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    經(jīng)濟型鋁擠壓機研發(fā)

    2017-12-22 06:55:40
    鍛壓裝備與制造技術(shù) 2017年4期
    關(guān)鍵詞:標準化產(chǎn)品設(shè)計

    李 翔

    (1.太原重工股份有限公司,山西 太原 030024;2.太重(天津)濱海重型機械有限公司,天津 300452)

    經(jīng)濟型鋁擠壓機研發(fā)

    李 翔1,2

    (1.太原重工股份有限公司,山西 太原 030024;2.太重(天津)濱海重型機械有限公司,天津 300452)

    闡述了“一帶一路”背景下,以生產(chǎn)建筑鋁型材為主的經(jīng)濟型鋁擠壓機研發(fā)與制造優(yōu)勢。設(shè)計過程采用標準化和模塊化,應用多種商業(yè)化計算機輔助軟件,縮短了研發(fā)周期,降低了研發(fā)成本和風險;制造過程嚴格按照設(shè)計圖紙、施工規(guī)范和相關(guān)標準執(zhí)行,采用專用高效設(shè)備,使鋁擠壓機具備最佳功能和效益。通過分析鋁擠壓機各功能組成,確定鋁擠壓機的經(jīng)濟性主要體現(xiàn)為投資成本低,功能實用,運行高效和可靠性高。

    一帶一路;鋁擠壓機;經(jīng)濟性

    太原重工股份有限公司已躋身全球三大擠壓機制造公司之列[1]。我公司自1999生產(chǎn)第一臺75MN鋁擠壓機,直至2016年生產(chǎn)的225MN鋁擠壓機,其產(chǎn)品研發(fā)一直向大型化、智能化和高端化方向發(fā)展。近年來,在全球經(jīng)濟復蘇乏力、貿(mào)易暗流涌動的大環(huán)境下,我國提出共建“一帶一路”倡議,使全球資本向基礎(chǔ)設(shè)施、實體經(jīng)濟和發(fā)展中國家轉(zhuǎn)移。在此倡議中曾明確指出:“基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)互通作為‘一帶一路’建設(shè)的優(yōu)先領(lǐng)域,需強化進行綠色低碳化建設(shè)”。眾所周知,建筑鋁型材是基礎(chǔ)設(shè)施綠色低碳化建設(shè)的優(yōu)選材料之一。與此同時,“一帶一路”沿線的發(fā)展中國家,如越南、緬甸、巴基斯坦、土耳其和印度也積極回應,紛紛慕名與我公司洽談以生產(chǎn)建筑鋁型材為主的鋁擠壓機產(chǎn)品業(yè)務(wù)。面對風生水起、如火如荼的“一帶一路”市場,我公司充分發(fā)揮產(chǎn)品快速研發(fā)和先進制造優(yōu)勢,成功地進行了經(jīng)濟型鋁擠壓機的系列化開發(fā)、短周期生產(chǎn)和大批量交貨,不僅使我公司增強了擠壓機產(chǎn)品的全系列供貨能力,也進一步提升了我公司在擠壓機產(chǎn)品領(lǐng)域的全球影響力。

    1 設(shè)計組成

    經(jīng)濟型鋁擠壓機采用短行程、前上料方式,由擠壓機本體、機械化輔機、液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成[2]。以建筑鋁型材為生產(chǎn)對象,所需設(shè)備擠壓力通常較小。按擠壓力大小劃分,具體規(guī)格包括12.5MN、16MN、20MN、25MN、27.5MN 和 36MN。

    1.1 本體結(jié)構(gòu)

    本體由預應力組合機架、工作缸、擠壓筒、擠壓梁和主剪等主要部件構(gòu)成。

    預應力組合機架是承受擠壓力的最基本結(jié)構(gòu)。該機架采用梁柱組合式,由整體式前梁和后梁、圓柱形張力柱、方形壓柱組成。方形壓柱套上圓柱形張力柱,此壓柱可兼作擠壓梁、擠壓筒座導軌,通過前梁外側(cè)用預緊裝置對張力柱施加預緊力使其拉伸,同時壓柱受壓,然后背緊張力柱螺母,從而使整個機架具有較高整體剛度,更有利于保證擠壓制品質(zhì)量[3]。

