氢能源燃料电池金属极板液压快速智能成形装备

文／米新征，刘辉·天津市天锻压力机有限公司

本文对氢燃料电池金属极板液压快速成形装备的设计思路进行了详细介绍，该类新型节能快速成形装备是针对金属极板成形工艺而开发，不但具备远超常规液压机的工作节拍，同时仍然具备长时间保压的功能。新型的液压驱动系统是将传统液压控制系统的转换环节时间尽可能的节省掉，缩短系统介质液压油的反复压缩建压、卸压释放的时间，从而提高新型设备的工作频次，将设备滑块的重力势能与液压油压缩相平衡，使得设备具有绿色节能、提高效率的优点。

金属极板是组成氢能源燃料电池的重要零件。随着欧美、日韩等科技发达国家相继发布氢能源战略规划，2022 年我国政府发布了《氢能产业发展中长期规划(2021-2035 年)》，此规划的发布标志氢能源产业未来必将成为我国能源发展的重要领域。

目前，燃料电池金属极板普遍采用0.075～0.1mm厚的不锈钢或者钛作为原材料，燃料电池依据功率不同，需要的金属极板也从几百至上千件不等，因此金属极板冲压生产效率对于从事燃料电池生产的企业至关重要。目前，很多企业采用多连杆机械压力机、肘杆压力机进行生产，投入高，性价比有限。

新型的极板快速冲压设备(图1)应运而生，其不但具有传统液压机的保压功能，同时具备快速冲压生产的能力，而且较以往液压系统驱动的设备更加节能，最重要的是设备成本没有明显增加。

图1 极板快速冲压设备

新型极板冲压设备

新型极板冲压设备是将设备的回程及加压控制系统进行重新设计，将设备回程系统设计成封闭式系统，液压油作为工作介质时刻处于压缩状态，通过回程腔将回程作用力时刻加载在设备滑块上，通过这种方式将设备滑块及模具重量全部抵消掉，回程动作亦不需要油泵输出做功，没有功率消耗。回程动作同时不需要PLC 控制电磁阀、插装阀等控制元件动作，将设备系统的“反应时间”缩短了一半。因为回程动作没有油泵电机组的参与，所以设备节能效果明显。

因为回程系统设计成封闭式系统，在设备运行过程中没有其他动作参与，其产生的回程力时刻大于其负载，因此需要在回程力相反的方向施加额外的力控制滑块及模具快速运动，该系统采用高频响比例伺服阀配合高压蓄能器实现。在设计此系统时要特别注意快速油缸规格的选择，如果选择过大则会造成额外的功率输出，而快速油缸大小由回程封闭系统决定，因此回程封闭系统需要智能化自行调整工作压力区间段。回程封闭系统需要进行智能化自动调整压力的功能，依据传感器、模具重量等参数自行调整，对应每一套模具均会自动产生一组工作参数。同时，应用于多工位生产时，也会对多套模具的组成情况生成匹配的压力。

基于以上设计思想，新型的金属极板冲压机不但缩短了系统响应时间，理论生产效率大于8SPM，而且节能效果显著，比常规回程系统的设备节能10%～15%，设备具备智能化压力自调节系统，不需要操作人员进行复杂的设定。

图2 为新型液压系统原理示意图，设计时需要重点考虑回程及平衡、加压动作、系统安全三个重要方面，下面就以上重要方面逐步分析设计要点。

图2 新型液压系统原理示意图

封闭式回程系统

设计封闭式回程系统，需要从以下因素考虑：

⑴回程缸截面积大小。回程缸截面积需要依据滑块重量及上模具重量进行设计，设计较大有利于系统压力降低，系统工作在低压区间且设备系统稳定，但是较大的截面积会使蓄能器容积加大，造成设备封闭式系统成本上升。

⑵封闭式系统工作压力区间。该区间大小从理论上与蓄能器的容积及油缸往复运动排出油量成比例关系。当滑块在行程顶端时，此时回程腔充满油液，蓄能器内油液相对较少，封闭式系统压力在工作区间下限，当滑块在行程底部时，回程腔油液全部排入蓄能器，此时封闭式系统压力在工作区间的上限。

