摘要：模鍛件熱傳導和輻射會造成鋼絲纏繞模鍛壓機機架（jià）和動梁溫度升高，使鋼絲（sī）層蠕變加劇、預應力損失，液壓介質性能下降，溫度場分析至關重要。運用ABAQUS 對400 MN 模鍛壓力機進行穩（wěn）態和瞬態（tài）溫度（dù）場有限元分（fèn）析，研究頂出缸、動梁鋼絲層、機（jī）架鋼（gāng）絲層等部位溫度場分布特征。結果表明，模具工作溫度300 ℃時，48 h 鋼絲層溫度不大於75 ℃，滿足設計（jì）要求，8.4 h 頂出缸油溫大於70 ℃，超出設計允許值。鑒於改善散熱條件無法有效降低油溫，提出缸底、端部加隔熱墊片(A)和模具、上模座間加隔熱墊（diàn）片(B)兩種結構改進（jìn）方案（àn），經模擬驗證，方案B 效果佳，48 h 頂出缸油溫低於（yú）70 ℃，滿足設計要求。有限元（yuán）分析結果（guǒ）與溫（wēn）度場測量結（jié）果基本吻合（hé）驗證了（le）模型的合理性，溫度場分析為壓力機結構設計及鍛造工藝製定提供有益參（cān）考。

      重型模（mó）鍛壓力機是航空、航天、船舶等行業生產大型模鍛件如整體承力框、渦輪盤等的基礎裝備，國家高技術研究發展計劃(863 計劃，2012AA040202)和國家科技支撐計（jì）劃（huá）(2007BAF05B02)資助項目。20140128 收到初稿，20140726 收到修（xiū）改稿它是國家製造（zào）業綜合實力的標（biāo）誌。400 MN 模鍛（duàn）壓力機機架、主缸、動梁等核心部件采用了剖（pōu）分坎合、鋼絲纏繞預緊技術，較整鑄結構有承（chéng）載（zǎi）能（néng）力（lì）強、疲勞壽命高、成本低等優點[1-3]。在坎合結構（gòu）中（zhōng），可靠的鋼絲預緊力對保持機架完整性，提高其抗疲勞性和可靠性有（yǒu）重要（yào）意義。通常，鋼絲內部的原子擴散（sàn）和位（wèi）錯攀移，會使其預應（yīng）力（lì）隨時間而降低，產生應（yīng）力鬆（sōng）弛現象，應力鬆弛對溫度格外（wài）敏（mǐn）感，重型裝備（bèi）預（yù）應力鋼絲工作溫度一般低（dī）於80 ℃[4]。常溫下，鋼絲應力即使低於屈服極（jí）限，也會隨時間產生持續變形，即發生常溫蠕變（biàn）現象（xiàng）。林峰等[5]研究表明，當鋼（gāng）絲工作溫（wēn）度低於75 ℃時，其蠕變量很小，當溫度高於75 ℃時，蠕變量急劇增大，75 ℃是預緊鋼絲最（zuì）佳工作溫度上限。

       可靠的（de）液壓係統對確保模（mó）鍛壓力機安全運轉至關重要，液壓油作為液壓係統的能量傳（chuán）輸介質，其溫度、黏度指標要求嚴格。溫度（dù）過高（gāo），會帶來諸多危害，如造成液壓油黏度下降、泄漏嚴重、係統效率降低，油液氧化嚴重（chóng）、壽命縮短，元件潤滑不良、磨損增加，密封件易老化等[6]。按係統設（shè）計要求，液壓油工（gōng）作溫度應低於70 ℃。

       如（rú）圖1 所示，400 MN 壓力（lì）機機架1 和動梁體2分別由20 個（gè）和4 個子塊坎合並（bìng）經鋼絲纏繞而成，二者通過側麵45°導軌副聯（lián）接，頂出缸安裝於動梁下（xià）墊板4 內部(圖1 中放大部分)，其作用是將鍛件從上模中（zhōng）頂出，下墊板通過上模座5 與上模6 相連接。模鍛過（guò）程中，一方麵，由（yóu）於上模、上模座、下（xià）墊板間的（de）熱傳導作用，頂出缸和動梁鋼絲層溫升明顯，另一方麵，靠近模（mó）具的立柱內側由於熱輻射（shè）作用，溫度也會顯著上升。因而，對機架（jià）部分區段鋼絲層、動梁鋼絲層以及頂出缸等部位進行（háng）溫（wēn）度場計算，對裝備安全可靠運行具有重要意義。

