秦 杰

（佛山市恒力泰機(jī)械有限公司，廣東佛山 528137）

0 引言

耐火磚是耐火材料大類里的定型制品，是高溫行業(yè)非常重要的基礎(chǔ)材料，廣泛用于冶金、化工、建材等行業(yè)。耐火磚使用粉料壓制成型，主要特點(diǎn)是制品厚度大、成型壓力高（220 MPa），要求壓制后體積密度大且均勻，同時(shí)制品的尺寸精度要求高，因此對(duì)成型設(shè)備提出了很高的要求。目前生產(chǎn)耐火磚的主流設(shè)備是摩擦壓力機(jī)，存在生產(chǎn)效率、自動(dòng)化程度低、噪聲大、能耗高等缺點(diǎn)。耐火磚自動(dòng)液壓機(jī)是耐火磚成型生產(chǎn)的新型先進(jìn)設(shè)備[1]，也是生產(chǎn)線上的關(guān)鍵核心設(shè)備，是機(jī)、電、液，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)與耐火磚工藝技術(shù)相結(jié)合的現(xiàn)代高科技產(chǎn)品，克服了傳統(tǒng)摩擦壓機(jī)生產(chǎn)耐火磚存在的一系列問題，在生產(chǎn)效率、成品率、安全性、環(huán)保、節(jié)能方面都具有明顯優(yōu)勢(shì)。因此，耐火磚自動(dòng)液壓機(jī)逐漸替代傳統(tǒng)摩擦壓力機(jī)已成為一種趨勢(shì)。當(dāng)前國產(chǎn)的耐火磚自動(dòng)液壓機(jī)相對(duì)于國際先進(jìn)的同類產(chǎn)品在整機(jī)穩(wěn)定性、控制精度、關(guān)鍵性能等方面還有一定的差距，本文對(duì)耐火磚自動(dòng)液壓機(jī)一些關(guān)鍵技術(shù)的分析介紹，為以后優(yōu)化提升耐火磚自動(dòng)液壓機(jī)提供了一些方向和思路。

1 能承受高集中載荷、滿足雙向加壓的主機(jī)結(jié)構(gòu)及實(shí)時(shí)速度同步控制技術(shù)

耐火磚壓制成型工藝常用的加壓方式包括單向加壓、雙向加壓[2]。傳統(tǒng)的雙向加壓一般指壓機(jī)設(shè)有上下油缸，上下油缸同時(shí)加壓的雙向加壓方式，其優(yōu)點(diǎn)是比起單向壓機(jī)方式，成型的磚坯密封更加均勻，密度一致性高，原理對(duì)比如圖1所示。

圖1 單向、雙向加壓效果對(duì)比

圖2 傳統(tǒng)雙向加壓原理示意圖

圖3 新式雙向加壓原理示意圖

然而，傳統(tǒng)的雙向加壓原理（如圖2 所示）在應(yīng)用時(shí)需要在設(shè)備的上、下部均設(shè)置有加壓油缸，2 個(gè)主缸的壓力以及速度難以保證同步，同時(shí)下部的油缸難以檢修，給客戶帶來不便。根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理，研究形成了新式的雙向加壓原理，如圖3所示。應(yīng)用時(shí)通過控制上模與?？虻倪\(yùn)動(dòng)速比，使上模運(yùn)動(dòng)速度是?？蜻\(yùn)動(dòng)速度的2 倍（v1＝2 ×v2），可以實(shí)現(xiàn)雙向加壓效果。

新的雙向加壓主機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)如圖4 所示，耐火磚壓制成型工藝的成型壓力較高，遠(yuǎn)高于其他類型的磚坯，同時(shí)耐火磚當(dāng)中的一部分為楔形磚。壓制楔形磚時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的偏載，因此耐火磚自動(dòng)液壓機(jī)的主機(jī)機(jī)架最好采用四梁四柱的梁柱式預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)[3]，同時(shí)四根立柱導(dǎo)向，能承受高集中載荷，在承受側(cè)向力大的情況下，依然能保證可靠性和較好的導(dǎo)向精度，還保證了很強(qiáng)的抗疲勞能力和整體剛性。機(jī)架設(shè)計(jì)采用理論計(jì)算—有限元分析[4]—應(yīng)力測(cè)試的閉環(huán)方法，保證設(shè)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性，分析示例如圖5所示。

