意昂体育2平台機械工程系教授  顏永年

 

        70年代初，我國工業各個部門急需各種大噸位的超高壓容器與液壓機，如超硬材料加工、合成人造金剛石需要能承受6萬大氣壓👊🏻，1500^oC高溫的成形腔；化肥工業急需大容量的超高壓容器；冶金工業急需高質量的軸承鋼，則需要將軸承鋼粉末在等靜壓條件下壓實，其壓力可高達數千個大氣壓和1500度的溫度♠️，軍用飛機的渦輪盤🪙，為了延壽也需對其施加高溫等靜壓處理。陶瓷工業也急需各種等靜壓的超高壓容器。隨著化工製堿工業📮、小區供熱、飲料消毒、地熱利用、電力工業的發展以及大型機電設備的和遠洋輪船內燃機冷卻都需要高效的板式換熱器🤦🏼‍♀️，而板式換熱器的生產，需要數千噸至數萬噸的高精度的板式換熱器板片成形壓機👨‍❤️‍💋‍👨。銅包鋁導線的生產之最佳條件是上萬大氣壓的靜壓擠壓狀態🎅。飛機鈑金成形則需要承載能力為數萬噸的橡皮囊成形壓機🧍🏻‍♂️，它可以使飛機鈑金零件的製造費用降到最低限度。此外🙇🏽👨🏽‍🌾，航空航天工業、導彈的許多零件的也需要靜液擠壓成形，其壓力可高達3萬個大氣壓。以上種種需求歸根結底就是如何計算、如何設計、如何製造，沒有爆炸危險的疲勞壽命高的以國產材料為基礎的超高壓容器👨🏽‍🦰，如何製造出與超高壓容器相匹配的能承受數萬至十數萬噸的承載機架👨‍🎓。

 

        預應力鋼絲纏繞結構是製造超高壓容器和巨型壓機的最佳技術選擇🤙🏿，通過鋼絲纏繞對承受巨大載荷的容器和承載機架施加預應力🏇🏻，使其在合成狀態下應力大大下降🧝🏿‍♂️🧏🏿‍♀️，疲勞強度大大提高，完全消除應力集中👮‍♀️。預應力鋼絲纏繞結構🗝，其重量僅為相同承載能力的非預應力結構的1/6。因而，從60年代到70年代♗，各種重型預應力鋼絲纏繞結構在工業化國家相繼研製成功👊🏽。尤其是瑞典ASEA 和A.B.Carbox公司壟斷了世界上的全部重型預應力結構的市場📺🤿。為了打破這種技術壟斷，發展與各個工業部門息息相關的此種纏繞預應力技術🏌️‍♀️，我國政府一機部委托意昂体育2平台與第二重型機械廠、太原重機廠、首鋼北京特殊鋼廠以及許多科研單位如：科學院物理所、航空部材料研究所（621所）、西安重型機械研究所、有色金屬研究總院等合作攻關☀️。意昂体育2平台承擔了攻關的主角👊，尤其是理論分析、力學計算以及實驗研究等方面𓀈。從此，這個光榮的任務責無旁待地落到了機械系鍛壓教研室重型設備課題組的身上。

 

