條形金屬板材拉伸機(jī)的設(shè)計與應(yīng)用*

郭宇超，李媛媛，王秀敏

(1.黑龍江東方學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)部，黑龍江 哈爾濱 150060； 2.哈爾濱興隆鍋爐有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000)

0 引 言

空氣預(yù)熱器作為鍋爐的輔助熱交換設(shè)備，在機(jī)組鍋爐運行的整個過程中起著十分重要的作用。回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器，其自身具有布置方便，不易堵灰，便于清理的特點，作為電站鍋爐應(yīng)用最為廣泛的產(chǎn)品。如圖1所示，回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，隔板將回轉(zhuǎn)倉分成許多扇形區(qū)域，每個扇形倉內(nèi)的蓄能原件隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，交替通過空氣側(cè)和煙氣側(cè)[1]。

圖1 回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

隔板的彎曲形狀決定了空氣預(yù)熱器的諸多技術(shù)參數(shù)，特別是對于寬長比系數(shù)小的條形板材，在裝配制造前，解決其彎曲狀態(tài)，是極為重要的問題，筆者通過研究金屬板材彎曲變形的特性，以及改變金屬板材彎曲的方法，設(shè)計了板材拉伸矯直設(shè)備，以達(dá)到減少條形金屬板材撓度彎曲量的目的，從而用以解決當(dāng)前類似的問題。

1 拉伸機(jī)的設(shè)計方案

1.1 拉伸板材的主要參數(shù)

如圖1所示，回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器中的隔板材料為Q235，長度為7 000 mm，隔板寬度范圍為200～250 mm，隔板厚度規(guī)格為8 mm、10 mm和12 mm。根據(jù)材質(zhì)的拉伸特性，確定板材的拉伸率為2.5%～4%，板材拉伸速度約為6～20 mm/s，板材屈服強(qiáng)度范圍為240～350 MPa。

1.2 拉伸機(jī)的工作原理

目前，工業(yè)上已經(jīng)研制成功的拉伸矯直方法主要有輥式矯直、拉伸矯直、壓力矯直和拉彎矯直方法等。結(jié)合上述板材的參數(shù)，針對單張板材操作，按拉伸矯直法，研究設(shè)計的設(shè)備可以滿足制造要求[2]。

矯直與彎曲是相反的兩個工藝過程，但它們的變形機(jī)理相同。不同金屬都有不等的彈性極限，即使在塑性變形條件下仍然伴隨著彈性變形。彈性變形意味著勢能的貯存，表現(xiàn)為彈性返回的能力，可以完全返回原狀的變形為純彈性變形，否則為彈塑性變形[3]。為了消除這種現(xiàn)象需要在拉伸機(jī)上進(jìn)行矯直。由于實際材料的強(qiáng)化特性并不是很大，一般經(jīng)過1～2次拉伸都可達(dá)到矯直目的。

拉伸機(jī)矯直原理是利用鉗口咬住金屬板材的兩端并施以足夠的拉力, 使板材產(chǎn)生塑性拉伸變形, 使其拉伸方向長短不齊的纖維長度趨于基本相等后, 卸掉外力時以相等的彈復(fù)量恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài), 達(dá)到拉伸矯直的目的[3]。

如圖2所示，金屬板材拉伸機(jī)主體結(jié)構(gòu)主要由液壓缸、連接軸、移動端夾持裝置、支撐輪、床身、固定端夾持裝置、固定齒條和楔形齒條等組成。其工作原理是將板材的一端通過預(yù)緊力安裝在移動端的鉗口處，移動端夾持裝置通過連接軸與液壓缸同步運動，板材的另一端通過預(yù)緊力夾持在固定端，靠楔形摩擦力抵抗油缸對板材的拉力，利用楔形齒條和固定齒條將作用力通過床身分解。

圖2 金屬板材拉伸機(jī)主體結(jié)構(gòu)1.液壓缸 2.連接軸 3.移動端夾持裝置 4.支撐輪 5.床身 6.拉伸板材 7.固定端夾持裝置 8.固定齒條 9.楔形齒條

1.3 拉伸機(jī)的夾持結(jié)構(gòu)

