72MN液压机工作缸及回程缸液压回路设计

李向阳，齐善朋，刘云山，杨 静

（1.沈阳航空航天大学 工程训练中心，辽宁 沈阳 110136；2.辽宁轨道交通职业学院，辽宁 沈阳 110023）

液压机是工业基础装备的重要组成部分之一，具有工作响应速度快、自动化程度高、定位精度高、抗干扰能力强等优点，广泛应用于核电、水电、船舶、飞机、冶金、锻造等行业[1，2]。

随着我国重大装备制造能力的提升以及国内外市场对大吨位、大工作台面液压机需求的增加，同时为了降低加工成本，提高设备利用率，液压机中多缸结构、多级压力设置逐渐成为了行业设计的主要特征。液压机的多缸多级压力设计虽然解决了大型锻件加工难题，提高了设备利用率，但另一方面，多缸结构在工作中所需的大流量、运行同步性及工作载荷的冲击等因素对设计提出了更高要求。本文基于72MN液压机，对其工作缸及回程缸液压回路的设计及元件选型进行了详细研究。

1 液压机主体结构及技术要求

如图1所示，72MN液压机主体采用三梁四柱预应力框架结构，主要由上横梁、下横梁、活动横梁、立柱、工作缸、回程缸、上下砧等部件组成[3]。动力传递采用工作缸上传动工作方式。其中作为液压机重要组成部分的工作缸和回程缸，其作用为在工作过程中依据工艺要求所设置的锻造压力及锻造频率使锻件发生塑性变形，从而达到有效改变材料性能的目的。

图1 液压机主要结构

液压机常锻加工流程主要包括空程下降、工作缸加压、泄压卸荷、动梁回程等过程[4]，如图2所示，其中空程下降初始要求为快速下行，快接近工件时开始减速，以减少对设备的冲击；泄压卸荷的目的是减少对液压系统的冲击，延长使用寿命。

72MN液压机相关技术参数如表1所示。

图2 常锻加工流程

表1 72MN液压机技术参数

2 工作缸及回程缸液压回路设计

2.1 工作压力的选定

液压机按照控制方式可以分为泵-蓄能器传动及泵直接传动两种[5]，由于泵直接控制便于操作，能量损失小，更易实现机组的同步工作，而且随着液压元件的不断发展整体维护费用降低，因此72MN液压机采用泵直接传动方式。

本压机工作缸由三个缸组成，三个工作缸柱塞与活动横梁采用球铰联结，公称压力为72MN，其中工作压力分为24/48/72MN三个级别；依照机械设计手册标准[6]，本液压机属于大型自由锻压设备，因此初步选定工作缸液压系统的压力为31.5MPa。

2.2 液压回路设计方案

（1）由于压机在快速下降过程中需要大流量的低压工作液，为满足该需求，由充液罐在充液阀块的控制下迅速为工作缸充液，避免工作缸吸空。

（2）为满足压机工作过程中下降及回程运动的同步性要求，两侧工作缸采用同一个阀块控制，两回程缸也采用一个阀块控制。

（3）由于压机工作过程中需要多组液压泵为系统供油，为了提高系统控制精度，减少高压力、大流量工作液所带来的能量损失，在液压系统设计过程中一些常规的小通径的液压阀被大通径插装阀替代[7-9]，提高了效率和控制精度，降低了能耗。

（4）由于本压机具有锻造频率高、工作压力大的特点，不可避免地会产生瞬时液压冲击，因此在液压系统设计中应采取措施降低或避免因速度变化而引起的瞬时冲击对液压元件造成的损坏。

2.3 液压回路原理图设计

在以上设计要求指导下，设计工作缸及回程缸液压回路原理图如图3所示。该原理图主要包括工作缸液压回路和回程缸液压回路两部分。其中为保证工作过程中的同步性要求，两侧工作缸共用一套充液控制阀和主油路控制阀，中间工作缸独立使用一套充液控制阀和主油路控制阀。

