72MN液壓機(jī)工作缸及回程缸液壓回路設(shè)計(jì)

李向陽(yáng)，齊善朋，劉云山，楊 靜

（1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，遼寧 沈陽(yáng) 110136；2.遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110023）

液壓機(jī)是工業(yè)基礎(chǔ)裝備的重要組成部分之一，具有工作響應(yīng)速度快、自動(dòng)化程度高、定位精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于核電、水電、船舶、飛機(jī)、冶金、鍛造等行業(yè)[1，2]。

隨著我國(guó)重大裝備制造能力的提升以及國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)對(duì)大噸位、大工作臺(tái)面液壓機(jī)需求的增加，同時(shí)為了降低加工成本，提高設(shè)備利用率，液壓機(jī)中多缸結(jié)構(gòu)、多級(jí)壓力設(shè)置逐漸成為了行業(yè)設(shè)計(jì)的主要特征。液壓機(jī)的多缸多級(jí)壓力設(shè)計(jì)雖然解決了大型鍛件加工難題，提高了設(shè)備利用率，但另一方面，多缸結(jié)構(gòu)在工作中所需的大流量、運(yùn)行同步性及工作載荷的沖擊等因素對(duì)設(shè)計(jì)提出了更高要求。本文基于72MN液壓機(jī)，對(duì)其工作缸及回程缸液壓回路的設(shè)計(jì)及元件選型進(jìn)行了詳細(xì)研究。

1 液壓機(jī)主體結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求

如圖1所示，72MN液壓機(jī)主體采用三梁四柱預(yù)應(yīng)力框架結(jié)構(gòu)，主要由上橫梁、下橫梁、活動(dòng)橫梁、立柱、工作缸、回程缸、上下砧等部件組成[3]。動(dòng)力傳遞采用工作缸上傳動(dòng)工作方式。其中作為液壓機(jī)重要組成部分的工作缸和回程缸，其作用為在工作過(guò)程中依據(jù)工藝要求所設(shè)置的鍛造壓力及鍛造頻率使鍛件發(fā)生塑性變形，從而達(dá)到有效改變材料性能的目的。

圖1 液壓機(jī)主要結(jié)構(gòu)

液壓機(jī)常鍛加工流程主要包括空程下降、工作缸加壓、泄壓卸荷、動(dòng)梁回程等過(guò)程[4]，如圖2所示，其中空程下降初始要求為快速下行，快接近工件時(shí)開(kāi)始減速，以減少對(duì)設(shè)備的沖擊；泄壓卸荷的目的是減少對(duì)液壓系統(tǒng)的沖擊，延長(zhǎng)使用壽命。

72MN液壓機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖2 常鍛加工流程

表1 72MN液壓機(jī)技術(shù)參數(shù)

2 工作缸及回程缸液壓回路設(shè)計(jì)

2.1 工作壓力的選定

液壓機(jī)按照控制方式可以分為泵-蓄能器傳動(dòng)及泵直接傳動(dòng)兩種[5]，由于泵直接控制便于操作，能量損失小，更易實(shí)現(xiàn)機(jī)組的同步工作，而且隨著液壓元件的不斷發(fā)展整體維護(hù)費(fèi)用降低，因此72MN液壓機(jī)采用泵直接傳動(dòng)方式。

本壓機(jī)工作缸由三個(gè)缸組成，三個(gè)工作缸柱塞與活動(dòng)橫梁采用球鉸聯(lián)結(jié)，公稱壓力為72MN，其中工作壓力分為24/48/72MN三個(gè)級(jí)別；依照機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)標(biāo)準(zhǔn)[6]，本液壓機(jī)屬于大型自由鍛壓設(shè)備，因此初步選定工作缸液壓系統(tǒng)的壓力為31.5MPa。

2.2 液壓回路設(shè)計(jì)方案

（1）由于壓機(jī)在快速下降過(guò)程中需要大流量的低壓工作液，為滿足該需求，由充液罐在充液閥塊的控制下迅速為工作缸充液，避免工作缸吸空。

（2）為滿足壓機(jī)工作過(guò)程中下降及回程運(yùn)動(dòng)的同步性要求，兩側(cè)工作缸采用同一個(gè)閥塊控制，兩回程缸也采用一個(gè)閥塊控制。