需要注意的是，工作压力处于下限时，产生的支撑压力仍然需要大于所有负载的重力。所以蓄能器的选择十分重要：选择较大的则工作区间就会很小，另一端的快速油缸及其驱动系统设计就很简单，但是成本也会相应的提高；如果蓄能器选择过小，工作区间较大，但另一端快速油缸及驱动系统的制造成本也会增加。

⑶封闭式系统需要设置自我调节压力功能。即针对不同的模具重量，特别是多工位系统的模具，在模具重量差距较大的情况下能够自我调节，需要对应的液压系统硬件以及软件智能化设计。

加压系统

设备的加压系统分为两个部分，一个是辅助快速合模系统，一个是主系统加压系统。主系统加压系统即为设备公称压力实现的主系统，针对金属极板的成形工艺，设备液压系统属于较大密度的功率类型，设计较为常规。重点是辅助快速合模系统，该系统最低需求工作压力要确保高于滑块在底部时封闭系统产生的多余回程力。

设计加压系统，需要从以下因素考虑：

⑴加压系统蓄能器充油及释放系统设计，充油时需要考虑整个设备的工艺动作循环，也可以直接利用自动化上下料搬运时间进行充油。设计时应注意注入高压油液的特性，要核算设备充油油泵的电机匹配规格，适当考虑余量。

⑵快速加压系统因为封闭系统的特点，同时肩负控制滑块回程速度的作用，因此比例伺服阀(图3)需要选用三位四通形式，既要控制向快速油缸进油，还要控制快速油缸的排油，滑块在空载条件下的下行及回程动作均在此比例伺服阀的控制之下。因此该阀开口大小控制以及流量规格的选择，均要考虑两种工艺动作。

图3 比例伺服阀示意图

⑶主系统加压过程为常规设计，需要特别考虑的是主系统的卸压及主缸快速排油问题，在动作配合上，快速加压系统需要一直工作，否则会造成主缸压力始终无法卸压到指定压力的现象，后续快速回程动作始终无法达到启动条件。

该系统设计还有另外一个优点，可以忽略氮气缸释放对节拍的影响，因为氮气缸释放力与封闭式系统的压力作用方向相同，可以完全被快速加压油缸平衡掉，待主缸压力完全卸净进入回程状态时，快速加压油缸一直在抑制氮气缸力，所以不会对回程动作有影响，而且在氮气缸释放结束时还可以随意控制此点的速度，设备及模具均不会有明显的冲击。

安全系统

因为设备的封闭系统及加压系统区别于传统的液压机系统，所以设备安全方面的设计也要根据新系统的特点进行设计。主要有以下几点需要特别考虑：

⑴因为封闭式系统的工作特点，设备在静止不动停机状态下的安全需要特殊设计，尤其是封闭式系统的蓄能器压力，在停机的状态下需要释放光，同时在设施周边要有明显的维修提示，以避免不必要的危害。

⑵滑块紧急情况下的制动设计，传统液压机滑块制动仅考虑在重力条件下制动，按照安全标准一般为200 ～250ms，因此本台设备滑块制动能力也需要按此标准执行，滑块及模具的质量决定了制动力的大小，需要依据动量守恒定律公式计算封闭式系统的额外顶出力大小，因此额外顶出力的大小与负载质量成正比，并不是所有系统都是一样的。

⑶滑块失控安全措施，本台设备滑块失控区别于常规液压机，常规液压机滑块失控一般为滑块坠落，本台设备刚好为相反方向，所以油缸需要进行必要的缓冲设计，以此减少滑块失控造成过大的冲击，另外对于滑块上平面及上梁下平面制件的装置，均应该有措施避免滑块失控对这些装置造成撞击。设备在维护过程中更是需要有足够的警示提示，避免人员在封闭式系统蓄能器没有释放完全的情况下进入危险区域。

结束语

新型的液压快速智能成形设备属于技术迭代升级，提高了生产效率，既具备了传统液压机的工作性能优势，又提高了工作效率，且更加绿色节能，改善了国产设备智能化程度低的印象。该设备的技术不但可以应用于小型设备、多工位生产设备，同时也可以应用于大型自动化冲压生产线的设备，在没有明显增加成本的情况下提高了生产效率，使液压机生产线在市场竞争中的竞争力更强。