经济型铝挤压机研发

李 翔

（1.太原重工股份有限公司，山西 太原 030024；2.太重（天津）滨海重型机械有限公司，天津 300452）

经济型铝挤压机研发

李 翔1，2

（1.太原重工股份有限公司，山西 太原 030024；2.太重（天津）滨海重型机械有限公司，天津 300452）

阐述了“一带一路”背景下，以生产建筑铝型材为主的经济型铝挤压机研发与制造优势。设计过程采用标准化和模块化，应用多种商业化计算机辅助软件，缩短了研发周期，降低了研发成本和风险；制造过程严格按照设计图纸、施工规范和相关标准执行，采用专用高效设备，使铝挤压机具备最佳功能和效益。通过分析铝挤压机各功能组成，确定铝挤压机的经济性主要体现为投资成本低，功能实用，运行高效和可靠性高。

一带一路；铝挤压机；经济性

太原重工股份有限公司已跻身全球三大挤压机制造公司之列[1]。我公司自1999生产第一台75MN铝挤压机，直至2016年生产的225MN铝挤压机，其产品研发一直向大型化、智能化和高端化方向发展。近年来，在全球经济复苏乏力、贸易暗流涌动的大环境下，我国提出共建“一带一路”倡议，使全球资本向基础设施、实体经济和发展中国家转移。在此倡议中曾明确指出：“基础设施互联互通作为‘一带一路’建设的优先领域，需强化进行绿色低碳化建设”。众所周知，建筑铝型材是基础设施绿色低碳化建设的优选材料之一。与此同时，“一带一路”沿线的发展中国家，如越南、缅甸、巴基斯坦、土耳其和印度也积极回应，纷纷慕名与我公司洽谈以生产建筑铝型材为主的铝挤压机产品业务。面对风生水起、如火如荼的“一带一路”市场，我公司充分发挥产品快速研发和先进制造优势，成功地进行了经济型铝挤压机的系列化开发、短周期生产和大批量交货，不仅使我公司增强了挤压机产品的全系列供货能力，也进一步提升了我公司在挤压机产品领域的全球影响力。

1 设计组成

经济型铝挤压机采用短行程、前上料方式，由挤压机本体、机械化辅机、液压系统和电气控制系统组成[2]。以建筑铝型材为生产对象，所需设备挤压力通常较小。按挤压力大小划分，具体规格包括12.5MN、16MN、20MN、25MN、27.5MN 和 36MN。

1.1 本体结构

本体由预应力组合机架、工作缸、挤压筒、挤压梁和主剪等主要部件构成。

预应力组合机架是承受挤压力的最基本结构。该机架采用梁柱组合式，由整体式前梁和后梁、圆柱形张力柱、方形压柱组成。方形压柱套上圆柱形张力柱，此压柱可兼作挤压梁、挤压筒座导轨，通过前梁外侧用预紧装置对张力柱施加预紧力使其拉伸，同时压柱受压，然后背紧张力柱螺母，从而使整个机架具有较高整体刚度，更有利于保证挤压制品质量[3]。

工作缸均置于后梁，包括主缸、侧缸和锁紧缸。主缸为柱塞缸，置于后梁中心；两侧缸为活塞缸，水平置于主缸左右两侧；两锁紧缸为活塞缸，斜置于主缸上下两侧。挤压筒与挤压梁置于前梁与后梁之间。挤压筒由组件和外壳组成，采用三键定位方式，将组件固定在外壳中心。组件由内衬和外套过盈装配而成，加热时，采用直管电阻式电热元件，沿轴向分两段加热，由热电偶测量和反馈各段温度。外壳与锁紧缸活塞杆连接。挤压梁由挤压梁、挤压垫和挤压杆快换装置组成，用来传递挤压力。