（3）由于壓機(jī)工作過(guò)程中需要多組液壓泵為系統(tǒng)供油，為了提高系統(tǒng)控制精度，減少高壓力、大流量工作液所帶來(lái)的能量損失，在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中一些常規(guī)的小通徑的液壓閥被大通徑插裝閥替代[7-9]，提高了效率和控制精度，降低了能耗。

（4）由于本壓機(jī)具有鍛造頻率高、工作壓力大的特點(diǎn)，不可避免地會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)液壓沖擊，因此在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)采取措施降低或避免因速度變化而引起的瞬時(shí)沖擊對(duì)液壓元件造成的損壞。

2.3 液壓回路原理圖設(shè)計(jì)

在以上設(shè)計(jì)要求指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)工作缸及回程缸液壓回路原理圖如圖3所示。該原理圖主要包括工作缸液壓回路和回程缸液壓回路兩部分。其中為保證工作過(guò)程中的同步性要求，兩側(cè)工作缸共用一套充液控制閥和主油路控制閥，中間工作缸獨(dú)立使用一套充液控制閥和主油路控制閥。

圖3 工作缸及回程缸液壓回路原理圖

當(dāng)工作缸快速下降時(shí)，需要大量的低壓液壓油，該部分液壓油由低壓充液回路提供。該回路主要由充液罐、充液罐循環(huán)控制閥塊、充液閥及充液閥控制閥塊組成。其主要工作原理如下：

（1）充液罐用來(lái)供給和貯存低壓液體，壓力設(shè)定為1MPa，以保證活動(dòng)橫梁下降時(shí)得到必要的充液速度。

（2）充液閥在其控制塊的控制下有效地執(zhí)行開(kāi)啟或關(guān)閉，空程下降時(shí)開(kāi)啟保證大流量液壓油進(jìn)入工作缸，帶載工作時(shí)關(guān)閉保證工作缸工作壓力穩(wěn)定。為保證兩側(cè)缸的運(yùn)動(dòng)同步性，兩側(cè)缸的充液閥共用同一組控制閥。

（3）因?yàn)閴簷C(jī)每工作循環(huán)一次后，充液罐液位都會(huì)上升一定高度，隨著液位的不斷升高，達(dá)到一定壓力時(shí)，多余液壓油可以通過(guò)充液罐循環(huán)控制閥塊中溢流閥實(shí)現(xiàn)排液[10，11]，如果瞬間流入大量液體導(dǎo)致溢流閥來(lái)不及溢流，可以通過(guò)電液控單向閥或者手動(dòng)蝶閥實(shí)現(xiàn)排液。

在活動(dòng)橫梁空程下降結(jié)束后，充液閥關(guān)閉，工作缸加壓。此時(shí)工作缸工作液壓油由系統(tǒng)高壓泵組供給。該液壓回路主要由中間缸進(jìn)油閥、中間缸卸壓閥、兩側(cè)缸進(jìn)油閥和兩側(cè)缸卸壓閥組成，其主要工作原理如下：

（1）為了實(shí)現(xiàn)兩側(cè)工作缸運(yùn)動(dòng)的同步性，兩側(cè)工作缸的進(jìn)油由同一進(jìn)油閥組控制。

（2）中間缸及兩側(cè)缸的進(jìn)油閥采用快速二通插裝閥，該二通插裝閥是由一個(gè)主閥和一個(gè)二級(jí)先導(dǎo)閥構(gòu)成，由于自身先導(dǎo)控制結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)主閥的快速開(kāi)啟和關(guān)閉，同時(shí)供油過(guò)程中油速變化平緩，有效減少液壓沖擊，使液壓機(jī)動(dòng)作平穩(wěn)。

（3）在壓機(jī)液壓系統(tǒng)中，最主要的沖擊與振動(dòng)發(fā)生在工作缸卸壓瞬間。為使工作缸卸壓平穩(wěn)、減少振動(dòng)，本設(shè)計(jì)中采用電液比例換向閥對(duì)工作缸卸壓，通過(guò)計(jì)算機(jī)的定量控制，使閥開(kāi)口按照預(yù)定規(guī)律變化，減少?zèng)_擊與振動(dòng)。液壓管路的卸壓也是通過(guò)電液比例換向閥實(shí)現(xiàn)。

