0 前 言

護(hù)環(huán)是火力發(fā)電機(jī)組上的關(guān)鍵零件之一，它需要具有較高的屈服強(qiáng)度，同時(shí)還須選用奧式體無磁鋼。目前國(guó)際上制造護(hù)環(huán)的主要材料為1Mn18Cr18N，其冷脹硬化過程一直是關(guān)鍵性工藝步驟。近年來，隨著火電機(jī)組向高性能、大型化發(fā)展，300WM機(jī)組和600MN機(jī)組逐漸普及，發(fā)電機(jī)護(hù)環(huán)也朝著尺寸更大、性能更高的方向發(fā)展。以600MW機(jī)組的護(hù)環(huán)為例，其護(hù)環(huán)直徑為?1 233mm，高度達(dá)到875mm，材料1Mn18-Cr18N，要求在95~105℃下，切向試樣屈服強(qiáng)度σ0.2達(dá)到1 070~1 210MPa（另有其他機(jī)械性能的要求）。國(guó)內(nèi)有一些廠商利用大型自由鍛壓機(jī)或模鍛壓機(jī)作為受力框架，共線使用生產(chǎn)護(hù)環(huán)，但這種方法缺點(diǎn)明顯，一是占用設(shè)備的產(chǎn)能，二是可能會(huì)對(duì)設(shè)備造成一定損害。也有一些廠商制造了專門裝置生產(chǎn)護(hù)環(huán)產(chǎn)品，但其噸位都較小，能生產(chǎn)的護(hù)環(huán)規(guī)格受到一定限制。

為解決國(guó)內(nèi)大型護(hù)環(huán)的批量生產(chǎn)問題，2011年，上海重型機(jī)器廠有限公司與燕山大學(xué)合作研制大噸位（150MN）護(hù)環(huán)液壓脹形專用裝置。該項(xiàng)目依托燕山大學(xué)在護(hù)環(huán)產(chǎn)品長(zhǎng)達(dá)幾十年的研究成果，特別是其在減壓法液壓脹形內(nèi)在成形規(guī)律、外補(bǔ)液式護(hù)環(huán)液壓脹形強(qiáng)化裝置等關(guān)鍵性的基礎(chǔ)技術(shù)研究，為雙方的合作奠定了基礎(chǔ)。經(jīng)過兩年多努力，該設(shè)備于2013年2月試生產(chǎn)成功。這臺(tái)專用裝置主要用于大型護(hù)環(huán)的生產(chǎn)，本文主要介紹該設(shè)備的技術(shù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及設(shè)計(jì)和制造過程中的主要難點(diǎn)。

1 主要技術(shù)參數(shù)

150MN護(hù)環(huán)液壓脹形專用裝置整體結(jié)構(gòu)采用雙梁四柱全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，配置一個(gè)超大直徑的主缸；移動(dòng)工作臺(tái)布置在一側(cè)，可沿著工作臺(tái)面方向運(yùn)動(dòng)；工作臺(tái)兩側(cè)各有一個(gè)鎖緊缸，用于定位工作臺(tái)；模具和檢測(cè)裝置放在移動(dòng)工作臺(tái)上；地坑里設(shè)置有積水坑和排水裝置，可將積水排出；超高壓水站放在移動(dòng)工作臺(tái)上與之一起運(yùn)動(dòng)，油站布置在機(jī)器一邊（見圖1）。

設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)如下：

1.公稱噸位 150MN

2.系統(tǒng)工作壓力 31.5MPa

3.開口高度 2 600mm

4.工作行程 600mm

5.主缸工作速度 2.2mm/s

6.主缸回程速度 4.8mm/s

7.工作臺(tái)尺寸 2 800mm×4 700mm

8.工作臺(tái)行程 3 500mm

9.工作移動(dòng)速度(快進(jìn)) 50mm/s

(慢進(jìn)) 23mm/s

10.超高壓水站工作壓力 400MPa

11.超高壓水站流量 4L/min

12.工件檢測(cè)精度 ±1mm

13.主機(jī)重量 970t

14.主機(jī)外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)14 290mm×5 750mm×12 770mm