    工作缸均置于后梁,包括主缸、側(cè)缸和鎖緊缸。主缸為柱塞缸,置于后梁中心;兩側(cè)缸為活塞缸,水平置于主缸左右兩側(cè);兩鎖緊缸為活塞缸,斜置于主缸上下兩側(cè)。擠壓筒與擠壓梁置于前梁與后梁之間。擠壓筒由組件和外殼組成,采用三鍵定位方式,將組件固定在外殼中心。組件由內(nèi)襯和外套過盈裝配而成,加熱時,采用直管電阻式電熱元件,沿軸向分兩段加熱,由熱電偶測量和反饋各段溫度。外殼與鎖緊缸活塞桿連接。擠壓梁由擠壓梁、擠壓墊和擠壓桿快換裝置組成,用來傳遞擠壓力。

    主剪置于前梁內(nèi)側(cè)正上方,采用正裝式結(jié)構(gòu)。主剪驅(qū)動缸為活塞缸,缸體通過拉桿、立柱等組件垂直固定于前梁,活塞桿則通過連接帶有主剪刃的矩形滑塊驅(qū)動主剪刃下降,分離制品和壓余。主剪上還設(shè)計有打壓余裝置,避免壓余與主剪刃粘接。

    1.2 機械化輔機

    機械化輔機包括坯錠運送小車、推錠裝置和供錠機械手。坯錠從加熱爐出爐,出爐裝置將其輸送至坯錠運送小車的車架上。坯錠由車架上的V形輥道支撐,同時被傳送至供錠機械手的入口側(cè),由推錠裝置將其推入供錠機械手鉗口。供錠機械手動作包括前進、后退,鉗口松開、鉗口夾緊和供錠,其中前進、后退采用機械方法實現(xiàn),鉗口松開、夾緊和供錠采用液壓方法實現(xiàn)。供錠機械手設(shè)計有帶輥輪的雙夾持臂,即活動臂和固定臂,活動臂可直線移動,其位置可以自動調(diào)節(jié),以滿足不同長度坯錠的供錠要求。

    1.3 液壓系統(tǒng)

    液壓系統(tǒng)采用油泵直接傳動形式,由動力系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、外控系統(tǒng)和過濾冷卻循環(huán)系統(tǒng)組成。動力系統(tǒng)由油箱、泵站、柱塞泵、泵頭閥塊及其連接管道組成。油箱安裝在擠壓機后上方,油箱上設(shè)置有空氣濾清器和溫度傳感器等。泵站采用集成化設(shè)計,集中布置在擠壓機后部地坑內(nèi)。主控系統(tǒng)由集成控制閥塊組成,集中布置在油箱頂部。集成控制閥塊采用二通插裝閥,由不同功能的插裝件、控制蓋板和先導控制閥組成。各閥組按設(shè)定程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)柔性升壓、卸壓,同時各閥組之間進行必要的安全聯(lián)鎖。外控系統(tǒng)由恒壓變量軸向柱塞泵、泵頭閥塊及其連接管道組成,該系統(tǒng)中設(shè)有穩(wěn)壓、精濾和壓力保護元件。過濾冷卻循環(huán)系統(tǒng)由三螺桿泵、過濾器,以及與過濾器串列式布置的油冷卻器、電加熱器組成。

    1.4 電氣控制系統(tǒng)