圖4 雙向加壓主機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖5 機(jī)架有限元分析

當(dāng)前耐火磚自動(dòng)液壓機(jī)的雙向加壓控制方法一般是通過設(shè)定上模（上動(dòng)梁）速度及模框（下動(dòng)梁）的速比（速比＝上模速度／?？蛩俣龋愠瞿？颍ㄏ聞?dòng)梁）的跟隨速度，?？蛟俑鶕?jù)此速度運(yùn)動(dòng)。這種控制方式有以下不足：速比設(shè)定后，實(shí)際上上模壓制過程是一個(gè)變速壓制過程，?？驘o法有效地按實(shí)時(shí)的跟隨速度運(yùn)動(dòng)；根據(jù)速比算出來的速度為固定值，不是實(shí)際的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)速度，當(dāng)實(shí)際值與設(shè)定值偏差較大時(shí)，雙向加壓效果差；系統(tǒng)有嚴(yán)重的滯后性，當(dāng)加壓速度較快時(shí)，?？蜻€沒來得及響應(yīng)，加壓就基本結(jié)束了，這種情況雙向加壓效果也是較差的。

為解決一般控制方法產(chǎn)生的弊端，研究了一種真正實(shí)現(xiàn)雙向加壓的智能控制方法，此控制方法通過傳感器采集壓機(jī)上模（上動(dòng)梁）的實(shí)時(shí)速度，除以設(shè)定的速比（通常設(shè)定為2），從而算出?？颍ㄏ聞?dòng)梁）的實(shí)時(shí)跟隨速度指令，再通過閉環(huán)控制進(jìn)行實(shí)時(shí)跟隨。另外此控制方法可通過設(shè)備上一次的運(yùn)行情況，智能地調(diào)整閉環(huán)控制算法的前饋環(huán)節(jié)，有效減少系統(tǒng)的滯后，做到?？虬瓷夏Ｒ话氲乃俣葘?shí)時(shí)同步跟隨，實(shí)現(xiàn)較好雙向加壓的效果。

圖6 填料裝置示意圖

圖7 雙軸攪拌器的攪拌結(jié)構(gòu)

2 容積式精確填料技術(shù)

生產(chǎn)耐火磚原料種類較多，粉料的均勻性對(duì)成型產(chǎn)品的質(zhì)量影響很大，所以采用容積式填料必須在粉料的傳送過程中[5]盡量保證粉料的均勻性和穩(wěn)定性，填料裝置示意圖如圖6所示。為完成最終的精確填料，首先要保證進(jìn)入料倉（圖6中件5）中的粉料初步均勻，不能產(chǎn)生較大的偏析，也就是盡量減少粉料的粗細(xì)顆粒分離，為此研究了一種料倉的自動(dòng)稱重裝置（專利號(hào)ZL201821238243.9）。該裝置可以實(shí)時(shí)檢測(cè)料倉中的粉料量，當(dāng)采用輸料皮帶向料倉中送料時(shí)，可以比較精準(zhǔn)地控制料倉中料位的變化范圍，這樣就可以減少因粉料堆積產(chǎn)生的偏析現(xiàn)象，另外還可以在料倉中增加一個(gè)初級(jí)攪拌裝置，進(jìn)一步減少偏析，提高粉料的均勻性；第二個(gè)重要措施是在粉料進(jìn)入最后的專用攪拌器（圖6 中件8）精確攪拌之前，通過專用的碎料器（圖6 中件7）對(duì)粉料進(jìn)行初步破碎處理，減少粉料中的結(jié)團(tuán)現(xiàn)象；最后經(jīng)過破碎處理的粉料進(jìn)入專用攪拌器[6]進(jìn)行精細(xì)攪拌，通過離散元仿真軟件EDEM對(duì)一種常用的專用攪拌器[7]（圖7）進(jìn)行仿真并優(yōu)化其內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸，使粉料在攪拌器內(nèi)攪拌后各部分分布均勻，然后攪拌器在向模具填料的過程中同時(shí)進(jìn)行順時(shí)針和逆時(shí)針的攪拌動(dòng)作，最終保證落入模腔的粉料盡量均勻一致，從而提高壓制產(chǎn)品的尺寸精度和體積密度的均勻性。

3 填料深度及制品高度尺寸自動(dòng)控制技術(shù)

耐火磚的壓制厚度尺寸較大，同時(shí)受工藝控制水平的影響，粉料永遠(yuǎn)存在一定程度的不均勻性。在成型的高度方向，磚坯的尺寸控制是比較困難的，當(dāng)前耐火磚自動(dòng)液壓機(jī)磚坯尺寸控制一般是根據(jù)上一次壓制的磚坯尺寸自動(dòng)加減填料深度，自動(dòng)加減值人為設(shè)定。這種控制方式有以下不足：一是自動(dòng)加減的值需人為設(shè)定，對(duì)操作人員的要求較高；二是磚坯尺寸偏差波動(dòng)比較大時(shí)，無法快速調(diào)整至正常；三是適應(yīng)性較差，無法自動(dòng)適應(yīng)不同的粉料，變換原料時(shí)需更改不同的自動(dòng)加減值。

通過研究，使用了一種能夠智能調(diào)整填料深度的控制方法，可以大大提高磚坯的高度尺寸控制精度。此控制方法通過收集前一組壓制完成磚坯的高度尺寸和填料深度信息，自動(dòng)計(jì)算出當(dāng)前粉料的壓縮比與磚坯的誤差值，再根據(jù)這兩個(gè)值自動(dòng)計(jì)算調(diào)整后的填料深度，從而達(dá)到自動(dòng)調(diào)整磚坯高度尺寸的效果；在極端情況下，此控制方法也可根據(jù)磚坯尺寸并結(jié)合實(shí)際的壓制力，智能判斷并準(zhǔn)確調(diào)整填料深度，達(dá)到快速調(diào)整的效果。此控制方法可適應(yīng)各種粉料特性的磚坯，提高產(chǎn)品合格率，且此控制方法無需人為設(shè)定任何調(diào)整參數(shù)，簡(jiǎn)化操作，提高壓機(jī)系統(tǒng)的智能化程度。

4 提高模具使用壽命技術(shù)

圖8 模具結(jié)構(gòu)示意圖

在壓制過程中，上模和模套（圖8）有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，為了保證正常壓制，設(shè)備首先必須能夠防止因錯(cuò)誤的參數(shù)設(shè)置而導(dǎo)致磚坯成型不在模腔內(nèi)，減少廢品的產(chǎn)生和模具損壞，為此研究應(yīng)用了一種防止自動(dòng)液壓機(jī)壓制時(shí)模具損壞的控制方法（專利號(hào)ZL201611129842.2），控制流程如圖9 所示，分別設(shè)有保護(hù)襯板的最小位移S1、上模與?？虻南鄬?duì)位移S2、?？蛳陆档陌踩灰芐3、上模加壓速度v1、?？蛳陆邓俣葀2、?？蛩俣认禂?shù)K、主缸目標(biāo)壓力P1、主缸實(shí)時(shí)壓力P以及壓制時(shí)間T。S1與S3根據(jù)模具的襯板尺寸而定；S1設(shè)置為模具襯板上邊比較薄部分的高度；S3是在S1的基礎(chǔ)上加上一定的安全距離；S2為上模與?？虻南鄬?duì)距離，即上模進(jìn)入模腔的距離，此值在壓制過程中實(shí)時(shí)變化；?？蛳陆邓俣葀2則是根據(jù)上模設(shè)定速度v1乘以系數(shù)K而得，壓制時(shí)間T從壓制開始進(jìn)行計(jì)時(shí)，主缸實(shí)時(shí)壓力P為實(shí)時(shí)檢測(cè)的主缸壓力值。壓制時(shí)系統(tǒng)根據(jù)S1、S2及S3的大小，判斷?？驙顟B(tài)。當(dāng)S2≥S3時(shí)，模框下降；當(dāng)S2＜S3，?？蛲Ｖ沟却?；當(dāng)S2＜S1，且P＞0.5 MPa，模框停止壓制結(jié)束。

圖9 防止壓制時(shí)模具損壞的控制流程

該技術(shù)通過采用上述方案，能有效控制壓制時(shí)?？虻奈恢?，避免磚坯在模具襯板上端成型，達(dá)到防止壓制時(shí)模具損壞和減少產(chǎn)生廢品的效果。