圖1 150MN護(hù)環(huán)脹形專用裝置

2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主框架

主框架是整個(gè)專用裝置的受力件，采用四柱式預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)具有可靠的穩(wěn)定性和平穩(wěn)性，它由上橫梁(見圖2)、下橫梁(見圖3)、拉桿、立柱和螺母(見圖4)等零件組成。整個(gè)專用裝置設(shè)計(jì)的可承受壓力為150MN，為保證受力時(shí)上橫梁與立柱之間不產(chǎn)生間隙，進(jìn)而影響整臺(tái)設(shè)備的精度，整個(gè)框架采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，即通過蒸汽加熱的方式對(duì)拉桿進(jìn)行拔長(zhǎng)后預(yù)緊，實(shí)際預(yù)緊系數(shù)約為1.2倍。主框架的上橫梁下安裝主工作缸，主工作缸是通過4個(gè)吊缸螺栓固定在上橫梁下表面的，為增加主工作缸的穩(wěn)定性，在四周還有4個(gè)支撐板，通過與立柱的凹槽卡位，以保證整個(gè)主缸在徑向不產(chǎn)生位移。

圖2 上橫梁

圖3 下橫梁

圖4 拉桿、立柱和螺母

2.2 主工作缸

主工作缸（見圖5）通過31.5MPa的系統(tǒng)油壓產(chǎn)生150MN的力，壓住模具并保證護(hù)環(huán)上錐面密封，同時(shí)抵消部分超高壓水的受力。該油缸采用活塞缸結(jié)構(gòu)，直徑達(dá)到?2 500mm。這種超大直徑的活塞缸設(shè)計(jì)，除了一般的缸體等零件的強(qiáng)度校核設(shè)計(jì)外，密封圈的選擇至關(guān)重要，需要考慮以下幾點(diǎn)：一是護(hù)環(huán)生產(chǎn)時(shí)保壓時(shí)間很長(zhǎng)，密封圈需要能耐受長(zhǎng)時(shí)間的高壓；二是主缸體在高壓下產(chǎn)生膨脹；三是隨著保壓時(shí)間的增加，油缸內(nèi)的油溫會(huì)顯著升高，間接導(dǎo)致主缸體熱膨脹。所以，選擇和設(shè)計(jì)密封圈時(shí)須考慮該油缸的使用工況，特別是要事先設(shè)計(jì)好密封圈壓縮量以抵消主缸體的變形，防止密封圈由于壓縮量不夠?qū)е率?。這臺(tái)設(shè)備的主缸制造完成后，我們進(jìn)行了4h的保壓試驗(yàn)，結(jié)果顯示正常，說明油缸設(shè)計(jì)和密封圈的選擇沒有問題。由于主缸采用的是雙向運(yùn)動(dòng)的活塞缸結(jié)構(gòu)，又無動(dòng)梁，因此可不單獨(dú)設(shè)置回程缸，簡(jiǎn)化了裝置結(jié)構(gòu)，節(jié)約了部分的投資成本。但活塞缸結(jié)構(gòu)也帶來了一些問題，例如密封圈更換不易，拆裝和維修的工作量和難度大增等。

圖5 主工作缸

2.3 移動(dòng)工作臺(tái)

移動(dòng)工作臺(tái)的作用是工作時(shí)將工件運(yùn)至壓機(jī)正中心，完工后將工件移出。因?yàn)樽o(hù)環(huán)脹形時(shí)靠模具與工件之間的金屬變形密封，為防止工作時(shí)產(chǎn)生偏心，對(duì)工件的定位要求較高，因此在移動(dòng)工作臺(tái)上設(shè)置了模具定位裝置，在移動(dòng)工作臺(tái)的兩側(cè)還設(shè)置了兩個(gè)鎖緊缸，工件到位后鎖緊工作臺(tái)（見圖6）。

圖6 移動(dòng)工作臺(tái)

2.4 檢測(cè)系統(tǒng)

檢測(cè)系統(tǒng)也是護(hù)環(huán)脹形裝置的一個(gè)核心部件。護(hù)環(huán)在脹形過程中，由于受力、內(nèi)部材料不均等各種因素的影響，工件兩端和中間段的變形量常常會(huì)不一樣，可能會(huì)形成中間凹兩端鼓起的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)產(chǎn)生脹裂現(xiàn)象。因?yàn)楣ぜ?nèi)部為超高壓水，出現(xiàn)脹裂現(xiàn)象不僅會(huì)造成工件損壞，有時(shí)還會(huì)危及操作人員的安全。因此在脹形的過程中，需要時(shí)刻監(jiān)測(cè)護(hù)環(huán)兩端和中間的脹形情況，一旦發(fā)現(xiàn)有凹鼓跡象，應(yīng)立即停止，取出工件進(jìn)行重新加工后再繼續(xù)進(jìn)行脹形。

