液壓增壓器及其在鍛壓機(jī)液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用

姚志敏

（上海蘭石重工機(jī)械有限公司，上海 201108）

根據(jù)液壓系統(tǒng)及元件的公稱壓力不同，分為低壓、中壓、中高壓、高壓和超高壓液壓系統(tǒng)及元件，按照GB/T2346-1988的規(guī)定，液壓元件和系統(tǒng)的壓力分級(jí)如表1所示[1]。目前我國乃至世界上大多數(shù)設(shè)備采用的液壓動(dòng)力裝置基本選用高壓及以下的壓力級(jí)。隨著一些歐美發(fā)達(dá)國家對(duì)節(jié)能減排的愈加重視，“綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化”也是《中國制造2025》提出的基本方針，國內(nèi)外更多的裝備制造企業(yè)越來越重視改進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，降低生產(chǎn)成本，這也是我國從制造業(yè)大國向制造業(yè)強(qiáng)國轉(zhuǎn)變的必經(jīng)之路。在液壓系統(tǒng)中可通過液壓增壓器增大介質(zhì)的壓強(qiáng)，減小油缸缸徑，從而保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出的力不變，這樣可減小設(shè)備的體積和重量，降低生產(chǎn)成本或提高產(chǎn)品利潤，也進(jìn)一步放大了在同等功率的情況下，液壓傳動(dòng)裝置的體積小、重量輕、慣性小、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)。

表1 液壓系統(tǒng)及元件壓力分級(jí)/MPa

1 增壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及原理計(jì)算

液壓增壓缸是增壓裝置最典型的增壓器之一，也是增壓系統(tǒng)的主要組成部分。增壓缸按液體輸入方式可以分為單作用增壓缸和雙作用增壓缸兩種，它們的增壓原理相同。

1.1 單作用增壓缸

如圖1所示，單作用增壓缸結(jié)構(gòu)比較簡單，它由低壓腔（左）、高壓腔（右）和連成一體的大小活塞構(gòu)成。增壓缸工作時(shí)，低壓（P1）液體自油口A進(jìn)入增壓缸左邊的低壓腔，同時(shí)油口C回液，推動(dòng)大活塞向右運(yùn)動(dòng)，大活塞推動(dòng)與其連成一體的小活塞右移，使高壓腔中預(yù)先充滿的待增壓液體增壓（P2）并從油口B輸出。活塞返回時(shí)，低壓液體改由油口C進(jìn)入，由油口A回液，活塞向左運(yùn)動(dòng)，這時(shí)待增壓液體從油口B吸入高壓腔，以備下次循環(huán)輸出。

圖1 單作用增壓缸結(jié)構(gòu)示意圖

單作用增壓缸在小活塞運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)時(shí)，不能繼續(xù)輸出高壓液體，需要將活塞退回左端，再次向右運(yùn)動(dòng)才會(huì)輸出高壓液體，也就是說不能做到無間斷地輸出高壓液體。當(dāng)一次輸出完成后，必須待活塞返回后才能再次輸出。

1.2 雙作用增壓缸

雙作用增壓缸是在單作用增壓缸的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)得到的，改進(jìn)后可實(shí)現(xiàn)連續(xù)增壓。其結(jié)構(gòu)如圖2所示，有左右兩個(gè)高壓腔，公用的低壓腔位于中間，當(dāng)A1口進(jìn)液時(shí)，A2口回液，B1口輸出高壓液體；當(dāng)A2口進(jìn)液時(shí)，A1口回液，B2口輸出高壓液體。

圖2 雙作用增壓缸示意圖

1.3 增壓缸的原理

以上兩種增壓缸都是在平衡力作用下，通過活塞面積的變化改變輸出壓力的大小。下面以單作用增壓缸為例介紹。如圖1所示，單作用增壓缸由大小直徑分別為D1和D2的復(fù)合缸筒及有特殊結(jié)構(gòu)的活塞、密封等部件組成，它能將P2的低壓介質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏航橘|(zhì)，供系統(tǒng)的某一需高壓的執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用，即如圖1所示的B口輸出。圖中，若液壓缸大端（A口）輸入的壓力為P1，小端（B口）輸出的壓力為P2，且不計(jì)阻力，則根據(jù)力學(xué)平衡關(guān)系有：

D12/D22即為增壓缸的增壓比。比如我公司某壓機(jī)的一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需70MPa壓力，其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)只需28MPa壓力即可，這樣只需在28MPa的油源上分出一支并聯(lián)油路后增加一個(gè)增壓回路（不影響其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度的前提下），就節(jié)省了超高壓泵等部分超高壓液壓元器件。此增壓回路所需增壓缸的增壓比D12/D22=P2/P1=70÷28=2.5。