主剪置于前梁内侧正上方，采用正装式结构。主剪驱动缸为活塞缸，缸体通过拉杆、立柱等组件垂直固定于前梁，活塞杆则通过连接带有主剪刃的矩形滑块驱动主剪刃下降，分离制品和压余。主剪上还设计有打压余装置，避免压余与主剪刃粘接。

1.2 机械化辅机

机械化辅机包括坯锭运送小车、推锭装置和供锭机械手。坯锭从加热炉出炉，出炉装置将其输送至坯锭运送小车的车架上。坯锭由车架上的V形辊道支撑，同时被传送至供锭机械手的入口侧，由推锭装置将其推入供锭机械手钳口。供锭机械手动作包括前进、后退，钳口松开、钳口夹紧和供锭，其中前进、后退采用机械方法实现，钳口松开、夹紧和供锭采用液压方法实现。供锭机械手设计有带辊轮的双夹持臂，即活动臂和固定臂，活动臂可直线移动，其位置可以自动调节，以满足不同长度坯锭的供锭要求。

1.3 液压系统

液压系统采用油泵直接传动形式，由动力系统、主控系统、外控系统和过滤冷却循环系统组成。动力系统由油箱、泵站、柱塞泵、泵头阀块及其连接管道组成。油箱安装在挤压机后上方，油箱上设置有空气滤清器和温度传感器等。泵站采用集成化设计，集中布置在挤压机后部地坑内。主控系统由集成控制阀块组成，集中布置在油箱顶部。集成控制阀块采用二通插装阀，由不同功能的插装件、控制盖板和先导控制阀组成。各阀组按设定程序实现系统柔性升压、卸压，同时各阀组之间进行必要的安全联锁。外控系统由恒压变量轴向柱塞泵、泵头阀块及其连接管道组成，该系统中设有稳压、精滤和压力保护元件。过滤冷却循环系统由三螺杆泵、过滤器，以及与过滤器串列式布置的油冷却器、电加热器组成。

1.4 电气控制系统

电气控制系统包括电源控制、电机控制和PLC控制系统。设备设有总电源开关柜，用于整机的动力电源供给和保护，使挤压机电控与车间电源隔离。380V/220V动力供电全部集中于泵站，机上电气设备、检测、发讯元件和电磁阀线圈电压均采用DC 24V。55kW以上（含55kW）电机启动方式采用Y-△启动，其余电机采用直接起动；为避免大电流冲击，系统联锁控制各台电机分别启动。PLC控制系统采用PROFIBUS-DP通讯协议，PROFIBUS-DP网络选用主站-从站结构。PLC为1类DP主站，产品选用CPU315-2DP，其集成的MPI/DP接口可以用于PROFIBUS-DP总线操作，实现上位机与DP主站之间的高速数据通信；TP为2类DP主站，产品选用触摸屏MP270B，将其连接至PROFIBUS-DP总线，完成设备在线监控和参数设置；分布式I/0为DP从站，包括2个ET200M和1个绝对值旋转编码器从站，作为输入信息采集和输出信息发送的外围设备，它将与组态它的DP主站交换用户数据，报告本地诊断中断和过程中断信息。

2 设计方法和手段

在经济型铝挤压机研发过程中，采用了多种先进设计方法和手段，有效提高了设计质量和效率，缩短了研发周期，降低了研发成本和风险。

2.1 设计标准化

设计标准化是产品研发成败的关键。在经济型铝挤压机设计过程中，认真贯彻各类有关标准，积极采用国际标准和国外先进标准，并充分调研“一带一路”国家的国家标准和行业标准，充分运用标准化原则进行产品设计，最大限度地提高产品零部件的标准化。设计标准化的主要内容：一是结合用户需要、市场动态和公司产品开发规划，研讨、确定产品系列化要求；二是参加产品设计任务书审查，确保任务书对标准化有明确要求；三是提出产品标准化综合要求；四是参加产品设计方案评审；五是提供应贯彻的有关现行标准；六是根据实际采用国际标准和国外先进标准[4]。

