20MN拔伸水壓機(jī)技術(shù)改造

范玉仙，王成立，王釤鑌

(1．太原通澤重工有限公司技術(shù)中心，山西 太原 030032;2．杭州華新電線電纜有限公司技術(shù)科，浙江 杭州 310018)

1 前言

45/20MN沖孔－拔伸水壓機(jī)機(jī)組是上世紀(jì)60年代制造企業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備。該機(jī)組主要生產(chǎn)大直徑、厚壁無縫管，用作鍋爐管、電站管等，產(chǎn)品曾一度出現(xiàn)供不應(yīng)求的局面。由于當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)的局限性，該機(jī)組運(yùn)行速度慢，震動(dòng)大。再加上長(zhǎng)期超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)備磨損和損壞比較嚴(yán)重，盡管經(jīng)過多次大修，還是存在一些嚴(yán)重缺陷。壓機(jī)動(dòng)作很不正常，對(duì)產(chǎn)量、質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。太原通澤重工有限公司對(duì)此設(shè)備使用過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了詳細(xì)分析，利用新技術(shù)以較低的成本、較短的時(shí)間對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)改造。

2 原設(shè)備存在的問題

20MN拔伸水壓機(jī)是將45MN沖孔水壓機(jī)沖孔后的帶底鋼坯經(jīng)過多次拔伸，生產(chǎn)出具有一定壁厚的長(zhǎng)筒形工件［1］。壓機(jī)本體采用臥式、三梁雙柱結(jié)構(gòu)，有三個(gè)工作缸(一個(gè)主缸、兩個(gè)側(cè)缸)和兩個(gè)回程缸，均為柱塞結(jié)構(gòu)。經(jīng)分析其本體結(jié)構(gòu)還是能滿足強(qiáng)度、剛度要求的，只是導(dǎo)軌、缸內(nèi)導(dǎo)套和密封磨損嚴(yán)重;壓機(jī)由水泵站－蓄勢(shì)器傳動(dòng);計(jì)算泵站供水量也基本能滿足使用要求;其控制系統(tǒng)比較落后。如圖1所示，原控制方式是靠一個(gè)大的分配器來統(tǒng)一控制，所有控制閥都裝在一個(gè)分配器上，通過搖桿旋轉(zhuǎn)來頂開或關(guān)閉閥門，搖桿的旋轉(zhuǎn)角大小決定了閥的開啟大小，也決定了壓機(jī)速度的快慢。搖桿由伺服電機(jī)來驅(qū)動(dòng)，在生產(chǎn)時(shí)，保證手柄的旋轉(zhuǎn)角與主分配器搖桿的旋轉(zhuǎn)角一致。

圖1 原水壓系統(tǒng)工作原理Fig.1 Working principle of original hydralic system

這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是壓機(jī)的動(dòng)作和速度都可以由手柄來控制，速度是線性變化的，由操作人員來決定，最適用于自由鍛造水壓機(jī)。但是對(duì)于專用水壓機(jī)，該控制有以下缺點(diǎn)。

(1)只能手動(dòng)控制，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和半自動(dòng)控制。

(2)生產(chǎn)效率和工藝規(guī)范會(huì)因工人的熟練程度和情緒而不同，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。

(3)由于閥的口徑大，閥開啟高度的微小變化會(huì)引起速度的突變，加壓和卸壓時(shí)間不能固定，操作人員如動(dòng)作過快，就易引起震動(dòng)。不容易控制在一個(gè)最佳速度的穩(wěn)定狀態(tài)，造成壓機(jī)速度低，直接影響生產(chǎn)節(jié)奏。

(4)由于壓機(jī)速度快，流量大，分配器閥塊大小有限，閥的數(shù)量受限制，盡管閥的口徑已很大，閥口的流量還是不能滿足要求，因此壓機(jī)的拔伸速度受到限制。

(5)由于閥口的流速較高，閥口容易被高壓水刺傷，容易泄漏。

(6)由于分配器閥體復(fù)雜，更換閥體費(fèi)用大，影響生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)。

3 確定改造方案

3.1 總體方案

太原通澤重工負(fù)責(zé)重新設(shè)計(jì)制造20MN拔伸水壓機(jī)的水壓系統(tǒng)，由用戶負(fù)責(zé)更換磨損的導(dǎo)軌、缸內(nèi)導(dǎo)套、密封等。新系統(tǒng)采用液壓?jiǎn)雾敻卓刂品峙淦鞯姆椒?，為?jié)約高壓水降低能耗，壓機(jī)在空程前進(jìn)時(shí)使用低壓水，并進(jìn)行壓力分級(jí)。電氣系統(tǒng)改由PLC控制，實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)、手動(dòng)兩種控制方式，對(duì)壓機(jī)實(shí)行狀態(tài)監(jiān)控、報(bào)警記錄，實(shí)現(xiàn)電氣和液壓聯(lián)鎖。

