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条形金属板材拉伸机的设计与应用

2021/3/29    来源:互联网    作者:郭宇超  李媛媛  王秀敏      
关键字:条形金属板  预热器  板材拉伸机设计  
条形金属板材拉伸机的设计与应用,改善了制造工艺的先进性,提高了生产效率,保证了产品质量,对同类产品的设计和制造具有一定的推广作用。

0 引言

    空气预热器作为锅炉的辅助热交换设备,在机组锅炉运行的整个过程中起着十分重要的作用。回转式空气预热器,其自身具有布置方便,不易堵灰,便于清理的特点,作为电站锅炉应用最为广泛的产品。如图1所示,回转式空气预热器的内部结构中,隔板将回转仓分成许多扇形区域,每个扇形仓内的蓄能原件随转子转动,交替通过空气侧和烟气侧。

回转式空气预热器内部结构

图1 回转式空气预热器内部结构

    隔板的弯曲形状决定了空气预热器的诸多技术参数,特别是对于宽长比系数小的条形板材,在装配制造前,解决其弯曲状态,是极为重要的问题,笔者通过研究金属板材弯曲变形的特性,以及改变金属板材弯曲的方法,设计了板材拉伸矫直设备,以达到减少条形金属板材挠度弯曲量的目的,从而用以解决当前类似的问题。

1 拉伸机的设计方案

    1.1 拉伸板材的主要参数

    如图1所示,回转式空气预热器中的隔板材料为Q235,长度为7000mm,隔板宽度范围为200-250mm,隔板厚度规格为8mm、10mm和12mm。根据材质的拉伸特性,确定板材的拉伸率为2.5%-4%,板材拉伸速度约为6-20mm/s,板材屈服强度范围为240-350MPa。

    1.2 拉伸机的工作原理

    目前,工业上已经研制成功的拉伸矫直方法主要有辊式矫直、拉伸矫直、压力矫直和拉弯矫直方法等。结合上述板材的参数,针对单张板材操作,按拉伸矫直法,研究设计的设备可以满足制造要求。

    矫直与弯曲是相反的两个工艺过程,但它们的变形机理相同。不同金属都有不等的弹性极限,即使在塑性变形条件下仍然伴随着弹性变形。弹性变形意味着势能的贮存,表现为弹性返回的能力,可以完全返回原状的变形为纯弹性变形,否则为弹塑性变形。为了消除这种现象需要在拉伸机上进行矫直。由于实际材料的强化特性并不是很大,一般经过1-2次拉伸都可达到矫直目的。

    拉伸机矫直原理是利用钳口咬住金属板材的两端并施以足够的拉力,使板材产生塑性拉伸变形,使其拉伸方向长短不齐的纤维长度趋于基本相等后,卸掉外力时以相等的弹复量恢复到稳定状态,达到拉伸矫直的目的。

    如图2所示,金属板材拉伸机主体结构主要由液压缸、连接轴、移动端夹持装置、支撑轮、床身、固定端夹持装置、固定齿条和楔形齿条等组成。其工作原理是将板材的一端通过预紧力安装在移动端的钳口处,移动端夹持装置通过连接轴与液压缸同步运动,板材的另一端通过预紧力夹持在固定端,靠楔形摩擦力抵抗油缸对板材的拉力,利用楔形齿条和固定齿条将作用力通过床身分解。

金属板材拉伸机主体结构

图2 金属板材拉伸机主体结构

1.液压缸2.连接轴3.移动端夹持装置4.支撑轮5.床身
6.拉伸板材7.同定端夹持装置8.同定齿条9.楔形齿条

    1.3 拉伸机的夹持结构

    如图3所示,固定端的夹持装置由床身、固定齿条、虎钳体、压盖、压盖螺钉、预紧压板、预紧螺栓、楔形齿条、楔形连接板、紧固螺钉、平键、上钳口压板、下钳口压板、导向托板和导向螺钉组成。

    拉伸机的夹持装置由前后两套夹持装置组成,移动端夹持装置受油缸作用对板材产生拉力,满足一定的拉伸行程;固定夹持装置将板材夹紧并起到固定作用。板材拉伸前,应通过预紧螺栓7将板材固定预夹紧在上钳口压板12和下钳口压板13之间,楔形连接板9在预紧螺栓7的拉力下,沿固定压盖4的斜面滑动,楔形连接板9通过紧固螺钉10和平键11与上钳口压板12一起向下移动,实现预夹紧功能。进行拉伸时,板材在预紧力的影响下,通过楔形连接板9、压盖4、虎钳体3、楔形齿条8、固定齿条2最终作用于床身1,起到夹紧和固定作用。

固定端的夹持装置

图3 固定端的夹持装置

1.床身2.同定齿条3.虎钳体4.压盖5.压盖螺钉6.预紧压板
7.预紧螺栓8.楔形齿条9.楔形连接板10.紧固螺钉11.平键
12.上钳口压板13.下钳口压板14.导向托板15.导向螺钉

2 拉伸机的主要参数设计

    2.1 拉伸力

    拉伸力作为拉伸矫直机的主要技术参数,在设计和实际工作中,都是十分重要的,是需要进行计算和校核的参数。

    为了保证板材能够产生必要的拉伸变形,对于接近理想弹塑性的金属可以不考虑强化影响。按工件的横截面积A和弹性极限σ,来计算,由于实际材料的强化特性并非很大,所以拉力F的确定一般可用下式计算:

F=A×σs=B×H×σs

    式中:F为拉伸时板材所需拉力,kN;σs为拉伸板材的屈服强度,MPa;B为板材宽度,mm;H为板材厚度,mm。

    结合拉伸板材的参数指标,按表1所列数据进行拉力计算。

表1 不同规格板材参数指标

不同规格板材参数指标

    板材Ⅰ和板材Ⅱ分别满足的理论拉伸力为423kN和564kN,所以按板材Ⅱ的参数设计实际拉伸力:

F实=K×F=1.2×564KN=677KN

    式中:F为拉伸时板材所需拉力,N;F实为实际拉伸力,N。

    所以,拉伸机的设计拉伸力放大为700kN。

    2.2 液压缸参数

    在确定拉伸力的基础上,为了保证设备功能的实现,必须采取液压系统控制才能实现拉伸矫直的目的。液压缸作为液压系统的执行元件,首先应结合理论拉伸力来确定液压缸的参数:

公式

    式中:F实为实际拉伸力,kN;S’为净面积,mm2;S为活塞拉作用力的有效面积,mm2;P为额定压力,MPa;D为活塞直径,mm;d为活塞杆直径,mm。

    目前市场上有各类型的液压缸,通过参数计算及厂商提供的技术样本,可以完成选型采购。表2所列为某企业标准液压缸技术规格,结合上述计算内容,按实际拉力700kN,优先选择Ⅳ号液压缸,即速度比为1.46时,承载拉力879.65kN,可以满足极限使用条件。

表2 某企业标准液压缸技术规格

某企业标准液压缸技术规格

    2.3 楔形摩擦角

    拉伸机的夹持装置中,钳口的设计需要考虑到,一方面,保证能够提供足够大的摩擦力,以满足拉伸矫直的功能,另一方面,夹持力不能过大,以免损坏板材表面。按咬合面积为48400mm2(220mm×220mm)进行夹持,钳口需要提供700kN的拉力,夹持装置的上钳口形状和夹持体左右的受力面按楔形设计。

    夹持钳口的受力如图4所示,盖板滑块可以沿楔形连接板滑道在楔形体上自由滑动,首先通过预紧螺钉夹紧板材,当夹紧后液压缸带动钳口拉动板材。液压缸带动夹持装置移动,使滑块和滑道之间产生相对滑动,滑道对滑块的正压力N2和工件对滑块的正压力N1逐渐增大,水平和竖直方向达到平衡状态。

夹持钳口的受力

图4 夹持钳口的受力

    由图4得到力平衡方程为:

平衡方程

    式中:μ1为板材和T10钢的摩擦系数;μ2为滑块与楔形体的摩擦系数;N1为工件对滑块的压力;N2为滑道对滑块的压力。

    解得楔形摩擦角:

楔形摩擦角

3 液压系统控制设计

    液压系统控制主要由动力元件、控制元件、执行元件和辅助元件组成8。如图5所示,液压控制系统原理图中,液压缸3的活塞向左运动时为拉伸作用,向右运动为回程运动:换向阀4可以选用电磁或手动控制方式,以三位五通为例;左位接通时,拉伸机处于回程状态,右位接通时,处于拉拔状态,中位接通不工作;节流阀或调速阀按流量或速度调节状态控制板材拉伸;柱塞泵8作为液压系统的动力元件,配合溢流阀7将调节系统额定压力满足16MPa;其它装置属于辅助系统,有其自身的用途和特点。

液压控制系统原理图

图5 液压控制系统原理图

1.连接轴2.液压缸3.活塞4.换向阀5.节流阀
6.启停阀7.溢流阀8.柱塞泵9.滤油器10.油箱

4 应用效果

    原有预热器机组在装配过程中,由于条形隔板的挠度变形较大,为了符合设计要求,企业必须进行人工矫直,但由于隔板的变形规律性较小,人工矫直的效果不稳定,难以保证装配精度,严重影响机组运转的平稳性。此外,隔板的数量较多,从工时要求上需要花费大量时间来进行此项工艺操作。一方面,制造成本大大增加;另一方面,从整体上延长了制造周期,同时,加工质量也难以保证。所以,通过金属板材拉伸机的应用,从技术方面,解决了预热器在安装过程的难题,提高了装配精度;从经济方面,节约了成本,缩短了制造周期。

5 结语

    条形金属板材拉伸机的设计从改善板材弯曲形状着手,拉伸机的控制采用液压系统控制,通过大口径油缸实现较大的拉伸力,结合不同的变形状态,计算不同的拉伸力,经过一次或两次塑性变形实现拉伸和矫直功能。拉伸机床身采用板材焊接结构,具有一定的抗变形能力,同时具有制造周期短,成本低的特点。拉伸机的夹持结构,巧妙运用楔形夹紧装置完成对板材工件的夹持,将拉伸作用力通过楔形齿条传递到床身固定齿条上实现了作用力的分解功能。条形金属板材拉伸机的设计与应用,改善了制造工艺的先进性,提高了生产效率,保证了产品质量,对同类产品的设计和制造具有一定的推广作用。

责任编辑:程玥
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