大型護環液壓脹形專用裝置(150MN)的設計和開發

0 前 言

護環是火力發電機組上的關鍵零件之一，它需要具有較高的屈服強度，同時還須選用奧式體無磁鋼。目前國際上制造護環的主要材料為1Mn18Cr18N，其冷脹硬化過程一直是關鍵性工藝步驟。近年來，隨著火電機組向高性能、大型化發展，300WM機組和600MN機組逐漸普及，發電機護環也朝著尺寸更大、性能更高的方向發展。以600MW機組的護環為例，其護環直徑為?1 233mm，高度達到875mm，材料1Mn18-Cr18N，要求在95~105℃下，切向試樣屈服強度σ0.2達到1 070~1 210MPa（另有其他機械性能的要求）。國內有一些廠商利用大型自由鍛壓機或模鍛壓機作為受力框架，共線使用生產護環，但這種方法缺點明顯，一是占用設備的產能，二是可能會對設備造成一定損害。也有一些廠商制造了專門裝置生產護環產品，但其噸位都較小，能生產的護環規格受到一定限制。

為解決國內大型護環的批量生產問題，2011年，上海重型機器廠有限公司與燕山大學合作研制大噸位（150MN）護環液壓脹形專用裝置。該項目依托燕山大學在護環產品長達幾十年的研究成果，特別是其在減壓法液壓脹形內在成形規律、外補液式護環液壓脹形強化裝置等關鍵性的基礎技術研究，為雙方的合作奠定了基礎。經過兩年多努力，該設備于2013年2月試生產成功。這臺專用裝置主要用于大型護環的生產，本文主要介紹該設備的技術參數、結構特點以及設計和制造過程中的主要難點。

1 主要技術參數

150MN護環液壓脹形專用裝置整體結構采用雙梁四柱全預應力結構，配置一個超大直徑的主缸；移動工作臺布置在一側，可沿著工作臺面方向運動；工作臺兩側各有一個鎖緊缸，用于定位工作臺；模具和檢測裝置放在移動工作臺上；地坑里設置有積水坑和排水裝置，可將積水排出；超高壓水站放在移動工作臺上與之一起運動，油站布置在機器一邊（見圖1）。

設備的主要技術參數如下：

1.公稱噸位 150MN

2.系統工作壓力 31.5MPa

3.開口高度 2 600mm

4.工作行程 600mm

5.主缸工作速度 2.2mm/s

6.主缸回程速度 4.8mm/s

7.工作臺尺寸 2 800mm×4 700mm

8.工作臺行程 3 500mm

9.工作移動速度(快進) 50mm/s

(慢進) 23mm/s

10.超高壓水站工作壓力 400MPa

11.超高壓水站流量 4L/min

12.工件檢測精度 ±1mm

13.主機重量 970t

14.主機外形尺寸(長×寬×高)14 290mm×5 750mm×12 770mm

圖1 150MN護環脹形專用裝置

2 主要結構設計

2.1 主框架

主框架是整個專用裝置的受力件，采用四柱式預應力結構。這種結構具有可靠的穩定性和平穩性，它由上橫梁(見圖2)、下橫梁(見圖3)、拉桿、立柱和螺母(見圖4)等零件組成。整個專用裝置設計的可承受壓力為150MN，為保證受力時上橫梁與立柱之間不產生間隙，進而影響整臺設備的精度，整個框架采用預應力結構，即通過蒸汽加熱的方式對拉桿進行拔長后預緊，實際預緊系數約為1.2倍。主框架的上橫梁下安裝主工作缸，主工作缸是通過4個吊缸螺栓固定在上橫梁下表面的，為增加主工作缸的穩定性，在四周還有4個支撐板，通過與立柱的凹槽卡位，以保證整個主缸在徑向不產生位移。

圖2 上橫梁

圖3 下橫梁

圖4 拉桿、立柱和螺母

2.2 主工作缸

主工作缸（見圖5）通過31.5MPa的系統油壓產生150MN的力，壓住模具并保證護環上錐面密封，同時抵消部分超高壓水的受力。該油缸采用活塞缸結構，直徑達到?2 500mm。這種超大直徑的活塞缸設計，除了一般的缸體等零件的強度校核設計外，密封圈的選擇至關重要，需要考慮以下幾點：一是護環生產時保壓時間很長，密封圈需要能耐受長時間的高壓；二是主缸體在高壓下產生膨脹；三是隨著保壓時間的增加，油缸內的油溫會顯著升高，間接導致主缸體熱膨脹。所以，選擇和設計密封圈時須考慮該油缸的使用工況，特別是要事先設計好密封圈壓縮量以抵消主缸體的變形，防止密封圈由于壓縮量不夠導致失效。這臺設備的主缸制造完成后，我們進行了4h的保壓試驗，結果顯示正常，說明油缸設計和密封圈的選擇沒有問題。由于主缸采用的是雙向運動的活塞缸結構，又無動梁，因此可不單獨設置回程缸，簡化了裝置結構，節約了部分的投資成本。但活塞缸結構也帶來了一些問題，例如密封圈更換不易，拆裝和維修的工作量和難度大增等。