3.2 新系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)

3.2.1 主控系統(tǒng)

新系統(tǒng)采用液壓?jiǎn)雾敻卓刂品绞?，把原來一個(gè)大的分配器分成了四個(gè)小的分配器(主缸分配器、側(cè)缸分配器、回程缸進(jìn)水分配器、回程缸排水分配器)。每個(gè)分配器分為兩個(gè)中等閥和一個(gè)小閥。每個(gè)閥都由一個(gè)單獨(dú)的液壓缸控制。每個(gè)系統(tǒng)速度一般分為三級(jí)，快速、中速和慢速。通過匹配各分配器的進(jìn)、排水閥的次序保證既能提高壓機(jī)速度又能使壓機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，從而減少震動(dòng)和噪音。分配器上有壓力傳感器和安全閥保證系統(tǒng)的安全和聯(lián)鎖。分配器閥芯及連接法蘭按中華人民共和國(guó)機(jī)械工業(yè)部部標(biāo)準(zhǔn)《水壓機(jī)零部件》設(shè)計(jì)，便于更換。

主缸分配器原理圖如圖2所示。主缸分配器由三個(gè)進(jìn)水閥(兩個(gè)中等閥、一個(gè)小閥)和一個(gè)排水閥組成。壓機(jī)工作時(shí)打開氣動(dòng)閘閥，高壓水經(jīng)氣動(dòng)閘閥進(jìn)入主缸分配器。壓機(jī)加壓時(shí)，排水閥關(guān)閉，三個(gè)進(jìn)水閥依次打開，高壓水進(jìn)入主缸，進(jìn)行拔伸;拔伸結(jié)束壓機(jī)回程時(shí)進(jìn)水閥關(guān)閉，排水閥打開，排水閥只起卸壓作用。分配器上有壓力傳感器。單頂缸上調(diào)節(jié)螺桿也可以調(diào)節(jié)壓機(jī)的速度，螺桿伸長(zhǎng)，閥的開啟高度增大，水的流量增大，壓機(jī)的速度提高。

圖2 新系統(tǒng)主分配器原理Fig.2 Principle of main distributor in new system

為了減少兩側(cè)缸同時(shí)工作時(shí)的不同步所造成的動(dòng)梁導(dǎo)向不均衡，確保壓機(jī)的平穩(wěn)性，在兩側(cè)缸對(duì)稱位置通過一個(gè)高壓連通體將兩側(cè)缸的高壓進(jìn)水管道連在一起，以保證兩側(cè)缸進(jìn)液同步進(jìn)行［2］。兩回程缸的高壓水管道也作同樣設(shè)計(jì)。

3.2.2 低壓充液系統(tǒng)

低壓充液系統(tǒng)主要作用是在壓機(jī)空程前進(jìn)時(shí)節(jié)約高壓水，用低壓充液系統(tǒng)推動(dòng)壓機(jī)動(dòng)梁前進(jìn)。新系統(tǒng)是將原來閑置的兩個(gè)20 m3充液罐經(jīng)改造后重新利用。原充水閥流量太小，空程前進(jìn)速度太慢。新系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)三個(gè)通徑較大的充水閥。所有管道口徑都加大。充水閥［3］工作原理如圖3所示。

圖3 新系統(tǒng)充水閥原理Fig.3 Principle of waterfilling valve in new system

壓機(jī)空程前進(jìn)時(shí)，控制缸無桿腔進(jìn)油，頂桿頂起彈簧，充水閥打開，充液罐的1.6 MPa低壓水進(jìn)入工作缸，壓機(jī)空程前進(jìn);壓機(jī)加壓時(shí)，控制缸有缸腔進(jìn)油，彈簧復(fù)位，充水閥關(guān)閉，高壓水進(jìn)入工作缸，壓機(jī)套料或拔伸;壓機(jī)回程時(shí)，分配器卸壓閥使主缸卸壓，控制缸無桿腔進(jìn)壓，打開充水閥，工作缸內(nèi)水經(jīng)充水閥回到充液罐。充液罐上裝有液位顯示和控制裝置、安全保護(hù)與溢流裝置、充氣與放氣裝置等。