2.2 设计模块化

设计模块化是欧美国家在20世纪50年代提出的一种新设计方法，并在许多发达国家机械行业中普遍应用[5,6]。铝挤压机产品一直被认定为属于单件、小批和定制生产模式。对经济型铝挤压机进行系列化研发，一方面要保证短周期交货，另一方面要降低研发成本，引入模块化设计可以有效应对这一挑战。模块化设计的零部件具有功能独立性、结构独立性和接口标准化。在对已有铝挤压机产品特点分析基础上，规划出机架、工作缸、柱塞压盖、导套、挤压筒、固定挤压垫、油箱、平台栏杆、油泵电机组、充液阀和预紧工具等模块。在模块的具体设计过程中，通过模块的模板参数化设计实现三维建模的快速化、知识化、标准化和规范化，从而提升模块设计的变型效率，实现产品的系列化。在模块设计完成后，根据模块的层级结构，在产品数据管理系统建立产品模块管理平台，对模块进行维护和管理。

2.3 设计手段先进化

在经济型铝挤压机产品研发设计过程中，有很多重复繁杂的设计工作，严重制约着研发周期。在产品CAD/CAE/CAM/PDM集成系统解决方案高速发展的今天，广泛应用成熟、商业化的计算机辅助软件，提高设计质量和效率，缩短产品研发周期，推动产品持续创新已势在必行。

SOLIDWORKS已成为世界主流CAD软件市场的标准，其主体功能是机械三维CAD设计，它从根本上摒弃了传统二维CAD软件设计效率和设计水平方面的痼疾。SOLIDWORKS是基于特征的三维实体建模设计工具，也是完全基于Windows平台的软件，具有Windows的图形化界面，操作简单方便、易学易用，为设计人员提供了良好的环境。SOLIDWORKS不仅功能强大，而且为用户二次开发提供了开放的接口。经济型铝挤压机设计过程中，利用SOLIDWORKS软件，针对本体结构进行了全三维CAD设计和工程图制作，同时考虑到挤压机工作缸是重要部件，数量较多，结构大同小异，而油箱部件设计量大而繁琐，需要绘制不同规格的孔和焊接法兰，严重影响设计周期，以油缸和油箱部件为突破重点，借助SOLIDWORKS平台的API函数开发了具有人机交互界面的设计插件[7]，实现了油缸、油箱部件的三维CAD自动化和智能化设计。

MSC.Marc是世界知名的高级通用非线性有限元分析软件，具有极强的结构分析能力。在利用SOLIDWORKS建立铝挤压机本体结构三维模型基础上，利用MSC.Marc软件，进行本体结构的三维全接触有限元建模与分析，获取了预应力组合机架和工作缸等关键部件的应力和变形云图，通过结构优化设计，确定了最佳刚度和强度下的几何尺寸，使铝挤压机各结构件材料分配合理化。

EPLAN是电气计算机辅助设计的先锋软件，在一些装备制造强国中电气设计应用EPLAN已相当普遍。EPLAN强调标准化理念，针对经济型铝挤压机电气设计，我公司组织制定了挤压机的EPLAN标准，在完善一系列背景数据，包括标准化文件和数据库基础上，经历绘制图纸、生成报表及整理等设计过程，最终完成了挤压机电气EPLAN标准图纸的制作和应用[8]，大大提高了设计质量和效率，缩短了研发周期。

ITI-SimulationX是德国ITI有限公司开发的面向工程系统高级建模和多学科仿真的软件平台。利用ITI-SimulationX软件组建虚拟挤压系统，可以对产品进行全面、整体建模与仿真。虚拟挤压系统包括机械系统、液压系统和挤压成形力三部分。机械系统利用三维软件SOLIDWORKS建模，液压系统利用多学科仿真软件ITI-SimulationX建模，挤压成形力则借助成形工艺软件SIMUFACT获取。按典型挤压产品生产流程，结合各典型工况，建立各机械系统模型、液压系统模型，然后集成于多学科仿真软件ITI-SimulationX平台进行仿真，获取挤压时间与非挤压时间性能指标，机械结构的位移、速度和运行时间，工作缸内压力、柱塞或活塞杆的行程，以及管道内流量和流速，在对系统进行整体分析与评估基础上，进行设计修正与优化，降低产品研发风险[9]。

