40MN核級粉末成型油壓機關鍵技術研究

郭曉鋒，段麗華，蘇振華，房志遠，柴 星

（1.金屬擠壓與鍛造裝備技術國家重點實驗室，陜西 西安 710032；2.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032）

0 引言

近年來，我國粉末冶金材料和技術取得了快速發展[1]，粉末壓制成型及其裝備也得到了快速發展。粉末成型壓制工藝是用模沖對封閉模腔內的粉體施加壓力，致使粉體變形、粉體之間不斷機械嚙合，最終固結為具有一定尺寸、形狀以及一定密度和強度的零件或待燒結壓坯。粉末壓力成形機是完成粉末冶金件模壓成形的基礎性設備，其壓制的零件近凈成形，在機械制造、汽車、航空航天、核工業和國防軍工等領域得到了廣泛應用和飛速發展[2]。

核燃料芯體是反應堆中實現核裂變的核心部件，也是反應堆的能量源泉，工況也最苛刻[3]。因粉末壓制成型工藝能夠對粉體形成超大負載，能夠滿足金屬核燃料芯體的高密度要求，成為金屬核燃料芯體制備的重要方法。粉末成型壓機是壓制核燃料芯體的關鍵核心設備，文中重點介紹了由中國重型機械研究院研制的40MN 核級粉末成型油壓機的關鍵技術。

1 壓機的結構形式及參數

1.1 40MN 核級粉末成型油壓機結構形式

40MN 核級粉末成型壓機主機采用三梁四柱油缸上推式結構，上梁和下梁通過四組拉桿壓套組成預應力框架。主缸采用柱塞缸，安裝在上橫梁內，主缸柱塞與活動橫梁連接。側缸包括兩個活塞缸，安裝在上橫梁內，分布在主缸左右兩側，活塞桿與活動橫梁相連?；顒訖M梁在側缸的作用下，實現空程快速上下運動?；顒訖M梁與立柱壓套之間設有8 組可調節導向機構，起到運動導向作用。下梁上設有一個三工位的固定工作臺，工作臺上設有兩個可移動模架，移動模架可在中間壓制位和兩側的布料位移動。

40MN 核級粉末成型油壓機如圖1 所示。

圖1 40MN 核級粉末成型壓機結構示意圖

1.2 40MN 核級粉末成型油壓的技術參數

該粉末成型壓機采用油泵直接傳動閥控系統，采用了變量泵加比例閥的控制策略，應用速度閉環控制技術和壓力閉環控制技術，實現了速度、壓力可調可控。40MN 核級粉末成型油壓機主要參數如表1所示。

表1 40MN 核級粉末成型油壓機參數

2 核級粉末成型壓機的關鍵技術

2.1 全預應力框架結構

常見的拉桿壓套預應力結構有壓套插入式和壓套平接式兩種形式[6]，如圖2 所示。插入式結構抗偏載能力更強，而核燃料芯體粉末壓制成型基本處于中心載荷狀態，所以本文所述壓機采用平接式結構。在框架預緊時采用液壓拉伸器對壓機的四個拉桿進行拉伸，最終使拉桿總共有1.25 倍的公稱噸位的預緊力，即每根拉桿上有12.5MN 預加的拉力。在工作時，拉桿會繼續拉長，拉桿的拉應力增加，而壓套的壓應力會有一定程度的釋放。但預緊力能夠保證在設備公稱壓力時，壓套仍處于壓應力狀態，拉桿伸長量僅為非預應力結構拉桿伸長量的25%左右，對于保證制品尺寸精度具有重要意義。

“填詞首重音律，而予獨先結構”，李漁的戲劇創作非常重視結構，與承自西方小說體系的現當代小說創作中的“結構”概念不同，李漁所說的結構，其實是在強調行文的緊密性，他認為戲劇的創作應該“立主腦”且“密針線”。

采用預應力結構對提高框架剛度、抗疲勞和防松等是非常有利，能大大提高液壓機的承載能力，在現代液壓機設計理論中，全預緊組合框架結構是目前液壓機本體結構的首選形式[4-5]。拉桿壓套預應力框架結構是拉桿穿過上下橫梁和處于上下橫梁之間的壓套，通過液壓拉伸或加熱使拉桿拉長后把螺母旋緊一定角度，使拉桿處于拉應力狀態而壓套處于壓應力狀態。