一般充液罐液位是靠罐內(nèi)壓力控制的，當(dāng)液位高時(shí)，罐內(nèi)壓力也高，當(dāng)罐內(nèi)壓力高于低壓溢流閥壓力時(shí)，溢流閥自動(dòng)打開，罐內(nèi)水通過溢流閥流入水箱。當(dāng)罐內(nèi)壓力降到等于溢流閥調(diào)定壓力時(shí)，溢流閥自動(dòng)關(guān)閉。該溢流閥為彈簧微啟式，溢流閥打開的高度與壓力大小有關(guān)，而流量不能太大、太集中。一般鍛造水壓機(jī)常用這種控制液位方式，但在20 MN拔伸水壓機(jī)上，會(huì)因水壓機(jī)回水太快而溢流閥來不及排，使罐內(nèi)壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于調(diào)定壓力。一方面使水壓機(jī)回程背壓過高，回程速度放慢;另一方面這種溢流閥抬啟過高，當(dāng)壓力降低時(shí)，閥與閥座會(huì)因沒有恢復(fù)到原位而發(fā)生泄漏，會(huì)在停止生產(chǎn)期間把罐內(nèi)水漏光。因此，原充液罐棄之不用。

改造后的新型充液罐液位控制系統(tǒng)，采用了兩個(gè)新開發(fā)的DN150全啟式溢流閥，由充液罐液位來控制溢流閥的打開和關(guān)閉，與充液罐的壓力無關(guān)。微啟式溢流閥還用，但只起安全閥作用。當(dāng)水壓機(jī)拔伸時(shí)，就把充液罐液位降到最低。當(dāng)水壓機(jī)回程時(shí)，回程背壓很小，回程速度自然很快。而每次空程前進(jìn)時(shí)的充液罐水位又可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)要求自行設(shè)置。水位指示燈能顯示出罐內(nèi)液位的變化，與其他部位也有液壓連鎖，保證了生產(chǎn)的安全性。溢流閥由于有超調(diào)，關(guān)閉時(shí)不會(huì)有泄漏，給生產(chǎn)帶來極大方便。

3.2.3 油壓系統(tǒng)

改造后增加一套油壓控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由1個(gè)液壓泵站，2個(gè)閥臺(tái)以及管路附件等組成。液壓泵站及閥臺(tái)在其相應(yīng)的設(shè)備就近設(shè)置，系統(tǒng)特點(diǎn)主要有:

(1)整個(gè)系統(tǒng)采用恒壓變量泵加蓄能器方式，非常適合主機(jī)的拔伸工藝要求，且極大地降低了能耗。

(2)液壓站包含2套油泵電機(jī)組裝置，一用一備，可減少停產(chǎn)維修時(shí)間。

(3)液壓泵站裝有冷卻裝置及循環(huán)過濾系統(tǒng)，可保證油液的清潔和在合適的溫度范圍內(nèi)工作。

(5)液壓閥均選用國(guó)內(nèi)優(yōu)質(zhì)元件?？刂朴吐肪捎眉捎吐穳K結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)具有泄漏少、結(jié)構(gòu)緊湊、便于維修的特點(diǎn)。

(6)各閥臺(tái)進(jìn)油管口裝有高壓球閥，便于管路與元件的檢修。

(7)液壓系統(tǒng)設(shè)有過濾精度為10 μ的回油過濾器，提高了液壓系統(tǒng)的可靠性。

分配器控制閥臺(tái)用來控制四個(gè)分配器的進(jìn)排水動(dòng)作。充水閥/溢流閥控制閥臺(tái)用來控制三個(gè)充水閥、兩個(gè)全啟式溢流閥的開啟、關(guān)閉動(dòng)作。

3.2.4 電氣控制

主控制臺(tái)上設(shè)置有一臺(tái)上位顯示屏，主畫面中可以集中反映壓機(jī)的工作狀態(tài)、輔助信號(hào)的狀態(tài)、活動(dòng)梁位置，以及手柄控制時(shí)的檔位指示。狀態(tài)監(jiān)控畫面可以反映當(dāng)前各個(gè)閥的開啟狀態(tài)和動(dòng)梁的工作狀態(tài)。參數(shù)給定主要用于半自動(dòng)給定下的工藝參數(shù)設(shè)定，液壓站畫面主要作用于顯示液壓站狀態(tài)，畫面中可以看到液壓泵啟動(dòng)及相關(guān)報(bào)警等狀態(tài)，同時(shí)還可以顯示液壓站溫度數(shù)值。