图3 工作缸及回程缸液压回路原理图

当工作缸快速下降时，需要大量的低压液压油，该部分液压油由低压充液回路提供。该回路主要由充液罐、充液罐循环控制阀块、充液阀及充液阀控制阀块组成。其主要工作原理如下：

（1）充液罐用来供给和贮存低压液体，压力设定为1MPa，以保证活动横梁下降时得到必要的充液速度。

（2）充液阀在其控制块的控制下有效地执行开启或关闭，空程下降时开启保证大流量液压油进入工作缸，带载工作时关闭保证工作缸工作压力稳定。为保证两侧缸的运动同步性，两侧缸的充液阀共用同一组控制阀。

（3）因为压机每工作循环一次后，充液罐液位都会上升一定高度，随着液位的不断升高，达到一定压力时，多余液压油可以通过充液罐循环控制阀块中溢流阀实现排液[10，11]，如果瞬间流入大量液体导致溢流阀来不及溢流，可以通过电液控单向阀或者手动蝶阀实现排液。

在活动横梁空程下降结束后，充液阀关闭，工作缸加压。此时工作缸工作液压油由系统高压泵组供给。该液压回路主要由中间缸进油阀、中间缸卸压阀、两侧缸进油阀和两侧缸卸压阀组成，其主要工作原理如下：

（1）为了实现两侧工作缸运动的同步性，两侧工作缸的进油由同一进油阀组控制。

（2）中间缸及两侧缸的进油阀采用快速二通插装阀，该二通插装阀是由一个主阀和一个二级先导阀构成，由于自身先导控制结构，能实现主阀的快速开启和关闭，同时供油过程中油速变化平缓，有效减少液压冲击，使液压机动作平稳。

（3）在压机液压系统中，最主要的冲击与振动发生在工作缸卸压瞬间。为使工作缸卸压平稳、减少振动，本设计中采用电液比例换向阀对工作缸卸压，通过计算机的定量控制，使阀开口按照预定规律变化，减少冲击与振动。液压管路的卸压也是通过电液比例换向阀实现。

工作缸卸压完毕后，活动横梁回程，回程动作由回程缸液压回路实现。该液压回路主要由回程缸进油阀组、压力阀组、排油阀组、背压阀组、安全阀组成，其主要工作原理如下：

（1）为了实现两回程缸运动的同步性，两回程缸由同一阀组控制。

（2）回程缸控制阀组采用插装阀结构，其中进油阀组由一个主阀和一个两级先导阀构成，从而满足高压、大流量和频繁动作的要求。

（3）排油阀与活动横梁空程下降相关联，其通流能力决定了活动横梁下降的速度，考虑到快锻的要求，本设计中采用了两组排油阀。

（4）回程控制阀组中设有背压阀，当没有工作信号时，背压阀可关闭，保证压机活动横梁不下滑，保证运行安全。

（5）安全阀组的作用是防止在背压阀关闭或者失效的情况下，回程缸内压异常增大而对设备或者液压系统造成损坏。

2.4 主要液压元件选型

2.4.1 工作缸及回程缸缸径计算

工作缸及回程缸均采用柱塞缸。液压系统的工作压力设定为31.5MPa，根据压机的不同压力分级所对应工作缸的不同工作状态，通过计算可获得各缸的缸径参数。

当1个缸工作时，其承受负载为24MN，可知该缸为中间工作缸。中间工作缸的缸径Dm：

式中：Dm——中间工作缸缸径，mm；

Fm——中间工作缸承受负载大小，MN；

Ps——液压系统介质压力，MPa。

圆整得：

当2个缸工作时，其承受负载为48MN，可知该缸为两侧工作缸。两侧工作缸的缸径Ds：

式中：Ds——两侧工作缸缸径，mm；

Fs——两侧工作缸承受负载大小，MN；

Ph——液压系统介质压力，MPa。

圆整得：

当活动横梁回程时，其回程力为8.7MN，由此可计算出两回程缸的缸径Dr：

式中：Dr——两回程缸缸径，mm；

Fr——两回程缸承受负载大小，MN；

Ph——液压系统介质压力，MPa。

圆整得：

2.4.2 流量计算及泵的选型

压机根据工艺要求又分为单缸常锻、双缸常锻及三缸常锻，系统充液完毕后，由油泵提供高压液压油驱动工作缸工作。

单缸常锻情况下，中间工作缸通高压液压油，所需流量Qm为：

式中：Dm——中间工作缸缸径，mm；

vm——单缸常锻锻造速度，mm/s。

双缸常锻情况下，两侧工作缸通高压液压油，所需流量Qs为：

式中：Ds——两侧工作缸缸径，mm；

vs——双缸常锻锻造速度，mm/s。

三缸常锻情况下，三个工作缸通高压液压油，所需流量Qs为：

式中：Dm——中间工作缸缸径，mm；

Ds——两侧工作缸缸径，mm；

va——三缸常锻锻造速度，mm/s。

回程情况下，两个回程缸通高压液压油，所需流量Qs为：

式中：Dr——两侧回程缸缸径，mm；

vr——回程速度，mm/s。

由此可得出在三缸常锻情况下，系统需要的流量最大，根据系统的工作压力及系统最大流量等数据，可以选择力士乐柱塞泵，型号A4FO500/30，流量710L/min，共需 16台。

2.4.3 工作缸回路液压元件选型

在压机空程下降的过程中，由充液罐及油泵共同为工作缸供油，中间缸空程下降所需的流量Qm_u为：

式中：Dm——中间工作缸缸径，mm；

vu——空程下降速度，mm/s。

油泵为中间工作缸供油流量Qp_u为：

所以由充液罐供给中间缸的液压油流量Qf_u为：

根据充液阀性能曲线，中间缸充液阀的型号可以选择为CF2-H250，由于两侧工作缸和中间缸有相同直径，所以两侧缸的充液阀型号也为CF2-H250。

充液阀控制阀块中方向阀采用的型号为4WE10 D3X/CG24，减压阀的型号为DRC-105-5X/315YM。

工作缸及两侧缸控制阀块中进油阀采用的是二通插装阀，主阀芯型号为LC125A20E，主盖板型号为LFA125D，导阀阀芯型号为LC16A20E，导阀盖板型号为LFA16D，其中换向阀型号为M-3SED6UK1X。中间缸及两侧缸的泄压阀采用的是比例插装阀2WRC125K001-1X，管路泄压阀采用的是比例插装阀型号为2WRC63K001。

压力阀主阀芯型号为LC63DB20A，主盖板型号为LFA63DBU2A1，电磁换向阀型号为M-3SED6UK1X。

2.4.4 回程缸回路液压元件选型

两回程缸采用一个控制阀块控制，其中回程缸进油阀采用的是电液动二位二通阀，主阀芯型号为LC80A20E6X，主盖板型号为LFA80KWA，换向阀型号为4WE10D3X。

管路泄压阀采用的是比例插装阀型号为2WRC63K001。

快速卸油阀采用的是二通插装阀，主阀芯型号为LC125A20E，主盖板型号为LFA125D，导阀阀芯型号为LC16A20E，导阀盖板型号为LFA16D，其中换向阀型号为M-3SED6UK1X。

压力阀主阀芯型号为LC63DB20A，主盖板型号为LFA63DBU2A1，电磁换向阀型号为M-3SED6UK1X。

背压阀主阀芯型号为L-LC80，主盖板型号为L-LFA80，电磁换向阀型号为4WE10D，安全阀型号为DBDS30K1。

主要液压元件的名称及详细型号如表2所示。

3 结语

基于72MN液压机工作缸及回程缸液压回路的设计及液压元件选型，经过安装调试及生产实践检验，两侧工作缸及两回程缸的运动同步精度均为±1mm，回程工作缸及管路卸压时间1.2s左右，锻件的锻造精度控制±1.5mm，设备运行平稳，与之相关的主要锻造参数满足技术要求，完成了设计目标。但在提高系统节能降噪方面还需要进一步优化。

表2 液压系统主要元件