在護(hù)環(huán)脹形的過程中，不但直徑方向向外脹大，高度方向也有變形，整個(gè)檢測(cè)裝置的檢測(cè)點(diǎn)需要隨著測(cè)點(diǎn)的位移變化進(jìn)行變化，也就是說整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該是實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的，這也是整個(gè)檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。以往的檢測(cè)都是人工測(cè)量，不僅不準(zhǔn)確，而且具有一定的危險(xiǎn)性。這次采用磁致式位移傳感器（見圖7），傳感器3可以在框架1內(nèi)上下進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)整個(gè)框架1可以在導(dǎo)軌2上滑動(dòng)以調(diào)整測(cè)量距離，當(dāng)工件4直徑發(fā)生變化時(shí)，可以通過傳感器3 將上、中、下三點(diǎn)的數(shù)值傳遞給控制室，控制室電腦設(shè)定比較值，當(dāng)偏差值超過設(shè)定值時(shí)，電腦自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒操作人員停機(jī)檢查。這套系統(tǒng)檢測(cè)精度可達(dá)到±1 mm，經(jīng)過測(cè)試，初步實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)功能，但也存在一些問題，主要有兩點(diǎn)：一是檢測(cè)的點(diǎn)數(shù)還不夠多，不能完全覆蓋變形趨勢(shì)；二是測(cè)點(diǎn)不能隨動(dòng)，影響檢測(cè)的精度；這些問題還須進(jìn)一步改進(jìn)。

圖7 檢測(cè)裝置

2.5 超高壓水站

超高壓水站的作用是提供高壓水動(dòng)力，使工件產(chǎn)生變形，超高壓水站提供壓力400MPa持續(xù)而穩(wěn)定的動(dòng)力來源。超高壓水站盡管壓力很高，但流量相對(duì)較小，只有4L/min。這臺(tái)超高壓水站外購(gòu)于專業(yè)廠商，我們只解決與超高壓水連接部位的密封和接口問題。

2.6 模具

模具由上凸凹模、減力柱、保護(hù)罩等零部件組成（見圖8）。工件按要求放置在減力柱和上下模之間，周圍安裝有保護(hù)罩，壓機(jī)壓住上模，工件與減力柱和下模之間通過錐面密封，減力柱和下模之間有兩道高壓密封，防止高壓水滲漏，打開超高壓水站，超高壓水從進(jìn)口處進(jìn)入，在工件內(nèi)部形成高壓，迫使工件向兩邊脹形，從而實(shí)現(xiàn)冷脹硬化。模具和工件之間承受超高壓水的壓力，上下模和工件之間的密封非常重要，否則內(nèi)部建立不起壓力；此外，超高壓水和進(jìn)水口之間的密封同樣也很重要，我們?cè)O(shè)置金屬密封墊，對(duì)其變形方式進(jìn)行密封，效果比較理想。

圖8 模具示意

2.7 液壓和電氣系統(tǒng)

整個(gè)設(shè)備的動(dòng)作并不多，所以液壓和電氣控制系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單。設(shè)備總功率約190kW，液壓站油箱容量7 200L，油站設(shè)置單獨(dú)的循環(huán)過濾和冷卻系統(tǒng)。整個(gè)設(shè)備采用PLC控制，在控制室的顯示屏上可直觀地讀出諸如溫度、壓力、距離、液位等監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并有一系列動(dòng)作互鎖和安全保護(hù)設(shè)置，操作者還可以通過觸摸屏或鍵盤發(fā)出各種操作指令，整套系統(tǒng)簡(jiǎn)單、直觀并且安全、可靠，使用方便。

2.8 排水系統(tǒng)

由于每次工作后，工件和減力柱之間的高壓水在卸壓后會(huì)直接排到地坑中，所以在設(shè)備地下還設(shè)置有積水坑，里面配置了一臺(tái)潛水泵，通過預(yù)設(shè)的管道自動(dòng)將坑中的水排出。

3 結(jié) 論

150MN大型護(hù)環(huán)液壓脹形專用裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和開發(fā)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下三方面：

超大直徑?2 500mm活塞缸的設(shè)計(jì)及制造；

隨工件變形和移動(dòng)的精密檢測(cè)技術(shù)；

超高壓水站的選用和超高壓水的密封技術(shù)。

150MN大型護(hù)環(huán)液壓脹形專用裝置經(jīng)過兩年的攻關(guān)，首兩件成品已順利下線，取得了階段性的成功。

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