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J58K型电动螺旋压力机
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　　作为模锻设备，螺旋压力机同模锻锤和热模锻压力机等相比较，具有性价比高，结构简单，使用维护方便，工艺应用范围广等优点；而电动螺旋压力机与摩擦、液压、高能等其它形式的螺旋压力机相比，具有运行时噪声更小，传动链更短，打击效率更高，并能准确控制其打击能量等突出特点，因而在汽车、摩托车、高速铁路机车、工程机械、船舶、工具和航空航天等制造领域得到了广泛应用，是生产精密模锻件的一种新型的、通用的模锻设备，是螺旋压力机更新换代的产品。
　　华中科技大学（原华中理工大学）在国内最早于20世纪80年代初即开始了电动螺旋压力机的研究开发工作，并于1982年最先研制出国内第一代电动螺旋压力机，但因为当时技术水平的限制，没有达到人们的预期，一是电机频繁启停，电机发热严重，无法长期稳定运行；二是启动电流过大（达额定电流的3～5倍）,电网冲击过大，无法获得市场推广。直到近年来，电力电子、电机控制和计算机等技术得到了飞速发展，才真正为解决电动螺旋压力机的问题带来了契机。2003年，华中科技大学根据国内外最新的研究进展推出了国内首台第二代数控电动螺旋压力机样机，其公称压力为3150kN,长期许用载荷5000kN,在此基础上通过大量的试验获得了宝贵的研究成果和丰富的工程经验；随后，华中科技大学武汉新威奇科技有限公司迅速将科技成果转化为生产力，推出了J58K系列数控电动螺旋压力机产品，很快得到了市场的青睐和用户的认可，获得了市场推广并具有可观的产业前景。图1为J58K系列数控电动螺旋压力机产品外形图。
　　图1& J58K型数控电动螺旋压力机外形图
　　华中科技大学武汉新威奇科技有限公司研发生产的J58K系列数控电动螺旋压力机技术领先、方案成熟、操作方便、维护量小且自动化程度高，是国内电动螺旋压力机技术研究开发的领跑者，下面就其几个主要特点予以详细介绍。
　　一、采用进口ABB ACS800系列变频器控制交流异步电机的驱动方案，技术先进且成熟，配置高端且可靠。
　　驱动方案是电动螺旋压力机的核心关键技术，至关重要。国外主要电动螺旋压力机生产企业--德国万家顿（Weingarten）公司和拉斯科（Lasco）公司生产的电动螺旋压力机均为变频驱动系统，即采用变频技术驱动的交流异步电机驱动方案；日本榎本机工（Enomoto）公司生产的电动螺旋压力机采用永磁交流伺服电机驱动方案。
　　华中科技大学武汉新威奇科技有限公司结合国内外的研究现状，将基于矢量控制技术的永磁交流伺服电机驱动系统和基于直接转矩控制技术的交流异步电机驱动系统均成功应用于电动螺旋压力机，两种驱动方案均能实现设备的设计参数目标且能长期稳定运行，对电网无冲击；接着，又通过大量的对比实验证明了基于直接转矩控制的交流异步电机驱动系统在转矩响应和输出能力，以及电机温升等关键方面均优于永磁交流伺服驱动系统，性价比更高；且直接转矩控制无需轴端编码器反馈，在锻压工艺强震动的恶劣环境中环节越少，故障率越低。
　　直接转矩控制作为最先进的交流调速技术，ABB公司已将其完全商品化并形成成熟产品进行了推广应用，即ABB ACS800系列变频器产品。J58K系列数控电动螺旋压力机采用进口的ABB ACS800系列变频器控制交流异步电机驱动方案，技术先进且成熟，驱动系统的性能、可靠性以及长期运行的稳定性等等均有保障。图2是J58K系列数控电动螺旋压力机打击过程中通过每10ms采样滑块位移和速度而绘出的典型的滑块打击流程-时间曲线：
　　图2& J58K型数控电动螺旋压力机的滑块打击流程曲线
　　图中，OA段为滑块打击下行阶段，AB段为滑块打击锻件，飞轮等运动部分释放能量阶段（实验中工作台上垫橡皮代替锻件吸收能量）,BC段为滑块回程加速阶段，CD段为滑块回程减速阶段，至设定打击行程位置，滑块速度减至接近零速，刹车动作，将滑块固定。
　　国内其他电动螺旋压力机生产商采用的主要是开关磁阻电机驱动方案，变频器为国产的开关磁阻电机驱动单元。开关磁阻电机早期最广泛的应用于电动车行业，其特点是结构简单、启动电流小；但其突出问题是转矩脉动大，震动和噪声大，且需要电机轴端编码器反馈，在锻压设备强震动的恶劣环境下增加了故障点。另外，任何型号和功率的开关磁阻电机均为特制电机，而交流异步电机却是应用最广泛的驱动动力，结构简单、制造容易、运行可靠、维护方便，价格低、重量轻、效率高。在锻造行业恶劣的工业环境下，如果电动螺旋压力机能采用交流异步电机驱动，那这种驱动系统毫无疑问将被公认为是低维护、高可靠的高效驱动方式。
　　二、采用双电机驱动的齿轮传动方式，效率高且磨损小。
　　电动螺旋压力机目前主要是两种传动形式，一是电机的转子与螺杆连为一体的电机直接传动形式，如德国万家顿公司45000 kN以下产品、日本榎本机工公司150DS型产品和华中科技大学80年代初研制成功的JD58-100型电动螺旋压力机。这一方案的特点是传动环节少，但须设计低速、大扭矩专用电机，螺杆导套磨损后会影响电机的气隙，电机出现故障维修困难。
　　二是电机经齿轮或皮带带动飞轮螺杆的电机机械传动形式。万家顿公司PZS系列45000 kN~320000 kN产品、拉斯科公司产品和榎本机工公司500ZES型产品采用这一方案，其中榎本机工采用皮带传动方式，而万家顿和拉斯科采用更加高效的齿轮传动方式。这一方案的特点是专用电机转速较高，转矩较小，可以设计少数几种的专用电机系列供不同吨位压力机使用，电机出现故障时，更换方便，维护简单；同时，螺杆导套磨损后不会影响电机性能。
　　华中科技大学武汉新威奇科技有限公司在深入研究各种传动形式的具体特点后，最终决定J58K系列数控电动螺旋压力机采用双电机驱动的齿轮传动方式，其结构原理图如图3所示。
图3& J58K型数控电动螺旋压力机结构原理图
　　相同规格的两台电动机相隔180度对称的固定在机身顶部，使飞轮受力均衡，以避免螺杆导套（铜套）产生偏磨。小齿轮由高分子材料制造，强度高且重量轻，惯量不到同样尺寸钢齿轮的1/5,这样可以保证电机轴在频繁的正反转冲击中受损最小，寿命最长；另外，小齿轮与驱动电机轴采用摩擦联接，通过摩擦打滑安全保险装置可保证打击力超载时小齿轮可以打滑，进一步有效的保护电机。
　　电机经小齿轮带动飞轮和螺杆加速旋转，通过螺旋副将螺杆的旋转运动转化为滑块的上下往复运动。接收到打击命令后，电机由静止状态启动，通过齿轮传动带动滑块加速下行，检测达到预先设置的打击能量时，利用飞轮储存的动能做功，使制件成形。飞轮释放能量后，电机立即反转，带动滑块返回至一定高度后，进入制动状态，使得滑块回到预先设定的打击行程位置。由于滑块回程时主要靠电机制动，机械制动器仅在滑块接近上止点时才工作，因而制动材料不易磨损。从用户现场得到的数据表明，在打击300万次后，J58K系列数控电动螺旋压力机左、右两边刹车板磨损量均不超过2mm,对比于摩擦压力机而言，维护量极小。
　　三、采用长滑块、长导轨导向形式，精度高，抗过载和偏载能力强。
　　J58K系列数控电动螺旋压力机吸收行业的长期积累经验，采用长滑块、长导轨的导向形式，导向精度高，抗过载和偏载能力强。通过调研，下表1在打击力、抗偏载能力、模具寿命和价格等主要方面简单的总结了摩擦螺旋压力机、高能螺旋压力机和J58K系列数控电动螺旋压力机的特点。
　　表1& 摩擦、高能和电动螺旋压力机比较一览
抗偏载能力
有易损件，无力能显示
0.5~0.6m/s
有易损件，有力能显示
无易损件，可控制力能
　　其中，要特别说明的是，上表的数据虽然表明高能的高宽比H/B最大，但其为上圆柱导向，下短滑块导向，二者很难调整至同时起作用，故其H/B=1.58为假象，实际不如J58K电动的H/B=1.38.
