72MN液壓機工作缸及回程缸液壓回路設計

李向陽，齊善朋，劉云山，楊 靜

（1.沈陽航空航天大學 工程訓練中心，遼寧 沈陽 110136；2.遼寧軌道交通職業學院，遼寧 沈陽 110023）

液壓機是工業基礎裝備的重要組成部分之一，具有工作響應速度快、自動化程度高、定位精度高、抗干擾能力強等優點，廣泛應用于核電、水電、船舶、飛機、冶金、鍛造等行業[1，2]。

隨著我國重大裝備制造能力的提升以及國內外市場對大噸位、大工作臺面液壓機需求的增加，同時為了降低加工成本，提高設備利用率，液壓機中多缸結構、多級壓力設置逐漸成為了行業設計的主要特征。液壓機的多缸多級壓力設計雖然解決了大型鍛件加工難題，提高了設備利用率，但另一方面，多缸結構在工作中所需的大流量、運行同步性及工作載荷的沖擊等因素對設計提出了更高要求。本文基于72MN液壓機，對其工作缸及回程缸液壓回路的設計及元件選型進行了詳細研究。

1 液壓機主體結構及技術要求

如圖1所示，72MN液壓機主體采用三梁四柱預應力框架結構，主要由上橫梁、下橫梁、活動橫梁、立柱、工作缸、回程缸、上下砧等部件組成[3]。動力傳遞采用工作缸上傳動工作方式。其中作為液壓機重要組成部分的工作缸和回程缸，其作用為在工作過程中依據工藝要求所設置的鍛造壓力及鍛造頻率使鍛件發生塑性變形，從而達到有效改變材料性能的目的。

圖1 液壓機主要結構

液壓機常鍛加工流程主要包括空程下降、工作缸加壓、泄壓卸荷、動梁回程等過程[4]，如圖2所示，其中空程下降初始要求為快速下行，快接近工件時開始減速，以減少對設備的沖擊；泄壓卸荷的目的是減少對液壓系統的沖擊，延長使用壽命。

72MN液壓機相關技術參數如表1所示。

圖2 常鍛加工流程

表1 72MN液壓機技術參數

2 工作缸及回程缸液壓回路設計

2.1 工作壓力的選定

液壓機按照控制方式可以分為泵-蓄能器傳動及泵直接傳動兩種[5]，由于泵直接控制便于操作，能量損失小，更易實現機組的同步工作，而且隨著液壓元件的不斷發展整體維護費用降低，因此72MN液壓機采用泵直接傳動方式。

本壓機工作缸由三個缸組成，三個工作缸柱塞與活動橫梁采用球鉸聯結，公稱壓力為72MN，其中工作壓力分為24/48/72MN三個級別；依照機械設計手冊標準[6]，本液壓機屬于大型自由鍛壓設備，因此初步選定工作缸液壓系統的壓力為31.5MPa。

2.2 液壓回路設計方案

（1）由于壓機在快速下降過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）為滿足壓機工作過程中下降及回程運動的同步性要求，兩側工作缸采用同一個閥塊控制，兩回程缸也采用一個閥塊控制。

（3）由于壓機工作過程中需要多組液壓泵為系統供油，為了提高系統控制精度，減少高壓力、大流量工作液所帶來的能量損失，在液壓系統設計過程中一些常規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）由于本壓機具有鍛造頻率高、工作壓力大的特點，不可避免地會產生瞬時液壓沖擊，因此在液壓系統設計中應采取措施降低或避免因速度變化而引起的瞬時沖擊對液壓元件造成的損壞。

2.3 液壓回路原理圖設計

在以上設計要求指導下，設計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。其中為保證工作過程中的同步性要求，兩側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

當工作缸快速下降時，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）充液罐用來供給和貯存低壓液體，壓力設定為1MPa，以保證活動橫梁下降時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行開啟或關閉，空程下降時開啟保證大流量液壓油進入工作缸，帶載工作時關閉保證工作缸工作壓力穩定。為保證兩側缸的運動同步性，兩側缸的充液閥共用同一組控制閥。

（3）因為壓機每工作循環一次后，充液罐液位都會上升一定高度，隨著液位的不斷升高，達到一定壓力時，多余液壓油可以通過充液罐循環控制閥塊中溢流閥實現排液[10，11]，如果瞬間流入大量液體導致溢流閥來不及溢流，可以通過電液控單向閥或者手動蝶閥實現排液。

在活動橫梁空程下降結束后，充液閥關閉，工作缸加壓。此時工作缸工作液壓油由系統高壓泵組供給。該液壓回路主要由中間缸進油閥、中間缸卸壓閥、兩側缸進油閥和兩側缸卸壓閥組成，其主要工作原理如下：

（1）為了實現兩側工作缸運動的同步性，兩側工作缸的進油由同一進油閥組控制。

（2）中間缸及兩側缸的進油閥采用快速二通插裝閥，該二通插裝閥是由一個主閥和一個二級先導閥構成，由于自身先導控制結構，能實現主閥的快速開啟和關閉，同時供油過程中油速變化平緩，有效減少液壓沖擊，使液壓機動作平穩。

