20MN拔伸水壓機技術改造

范玉仙，王成立，王釤鑌

(1．太原通澤重工有限公司技術中心，山西 太原 030032;2．杭州華新電線電纜有限公司技術科，浙江 杭州 310018)

1 前言

45/20MN沖孔－拔伸水壓機機組是上世紀60年代制造企業的關鍵設備。該機組主要生產大直徑、厚壁無縫管，用作鍋爐管、電站管等，產品曾一度出現供不應求的局面。由于當時設計的局限性，該機組運行速度慢，震動大。再加上長期超負荷運轉，設備磨損和損壞比較嚴重，盡管經過多次大修，還是存在一些嚴重缺陷。壓機動作很不正常，對產量、質量造成嚴重影響。太原通澤重工有限公司對此設備使用過程中出現的問題進行了詳細分析，利用新技術以較低的成本、較短的時間對其控制系統進行了技術改造。

2 原設備存在的問題

20MN拔伸水壓機是將45MN沖孔水壓機沖孔后的帶底鋼坯經過多次拔伸，生產出具有一定壁厚的長筒形工件［1］。壓機本體采用臥式、三梁雙柱結構，有三個工作缸(一個主缸、兩個側缸)和兩個回程缸，均為柱塞結構。經分析其本體結構還是能滿足強度、剛度要求的，只是導軌、缸內導套和密封磨損嚴重;壓機由水泵站－蓄勢器傳動;計算泵站供水量也基本能滿足使用要求;其控制系統比較落后。如圖1所示，原控制方式是靠一個大的分配器來統一控制，所有控制閥都裝在一個分配器上，通過搖桿旋轉來頂開或關閉閥門，搖桿的旋轉角大小決定了閥的開啟大小，也決定了壓機速度的快慢。搖桿由伺服電機來驅動，在生產時，保證手柄的旋轉角與主分配器搖桿的旋轉角一致。

圖1 原水壓系統工作原理Fig.1 Working principle of original hydralic system

這種控制方式的優點是壓機的動作和速度都可以由手柄來控制，速度是線性變化的，由操作人員來決定，最適用于自由鍛造水壓機。但是對于專用水壓機，該控制有以下缺點。

(1)只能手動控制，不能實現自動化和半自動控制。

(2)生產效率和工藝規范會因工人的熟練程度和情緒而不同，產品質量不穩定。

(3)由于閥的口徑大，閥開啟高度的微小變化會引起速度的突變，加壓和卸壓時間不能固定，操作人員如動作過快，就易引起震動。不容易控制在一個最佳速度的穩定狀態，造成壓機速度低，直接影響生產節奏。

(4)由于壓機速度快，流量大，分配器閥塊大小有限，閥的數量受限制，盡管閥的口徑已很大，閥口的流量還是不能滿足要求，因此壓機的拔伸速度受到限制。

(5)由于閥口的流速較高，閥口容易被高壓水刺傷，容易泄漏。

(6)由于分配器閥體復雜，更換閥體費用大，影響生產時間長。

3 確定改造方案

3.1 總體方案

太原通澤重工負責重新設計制造20MN拔伸水壓機的水壓系統，由用戶負責更換磨損的導軌、缸內導套、密封等。新系統采用液壓單頂缸控制分配器的方法，為節約高壓水降低能耗，壓機在空程前進時使用低壓水，并進行壓力分級。電氣系統改由PLC控制，實現半自動、手動兩種控制方式，對壓機實行狀態監控、報警記錄，實現電氣和液壓聯鎖。

3.2 新系統主要結構

3.2.1 主控系統

新系統采用液壓單頂缸控制方式，把原來一個大的分配器分成了四個小的分配器(主缸分配器、側缸分配器、回程缸進水分配器、回程缸排水分配器)。每個分配器分為兩個中等閥和一個小閥。每個閥都由一個單獨的液壓缸控制。每個系統速度一般分為三級，快速、中速和慢速。通過匹配各分配器的進、排水閥的次序保證既能提高壓機速度又能使壓機平穩運行，從而減少震動和噪音。分配器上有壓力傳感器和安全閥保證系統的安全和聯鎖。分配器閥芯及連接法蘭按中華人民共和國機械工業部部標準《水壓機零部件》設計，便于更換。

