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20MN拔伸水压机技术改造

时间:2024-07-28

范玉仙,王成立,王钐镔

(1.太原通泽重工有限公司技术中心,山西 太原 030032;2.杭州华新电线电缆有限公司技术科,浙江 杭州 310018)

1 前言

45/20MN冲孔-拔伸水压机机组是上世纪60年代制造企业的关键设备。该机组主要生产大直径、厚壁无缝管,用作锅炉管、电站管等,产品曾一度出现供不应求的局面。由于当时设计的局限性,该机组运行速度慢,震动大。再加上长期超负荷运转,设备磨损和损坏比较严重,尽管经过多次大修,还是存在一些严重缺陷。压机动作很不正常,对产量、质量造成严重影响。太原通泽重工有限公司对此设备使用过程中出现的问题进行了详细分析,利用新技术以较低的成本、较短的时间对其控制系统进行了技术改造。

2 原设备存在的问题

20MN拔伸水压机是将45MN冲孔水压机冲孔后的带底钢坯经过多次拔伸,生产出具有一定壁厚的长筒形工件[1]。压机本体采用卧式、三梁双柱结构,有三个工作缸(一个主缸、两个侧缸)和两个回程缸,均为柱塞结构。经分析其本体结构还是能满足强度、刚度要求的,只是导轨、缸内导套和密封磨损严重;压机由水泵站-蓄势器传动;计算泵站供水量也基本能满足使用要求;其控制系统比较落后。如图1所示,原控制方式是靠一个大的分配器来统一控制,所有控制阀都装在一个分配器上,通过摇杆旋转来顶开或关闭阀门,摇杆的旋转角大小决定了阀的开启大小,也决定了压机速度的快慢。摇杆由伺服电机来驱动,在生产时,保证手柄的旋转角与主分配器摇杆的旋转角一致。

图1 原水压系统工作原理Fig.1 Working principle of original hydralic system

这种控制方式的优点是压机的动作和速度都可以由手柄来控制,速度是线性变化的,由操作人员来决定,最适用于自由锻造水压机。但是对于专用水压机,该控制有以下缺点。

(1)只能手动控制,不能实现自动化和半自动控制。

(2)生产效率和工艺规范会因工人的熟练程度和情绪而不同,产品质量不稳定。

(3)由于阀的口径大,阀开启高度的微小变化会引起速度的突变,加压和卸压时间不能固定,操作人员如动作过快,就易引起震动。不容易控制在一个最佳速度的稳定状态,造成压机速度低,直接影响生产节奏。

(4)由于压机速度快,流量大,分配器阀块大小有限,阀的数量受限制,尽管阀的口径已很大,阀口的流量还是不能满足要求,因此压机的拔伸速度受到限制。

(5)由于阀口的流速较高,阀口容易被高压水刺伤,容易泄漏。

(6)由于分配器阀体复杂,更换阀体费用大,影响生产时间长。

3 确定改造方案

3.1 总体方案

太原通泽重工负责重新设计制造20MN拔伸水压机的水压系统,由用户负责更换磨损的导轨、缸内导套、密封等。新系统采用液压单顶缸控制分配器的方法,为节约高压水降低能耗,压机在空程前进时使用低压水,并进行压力分级。电气系统改由PLC控制,实现半自动、手动两种控制方式,对压机实行状态监控、报警记录,实现电气和液压联锁。

3.2 新系统主要结构

3.2.1 主控系统

新系统采用液压单顶缸控制方式,把原来一个大的分配器分成了四个小的分配器(主缸分配器、侧缸分配器、回程缸进水分配器、回程缸排水分配器)。每个分配器分为两个中等阀和一个小阀。每个阀都由一个单独的液压缸控制。每个系统速度一般分为三级,快速、中速和慢速。通过匹配各分配器的进、排水阀的次序保证既能提高压机速度又能使压机平稳运行,从而减少震动和噪音。分配器上有压力传感器和安全阀保证系统的安全和联锁。分配器阀芯及连接法兰按中华人民共和国机械工业部部标准《水压机零部件》设计,便于更换。