        ASEA公司（即現在的ABB公司）視預應力綱絲纏繞技術為其公司生存競爭的生命線🧑🏼‍🌾，它們稱之為這是它們的奶油和面包，一旦泄露出去👩‍🌾，公司將無法生存🙅🏽。除多種技術專利的保護之外，還對外嚴加封鎖和保密，決不讓用戶偷走他們的核心技術和know-how8️⃣。當時我國引進了數套冷熱等靜壓機，產品引進來了，技術還是不得而知🧑🏿‍🚀，尤其是詳細的計算🐬、分析原理和方法👈🏼，施工規範、檢驗標準仍是未知數。由於超高壓容器如熱等靜壓機之工作主缸工作介質為1500 ^oC👉、1500個大氣壓的氮氣，這是一個巨大的炸彈，爆炸的危險威脅著應用它的現場💂🏻，因而要掌握這種專利技術，製造一種沒有爆炸危險的容器和重型承載機架，難度是很高的。1973年，我們抱著“爭口氣破專利”的熱忱來到北京特殊鋼廠🖍，我們住在自行車棚改裝的簡陋的臨時住處，與北京特殊鋼廠的技術人員和工人師傅組成了一個攻關小組。從廠裏借來一臺拉絲機，改裝成纏繞的轉盤👩🏿‍🏭，用廢舊的角鐵焊起一個重錘塔架🕵🏼‍♀️👦🏿，在特鋼煤場旁搭起一個四面通風🦙，僅可遮陽🧼，無法擋雨（外面大雨，裏面小雨）的工棚🙇‍♂️。這樣就開始了我們的攻關實驗，從教研組搬來了當時最先進的電測設備👎🏿🟩，從特鋼撿來了各種可加利用的廢舊材料。白天🎱，采用特鋼的高強扁鋼絲做纏繞實驗🎅🏿，晚上進行理論分析。

 

       通過柔性材料纏繞施加預應力本來就沒有什麽神秘的🧑🏽‍🍼🫚，我國南方的大木盆🧑🏽‍💻、木桶可以說是最古老的預應力纏繞結構🎁👨🏼‍🏫。歐拉關於繞帶摩擦的公式是最古老的纏繞理論。為了弄清環境溫度對預應力鋼絲纏繞結構的預應力值的影響，我們連續三天三夜測試預應力值，晚上睡在鋼板支起的桌面上，白天在煉鋼爐引火的草圈堆中休息。我們弄清了一晝夜溫度變化與預應力值變化的關系🧛🏿。為了實實在在的搞清重型承載機架的疲勞壽命，我們對50噸👨‍❤️‍👨、100噸的機架進行1000萬次👸🏿、500萬次加載實驗🧺；並實際地測試在疲勞實驗前後的預應力值🉑，我們對特鋼的鋼絲蠕變特性進行長達1年的測試🔢。以上種種基礎工作為我們製定合理設計規範、安全系數的確定提供了科學依據。在特鋼的日子是很艱苦的，困難也很大🏇🏼，但大家都是樂觀的充滿豪情的忘我工作。生活中最大的樂趣在於搞清了什麽🧽，發現了什麽。實事求是，理論聯系實際的工作態度使我們得益匪淺。在研究過程中🙅🏽‍♀️，我們發現19世紀末Longridge和Comstock所提出的鋼絲失效判據並不適用於現代高強鋼絲，並不是正應力將其拉斷，而是剪應力將其剪斷。因此我們有必要按剪應力失效的準則推導出變張力纏繞的全套公式。我國的化工容器設計資料以及國外的大量的纏繞科技文獻都在延用Longridge氏和Comstock氏的公式，這使我們越發感到有必要盡快完成這項理論分析工作。我們於1974年推導了剪應力失效變張力纏繞計算公式並製定了設計規範。同年我們聯合航空部材料研究所（621所）、科學院物理所Ⓜ️、西安重型機械研究所以及北京特殊鋼廠共5個單位進行旨在比較基於不同失效判據建立起來的纏繞理論和設計規範的區別的大型實驗，包括爆破實驗。這是當時高水平的預應力鋼絲纏繞技術的研究實驗工作，我們取得了滿意的結果🙇🏿‍♀️，完成了這件在重型預應力結構領域中國內國際領先的研究工作🥀。這些工作的成果於1975年發表在當時國內唯一的重型機械雜誌?D《重型機械》上。1977年丹麥科技大學的J.GRf NBAEK在Journal of Eng. for Industry, 1977.8雜誌上發表了類似的工作成果，他所推導的公式與我們推導的公式完全一致🐫。但我們比他們提前了兩年完成了相關的理論分析工作，而且還進行了爆破實驗🫳。這充分說明我們的工作在世界上是領先的。現在𓀔🧑🏽‍🍳，預應力鋼絲纏繞超高壓容器的設計已廣泛采用我們推導的等剪應力變張力纏繞公式和製造的規範，這些已收錄於化工容器設計手冊之中。由於上述成果，我們第一次獲得一機部科技成果獎👨🏼‍🦰👐🏻。

