40MN核級粉末成型油壓機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究

郭曉鋒，段麗華，蘇振華，房志遠(yuǎn)，柴 星

（1.金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710032；2.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032）

0 引言

近年來，我國粉末冶金材料和技術(shù)取得了快速發(fā)展[1]，粉末壓制成型及其裝備也得到了快速發(fā)展。粉末成型壓制工藝是用模沖對封閉模腔內(nèi)的粉體施加壓力，致使粉體變形、粉體之間不斷機(jī)械嚙合，最終固結(jié)為具有一定尺寸、形狀以及一定密度和強(qiáng)度的零件或待燒結(jié)壓坯。粉末壓力成形機(jī)是完成粉末冶金件模壓成形的基礎(chǔ)性設(shè)備，其壓制的零件近凈成形，在機(jī)械制造、汽車、航空航天、核工業(yè)和國防軍工等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用和飛速發(fā)展[2]。

核燃料芯體是反應(yīng)堆中實(shí)現(xiàn)核裂變的核心部件，也是反應(yīng)堆的能量源泉，工況也最苛刻[3]。因粉末壓制成型工藝能夠?qū)Ψ垠w形成超大負(fù)載，能夠滿足金屬核燃料芯體的高密度要求，成為金屬核燃料芯體制備的重要方法。粉末成型壓機(jī)是壓制核燃料芯體的關(guān)鍵核心設(shè)備，文中重點(diǎn)介紹了由中國重型機(jī)械研究院研制的40MN 核級粉末成型油壓機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。

1 壓機(jī)的結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)

1.1 40MN 核級粉末成型油壓機(jī)結(jié)構(gòu)形式

40MN 核級粉末成型壓機(jī)主機(jī)采用三梁四柱油缸上推式結(jié)構(gòu)，上梁和下梁通過四組拉桿壓套組成預(yù)應(yīng)力框架。主缸采用柱塞缸，安裝在上橫梁內(nèi)，主缸柱塞與活動橫梁連接。側(cè)缸包括兩個活塞缸，安裝在上橫梁內(nèi)，分布在主缸左右兩側(cè)，活塞桿與活動橫梁相連?；顒訖M梁在側(cè)缸的作用下，實(shí)現(xiàn)空程快速上下運(yùn)動?；顒訖M梁與立柱壓套之間設(shè)有8 組可調(diào)節(jié)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，起到運(yùn)動導(dǎo)向作用。下梁上設(shè)有一個三工位的固定工作臺，工作臺上設(shè)有兩個可移動模架，移動模架可在中間壓制位和兩側(cè)的布料位移動。

40MN 核級粉末成型油壓機(jī)如圖1 所示。

圖1 40MN 核級粉末成型壓機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 40MN 核級粉末成型油壓的技術(shù)參數(shù)

該粉末成型壓機(jī)采用油泵直接傳動閥控系統(tǒng)，采用了變量泵加比例閥的控制策略，應(yīng)用速度閉環(huán)控制技術(shù)和壓力閉環(huán)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了速度、壓力可調(diào)可控。40MN 核級粉末成型油壓機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

表1 40MN 核級粉末成型油壓機(jī)參數(shù)

2 核級粉末成型壓機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 全預(yù)應(yīng)力框架結(jié)構(gòu)

常見的拉桿壓套預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)有壓套插入式和壓套平接式兩種形式[6]，如圖2 所示。插入式結(jié)構(gòu)抗偏載能力更強(qiáng)，而核燃料芯體粉末壓制成型基本處于中心載荷狀態(tài)，所以本文所述壓機(jī)采用平接式結(jié)構(gòu)。在框架預(yù)緊時采用液壓拉伸器對壓機(jī)的四個拉桿進(jìn)行拉伸，最終使拉桿總共有1.25 倍的公稱噸位的預(yù)緊力，即每根拉桿上有12.5MN 預(yù)加的拉力。在工作時，拉桿會繼續(xù)拉長，拉桿的拉應(yīng)力增加，而壓套的壓應(yīng)力會有一定程度的釋放。但預(yù)緊力能夠保證在設(shè)備公稱壓力時，壓套仍處于壓應(yīng)力狀態(tài)，拉桿伸長量僅為非預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)拉桿伸長量的25%左右，對于保證制品尺寸精度具有重要意義。

