文／米新征，劉輝·天津市天鍛壓力機(jī)有限公司

本文對(duì)氫燃料電池金屬極板液壓快速成形裝備的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了詳細(xì)介紹，該類新型節(jié)能快速成形裝備是針對(duì)金屬極板成形工藝而開發(fā)，不但具備遠(yuǎn)超常規(guī)液壓機(jī)的工作節(jié)拍，同時(shí)仍然具備長(zhǎng)時(shí)間保壓的功能。新型的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是將傳統(tǒng)液壓控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)時(shí)間盡可能的節(jié)省掉，縮短系統(tǒng)介質(zhì)液壓油的反復(fù)壓縮建壓、卸壓釋放的時(shí)間，從而提高新型設(shè)備的工作頻次，將設(shè)備滑塊的重力勢(shì)能與液壓油壓縮相平衡，使得設(shè)備具有綠色節(jié)能、提高效率的優(yōu)點(diǎn)。

金屬極板是組成氫能源燃料電池的重要零件。隨著歐美、日韓等科技發(fā)達(dá)國(guó)家相繼發(fā)布?xì)淠茉磻?zhàn)略規(guī)劃，2022 年我國(guó)政府發(fā)布了《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021-2035 年)》，此規(guī)劃的發(fā)布標(biāo)志氫能源產(chǎn)業(yè)未來必將成為我國(guó)能源發(fā)展的重要領(lǐng)域。

目前，燃料電池金屬極板普遍采用0.075～0.1mm厚的不銹鋼或者鈦?zhàn)鳛樵牧?，燃料電池依?jù)功率不同，需要的金屬極板也從幾百至上千件不等，因此金屬極板沖壓生產(chǎn)效率對(duì)于從事燃料電池生產(chǎn)的企業(yè)至關(guān)重要。目前，很多企業(yè)采用多連桿機(jī)械壓力機(jī)、肘桿壓力機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)，投入高，性價(jià)比有限。

新型的極板快速?zèng)_壓設(shè)備(圖1)應(yīng)運(yùn)而生，其不但具有傳統(tǒng)液壓機(jī)的保壓功能，同時(shí)具備快速?zèng)_壓生產(chǎn)的能力，而且較以往液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的設(shè)備更加節(jié)能，最重要的是設(shè)備成本沒有明顯增加。

圖1 極板快速?zèng)_壓設(shè)備

新型極板沖壓設(shè)備

新型極板沖壓設(shè)備是將設(shè)備的回程及加壓控制系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，將設(shè)備回程系統(tǒng)設(shè)計(jì)成封閉式系統(tǒng)，液壓油作為工作介質(zhì)時(shí)刻處于壓縮狀態(tài)，通過回程腔將回程作用力時(shí)刻加載在設(shè)備滑塊上，通過這種方式將設(shè)備滑塊及模具重量全部抵消掉，回程動(dòng)作亦不需要油泵輸出做功，沒有功率消耗?；爻虅?dòng)作同時(shí)不需要PLC 控制電磁閥、插裝閥等控制元件動(dòng)作，將設(shè)備系統(tǒng)的“反應(yīng)時(shí)間”縮短了一半。因?yàn)榛爻虅?dòng)作沒有油泵電機(jī)組的參與，所以設(shè)備節(jié)能效果明顯。

因?yàn)榛爻滔到y(tǒng)設(shè)計(jì)成封閉式系統(tǒng)，在設(shè)備運(yùn)行過程中沒有其他動(dòng)作參與，其產(chǎn)生的回程力時(shí)刻大于其負(fù)載，因此需要在回程力相反的方向施加額外的力控制滑塊及模具快速運(yùn)動(dòng)，該系統(tǒng)采用高頻響比例伺服閥配合高壓蓄能器實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)此系統(tǒng)時(shí)要特別注意快速油缸規(guī)格的選擇，如果選擇過大則會(huì)造成額外的功率輸出，而快速油缸大小由回程封閉系統(tǒng)決定，因此回程封閉系統(tǒng)需要智能化自行調(diào)整工作壓力區(qū)間段?；爻谭忾]系統(tǒng)需要進(jìn)行智能化自動(dòng)調(diào)整壓力的功能，依據(jù)傳感器、模具重量等參數(shù)自行調(diào)整，對(duì)應(yīng)每一套模具均會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生一組工作參數(shù)。同時(shí)，應(yīng)用于多工位生產(chǎn)時(shí)，也會(huì)對(duì)多套模具的組成情況生成匹配的壓力。