圖2 壓套與橫梁連接簡圖

2.2 三工位雙模架高效工作機制

核燃料芯體粉料對移動模架運動的平穩性有較高的要求，在運動過程中不允許有抖動、振動等現象。該壓機采用高精度直線導軌作為移動模架的移動導軌，采用油缸推動移動模架在直線導軌上運動，保證了運動的平穩性。但直線導軌及其滑塊無法承受壓制時的巨大壓力，為此專門設計了浮動式的移動模架。移動模架在不受壓時，通過碟簧組浮起，與工作臺面之間保持1mm 間隙，此時移動模架可以輕松平穩的移動。當移動模架移入中間壓制工位壓制成型時，受到壓力的模架壓縮碟簧，壓縮量達到一定值時，模架與工作臺面之間的間隙變為0，模架與工作臺面接觸；此時，壓機繼續加壓，模具受到的壓力通過模架直接傳遞到工作臺上，而直線導軌和滑塊受到的壓力和僅相當于壓縮碟簧的力，此力較小，能防止壓壞直線導軌和滑塊。浮動式移動模架結構示意如圖3 所示。

冬季氣溫下降，柚子進入休眠期，冬梢不及時處理會受凍害，對明年開花結果會有影響。通過修剪能打破平衡，刺激春季樹液的流動，利于營養吸收積累，促進根系生長。修剪方法：疏除病蟲危害枝、細弱枝、內堂枝、交叉枝、著生部位過密枝條。修剪后，及時噴施清園藥劑保護傷口。

2.3 高承壓可移動模架技術

核燃料芯體的壓制成型前，需要先將粉末布入模具型腔，因對布料均勻性有著很高的要求，其布料過程往往耗時較長。以前的核燃料成型壓機只有中間一個工位，需要等布料好料之后才能壓制，設備的布料等非壓制時間很長，效率非常低。

本壓機設計有一個三工位的工作臺，其中壓機中心的中間位為壓制工位，左右兩側分別有一個布料工位，工作臺上設有左右兩個可移動模架，模架上安裝模具。其中左移動模架可以在壓制位和左側布料位之間移動切換，右移動模架可以在壓制位和右側布料位之間移動切換。工作時，一個模架在壓制位壓制成型，另一個則在其一側的布料位進行布料；壓制完成后的模架則移出壓制位到相應側的布料位重新布料，而另一側已布粉料的模架則移入中間壓制位進行壓制成型；如此左右交替，極大地縮短了非壓制待機時間，提高了生產效率。

圖3 浮動式移動模架結構示意圖

這樣就實現了移動模架既可以平穩的在布料位和壓制位之間移動，又能在壓制位承受壓制成型時所產生的巨大壓力，解決了布料和壓制工序分工位執行的關鍵難題。

2.4 高穩定低速加壓控制技術

核燃料芯體的壓制成型要求的加壓速度比較低，且要求速度可設定，并對速度的穩定性有很高的要求。主缸加壓閥塊主要由進油閥和高頻響比例閥組成，進油閥采用插裝開關閥，高頻響比例閥用于旁路節流調速，主缸進液閥塊原理如圖4 所示。高頻響比例閥選用力士樂4WRPEH10…3X 系列，該閥具有IO-Link 接口，并配備HNC 數位閉環控制器。

圖4 主缸加壓控制閥塊

在該壓機液壓系統中，同時與主缸相連設有比例溢流閥和壓力傳感器。通過該比例溢流閥可實現壓力設定，根據工藝要求可設定不同壓力，防止壓制時超壓壓毀產品和模具。

2.5 超長時間平穩保壓技術

主機活動橫梁上帶有高精度高分辨率位移傳感器，其信號直接接入HNC 數位閉環控制器，閉環控制器可對位移傳感器的速度信號快速處理并向高頻響閥發出操作指令，快速調整比例閥的開口來調節旁路排液速度，從而實現速度的閉環調整。因速度信號直接通過HNC 數位閉環控制向高頻響閥分發指令，無需經過上位機處理，指令分發速度更快。同時，4WRPEH 高頻響電磁閥的滯環精度小于0.2%，信號從0～100%的響應時間僅為25ms，采用以上液壓控制回路，加壓速度可以精確的控制在所設定的低速值，精度高達±0.02mm/s。實際使用來看，傳感器輸出的速度在上位機速度顯示，顯示值為小數點后1 位，速度顯示值基本保持恒定不變，控制效果非常出色，完全滿足使用要求。

