板翅式換熱器高精度翅片成形關(guān)鍵技術(shù)研究及其裝備開發(fā)

王榮 董明智

摘 要 板翅式換熱器是各類氣體分離設(shè)備的熱交換器，而翅片是板翅式換熱器的關(guān)鍵部件，占整個(gè)換熱器體積的80%以上。復(fù)雜型面高精度翅片成形技術(shù)是制造中高壓高效板翅式換熱器，實(shí)現(xiàn)大型、特大型空分設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的關(guān)鍵技術(shù)。多年來(lái)，高精度翅片以其成形工藝復(fù)雜、制造精度要求高、生產(chǎn)效率低成為全球行業(yè)性技術(shù)難題。

關(guān)鍵詞 板翅式換熱器;翅片;成形;模具

引言

本論文就板翅式換熱器高精度翅片成形關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述，涉及的關(guān)鍵技術(shù)為：①?gòu)?fù)雜型面高精度翅片有限元建模;②翅片復(fù)合成形高精度數(shù)值模擬算法;③翅片回彈預(yù)測(cè)與控制技術(shù);④翅片成形設(shè)備動(dòng)力學(xué)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)。內(nèi)容包括：翅片的三維建模;3003、 3004 鋁合金帶材沖壓性能試驗(yàn);N 型、M 型、W 型復(fù)合彎曲回彈試驗(yàn);典型翅片成形及回彈過(guò)程數(shù)值模擬;翅片回彈數(shù)值分析及回彈抑制;翅片成形設(shè)備和模具的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)優(yōu)化;回彈預(yù)測(cè)及模具刀齒型面補(bǔ)償;翅片高速成形設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)分析等。

1背景

大型、特大型空分設(shè)備作為關(guān)鍵工業(yè)領(lǐng)域的重大技術(shù)裝備，其設(shè)計(jì)制造水平反映一個(gè)國(guó)家的綜合工業(yè)實(shí)力。板翅式換熱器是各類氣體分離設(shè)備的核心機(jī)，采用鋁合金錯(cuò)列鋸齒翅片制成的板翅式換熱器由于結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效率高、輕巧牢固，廣泛用于冶金、石油化工、煤化工、原子能等領(lǐng)域，目前已成為空分行業(yè)最主要的換熱器。目前鋁制錯(cuò)列鋸齒型翅片生產(chǎn)中存在的主要問(wèn)題[1]：①對(duì)錯(cuò)列鋸齒翅片復(fù)合成形機(jī)理和工藝的系統(tǒng)研究甚少，缺乏成熟的翅片成形理論支持，翅片成形回彈問(wèn)題的解決停留在經(jīng)驗(yàn)層面;②影響錯(cuò)列鋸齒翅片成形質(zhì)量的因素很多，主要問(wèn)題是回彈，目前缺乏對(duì)錯(cuò)列鋸齒翅片彎曲成形回彈規(guī)律的認(rèn)識(shí)和對(duì)回彈量的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。③在專用機(jī)床和模具的設(shè)計(jì)中缺乏可靠的工藝參數(shù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

我國(guó)是世界上對(duì)錯(cuò)列鋸齒翅片復(fù)合成形技術(shù)探索較早的國(guó)家，1975 年開封空分設(shè)備廠技術(shù)員設(shè)計(jì)了一種翅片沖床，此前只有利用該設(shè)備可以制造錯(cuò)列鋸齒翅片。由于該技術(shù)設(shè)備存在生產(chǎn)效率低（低于 60 次/分鐘）、精度差且不穩(wěn)定（高度偏差>±0.03mm，節(jié)距誤差≥ 3%、翅側(cè)垂直度α >5°，長(zhǎng)度方向還常存在扇形彎曲）、幅寬小（最大只能生產(chǎn) 450mm）、柔性低（只能生產(chǎn)少數(shù)幾種翅型）。刀具壽命低、成本高。調(diào)模要求高、難度大，往往要經(jīng)過(guò)數(shù)周反復(fù)多次的試模，才能沖出符合基本要求的翅片。通常要花費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力反復(fù)修模、試模來(lái)修正和補(bǔ)償回彈。在使用中經(jīng)常出現(xiàn)斷刀、翅片斷裂或構(gòu)連等現(xiàn)象。由于翅片成形整體精度差，因此在翅片與隔板的釬焊中焊接虛點(diǎn)多，隔板和翅片的焊接結(jié)合強(qiáng)度低，制成的板翅式換熱器成品率低，不能用于中高壓使用場(chǎng)合，目前已很難適應(yīng)現(xiàn)代換熱器企業(yè)對(duì)高壓、高效、節(jié)能的復(fù)雜翅片生產(chǎn)要求。因此找到一種可靠的方法和手段揭示錯(cuò)列鋸齒翅片的復(fù)合成形原理，分析影響成形質(zhì)量的主要因素，準(zhǔn)確確定成形工藝參數(shù)，預(yù)測(cè)并控制回彈，以此指導(dǎo)刀模具及專用翅片成形設(shè)備的設(shè)計(jì)制造，已成為目前行業(yè)中十分緊迫的任務(wù)。

