鋁扁管擠壓生產(chǎn)線收卷系統(tǒng)的設計

張 峻，劉國剛，荊云海，董曉娟，張立波，邱立朋，李 博

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2.西北鋁業(yè)有限責任公司，甘肅 隴西 748111;3.西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 前言

鋁扁管(又稱“鋁合金多孔微通道管”)是用精煉鋁棒通過熱擠壓、表面噴鋅防腐處理等工藝制作而成的薄壁多孔扁形管材，主要用于制作空調(diào)系統(tǒng)中的平行流換熱器，作為新型環(huán)保制冷劑承載管道部件材料。與傳統(tǒng)的銅管穿管式和鋁管蛇盤管式熱交換器相比，鋁扁管熱交換器能效高、重量輕，制造和使用成本低。

1996年開始，美國在以環(huán)保冷媒R134a為制冷劑的汽車空調(diào)系統(tǒng)中強制應用鋁扁管平行流換熱器。目前，幾乎全球所有汽車空調(diào)系統(tǒng)均使用這種微通道熱交換器，而且正逐步應用于商用和家用空調(diào)領(lǐng)域。隨著我國汽車和空調(diào)的需求逐年增加，鋁扁管的市場需求也越來越大。但由于其技術(shù)含量高，生產(chǎn)難度極大，且生產(chǎn)技術(shù)基本被國外壟斷，我國無法掌握鋁扁管產(chǎn)品生產(chǎn)及供應的自主權(quán)，只能從國外直接進口或從其在中國設立的獨資子公司購買成品，且購置成本非常高，不利于我國熱交換器行業(yè)的發(fā)展和進步[1-3]。為了打破國外對鋁扁管生產(chǎn)技術(shù)的壟斷，本文對生產(chǎn)鋁扁管的關(guān)鍵設備——收卷系統(tǒng)進行了研究。

1 鋁扁管擠壓生產(chǎn)線收卷系統(tǒng)及組成

常規(guī)擠壓生產(chǎn)線的生產(chǎn)流程是擠壓機將制品擠出后，由牽引機鉗住料頭牽引一段距離，然后鋸切裝置按工藝要求將制品鋸切成特定長度的產(chǎn)品，并將其平直地放在冷床上或堆垛裝置中，以供后續(xù)的拉伸或矯直等二次處理[4-10]。而鋁扁管擠壓生產(chǎn)線的生產(chǎn)工藝要求鋁扁管在被擠壓機擠出的同時，被收卷到卷盤上。待卷盤收卷完成后，立即將等待位的空卷盤切換到工作位繼續(xù)進行收卷，而將滿卷盤在線拆卸并轉(zhuǎn)運到精處理生產(chǎn)線，對其進行開卷、矯直、拋光等后續(xù)處理。鋁扁管外形如圖1所示。

圖1 鋁扁管

無論是工作方式，還是結(jié)構(gòu)功能，常規(guī)擠壓生產(chǎn)線的后部出料系統(tǒng)都難以滿足鋁扁管產(chǎn)品的收卷要求。鋁扁管擠壓生產(chǎn)線的收料系統(tǒng)，必須配備專門的收卷裝置。該收卷系統(tǒng)主要由收卷裝置、導向裝置、機架、升降裝置、水平運動裝置等部分組成[11-15]。其結(jié)構(gòu)及布局如圖2所示。

圖2 鋁扁管擠壓生產(chǎn)線收卷系統(tǒng)

2 工作原理

鋁扁管由擠壓設備擠出后，經(jīng)收卷系統(tǒng)的導向裝置精確導向到料頭固定裝置上，待料頭被牢牢固定住后，卷盤開始旋轉(zhuǎn)收卷。收卷過程可根據(jù)工藝需求選擇轉(zhuǎn)速控制或者轉(zhuǎn)矩控制，以使收卷速度與送料速度同步。

收卷過程中，控制系統(tǒng)根據(jù)卷盤內(nèi)筒上收卷材料的厚度，實時升降卷盤，以調(diào)整卷盤的中心高度，保證鋁扁管進入卷盤時，基本保持水平狀態(tài)，且使壓料輥將鋁扁管緊緊壓在卷盤內(nèi)筒上。

當收卷完成后，卷盤停止轉(zhuǎn)動，在料尾附近的輪輻間嵌上擋料軸以固定料尾。升降裝置控制卷盤下降，直到導向裝置的懸臂完全露出卷盤。然后平移裝置驅(qū)動主機架沿卷盤軸向運動，將空的收卷槽切換到工作位，然后升降裝置驅(qū)動卷盤升起，直至導向裝置的壓料輥與卷盤內(nèi)筒外表面間的間隙約為鋁扁管厚度。然后再重復前述的收卷動作。