（3）在壓機液壓系統中，最主要的沖擊與振動發生在工作缸卸壓瞬間。為使工作缸卸壓平穩、減少振動，本設計中采用電液比例換向閥對工作缸卸壓，通過計算機的定量控制，使閥開口按照預定規律變化，減少沖擊與振動。液壓管路的卸壓也是通過電液比例換向閥實現。

工作缸卸壓完畢后，活動橫梁回程，回程動作由回程缸液壓回路實現。該液壓回路主要由回程缸進油閥組、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）為了實現兩回程缸運動的同步性，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構，其中進油閥組由一個主閥和一個兩級先導閥構成，從而滿足高壓、大流量和頻繁動作的要求。

（3）排油閥與活動橫梁空程下降相關聯，其通流能力決定了活動橫梁下降的速度，考慮到快鍛的要求，本設計中采用了兩組排油閥。

（4）回程控制閥組中設有背壓閥，當沒有工作信號時，背壓閥可關閉，保證壓機活動橫梁不下滑，保證運行安全。

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

2.4 主要液壓元件選型

2.4.1 工作缸及回程缸缸徑計算

工作缸及回程缸均采用柱塞缸。液壓系統的工作壓力設定為31.5MPa，根據壓機的不同壓力分級所對應工作缸的不同工作狀態，通過計算可獲得各缸的缸徑參數。

當1個缸工作時，其承受負載為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——中間工作缸承受負載大小，MN；

Ps——液壓系統介質壓力，MPa。

圓整得：

當2個缸工作時，其承受負載為48MN，可知該缸為兩側工作缸。兩側工作缸的缸徑Ds：

式中：Ds——兩側工作缸缸徑，mm；

Fs——兩側工作缸承受負載大小，MN；

Ph——液壓系統介質壓力，MPa。

圓整得：

當活動橫梁回程時，其回程力為8.7MN，由此可計算出兩回程缸的缸徑Dr：

式中：Dr——兩回程缸缸徑，mm；

Fr——兩回程缸承受負載大小，MN；

Ph——液壓系統介質壓力，MPa。

圓整得：

2.4.2 流量計算及泵的選型

壓機根據工藝要求又分為單缸常鍛、雙缸常鍛及三缸常鍛，系統充液完畢后，由油泵提供高壓液壓油驅動工作缸工作。

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，兩側工作缸通高壓液壓油，所需流量Qs為：

式中：Ds——兩側工作缸缸徑，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——兩側工作缸缸徑，mm；

va——三缸常鍛鍛造速度，mm/s。

回程情況下，兩個回程缸通高壓液壓油，所需流量Qs為：

式中：Dr——兩側回程缸缸徑，mm；

vr——回程速度，mm/s。

由此可得出在三缸常鍛情況下，系統需要的流量最大，根據系統的工作壓力及系統最大流量等數據，可以選擇力士樂柱塞泵，型號A4FO500/30，流量710L/min，共需 16臺。

2.4.3 工作缸回路液壓元件選型

在壓機空程下降的過程中，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：

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

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

工作缸及兩側缸控制閥塊中進油閥采用的是二通插裝閥，主閥芯型號為LC125A20E，主蓋板型號為LFA125D，導閥閥芯型號為LC16A20E，導閥蓋板型號為LFA16D，其中換向閥型號為M-3SED6UK1X。中間缸及兩側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為2WRC63K001。

壓力閥主閥芯型號為LC63DB20A，主蓋板型號為LFA63DBU2A1，電磁換向閥型號為M-3SED6UK1X。

2.4.4 回程缸回路液壓元件選型

兩回程缸采用一個控制閥塊控制，其中回程缸進油閥采用的是電液動二位二通閥，主閥芯型號為LC80A20E6X，主蓋板型號為LFA80KWA，換向閥型號為4WE10D3X。

管路泄壓閥采用的是比例插裝閥型號為2WRC63K001。

快速卸油閥采用的是二通插裝閥，主閥芯型號為LC125A20E，主蓋板型號為LFA125D，導閥閥芯型號為LC16A20E，導閥蓋板型號為LFA16D，其中換向閥型號為M-3SED6UK1X。

壓力閥主閥芯型號為LC63DB20A，主蓋板型號為LFA63DBU2A1，電磁換向閥型號為M-3SED6UK1X。

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

主要液壓元件的名稱及詳細型號如表2所示。

3 結語

基于72MN液壓機工作缸及回程缸液壓回路的設計及液壓元件選型，經過安裝調試及生產實踐檢驗，兩側工作缸及兩回程缸的運動同步精度均為±1mm，回程工作缸及管路卸壓時間1.2s左右，鍛件的鍛造精度控制±1.5mm，設備運行平穩，與之相關的主要鍛造參數滿足技術要求，完成了設計目標。但在提高系統節能降噪方面還需要進一步優化。

表2 液壓系統主要元件