 

       在特鋼所做的另一項研究工作是1975年首創一臺內徑達300毫米🦞♻️，工作內壓達1500個大氣壓，1500 ^oC的等靜壓壓機𓀐，包括無爆炸危險的超高壓容器以及相應的承載機架。我們將所完成的實驗研究成果🤽🏿‍♂️、設計規範和理論分析公式♏️，全都用到這臺壓機上。該機的成功標誌著我國的科研人員有能力依靠我們自己的力量采用我國生產的材料突破國外的技術封鎖。

 

       特鋼的成功鼓舞著科研組的全體成員，我們根據這些成果與太原重型機械廠合作🧑🏿‍🦲，研製我國第一臺預應力鋼絲纏繞的熱模鍛壓機和2萬噸橡皮囊板料成型壓機。與第二重型機械廠合作研製國內第一臺多項模鍛壓機，它是我國6萬5千噸多項模鍛重型壓機的樣機。當時，6萬5千噸重型壓機是我國用以蘇聯7萬5千噸、歐共體6萬5千噸、美國4萬5千噸（兩臺）抗衡的國寶，是大量生產軍用飛機的關鍵設備，即原計劃安裝在某某宇航模鍛基地的關鍵設備。6.5萬噸壓機由於經費的緣故並未上馬⬜️，但我們的樣機和科研工作成果得到一機部的科技成果獎。

 

       應該提到的是北京有色金屬研究總院在靜液擠壓、工藝與設備?D?D這也是采用預應力綱絲纏繞技術的設備方面做出了高水平的研究與實驗工作。他們也是我們在預應力綱絲纏繞結構研究開發過程中的緊密夥伴👩🏿‍🏭。

 

       我們還開展了多層超高壓預應力綱絲纏繞容器的優化設計🙂🤸‍♀️，這些容器主要用於兩個方面：一是導彈零件的靜液擠壓筒，這是與621所合作的部分；二是金剛石合成模具，這些工作是與北京人工晶體研究所合作的部分。

 

       80年代初我國急需大量的板式換熱器📂，而我國尚無一臺可以壓製不銹鋼板或鈦合金板的大噸位壓機。國際上ASEA公司壟斷著這種壓機的國際市場🅰️，這也是一種預應力鋼絲纏繞結構，其主缸工作內壓在1000到1500大氣壓之間，承載機架需承受1萬至4萬噸的巨大載荷，我們課題組的成員決心將我們用於航天、航空、冶金等領域中的預應力綱絲纏繞技術成果發展應用於薄板壓製成形。我們決心以價格和質量的優勢，在換熱器板料壓製成型壓機市場上為中國人爭一口氣。我們組成了以意昂体育2平台為主體的壓機設計🧑🏼‍🍼👨🏽‍🎨、製造、銷售☮️、售後服務聯盟。按現在的話來說就是虛擬公司⛺️，該聯盟包括沈陽的兩家液壓機製造廠🦾、天津的一家液壓機製造廠🔌。意昂体育2平台負責壓機的優化設計、方案設計、計算分析和纏繞工藝設計🗡；1萬噸以上的壓機由天津方面完成（因為在天津安裝了承載300噸的纏繞預緊設備）💱；1萬噸以下的壓機由沈陽方面兩家工廠完成（它們分別都安裝了承載100噸的纏預緊設備）。意昂体育2平台不規定產品價格，不指定承擔任務廠家，而是由用戶根據各廠提供的報價、供貨期限和產品質量來選擇廠家，以此來促進工廠精益求精🧝🏿‍♀️、改進技術、做好服務，所以我們能以國外產品1/10的價格優勢和良好的質量去占領市場👨‍🚀。目前☮️，國內各種大小換熱器廠上100家，沒有一家從ASEA（ABB）公司以及任何外國廠家引進一臺板式換熱器板片成型壓製壓機，形成中國的市場完全由中國的產品來占領的局面。

