一種超高壓板片成型液壓機設計

李瑩

（天津帝廣機電設備有限公司，天津 300403）

近年來，隨著我國板式換熱器行業的快速發展，大型化、高效化、節能化成為換熱器產品的主要趨勢。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，因為一次成型的板片具有相同的精度[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行，承受系統的壓力沖擊。換熱器的升級對板片成型液壓機的工作效率、壓制精度和性能提出了更高要求，越來越多企業需要大噸位、超高壓、高精度的板片液壓機。預應力鋼絲纏繞液壓機以其具有體積小、質量輕、無爆炸風險等優勢，得到了廣泛應用。

文章介紹了一種超高壓板片成型液壓機結構。該液壓機采用預應力鋼絲纏繞機架和超高壓工作油缸，具有體積小、質量輕、抗疲勞性能好的特點。通過使用超高壓（80～130 MPa）液壓技術，液壓機可以在很小的結構空間內達到較高的壓制強度要求，實現減輕壓機質量，降低壓機質量系數的目的。采用超高壓液壓技術的液壓機質量僅為相同噸位普通液壓機的1/2，甚至達到1/3[3]。該液壓機的公稱壓力為10～430 MN，經過長時間運行，設備穩定，板片產品質量高，受到用戶歡迎。

1 板片成型液壓機結構及成型工藝

板片成型液壓機主要用于鈦板、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，自動化程度高。該液壓機主要由主機、液壓系統、電氣控制系統和冷卻輔助系統4 個部分組成，結構如圖1 所示。

圖1 板片成型液壓機結構

液壓機主體采用預應力鋼絲纏繞框架結構，主要由框架、主油缸、活動橫梁、可移動工作臺、4 個回程缸、4 個導向柱裝置等組成。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。下模與液壓機下工作臺連接，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。該液壓機可手動控制，操作相應的功能按鈕完成相應的動作，也可實現半自動控制，即每按1 次按鈕完成1 次液壓機的成型工作。

2 板片成型液壓機的關鍵設備

2.1 液壓缸

板片成型液壓機的核心部件是液壓缸，其強度和使用壽命關系液壓機能否正常使用。使用預應力技術來增強液壓缸的承載能力，預先在液壓缸內壁建立相關的切向壓應力，使其能夠與液壓機工作時產生的拉應力疊加，達到降低或抵消液壓缸壁上切向拉應力的目的，使液壓缸始終處于切向壓應力或壓應變狀態。采用預應力技術的液壓機，其液壓缸的承載能力可提高2 倍以上[4]。

板片成型液壓機采用預應力鋼絲纏繞結構的預緊方式，把所需的鋼絲按照設計的張力數值逐圈逐層纏繞在缸芯筒的外壁上。使用的預應力纏繞鋼絲是一種高強度的冷拔鋼絲。此外，油缸液體公稱壓強較低，為70～90 MPa，降低了對油缸材料的強度要求，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，采用正裝式結構，安裝維修方便。

2.2 框架

板片成型液壓機的另一關鍵部件為框架。框架要具有足夠高的強度、剛度，以及足夠長的使用壽命。傳統液壓機本體制造的缺陷是單個零件質量過大，在制造、安裝、運輸和調試過程中存在巨大風險。設計的板片成型液壓機框架采用預應力鋼絲纏繞結構，由上半圓梁、下半圓梁及立柱組成，經鋼絲預緊纏繞成一個整體，提高了制造、運輸和安裝調試的可靠性，降低了成本，縮短了制造周期[5-6]。鋼絲纏繞機架示意圖如圖2 所示。鋼絲的總預緊力設計值一般可取公稱力的1.2 倍。

圖2 鋼絲纏繞機架

該框架利用了冷軋鋼帶強度高的特點，其強度為高品質鍛件的2～3 倍，雖然在預緊和工作時承受較大的拉應力，但應力波動幅度小，僅是預拉應力的1/10 左右，因此抗疲勞載荷能力高，框架立柱始終處于壓應力狀態，不易被破壞。與一般框架結構相比，此框架應力集中的部位更少[7]，故而廣泛應用于各種超高壓液壓機設備。采用此框架結構的液壓機質量輕、體積小、抗疲勞性能好，易于制造，物料成本低。

對于一臺纏繞機架來說，除要進行結構設計和強度、剛度計算外，確保纏繞工藝的準確性同樣至關重要。纏繞工藝的實現需要借助鋼絲纏繞機。圖3 為載重200 t 的鋼絲纏繞機，配備獨有的拉力保持和控制系統，能夠保證鋼絲纏繞的精確度。

