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1. 研究目的及意义：
一般常说的万吨水压机主要指自由锻造水压机。大型模锻压机是以军事需求为主、军民兼用的多功能重型模锻压机，同时也机械制造行业中的关键设备，是衡量一个国家制造水平和能力的重要标志之一，尤其是对于锻造能力超过10万吨的机械设备更是如此。有人把大型模锻压机的工作原理形象地比喻为揉面机，只不过揉的是钢铁，而且像“压月饼”一样精密。它是生产大型锻件特别是大型航空锻件的必备装备。
万吨级锻造水压机是重型机械制造工业中的关键设备之一，一个国家制造和拥有万吨级水压机的状况在一定程度上标志着这个国家重工业的发展水平。
过去我国机械制造工业所需的特大锻件全部依赖进口。万吨水压机的制造成功不仅填补了我国这方面的空白，而且说明我国的重型机械制造工业在60年代已达到了世界的先进水平。
2. 研究现状：
在一重15000吨水压机建成投产之前，国内万吨以上的自由锻造水压机有3台，其中一台为一重自主建造的12500吨水压机，一台12000吨水压机在二重，由捷克制造，另一台12000吨水压机在上重，由上重和江南造船厂联合制造。3台水压机均为三梁四柱结构，其中一重、二重的水压机横梁为铸造组合结构，上重水压机横梁为焊接结构；水压控制系统均采用锥阀系统、水泵站蓄势器传动，大手把操作。配有工具操作机，缺少锻件尺寸精度控制，锻件精度差，机械化水平低，生产效率低。国际上已有15000吨级水压机有2台，俄罗斯和罗马尼亚各有一台。其中，俄罗斯的水压机是自己生产、德国西马克公司改造，罗马尼亚的水压机是德国西马克公司生产。在主机结构、水压机控制和电气控制系统上都各有特点，但总体技术水平比我国现有的水压机都高。对比国内外现有的万吨以上水压机，一重新的15000吨水压机主要参数为：公称压力15000吨、三梁四柱结构、柱距7米、水压。不仅在能力上超过现有的所有水压机，是世界上最大的，而且在主机结构和控制系统水平上也有全面提高，是世界上最先进的重型自由锻造水压机。
3.工作原理：
上海江南造船厂于1961年成功地制造了我国第一台万吨水压机，这台水压机的制造成功，为我国的锻造事业跨进世界先进行列起了重要作用。它是锻造万吨巨轮发动机主轴、大型发电机转子轴、大型轧钢机架、炮管及导弹壳等不可缺少的设备。水压机工作时的优点是力量大、施力缓慢均匀、无震动，因此被锻造的钢铁内部结构密实、有韧性、不易断裂。工作水来源于相互接通的低压容器和水箱，其压强为大气压强。低压水进入高压水泵，经吸取加压后进入高压容器。再利用空气压缩机加压，推动其流入主缸和升降缸，加压后的水的压强大约为350个大气压（3．5×107帕）。
水压机的工作原理是帕斯卡定律。虽然原理比较简单，但制造工艺比较复杂，技术要求比较严格，属于大型设备。它的主机质量为2200多吨，高32米，有40000多个零件。较大组成部件有六个主缸，四个大立柱，三个横梁。要承担这样的压重，其基础要打入地下40多米。水压机的主缸结构是用6个分缸代替一个大主缸，这是为了让它能产生几个不同的压力，同时避免制造工艺上的困难。主缸内的水压强很大，如果用一个大主缸，要求它能产生12000吨（1．2×10^8牛）的压力，按3．5×10^7帕的压强（相当于350公斤/厘米^2）计算，需要直径为2．1米的大缸。对于这样大的缸，要求承担这样大的压强，不仅制造技术上有很大的困难，而且材料强度也很难满足要求。采用六个分缸，则每个分缸柱塞只要产生2000吨（2×10^7牛）的压力即可。对于这样的要求，只用0．83米直径的缸就可以，这就解决了制造缸的困难，同时又降低了对材料强度的要求。把一个大主缸分为6个分缸，在使用时可以根据不同的要求，改变使用缸的个数，分别产生4000吨、8000吨和12000吨的压力，这样锻件既可根据要求用不同的压力一次锻造，又可以采取递增压力来锻造，使锻造出的工件均匀、密实。水压机的四根大立柱每根大约高18米，粗1米2，质量约90吨，立柱上有几个5吨的大螺帽。上横梁、下横梁及动横梁每个都有几百吨。水压机的供水系统是由能产生350公斤/厘米^2（约3．5×10^7帕）的12台高压水泵组、16个高压容器，几百个高低压阀门组成。对高压部分的各种零件要求高度精密，以防高压水漏出。（漏出的高压水柱冲力很大，具有很大的破坏性，对建筑、设备及人身都有危险）水压机使用时要求控制准确。对于这样的设备，使用安全是非常重要的。
4.研究内容：
水压机的控制系统是一套简单的DCS控制系统，它由硬件系统、软件系统和人三部分组成。
硬件系统主要由上位机、下位机、人机接口、现场传感器和可执行元件组成。
上位机包括工程师站和操作员站，他们共用一台电脑，上位机还作为数据服务器使用，存储试验数据。
下位机由一台西门子S7-200PLC担任，它负责对现场传感器检测到的信号传送给上位机进行信号处理，同时它又把上位机的控制指令翻译成执行指令控制现场可执行元件的动作，从而实现系统整体自动协调动作，完成钢管的静水压试验。
人机接口包括键盘、鼠标和操作台。利用键盘、鼠标，通过电脑操作画面完成参数传递和实时监控显示以及数据报表的打印等操作。操作台完成外围辅助设备的动作，包括钢管传送、油泵和水泵的起停、管端封头的移动等。
现场传感器有水压传感器和油压传感器，它们负责实时检测水路系统和油路系统的压力，将它们转换为电信号传送到PLC，等待进一步处理。
可执行元件包括电液比例阀、电磁换向阀、电机和信号指示灯，它们负责实现机械的各个具体动作和相关信号指示。
软件系统软件系统包括：监控组态软件、历史数据管理软件、PLC运行开发软件（Step 7 Micro Win 3.2）。
监控组态软件包括开发环境系统和运行环境系统。它们安装在工程师站和操作员站上，工程师有权限运行开发环境系统和运行环境系统，操作员只能运行运行环境系统。在运行环境系统里，实行分级密码保护，不同权限的操作员只能运行对应权限的操作，工程师具有最高权限，他可以进行所有操作。工程师利用开发环境系统开发出监控程序，运行环境系统负责现场实时数据的采集和保存。
历史数据管理软件包括数据库系统（Access数据库）、数据报表查询软件（利用VB开发的可执行文件）、VB开发系统，它们负责历史数据的报表查询。
5. 研究方案：
⑴主机质量为2200多吨，高32米，有40000多个零件。较大组成部件有六个主缸，四个大立柱，三个横梁。
⑵主缸结构是用6个分缸代替一个大主缸，采用六个分缸，则每个分缸柱塞只要产生2000吨（2×10^7牛）的压力即可。对于这样的要求，只用0．83米直径的缸就可以。
⑶水压机的四根大立柱每根大约高18米，粗1米2，质量约90吨，立柱上有几个5吨的大螺帽。
⑷水压机的供水系统是由能产生350公斤/厘米^2（约3．5×10^7帕）的12台高压水泵组、16个高压容器，几百个高低压阀门组成。
6.进度安排：
（1）2022年10月25日-2022年11月12日 查阅资料，阅读文献，了解课题，明确任务书要求，撰写任务书和开题报告
（2）2022年11月13日-2022年11月21日 完成开题答辩
（3）2022年11月22日-2023年01月20日 完成水压机结构方案设计
（4) 2023年01月21日-2023年03月20日 完成水压机零部件设计及设计说明书，接受中期检查
（5）2023年03月21日-2023年04月20日 对设计项目进行修改，完成定稿
（6）2023年05月01日-2023年05月10日 接受外审，准备毕业答辩
6.预期结果
1．增压泵，可轻松实现输出压力任意可调、可控，具有可记忆性仪表，记录瞬间爆破压力。
2．技术先进，结构设计合理。具有体积小、重量轻、外型美观大方的特点。
3．所有承压零件都采用国际知名品牌的标准零件，无任何焊接连接，方便拆卸，安全系数高， 寿命长、便于维护。
7.参考文献：
[1]濮良贵、陈定国、吴立言.机械设计（第十版）[M]高等教育出版社2019.
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[3]姜继海、宋锦春、高常识.液压与气压传动（第三版）[M].高等教育出版社，2019..
[4]陈廉清.机械制图[M]J浙江大学出版社2019.
[5]杨家军.机械创新设计与实践[M].华中科技大学出版社,2021.
[6]王章忠主编，机械工程材料[M]，机械工业出版社，2020.
[7]唐昌松．机械设计基础[M]．机械工业出版社，2019.
[8]杨可桢、程光蕴、李仲生、钱瑞明．机械设计基础[M]．高等教育出版社，2020.
[9]阮诗伦、马红艳. 理论力学.科学出版社， 2019.
[10]孙训方. 材料力学[I][II](第六版). 高等教育出版社，2019.
[11]PuLiangGui、ChenDingGuo、WuLiYan.Machine Design(The tenth edition).Higher Education Press.2019.
[12]JiangJiHai、SongJinChun、GaoChangShi.Hydraulic And Pneumatic Transmission(The thired edition).2019.
[13]SunXunFang.Mechanics Of Materials(The sixth edition).Higher Education Press.2019.
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