2關(guān)鍵技術(shù)

復(fù)雜型面翅片的有限元建模及翅片復(fù)合成形高精度數(shù)值模擬算法;翅片回彈預(yù)測(cè)與控制技術(shù);翅片成形設(shè)備及模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

本項(xiàng)研究中，翅片制造材料采用3003、3004鋁錳合金，由于鋁合金的斷裂延伸率高，均勻塑性延伸率低，彈性模量小（只有鋼板的1/3），與傳統(tǒng)的鋼鐵材料比，其成形過(guò)程和回彈存在很大差異，目前尚未見對(duì)鋁合金薄板成形過(guò)程和回彈數(shù)值模擬的系統(tǒng)性研究報(bào)道。現(xiàn)有對(duì)成形機(jī)理和回彈問(wèn)題的研究對(duì)象主要集中在比較簡(jiǎn)單的二維沖壓件或U型、V型彎曲方面，研究結(jié)果對(duì)鋁合金錯(cuò)列翅片的成形模擬不適用，因此需要利用有限元數(shù)值模擬方法系統(tǒng)研究鋁制錯(cuò)列鋸齒翅片等復(fù)雜型面翅片的成形機(jī)理及回彈規(guī)律[2]。本項(xiàng)研究中為了實(shí)現(xiàn)錯(cuò)列鋸齒翅片的整形和抑制回彈，首次采用了上下單刀的N型、上三下二的M型、上二下三的W型復(fù)合折彎工藝，在纖維方向彎曲受限成形的同時(shí)伴隨著寬度方向的錯(cuò)列剪裁，因此屬于邊界約束和受限的三維復(fù)合彎曲成形問(wèn)題。本項(xiàng)研究首先以兩種行業(yè)最難制造的典型翅面—鋁制97JC1602（高薄齒）和40JC1505（矮厚齒）錯(cuò)列鋸齒翅片為研究對(duì)象，借助有限元件軟件模擬其復(fù)合成形過(guò)程與卸載回彈過(guò)程，研究翅片成形過(guò)程中沖壓速度、刀具齒形組合、刀具圓角半徑、彎曲加載曲線、壓邊力等對(duì)回彈的影響。在此基礎(chǔ)上通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)一步預(yù)測(cè)翅片各部分的回彈變形量，利用回彈規(guī)律進(jìn)行模具補(bǔ)償設(shè)計(jì)，以此優(yōu)化專用翅片成形機(jī)及模具的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)。從根本上提高了鋁制錯(cuò)列鋸齒翅片的制造精度，使我們開發(fā)的數(shù)控折彎沖壓機(jī)生產(chǎn)出的翅片完全能夠滿足中高壓板翅式換熱器的技術(shù)要求。

我國(guó)空分行業(yè)發(fā)展前景廣闊，我國(guó)氣體產(chǎn)業(yè)的增長(zhǎng)率是GDP增速的1.5～2倍。有報(bào)告指出“預(yù)計(jì)未來(lái)10年，氣體分離行業(yè)全國(guó)總銷售量將超過(guò)1000億元，年均增速將保持在15%左右”。近年來(lái)，隨著我國(guó)冶金、化工、煤制油、甲醇、乙烯等行業(yè)的快速發(fā)展和一大批國(guó)家重大建設(shè)項(xiàng)目的陸續(xù)實(shí)施，國(guó)內(nèi)空分設(shè)備訂單激增，供需兩旺。龐大的市場(chǎng)需求，使國(guó)內(nèi)對(duì)大型空分設(shè)備的需求迎來(lái)新一輪高峰，行業(yè)企業(yè)迫切需要用于中高壓使用場(chǎng)合的更高效、高精度的翅片成形技術(shù)和設(shè)備。

3結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)板翅式換熱器高精度翅片成形關(guān)鍵技術(shù)研究及其裝備開發(fā)，預(yù)計(jì)未來(lái)十年僅國(guó)內(nèi)翅片折彎沖壓機(jī)及配套模具和輔機(jī)的市場(chǎng)規(guī)模約在2000臺(tái)（套）以上，市場(chǎng)規(guī)模約15億元人民幣。利用本項(xiàng)目技術(shù)開發(fā)的翅片高速折彎沖壓機(jī)，可大幅降低我國(guó)空分企業(yè)的生產(chǎn)成本，獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益，開發(fā)的成套制造設(shè)備還可出口創(chuàng)匯，由此產(chǎn)生的直接和間接經(jīng)濟(jì)效益十分巨大。

參考文獻(xiàn)

[1] 王榮，董明智.高精度錯(cuò)列翅片復(fù)合成形工藝及模具技術(shù)[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2011，24（4）：53-54，52.

[2] 王松漢.板翅式換熱器[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1984：52-53.