當處于工作位的卷盤完成收卷后，滿卷盤被移到了等待位，而另一個等待位的空卷盤通過平移裝置被切換到工作位，開始繼續(xù)收卷。此時，收卷電機減速機與卷盤主動軸之間的離合裝置脫開，收卷裝置將等待位的滿卷盤吊出，并重新?lián)Q上空卷盤等待控制系統(tǒng)的指令信號。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 雙盤三工位收卷技術(shù)

卷盤采用四排并列式結(jié)構(gòu)，每個儲料槽都可以獨立收卷[16]，這樣不僅增加了卷盤的儲料能力，還避免了卷盤的頻繁更換。

該收卷系統(tǒng)配備了兩個收卷盤，三個工位，其中一個工作位，兩個等待位[17]。工作位的收卷盤完成收卷后，等待位的收卷盤被切換到工作位繼續(xù)收卷，而切換到另一等待位的卷盤可在線進行拆卸、吊出以及更換空卷盤等輔助操作，無需停機等待，使工作效率得到較大提高。

3.2 卷盤與主動軸及從動軸分體式結(jié)構(gòu)

主動軸組件和從動軸組件作為卷盤旋轉(zhuǎn)卷料的運動副單元的重要組成，加工精度及制造成本都相對較高。而卷盤為儲料裝置，根據(jù)生產(chǎn)要求可能需要配備大量的備件，為每個卷盤都配置主動軸組件和從動軸組件成本太高，且沒有必要。

因此將主動軸組件和從動軸組件均設計成獨立的、可拆裝的模塊化結(jié)構(gòu)[16]，在儲料時將其從卷盤拆除，僅在需要收卷的卷盤裝上主動軸組件和從動軸組件即可。這種分體式模塊化結(jié)構(gòu)，降低了制作卷盤備件的成本，且便于后期的維護及修理。

3.3 高柔性自適應導向裝置

導向裝置的懸臂裝置與其架體的連接為柔性結(jié)構(gòu)[18]，即使在收卷時出現(xiàn)卷盤下降速度低于卷盤上材料厚度增加的速度，或出現(xiàn)誤操作導致卷盤上升超限時，卷盤至多也只會使懸臂逆時針旋轉(zhuǎn)抬起，不會出現(xiàn)損壞導向裝置或壓壞鋁扁管等問題。這種高柔性的結(jié)構(gòu)大大增強了導向懸臂的容錯性和自適應性，確保了收卷裝置的順利可靠運行。

3.4 料頭固定技術(shù)

鋁扁管先經(jīng)導向裝置精確導向到卷盤內(nèi)筒上，被料頭固定組件牢牢固定住[19]，然后卷盤開始旋轉(zhuǎn)收卷。料頭固定組件主要由倒刺板和防滑輪等組成，這種料頭固定方式結(jié)構(gòu)簡單，操作便利，無需在卷盤上設置動力裝置，成本低廉，且能穩(wěn)定可靠地自動固定料頭，大大降低了人工勞動強度。

3.5 壓料軸裝置

針對收卷系統(tǒng)的使用需求，研制出了一種新型的壓料軸裝置(圖3)，該裝置在軸向壓力作用下可軸向壓縮，外力釋放后，在彈簧的作用下能回復原位[20-21]。因此可快速在卷盤輪輻上拆裝，便于固定卷盤上的材料，防止卷盤在某一料槽中已儲有材料，而需在另一料槽收料時，或者卷盤收卷完成后起吊搬運過程中，材料料尾從料槽中彈出，與其它物體剮蹭和磕碰。

圖3 壓料軸裝置

4 結(jié)束語

擠壓鋁扁管收卷系統(tǒng)主要用于需要收料成盤的擠出制品的收卷，其結(jié)構(gòu)及功能都完全不同于常規(guī)擠壓生產(chǎn)線的收料系統(tǒng)。

中國重型機械研究院股份公司從擠壓鋁扁管收卷系統(tǒng)獨特的工藝要求出發(fā)，研制了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的在線式鋁扁管擠壓生產(chǎn)線的收卷系統(tǒng)，并擁有多項發(fā)明專利。該鋁扁管收卷系統(tǒng)已順利通過用戶驗收并投入使用。實際生產(chǎn)證明，新研制的收卷系統(tǒng)在使用過程中穩(wěn)定可靠，自動化程度高，降低了成本，提高了鋁扁管的擠壓生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量。