    電氣控制系統(tǒng)包括電源控制、電機控制和PLC控制系統(tǒng)。設(shè)備設(shè)有總電源開關(guān)柜,用于整機的動力電源供給和保護,使擠壓機電控與車間電源隔離。380V/220V動力供電全部集中于泵站,機上電氣設(shè)備、檢測、發(fā)訊元件和電磁閥線圈電壓均采用DC 24V。55kW以上(含55kW)電機啟動方式采用Y-△啟動,其余電機采用直接起動;為避免大電流沖擊,系統(tǒng)聯(lián)鎖控制各臺電機分別啟動。PLC控制系統(tǒng)采用PROFIBUS-DP通訊協(xié)議,PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)選用主站-從站結(jié)構(gòu)。PLC為1類DP主站,產(chǎn)品選用CPU315-2DP,其集成的MPI/DP接口可以用于PROFIBUS-DP總線操作,實現(xiàn)上位機與DP主站之間的高速數(shù)據(jù)通信;TP為2類DP主站,產(chǎn)品選用觸摸屏MP270B,將其連接至PROFIBUS-DP總線,完成設(shè)備在線監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置;分布式I/0為DP從站,包括2個ET200M和1個絕對值旋轉(zhuǎn)編碼器從站,作為輸入信息采集和輸出信息發(fā)送的外圍設(shè)備,它將與組態(tài)它的DP主站交換用戶數(shù)據(jù),報告本地診斷中斷和過程中斷信息。

    2 設(shè)計方法和手段

    在經(jīng)濟型鋁擠壓機研發(fā)過程中,采用了多種先進設(shè)計方法和手段,有效提高了設(shè)計質(zhì)量和效率,縮短了研發(fā)周期,降低了研發(fā)成本和風險。

    2.1 設(shè)計標準化

    設(shè)計標準化是產(chǎn)品研發(fā)成敗的關(guān)鍵。在經(jīng)濟型鋁擠壓機設(shè)計過程中,認真貫徹各類有關(guān)標準,積極采用國際標準和國外先進標準,并充分調(diào)研“一帶一路”國家的國家標準和行業(yè)標準,充分運用標準化原則進行產(chǎn)品設(shè)計,最大限度地提高產(chǎn)品零部件的標準化。設(shè)計標準化的主要內(nèi)容:一是結(jié)合用戶需要、市場動態(tài)和公司產(chǎn)品開發(fā)規(guī)劃,研討、確定產(chǎn)品系列化要求;二是參加產(chǎn)品設(shè)計任務(wù)書審查,確保任務(wù)書對標準化有明確要求;三是提出產(chǎn)品標準化綜合要求;四是參加產(chǎn)品設(shè)計方案評審;五是提供應貫徹的有關(guān)現(xiàn)行標準;六是根據(jù)實際采用國際標準和國外先進標準[4]。

    2.2 設(shè)計模塊化

    設(shè)計模塊化是歐美國家在20世紀50年代提出的一種新設(shè)計方法,并在許多發(fā)達國家機械行業(yè)中普遍應用[5,6]。鋁擠壓機產(chǎn)品一直被認定為屬于單件、小批和定制生產(chǎn)模式。對經(jīng)濟型鋁擠壓機進行系列化研發(fā),一方面要保證短周期交貨,另一方面要降低研發(fā)成本,引入模塊化設(shè)計可以有效應對這一挑戰(zhàn)。模塊化設(shè)計的零部件具有功能獨立性、結(jié)構(gòu)獨立性和接口標準化。在對已有鋁擠壓機產(chǎn)品特點分析基礎(chǔ)上,規(guī)劃出機架、工作缸、柱塞壓蓋、導套、擠壓筒、固定擠壓墊、油箱、平臺欄桿、油泵電機組、充液閥和預緊工具等模塊。在模塊的具體設(shè)計過程中,通過模塊的模板參數(shù)化設(shè)計實現(xiàn)三維建模的快速化、知識化、標準化和規(guī)范化,從而提升模塊設(shè)計的變型效率,實現(xiàn)產(chǎn)品的系列化。在模塊設(shè)計完成后,根據(jù)模塊的層級結(jié)構(gòu),在產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)建立產(chǎn)品模塊管理平臺,對模塊進行維護和管理。

