往復(fù)增壓器在超高壓液控系統(tǒng)中的應(yīng)用

祁路方 司少朋 王躍樺 古龍輝 李 遠(yuǎn) 曹 陽 樊亞磊

（鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司，河南 鄭州450000）

當(dāng)前世界上使用超高壓技術(shù)合成超硬材料的主力裝備有兩面頂壓機(jī)和六面頂壓機(jī)，在超硬材料生產(chǎn)中具有不可替代的作用。隨著我國超硬材料行業(yè)的快速發(fā)展，其主要設(shè)備兩面頂壓機(jī)和六面頂壓機(jī)也越來越大型化。為了滿足大型壓機(jī)的生產(chǎn)需要，與其配套的液控及電控系統(tǒng)也要不斷升級(jí)改進(jìn)。

國內(nèi)近些年常用的增壓設(shè)備是單作用增壓器、超高壓油泵和絲杠增壓, 傳統(tǒng)的單作用增壓器是通過低壓油驅(qū)動(dòng)來獲得高壓油，流量脈動(dòng)大，體積大，液壓能利用率低；超高壓油泵則由于流量限制，想要達(dá)到大型壓機(jī)的使用需求，則需要兩臺(tái)超高壓油泵同時(shí)增壓；絲杠增壓則是容易超程，穩(wěn)定性欠缺。

往復(fù)增壓器是為滿足大型壓機(jī)大流量需求而新研發(fā)的增壓裝置，在單作用增壓器的原理基礎(chǔ)上做出的新型增壓器，對(duì)比超高壓油泵和單作用增壓器具有大流量、小體積等優(yōu)勢(shì)。往復(fù)增壓器是雙行程增壓器，可以連續(xù)增壓，液壓能利用率較高。

1 往復(fù)式增壓器的工作原理

1.1 往復(fù)增壓器的組成

圖1 為往復(fù)增壓器的工作原理圖。往復(fù)增壓器由一個(gè)低壓缸（1）、左右兩個(gè)增壓缸（2）、一個(gè)活塞（3）、左右兩個(gè)柱塞（4）、左右兩個(gè)配油閥（5）、一個(gè)先導(dǎo)閥（6）左右兩個(gè)接近開關(guān)（XK3/XK4）和P2 出油單向閥組成。

圖1 往復(fù)增壓器原理圖

1.2 往復(fù)增壓器工作原理

由一臺(tái)柱塞泵供油，用低壓油做驅(qū)動(dòng)，通過先導(dǎo)閥來控制液壓油流向，液壓油從P1 口進(jìn)入A 口后一部分進(jìn)入低壓缸活塞左側(cè)部分，用于推動(dòng)活塞向右行進(jìn)，另一部分流經(jīng)配油閥內(nèi)下單向閥后進(jìn)入左側(cè)增壓缸，使左側(cè)增壓缸充滿液壓油并輔助推動(dòng)活塞右行。低壓缸活塞右側(cè)的液壓油由B 口流回T 口油箱，同時(shí)右側(cè)增壓缸的液壓油被右柱塞推出到配油閥中，流經(jīng)單向閥后由P2 口進(jìn)入壓機(jī)。當(dāng)活塞行進(jìn)至低壓缸最右側(cè)接近開關(guān)XK4 的觸發(fā)位置時(shí)，電信號(hào)傳至先導(dǎo)閥電磁鐵YV1，電磁鐵吸合，令先導(dǎo)閥換位，油液由P1 口進(jìn)入B 口，推動(dòng)活塞左行，以此來實(shí)現(xiàn)增壓器的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

在增壓器做往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中，其有效作用面積為活塞單側(cè)面積加柱塞面積之和。其平衡方程為:P1A1=P2A2

式中P1—增壓器進(jìn)油口壓力；P2—增壓器出油口壓力；A1—活塞面積；A2—柱塞面積。增壓器的增壓比為：

目前常用的往復(fù)增壓器型號(hào)為WZ120-350-77，活塞直徑125mm，柱塞直徑45mm，增壓比為7.7。

2 往復(fù)增壓器的應(yīng)用實(shí)例

2.1 往復(fù)增壓器在六面頂壓機(jī)上的應(yīng)用

目前往復(fù)增壓器已成功應(yīng)用在650mm、800mm 和1000mm缸徑六面頂壓機(jī)上，最高工作壓力達(dá)到120MPa，高低壓增壓比為7.7：1，除去沿程阻力損失，則低壓供油壓力達(dá)到18MPa 即可保證穩(wěn)定升壓至120MPa，升壓過程中控壓精度為±0.1MPa。往復(fù)增壓器運(yùn)行過程中，增壓缸單次單向行程排量350ml，換向頻率最高可達(dá)40 次/min，高壓輸出流量則有14L/min。

表1 WZ120-350-77 及柱塞泵主要參數(shù)