工作缸卸壓完畢后，活動(dòng)橫梁回程，回程動(dòng)作由回程缸液壓回路實(shí)現(xiàn)。該液壓回路主要由回程缸進(jìn)油閥組、壓力閥組、排油閥組、背壓閥組、安全閥組成，其主要工作原理如下：

（1）為了實(shí)現(xiàn)兩回程缸運(yùn)動(dòng)的同步性，兩回程缸由同一閥組控制。

（2）回程缸控制閥組采用插裝閥結(jié)構(gòu)，其中進(jìn)油閥組由一個(gè)主閥和一個(gè)兩級(jí)先導(dǎo)閥構(gòu)成，從而滿足高壓、大流量和頻繁動(dòng)作的要求。

（3）排油閥與活動(dòng)橫梁空程下降相關(guān)聯(lián)，其通流能力決定了活動(dòng)橫梁下降的速度，考慮到快鍛的要求，本設(shè)計(jì)中采用了兩組排油閥。

（4）回程控制閥組中設(shè)有背壓閥，當(dāng)沒(méi)有工作信號(hào)時(shí)，背壓閥可關(guān)閉，保證壓機(jī)活動(dòng)橫梁不下滑，保證運(yùn)行安全。

（5）安全閥組的作用是防止在背壓閥關(guān)閉或者失效的情況下，回程缸內(nèi)壓異常增大而對(duì)設(shè)備或者液壓系統(tǒng)造成損壞。

2.4 主要液壓元件選型

2.4.1 工作缸及回程缸缸徑計(jì)算

工作缸及回程缸均采用柱塞缸。液壓系統(tǒng)的工作壓力設(shè)定為31.5MPa，根據(jù)壓機(jī)的不同壓力分級(jí)所對(duì)應(yīng)工作缸的不同工作狀態(tài)，通過(guò)計(jì)算可獲得各缸的缸徑參數(shù)。

當(dāng)1個(gè)缸工作時(shí)，其承受負(fù)載為24MN，可知該缸為中間工作缸。中間工作缸的缸徑Dm：

式中：Dm——中間工作缸缸徑，mm；

Fm——中間工作缸承受負(fù)載大小，MN；

Ps——液壓系統(tǒng)介質(zhì)壓力，MPa。

圓整得：

當(dāng)2個(gè)缸工作時(shí)，其承受負(fù)載為48MN，可知該缸為兩側(cè)工作缸。兩側(cè)工作缸的缸徑Ds：

式中：Ds——兩側(cè)工作缸缸徑，mm；

Fs——兩側(cè)工作缸承受負(fù)載大小，MN；

Ph——液壓系統(tǒng)介質(zhì)壓力，MPa。

圓整得：

當(dāng)活動(dòng)橫梁回程時(shí)，其回程力為8.7MN，由此可計(jì)算出兩回程缸的缸徑Dr：

式中：Dr——兩回程缸缸徑，mm；

Fr——兩回程缸承受負(fù)載大小，MN；

Ph——液壓系統(tǒng)介質(zhì)壓力，MPa。

圓整得：

2.4.2 流量計(jì)算及泵的選型

壓機(jī)根據(jù)工藝要求又分為單缸常鍛、雙缸常鍛及三缸常鍛，系統(tǒng)充液完畢后，由油泵提供高壓液壓油驅(qū)動(dòng)工作缸工作。

單缸常鍛情況下，中間工作缸通高壓液壓油，所需流量Qm為：

式中：Dm——中間工作缸缸徑，mm；

vm——單缸常鍛鍛造速度，mm/s。

雙缸常鍛情況下，兩側(cè)工作缸通高壓液壓油，所需流量Qs為：

式中：Ds——兩側(cè)工作缸缸徑，mm；

vs——雙缸常鍛鍛造速度，mm/s。

三缸常鍛情況下，三個(gè)工作缸通高壓液壓油，所需流量Qs為：

式中：Dm——中間工作缸缸徑，mm；

Ds——兩側(cè)工作缸缸徑，mm；

va——三缸常鍛鍛造速度，mm/s。

回程情況下，兩個(gè)回程缸通高壓液壓油，所需流量Qs為：

式中：Dr——兩側(cè)回程缸缸徑，mm；

vr——回程速度，mm/s。

由此可得出在三缸常鍛情況下，系統(tǒng)需要的流量最大，根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力及系統(tǒng)最大流量等數(shù)據(jù)，可以選擇力士樂(lè)柱塞泵，型號(hào)A4FO500/30，流量710L/min，共需 16臺(tái)。