      
                          圖1 400 MN 模鍛壓（yā）機機（jī）架及動梁結構示意圖

     1. 機架2. 動梁體（tǐ）3. 鋼絲層I 4. 下墊板5. 上（shàng）模座6. 上模7. 下模8. 鋼絲層II 9. 缸體10. 活塞杆11. 導向套12. C 形環

     解析法隻能求解簡單溫度場（chǎng）問題，工程中常采用數值模擬輔（fǔ）以（yǐ）試驗驗證進行溫度場研究，有限元法是應用最廣泛的數值模擬工具。吳生富（fù）[7]基於Marc 平台對150 MN 鍛造液壓機進行溫度場及變形分析，研究了鍛件溫度對機架間隙及麵壓的影響；李潤方等 采用2D、3D 結合的方法並考（kǎo）慮熱軋時溫度效應求解了軋機應力-應變（biàn）場，重型模（mó）鍛液壓機（jī）多部件係統整體熱分析不多見。

     本文運用（yòng）有限元軟件ABAQUS 對400 MN壓機進行（háng）穩態和瞬態溫度場分析（xī），研究關鍵部位溫度場分布特征。模擬表明頂出缸油溫溫升過高，提（tí）高局部和整體散熱（rè）係數（shù），抑製其溫升效果不明顯；提出兩種隔熱設計方案，並進行模擬驗（yàn）證，證明上模座和模具間（jiān）加設隔熱墊方案最優，為隔熱（rè）設計方案（àn）在工程中應用提供了依（yī）據。模擬結果與溫度場實測結果基本吻合（hé）驗（yàn）證了有限元模（mó）型。

     1 、計算模型建立

      1.1 幾何模型

      400 MN 模鍛壓力機外形尺寸21.6 m×8.8 m×5 m，由（yóu）近百個部件、數千零件組（zǔ）裝而成，模型需要合理簡化，對機架、動梁、下墊板、頂出（chū）缸、上模座、模具等相關部件進行建模，並做簡化和（hé）清理，為（wéi）研究頂出缸內液壓油溫度場分布，對缸內上、下腔油液進行近似等效建模。根據幾何模型及（jí）邊界條件對稱性，采用1/4 模型 ，以（yǐ）Parasolid 格式導（dǎo）入ABAQUS，壓機幾何模型見圖（tú）2a。

                         圖2 400 MN 模鍛液壓機模型

     1.2 有限元模型

      裝配模型中多數零件不規則，采用適應性（xìng）強（qiáng）DC3D4 四節點線性傳熱單元，規則零件和重點關注部位，如動梁及機架鋼（gāng）絲纏繞層，頂出缸等采用（yòng）精度較高的DC3D8 八節點線性傳熱（rè）單元。機架單元特（tè）征（zhēng）尺寸取200 mm，動梁、鋼絲層、頂（dǐng）出缸依次取（qǔ）100 mm、50 mm、10 mm，離散後得到圖2b 液壓機有限（xiàn）元模型，模型節點數為（wéi）169 172，單元數為364 081。

     機架、動（dòng）梁、上模座材料大體（tǐ）為ZG35CrMo、GS20Mn5N，鋼絲材料65Mn，其密度、比熱容、熱導率等熱（rè）物性參數相近，按碳鋼質量分數wc≈0.5%選取 ，鋼及液（yè）壓油熱物性參（cān）數見表1。

                                           表1 材料熱物性參數

     1.3 壓力機傳熱模型

     重（chóng）型壓（yā）力機（jī）模鍛（duàn）過（guò）程中（zhōng），大型（xíng）鍛件可看作係統中的熱源，壓力（lì）機溫度（dù）場取決於鍛件-模具-壓力機（jī）-環（huán）境所構成係統內的熱交換過程。壓機溫度場分析重點要考慮鍛件（jiàn）及模具對機架立柱段的輻射作用，以及模具對上模座、下墊板、動梁的（de）熱傳導作用。

     鍛件及模具（jù）材料、尺寸（cùn）、形狀、鍛造溫度、鍛造工藝具有多樣性，鍛造生產過程連續進行，模具連續多次吸、放熱，其溫度始終在變化（huà），這（zhè）些因素給模擬（nǐ）初（chū）始（shǐ）條件確定帶來困難。以TC4 大型框架（jià）熱模鍛工（gōng）藝為例 ，給定坯料始鍛溫度920 ℃，模具預熱(工作)溫度300 ℃；連續工作時模（mó）具外表（biǎo）麵離熱源較遠，處（chù）於溫度下降區，且上模吸熱（rè）量小，實際表麵溫度會略低於300 ℃[13]。結合近期西安400MN 模鍛壓機服（fú）役過（guò）程中實測模具表麵溫度為