如圖3所示，固定端的夾持裝置由床身、固定齒條、虎鉗體、壓蓋、壓蓋螺釘、預(yù)緊壓板、預(yù)緊螺栓、楔形齒條、楔形連接板、緊固螺釘、平鍵、上鉗口壓板、下鉗口壓板、導(dǎo)向托板和導(dǎo)向螺釘組成。

拉伸機(jī)的夾持裝置由前后兩套夾持裝置組成，移動端夾持裝置受油缸作用對板材產(chǎn)生拉力，滿足一定的拉伸行程；固定夾持裝置將板材夾緊并起到固定作用。板材拉伸前，應(yīng)通過預(yù)緊螺栓7將板材固定預(yù)夾緊在上鉗口壓板12和下鉗口壓板13之間，楔形連接板9在預(yù)緊螺栓7的拉力下，沿固定壓蓋4的斜面滑動，楔形連接板9通過緊固螺釘10和平鍵11與上鉗口壓板12一起向下移動，實現(xiàn)預(yù)夾緊功能。進(jìn)行拉伸時，板材在預(yù)緊力的影響下，通過楔形連接板9、壓蓋4、虎鉗體3、楔形齒條8、固定齒條2最終作用于床身1，起到夾緊和固定作用[4]。

圖3 固定端的夾持裝置1.床身 2.固定齒條 3.虎鉗體 4.壓蓋 5.壓蓋螺釘 6.預(yù)緊壓板 7.預(yù)緊螺栓 8.楔形齒條 9.楔形連接板 10.緊固螺釘11.平鍵 12.上鉗口壓板 13.下鉗口壓板 14.導(dǎo)向托板15.導(dǎo)向螺釘

2 拉伸機(jī)的主要參數(shù)設(shè)計

2.1 拉伸力

拉伸力作為拉伸矯直機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)，在設(shè)計和實際工作中，都是十分重要的，是需要進(jìn)行計算和校核的參數(shù)。

為了保證板材能夠產(chǎn)生必要的拉伸變形,對于接近理想彈塑性的金屬可以不考慮強(qiáng)化影響。按工件的橫截面積A和彈性極限σt來計算，由于實際材料的強(qiáng)化特性并非很大，所以拉力F的確定一般可用下式計算：

F=A×σs=B×H×σs

式中：F為拉伸時板材所需拉力，kN；σs為拉伸板材的屈服強(qiáng)度，MPa；B為板材寬度，mm；H為板材厚度，mm。

結(jié)合拉伸板材的參數(shù)指標(biāo)，按表1所列數(shù)據(jù)進(jìn)行拉力計算。

表1 不同規(guī)格板材參數(shù)指標(biāo)

板材Ⅰ和板材Ⅱ分別滿足的理論拉伸力為423 kN和564 kN，所以按板材Ⅱ的參數(shù)設(shè)計實際拉伸力：

F實=K×F=1.2×564 kN=677 kN

式中：F為拉伸時板材所需拉力，N；F實為實際拉伸力，N。

所以，拉伸機(jī)的設(shè)計拉伸力放大為700 kN。

2.2 液壓缸參數(shù)

在確定拉伸力的基礎(chǔ)上，為了保證設(shè)備功能的實現(xiàn)，必須采取液壓系統(tǒng)控制才能實現(xiàn)拉伸矯直的目的。液壓缸作為液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件，首先應(yīng)結(jié)合理論拉伸力來確定液壓缸的參數(shù)：

S=π×(D2-d2)

式中：F實為實際拉伸力，kN；S′為凈面積，mm2；S為活塞拉作用力的有效面積，mm2；P為額定壓力，MPa；D為活塞直徑，mm；d為活塞桿直徑，mm。

目前市場上有各類型的液壓缸，通過參數(shù)計算及廠商提供的技術(shù)樣本，可以完成選型采購。表2所列為某企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)液壓缸技術(shù)規(guī)格，結(jié)合上述計算內(nèi)容，按實際拉力700 kN，優(yōu)先選擇Ⅳ號液壓缸，即速度比為1.46時，承載拉力879.65 kN，可以滿足極限使用條件。

表2 某企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)液壓缸技術(shù)規(guī)格

2.3 楔形摩擦角

拉伸機(jī)的夾持裝置中，鉗口的設(shè)計需要考慮到，一方面，保證能夠提供足夠大的摩擦力，以滿足拉伸矯直的功能，另一方面，夾持力不能過大，以免損壞板材表面。按咬合面積為48 400 mm2(220 mm×220 mm)進(jìn)行夾持，鉗口需要提供700 kN的拉力，夾持裝置的上鉗口形狀和夾持體左右的受力面按楔形設(shè)計。

