中國大國重器取得突破 打破德國技術封鎖

2019年06月11日     16,216     檢舉

高鐵已然成為中國在國際舞台上的一張亮麗名片,而中國高鐵的國產化離不開一項關鍵設備——國產萬噸級鋁型材擠壓機。

(中國高鐵車廂壁板,長25米的複雜空心結構。沒有萬噸擠壓機之前,要製造高鐵車廂結構件,只能依靠小尺寸鋁板焊接而成,這不但會造成高鐵車廂結構重量增加,而且還會使其疲勞壽命降低。萬噸級鋁擠出機可以一次將這個零件擠出做成整體結構,重量輕,強度高,疲勞壽命長。)

(一)高鐵車廂結構件一體成型,要靠鋁擠出工藝

現代高鐵在設計上必須同時滿足兩個條件:其一,重量儘可能輕,以實現節能降耗;其二,結構強度和疲勞壽命長,以滿足耐用性。

要實現這個看起來互相矛盾的設計目標,就必須要求結構設計儘量保證完整性;要保證結構的完整性,就要儘量減少結構件之間的連接;要減少結構件之間的連接,就要實現結構件零件的大型化和一次成型,這都依賴鋁擠壓工藝。

所謂的鋁擠出工藝,就是將高溫軟化的鋁棒料在擠壓機的擠壓下通過特定形狀的模具,形成符合要求的鋁型材產品的過程。只要是等截面的產品,都可以用擠壓工藝加工。該工藝具有加工靈活性大,效率高,可以製造複雜截面產品等優勢,能獲得比成型軋制和熱模鍛截面積更大的複雜構件,而且設備投資相對較少,模具成本更低。

(鋁擠出工藝原理示意圖)

而具體到高鐵製造上,高鐵的車廂一般都體型龐大,自然需要的結構件也比較大,要實現這些結構件的一體成型,一般噸位的鋁擠壓機很難滿足要求,必須要用到萬噸以上的鋁擠壓機。

(二)萬噸級鋁擠出機國產化,高鐵製造不再卡脖子

在中國突破萬噸級鋁擠出機技術之前,世界上只有德國掌握萬噸級擠出機的相關技術。

中國當時正在啟動大規模的高鐵建設,需要萬噸級的鋁型材擠出機來生產用於高鐵車廂的大型鋁型材。在向德國求購萬噸鋁擠出機時,德國拒絕了,而且認為中國不可能自己製造萬噸級鋁型材擠出機。

當時,德國向中國出口的最大擠出機為9000美噸,換算成公噸的話略超過8000噸左右,而且,這台機器是單動短行程的,不能用於大截面積超長鋁型材的製造。而同一時期中國從日本引進的8000噸級擠出機也是單動短行程的,擠出鋁材的長度和截面都受限制。

那麼萬噸級鋁擠出機的研發製造難度到底在哪?中國在該設備國產化過程中獲得了哪些技術突破?

(中國完成萬噸級雙動鋁型材擠出機國產化前後國內大型鋁材擠出機的建設情況)

第一個突破在於擠壓機的本體機構設計和液壓系統設計。

機器由小變大絕對不是簡單的比例放大,需要在材料和結構設計上做出突破。為了提高機器的疲勞壽命,中國西安重型機械研究所對主要承力部件前後梁採用了預應力結構。原理就是在前後樑上施加一個和擠壓工作力相反的一個預應力,工作時用來部分抵消前後梁的最大載荷,達到減輕機構重量,提高結構壽命的目的。機器工作時,前後梁承受全部的工作力和彎矩;非工作狀態時,仍然承受著反向的預應力。

液壓系統在國內較早採用了30 MPa工作壓力的液壓系統,在國內大型液壓設備上較早採用了變量泵和比例閥技術。老式的液壓系統採用定量泵,調速依靠調速閥,液壓泵一直以大功率運轉,大量高能量的液壓油直接回流到油箱,導致能耗非常高,系統發熱量大。變量泵的採用使得萬噸鋁擠出機在高速時依靠變量泵的開環調速就可以滿足設計要求,低速時變量泵配合比例閥聯合閉環調速,能耗大大減小。新設計的液壓系統使得萬噸級擠壓機能夠適應各種不同的工況,而且能耗低,直接降低使用成本。

(中國首台萬噸級鋁型材擠壓機。擠壓軸直徑570毫米,大家可以對比想像一下整個機器的尺寸)

第二個技術突破在於控制技術和擠出工藝的突破。

上圖是鋁擠壓工藝流程圖。鋁坯料在加熱到500度左右時放入已經加熱後的模具當中,啟動機器擠壓。

鋁擠出工藝的核心是必須保證等溫擠出,整個擠壓過程出口溫度根據鋁合金牌號的不同必須保持在攝氏500度左右,溫度波動不得超過正負5度。溫度過高,鋁材料就不能保持固態流動狀態,甚至會熔化成液體導致過程失敗;溫度過低,鋁材料的流動性降低,會導致擠出過程中卡死甚至是設備損壞。同時,鋁材料的溫度不能波動過大,溫度波動過大會導致擠出型材的質量問題,比如表面缺陷,強度下降等等。

擠壓過程相當於擠壓機在向鋁材料做功,鋁材料溫度會上升,擠壓速度越快,升溫越快。而與此同時,整個系統又在向環境中散熱,如何保證擠壓速度導致的溫升和自然散熱之間的平衡是機器控制和工藝設計的難點。

擠壓過程和散熱過程是個動態的過程,肯定不能依賴人工來控制擠壓速度,必須設計一套閉環控制系統,來實現整個過程的自動化控制。

小功率的液壓閉環控制系統實現起來不難,但是這麼大功率的液壓閉環控制系統還是有難度的。控制系統必須把溫度傳感器採集到的溫度數據和設定溫度進行對比,如果出口溫度偏高,則需要通過比例閥調速減小擠出速度;如果溫度低於設定值,則需要增加擠出速度,以此實現溫度的閉環控制,從而實現近似的等溫擠壓。

(三)鋁擠壓機並非越大越好,萬噸級已能滿足高鐵、大飛機需求

在萬噸級鋁擠出機成功國產化後,中國又製造了更大噸位的鋁型材擠出機,而且不久又突破了3.6萬噸無縫高合金鋼管垂直擠出機技術,可以說帶動了中國擠壓機行業的發展和進步。

不過,鋁型材擠出機一味求大並無益處,萬噸級以上的鋁型材擠出機一般僅用於製造高鐵、大飛機、船舶等大型裝備,而常規的諸如汽車製造等幾千噸級的擠出機已足夠,之所以要自主研發萬噸級以上的鋁型材擠出機,主要是為了保證中國高鐵等大型裝備的製造不被別國掣肘,戰略意義要遠大於經濟意義。