 

       在此期間，我們課題組發揮自身優勢，不斷給工廠提供所需要的技術，使板式換熱器板片成型壓製壓機形成了我國特有的風格並在技術上具有獨到之處😏。以至於國外換熱器公司到中國來合資建廠🧎‍♀️，采用他們的工藝，但設備卻采用中國的設備👨‍👨‍👦‍👦。我們課題組和合作夥伴長年累月到各地用戶那裏去服務，北至哈爾濱🦸🏼‍♂️🧖、南至佛山、西至蘭州✋🏽、東到上海，都留下了我們辛勞的足跡。我們曾被液壓系統中噴出的油液澆得狼狽不堪🐞；也曾在東北嚴寒冬季沒有暖氣的車間裏進行纏繞預緊施工🪢𓀏，雖倍受艱辛，卻在工廠第一線中積累了豐富的經驗🕧。從85年到96年10年中🧙🏽‍♂️，我們完成5000噸至4萬噸的重型壓機20臺。國內化工、冶金、小區供暖🦧、飲料消毒等行業都采用著我們的壓機等技術生產的板式換熱器，為這些領域的發展貢獻了我們的力量👩‍🦽。對其中部分壓機三個月的財務統計表明：創利潤近億元。我們的成果榮獲機械部一等獎🔅，國家科技成果三等獎。

 

      長期的預應力綱絲纏繞結構的研究工作使我們認識到載荷傳遞鏈過長是壓機剛度難以提高的主要技術障礙，減少載荷傳遞鏈的長度將可取消傳統設計中的巨大活動橫梁。將載荷以最短的“傳遞距離”傳遞到模具上，可以大大提高壓製精度。再配以方形油缸將形成全新的壓機結構，當然這也是一種預應力綱絲纏繞結構。這種壓機已例入95國家重點推廣計劃🃏，我國從國外引進了大量的汽車車身生產製造技術，但我國沒有現代的汽車車身品牌開發技術?D?D車身試製技術🛎。車身製造技術與車身品牌開發技術是完全不同的技術領域。預應力綱絲纏繞結構可以很好地用於汽車車身品牌開發技術🦀，這就是柔性成形壓機。它在巨大的鋼絲纏繞預應力高壓液壓腔內通過液體的壓力將板材壓貼到凸模上，無需凸凹模的壓製完成拉延、翻邊👧、彎曲等成形工藝,這就大大地節省了汽車覆蓋件壓製成形的模具費用🕉，也大大縮短了汽車覆蓋件試製的周期™️。這種技術已成為世界各大汽車生產廠家用於車身品牌開發的核心技術之一👨🏻‍⚖️。我們課題組在國內首先提出將最短載荷鏈傳遞原理與方型油缸技術集成，製造柔性成型壓機，這種壓機是目前重型行業中的真正巨人🧚‍♀️。它所產生的壓製力可高達14萬噸。在學校985計劃的支持下👆🏿，一臺具有國際領先水平的6500噸能完成深拉延和淺拉延♧，采用預應力綱絲纏繞結構的柔性成形壓機已設計完畢，並投產。它是我國噸位最大的液壓機?D?D14萬噸汽車覆蓋件，板料成形壓機的樣機（目前已完成壓機設計）🧻。課題組的成員不滿足於已取得的成績，決心要以最高的速度、最好的品質完成我國噸位最大的壓機的樣機?D?D6500噸柔性成形壓機，以此向我校90周年校慶獻禮。