圖3 200 t 鋼絲纏繞機

2.3 回程缸

板片成型液壓機具有4 個下置式回程缸，用于實現活動橫梁的回程動作。將回程缸置于液壓機的機座上，推動連接在活動橫梁上的導柱，利用回程缸無桿腔的推力，將工作臺推回最高端。回程缸安裝于機身前后端的外側，安裝、維護方便。活動橫梁始終由回程缸托起，即使回程缸出現任何故障，工作臺也不會因失重落下，安全性高。

2.4 活動橫梁

活動橫梁安裝于主油缸下平面，下平面上還安裝有過渡墊板，墊板上加工有T 型槽，用于安裝模具。過渡墊板有助于液壓機長時間運行過程中產生的表面磕碰損壞問題的維修。在設備維修時，只需拆下墊板即可進行修理，簡單方便。活動橫梁運動采用導向柱導向，避免導軌導向在加壓時由于立柱自身變形造成的導向精度差的問題。移動工作臺安裝于下半圓梁上平面，采用油缸驅動，可移出到機架外側，方便更換模具。

2.5 液壓系統

液壓部分采用往復式增壓器，滿足大型液壓機的大流量需求，相較于單作用增壓器，具有流量大、體積小的優勢。往復增壓器是雙行程增壓器，可以實現連續增壓，液壓能利用率較高。

2.6 傳動控制系統

液壓機的液壓傳動控制系統由能量轉換裝置、能量調節控制裝置、輔助液壓裝置和液壓附件組成。其中：能量轉換裝置包含電機、泵、液壓缸、增壓器等部件；能量調節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、濾油器等部件。上述裝置在電氣系統的控制下完成所需機械動作的循環。

液壓機壓強測量元件采用壓強傳感器+電接點壓強表，調壓控制元件采用溢流閥調定，安裝彩色觸摸屏用于顯示和控制壓強，壓強顯示精度可達到0.1 MPa。保壓壓強可在觸摸屏上設定，保壓時間也可預置。

電氣控制系統采用進口可編程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作為主控制器，通過電磁閥、行程控制裝置和傳感器，控制整個液壓機系統的液壓油壓力、壓頭所處位置、故障報警信號等，設有液壓機全部功能的按鈕。為保證液壓機動作和系統的可靠性，在集中控制中心設有急停按鈕。

此外，該壓機具有位置保護、操作保護、超壓保護等多重安全保護功能。在活動橫梁和移動工作臺處安裝有位移傳感器，監測動橫梁的上下極限位置、工作位置以及移動工作臺的移進、移出位置，若位置不正確則液壓機無法運行。在壓機送料、出料位置設置有紅外發射、接收裝置，若操作不當則液壓機停止工作，以確保人員安全。程序中還設置了極限壓力保護點，一旦超過預設的壓強閾值，系統將立即啟動卸壓機制。此外，系統采用機械表和電子表雙重測量方法，確保測量壓強值的準確性，實現極限壓強保護。

3 板片成型液壓機動作流程

板片成型液壓機動作流程如下。滑塊快下（無須動力），充液閥在活動橫梁重力的作用下打開，充液箱內油經充液閥快速充液到主油缸中，回程缸回油，實現空程快速下降。當上模快接觸到工件時，活動橫梁碰到行程開關，回程缸產生背壓，活動橫梁不再通過重力作用下降，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。當液壓泵加壓達到預先設置的壓強時，壓強傳感器發出信號，泵通過換向閥供油以驅動增壓器不間斷地工作，高壓油通過超高壓單向閥進入主缸實現增壓功能。當壓強達到規定值時，泵處于卸荷狀態，系統轉為保壓狀態。保壓時間結束，開啟泄壓閥，主缸中的液壓油平穩快速地卸壓。充液閥開啟，活動橫梁通過回程缸實現回程，將主缸內的油壓回充液箱。

4 應用效果

圖4 為雙缸雙框架20 000 t 板片液壓機，于2013 年投入使用。該設備精度高、液壓系統穩定、故障率低、可靠性好，能較好地滿足生產需求。目前，已生產近百臺同系列不同噸位的液壓機，均運行良好，維修率較低。

圖4 雙缸雙框架20 000 t 板片液壓機

5 結語

設計的板片成型液壓機采用超高壓液壓，能夠在較小的結構空間內實現較高的壓制強度，滿足了板式換熱器行業對于板片的壓制需求。液壓機的機架和主油缸采用先進的預應力鋼絲纏繞技術，能夠減輕液壓機的質量，提高其抗疲勞性能。液壓機采用了下置式回程缸、可移動工作臺等設備，提高了安全性和可操作性，同時其結構輕巧、尺寸小、制造運輸方便、成本低，具有較好的經濟效益。