“填詞首重音律，而予獨(dú)先結(jié)構(gòu)”，李漁的戲劇創(chuàng)作非常重視結(jié)構(gòu)，與承自西方小說體系的現(xiàn)當(dāng)代小說創(chuàng)作中的“結(jié)構(gòu)”概念不同，李漁所說的結(jié)構(gòu)，其實(shí)是在強(qiáng)調(diào)行文的緊密性，他認(rèn)為戲劇的創(chuàng)作應(yīng)該“立主腦”且“密針線”。

采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)對提高框架剛度、抗疲勞和防松等是非常有利，能大大提高液壓機(jī)的承載能力，在現(xiàn)代液壓機(jī)設(shè)計(jì)理論中，全預(yù)緊組合框架結(jié)構(gòu)是目前液壓機(jī)本體結(jié)構(gòu)的首選形式[4-5]。拉桿壓套預(yù)應(yīng)力框架結(jié)構(gòu)是拉桿穿過上下橫梁和處于上下橫梁之間的壓套，通過液壓拉伸或加熱使拉桿拉長后把螺母旋緊一定角度，使拉桿處于拉應(yīng)力狀態(tài)而壓套處于壓應(yīng)力狀態(tài)。

圖2 壓套與橫梁連接簡圖

2.2 三工位雙模架高效工作機(jī)制

核燃料芯體粉料對移動模架運(yùn)動的平穩(wěn)性有較高的要求，在運(yùn)動過程中不允許有抖動、振動等現(xiàn)象。該壓機(jī)采用高精度直線導(dǎo)軌作為移動模架的移動導(dǎo)軌，采用油缸推動移動模架在直線導(dǎo)軌上運(yùn)動，保證了運(yùn)動的平穩(wěn)性。但直線導(dǎo)軌及其滑塊無法承受壓制時的巨大壓力，為此專門設(shè)計(jì)了浮動式的移動模架。移動模架在不受壓時，通過碟簧組浮起，與工作臺面之間保持1mm 間隙，此時移動模架可以輕松平穩(wěn)的移動。當(dāng)移動模架移入中間壓制工位壓制成型時，受到壓力的模架壓縮碟簧，壓縮量達(dá)到一定值時，模架與工作臺面之間的間隙變?yōu)?，模架與工作臺面接觸；此時，壓機(jī)繼續(xù)加壓，模具受到的壓力通過模架直接傳遞到工作臺上，而直線導(dǎo)軌和滑塊受到的壓力和僅相當(dāng)于壓縮碟簧的力，此力較小，能防止壓壞直線導(dǎo)軌和滑塊。浮動式移動模架結(jié)構(gòu)示意如圖3 所示。

冬季氣溫下降，柚子進(jìn)入休眠期，冬梢不及時處理會受凍害，對明年開花結(jié)果會有影響。通過修剪能打破平衡，刺激春季樹液的流動，利于營養(yǎng)吸收積累，促進(jìn)根系生長。修剪方法：疏除病蟲危害枝、細(xì)弱枝、內(nèi)堂枝、交叉枝、著生部位過密枝條。修剪后，及時噴施清園藥劑保護(hù)傷口。

2.3 高承壓可移動模架技術(shù)

核燃料芯體的壓制成型前，需要先將粉末布入模具型腔，因?qū)Σ剂暇鶆蛐杂兄芨叩囊?，其布料過程往往耗時較長。以前的核燃料成型壓機(jī)只有中間一個工位，需要等布料好料之后才能壓制，設(shè)備的布料等非壓制時間很長，效率非常低。

本壓機(jī)設(shè)計(jì)有一個三工位的工作臺，其中壓機(jī)中心的中間位為壓制工位，左右兩側(cè)分別有一個布料工位，工作臺上設(shè)有左右兩個可移動模架，模架上安裝模具。其中左移動模架可以在壓制位和左側(cè)布料位之間移動切換，右移動模架可以在壓制位和右側(cè)布料位之間移動切換。工作時，一個模架在壓制位壓制成型，另一個則在其一側(cè)的布料位進(jìn)行布料；壓制完成后的模架則移出壓制位到相應(yīng)側(cè)的布料位重新布料，而另一側(cè)已布粉料的模架則移入中間壓制位進(jìn)行壓制成型；如此左右交替，極大地縮短了非壓制待機(jī)時間，提高了生產(chǎn)效率。