圖10 模具磨損

耐火磚成型工藝要求表面壓強(qiáng)可達(dá)220 MPa，同時(shí)尺寸精度及邊角的形狀要求比較嚴(yán)格，所以上模芯與模腔的配合間隙是比較小的，由于高壓壓制時(shí)粉料的摩擦擠壓，若長(zhǎng)期壓制同一規(guī)格的產(chǎn)品時(shí)，同時(shí)長(zhǎng)期在同一位置完成加壓成型會(huì)造成模腔較快的嚴(yán)重磨損，效果圖如圖10所示。為提高模具壽命，降低生產(chǎn)成本，研究了一種延長(zhǎng)耐火磚自動(dòng)液壓機(jī)模具壽命[8]的技術(shù)，該技術(shù)通過控制模框自動(dòng)調(diào)節(jié)壓制位置的方法來降低模具的損耗，控制流程圖如圖11所示。控制方法中分別設(shè)有?？蛭恢谜{(diào)整范圍、?？蛭恢谜{(diào)整變化量、調(diào)整周期和復(fù)位。模框位置調(diào)整范圍限制著?？?，可自動(dòng)調(diào)整的區(qū)間；?？蛭恢谜{(diào)整變化量反映每次壓制模框的調(diào)整幅度，變化量越大調(diào)整越多；調(diào)整周期反映?？蛘{(diào)整的頻率；復(fù)位則可以在任意時(shí)候恢復(fù)到初始狀態(tài)。該技術(shù)能自動(dòng)調(diào)節(jié)壓制時(shí)?？虻奈恢?，避免長(zhǎng)期在模具模腔的同一位置進(jìn)行壓制，使模腔內(nèi)磨損均勻，達(dá)到延長(zhǎng)模具壽命的效果，同時(shí)有效地控制壓制位置，使磚坯質(zhì)量穩(wěn)定。

圖11 提高模具壽命的控制方法流程

5 降低模具使用成本技術(shù)

當(dāng)前耐火磚自動(dòng)液壓機(jī)的料車安裝方式一般是普通固定模式，如圖12所示。料車直接用螺釘固定到壓機(jī)下動(dòng)梁上，料車安裝面上一般有很短的長(zhǎng)條孔，可通過調(diào)節(jié)螺釘進(jìn)行少量調(diào)整，一般調(diào)整范圍為20 mm 左右。這種方式有以下不足：

圖12 料車高度人工調(diào)整

（1）料車高度調(diào)節(jié)范圍太小，只能適應(yīng)固定較大厚度的模具模框，不能適應(yīng)厚度較小的模具模框，在生產(chǎn)薄的耐火磚時(shí)也只能用較厚的模框，而模框是整個(gè)模具中成本最大的零件，這樣就造成生產(chǎn)成本較高；

（2）自動(dòng)化程度低，需人工進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，過程比較繁瑣；

（3）無法做到左右同步調(diào)整，較難保證左右兩邊的調(diào)整高度一致，從而導(dǎo)致料車安裝后左右方向一邊高一邊低，一定程度上會(huì)影響布料的精度，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。

為克服以上弊端，研究使用了一種能夠電動(dòng)調(diào)節(jié)料車高度的裝置，如圖13所示，專利號(hào)201921200154.X。該裝置采用電機(jī)經(jīng)減速機(jī)通過螺紋傳動(dòng)來驅(qū)動(dòng)料車，料車的高度調(diào)節(jié)范圍大，調(diào)節(jié)高度變化量最大可達(dá)220 mm，從而可適應(yīng)較大厚度差的模具模框，在生產(chǎn)厚度較小的耐火磚時(shí)采用小厚度的專用模具?？?，可以大大降低模具成本，同時(shí)提高了自動(dòng)化程度。由于提升了料車調(diào)節(jié)精度，進(jìn)而也提高了填料的精度。

圖13 料車高度自動(dòng)調(diào)整

6 結(jié)束語

以上關(guān)鍵技術(shù)通過在YPR系列耐火磚自動(dòng)液壓機(jī)上實(shí)際應(yīng)用，使生產(chǎn)的產(chǎn)品尺寸精度提高、體積密度均勻、磚坯單重偏差小，提升了生產(chǎn)產(chǎn)品的品質(zhì)穩(wěn)定性，同時(shí)降低了操作、調(diào)節(jié)難度和客戶的生產(chǎn)成本。耐火磚自動(dòng)液壓機(jī)目前在國內(nèi)雖然不是主流設(shè)備，但隨著設(shè)備綜合性能的提升和使用成本的降低，其在耐火材料行業(yè)的應(yīng)用必然越來越普及。