主缸分配器原理圖如圖2所示。主缸分配器由三個進水閥(兩個中等閥、一個小閥)和一個排水閥組成。壓機工作時打開氣動閘閥，高壓水經氣動閘閥進入主缸分配器。壓機加壓時，排水閥關閉，三個進水閥依次打開，高壓水進入主缸，進行拔伸;拔伸結束壓機回程時進水閥關閉，排水閥打開，排水閥只起卸壓作用。分配器上有壓力傳感器。單頂缸上調節螺桿也可以調節壓機的速度，螺桿伸長，閥的開啟高度增大，水的流量增大，壓機的速度提高。

圖2 新系統主分配器原理Fig.2 Principle of main distributor in new system

為了減少兩側缸同時工作時的不同步所造成的動梁導向不均衡，確保壓機的平穩性，在兩側缸對稱位置通過一個高壓連通體將兩側缸的高壓進水管道連在一起，以保證兩側缸進液同步進行［2］。兩回程缸的高壓水管道也作同樣設計。

3.2.2 低壓充液系統

低壓充液系統主要作用是在壓機空程前進時節約高壓水，用低壓充液系統推動壓機動梁前進。新系統是將原來閑置的兩個20 m3充液罐經改造后重新利用。原充水閥流量太小，空程前進速度太慢。新系統重新設計三個通徑較大的充水閥。所有管道口徑都加大。充水閥［3］工作原理如圖3所示。

圖3 新系統充水閥原理Fig.3 Principle of waterfilling valve in new system

壓機空程前進時，控制缸無桿腔進油，頂桿頂起彈簧，充水閥打開，充液罐的1.6 MPa低壓水進入工作缸，壓機空程前進;壓機加壓時，控制缸有缸腔進油，彈簧復位，充水閥關閉，高壓水進入工作缸，壓機套料或拔伸;壓機回程時，分配器卸壓閥使主缸卸壓，控制缸無桿腔進壓，打開充水閥，工作缸內水經充水閥回到充液罐。充液罐上裝有液位顯示和控制裝置、安全保護與溢流裝置、充氣與放氣裝置等。

一般充液罐液位是靠罐內壓力控制的，當液位高時，罐內壓力也高，當罐內壓力高于低壓溢流閥壓力時，溢流閥自動打開，罐內水通過溢流閥流入水箱。當罐內壓力降到等于溢流閥調定壓力時，溢流閥自動關閉。該溢流閥為彈簧微啟式，溢流閥打開的高度與壓力大小有關，而流量不能太大、太集中。一般鍛造水壓機常用這種控制液位方式，但在20 MN拔伸水壓機上，會因水壓機回水太快而溢流閥來不及排，使罐內壓力遠遠高于調定壓力。一方面使水壓機回程背壓過高，回程速度放慢;另一方面這種溢流閥抬啟過高，當壓力降低時，閥與閥座會因沒有恢復到原位而發生泄漏，會在停止生產期間把罐內水漏光。因此，原充液罐棄之不用。

改造后的新型充液罐液位控制系統，采用了兩個新開發的DN150全啟式溢流閥，由充液罐液位來控制溢流閥的打開和關閉，與充液罐的壓力無關。微啟式溢流閥還用，但只起安全閥作用。當水壓機拔伸時，就把充液罐液位降到最低。當水壓機回程時，回程背壓很小，回程速度自然很快。而每次空程前進時的充液罐水位又可以根據實際生產要求自行設置。水位指示燈能顯示出罐內液位的變化，與其他部位也有液壓連鎖，保證了生產的安全性。溢流閥由于有超調，關閉時不會有泄漏，給生產帶來極大方便。

3.2.3 油壓系統

改造后增加一套油壓控制系統。該系統由1個液壓泵站，2個閥臺以及管路附件等組成。液壓泵站及閥臺在其相應的設備就近設置，系統特點主要有:

(1)整個系統采用恒壓變量泵加蓄能器方式，非常適合主機的拔伸工藝要求，且極大地降低了能耗。

(2)液壓站包含2套油泵電機組裝置，一用一備，可減少停產維修時間。

(3)液壓泵站裝有冷卻裝置及循環過濾系統，可保證油液的清潔和在合適的溫度范圍內工作。

(5)液壓閥均選用國內優質元件。控制油路均采用集成油路塊結構，使系統具有泄漏少、結構緊湊、便于維修的特點。

(6)各閥臺進油管口裝有高壓球閥，便于管路與元件的檢修。

(7)液壓系統設有過濾精度為10 μ的回油過濾器，提高了液壓系統的可靠性。

分配器控制閥臺用來控制四個分配器的進排水動作。充水閥/溢流閥控制閥臺用來控制三個充水閥、兩個全啟式溢流閥的開啟、關閉動作。

3.2.4 電氣控制

主控制臺上設置有一臺上位顯示屏，主畫面中可以集中反映壓機的工作狀態、輔助信號的狀態、活動梁位置，以及手柄控制時的檔位指示。狀態監控畫面可以反映當前各個閥的開啟狀態和動梁的工作狀態。參數給定主要用于半自動給定下的工藝參數設定，液壓站畫面主要作用于顯示液壓站狀態，畫面中可以看到液壓泵啟動及相關報警等狀態，同時還可以顯示液壓站溫度數值。

4 新控制系統特點

(1)液壓單頂缸控制方式容易實現自動化和半自動控制。

加強自我修養，培養高尚的情操，將美德融入自己平時的生活習慣中，要在平時生活中多與人溝通，交流，道德作為一種社會觀念，要保持身心的健康，有一個良好的生活態度，生活習慣，只有人樂觀向上了，思想道德素質才會有提高的前提條件。自覺向勞動模范學習，從他們身上學到他們優秀的道德觀念。重視自我修養，自我修養在中國傳統文化中具有重要的地位和作用，是極為重要的傳統美德。自我修養在培養我們中學生自強不息精神，增強心理承受力，提高思想道德境界方面具有重要的意義。我們應追求高尚人格，這就需要我們不斷學習，加強思想道德修養，不斷提升自己。

(2)設備調好后工作中的速度不受操作人員的影響，速度穩定。

(3)閥的開關時間短，反應速度快。

(4)上壓和卸壓時間容易調節，可以調到平穩無震動狀態。

(5)工作中遇特殊情況，隨時可以改為手動或停止。

(6)由于是多閥控制，每個閥打開的高度較大，閥口不容易刺傷。

(7)更換閥體費用低，時間短。

(8)對油壓控制系統的清潔度要求低。

(9)有電氣和液壓連鎖，工人誤操作不會出故障。

(10)有上位機，對工藝可以優化。

5 使用情況

經過半年多的使用，用戶對以下幾點予以充分肯定:

(1)壓機速度提高。改造后壓機速度明顯提高，原來一工件拔伸九道需要兩次加熱與裝夾，現只需一次加熱與裝夾就能完成。

(2)產品質量提高。設備調整好后狀態穩定，產品質量明顯好轉，廢品率降低，后續工序切削余量減少，提高了材料利用率。

(3)系統能耗降低。在控制臺上，工人能很方便地進行壓力分級，空程前進時采用低壓水，減少了高壓泵的開啟時間和數量，改善了壓機的受力狀況。

(4)維修費用降低。原來1～2周就要更換一次分配器閥芯，現2～3個月更換一次。

(5)勞動條件改善。改造后震動、噪音明顯降低，漏水現象明顯減少。

(6)壓機操作簡單。工人只需經過簡單培訓就可上崗操作，在控制臺上轉動手柄或按下按鈕，就可完成各項動作。

通過這次改造，不但延長了老機型的使用壽命，還對其進行了技術提升，使其產品市場前景更加廣闊［4］。這種控制方式還可應用于軍工系統的炮彈生產線，民用系統的氧氣瓶生產線等。

［1］ 俞新陸．液壓機的設計與應用［M］．北京:機械工業出版社，2006．

［2］ 楊大祥，韓炳濤．165MN自由鍛造油壓機的液壓控制系統［J］．重型機械，2006(3):11－16．

［3］ 魏軍．金屬擠壓機［M］．北京:化學工業出版社，2006．

［4］ 楊曉春．KTC切絲機液壓系統的改造［J］．液壓與氣動，2011(5):45－49．