圖3 浮動式移動模架結(jié)構(gòu)示意圖

這樣就實(shí)現(xiàn)了移動模架既可以平穩(wěn)的在布料位和壓制位之間移動，又能在壓制位承受壓制成型時所產(chǎn)生的巨大壓力，解決了布料和壓制工序分工位執(zhí)行的關(guān)鍵難題。

2.4 高穩(wěn)定低速加壓控制技術(shù)

核燃料芯體的壓制成型要求的加壓速度比較低，且要求速度可設(shè)定，并對速度的穩(wěn)定性有很高的要求。主缸加壓閥塊主要由進(jìn)油閥和高頻響比例閥組成，進(jìn)油閥采用插裝開關(guān)閥，高頻響比例閥用于旁路節(jié)流調(diào)速，主缸進(jìn)液閥塊原理如圖4 所示。高頻響比例閥選用力士樂4WRPEH10…3X 系列，該閥具有IO-Link 接口，并配備HNC 數(shù)位閉環(huán)控制器。

圖4 主缸加壓控制閥塊

在該壓機(jī)液壓系統(tǒng)中，同時與主缸相連設(shè)有比例溢流閥和壓力傳感器。通過該比例溢流閥可實(shí)現(xiàn)壓力設(shè)定，根據(jù)工藝要求可設(shè)定不同壓力，防止壓制時超壓壓毀產(chǎn)品和模具。

2.5 超長時間平穩(wěn)保壓技術(shù)

主機(jī)活動橫梁上帶有高精度高分辨率位移傳感器，其信號直接接入HNC 數(shù)位閉環(huán)控制器，閉環(huán)控制器可對位移傳感器的速度信號快速處理并向高頻響閥發(fā)出操作指令，快速調(diào)整比例閥的開口來調(diào)節(jié)旁路排液速度，從而實(shí)現(xiàn)速度的閉環(huán)調(diào)整。因速度信號直接通過HNC 數(shù)位閉環(huán)控制向高頻響閥分發(fā)指令，無需經(jīng)過上位機(jī)處理，指令分發(fā)速度更快。同時，4WRPEH 高頻響電磁閥的滯環(huán)精度小于0.2%，信號從0～100%的響應(yīng)時間僅為25ms，采用以上液壓控制回路，加壓速度可以精確的控制在所設(shè)定的低速值，精度高達(dá)±0.02mm/s。實(shí)際使用來看，傳感器輸出的速度在上位機(jī)速度顯示，顯示值為小數(shù)點(diǎn)后1 位，速度顯示值基本保持恒定不變，控制效果非常出色，完全滿足使用要求。

粉末壓制成型需要在達(dá)到一定壓力后保持壓力一定的時間，保壓時的壓力應(yīng)盡可能保持穩(wěn)定。該單位的老舊粉末壓機(jī)在達(dá)到壓力后即關(guān)閉進(jìn)排液閥，但因系統(tǒng)泄漏等緣故，在保壓過程中壓力下降較大，有時候中途還需要人工判斷并補(bǔ)壓幾次，這樣的保壓過程壓力波動較大，對制品的品質(zhì)有一定的影響。而本壓機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)有專門的小流量保壓泵，并通過比例閥向主缸供保壓油，與主缸的比例溢流閥共同實(shí)現(xiàn)壓力閉環(huán)保壓控制技術(shù)，即在壓制壓力達(dá)到設(shè)定值后即進(jìn)入保壓狀態(tài)，此時主泵停止供油，僅保留小流量保壓泵通過比例閥繼續(xù)向主缸動態(tài)供油，同時壓力傳感器實(shí)時監(jiān)測主缸壓力，通過上位機(jī)程序自動判斷并指令比例閥調(diào)整開口，從而調(diào)整保壓油的供給，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)主缸壓力的閉環(huán)控制，能夠滿足超長時間平穩(wěn)保壓的要求。