    2.3 設(shè)計手段先進化

    在經(jīng)濟型鋁擠壓機產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計過程中,有很多重復繁雜的設(shè)計工作,嚴重制約著研發(fā)周期。在產(chǎn)品CAD/CAE/CAM/PDM集成系統(tǒng)解決方案高速發(fā)展的今天,廣泛應用成熟、商業(yè)化的計算機輔助軟件,提高設(shè)計質(zhì)量和效率,縮短產(chǎn)品研發(fā)周期,推動產(chǎn)品持續(xù)創(chuàng)新已勢在必行。

    SOLIDWORKS已成為世界主流CAD軟件市場的標準,其主體功能是機械三維CAD設(shè)計,它從根本上摒棄了傳統(tǒng)二維CAD軟件設(shè)計效率和設(shè)計水平方面的痼疾。SOLIDWORKS是基于特征的三維實體建模設(shè)計工具,也是完全基于Windows平臺的軟件,具有Windows的圖形化界面,操作簡單方便、易學易用,為設(shè)計人員提供了良好的環(huán)境。SOLIDWORKS不僅功能強大,而且為用戶二次開發(fā)提供了開放的接口。經(jīng)濟型鋁擠壓機設(shè)計過程中,利用SOLIDWORKS軟件,針對本體結(jié)構(gòu)進行了全三維CAD設(shè)計和工程圖制作,同時考慮到擠壓機工作缸是重要部件,數(shù)量較多,結(jié)構(gòu)大同小異,而油箱部件設(shè)計量大而繁瑣,需要繪制不同規(guī)格的孔和焊接法蘭,嚴重影響設(shè)計周期,以油缸和油箱部件為突破重點,借助SOLIDWORKS平臺的API函數(shù)開發(fā)了具有人機交互界面的設(shè)計插件[7],實現(xiàn)了油缸、油箱部件的三維CAD自動化和智能化設(shè)計。

    MSC.Marc是世界知名的高級通用非線性有限元分析軟件,具有極強的結(jié)構(gòu)分析能力。在利用SOLIDWORKS建立鋁擠壓機本體結(jié)構(gòu)三維模型基礎(chǔ)上,利用MSC.Marc軟件,進行本體結(jié)構(gòu)的三維全接觸有限元建模與分析,獲取了預應力組合機架和工作缸等關(guān)鍵部件的應力和變形云圖,通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,確定了最佳剛度和強度下的幾何尺寸,使鋁擠壓機各結(jié)構(gòu)件材料分配合理化。

    EPLAN是電氣計算機輔助設(shè)計的先鋒軟件,在一些裝備制造強國中電氣設(shè)計應用EPLAN已相當普遍。EPLAN強調(diào)標準化理念,針對經(jīng)濟型鋁擠壓機電氣設(shè)計,我公司組織制定了擠壓機的EPLAN標準,在完善一系列背景數(shù)據(jù),包括標準化文件和數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上,經(jīng)歷繪制圖紙、生成報表及整理等設(shè)計過程,最終完成了擠壓機電氣EPLAN標準圖紙的制作和應用[8],大大提高了設(shè)計質(zhì)量和效率,縮短了研發(fā)周期。

    ITI-SimulationX是德國ITI有限公司開發(fā)的面向工程系統(tǒng)高級建模和多學科仿真的軟件平臺。利用ITI-SimulationX軟件組建虛擬擠壓系統(tǒng),可以對產(chǎn)品進行全面、整體建模與仿真。虛擬擠壓系統(tǒng)包括機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和擠壓成形力三部分。機械系統(tǒng)利用三維軟件SOLIDWORKS建模,液壓系統(tǒng)利用多學科仿真軟件ITI-SimulationX建模,擠壓成形力則借助成形工藝軟件SIMUFACT獲取。按典型擠壓產(chǎn)品生產(chǎn)流程,結(jié)合各典型工況,建立各機械系統(tǒng)模型、液壓系統(tǒng)模型,然后集成于多學科仿真軟件ITI-SimulationX平臺進行仿真,獲取擠壓時間與非擠壓時間性能指標,機械結(jié)構(gòu)的位移、速度和運行時間,工作缸內(nèi)壓力、柱塞或活塞桿的行程,以及管道內(nèi)流量和流速,在對系統(tǒng)進行整體分析與評估基礎(chǔ)上,進行設(shè)計修正與優(yōu)化,降低產(chǎn)品研發(fā)風險[9]。