3 制造优势

没有制造标准化，就没有现代化生产。制造标准化是创新成果走向生产和向生产力转化的重要推力。制造标准化，就是以规定的成本、规定的工时，生产出品质均匀、符合规格的产品。制造标准化是降低生产成本、提高产品质量的重要保证。除产品本身标准外，对生产产品的原材料、零部件和半成品制订相应标准，通过合理选择和使用，简化原材料的供应，减少了零部件和半成品的物资储备；对生产工艺、工装等制订了相互适应、相互配套的标准，对产品的检验方法、包装、标志、运输和储存也作了相应规定。通过严格按制造标准，采用高效率的专用设备组织生产，推行标准化的作业规程、标准化的操作程序和标准化的评价机制，有力保障了产品制造在科学、有序基础上进行，产品质量达到和超过标准规定要求，使经济型铝挤压机产品具备最佳功能和效益，并最终完成了产品全系列、短周期和大批量制造目标。

图1 铝挤压机制造现场

4 经济性分析

经济型铝挤压机的经济性主要体现在机械结构、液压系统和电气控制系统方面，具体特点包括：①价格低廉，设备投资成本低；②结构简单，功能实用；③运行经济、高效；④可靠性高。

4.1 机械结构

采用了短行程、前上料结构形式，挤压机结构简单、紧凑，挤压杆行程和主缸长度显著减小。挤压机结构简单、紧凑，占地面积小，设备投资成本低；挤压杆行程减小，不存在无功行程，缩短了非挤压时间，运行高效；主缸长度减小，升压和卸压使用油液量少，升压、卸压时间短，且卸压冲击振动小，运行既经济、高效，又提高了可靠性。挤压杆行程和主缸长度减小，各连接结构件尺寸也相应减小、重量减轻，这将使某些结构件的功能实用化设计具备可行性，如挤压杆和挤压筒的快换装置，以传统的螺纹、卡环连接代替电机、齿轮和齿圈传动；推锭装置，以液压缸代替电机变频推锭；坯锭润滑装置，以乙炔气燃烧喷火代替氮化硼系统。

预应力组合机架具有较高整体刚度，有利于对机架进行结构优化。应用有限元分析软件，采用整机全接触算法，获取各部件的应力、变形云图，在满足机架较高刚度要求基础上，降低局部应力集中，提高运行可靠性。同时，此机架具有较大的抗弯截面，挤压时的方形压柱伸长和弯曲变形小，在其上固定导轨，导向精度高，挤压筒、挤压梁和模具之间对中调整方便，对于实现无摩擦装料，提高运行可靠性也极为有利。

新型胀环式固定挤压垫的应用取消了挤压垫与残料分离设备、挤压垫输送装置，不仅使挤压机结构简化，而且缩短了非挤压时间[10]。另外，此种固定挤压垫具有相对恒定温度，有利于坯锭挤压变形，缩短挤压时间，而且在其磨损后仅需更换胀环部分，提高了运行的经济性。

4.2 液压系统

所有工作缸运用标准化原则，采用标准缸，不仅降低了设计、制造成本，也使工作缸具备了互换性，同时也为缩短相关零部件的供货周期创造了有利条件。所有油泵电机采用变频控制，所有柱塞泵采用进口全变量高压泵，实现了挤压速度无级调节，有效降低了无功功率，从根本上提高了运行经济性。