　　国内有些电动螺旋压力机生产商直接在高能螺旋压力机主机的基础上，将离合器装置和液压驱动部分用电机驱动代替，所以该产品也不可避免的继承了高能的某些特点，如打击超载能力仅为1.25倍，上圆柱导向加下短滑块导向难以调整至同时起作用等，其圆柱导向部分实际主要起密封润滑油的作用。
　　四、铜柱镦粗试验结果表明J58K系列数控电动螺旋压力机高效、节能。
　　螺旋压力机属于定能量的锻造设备，主要依靠其运动部分的能量做功，有效能量是螺旋压力机最重要的一个技术参数，反映了设备的打击效率和节能水平。我国现行摩擦压力机技术标准中有关力能方面的规定要求锻造型压力机在公称力时的有效能量不能低于运动部分能量的60%,电动螺旋压力机的国家标准已由华中科技大学武汉新威奇科技有限公司实际起草并发布，电动螺旋压力机有关力能方面的要求与摩擦压力机相同。因此有效能量的检测是检验电动螺旋压力机的关键项目，它反映了电动螺旋压力机的设计和制造水平，直接影响其使用性能。
　　J58K系列数控电动螺旋压力机每一种型号产品定型时均要求进行铜柱镦粗实验，试验结果表明：J58K系列数控电动螺旋压力机的摩擦损耗能不超过标称能量的5%,公称压力下机器的弹性变形能不超过10%,因此其在公称压力下的打击能量不会低于运动部分总能量的85%,远超过国家标准中要求螺旋压力机在公称压力下有效能量不低于运动部分总能量60%的要求，具有很高的打击效率，这正反应了J58K系列数控电动螺旋压力机的高效和节能。
　　附录1 为J58K-630型数控电动螺旋压力机的铜柱镦粗试验报告。
　　五、J58K系列电动螺旋压力机数控系统自动化程度高、操作简单且功能完备。
　　J58K系列数控电动螺旋压力机控制系统总体方案设计如图4所示，可简单分为几个部分。
图4& J58K型数控电动螺旋压力机控制系统总体方案
　　控制核心是系统的大脑，它由基于可编程控制器（简称PLC）的硬件和软件组成，根据输入输出信号和参数来监测设备的运行状态、控制执行机构的动作，实现打击能量精确控制和滑块准确回程等，保证设备正确、稳定和可靠运行。
　　人机交互包括基于触摸屏的用于设置和显示参数的人机界面和由按钮和指示灯组成的操作面板，J58K系列数控电动螺旋压力机人机界面友好，操作简单、方便，操作员只要根据产品工艺设置好打击行程和打击能量，其它包括能量控制和流程控制的一切都由数控系统完成。
　　驱动系统是控制系统的关键，由它来实现电机转矩的快速响应和稳定输出，保证电机温升稳定，实现电动螺旋压力机的全能量设计要求并具有长期稳定运行能力。
　　润滑系统负责润滑电动螺旋压力机的关键部件，如轴承、铜套、锺块、螺旋副和导轨副等，是优化设备运行性能和提高设备寿命的重要保障。
　　顶料系统也是电动螺旋压力机的必要组成部分，按动力可分为气动和液压顶料，按功能又包括上顶料和下顶料等，具体方案由用户根据产品需要决定。
　　故障诊断系统采集来自驱动系统、润滑系统、刹车和扩展外设等各个部分的传感器检测信号，提示系统报警信息并具有一定的故障诊断能力。
　　扩展外设部分包括电动螺旋压力机周边的常见外设，如自动上、下料机构、自动喷石墨机构等，使得电动螺旋压力机可以很方便的扩展成自动化生产线，降低工人的劳动强度，减少人的干预，提高产品的一致性。
　　J58K系列数控电动螺旋压力机采用编码器装置实时的检测滑块位移和速度，可直接计算设备的运动部分能量，从而与驱动系统形成闭环控制系统，实现打击能量的准确控制和滑块的准确回程。另外螺旋压力机传统的、常用的能量检测与控制方法还有限位开关控制法、时间继电器控制法等，这些都只能定性的、粗略的控制压力机的打击能量而已。国内其他电动螺旋压力机生产商采用的是开环控制系统控制运动部分能量，回程与刹车等关键节点信号通过调整限位开关控制的方式，人的干预性更多，自动化程度和控制精度较低。
　　截止目前，某公司购买的多台本公司J58K-400型及以下的小型数控电动螺旋压力机均已生产锻件超过1000万件，大多数时候每天开三班，平均日产量超过1万件，使用过程中除了正常的、少量的备件更换，系统运行稳定、可靠，设备节能、操作简单且维护量少。
　　J58K系列数控电动螺旋压力机的主显信息、基本参数设置及系统报警信息界面分别如下图5、图6和图7所示。
图5& J58K型数控电动螺旋压力机主显信息界面
图6& J58K型数控电动螺旋压力机基本参数设置界面
图7& J58K型数控电动螺旋压力机系统状态及报警信息界面
　　附录1、J58K-630型数控电动螺旋压力机有效能量检测实验报告