    3 制造優(yōu)勢

    沒有制造標準化,就沒有現(xiàn)代化生產(chǎn)。制造標準化是創(chuàng)新成果走向生產(chǎn)和向生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化的重要推力。制造標準化,就是以規(guī)定的成本、規(guī)定的工時,生產(chǎn)出品質(zhì)均勻、符合規(guī)格的產(chǎn)品。制造標準化是降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要保證。除產(chǎn)品本身標準外,對生產(chǎn)產(chǎn)品的原材料、零部件和半成品制訂相應標準,通過合理選擇和使用,簡化原材料的供應,減少了零部件和半成品的物資儲備;對生產(chǎn)工藝、工裝等制訂了相互適應、相互配套的標準,對產(chǎn)品的檢驗方法、包裝、標志、運輸和儲存也作了相應規(guī)定。通過嚴格按制造標準,采用高效率的專用設(shè)備組織生產(chǎn),推行標準化的作業(yè)規(guī)程、標準化的操作程序和標準化的評價機制,有力保障了產(chǎn)品制造在科學、有序基礎(chǔ)上進行,產(chǎn)品質(zhì)量達到和超過標準規(guī)定要求,使經(jīng)濟型鋁擠壓機產(chǎn)品具備最佳功能和效益,并最終完成了產(chǎn)品全系列、短周期和大批量制造目標。

    圖1 鋁擠壓機制造現(xiàn)場

    4 經(jīng)濟性分析

    經(jīng)濟型鋁擠壓機的經(jīng)濟性主要體現(xiàn)在機械結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)方面,具體特點包括:①價格低廉,設(shè)備投資成本低;②結(jié)構(gòu)簡單,功能實用;③運行經(jīng)濟、高效;④可靠性高。

    4.1 機械結(jié)構(gòu)

    采用了短行程、前上料結(jié)構(gòu)形式,擠壓機結(jié)構(gòu)簡單、緊湊,擠壓桿行程和主缸長度顯著減小。擠壓機結(jié)構(gòu)簡單、緊湊,占地面積小,設(shè)備投資成本低;擠壓桿行程減小,不存在無功行程,縮短了非擠壓時間,運行高效;主缸長度減小,升壓和卸壓使用油液量少,升壓、卸壓時間短,且卸壓沖擊振動小,運行既經(jīng)濟、高效,又提高了可靠性。擠壓桿行程和主缸長度減小,各連接結(jié)構(gòu)件尺寸也相應減小、重量減輕,這將使某些結(jié)構(gòu)件的功能實用化設(shè)計具備可行性,如擠壓桿和擠壓筒的快換裝置,以傳統(tǒng)的螺紋、卡環(huán)連接代替電機、齒輪和齒圈傳動;推錠裝置,以液壓缸代替電機變頻推錠;坯錠潤滑裝置,以乙炔氣燃燒噴火代替氮化硼系統(tǒng)。

    預應力組合機架具有較高整體剛度,有利于對機架進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。應用有限元分析軟件,采用整機全接觸算法,獲取各部件的應力、變形云圖,在滿足機架較高剛度要求基礎(chǔ)上,降低局部應力集中,提高運行可靠性。同時,此機架具有較大的抗彎截面,擠壓時的方形壓柱伸長和彎曲變形小,在其上固定導軌,導向精度高,擠壓筒、擠壓梁和模具之間對中調(diào)整方便,對于實現(xiàn)無摩擦裝料,提高運行可靠性也極為有利。

