100MN 模鍛壓機(jī)超高壓大流量液壓泵站設(shè)計(jì)分析

段麗華，楊紅娟，郭曉鋒，柴 星，胡陽(yáng)虎

（1.金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710032；2.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032）

100MN 多向模鍛水壓機(jī)由我國(guó)自主建造于20世紀(jì)70 年代，是鋁加工行業(yè)重大國(guó)寶級(jí)設(shè)備，承擔(dān)航空航天、石油化工、交通運(yùn)輸中有關(guān)空架體、活塞、軸類、筒形件、大型閥體、飛機(jī)起落架等鍛件生產(chǎn)任務(wù)[1]。

近年來(lái)，隨著模鍛技術(shù)和液壓技術(shù)的快速發(fā)展，該設(shè)備技術(shù)已顯落后且能耗高企。尤其采用的水泵-蓄勢(shì)器傳動(dòng)方式，產(chǎn)生腐蝕、氣蝕，潤(rùn)滑效果差，導(dǎo)致嚴(yán)重的黏著磨損、腐蝕磨損等，使得元件內(nèi)部甚至液壓缸泄漏嚴(yán)重[2-3]，且產(chǎn)生水擊引起嚴(yán)重的振動(dòng)和噪聲，能耗非常高，無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代市場(chǎng)高效節(jié)能環(huán)保的大環(huán)境。

2017 年中國(guó)重型機(jī)械研究院對(duì)100MN 多向模鍛水壓機(jī)進(jìn)行主機(jī)修復(fù)[4]、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的全面升級(jí)改造。液壓系統(tǒng)主要將為水泵站改造為油泵站，大噸位油泵直接傳動(dòng)需要超高壓大流量液壓油源供給與大通徑閥控制[5]，超高壓大流量液壓泵站應(yīng)設(shè)計(jì)合理，要求滿足設(shè)備機(jī)能需求和已有用戶現(xiàn)場(chǎng)布局設(shè)置。

1 主要技術(shù)參數(shù)

超高壓大流量液壓泵站系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 油壓機(jī)技術(shù)參數(shù)

2 超高壓大流量泵站組成

液壓泵站是液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源，能提供滿足系統(tǒng)壓力和流量需要的壓力能，液壓泵站的設(shè)計(jì)主要考慮泵站的組成，泵站的噪音和振動(dòng)以及泵站的監(jiān)控和安全保護(hù)[6]。本項(xiàng)目超高壓大流量液壓泵站設(shè)計(jì)包含有泵電機(jī)組、冷卻循環(huán)系統(tǒng)、泵沖洗系統(tǒng)、伺服先導(dǎo)系統(tǒng)、高壓泵供油裝置、充液罐裝置、充液罐注油裝置，具體結(jié)構(gòu)功能如下。

2.1 超高壓電機(jī)泵組

液壓系統(tǒng)為油泵直接傳動(dòng)，公稱壓力分為三個(gè)等級(jí)：0～1MPa，32MPa 和45MPa。分別選用德國(guó)力士樂(lè)的A4VSO500HS5 和超高壓A4VBO450HS5 軸向柱塞變量泵作為32MPa、45MPa 壓力等級(jí)動(dòng)力源，選用A4VSO125DR 作為先導(dǎo)伺服系統(tǒng)普通外控和輔助動(dòng)作的動(dòng)力源。圖1 為設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)泵組裝置。電機(jī)功率選擇參見(jiàn)以下公式：

圖1 電機(jī)泵組

式中：P 為電機(jī)功率；Qv為系統(tǒng)流量；ΔP 為壓差；F為壓下力；V 為壓機(jī)速度；ηt為總效率。

由上式可見(jiàn)，總功率取決于模鍛壓機(jī)壓下速度和壓下力。

2.2 冷卻循環(huán)系統(tǒng)

冷卻循環(huán)過(guò)濾裝置是把系統(tǒng)中液壓油工作溫度控制在一定范圍，對(duì)于高壓大流量的伺服系統(tǒng)，尤其控制油液的清潔度，防止伺服閥出現(xiàn)故障[7]。為滿足100MN 模鍛壓機(jī)大流量要求，采用兩個(gè)大油箱并聯(lián)設(shè)計(jì)，油箱總?cè)莘e約70m3，最大裝油量約50m3。超高壓大流量液壓系統(tǒng)運(yùn)行速度高，壓力大，容易引起液壓油溫度升高，必然導(dǎo)致油液粘度降低，泄漏增加，元器件壽命縮短，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。100MN 多向模鍛壓機(jī)采用雙螺桿泵、雙過(guò)濾器及雙板式冷卻器的并聯(lián)設(shè)計(jì)。單臺(tái)冷卻器換熱面積約130m2，為快速過(guò)濾冷卻油箱中液壓油，要求油液循環(huán)控制在55℃以下，采用并聯(lián)冷卻循環(huán)裝置不到10min 即可完成油箱循環(huán)。設(shè)備生產(chǎn)期冷卻循環(huán)裝置如發(fā)生故障，可使用單臺(tái)套冷卻過(guò)濾循環(huán)裝置，不會(huì)影響整機(jī)生產(chǎn)，保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

如圖2 所示為冷卻循環(huán)裝置原理圖。考慮泵站在地坑里面，閥門(mén)開(kāi)關(guān)不便，采用閥門(mén)發(fā)訊裝置，信號(hào)由PLC 傳輸至主控制面，可隨時(shí)監(jiān)測(cè)控制冷卻循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行。

圖2 冷卻循環(huán)原理

2.3 泵沖洗系統(tