4、的基础，含两层意思： 一是产品所含各类信息比重日益增大、物质比重日益降低，产品日益由物质产品的特征向信息产品的特征迈进； 二是越来越多的产品中嵌入了智能化元器件，使产品具有越来越强的信息处理功能。,装备智能化包括产品信息化，产品信息化是指 越来越多的制造信息被录制、被物化在产品中； 产品中的信息含量逐渐增高，一直到其在产品中占据主导地位。,装备智能化,机械驱动与传动领域未来510年的研究前沿,（1）高效高可靠功率传递与能量调控 现代复杂传动系统通常是包括机、电、液、磁等多物理过程的能量转换单元或装置。正由单物理过程、单能量流形式向多物理过程、多能量流方向发展，形成了新型换能原理、高功效低耗散多

5、能量流汇集及分配原理等研究前沿。驱动与传动部件的可靠性设计、制造与实验方法仍然是研究薄弱的领域，尽管许多常规环境下驱动与传动设计体系已成熟，但特定环境下的设计方法仍需完善，研究驱动与传动在特殊环境与极端工况下服役行为和性能特性及寿命规律，把机、电、液、磁物理过程的能量流从汇集、分配、调制和变换层面进行协同组织，从而构筑的新型传动方式。建议重点开展如下研究： 混合动力传动的复合模式与参数匹配 直接驱动的高效部件的新原理新结构 特殊环境下传动装置的动态服役行为规律及其适应性设计 特殊环境下的寿命与可靠性评估及其试验方法 （2）精密复合运动与力控制的新原理新方法 （3）智能结构与新型功能材料作动器的

6、驱动机理,机械的驱动与传动科学发展路线图,二、电磁伺服直接驱动技术的内涵及外延,机电装备往往主要由本体与控制部分组成。 而本体部分主要由动力装置、传动部件、工作机构三大部分组成： 动力装置（电动机，内燃机等） 传动部件（是一个中间环节，它把原动机的输出的能量和运动经过转换后提供给工作机构。例如：机械、电力、液体、气压等传动方式）,二、电磁伺服直接驱动技术的内涵及外延,工作机构（执行机器规定功能的装置。例如：直线运动缸、摆动缸、旋转轮、曲柄连杆滑块机构等）。 控制部分：依据对工作机构的动作要求，对传动系统进行检测、显示、调节的装置。 例如：开关、阀门、继电器、计算机、按钮等。,二、电磁伺服直接驱

7、动技术的内涵及外延,在传统机械装备中，电机到工作部件要经过一整套复杂的转换机构, 包括齿轮、蜗轮副、皮带、丝杠副、联轴器、离合器等中间机械传动环节。 这些机械传动环节会带来一系列的问题，如造成较大的转动惯量、弹性变形、反向间隙、运动滞后、摩擦、振动、噪声及磨损。 这些问题使得机械装备的加工精度、运行可靠性降低；增加维护、维修的时间和成本；造成机械装备的使用效率下降，使用费用增加。 所以一直以来，对机械传动环节的传动性能在进行不断的改进，并且获得了很大的效果，但并没有从根本上解决问题。,“直接驱动与零传动”的设计理念的内涵： 就是取消从动力装置到工作机构之间一切中间机械传动环节, 由电动机直接驱

8、动工作部件（被控对象）动作, 实现所谓“零传动”。,直线电机驱动的冲床,“直接驱动”的方式，其本质就是取消从电机到工作部件之间一切中间机械传动环节, 由电机直接驱动工作部件动作, 实现所谓“零传动”。,二、电磁伺服直接驱动技术的内涵及外延,直接驱动方式,电机/泵一体化,二、电磁伺服直接驱动技术的内涵及外延,电机械转换器作为机械装备的核心部件，是连接电气信号与机械动作之间的桥梁，是机电装备的动力源头。 要提高现代机电设备的性能指标，很大程度上就是要提高电-机械转换器的驱动能力。 因此，高性能的电-机械转换器的研究开发一直是一个重要的研究焦点。,二、电磁伺服直接驱动技术的内涵及外延,对电-机械转换

9、器的要求： 高频响 带负载能力强 输出线性好 耐高压 耐高温 可靠性高 低速拖动能力强,二、电磁伺服直接驱动技术的内涵及外延,直接驱动旋转电机DDR主要分为五类： 直流力矩电动机、 永磁同步电动机、 变磁阻电动机、 开关磁阻电机（SMR）、 横向磁场电机（TFM）。 直流力矩电动机、永磁同步电动机、变磁阻电动机在原理上都与普通控制电机类似，分别对应直流伺服电机、永磁同步电机、步进电机。因此随着钕铁硼(Nd、Fe、B)永磁材料的出现和发展，永磁同步电机已成为主流。 区别在于为了得到高转矩和低转速，通常设计为长径比较小的圆盘状结构，但同时由于低转速，会带来转矩波动、速度波动、发热量大等问题。,三相

10、异步电机转矩特性,左图所示为三相异步电机转速与转矩关系曲线其中： Tn为额定转矩 Tmax为最大转矩 Tq为启动转矩,伺服电机转矩特性,左图所示为安川SGMVH-2BAEB(22kW,1500rpm,140Nm)伺服电机扭矩转速特性图 图中A为连续使用区域，B为过载运行区域。 当伺服电机小于额定转速运转时，其输出为恒扭矩。当电机大于额定转速运转时，其输出为恒功率特性，即输出转矩反比于转速。,电磁伺服直驱技术 1）开关磁通永磁电机（Flux Switching Permanent Magnet Motor, FSPMM）是一种永磁体安装在定子上的电机，转子上只存在导磁铁心，结构上具有很好的鲁棒性

11、。FSPMM的永磁体和电枢绕组均放置在定子上，其磁场相互作用产生足够大的永磁力矩，具有较高的扭矩和功率密度。,FSPMM结构示意图,二、电磁伺服直接驱动技术的内涵及外延,电磁伺服直驱技术 2）伺服直驱取代“旋转电机+滚珠 丝杠”方式，利用圆筒型永磁直线电机 (Tubular Permanent Magnet Linear Motor，TPMLM)直接驱动主轴进给。,TPMLM结构示意图,TPMLM定子结构,TPMLM动子结构,直线电机主轴直接进给结构,二、电磁伺服直接驱动技术的内涵及外延,“直接驱动与零传动”的理念的外延,指通过新型的电动机伺服直驱机电装备中的执行元件（如流体泵、流体阀、滑块、

12、主轴、旋轮、工具、轧辊、车轮等）， 并通过对新型伺服电动机的运转状态的自动调节控制，代替传统的机械传动中的变速、变量、变向方式，实现机电装备的高效、节能、精密、柔性、可靠的运行！,MG900(750)/2210(1910)-WD型交流电牵引采煤机 MG900(750)/2210(1910)-WD AC ELECTRIC-HAULAGE SHEARER,多电飞机的典范波音787,采用多电飞机系统设计可替代循环高温引气的气动系统和循环可燃液体的液压系统，提高飞机的最大起飞重量、减少到达巡航高度的时间以及减少油耗1%2%。 先进的电动系统还将提高航空公司的趋势监控和系统安全管理能力。多电飞机的其他特

13、性还包括，环控系统中具有电动发动机启动、压缩和冷却功能，采用电热或电脉冲进行机翼和吊舱防冰保护。,波音787，又称为“梦想客机”（英语：Dreamliner），中型双发(动机)宽体中远程运输机，是波音公司1990年启动波音777计划后14年来推出的首款全新机型，由波音民用飞机集团（BCA）负责开发，在2004年4月正式启动。经多次延期后，于美国时间2009年12月15日成功试飞。 波音787飞机在研发过程中应用了多电飞机系统，从而在各个方面提高了飞机性能，使其成为大飞机领域的标志性产品！,全电飞机,所谓全电飞机(AllElectric Aircraft，AEA)是一种用电力供电系统取代原来的液

14、压、气压和主要机械系统的飞机，即所有的次级功率均用电的形式分配。简单地说，全电飞机就是除发动机外的所有设备(应急设备除外)都由电能驱动工作的飞机。其主要优点 (1)飞机和发动机的设备简化； (2)飞机和发动机的性能提高； (3)可靠性和生命力提高，使用维护简化； (4)减少了地面支援设备，提高了飞机自足能方。,电影绝密飞行中出现的科幻战机也许不久就会出现。并成为真正的全电飞机代表,多电飞机,多电飞机(MoreElectric Aircraft，MEA)是一种试图用供电系统取代液压、气压和机械系统的飞机。在多电飞机上将用电力作动器来取代液压作动器，用电动泵来取代齿轮箱驱动的滑油泵和燃油泵，用电动

15、压气机来取代气压动力驱动的空调压气机等。与以往传统飞机相比，多电飞机的优点可归纳为： (1)结构简单，重量轻； (2)可靠性高、维修性好、生存能力强； (3)省燃油，使用费用较低，性能价格比高； (4)电传操纵和电力操纵容易协调； (5)地面支援设备少，机上接口简单。 目前多电飞机的研究主要集中在发电、配电和电力作动三方面。多电飞机的关键技术是大容量的电源系统和广泛采用的电力作动技术。,伺服直驱及近“零” 传动的特点,（1） 定位精度高 直接驱动实现了电机与负载间的刚性耦合，因此消除了原来中间传动机构产生的传动误差。 例如齿轮误差，丝杠螺母误差等，提高了传动精度，也从根本上消除了非线性摩擦力和

16、弹性形变的影响，不存在爬行现象，提高了定位精度和可重复性能。 更容易做到精确控制。,（2）高速或低速大转矩和高加（减）速度 如数控机床要求具有超高速运转的大功率精密主轴，而且要有一个反应速度快、高速轻便的进给驱动系统。因为数控机床直线进给行程较短，只有具有很高的加速度，才能瞬时达到设定的高速状态，也必须有很高的减速度才能在高速状态下瞬时准确停止，以保证加工要求的定位精度。 其他如一般冲压设备，需要的速度不高，但是必须有很大的转矩，这样就需要驱动系统有低速大转矩性能。 电动自行车，舰船也属于此应用领域，此种驱动方式同样需要高加（减）速度。,（3）动态响应速度快 直接驱动的响应能力可高于机械变速驱

17、动100倍以上，因为一般系统的电磁时间常数远小于机械时间常数。 这意味着直接驱动可具有更大的加（减）速度和更短的定位时间，以及更高的控制精度。 采用传统驱动方式，由于受制造精度的限制，中间传动环节不可避免地会存在间隙死区，非线性摩擦力等，特别是细长的滚珠丝杠会产生弹性形变，这些都使系统的阶次变高，增加了非线性因素，限制了系统的带宽，会降了系统的动态性能，严重时可能产生机械谐振。,（4）机械刚度和可靠性高 取消了中间传动环节，不存在滞后问题，传动刚度可大大提高，保证了系统的传动精度和定位精度；减小了机械磨损，提高了系统可靠性。 （5）噪声低、保养费用低 运动部件减少，降低了噪声；磨损部件只剩下旋

18、转或直线轴承，保养费用大大降低，如果考虑到电气部分增加保养的费用，也低于原来传动系统。,交流伺服直驱及传动技术国家需求方面：,我国是制造大国，但远不是强国。因此我国将高档数控机床及基础制造装备做为“十六”个重大专项之一投巨资予以发展。 而高档数控机床及基础制造装备2009年度第一批课题申报指南中启动的十三个中就专门安排了“项目九 电机及驱动装置：的三个课题。课题19 全数字驱动装置及交流伺服电机、主轴电机，课题20 大扭矩力矩电机及驱动装置，课题21 大推力直线电机及驱动装置” 同时启动的项目一七的专用设备几乎均与电磁直驱及传动密切相关。,交流伺服直驱及传动技术国家需求方面,投资600亿元的国

19、家十六个重大专项之一大型油气田及煤气层开发确定了6大技术系列，20项重大技术。10项具有自主知识产权的重大装备和22项示范工程。 其中10项具有自主知识产权的重大装备之一“模块化动态地层测试器”采用了直驱式液压传动方式。 同时电磁直驱和传动技术广泛用于轨道车辆、汽车、国防车辆运载系统、船舶、航天、航空、电梯、石油、液压元件之中。,直接驱动的三个层面：,直驱被控对象 直驱执行元件，精简传动部件 短流程工艺与直驱设备一体化,三、典型的交流伺服直驱技术,传统机械压力机与 交流伺服压力机的比较,图1-1 传统压力机示意图,图1-2 H2F交流伺服压力机,目前几种比较成熟的交流伺服压力机,图 交流伺服机

20、械压力机传动原理,(a) HCP3000型压力机示意图 (b) H2F、H4F系列压力机示意图 (c) H1F系列压力机示意图,混合型AC伺服压力机,混合型的AC伺服压力机H1F/H2F是 IT时代的机械电动成形机.,采用连杆机构 高刚性机架 简洁的构造,自由式随心所欲地操控 左右独立操控 CNC控制,数控电驱动系统,广锻机床厂的伺服压力机,交流伺服压力机的特点,高的生产率：行程可调，行程次数相应可以提高；在保证行程次数不变的情况下，可以提高非工作阶段行程速度，降低冲压阶段的锻冲速度，、提高工件的加工质量。 超柔性：具有自由运动功能，滑块运动速度和行程大小可以根据成形工艺要求而设定。 高的精度

21、：采用滑块位移传感器实现全闭环控制，提高下死点的精度，补偿机身的变形和其他影响加工精度的间隙。 降噪节能：去除传统压力机的离合器/制动器，滑块的运行完全由伺服电机控制，在启动和制动过程中不会产生排气噪声和摩擦制动噪声，降噪环保；同时减少了摩擦材料的使用，节能省材。,东风汽车股份有限公司汽车分公司，于2007年从网野（武汉）高科技有限公司引进由一台10000KN、四台6000KN机械连杆式伺服压力机组成一条覆盖件生产线，如图所示。该生产线于2007年11月投产，至今已经运行了十七个月。主要承担了东风小霸王系列、东风之星系列、东风梦卡系列及DF1045中宽、B07、F91A等车型白车身中小型冲压件

22、的生产任务。主要工艺包括下料、拉延、修边、冲孔、斜切、校正、弯边等.生产线一年的总效益958.98万元/年,伺服电动螺旋压力机,电动螺旋压力机驱动方式： 1）驱动电机：调频、同步、开关磁阻 2）传动方式：直驱、齿轮、皮带,德国万家顿,变频电机驱动， 最大吨位： 325,000 KN,日本ENOMOTO，伺服电机驱动，最大吨位15,000KN,青岛益友，开关磁阻电机驱动，J58-400,武汉新威奇J58K，变频电机驱动，最大吨位63,000 KN,Sectional view:,SPE200,SPE200,Screw Press with Direct Direct Drive SPE,Desi

23、gn of the electric drive,Direct drive by synchronous motor simple rotor structure with permanent magnets since no heat build-up in the rotor, there is no need for energy-unefficient Ventilators efficient heat discharge in the non-rotating stator by integrated water cooling,SPE200,Experience and High

24、lights of SMS Meer:,The worlds biggest screw presses - 35.500 t - were ordered by,Bhler Austria January 2005 Wuxi Turbine Blade August 2008,Screw Presses SPKA Series,SPKA 22400 for turbine parts and aircraft structure parts,Nominal force : 224 MN Continuous running force : 280 MN Hard on hard blow f

25、orce : 355 MN Screw diameter: 1320 mm Weight of the press: 2800 t,动力推进式三模具增量式 花键轴滚轧工艺与设备,国家需求 本项目研究对象复杂件指内外表面带有齿形、螺纹等结构的量大面广的复杂曲面的回转类零件。如外花键轴、齿轮、内外带齿筒形件、离合器壳体、行星减速器壳体等。该类复杂件在机械系统中用于实现传动、变速、差速、转向等功能，起着不可或缺的作用。,国家需求 该类复杂件通常作为关键零件广泛应用于航天、航空、汽车、拖拉机、船舶、工程机械、机床、兵器等工业领域。,国家需求 以典型复杂件花键轴为例，其与含内花键的轮毂孔组成花键联接。主

26、要优点包括：传递力矩大、结构紧凑、可靠性高、装卸方便。花键联接广泛应用于汽车工业，据统计，一辆普通汽车约含30件花键轴类零件，包括 半轴 转动花键轴 花键轴叉 变速器输出轴 传动轴等 据中国汽车工业协会数据，2012年汽车总产量达1927.18万辆，在未来10年汽车的需求量将基本维持在2100万辆左右。,2012年我国汽车花键轴类零件需求量：1927.18x3058,000万件,复杂件加工制造现状分析 目前， 对于本项目研究对象复杂件的加工制造，主要以切削加工为主，其不足之处有： 1）原材料中的金属纤维被切断，零件的机械性能降低； 2）齿形间的金属材料被切除掉，材料利用率低； 3）切削过程冗长

27、，生产效率低。 国外复杂件制造技术现状 该类复杂件先进制造技术主要以欧美工业国家为代表 德国的FELSS公司和PROFIROLL公司 瑞士的GROB公司、 法国的Escofier公司 美国的KINEFAC公司,一、课题立项背景,国外复杂件制造技术现状 1）德国FELSS公司调频法花键轴轴向挤压成形工艺 特点：在工件常规轴向主运动上叠加一个由液压方式实现频率为1020Hz的振动，可降低成形力，扩大工艺范围，提高成形精度。,国外复杂件制造技术现状 2）法国Escofier公司两轮滚轧成形工艺 特点：花键轴由一对平行安装的滚轧轮滚轧成形，其中根据滚轧轮是否径向进给分为径向进给和径向固定两种模式。,国

28、内复杂件制造技术现状 在国内，燕山大学、太原科技大学等科研单位对诸如花键轴、螺栓等复杂件的塑性成形工艺进行研究，已取得一定研究成果。包括 整体挤压、 轴向移动滚挤 两轮滚轧 冲击滚打 但由于该技术对机床精度和刚度要求较高，技术难度大，未能较好地应用到实际生产。且国外对该类设备关键技术保密，故我国在复杂件塑性成形技术一直落后于欧美工业国家。,因此，开展复杂件的高性能精确成形制造科学与技术的研究， 显得十分必要和迫切。,美国KINEFAC公司 MC-9FTF(H)NC动力推进式三模具增量式花键滚轧机技术与工艺,花键轴滚轧系统,成形系统主要包括： 滚轧模具（3副）、 毛坯 模花键集成驱动式顶尖； 毛

29、坯轴向进给由前液压驱动系统实现； 滚轧模具径向位置调节由液压驱动滚轧体实现； 滚轧模具旋转由交流异步电机经大型减速机分轴同步驱动，同步性由分度调整装置调整保证。,成形过程,上料,毛坯装夹,轴向推入、滚轧中,滚轧完毕，反向推出,毛坯由前驱动顶尖及模花键夹紧； 毛坯由前液压驱动系统轴向推入； 滚轧模具同步转动，并驱动模花键及毛坯旋转； 毛坯轴向继续推入，在滚轧模具作用下逐渐成形； 成形完毕，反向推出。,回转体钣金件的 双辊夹持旋压,具有复杂曲面法兰结构的薄壁回转体零件广泛用于风机、航空发动机、电除尘器等重要设备中，特别是风机的市场需求量越来越大。截止2010年，全国对风机的年需求总量在310-32

30、5万台之间。,风机,航空发动机,电除尘器,NODI公司生产的翻边机和喇叭口成形设备,（a）翻边机,（b）卧式喇叭口成形机,（c）超大直径立式喇叭口成形机,金属 薄板,下料,薄壁圆筒件,卷制,焊接,双辊夹持 旋压成形,带法兰的 薄壁回转体,工序简单，生产效率高、材料利用率高、原材料消耗成本低； 外观质量高、机械强度高。,一种特殊的旋压成形技术双辊夹持旋压,旋压头,旋辊,内胀式夹具,工件,双辊夹持旋压成形属于普旋的范畴，因此它具有普旋的优点： 成形力小、设备成本低、零件机械强度高，表面质量好。,双辊夹持旋压成形还具有普通旋压不具备的优点： 普通旋压一般仅采用一个旋轮进行成形，为单旋轮旋压，其板料单

31、面承受严重的非对称旋压力，易发生起皱，且板料和旋轮的点接触使得单旋轮旋压每道次产生的塑性变形量很小，旋压道次多，生产效率低；普通单旋轮旋压对于不同材质、形状及尺寸的旋压件需要不同尺寸的旋轮，并且旋轮本身的曲面形状复杂，受力状况恶劣，寿命低，制造成本高。 双辊夹持旋压新工艺方法采用制造成本低的两个形状简单的圆柱体旋辊，对板料进行对称夹持，板料在压应力作用下旋压，板厚方向承受足够大的压力，不易起皱，旋压件的尺寸精度高；板料与旋辊为线接触，载荷作用面积大，每道次的变形程度大，旋压生产效率高。 普通旋压中最终零件的形状由芯模的外形轮廓决定，双辊夹持旋压成形中法兰边的形状与芯模的外形轮廓无关，而是由旋辊

32、的运动轨迹决定的，属于无模、柔性旋压成形，可以实现包括90法兰等多种形状的法兰成形。,一种特殊旋压成形技术双辊夹持旋压,双辊夹持旋压成形过程的有限元分析,等效应力分布,等效应变分布,壁厚分布,交流伺服式旋压机,交流伺服电机直接驱动式数控旋压机,交流伺服电机直接驱动式数控旋压机,交流伺服电机直接驱动式数控旋压机,两个独立的伺服轴工作台：由Y轴进给系统和回转轴系统组成 旋轮/切轮进给机构及主轴箱整体前进后退的丝杠导轨机构均采用了精密滚珠丝杠，精密滚动直线导轨，伺服马达专用弹性联轴节等精密传动机构，保证四轴联动及各轴运动的匹配,交流伺服直驱式 摩擦焊体积塑性成形技术,交流伺服直驱式摩擦焊,交流伺服直

33、驱式板材增量式渐进成形技术,交流伺服直驱式板材增量式渐进成形技术,交流伺服直驱式镁铝板材的锁铆连接技术,专用的压铆连接模具，在外力的作用下，迫使被连接金属材料组合在连接点处产生材料流动，从而形成一个互相镶嵌的铆接连接点的过程，称为压铆连接，又称无铆钉连接。该链接点具有一定的抗伸强度和抗剪切强度，称之为压铆连接点，连接外形为圆形或者矩形。图为压铆过程示意图。,交流伺服直接驱动式 摩擦连续挤压成形技术,大连交通大学宋宝蕴教授的连续挤压装备,护套连续包覆生产线,直接驱动的液压传动的三个领域：,液压泵 液压阀 液压传动系统,巨型模锻液压机,（水压泵蓄能器传动向油压泵直接传动方向发展）,大型航空模锻件生

34、产现状,飞机和发动机中的主要承力构件多是由模锻件制成， 例如： 飞机机体的承力框、 主梁、 起落架， 发动机的涡轮盘、 涡轮轴、 叶片等。 这些航空模锻件是飞机及其发动机机体结构的“脊梁”，其所选用的结构型式、材料的性能与质量、制造成本在很大程度上直接决定了飞机使用的可靠性、耐久性、飞行寿命与成本。,大型航空模锻件生产现状,航空模锻件的材料包括：铝合金、钛合金、高温合金、超高强度钢、不锈钢等，其制成的零件重量约占飞机机体结构重量的20%一35%，占发动机结构重量的30%一45%，是飞机及其发动机机体结构的关键零部件， 据相关资料报道：飞机机体减重5Kg，用于发动机重量和燃油储备量的减少，可使飞

35、机起飞重量减轻50Kg，相当于节约5kg黄金的价值。,大型航空模锻件生产现状某飞机的主要承力框，在原设计中采用分体锻造、整体焊接的结构，在使用和试验结果表明，焊缝处疲劳寿命比母体约低30，因此飞机设计目标寿命较低，仅2000飞行小时。由于承力框包括多个焊缝，焊接工序多、焊缝质量控制难度大，一个整框零件的生产周期长达67个月，成为制约飞机生产进度的瓶颈。二重集团公司万航模锻厂在2006年进行了大型钛框的锻件设计、研制和生产，并首次在国内成功研制出整体钛合金框模锻件（如图4）。其中整框模锻件产品的加工周期由原来的67个月减少至3个月，机械加工工时节约45%。,图3 采用六段焊接而成整框 图4 整体

36、模锻成型的整框 图5 钛合金整体框模锻件,大型航空模锻件生产现状,安-22运输机机身采用750MN模锻水压机生产的投影面积达3.5m2的B95合金大型隔框整体模锻件（如图2所示）共20个，共减少了800个零件，减轻飞机机体重量1000kg，减少机械加工工时1520%。,图6 安-22运输机B95隔框,图7 上萨尔达冶金生产联合公司生产的钛合金产品,法国650MN液压机上所压制的铝合金飞机框梁模锻件,中国巨型模锻液压机,大型模锻液压机最早是德国于1934年制造的70 MN模锻水压机，用于生产航空锻件，后来又制造了1台150MN模锻液压机(该机于二次大战后拆装在美国)； 法国二次大战后研制1台20

37、0 MN 模锻液压机，安装在法国帕米尔，到70年代已拥有一台6.5万吨模锻液压机； 美国在二次大战后先后建造了多台万吨级以上模锻水压机，其中有 100 MN、180 MN、320 MN、450 MN 等，主要用于模锻生产铝合金、钛合金航空锻件； 前苏联在二次大战后也建造了多台大型模锻水压机。其中有100 MN、150 MN、300 MN、750 MN 等。,目前世界最大的模锻液压机7.5万吨（俄罗斯）,法国AD公司4万吨模锻液压机: 投资：5.6亿欧元 油压：43MPa 本体重量：5350吨 投产时间：2006年,法国650MN大型模锻压机,大型航空模锻件生产现状,迄今，世界万吨级以上模锻水压

38、机有40余台，美、俄、法各有10余台，约占总台数和总吨位的70%左右。 依靠这些大型模锻液压机生产的大型整体优质模锻件，为美、俄、法3国在航空产品方面能够生产出第四、五代军用战机和波音B747、空客A380空中“巨无霸”飞机提供了有力的支撑，使其在航空航天产品方面居于世界前列，在国际政治斗争和军事斗争中处干拥有战略武器装备的明显优势，彰显其综合国力和科技水平。 美国Wyman-Gordon公司、俄罗斯BCMIIO公司、法国AD公司是世界上拥有模锻液压机公称压力最大、品种、数量最多的3个企业。,“大飞机”和“商飞”的项目为航空模锻件市场带来了前所未有的机遇。,中国清华大学4万吨模锻液压机: 投资

39、：9亿人民币 油压：60MPa 本体重量：3200吨 投产时间：2011年,100MN400MN换热器波纹板成形液压机,1984年第一台100MN,1995年400MN,2008年200MN,公称压力：800MN 工作介质：液压油 额定油压：63MPa 最大垂直穿孔力：160MN 主工作缸数量：4个 主工作缸柱塞直径：1.8m 行程：2m 回程缸数量：4个 回程力：80MN 工作台面尺寸：48m 外形尺寸：322542m 地面以上高度：27m,800MN巨型模锻压机,整机预计投资15.7亿元800MN巨型模锻压机机身采用轴向高压柱塞泵（34MPa)+增压器（5个）每个主缸缸用12台泵和12台增

40、压器采用变量与定量的高压泵直接传动控制方案,中国的800MN模锻压机,巨型自由锻造液压机 （水压泵蓄能器传动向油压泵直接传动方向发展）,中国万吨自由锻液压机的基本情况,文革期间出现第一台万吨自由锻造液压机（沈鸿，上海） 2007-2009年中国有四台万吨及以上的自由锻造液压机投入生产： 一重：150MN 二重：160MN 上重：165MN 洛矿：185MN,四川德阳二重的极限能力,一次浇注钢水量达到900吨,400吨级锻钢件,600吨级的钢锭,80t电弧炉,150t钢包精炼炉,600t真空铸锭室,冶炼设备,锻造设备,160MN水压机,120MN水压机,AP1000锻造主管道制造技术研究,AP1

41、000设备布置图,RPV一体化封头,SG蒸发器上封头,产品照片,SG水室封头,RPV接管段,产品照片,AP1000主管道,热段A1:3模拟件,热段B1:3模拟件,产品照片,常规岛汽缸,1100MW半速转子,拼焊转子轮饼,产品照片,大直径石化容器、大直径核电容器等需要超大型的锻件。,四代核电65MW实验快堆的主容器,世界首个AP1000蒸发器锥形筒体直径5600mm,20多年前，大型锻造压机几乎全为三梁四柱结构。多样化意味着任何结构均无绝对优势； 三梁四柱式压机数量仍居首位 均采用水压的泵蓄能器传动 上重120MN水压机,辅机配备齐全 实现高效率目标的需要 普遍配备了操作机 一重150MN压机-