基于以上設(shè)計(jì)思想，新型的金屬極板沖壓機(jī)不但縮短了系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，理論生產(chǎn)效率大于8SPM，而且節(jié)能效果顯著，比常規(guī)回程系統(tǒng)的設(shè)備節(jié)能10%～15%，設(shè)備具備智能化壓力自調(diào)節(jié)系統(tǒng)，不需要操作人員進(jìn)行復(fù)雜的設(shè)定。

圖2 為新型液壓系統(tǒng)原理示意圖，設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮回程及平衡、加壓動(dòng)作、系統(tǒng)安全三個(gè)重要方面，下面就以上重要方面逐步分析設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

圖2 新型液壓系統(tǒng)原理示意圖

封閉式回程系統(tǒng)

設(shè)計(jì)封閉式回程系統(tǒng)，需要從以下因素考慮：

⑴回程缸截面積大小?；爻谈捉孛娣e需要依據(jù)滑塊重量及上模具重量進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)較大有利于系統(tǒng)壓力降低，系統(tǒng)工作在低壓區(qū)間且設(shè)備系統(tǒng)穩(wěn)定，但是較大的截面積會(huì)使蓄能器容積加大，造成設(shè)備封閉式系統(tǒng)成本上升。

⑵封閉式系統(tǒng)工作壓力區(qū)間。該區(qū)間大小從理論上與蓄能器的容積及油缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)排出油量成比例關(guān)系。當(dāng)滑塊在行程頂端時(shí)，此時(shí)回程腔充滿油液，蓄能器內(nèi)油液相對(duì)較少，封閉式系統(tǒng)壓力在工作區(qū)間下限，當(dāng)滑塊在行程底部時(shí)，回程腔油液全部排入蓄能器，此時(shí)封閉式系統(tǒng)壓力在工作區(qū)間的上限。

需要注意的是，工作壓力處于下限時(shí)，產(chǎn)生的支撐壓力仍然需要大于所有負(fù)載的重力。所以蓄能器的選擇十分重要：選擇較大的則工作區(qū)間就會(huì)很小，另一端的快速油缸及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)就很簡(jiǎn)單，但是成本也會(huì)相應(yīng)的提高；如果蓄能器選擇過小，工作區(qū)間較大，但另一端快速油缸及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的制造成本也會(huì)增加。

⑶封閉式系統(tǒng)需要設(shè)置自我調(diào)節(jié)壓力功能。即針對(duì)不同的模具重量，特別是多工位系統(tǒng)的模具，在模具重量差距較大的情況下能夠自我調(diào)節(jié)，需要對(duì)應(yīng)的液壓系統(tǒng)硬件以及軟件智能化設(shè)計(jì)。

加壓系統(tǒng)

設(shè)備的加壓系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，一個(gè)是輔助快速合模系統(tǒng)，一個(gè)是主系統(tǒng)加壓系統(tǒng)。主系統(tǒng)加壓系統(tǒng)即為設(shè)備公稱壓力實(shí)現(xiàn)的主系統(tǒng)，針對(duì)金屬極板的成形工藝，設(shè)備液壓系統(tǒng)屬于較大密度的功率類型，設(shè)計(jì)較為常規(guī)。重點(diǎn)是輔助快速合模系統(tǒng)，該系統(tǒng)最低需求工作壓力要確保高于滑塊在底部時(shí)封閉系統(tǒng)產(chǎn)生的多余回程力。

設(shè)計(jì)加壓系統(tǒng)，需要從以下因素考慮：

⑴加壓系統(tǒng)蓄能器充油及釋放系統(tǒng)設(shè)計(jì)，充油時(shí)需要考慮整個(gè)設(shè)備的工藝動(dòng)作循環(huán)，也可以直接利用自動(dòng)化上下料搬運(yùn)時(shí)間進(jìn)行充油。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意注入高壓油液的特性，要核算設(shè)備充油油泵的電機(jī)匹配規(guī)格，適當(dāng)考慮余量。

