一種超高壓板片成型液壓機(jī)設(shè)計(jì)

李瑩

（天津帝廣機(jī)電設(shè)備有限公司，天津 300403）

近年來(lái)，隨著我國(guó)板式換熱器行業(yè)的快速發(fā)展，大型化、高效化、節(jié)能化成為換熱器產(chǎn)品的主要趨勢(shì)。板式換熱器的核心部件是波紋板片[1]，板片厚度通常為0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm。板片采用極精密的模具一次沖壓成型，因?yàn)橐淮纬尚偷陌迤哂邢嗤木萚2]。只有保證板片的沖壓精度，板式換熱器才能在較高的壓力下正常運(yùn)行，承受系統(tǒng)的壓力沖擊。換熱器的升級(jí)對(duì)板片成型液壓機(jī)的工作效率、壓制精度和性能提出了更高要求，越來(lái)越多企業(yè)需要大噸位、超高壓、高精度的板片液壓機(jī)。預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞液壓機(jī)以其具有體積小、質(zhì)量輕、無(wú)爆炸風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)勢(shì)，得到了廣泛應(yīng)用。

文章介紹了一種超高壓板片成型液壓機(jī)結(jié)構(gòu)。該液壓機(jī)采用預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞機(jī)架和超高壓工作油缸，具有體積小、質(zhì)量輕、抗疲勞性能好的特點(diǎn)。通過(guò)使用超高壓（80～130 MPa）液壓技術(shù)，液壓機(jī)可以在很小的結(jié)構(gòu)空間內(nèi)達(dá)到較高的壓制強(qiáng)度要求，實(shí)現(xiàn)減輕壓機(jī)質(zhì)量，降低壓機(jī)質(zhì)量系數(shù)的目的。采用超高壓液壓技術(shù)的液壓機(jī)質(zhì)量?jī)H為相同噸位普通液壓機(jī)的1/2，甚至達(dá)到1/3[3]。該液壓機(jī)的公稱壓力為10～430 MN，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，設(shè)備穩(wěn)定，板片產(chǎn)品質(zhì)量高，受到用戶歡迎。

1 板片成型液壓機(jī)結(jié)構(gòu)及成型工藝

板片成型液壓機(jī)主要用于鈦板、不銹鋼板等大型板式換熱器板片的壓制成型，其成型精度高，壓制速度快，自動(dòng)化程度高。該液壓機(jī)主要由主機(jī)、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和冷卻輔助系統(tǒng)4 個(gè)部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 板片成型液壓機(jī)結(jié)構(gòu)

液壓機(jī)主體采用預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞框架結(jié)構(gòu)，主要由框架、主油缸、活動(dòng)橫梁、可移動(dòng)工作臺(tái)、4 個(gè)回程缸、4 個(gè)導(dǎo)向柱裝置等組成。其中，框架為組合式框架，由上半圓梁、下半圓梁、立柱和鋼絲層等組成。下模與液壓機(jī)下工作臺(tái)連接，上模與滑塊連接固定。

板片成型工藝流程如下：將板片放入下模具中→滑塊快下→滑塊慢下→增壓→保壓→卸壓→滑塊快回→停止。該液壓機(jī)可手動(dòng)控制，操作相應(yīng)的功能按鈕完成相應(yīng)的動(dòng)作，也可實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)控制，即每按1 次按鈕完成1 次液壓機(jī)的成型工作。

2 板片成型液壓機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備

2.1 液壓缸

板片成型液壓機(jī)的核心部件是液壓缸，其強(qiáng)度和使用壽命關(guān)系液壓機(jī)能否正常使用。使用預(yù)應(yīng)力技術(shù)來(lái)增強(qiáng)液壓缸的承載能力，預(yù)先在液壓缸內(nèi)壁建立相關(guān)的切向壓應(yīng)力，使其能夠與液壓機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的拉應(yīng)力疊加，達(dá)到降低或抵消液壓缸壁上切向拉應(yīng)力的目的，使液壓缸始終處于切向壓應(yīng)力或壓應(yīng)變狀態(tài)。采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)的液壓機(jī)，其液壓缸的承載能力可提高2 倍以上[4]。

板片成型液壓機(jī)采用預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞結(jié)構(gòu)的預(yù)緊方式，把所需的鋼絲按照設(shè)計(jì)的張力數(shù)值逐圈逐層纏繞在缸芯筒的外壁上。使用的預(yù)應(yīng)力纏繞鋼絲是一種高強(qiáng)度的冷拔鋼絲。此外，油缸液體公稱壓強(qiáng)較低，為70～90 MPa，降低了對(duì)油缸材料的強(qiáng)度要求，而且柱塞直徑大，工件成型均勻。主油缸安裝于上半圓梁下面，采用正裝式結(jié)構(gòu)，安裝維修方便。

2.2 框架

板片成型液壓機(jī)的另一關(guān)鍵部件為框架。框架要具有足夠高的強(qiáng)度、剛度，以及足夠長(zhǎng)的使用壽命。傳統(tǒng)液壓機(jī)本體制造的缺陷是單個(gè)零件質(zhì)量過(guò)大，在制造、安裝、運(yùn)輸和調(diào)試過(guò)程中存在巨大風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)計(jì)的板片成型液壓機(jī)框架采用預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞結(jié)構(gòu)，由上半圓梁、下半圓梁及立柱組成，經(jīng)鋼絲預(yù)緊纏繞成一個(gè)整體，提高了制造、運(yùn)輸和安裝調(diào)試的可靠性，降低了成本，縮短了制造周期[5-6]。鋼絲纏繞機(jī)架示意圖如圖2 所示。鋼絲的總預(yù)緊力設(shè)計(jì)值一般可取公稱力的1.2 倍。

圖2 鋼絲纏繞機(jī)架

該框架利用了冷軋鋼帶強(qiáng)度高的特點(diǎn)，其強(qiáng)度為高品質(zhì)鍛件的2～3 倍，雖然在預(yù)緊和工作時(shí)承受較大的拉應(yīng)力，但應(yīng)力波動(dòng)幅度小，僅是預(yù)拉應(yīng)力的1/10 左右，因此抗疲勞載荷能力高，框架立柱始終處于壓應(yīng)力狀態(tài)，不易被破壞。與一般框架結(jié)構(gòu)相比，此框架應(yīng)力集中的部位更少[7]，故而廣泛應(yīng)用于各種超高壓液壓機(jī)設(shè)備。采用此框架結(jié)構(gòu)的液壓機(jī)質(zhì)量輕、體積小、抗疲勞性能好，易于制造，物料成本低。

對(duì)于一臺(tái)纏繞機(jī)架來(lái)說(shuō)，除要進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度、剛度計(jì)算外，確保纏繞工藝的準(zhǔn)確性同樣至關(guān)重要。纏繞工藝的實(shí)現(xiàn)需要借助鋼絲纏繞機(jī)。圖3 為載重200 t 的鋼絲纏繞機(jī)，配備獨(dú)有的拉力保持和控制系統(tǒng)，能夠保證鋼絲纏繞的精確度。

圖3 200 t 鋼絲纏繞機(jī)

2.3 回程缸

板片成型液壓機(jī)具有4 個(gè)下置式回程缸，用于實(shí)現(xiàn)活動(dòng)橫梁的回程動(dòng)作。將回程缸置于液壓機(jī)的機(jī)座上，推動(dòng)連接在活動(dòng)橫梁上的導(dǎo)柱，利用回程缸無(wú)桿腔的推力，將工作臺(tái)推回最高端。回程缸安裝于機(jī)身前后端的外側(cè)，安裝、維護(hù)方便。活動(dòng)橫梁始終由回程缸托起，即使回程缸出現(xiàn)任何故障，工作臺(tái)也不會(huì)因失重落下，安全性高。

2.4 活動(dòng)橫梁

活動(dòng)橫梁安裝于主油缸下平面，下平面上還安裝有過(guò)渡墊板，墊板上加工有T 型槽，用于安裝模具。過(guò)渡墊板有助于液壓機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的表面磕碰損壞問(wèn)題的維修。在設(shè)備維修時(shí)，只需拆下墊板即可進(jìn)行修理，簡(jiǎn)單方便。活動(dòng)橫梁運(yùn)動(dòng)采用導(dǎo)向柱導(dǎo)向，避免導(dǎo)軌導(dǎo)向在加壓時(shí)由于立柱自身變形造成的導(dǎo)向精度差的問(wèn)題。移動(dòng)工作臺(tái)安裝于下半圓梁上平面，采用油缸驅(qū)動(dòng)，可移出到機(jī)架外側(cè)，方便更換模具。

2.5 液壓系統(tǒng)

液壓部分采用往復(fù)式增壓器，滿足大型液壓機(jī)的大流量需求，相較于單作用增壓器，具有流量大、體積小的優(yōu)勢(shì)。往復(fù)增壓器是雙行程增壓器，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)增壓，液壓能利用率較高。

2.6 傳動(dòng)控制系統(tǒng)

液壓機(jī)的液壓傳動(dòng)控制系統(tǒng)由能量轉(zhuǎn)換裝置、能量調(diào)節(jié)控制裝置、輔助液壓裝置和液壓附件組成。其中：能量轉(zhuǎn)換裝置包含電機(jī)、泵、液壓缸、增壓器等部件；能量調(diào)節(jié)控制裝置包含方向閥、各種壓力閥、保壓閥、各種控制閥等部件；輔助液壓裝置包含油箱、管路、支架等部件；液壓附件包含接頭、各種法蘭、液位計(jì)、濾油器等部件。上述裝置在電氣系統(tǒng)的控制下完成所需機(jī)械動(dòng)作的循環(huán)。