    新型脹環(huán)式固定擠壓墊的應用取消了擠壓墊與殘料分離設(shè)備、擠壓墊輸送裝置,不僅使擠壓機結(jié)構(gòu)簡化,而且縮短了非擠壓時間[10]。另外,此種固定擠壓墊具有相對恒定溫度,有利于坯錠擠壓變形,縮短擠壓時間,而且在其磨損后僅需更換脹環(huán)部分,提高了運行的經(jīng)濟性。

    4.2 液壓系統(tǒng)

    所有工作缸運用標準化原則,采用標準缸,不僅降低了設(shè)計、制造成本,也使工作缸具備了互換性,同時也為縮短相關(guān)零部件的供貨周期創(chuàng)造了有利條件。所有油泵電機采用變頻控制,所有柱塞泵采用進口全變量高壓泵,實現(xiàn)了擠壓速度無級調(diào)節(jié),有效降低了無功功率,從根本上提高了運行經(jīng)濟性。

    4.3 電氣控制系統(tǒng)

    電氣控制系統(tǒng)采用安全繼電器控制,提高了運行安全等級和可靠性;配電控制和網(wǎng)絡(luò)配置進行優(yōu)化,減少了控制柜和PLC主站數(shù)量;人機界面用西門子TP系列觸摸屏代替研華上位機;擠壓筒加熱采用電阻棒,溫度控制系統(tǒng)采用接觸器,使用壽命長,故障率低;主剪、推錠裝置和供錠機械手檢測以接近開關(guān)代替編碼器,結(jié)構(gòu)簡單,功能實用;機械化輔機的電機、控制器和變頻器采用國產(chǎn)元件,從根本上降低了維護成本,提高了運行經(jīng)濟性和可靠性。

    5 結(jié)論

    在全球經(jīng)濟一體化趨勢下,標準已演化為參與國內(nèi)外市場競爭必不可少的利器。借“一帶一路”契機,積極推進企業(yè)標準化建設(shè),全面實施規(guī)范化、流程化和科學化管理,既是國家全面深化改革的需要,也是企業(yè)長期保持競爭優(yōu)勢的需要;積極采用國際標準和國外標準,既是企業(yè)適應國際貿(mào)易規(guī)則、謀求國際合作的需要,也是企業(yè)提高產(chǎn)品研發(fā)、創(chuàng)新和競爭力的需要。經(jīng)濟型鋁擠壓機產(chǎn)品的成功研發(fā)僅僅是個好的開端,盡管“一帶一路”讓我國企業(yè)看到了更廣闊的市場前景,但正可謂“機遇與挑戰(zhàn)”并存,要想在“一帶一路”市場中爭當弄潮兒,在某一產(chǎn)品領(lǐng)域提升全球影響力,我國企業(yè)仍將任重而道遠。

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    Development of economical aluminum extrusion press under the Belt and Road Initiatives

    LI Xiang1,2
    (1.Taiyuan Heavy Industry Co.,Ltd,Taiyuan 030024,Shanxi China;2.TZ(Tianjin)Binhai Heavy Machinery Co.,Ltd,Tianjin 300452,China)

    It was described the development and manufacturing advantages of economical aluminum extrusion press,which was mainly used for constructive aluminum profiles producing under the Belt and Road Initiatives.The design process can shorten developing period,reduce cost and risk by using standardization,modularization,and various commercial computer aided software.The manufacturing process was carry out by strictly following design paper,construction specification and relevant standard,and based on special efficient equipment,in order to ensure optimal function and benefit of aluminum extrusion press.Through analyzing the function components of aluminum extrusion press,it was proposed that the economy of aluminum extrusion press mainly embody low investment cost,practical function,efficient operation,and high reliability.

    The Belt and Road Initiatives;Aluminum extrusion press;Economy

    TG375

    A

    10.16316/j.issn.1672-0121.2017.04.011

    1672-0121(2017)04-0037-04

    2017-05-20;

    2017-07-25

    李 翔(1965-),男,高級工程師,從事鍛壓設(shè)備技術(shù)管理與開發(fā)。E-mail:tzdyslx@163.com

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