圖5 主工作缸

2.3 移動工作臺

移動工作臺的作用是工作時將工件運至壓機正中心，完工后將工件移出。因為護環脹形時靠模具與工件之間的金屬變形密封，為防止工作時產生偏心，對工件的定位要求較高，因此在移動工作臺上設置了模具定位裝置，在移動工作臺的兩側還設置了兩個鎖緊缸，工件到位后鎖緊工作臺（見圖6）。

圖6 移動工作臺

2.4 檢測系統

檢測系統也是護環脹形裝置的一個核心部件。護環在脹形過程中，由于受力、內部材料不均等各種因素的影響，工件兩端和中間段的變形量常常會不一樣，可能會形成中間凹兩端鼓起的現象，嚴重時還會產生脹裂現象。因為工件內部為超高壓水，出現脹裂現象不僅會造成工件損壞，有時還會危及操作人員的安全。因此在脹形的過程中，需要時刻監測護環兩端和中間的脹形情況，一旦發現有凹鼓跡象，應立即停止，取出工件進行重新加工后再繼續進行脹形。

在護環脹形的過程中，不但直徑方向向外脹大，高度方向也有變形，整個檢測裝置的檢測點需要隨著測點的位移變化進行變化，也就是說整個檢測系統應該是實時、動態的，這也是整個檢測裝置設計的難點之一。以往的檢測都是人工測量，不僅不準確，而且具有一定的危險性。這次采用磁致式位移傳感器（見圖7），傳感器3可以在框架1內上下進行調整，同時整個框架1可以在導軌2上滑動以調整測量距離，當工件4直徑發生變化時，可以通過傳感器3 將上、中、下三點的數值傳遞給控制室，控制室電腦設定比較值，當偏差值超過設定值時，電腦自動發出報警信號，提醒操作人員停機檢查。這套系統檢測精度可達到±1 mm，經過測試，初步實現了設計功能，但也存在一些問題，主要有兩點：一是檢測的點數還不夠多，不能完全覆蓋變形趨勢；二是測點不能隨動，影響檢測的精度；這些問題還須進一步改進。

圖7 檢測裝置

2.5 超高壓水站

超高壓水站的作用是提供高壓水動力，使工件產生變形，超高壓水站提供壓力400MPa持續而穩定的動力來源。超高壓水站盡管壓力很高，但流量相對較小，只有4L/min。這臺超高壓水站外購于專業廠商，我們只解決與超高壓水連接部位的密封和接口問題。

2.6 模具

模具由上凸凹模、減力柱、保護罩等零部件組成（見圖8）。工件按要求放置在減力柱和上下模之間，周圍安裝有保護罩，壓機壓住上模，工件與減力柱和下模之間通過錐面密封，減力柱和下模之間有兩道高壓密封，防止高壓水滲漏，打開超高壓水站，超高壓水從進口處進入，在工件內部形成高壓，迫使工件向兩邊脹形，從而實現冷脹硬化。模具和工件之間承受超高壓水的壓力，上下模和工件之間的密封非常重要，否則內部建立不起壓力；此外，超高壓水和進水口之間的密封同樣也很重要，我們設置金屬密封墊，對其變形方式進行密封，效果比較理想。

圖8 模具示意

2.7 液壓和電氣系統

整個設備的動作并不多，所以液壓和電氣控制系統相對簡單。設備總功率約190kW，液壓站油箱容量7 200L，油站設置單獨的循環過濾和冷卻系統。整個設備采用PLC控制，在控制室的顯示屏上可直觀地讀出諸如溫度、壓力、距離、液位等監控數據，并有一系列動作互鎖和安全保護設置，操作者還可以通過觸摸屏或鍵盤發出各種操作指令，整套系統簡單、直觀并且安全、可靠，使用方便。

2.8 排水系統

由于每次工作后，工件和減力柱之間的高壓水在卸壓后會直接排到地坑中，所以在設備地下還設置有積水坑，里面配置了一臺潛水泵，通過預設的管道自動將坑中的水排出。

3 結 論

150MN大型護環液壓脹形專用裝置的結構設計和開發難點主要體現在以下三方面：

超大直徑?2 500mm活塞缸的設計及制造；

隨工件變形和移動的精密檢測技術；

超高壓水站的選用和超高壓水的密封技術。

150MN大型護環液壓脹形專用裝置經過兩年的攻關，首兩件成品已順利下線，取得了階段性的成功。

[1]劉助柏，倪利勇，單銳，等.大鍛件形變新理論新工藝及關鍵技術研究的回顧與展望[J].大型鑄鍛件，2003(3):48-52.

[2]楊煜生，陶永發，曲東方，馮建國.護環液壓脹形法的新發展及外補液脹形法的生產應用[J].大型鑄鍛件，1992(3):6-9.

[3]俞新陸.液壓機的設計與應用[M].北京：機械工業出版社，2006.

[4]楊兵，曲東方，郭寶強，等.600MW 1Mn18-Cr18N護環的制造[J].大型鑄鍛件,2010(6):31-34.

[5]陶永發，楊煜生，王成林.護環液壓脹形的上限分析[J].大型鑄鍛件, 1982(2).

[6]倪洪啟，宋榮發，楊兵.護環液壓脹形變形規律的研究[J].大型鑄鍛件,2002(4).

[7]姜克云，辛向陽.護環液壓脹形法[J].大型鑄鍛件,1993(3).