4.3 电气控制系统

电气控制系统采用安全继电器控制，提高了运行安全等级和可靠性；配电控制和网络配置进行优化，减少了控制柜和PLC主站数量；人机界面用西门子TP系列触摸屏代替研华上位机；挤压筒加热采用电阻棒，温度控制系统采用接触器，使用寿命长，故障率低；主剪、推锭装置和供锭机械手检测以接近开关代替编码器，结构简单，功能实用；机械化辅机的电机、控制器和变频器采用国产元件，从根本上降低了维护成本，提高了运行经济性和可靠性。

5 结论

在全球经济一体化趋势下，标准已演化为参与国内外市场竞争必不可少的利器。借“一带一路”契机，积极推进企业标准化建设，全面实施规范化、流程化和科学化管理，既是国家全面深化改革的需要，也是企业长期保持竞争优势的需要；积极采用国际标准和国外标准，既是企业适应国际贸易规则、谋求国际合作的需要，也是企业提高产品研发、创新和竞争力的需要。经济型铝挤压机产品的成功研发仅仅是个好的开端，尽管“一带一路”让我国企业看到了更广阔的市场前景，但正可谓“机遇与挑战”并存，要想在“一带一路”市场中争当弄潮儿，在某一产品领域提升全球影响力，我国企业仍将任重而道远。

[1]王祝堂.铝挤压机发展路上的新里程碑：HygrEx挤压机面世 [J].轻合金加工技术，2016，44（2）：43.

[2]郭玉玺，赵国栋.对我国铝挤压技术与装备的思考[J].轻合金加工技术，2011，39（9）：13-18.

[3]石如磐，王 勇，王丽薇.36MN预应力结构挤压机机架变形分析[J].锻压技术，2011，36（4）：100-103.

[4]李小华.企业标准化在新产品开发工作中的意义[J].科技情报开发与经济，2004，14（7）：250-251.

[5]徐小东，韩 颖.工程机械产品模块化设计的研究[J].机械制造，2016，54（11）：34-37.

[6]李栋升，杨 军，张 辉.工程机械产品模块化设计实践浅探[J].机械工业标准化与质量，2012，（10）：39-42.

[7]刘慧军，赵国栋，王丽薇.利用Solidworks API输出曲面点坐标的方法[J].CAD/CAM 制造业信息化，2011，（5）：46-49.

[8]常 嫦.EPLAN软件在挤压机电气设计中的应用 [J].机械工程与自动化，2016，（6）：216-217.

[9]王玲玲.大型铝挤压机虚拟挤压系统建模与仿真[J].液压与气动，2014，（4）：28-30.

[10]王丽薇，王晓磊，吴凯凯.55MN铝挤压机固定挤压垫热-结构分析 [J].锻压技术，2011，36（5）：170-172.

Development of economical aluminum extrusion press under the Belt and Road Initiatives

LI Xiang1,2
（1.Taiyuan Heavy Industry Co.,Ltd,Taiyuan 030024,Shanxi China；2.TZ（Tianjin)Binhai Heavy Machinery Co.,Ltd,Tianjin 300452,China）

It was described the development and manufacturing advantages of economical aluminum extrusion press,which was mainly used for constructive aluminum profiles producing under the Belt and Road Initiatives.The design process can shorten developing period,reduce cost and risk by using standardization,modularization,and various commercial computer aided software.The manufacturing process was carry out by strictly following design paper,construction specification and relevant standard,and based on special efficient equipment,in order to ensure optimal function and benefit of aluminum extrusion press.Through analyzing the function components of aluminum extrusion press,it was proposed that the economy of aluminum extrusion press mainly embody low investment cost,practical function,efficient operation,and high reliability.

The Belt and Road Initiatives；Aluminum extrusion press；Economy

TG375

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.04.011

1672-0121（2017）04-0037-04

2017-05-20；

2017-07-25

李 翔（1965-），男，高级工程师，从事锻压设备技术管理与开发。E-mail：tzdyslx@163.com