耐火磚自動(dòng)液壓機(jī)關(guān)鍵技術(shù)分析

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(lèi)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(xiàn)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(wèn)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(guó)產(chǎn)的耐火磚自動(dòng)液壓機(jī)相對(duì)于國(guó)際先進(jìn)的同類(lèi)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(mǎn)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(hù)帶來(lái)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(guò)控制上模與?？虻倪\(yùn)動(dòng)速比，使上模運(yùn)動(dòng)速度是模框運(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(lèi)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(guò)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?，算出?？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(guò)程是一個(gè)變速壓制過(guò)程，?？驘o(wú)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(lái)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(méi)來(lái)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(guò)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(guò)閉環(huán)控制進(jìn)行實(shí)時(shí)跟隨。另外此控制方法可通過(guò)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(lèi)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(guò)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(cāng)（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(cāng)的自動(dòng)稱(chēng)重裝置（專(zhuān)利號(hào)ZL201821238243.9）。該裝置可以實(shí)時(shí)檢測(cè)料倉(cāng)中的粉料量，當(dāng)采用輸料皮帶向料倉(cāng)中送料時(shí)，可以比較精準(zhǔn)地控制料倉(cāng)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(cāng)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(zhuān)用攪拌器（圖6 中件8）精確攪拌之前，通過(guò)專(zhuān)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(guò)破碎處理的粉料進(jìn)入專(zhuān)用攪拌器[6]進(jìn)行精細(xì)攪拌，通過(guò)離散元仿真軟件EDEM對(duì)一種常用的專(zhuān)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(guò)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(wú)法快速調(diào)整至正常；三是適應(yīng)性較差，無(wú)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(guò)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(guò)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(wú)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(guò)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?gòu)U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(zhuān)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、上模與模框的相對(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(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)控制?？蜃詣?dòng)調(diào)節(jié)壓制位置的方法來(lái)降低模具的損耗，控制流程圖如圖11所示?？刂品椒ㄖ蟹謩e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。?？蛭恢谜{(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?？虻恼{(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)?？虻奈恢茫苊忾L(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(chē)安裝方式一般是普通固定模式，如圖12所示。料車(chē)直接用螺釘固定到壓機(jī)下動(dòng)梁上，料車(chē)安裝面上一般有很短的長(zhǎng)條孔，可通過(guò)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(chē)高度人工調(diào)整

（1）料車(chē)高度調(diào)節(jié)范圍太小，只能適應(yīng)固定較大厚度的模具?？颍荒苓m應(yīng)厚度較小的模具?？?，在生產(chǎn)薄的耐火磚時(shí)也只能用較厚的?？?，而?？蚴钦麄€(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(guò)程比較繁瑣；

（3）無(wú)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(chē)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(chē)高度的裝置，如圖13所示，專(zhuān)利號(hào)201921200154.X。該裝置采用電機(jī)經(jīng)減速機(jī)通過(guò)螺紋傳動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)料車(chē)，料車(chē)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?？颍谏a(chǎn)厚度較小的耐火磚時(shí)采用小厚度的專(zhuān)用模具?？颍梢源蟠蠼档湍＞叱杀?，同時(shí)提高了自動(dòng)化程度。由于提升了料車(chē)調(diào)節(jié)精度，進(jìn)而也提高了填料的精度。

圖13 料車(chē)高度自動(dòng)調(diào)整

6 結(jié)束語(yǔ)

以上關(guān)鍵技術(shù)通過(guò)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(hù)的生產(chǎn)成本。耐火磚自動(dòng)液壓機(jī)目前在國(guó)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(lái)越普及。