3 結(jié)論

通過本文的研究可以得出如下結(jié)論：

調(diào)查統(tǒng)計(jì)不同景天品種在生長第30天時它們的平均生根數(shù)、平均根長狀況。結(jié)果表明，不同的試驗(yàn)基質(zhì)對景天莖段扦插條生根的作用有不同效果。從表4可以看到，6個景天品種莖段插條在以粗砂、珍珠巖、草炭等比混合基質(zhì)中的平均根數(shù)最多，達(dá)到35.6個，在珍珠巖和純草炭基質(zhì)中平均根數(shù)相當(dāng)，分別是23.2個和26.1個，在基質(zhì)粗砂中平均根數(shù)最少，為17.2個。原因可能是粗沙保水、保肥力差，導(dǎo)致品種莖段生根數(shù)不多。珍珠巖基質(zhì)的通氣性好，在與草炭、粗沙混合后的基質(zhì)通氣性增加，保水、保肥力得以提高，品種莖段平均生根數(shù)在混合基質(zhì)表現(xiàn)的較多。

（1）采用預(yù)應(yīng)力框架能極大地提高壓機(jī)框架的剛度，保障了產(chǎn)品的壓制精度；

（2）三工位雙高承壓可移動模架的應(yīng)用，將粉末成型的布料和壓制分開在不同工位進(jìn)行，極大地提高了生產(chǎn)效率；

探地雷達(dá)(簡稱GPR) 勘探是一種對地下結(jié)構(gòu)或者不可見物體進(jìn)行探測的技術(shù), 它利用地下介質(zhì)的介電差異性，通過發(fā)射高頻寬帶脈沖電磁波，經(jīng)過介質(zhì)差異轉(zhuǎn)換面的吸收和反射，接受來自地下介質(zhì)的實(shí)時動態(tài)響應(yīng)信息。對采集圖像作濾波和去噪處理，通過對波形、振幅、頻率、相位、同相軸和異常信號的識別整體判讀地下介質(zhì)的組成分布及特征、目標(biāo)深度以及位置和規(guī)模等[7-9]。利用對數(shù)據(jù)處理和數(shù)字圖像的深度處理技術(shù)，對地下介質(zhì)目標(biāo)進(jìn)行再現(xiàn)處理，重構(gòu)地下媒介的基本特征，達(dá)到精細(xì)探測目的，為數(shù)據(jù)解譯提供可靠的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。其工作原理如圖3所示。

（3）采用高頻響比例閥組成的旁路節(jié)流系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了加壓速度的設(shè)定和閉環(huán)控制，可以精確控制壓頭的壓制速度；

神經(jīng)周浸潤（perineural invasion，PNI）是指腫瘤細(xì)胞侵入、圍繞或者穿過神經(jīng)的現(xiàn)象，是引起腫瘤患者疼痛的主要因素，也是結(jié)直腸癌患者發(fā)生復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移的重要機(jī)制。美國國立綜合癌癥網(wǎng)絡(luò)（National Comprehensive Cancer Network，NCCN）指南已將PNI列為Ⅱ期結(jié)直腸癌局部復(fù)發(fā)的高危因素。而且研究發(fā)現(xiàn)，伴有PNI的Ⅲ期結(jié)直腸癌患者預(yù)后明顯較差[10]。有學(xué)者認(rèn)為，PNI可作為預(yù)測結(jié)直腸癌患者預(yù)后的獨(dú)立因子[11]。

城市化進(jìn)程的加速使城市的建設(shè)區(qū)域得到了進(jìn)一步的擴(kuò)張，在傳統(tǒng)的城市規(guī)劃中，通常采取設(shè)置下水井的方式實(shí)現(xiàn)對雨水的有效處理，其不僅影響了水資源的正常循環(huán)，也減少了地下水，造成了城市局部地區(qū)水量的增加，一旦發(fā)生強(qiáng)降雨，會導(dǎo)致下水道無法及時排水，使城市產(chǎn)生內(nèi)澇，對城市的健康發(fā)展產(chǎn)生了巨大的影響[1]。城市公園景觀是城市化發(fā)展中的核心，水資源在公園景觀中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，其不僅可以提高景觀的觀賞性和靈動性，同時也有利于改善城市公園的整體環(huán)境、城市公園景觀的美化以及城市公園環(huán)境。

（4）設(shè)置專門的保壓泵和比例閥和比例溢流閥實(shí)現(xiàn)了加壓壓力的設(shè)定和保壓狀態(tài)的壓力閉環(huán)控制，保證了超長時間保壓的平穩(wěn)性，對提高產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。