2.4.3 工作缸回路液壓元件選型

在壓機(jī)空程下降的過(guò)程中，由充液罐及油泵共同為工作缸供油，中間缸空程下降所需的流量Qm_u為：

式中：Dm——中間工作缸缸徑，mm；

vu——空程下降速度，mm/s。

油泵為中間工作缸供油流量Qp_u為：

所以由充液罐供給中間缸的液壓油流量Qf_u為：

根據(jù)充液閥性能曲線，中間缸充液閥的型號(hào)可以選擇為CF2-H250，由于兩側(cè)工作缸和中間缸有相同直徑，所以兩側(cè)缸的充液閥型號(hào)也為CF2-H250。

充液閥控制閥塊中方向閥采用的型號(hào)為4WE10 D3X/CG24，減壓閥的型號(hào)為DRC-105-5X/315YM。

工作缸及兩側(cè)缸控制閥塊中進(jìn)油閥采用的是二通插裝閥，主閥芯型號(hào)為L(zhǎng)C125A20E，主蓋板型號(hào)為L(zhǎng)FA125D，導(dǎo)閥閥芯型號(hào)為L(zhǎng)C16A20E，導(dǎo)閥蓋板型號(hào)為L(zhǎng)FA16D，其中換向閥型號(hào)為M-3SED6UK1X。中間缸及兩側(cè)缸的泄壓閥采用的是比例插裝閥2WRC125K001-1X，管路泄壓閥采用的是比例插裝閥型號(hào)為2WRC63K001。

壓力閥主閥芯型號(hào)為L(zhǎng)C63DB20A，主蓋板型號(hào)為L(zhǎng)FA63DBU2A1，電磁換向閥型號(hào)為M-3SED6UK1X。

2.4.4 回程缸回路液壓元件選型

兩回程缸采用一個(gè)控制閥塊控制，其中回程缸進(jìn)油閥采用的是電液動(dòng)二位二通閥，主閥芯型號(hào)為L(zhǎng)C80A20E6X，主蓋板型號(hào)為L(zhǎng)FA80KWA，換向閥型號(hào)為4WE10D3X。

管路泄壓閥采用的是比例插裝閥型號(hào)為2WRC63K001。

快速卸油閥采用的是二通插裝閥，主閥芯型號(hào)為L(zhǎng)C125A20E，主蓋板型號(hào)為L(zhǎng)FA125D，導(dǎo)閥閥芯型號(hào)為L(zhǎng)C16A20E，導(dǎo)閥蓋板型號(hào)為L(zhǎng)FA16D，其中換向閥型號(hào)為M-3SED6UK1X。

壓力閥主閥芯型號(hào)為L(zhǎng)C63DB20A，主蓋板型號(hào)為L(zhǎng)FA63DBU2A1，電磁換向閥型號(hào)為M-3SED6UK1X。

背壓閥主閥芯型號(hào)為L(zhǎng)-LC80，主蓋板型號(hào)為L(zhǎng)-LFA80，電磁換向閥型號(hào)為4WE10D，安全閥型號(hào)為DBDS30K1。

主要液壓元件的名稱及詳細(xì)型號(hào)如表2所示。

3 結(jié)語(yǔ)

基于72MN液壓機(jī)工作缸及回程缸液壓回路的設(shè)計(jì)及液壓元件選型，經(jīng)過(guò)安裝調(diào)試及生產(chǎn)實(shí)踐檢驗(yàn)，兩側(cè)工作缸及兩回程缸的運(yùn)動(dòng)同步精度均為±1mm，回程工作缸及管路卸壓時(shí)間1.2s左右，鍛件的鍛造精度控制±1.5mm，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，與之相關(guān)的主要鍛造參數(shù)滿足技術(shù)要求，完成了設(shè)計(jì)目標(biāo)。但在提高系統(tǒng)節(jié)能降噪方面還需要進(jìn)一步優(yōu)化。

表2 液壓系統(tǒng)主要元件