在超硬材料生產(chǎn)過程中，分為空程前進(jìn)、超壓、保壓、卸壓四部分，其中往復(fù)增壓器負(fù)責(zé)超壓部分。

使用往復(fù)增壓器WZ120-350-77 作為增壓裝置，液壓油路圖如圖2 所示。由1 臺(tái)80SCY 軸向柱塞泵作為供油泵，為往復(fù)增壓器提供低壓油，同時(shí)也控制六缸前進(jìn)和后退。由主油路上濾油器之后分出一條支油路連接到電液截止閥進(jìn)油口, 再經(jīng)由電液截止閥出油口連接到往復(fù)增壓器，最后連向七通閥。超壓階段，柱塞泵啟動(dòng)開始供油，電液截止閥帶電連通后油液進(jìn)入往復(fù)增壓器，往復(fù)增壓器由低壓油驅(qū)動(dòng)，開始往復(fù)動(dòng)作換向升壓，并將高壓油輸入到七通閥中。超壓過程中，通過變頻器控制柱塞泵轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)低壓供油流量，以達(dá)到控制往復(fù)增壓器的高壓流量即超壓速率。超壓階段完成后，電液截止閥斷電截流即可立即停止油液流通，往復(fù)增壓器停止運(yùn)行。

圖2 往復(fù)增壓器液壓油路

2.2 往復(fù)增壓器性能分析

以800mm 缸徑六面頂壓機(jī)作為超硬材料合成設(shè)備，經(jīng)長時(shí)間的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后得到了往復(fù)增壓器的性能參數(shù)。往復(fù)增壓器增壓效率簡化計(jì)算方式為：高壓流量/(低壓流量+高壓流量)。

表2 WZ120-350-77 工況流量及效率

往復(fù)增壓器是靠低壓油來驅(qū)動(dòng)的，供油壓力越大則往復(fù)運(yùn)動(dòng)換向時(shí)間越短，換向頻率越快。但隨著供油壓力的增加，增壓器的換向時(shí)間將趨于穩(wěn)定。往復(fù)增壓器在完成一次往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)有加速、勻速、減速和停止4 個(gè)階段，活塞的運(yùn)動(dòng)曲線如圖3 所示，由低壓油驅(qū)動(dòng)的往復(fù)增壓器開始動(dòng)作時(shí)，活塞右行時(shí)間為t3。當(dāng)活塞觸碰到右側(cè)接近開關(guān)觸點(diǎn)后，電磁換向閥通電換位，在此期間存在換向延遲時(shí)間t5-t3。換位動(dòng)作完成后活塞開始左行，左行時(shí)間為t7-t5，到達(dá)左側(cè)接近開關(guān)觸點(diǎn)后電磁換向閥再次換位，活塞換向延遲時(shí)間t8-t7。

圖3 往復(fù)增壓器活塞運(yùn)動(dòng)曲線圖

圖4 往復(fù)增壓器出口流量曲線圖

往復(fù)增壓器的單程排量已確定，則換向時(shí)間的長短代表著超壓速率的快慢，在不同系統(tǒng)壓力下的換向時(shí)間可反映不同壓力下的超壓性能，換向延遲時(shí)間的長短則會(huì)影響超壓連貫性。

圖5

由上面的數(shù)據(jù)可知，在供油壓力達(dá)到18MPa 的情況下，系統(tǒng)壓力的高低對(duì)往復(fù)增壓器的換向時(shí)間有部分影響，在系統(tǒng)壓力由低到高的過程中，換向時(shí)間逐漸增加，超壓速率穩(wěn)定減小，換向延遲時(shí)間逐漸減小。

3 往復(fù)式增壓器在六面頂壓機(jī)上的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

作為適配于大型壓機(jī)的新型增壓裝置，往復(fù)增壓器具有下列優(yōu)點(diǎn)：

3.1 適用于大型壓機(jī)的連續(xù)快速增壓，增壓性能穩(wěn)定，增壓速率可控性高，1 臺(tái)往復(fù)增壓器的性能即可滿足當(dāng)前大型壓機(jī)的生產(chǎn)需要。

3.2 響應(yīng)迅速，通過控制電液截止閥即可達(dá)到對(duì)往復(fù)增壓器的啟停控制，不存在超高壓油泵的機(jī)械慣性，控壓精度較高。

3.3 往復(fù)增壓器體積遠(yuǎn)小于超高壓油泵，而800mm 缸徑六面頂壓機(jī)升壓僅需1 臺(tái)往復(fù)增壓器可以替代2 臺(tái)超高壓油泵。

圖6 往復(fù)增壓器實(shí)物圖

4 結(jié)論

往復(fù)增壓器經(jīng)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐檢驗(yàn)，證明其作為大型六面頂壓機(jī)的新型增壓裝置，性能相對(duì)于超高壓油泵具有一定的優(yōu)勢(shì)，滿足大型壓機(jī)對(duì)大流量的需求，且具有升壓速率可調(diào)范圍大、壓力控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，有利于超硬材料的合成，可代替超高壓油泵作為大型壓機(jī)的增壓裝置。