夾持鉗口的受力如圖4所示，蓋板滑塊可以沿楔形連接板滑道在楔形體上自由滑動，首先通過預(yù)緊螺釘夾緊板材，當(dāng)夾緊后液壓缸帶動鉗口拉動板材。液壓缸帶動夾持裝置移動，使滑塊和滑道之間產(chǎn)生相對滑動，滑道對滑塊的正壓力N2和工件對滑塊的正壓力N1逐漸增大，水平和豎直方向達(dá)到平衡狀態(tài)[5-7]。

圖4 夾持鉗口的受力

由圖4得到力平衡方程為：

N1μ1=N2(sinα+μ2cosα)

N1=N2(sinα+cosα)

式中：μ1為板材和T10鋼的摩擦系數(shù)；μ2為滑塊與楔形體的摩擦系數(shù)；N1為工件對滑塊的壓力；N2為滑道對滑塊的壓力。

解得楔形摩擦角：

3 液壓系統(tǒng)控制設(shè)計

液壓系統(tǒng)控制主要由動力元件、控制元件、執(zhí)行元件和輔助元件組成[8]。如圖5所示，液壓控制系統(tǒng)原理圖中，液壓缸3的活塞向左運動時為拉伸作用，向右運動為回程運動；換向閥4可以選用電磁或手動控制方式，以三位五通為例；左位接通時，拉伸機(jī)處于回程狀態(tài)，右位接通時，處于拉拔狀態(tài)，中位接通不工作；節(jié)流閥或調(diào)速閥按流量或速度調(diào)節(jié)狀態(tài)控制板材拉伸；柱塞泵8作為液壓系統(tǒng)的動力元件，配合溢流閥7將調(diào)節(jié)系統(tǒng)額定壓力滿足16 MPa；其它裝置屬于輔助系統(tǒng)，有其自身的用途和特點。

圖5 液壓控制系統(tǒng)原理圖1.連接軸 2.液壓缸 3.活塞 4.換向閥 5.節(jié)流閥 6.啟停閥 7.溢流閥 8.柱塞泵 9.濾油器 10.油箱

4 應(yīng)用效果

原有預(yù)熱器機(jī)組在裝配過程中，由于條形隔板的撓度變形較大，為了符合設(shè)計要求，企業(yè)必須進(jìn)行人工矯直，但由于隔板的變形規(guī)律性較小，人工矯直的效果不穩(wěn)定，難以保證裝配精度，嚴(yán)重影響機(jī)組運轉(zhuǎn)

的平穩(wěn)性。此外，隔板的數(shù)量較多，從工時要求上需要花費大量時間來進(jìn)行此項工藝操作。一方面，制造成本大大增加；另一方面，從整體上延長了制造周期，同時，加工質(zhì)量也難以保證。所以，通過金屬板材拉伸機(jī)的應(yīng)用，從技術(shù)方面，解決了預(yù)熱器在安裝過程的難題，提高了裝配精度；從經(jīng)濟(jì)方面，節(jié)約了成本，縮短了制造周期。

5 結(jié) 語

條形金屬板材拉伸機(jī)的設(shè)計從改善板材彎曲形狀著手，拉伸機(jī)的控制采用液壓系統(tǒng)控制，通過大口徑油缸實現(xiàn)較大的拉伸力，結(jié)合不同的變形狀態(tài)，計算不同的拉伸力，經(jīng)過一次或兩次塑性變形實現(xiàn)拉伸和矯直功能。拉伸機(jī)床身采用板材焊接結(jié)構(gòu)，具有一定的抗變形能力，同時具有制造周期短，成本低的特點。拉伸機(jī)的夾持結(jié)構(gòu)，巧妙運用楔形夾緊裝置完成對板材工件的夾持，將拉伸作用力通過楔形齒條傳遞到床身固定齒條上實現(xiàn)了作用力的分解功能。條形金屬板材拉伸機(jī)的設(shè)計與應(yīng)用，改善了制造工藝的先進(jìn)性，提高了生產(chǎn)效率，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，對同類產(chǎn)品的設(shè)計和制造具有一定的推廣作用。