粉末壓制成型需要在達到一定壓力后保持壓力一定的時間，保壓時的壓力應盡可能保持穩定。該單位的老舊粉末壓機在達到壓力后即關閉進排液閥，但因系統泄漏等緣故，在保壓過程中壓力下降較大，有時候中途還需要人工判斷并補壓幾次，這樣的保壓過程壓力波動較大，對制品的品質有一定的影響。而本壓機液壓系統設有專門的小流量保壓泵，并通過比例閥向主缸供保壓油，與主缸的比例溢流閥共同實現壓力閉環保壓控制技術，即在壓制壓力達到設定值后即進入保壓狀態，此時主泵停止供油，僅保留小流量保壓泵通過比例閥繼續向主缸動態供油，同時壓力傳感器實時監測主缸壓力，通過上位機程序自動判斷并指令比例閥調整開口，從而調整保壓油的供給，進而實現主缸壓力的閉環控制，能夠滿足超長時間平穩保壓的要求。

3 結論

通過本文的研究可以得出如下結論：

調查統計不同景天品種在生長第30天時它們的平均生根數、平均根長狀況。結果表明，不同的試驗基質對景天莖段扦插條生根的作用有不同效果。從表4可以看到，6個景天品種莖段插條在以粗砂、珍珠巖、草炭等比混合基質中的平均根數最多，達到35.6個，在珍珠巖和純草炭基質中平均根數相當，分別是23.2個和26.1個，在基質粗砂中平均根數最少，為17.2個。原因可能是粗沙保水、保肥力差，導致品種莖段生根數不多。珍珠巖基質的通氣性好，在與草炭、粗沙混合后的基質通氣性增加，保水、保肥力得以提高，品種莖段平均生根數在混合基質表現的較多。

（1）采用預應力框架能極大地提高壓機框架的剛度，保障了產品的壓制精度；

（2）三工位雙高承壓可移動模架的應用，將粉末成型的布料和壓制分開在不同工位進行，極大地提高了生產效率；

探地雷達(簡稱GPR) 勘探是一種對地下結構或者不可見物體進行探測的技術, 它利用地下介質的介電差異性，通過發射高頻寬帶脈沖電磁波，經過介質差異轉換面的吸收和反射，接受來自地下介質的實時動態響應信息。對采集圖像作濾波和去噪處理，通過對波形、振幅、頻率、相位、同相軸和異常信號的識別整體判讀地下介質的組成分布及特征、目標深度以及位置和規模等[7-9]。利用對數據處理和數字圖像的深度處理技術，對地下介質目標進行再現處理，重構地下媒介的基本特征，達到精細探測目的，為數據解譯提供可靠的理論和技術基礎。其工作原理如圖3所示。

（3）采用高頻響比例閥組成的旁路節流系統，實現了加壓速度的設定和閉環控制，可以精確控制壓頭的壓制速度；

神經周浸潤（perineural invasion，PNI）是指腫瘤細胞侵入、圍繞或者穿過神經的現象，是引起腫瘤患者疼痛的主要因素，也是結直腸癌患者發生復發和轉移的重要機制。美國國立綜合癌癥網絡（National Comprehensive Cancer Network，NCCN）指南已將PNI列為Ⅱ期結直腸癌局部復發的高危因素。而且研究發現，伴有PNI的Ⅲ期結直腸癌患者預后明顯較差[10]。有學者認為，PNI可作為預測結直腸癌患者預后的獨立因子[11]。

城市化進程的加速使城市的建設區域得到了進一步的擴張，在傳統的城市規劃中，通常采取設置下水井的方式實現對雨水的有效處理，其不僅影響了水資源的正常循環，也減少了地下水，造成了城市局部地區水量的增加，一旦發生強降雨，會導致下水道無法及時排水，使城市產生內澇，對城市的健康發展產生了巨大的影響[1]。城市公園景觀是城市化發展中的核心，水資源在公園景觀中發揮了至關重要的作用，其不僅可以提高景觀的觀賞性和靈動性，同時也有利于改善城市公園的整體環境、城市公園景觀的美化以及城市公園環境。

（4）設置專門的保壓泵和比例閥和比例溢流閥實現了加壓壓力的設定和保壓狀態的壓力閉環控制，保證了超長時間保壓的平穩性，對提高產品質量具有重要意義。