      2、 計算結果及討（tǎo）論（lùn）

     2.1 壓力機溫度場穩態分析結果

     圖3 是模具表麵溫度300 ℃條件下，壓力機溫度場分布等值線圖(3 維傳熱為等溫麵（miàn）)，圖3 表明，模具表麵（miàn）溫度為300 ℃，以其為中心向上依次（cì）降（jiàng）低，上模座溫度為93.9～297.4 ℃，下墊板溫度為58.1～190.9 ℃，動梁溫度為29.8～123.3 ℃，動梁鋼絲層最高（gāo）溫度為86.2 ℃，超過設計許（xǔ）可值75 ℃，機架立柱最高溫度為102.2 ℃，鋼絲層最高溫度為39.6 ℃，滿足（zú）設計要求。重點關注頂出缸溫度場分布，提取局部等溫線圖(圖3b)，最高溫度187.6 ℃位於下端C 形環處，向上逐（zhú）漸降低降至135.3 ℃，下（xià）腔和上腔油溫遠超（chāo）出許可值70 ℃。

      3、 模具300 ℃時（shí）壓機（jī）及頂出缸溫度場分布

      鍛件材料、模鍛工藝等因素影（yǐng）響模具溫度，改變模具溫度初始邊界條件（jiàn），研究（jiū）其對壓機溫度場影響，結果見（jiàn）圖4。圖4 表明，立柱、動梁鋼絲以及液壓油最（zuì）高溫度隨模具工作溫度升高而升高，液壓油及動梁（liáng）鋼絲溫度與模具溫度保持線性關係，立柱鋼絲溫度與模具溫度關係為非線性。分析其原因，一方麵，模具、上（shàng）模座、下墊板至動梁（liáng）這一傳熱途徑以熱傳導為（wéi）主，計（jì）算中（zhōng）材料熱導率（lǜ）、比熱容（róng）、界麵換熱係數都按常（cháng）量近似處理，消除了傳熱計算中的（de）材料非線性和邊界非線性因素的影響，故輸入、輸出量間呈近似線性關係；另一方麵，模具與（yǔ）機架（jià）間傳熱（rè）是以熱輻射方式進行，導致立柱鋼絲與模（mó）具溫度間呈非線性關係。

                     圖4 不同模具溫度下，鋼絲層、液壓油最（zuì）高溫度

      圖4 表明，模具溫度低於400 ℃，立柱鋼絲溫度低於75 ℃，始終滿足設計要求（qiú），模具溫度低於248 ℃時，動梁鋼（gāng）絲溫度滿足要求，隻有當模具溫度低於105 ℃時，頂出缸油溫才低於70 ℃，正常模具工作溫度300 ℃時，其溫度達到181 ℃，遠超出許可值。需要說明的是，這裏忽略了缸（gāng）內油液與液壓係統間的換（huàn）熱，由於液壓係統正常工作溫度（dù）低於（yú）70 ℃，頂出缸動作時部（bù）分熱量會被油液帶走，使缸內溫度下降，但液壓缸動作時間短，大多處於收回（huí）鎖止狀態，通過（guò）管道、閥及（jí）油液與（yǔ）液（yè）壓係統間的換熱量很小，按忽略簡化處理。

      穩態分析是溫度不隨（suí）時間（jiān）變化的最終平衡態，是一種極限狀（zhuàng）態，或（huò）需相當長時間才能（néng）達到，進一步（bù）對壓力機傳（chuán）熱進行瞬態分析。

      2.2 壓力機溫度（dù）場瞬態分析結果

      根據穩態分析的結果，分別對模具溫度100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃等工況進行了瞬態分析。圖5 是各工況下，動梁鋼絲層和頂出缸液壓油最（zuì）高溫度時間曆程。曲（qǔ）線表明，模具溫度高，鋼絲和油液溫（wēn）度（dù）時間曲線斜率數值大，溫度上升速度快（kuài），同一時刻溫度值高。單條溫升曲線來講，最初曲線（xiàn）斜率很小，溫升慢，中間段斜率較大且近似常數，後（hòu）段斜率再次減（jiǎn）小，隨時間曲線（xiàn）趨於其穩態值。該現象可由動梁鋼絲和液壓（yā）油在傳熱過程中，其高、低溫端溫差由小到大再到（dào）小的變化特點來解釋（shì）。

      
  