液壓機(jī)壓強(qiáng)測(cè)量元件采用壓強(qiáng)傳感器+電接點(diǎn)壓強(qiáng)表，調(diào)壓控制元件采用溢流閥調(diào)定，安裝彩色觸摸屏用于顯示和控制壓強(qiáng)，壓強(qiáng)顯示精度可達(dá)到0.1 MPa。保壓壓強(qiáng)可在觸摸屏上設(shè)定，保壓時(shí)間也可預(yù)置。

電氣控制系統(tǒng)采用進(jìn)口可編程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作為主控制器，通過(guò)電磁閥、行程控制裝置和傳感器，控制整個(gè)液壓機(jī)系統(tǒng)的液壓油壓力、壓頭所處位置、故障報(bào)警信號(hào)等，設(shè)有液壓機(jī)全部功能的按鈕。為保證液壓機(jī)動(dòng)作和系統(tǒng)的可靠性，在集中控制中心設(shè)有急停按鈕。

此外，該壓機(jī)具有位置保護(hù)、操作保護(hù)、超壓保護(hù)等多重安全保護(hù)功能。在活動(dòng)橫梁和移動(dòng)工作臺(tái)處安裝有位移傳感器，監(jiān)測(cè)動(dòng)橫梁的上下極限位置、工作位置以及移動(dòng)工作臺(tái)的移進(jìn)、移出位置，若位置不正確則液壓機(jī)無(wú)法運(yùn)行。在壓機(jī)送料、出料位置設(shè)置有紅外發(fā)射、接收裝置，若操作不當(dāng)則液壓機(jī)停止工作，以確保人員安全。程序中還設(shè)置了極限壓力保護(hù)點(diǎn)，一旦超過(guò)預(yù)設(shè)的壓強(qiáng)閾值，系統(tǒng)將立即啟動(dòng)卸壓機(jī)制。此外，系統(tǒng)采用機(jī)械表和電子表雙重測(cè)量方法，確保測(cè)量壓強(qiáng)值的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)極限壓強(qiáng)保護(hù)。

3 板片成型液壓機(jī)動(dòng)作流程

板片成型液壓機(jī)動(dòng)作流程如下。滑塊快下（無(wú)須動(dòng)力），充液閥在活動(dòng)橫梁重力的作用下打開，充液箱內(nèi)油經(jīng)充液閥快速充液到主油缸中，回程缸回油，實(shí)現(xiàn)空程快速下降。當(dāng)上模快接觸到工件時(shí)，活動(dòng)橫梁碰到行程開關(guān)，回程缸產(chǎn)生背壓，活動(dòng)橫梁不再通過(guò)重力作用下降，開始慢速下降。上模與工件接觸后，隨著工件變形抗力的增加，主缸上腔油壓升高，主泵供油加壓。當(dāng)液壓泵加壓達(dá)到預(yù)先設(shè)置的壓強(qiáng)時(shí)，壓強(qiáng)傳感器發(fā)出信號(hào)，泵通過(guò)換向閥供油以驅(qū)動(dòng)增壓器不間斷地工作，高壓油通過(guò)超高壓?jiǎn)蜗蜷y進(jìn)入主缸實(shí)現(xiàn)增壓功能。當(dāng)壓強(qiáng)達(dá)到規(guī)定值時(shí)，泵處于卸荷狀態(tài)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)為保壓狀態(tài)。保壓時(shí)間結(jié)束，開啟泄壓閥，主缸中的液壓油平穩(wěn)快速地卸壓。充液閥開啟，活動(dòng)橫梁通過(guò)回程缸實(shí)現(xiàn)回程，將主缸內(nèi)的油壓回充液箱。

4 應(yīng)用效果

圖4 為雙缸雙框架20 000 t 板片液壓機(jī)，于2013 年投入使用。該設(shè)備精度高、液壓系統(tǒng)穩(wěn)定、故障率低、可靠性好，能較好地滿足生產(chǎn)需求。目前，已生產(chǎn)近百臺(tái)同系列不同噸位的液壓機(jī)，均運(yùn)行良好，維修率較低。

圖4 雙缸雙框架20 000 t 板片液壓機(jī)

5 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)的板片成型液壓機(jī)采用超高壓液壓，能夠在較小的結(jié)構(gòu)空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高的壓制強(qiáng)度，滿足了板式換熱器行業(yè)對(duì)于板片的壓制需求。液壓機(jī)的機(jī)架和主油缸采用先進(jìn)的預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞技術(shù)，能夠減輕液壓機(jī)的質(zhì)量，提高其抗疲勞性能。液壓機(jī)采用了下置式回程缸、可移動(dòng)工作臺(tái)等設(shè)備，提高了安全性和可操作性，同時(shí)其結(jié)構(gòu)輕巧、尺寸小、制造運(yùn)輸方便、成本低，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。