4 新控制系統(tǒng)特點(diǎn)

(1)液壓?jiǎn)雾敻卓刂品绞饺菀讓?shí)現(xiàn)自動(dòng)化和半自動(dòng)控制。

加強(qiáng)自我修養(yǎng)，培養(yǎng)高尚的情操，將美德融入自己平時(shí)的生活習(xí)慣中，要在平時(shí)生活中多與人溝通，交流，道德作為一種社會(huì)觀念，要保持身心的健康，有一個(gè)良好的生活態(tài)度，生活習(xí)慣，只有人樂觀向上了，思想道德素質(zhì)才會(huì)有提高的前提條件。自覺向勞動(dòng)模范學(xué)習(xí)，從他們身上學(xué)到他們優(yōu)秀的道德觀念。重視自我修養(yǎng)，自我修養(yǎng)在中國(guó)傳統(tǒng)文化中具有重要的地位和作用，是極為重要的傳統(tǒng)美德。自我修養(yǎng)在培養(yǎng)我們中學(xué)生自強(qiáng)不息精神，增強(qiáng)心理承受力，提高思想道德境界方面具有重要的意義。我們應(yīng)追求高尚人格，這就需要我們不斷學(xué)習(xí)，加強(qiáng)思想道德修養(yǎng)，不斷提升自己。

(2)設(shè)備調(diào)好后工作中的速度不受操作人員的影響，速度穩(wěn)定。

(3)閥的開關(guān)時(shí)間短，反應(yīng)速度快。

(4)上壓和卸壓時(shí)間容易調(diào)節(jié)，可以調(diào)到平穩(wěn)無震動(dòng)狀態(tài)。

(5)工作中遇特殊情況，隨時(shí)可以改為手動(dòng)或停止。

(6)由于是多閥控制，每個(gè)閥打開的高度較大，閥口不容易刺傷。

(7)更換閥體費(fèi)用低，時(shí)間短。

(8)對(duì)油壓控制系統(tǒng)的清潔度要求低。

(9)有電氣和液壓連鎖，工人誤操作不會(huì)出故障。

(10)有上位機(jī)，對(duì)工藝可以優(yōu)化。

5 使用情況

經(jīng)過半年多的使用，用戶對(duì)以下幾點(diǎn)予以充分肯定:

(1)壓機(jī)速度提高。改造后壓機(jī)速度明顯提高，原來一工件拔伸九道需要兩次加熱與裝夾，現(xiàn)只需一次加熱與裝夾就能完成。

(2)產(chǎn)品質(zhì)量提高。設(shè)備調(diào)整好后狀態(tài)穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn)，廢品率降低，后續(xù)工序切削余量減少，提高了材料利用率。

(3)系統(tǒng)能耗降低。在控制臺(tái)上，工人能很方便地進(jìn)行壓力分級(jí)，空程前進(jìn)時(shí)采用低壓水，減少了高壓泵的開啟時(shí)間和數(shù)量，改善了壓機(jī)的受力狀況。

(4)維修費(fèi)用降低。原來1～2周就要更換一次分配器閥芯，現(xiàn)2～3個(gè)月更換一次。

(5)勞動(dòng)條件改善。改造后震動(dòng)、噪音明顯降低，漏水現(xiàn)象明顯減少。

(6)壓機(jī)操作簡(jiǎn)單。工人只需經(jīng)過簡(jiǎn)單培訓(xùn)就可上崗操作，在控制臺(tái)上轉(zhuǎn)動(dòng)手柄或按下按鈕，就可完成各項(xiàng)動(dòng)作。

通過這次改造，不但延長(zhǎng)了老機(jī)型的使用壽命，還對(duì)其進(jìn)行了技術(shù)提升，使其產(chǎn)品市場(chǎng)前景更加廣闊［4］。這種控制方式還可應(yīng)用于軍工系統(tǒng)的炮彈生產(chǎn)線，民用系統(tǒng)的氧氣瓶生產(chǎn)線等。

［1］ 俞新陸．液壓機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006．

［2］ 楊大祥，韓炳濤．165MN自由鍛造油壓機(jī)的液壓控制系統(tǒng)［J］．重型機(jī)械，2006(3):11－16．

［3］ 魏軍．金屬擠壓機(jī)［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006．

［4］ 楊曉春．KTC切絲機(jī)液壓系統(tǒng)的改造［J］．液壓與氣動(dòng)，2011(5):45－49．