      圖（tú）5 不同模具溫度下，動梁鋼絲、液壓（yā）油溫度時間曆程（chéng）

      圖5 表明，動梁鋼絲距熱源遠，溫（wēn）升慢，頂出缸離熱源近，溫升快，模具400 ℃工況下，48 h 後鋼絲溫度為61.7 ℃，滿足設計要求。而油溫為6.6 h 達到70 ℃，模具300 ℃工況下，油溫為8.4 h 達到70 ℃。補充數據點，得（dé）到滿足油溫70 ℃，模具工作時間與模具溫度的關係曲線(圖6)，當模具溫度為104 ℃，油液穩態溫度為70 ℃，其工作時間可無限延長（zhǎng），104～300 ℃區間內（nèi），隨（suí）模具溫度升高，其工作（zuò）時間急劇下降，300 ℃工況下，隻能連續（xù）工作8.4h，高於300 ℃時，工作時間變化平緩，當模具溫度（dù）達到700 ℃時，工作時間為4.4 h，進一步提高溫度，時（shí）間變化不大。圖6 曲線作（zuò）為設備正常（cháng）工作的（de）約束條件在製定工藝和安排生產時要有（yǒu）所考慮。

      
  
     圖6 連續（xù）工作時間與模具溫度關係

    瞬態分（fèn）析（xī）結（jié）果表明，動梁鋼絲溫度可（kě）滿足設計要求，頂（dǐng）出缸油溫（wēn）無法滿足（zú）較長時間（jiān）連續工作的要求，故壓力機結構設計或工裝模具設計，需（xū）要考（kǎo）慮頂出缸的散熱、隔熱問（wèn）題。
 

    2.3 散熱、隔熱設計（jì）及模擬驗證

     控製頂出缸油溫有兩個（gè）途徑：一是強製散熱、改善頂出缸局部散熱條件或壓機整體（tǐ）散熱（rè）條件，加快熱量散出；二是采取隔熱措施阻斷熱量由模具向頂出缸流入。

     強製散熱一般可考慮水冷，即在上模（mó）座內（nèi）部設計冷卻管道，用（yòng）冷卻水（shuǐ）強製（zhì）散熱，由於水的熱導率是空氣的100 多倍，散熱（rè）效（xiào）果好，缺點是上模座結構複雜，製造成本高，有額外（wài）能源消耗（hào）。另（lìng）外也可保持上（shàng）模座結構不變，用風冷強製散熱，缺點是散熱效果（guǒ）較差，同樣存在額外能源消耗。由於水冷方案需要修改上模座結構（gòu）、製造成本高、額外能源消耗大，本文僅對風冷方案進行研究，分別改變（biàn）表麵傳熱係數（shù）h 和局部表麵（miàn）傳（chuán）熱係數hl 進行模擬計算，研究其對油溫和工作時間的影（yǐng）響。

             圖7 不同表麵傳熱係數下，油溫（wēn）、鋼絲溫度變化（huà）曆程

      
                圖8 不（bú）同局（jú）部表麵傳熱係數，油溫、鋼絲溫度變化曆程

     圖7、8 表明，隨（suí）表麵傳熱係數h 增（zēng）大，油溫、鋼絲溫度微降，在（zài）低溫段溫度（dù）變化甚微；缸體局部表麵（miàn）傳熱（rè）係（xì）數hl 增大對鋼絲溫（wēn）度場幾無影響，高溫段可明顯降低油溫，但低溫段降溫作用不明顯，hl提高8 倍到16 W/(m2·K)，工作時間由8.4 h 延長至9 h，因此，提高h 或hl 對降低油溫、延長工作時間（jiān）效果不明顯。

      風冷強製散熱降溫效果不佳，考慮（lǜ）隔熱設計。選用絕熱纖維陶瓷墊片做隔熱材料，熱導率（lǜ）為（wéi）0.08W/(m·K)，比熱容為1 050 J/(kg·K)，密度為200kg/m3，其具有低熱容、低熱導率、機加工性能好、強度高、柔韌性（xìng）高等特點，適（shì）用於高溫環境下隔熱、密（mì）封等。

      隔熱設計提出兩種方案：方案（àn）A，在（zài）缸底與下（xià）墊板間及C 形環（huán）與導向套間各加墊5 mm 纖維陶瓷墊片(圖1)；方（fāng）案B，在模具與上模座間加5 mm 隔熱（rè）墊，兩（liǎng）種方案計算結（jié）果見圖9。