　　J58K-630型电动螺旋压力机公称压力为6300 kN,长期允许使用载荷为10000 kN,标称能量为80 kJ,最大打击行程450 mm.因此，按照电动螺旋压力机铜柱镦粗检测标准选择1个直径60 mm、高90 mm的铜柱放置在工作台中央，先将滑块点动至滑块与铜柱接触面对零，再将滑块点动至最高点（因铜柱高度原因，滑块最大打击行程只能设为430 mm）,设置为全能量进行打击。打击完成后，测得铜柱镦粗后高度为36.7 mm,数控系统显示测得的滑块最大打击速度约为702 mm/s,对应的运动部分实际能量为80.4 kJ.实验现场照片如附图1-1所示。
　　a、铜柱镦粗前　　　　　　　　　　　　　　　b、铜柱镦粗后
　　附图1-1& J58K-630型电动螺旋压力机铜柱镦粗试验现场
　　通过计算，得到J58K-630型数控电动螺旋压力机的有效能量和打击效率如下：
　　铜柱的变形功即设备的有效能量为：
　　设备的打击效率为：
　　因为铜柱很软，要注意这个试验结果是在打击力较小（约1000kN）的前提下获得的，即力能曲线中机身弹性能很小、锻件变形能较高的部分，而不是在设备公称压力或长期许用载荷下的打击效率。但根据机身设计刚度，可以计算出公称压力（6300kN）下的机身变形能如下：
　　所以，公称压力下机身变形能占运动部分能量的比例为：
　　从结果可以看出，J58K系列数控电动螺旋压力机的摩擦损耗能不超过标称能量的5%,公称压力下机器的弹性变形能不超过10%,因此其在公称压力下的打击能量不会低于运动部分总能量的85%,远超过国家标准中要求螺旋压力机在公称压力下有效能量不低于运动部分总能量60%的要求，具有很高的打击效率，这正反应了J58K系列数控电动螺旋压力机的高效和节能。
　　通过数控系统采样并记录下打击过程中每定时中断周期（10ms）的滑块位移值，生成整个打击流程的滑块位移-时间和滑块速度-时间曲线如附图1-2所示。
　　图中，OA段为滑块打击下行加速阶段。AC段为铜柱镦粗阶段，时间约120 ms,其中AB段属于滑块锤击阶段，时间约60 ms,这是由于螺旋副之间的间隙而造成的，即滑块接触到铜柱后迅速减速再因为间隙消除后又迅速加速至与主螺杆同步的一个过程；BC段则为锻打阶段，飞轮将加速过程中所积蓄的运动能量全部释放镦粗铜柱的过程。CD段为滑块反弹阶段，时间约100ms,压力机运动部分能量释放完毕后，铜柱已镦粗至最低点，此时机身弹性变形能使得滑块反弹，滑块中的主螺母再推动主螺杆反弹，直到主螺杆上的锺块顶到机身上横梁内的止推轴承座后整个反弹过程结束；打击力越大时，机身弹性变形能越大，反弹越快，时间越短。DE段为滑块回程加速阶段，EF段为滑块回程匀速阶段，FG段为滑块回程减速阶段，至设定打击行程位置，滑块速度减至设定的最小值，刹车动作，将滑块固定。整个铜柱镦粗实验打击流程耗时约4.61s.
附图1-2& J58K-630型铜柱镦粗过程滑块位移-时间和速度-时间曲线
附录2、与开关磁阻电动螺旋压力机对比一览表
武汉新威奇科技有限公司
J58K系列数控电动螺旋压力机
开关磁阻驱动电动螺旋压力机
进口ABB ACS800系列变频器 （直接转矩控制技术）+ 交流异步电机
（基座强度、散热以及轴系特别设计）， 且无需电机轴端编码器反馈
国产科汇（或中纺锐力）开关磁阻变频器
+ 开关磁阻电机，
需电机轴端编码器反馈
双电机驱动（抗偏磨），齿轮传动 （高分子材料齿轮，重量轻，惯量小），
带摩擦打滑安全保护装置
小吨位采用皮带传动，
稍大吨位采用齿轮传动（钢齿轮）
长期许用载荷1.6倍公称压力，最大容许能力为2倍公称压力
1.25倍公称压力（同高能）
长滑块、长导轨，精度高，调整方便
上圆柱导向、下短滑块导向，难同时作用
&85%标称能量（公称压力打击下）
操作员根据产品工艺设置为标称能量的1-100%即可，由控制系统自动计算电机目标转速和滑块目标速度等
要求设置电机打击转速和回程转速
控制系统实时检测滑块位移和速度，计算运动部分能量，从而通过与驱动单元的闭环控制实现准确控制打击能量
采用变频器开环控制，
不检测实际运动部分能量
控制系统通过实时检测滑块位移和速度实现滑块打击下行和准确回程
通过调整限位开关实现反向和回程刹车
友好，关键参数全部可控，调试方便，且具有较详尽的故障诊断能力
界面简单，对比如下图所示
a、J58K型数控电动螺旋压力机人机界面b、某开关磁阻电动螺旋压力机人机界面【图文】塑性成形设备-70-其它成形设备_百度文库
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塑性成形设备-70-其它成形设备
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第七章螺旋压力机
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