板翅式换热器高精度翅片成形创新研究

毛国平 董明智

摘 要 板翅式换热器是各类气体分离设备的热交换器，而翅片是板翅式换热器的关键部件，占整个换热器体积的80%以上。复杂型面高精度翅片成形技术是制造中高压高效板翅式换热器，实现大型、特大型空分设备国产化的关键技术。多年来，高精度翅片以其成形工艺复杂、制造精度要求高、生产效率低成为全球行业性技术难题。

关键词 板翅式换热器;翅片;成形;创新

引言

由于板翅式换热器翅片规格的多样化及材料的特殊性（材料为铝箔，强度低，节距之间的弹性大），通用的裁断设备及码料设备无法实现翅片的自动裁断与自动码料。之前，国内外空分企业均采用人工方式对翅片进行裁断与码料，导致翅片的生产效率低、误差大、废品多。

为了提高翅片的生产效率，实现翅片生产过程的自动化，项目组对翅片裁断和码料的工艺进行了研究，并进行了大量的工艺和结构实验，由此开发出了翅片自动裁断设备及翅片自动码料设备。翅片自动裁断设备依靠由电磁铁驱动的压紧机构阻止裁断过程中翅片向前运动，加上导向机构，以保证翅片裁断面的线性度，依靠由伺服电机驱动的裁断机构实现对翅片的裁切。自动裁断设备的周期裁断动作用时只有2秒，不影响翅片连续冲压成形。翅片自动码料设备设计了两个可间断码料工位，翅片通过拨料机构滑动到码料托架上，码料托架通过伺服电机驱动实现上下码料运动。每一次码料运动，托架下降一个翅高距离，保证下次码料时翅片又能在同一个平面上滑动，实现翅片自动化无损伤码料。

1实施效果

通过本项研究，进一步完善了铝合金薄板复合弯曲成形理论内涵和主要技术，创新了板翅式换热器高精度翅片成形技术和工艺。研究结果已全部用于提升复杂翅片的制造技术水平，该技术及关键制造设备填补了国内空白，具有自主知识产权。项目组开发的板翅式换热器高精度翅片自动成形生产线已在项目合作企业宁波宁创自动化设备有限公司实现了定型生产，系列翅片成形机已通过FIVES公司法国总部的技术检测和生产试验并率先出口法国和德国，项目技术水平和使用效果在国内外获得一致好评，得到了用户的高度评价。在不到两年时间内该生产线已成功推广55条，目前国内四川川空股份有限责任公司、开封空分集团有限责任公司、杭州中泰过程设备有限责任公司等企业都在使用本项目技术设备。杭州杭氧集团有限公司等企业已与项目合作公司达成批量引进的意向。本项目的开发成功，使我国实现了大型、特大型中高压空分设备重大技术装备的国产化，极大地提升我国板翅式换热器制造行业的核心国际竞争力，使我国由空分设备大国向空分设备强国迈进。同时为实现工业升级转型，打造低碳绿色的节约型可持续发展社会做出了贡献。本项目开发的薄板成形技术和翅片成形技术及设备也可应用于其他工业领域，如汽车覆盖件新型吸震材料，多孔结构吸声、吸波材料，家用空调、汽车空调新型换热器制造等领域。

2主要技术创新点

板翅式换热器高精度翅片自动成形生产的相关工艺及多项技术填补了国内外空白，同时该项目成套技术装备已获得国家多项专利授权。主要有以下技术创新点：

（1）理论及试验方法创新：此前板料弯曲成形回弹研究中，采用V型和U型试验方法，大都针对钢铁材料。对3003、3004铝合金薄板N型折弯机理和回弹试验的研究尚属首次。利用有限元数值模拟方法对N型、M型或W型复合折弯成形机理及回弹过程进行深入系统研究，其边界受限和约束复杂，分析难度大，这是前人未曾进行的工作，研究成果填补了有关开模条件下薄板复杂结构件的复合成形理论方面的空白[1]。

（2）成形工艺技术创新：本项研究首次提出M型或W型复合折弯工艺方法，其成形过程是材料纤维方向的多重受限折弯及齿宽方向约束错列剪裁的三维复合成形过程，主要采用了以下技术：①多刀技术-使传统的翅片单齿单次成形变为单齿多次成形，无须二次挤压整形工艺就能保证翅片节距的一致性，解决了翅片翅形精度及节距精度难以保证的技术难题;②整体刀片技术-研制出整体模具刀片，解决了单齿组合刀片精度低、强度低、寿命短、安装烦琐的问题;③复合成形技术-在折弯成形基础上附加了塑性整形技术，翅片齿顶形成一定面积的平面，大大增加了翅片的钎焊强度;④固定式脱模技术-设计了固定脱模结构，解决已有的浮动脱模引起的精度不稳定问题。

（3）产品技术集成创新：开发的ZWK系列翅片折弯冲压机生产线属国内首创，具有自主知识产权，达世界先进水平。设备主要采用以下新技术：①采用上下分体结构，使冲压模具上下刀片都有冲压动作，实现了设备柔性可调;②采用液压系统胀紧上座的恒力冲压，保证了翅片平面的高精度，方便了翅高调整，降低了设备振动和噪声;③采用伺服调节系统和液压系统来调整模具闭合高度，实现了翅片高度的精确调整;④采用伺服系统和一套独特的杠杆弹性系统，实现了节距的精确调整;⑤采用弹性系统设计方案，解决了高速冲压中共振与噪声的技术难题;⑥采用特殊的数齿裁断系统，变绝对数齿裁断为相对数齿裁断，解决了翅片裁断精度低、效率低、易损坏的技术难题。

3与当前国内外同类技术主要参数、效益、市场竞争力的比较

国内传统的翅片成形技术装备尽管售价较低，但在生产效率、成形精度及操作性方面已远远落后于英国FMC产品和本项目设备，不具备市场竞争力，已基本淘汰出局。FMC翅片成形设备冲压力不可调，难以生产全系列规格的翅片，润滑散热不理想，翅片的翅高及节距精度不高，没有自动裁断和自动码料系统，且其售价每台近千万元人民币，是本项目设备的10余倍。总体而言，本项目设备的部分技术指标与FMC设备相当，但综合指标及性能全面优于FMC设备。在市场认可度和占有率方面，根据FMC公司销售记录显示，过去10多年此设备只销售10套左右，平均每年不到一套，说明还没有得到用户的完全肯定。

板翅式换热器高精度翅片成形创新为我国空分行业产业升级和国际竞争力提高做出了贡献;该技术装备的研制成功提升了板翅式换热器装备技术性能，该项目多项技术填补了该领域的技术空白，并拥有自主知识产权。为节能减排及发展低碳经济做出了贡献;利用本项目技术及装备生产的高精度翅片大大增加了换热器翅片的钎焊面积和强度，提高了换热器的使用压力和换热效率，换热效率比其他类型换热器高 30%-50%，可有效減少资源消耗。

参考文献

[1] 王松汉.板翅式换热器[M].北京：化学工业出版社，1984：22-23.