液壓增壓器及其在鍛壓機液壓系統中的應用

姚志敏

（上海蘭石重工機械有限公司，上海 201108）

根據液壓系統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及元件，按照GB/T2346-1988的規定，液壓元件和系統的壓力分級如表1所示[1]。目前我國乃至世界上大多數設備采用的液壓動力裝置基本選用高壓及以下的壓力級。隨著一些歐美發達國家對節能減排的愈加重視，“綠色發展、結構優化”也是《中國制造2025》提出的基本方針，國內外更多的裝備制造企業越來越重視改進產品結構，降低生產成本，這也是我國從制造業大國向制造業強國轉變的必經之路。在液壓系統中可通過液壓增壓器增大介質的壓強，減小油缸缸徑，從而保證執行機構輸出的力不變，這樣可減小設備的體積和重量，降低生產成本或提高產品利潤，也進一步放大了在同等功率的情況下，液壓傳動裝置的體積小、重量輕、慣性小、結構緊湊的優點。

表1 液壓系統及元件壓力分級/MPa

1 增壓器的結構特點及原理計算

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，單作用增壓缸結構比較簡單，它由低壓腔（左）、高壓腔（右）和連成一體的大小活塞構成。增壓缸工作時，低壓（P1）液體自油口A進入增壓缸左邊的低壓腔，同時油口C回液，推動大活塞向右運動，大活塞推動與其連成一體的小活塞右移，使高壓腔中預先充滿的待增壓液體增壓（P2）并從油口B輸出。活塞返回時，低壓液體改由油口C進入，由油口A回液，活塞向左運動，這時待增壓液體從油口B吸入高壓腔，以備下次循環輸出。

圖1 單作用增壓缸結構示意圖

單作用增壓缸在小活塞運動到終點時，不能繼續輸出高壓液體，需要將活塞退回左端，再次向右運動才會輸出高壓液體，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構上進行改進得到的，改進后可實現連續增壓。其結構如圖2所示，有左右兩個高壓腔，公用的低壓腔位于中間，當A1口進液時，A2口回液，B1口輸出高壓液體；當A2口進液時，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的復合缸筒及有特殊結構的活塞、密封等部件組成，它能將P2的低壓介質轉變為高壓介質，供系統的某一需高壓的執行機構使用，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，且不計阻力，則根據力學平衡關系有：

D12/D22即為增壓缸的增壓比。比如我公司某壓機的一個執行機構需70MPa壓力，其他執行機構只需28MPa壓力即可，這樣只需在28MPa的油源上分出一支并聯油路后增加一個增壓回路（不影響其他執行機構運動速度的前提下），就節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用和增壓回路在鍛壓機中的應用。

2.1 單作用增壓缸的應用

應用單作用增壓缸的增壓回路如圖3所示，當三位四通閥3的YA1a得電時，增壓缸低壓充油，當YA1b得電時，增壓缸增壓。液壓泵最大工作壓力由溢流閥調定。工作缸4靠彈簧力返回，充液裝置7用來補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 應用單作用增壓缸的增壓回路

2.2 雙作用增壓器的典型應用

應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（相對增壓缸工作時輸出的壓力）充油。當執行油缸9左行遇到較大負載時，隨著壓力升高，直到超過順序閥4的調定壓力時，順序閥打開，雙作用增壓缸7在二位四通閥6的不斷切換下往復運動，使雙作用增壓缸連續輸出高壓油。液壓泵最大工作壓力由溢流閥2調定。該回路主要適用于增壓行程要求較長和要求連續輸出高壓油的場合。

圖4 應用雙作用增壓缸的增壓回路

2.3 增壓回路在鍛壓機中的應用

圖5 壓機中用的增壓回路

圖5為我公司設計的某壓機運用到的增壓回路，由于鍛壓機的系統流量較大，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控制閥。通過閥塊的孔道聯通和兩個先導電磁閥的得失電控制實現三位四通電磁閥的技能。具體得失電與技能對應關系見表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的大流量要求，且發揮了二通插裝閥的其他優點，密封性能好、泄漏少；減少了系統的壓力損失、提高系統容積效率；動作靈敏、響應快；克服了鍛壓環境惡劣造成的閥件堵塞現象。如圖5所示，雙作用增壓缸2的增壓比為2.5，P2油液跟負載油缸聯通，若P2處負載產生70MPa的壓力，根據雙作用增壓缸的應用原理可知，P1處只需提供28MPa的油源即可滿足需求。

在應用增壓回路時，一定要考慮增壓后介質的體積變化，流體壓縮后的體積變化量ΔV計算如下：

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，m2/N。

就我公司設計的鍛壓機產品而言，在主工作缸采用超高壓設計后，輸出同等壓力規格的壓機主機的結構減小，油缸等相關部件重量也減小，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市場上廣泛應用，大部分為非標設計，所以相關的元器件、密封等選型范圍較小，且價格昂貴。

3 結語

在同樣負載工況要求下，設備使用超高壓液壓系統與常規液壓系統相比，具有質量輕、體積小、整體的功率密度更高等優點。近年來，超高壓液壓系統越來越廣泛地運用于各種液壓設備中，且在冶金機械等多領域中具有廣闊的應用前景。液壓增壓器也是當前一個重要的研究課題，如何科學、經濟、合理地運用超高壓系統并使其發揮作用，意義重大。多年來，德國等發達國家依靠長期的經驗積累，掌握了先進技術，并在多領域進行應用，目前已趨于成熟。國內也有大量的增壓產品和超高壓產品從科研、實驗中推廣到了市場。為了能夠滿足市場的需求，避免國外公司在超高壓領域的技術壟斷，我國相關企業應加緊進行研發，不斷創新，推動我國液壓系統的超高壓化發展進程。

[1]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2004.

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