2 增壓器的應(yīng)用

單作用增壓缸和雙作用增壓缸為最常見的兩種增壓器，簡單介紹這兩種增壓缸在增壓回路中的應(yīng)用和增壓回路在鍛壓機(jī)中的應(yīng)用。

2.1 單作用增壓缸的應(yīng)用

應(yīng)用單作用增壓缸的增壓回路如圖3所示，當(dāng)三位四通閥3的YA1a得電時(shí)，增壓缸低壓充油，當(dāng)YA1b得電時(shí)，增壓缸增壓。液壓泵最大工作壓力由溢流閥調(diào)定。工作缸4靠彈簧力返回，充液裝置7用來補(bǔ)充高壓回路的泄漏油液。此回路主要適用于液壓缸單方向需要很大的力和行程較短的場合。

圖3 應(yīng)用單作用增壓缸的增壓回路

2.2 雙作用增壓器的典型應(yīng)用

應(yīng)用雙作用增壓缸的增壓回路如圖4所示，增壓缸由液壓泵低壓（相對(duì)增壓缸工作時(shí)輸出的壓力）充油。當(dāng)執(zhí)行油缸9左行遇到較大負(fù)載時(shí)，隨著壓力升高，直到超過順序閥4的調(diào)定壓力時(shí)，順序閥打開，雙作用增壓缸7在二位四通閥6的不斷切換下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使雙作用增壓缸連續(xù)輸出高壓油。液壓泵最大工作壓力由溢流閥2調(diào)定。該回路主要適用于增壓行程要求較長和要求連續(xù)輸出高壓油的場合。

圖4 應(yīng)用雙作用增壓缸的增壓回路

2.3 增壓回路在鍛壓機(jī)中的應(yīng)用

圖5 壓機(jī)中用的增壓回路

圖5為我公司設(shè)計(jì)的某壓機(jī)運(yùn)用到的增壓回路，由于鍛壓機(jī)的系統(tǒng)流量較大，所以采用增壓分配器1。增壓分配器由四套二通插裝閥組合而成，其中，兩套蓋板為單向閥功能蓋板，另外兩套蓋板采用兩位四通電磁閥作為先導(dǎo)控制閥。通過閥塊的孔道聯(lián)通和兩個(gè)先導(dǎo)電磁閥的得失電控制實(shí)現(xiàn)三位四通電磁閥的技能。具體得失電與技能對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2技能原理。

表2 技能原理

采用插裝閥控制滿足了大噸位鍛壓機(jī)的大流量要求，且發(fā)揮了二通插裝閥的其他優(yōu)點(diǎn)，密封性能好、泄漏少；減少了系統(tǒng)的壓力損失、提高系統(tǒng)容積效率；動(dòng)作靈敏、響應(yīng)快；克服了鍛壓環(huán)境惡劣造成的閥件堵塞現(xiàn)象。如圖5所示，雙作用增壓缸2的增壓比為2.5，P2油液跟負(fù)載油缸聯(lián)通，若P2處負(fù)載產(chǎn)生70MPa的壓力，根據(jù)雙作用增壓缸的應(yīng)用原理可知，P1處只需提供28MPa的油源即可滿足需求。

在應(yīng)用增壓回路時(shí)，一定要考慮增壓后介質(zhì)的體積變化，流體壓縮后的體積變化量ΔV計(jì)算如下：

式中：ΔV——體積變化量，m3；

V——增壓前流體體積，m3；

ΔP——增壓壓力差，Pa；

Β——流體體積壓縮系數(shù)，m2/N。

就我公司設(shè)計(jì)的鍛壓機(jī)產(chǎn)品而言，在主工作缸采用超高壓設(shè)計(jì)后，輸出同等壓力規(guī)格的壓機(jī)主機(jī)的結(jié)構(gòu)減小，油缸等相關(guān)部件重量也減小，從而降低了不少制造成本。但目前超高壓液壓元件并未在國內(nèi)市場上廣泛應(yīng)用，大部分為非標(biāo)設(shè)計(jì)，所以相關(guān)的元器件、密封等選型范圍較小，且價(jià)格昂貴。

3 結(jié)語

在同樣負(fù)載工況要求下，設(shè)備使用超高壓液壓系統(tǒng)與常規(guī)液壓系統(tǒng)相比，具有質(zhì)量輕、體積小、整體的功率密度更高等優(yōu)點(diǎn)。近年來，超高壓液壓系統(tǒng)越來越廣泛地運(yùn)用于各種液壓設(shè)備中，且在冶金機(jī)械等多領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。液壓增壓器也是當(dāng)前一個(gè)重要的研究課題，如何科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、合理地運(yùn)用超高壓系統(tǒng)并使其發(fā)揮作用，意義重大。多年來，德國等發(fā)達(dá)國家依靠長期的經(jīng)驗(yàn)積累，掌握了先進(jìn)技術(shù)，并在多領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用，目前已趨于成熟。國內(nèi)也有大量的增壓產(chǎn)品和超高壓產(chǎn)品從科研、實(shí)驗(yàn)中推廣到了市場。為了能夠滿足市場的需求，避免國外公司在超高壓領(lǐng)域的技術(shù)壟斷，我國相關(guān)企業(yè)應(yīng)加緊進(jìn)行研發(fā)，不斷創(chuàng)新，推動(dòng)我國液壓系統(tǒng)的超高壓化發(fā)展進(jìn)程。

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