42、250t/630tm 上重165MN压机-250t/630tm 洛矿185MN压机-250t/780tm 普遍配备了砧库-横移装置，换砧仅需12分钟 旋转升降台。 大截面切割机取消了剁刀操作机。,250/630操作机,一重150MN压机,泵直接驱动的油压传动系统,巨型挤压机 油压传动代替水压传动 泵直接传动代替泵蓄能器传动,清华大学颜永年教授设计中国北方重工集团公司制造360MN钢管垂直挤压机(十大标志设备之一),2万吨难变形合金卧式挤压机高档数控机床与基础制造装备科技重大专项中优先支持的十大标志性设备之一。,主要技术指标包括： 公称挤压力 200 MN(20000 吨) 挤压制品长度 60

43、m 穿孔力 63 MN(6300 吨) 最大挤压速度 180 mm/s 挤压行程 4500 mm 最小挤压筒直径 360mm 最大挤压筒直径 740 mm 最大挤压产品的直径 620mm,泵直接传动的原理图 1回程缸 2工作 3充液阀 4充液罐 5分配器 6液压泵 7液体箱,泵-蓄能器传动的原理图 1回程缸 2工作缸 3充液阀 4充液罐 5分配器 6截止阀 7蓄能器 8液压泵 9液体箱图,油直接传动压机数量骤增 油直传的优点 传动效率高； 泵站投入少； 传动和控制元件易于采购、价 格便宜； 压力、速度、位置等控制技术成熟、操作方便。 缺点 泵站装机容量大，无功损失大； 维护要求和运行成本高；

44、火灾隐患时刻存在。 水泵-蓄势器、油直接传动各有所长。,交流伺服直接驱动的液压机,电液泵控差动缸系统原理图,日本菊池会社提出采用交流伺服电机驱动滚珠丝杠带动液压缸动作，可以快速、精确控制液压缸动作，具有高效、高精度等优点,日本网野公司液压式伺服压力机不使用油泵和溢流阀，用伺服电机驱动油缸 电力消耗少（1/3）、 发热少、 噪声震动少（75dB(A)）、 工作油少（1/10）,国外交流伺服直接驱动液压机,西安交大研发的公称压力为1600kN快速液压机参数如下：,公称压力： 1600kN 工作行程： 12mm 滑块行程次数： 30次/分 滑块行程： 300mm 最大装模高度： 500mm 机身喉口

45、深度： 400mm 空程向下： 700mm/s 工作行程： 12mm/s 空程向上： 700mm/s 工作台面尺寸： 9401500mm 工作台中心孔直径: 200mm,电磁伺服直驱的液压泵,柱塞液压泵,第二章 能源装置,机械工程学院,轴向式,径向式,流量Q=排量q转速n,式中： d - 柱塞直径； D - 柱塞在缸体上的分布圆直径； - 斜盘倾角； z - 柱塞数。 n 转速,第二章 能源装置,机械工程学院,BCY14-1B比例变量轴向柱塞泵,它是外控式油泵，利用改变输入比例电磁铁的电流大小来改变泵的流量，输入电流与泵的流量成比例关系，起始电流的大小一般为150-200mA,最大控制电流一般

46、为500-700mA。(启东市双源高压油泵厂),DCY14-1B电动变量轴向柱塞泵的ND-4.5电动机带有减速比为1:268的减速器，因此其输出轴每分钟转速大于4.5r/min(启东市双源高压油泵厂),上图为美国维克斯公司设计的一种液压电机柱塞泵。它包括内设轴的箱体，安装在轴上能旋转的圆柱形缸体。电机的转子具有一个旋转支承，该轴承套使圆柱形缸体包绕在箱体中。轴套上的齿与圆柱形缸体上的齿槽相啮合以便使转子和圆柱形缸体旋转接合。活塞与圆柱形缸体活动连接，并与斜盘相连接，用以调整斜盘倾角，进而达到改变泵排量的目的。液体进口和出口使液体经过箱体流向圆柱形缸体和活塞，又从圆柱形缸体流向出口。,德国于2003年公开了一项液压内啮合齿轮电机泵发明专利，它包括电动机，液压内啮合齿轮泵，如图所示。内啮合齿轮泵与电动机的转子和定子同心。从轴向剖面图看，电动机转子是“U”型结构。“U”