      
     圖9 初始設計與隔熱方案A、B 油溫時間曆程（chéng）比較
 

     由圖9 可看出，與初始設計相比（bǐ），兩（liǎng）種隔熱設計方案均能大幅度（dù）降低頂出缸油溫，從而提高設（shè）備連續工作時間。模具溫度300 ℃時，油溫低於70 ℃，方案A、B 可分別連續工作20 h、48 h 以上。兩方案比（bǐ）較，B 隔熱效（xiào）果明顯優於A，分析原因，A 對缸端部及底部進行（háng）了隔（gé）熱處理，減（jiǎn）少了局（jú）部熱量輸入，但下墊板溫度偏高，以熱輻射方式傳熱給缸筒，提高了油溫。方案B 直接阻斷了熱量從模具（jù）到上模座的傳（chuán）輸，其隔熱更徹底，效果更好。圖10 是初始設（shè）計和隔熱方（fāng）案（àn）A、B 保持油溫70 ℃，壓力機連續工作時間與模具溫度間的（de）關係。

      3 條曲線趨勢相（xiàng）同，隨模具溫度提高工作時間縮短（duǎn），方案A 較初（chū）始設計連續工（gōng）作時間提（tí）高1.4 倍左右，方案B 提高4～7 倍，模具溫度400 ℃時（shí），采用方（fāng）案（àn）B 壓（yā）力（lì）機可連續工作56 h。

      
                       圖10 油溫70 ℃，連續工作時間與模（mó）具溫度關係

     根據模擬計算結果，400 MN 模鍛壓力機在實際生產過程中，采用了上模座和模具間加設10 mm石棉隔熱墊的方案，該方案不需要調整頂出缸結構安裝尺（chǐ）寸鏈（liàn），實施方便（biàn），實（shí）際應用中隔熱（rè）效果良好，有（yǒu）效降低了油溫和鋼絲溫度，確保設備安全（quán）、可靠運轉。2012 年3 月，西安400 MN 模鍛壓力機熱試成功(圖11)。

     圖11 400 MN 模鍛壓力機熱試及測溫點布置

     2.4 壓力機模鍛溫度場測試

     為驗證計算模型，針對實際生產中普通模鍛工（gōng）藝(環（huán）境溫度為（wéi）34 ℃，模具預熱溫（wēn）度（dù）約為300 ℃，10 h )和（hé）熱模鍛工藝(環境溫（wēn）度為27 ℃，模具預熱溫（wēn）度約為600 ℃，18 h)進行了溫度場（chǎng）測試（shì），測溫儀器為（wéi）手持式紅外測溫儀。

     動梁、立柱鋼（gāng）絲層（céng）及液壓缸等部位製造時未置測溫元件，直接測量（liàng）內部（bù）溫度有困難，故測量（liàng）了圖11 中動梁(A1、A2、A3)、下墊板(B1、B2、B3)、模具(C1、C2、C3)以及立柱(外側E1、E4，內側E2、E3)等部件外部特定（dìng）區域的表麵溫度，分別與計算結果進行（háng）對比，見表2。

                                    表2 壓力機（jī）溫度場測量值與計算值比較

      從表2 可知，兩種工藝條件下，壓力機特征區域溫度計算值與測（cè）量（liàng）值基本吻合（hé），誤差在12%以內，驗證（zhèng）了有限元模型（xíng）的合理性。

       根（gēn）據有（yǒu）限元計算，熱模鍛工（gōng）藝條件下，立柱鋼絲、動梁鋼絲、油液最高溫度分別為31.5 ℃、30.4 ℃和57.7 ℃，普通模鍛工藝條件下，三者分別為34.2 ℃、34.3 ℃和40.1 ℃，均（jun1）滿足設計要求。

       3 、結論

      (1) 模具溫度300 ℃無隔熱措施條件下，400MN 液壓機長時間工作(48 h)，立（lì）柱及動梁鋼絲層溫度低於75 ℃，滿足設計要求，頂出缸（gāng）油溫超出設計要求，液壓機傳熱（rè）分析需要重點關注頂出缸油溫控製。     
      (2) 風冷強製散熱，提高表麵（miàn）傳熱係數h 和局（jú）部表麵傳熱係數hl 對油溫改善不明顯，結構隔熱設計是有效控製油溫（wēn）的手段。
     (3) 模具和上模座間加隔熱（rè）墊可有效阻斷熱源，較頂出缸兩端加隔熱墊方案優，控溫效果明（míng）顯，模具（jù）溫度400 ℃壓機可連續工作56 h，該方（fāng）案在工程實際中得到應用。
     (4) 模擬結果（guǒ）與溫度場測試結果基本（běn）吻合驗證了400 MN 模鍛液壓機溫度場計算模（mó）型合（hé）理。