⑵快速加壓系統(tǒng)因?yàn)榉忾]系統(tǒng)的特點(diǎn)，同時(shí)肩負(fù)控制滑塊回程速度的作用，因此比例伺服閥(圖3)需要選用三位四通形式，既要控制向快速油缸進(jìn)油，還要控制快速油缸的排油，滑塊在空載條件下的下行及回程動(dòng)作均在此比例伺服閥的控制之下。因此該閥開口大小控制以及流量規(guī)格的選擇，均要考慮兩種工藝動(dòng)作。

圖3 比例伺服閥示意圖

⑶主系統(tǒng)加壓過程為常規(guī)設(shè)計(jì)，需要特別考慮的是主系統(tǒng)的卸壓及主缸快速排油問題，在動(dòng)作配合上，快速加壓系統(tǒng)需要一直工作，否則會(huì)造成主缸壓力始終無法卸壓到指定壓力的現(xiàn)象，后續(xù)快速回程動(dòng)作始終無法達(dá)到啟動(dòng)條件。

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)還有另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，可以忽略氮?dú)飧揍尫艑?duì)節(jié)拍的影響，因?yàn)榈獨(dú)飧揍尫帕εc封閉式系統(tǒng)的壓力作用方向相同，可以完全被快速加壓油缸平衡掉，待主缸壓力完全卸凈進(jìn)入回程狀態(tài)時(shí)，快速加壓油缸一直在抑制氮?dú)飧琢Γ圆粫?huì)對(duì)回程動(dòng)作有影響，而且在氮?dú)飧揍尫沤Y(jié)束時(shí)還可以隨意控制此點(diǎn)的速度，設(shè)備及模具均不會(huì)有明顯的沖擊。

安全系統(tǒng)

因?yàn)樵O(shè)備的封閉系統(tǒng)及加壓系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)的液壓機(jī)系統(tǒng)，所以設(shè)備安全方面的設(shè)計(jì)也要根據(jù)新系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要有以下幾點(diǎn)需要特別考慮：

⑴因?yàn)榉忾]式系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，設(shè)備在靜止不動(dòng)停機(jī)狀態(tài)下的安全需要特殊設(shè)計(jì)，尤其是封閉式系統(tǒng)的蓄能器壓力，在停機(jī)的狀態(tài)下需要釋放光，同時(shí)在設(shè)施周邊要有明顯的維修提示，以避免不必要的危害。

⑵滑塊緊急情況下的制動(dòng)設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)液壓機(jī)滑塊制動(dòng)僅考慮在重力條件下制動(dòng)，按照安全標(biāo)準(zhǔn)一般為200 ～250ms，因此本臺(tái)設(shè)備滑塊制動(dòng)能力也需要按此標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，滑塊及模具的質(zhì)量決定了制動(dòng)力的大小，需要依據(jù)動(dòng)量守恒定律公式計(jì)算封閉式系統(tǒng)的額外頂出力大小，因此額外頂出力的大小與負(fù)載質(zhì)量成正比，并不是所有系統(tǒng)都是一樣的。

⑶滑塊失控安全措施，本臺(tái)設(shè)備滑塊失控區(qū)別于常規(guī)液壓機(jī)，常規(guī)液壓機(jī)滑塊失控一般為滑塊墜落，本臺(tái)設(shè)備剛好為相反方向，所以油缸需要進(jìn)行必要的緩沖設(shè)計(jì)，以此減少滑塊失控造成過大的沖擊，另外對(duì)于滑塊上平面及上梁下平面制件的裝置，均應(yīng)該有措施避免滑塊失控對(duì)這些裝置造成撞擊。設(shè)備在維護(hù)過程中更是需要有足夠的警示提示，避免人員在封閉式系統(tǒng)蓄能器沒有釋放完全的情況下進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域。

結(jié)束語(yǔ)

新型的液壓快速智能成形設(shè)備屬于技術(shù)迭代升級(jí)，提高了生產(chǎn)效率，既具備了傳統(tǒng)液壓機(jī)的工作性能優(yōu)勢(shì)，又提高了工作效率，且更加綠色節(jié)能，改善了國(guó)產(chǎn)設(shè)備智能化程度低的印象。該設(shè)備的技術(shù)不但可以應(yīng)用于小型設(shè)備、多工位生產(chǎn)設(shè)備，同時(shí)也可以應(yīng)用于大型自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線的設(shè)備，在沒有明顯增加成本的情況下提高了生產(chǎn)效率，使液壓機(jī)生產(chǎn)線在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中的競(jìng)爭(zhēng)力更強(qiáng)。