主缸分配器原理图如图2所示。主缸分配器由三个进水阀(两个中等阀、一个小阀)和一个排水阀组成。压机工作时打开气动闸阀,高压水经气动闸阀进入主缸分配器。压机加压时,排水阀关闭,三个进水阀依次打开,高压水进入主缸,进行拔伸;拔伸结束压机回程时进水阀关闭,排水阀打开,排水阀只起卸压作用。分配器上有压力传感器。单顶缸上调节螺杆也可以调节压机的速度,螺杆伸长,阀的开启高度增大,水的流量增大,压机的速度提高。

图2 新系统主分配器原理Fig.2 Principle of main distributor in new system

为了减少两侧缸同时工作时的不同步所造成的动梁导向不均衡,确保压机的平稳性,在两侧缸对称位置通过一个高压连通体将两侧缸的高压进水管道连在一起,以保证两侧缸进液同步进行[2]。两回程缸的高压水管道也作同样设计。

3.2.2 低压充液系统

低压充液系统主要作用是在压机空程前进时节约高压水,用低压充液系统推动压机动梁前进。新系统是将原来闲置的两个20 m3充液罐经改造后重新利用。原充水阀流量太小,空程前进速度太慢。新系统重新设计三个通径较大的充水阀。所有管道口径都加大。充水阀[3]工作原理如图3所示。

图3 新系统充水阀原理Fig.3 Principle of waterfilling valve in new system

压机空程前进时,控制缸无杆腔进油,顶杆顶起弹簧,充水阀打开,充液罐的1.6 MPa低压水进入工作缸,压机空程前进;压机加压时,控制缸有缸腔进油,弹簧复位,充水阀关闭,高压水进入工作缸,压机套料或拔伸;压机回程时,分配器卸压阀使主缸卸压,控制缸无杆腔进压,打开充水阀,工作缸内水经充水阀回到充液罐。充液罐上装有液位显示和控制装置、安全保护与溢流装置、充气与放气装置等。

一般充液罐液位是靠罐内压力控制的,当液位高时,罐内压力也高,当罐内压力高于低压溢流阀压力时,溢流阀自动打开,罐内水通过溢流阀流入水箱。当罐内压力降到等于溢流阀调定压力时,溢流阀自动关闭。该溢流阀为弹簧微启式,溢流阀打开的高度与压力大小有关,而流量不能太大、太集中。一般锻造水压机常用这种控制液位方式,但在20 MN拔伸水压机上,会因水压机回水太快而溢流阀来不及排,使罐内压力远远高于调定压力。一方面使水压机回程背压过高,回程速度放慢;另一方面这种溢流阀抬启过高,当压力降低时,阀与阀座会因没有恢复到原位而发生泄漏,会在停止生产期间把罐内水漏光。因此,原充液罐弃之不用。

改造后的新型充液罐液位控制系统,采用了两个新开发的DN150全启式溢流阀,由充液罐液位来控制溢流阀的打开和关闭,与充液罐的压力无关。微启式溢流阀还用,但只起安全阀作用。当水压机拔伸时,就把充液罐液位降到最低。当水压机回程时,回程背压很小,回程速度自然很快。而每次空程前进时的充液罐水位又可以根据实际生产要求自行设置。水位指示灯能显示出罐内液位的变化,与其他部位也有液压连锁,保证了生产的安全性。溢流阀由于有超调,关闭时不会有泄漏,给生产带来极大方便。

3.2.3 油压系统

改造后增加一套油压控制系统。该系统由1个液压泵站,2个阀台以及管路附件等组成。液压泵站及阀台在其相应的设备就近设置,系统特点主要有:

(1)整个系统采用恒压变量泵加蓄能器方式,非常适合主机的拔伸工艺要求,且极大地降低了能耗。

(2)液压站包含2套油泵电机组装置,一用一备,可减少停产维修时间。

(3)液压泵站装有冷却装置及循环过滤系统,可保证油液的清洁和在合适的温度范围内工作。

(5)液压阀均选用国内优质元件。控制油路均采用集成油路块结构,使系统具有泄漏少、结构紧凑、便于维修的特点。

(6)各阀台进油管口装有高压球阀,便于管路与元件的检修。

(7)液压系统设有过滤精度为10 μ的回油过滤器,提高了液压系统的可靠性。

分配器控制阀台用来控制四个分配器的进排水动作。充水阀/溢流阀控制阀台用来控制三个充水阀、两个全启式溢流阀的开启、关闭动作。

3.2.4 电气控制

主控制台上设置有一台上位显示屏,主画面中可以集中反映压机的工作状态、辅助信号的状态、活动梁位置,以及手柄控制时的档位指示。状态监控画面可以反映当前各个阀的开启状态和动梁的工作状态。参数给定主要用于半自动给定下的工艺参数设定,液压站画面主要作用于显示液压站状态,画面中可以看到液压泵启动及相关报警等状态,同时还可以显示液压站温度数值。

4 新控制系统特点

(1)液压单顶缸控制方式容易实现自动化和半自动控制。

加强自我修养,培养高尚的情操,将美德融入自己平时的生活习惯中,要在平时生活中多与人沟通,交流,道德作为一种社会观念,要保持身心的健康,有一个良好的生活态度,生活习惯,只有人乐观向上了,思想道德素质才会有提高的前提条件。自觉向劳动模范学习,从他们身上学到他们优秀的道德观念。重视自我修养,自我修养在中国传统文化中具有重要的地位和作用,是极为重要的传统美德。自我修养在培养我们中学生自强不息精神,增强心理承受力,提高思想道德境界方面具有重要的意义。我们应追求高尚人格,这就需要我们不断学习,加强思想道德修养,不断提升自己。

(2)设备调好后工作中的速度不受操作人员的影响,速度稳定。

(3)阀的开关时间短,反应速度快。

(4)上压和卸压时间容易调节,可以调到平稳无震动状态。

(5)工作中遇特殊情况,随时可以改为手动或停止。

(6)由于是多阀控制,每个阀打开的高度较大,阀口不容易刺伤。

(7)更换阀体费用低,时间短。

(8)对油压控制系统的清洁度要求低。

(9)有电气和液压连锁,工人误操作不会出故障。

(10)有上位机,对工艺可以优化。

5 使用情况

经过半年多的使用,用户对以下几点予以充分肯定:

(1)压机速度提高。改造后压机速度明显提高,原来一工件拔伸九道需要两次加热与装夹,现只需一次加热与装夹就能完成。

(2)产品质量提高。设备调整好后状态稳定,产品质量明显好转,废品率降低,后续工序切削余量减少,提高了材料利用率。

(3)系统能耗降低。在控制台上,工人能很方便地进行压力分级,空程前进时采用低压水,减少了高压泵的开启时间和数量,改善了压机的受力状况。

(4)维修费用降低。原来1~2周就要更换一次分配器阀芯,现2~3个月更换一次。

(5)劳动条件改善。改造后震动、噪音明显降低,漏水现象明显减少。

(6)压机操作简单。工人只需经过简单培训就可上岗操作,在控制台上转动手柄或按下按钮,就可完成各项动作。

通过这次改造,不但延长了老机型的使用寿命,还对其进行了技术提升,使其产品市场前景更加广阔[4]。这种控制方式还可应用于军工系统的炮弹生产线,民用系统的氧气瓶生产线等。

[1] 俞新陆.液压机的设计与应用[M].北京:机械工业出版社,2006.

[2] 杨大祥,韩炳涛.165MN自由锻造油压机的液压控制系统[J].重型机械,2006(3):11-16.

[3] 魏军.金属挤压机[M].北京:化学工业出版社,2006.

[4] 杨晓春.KTC切丝机液压系统的改造[J].液压与气动,2011(5):45-49.

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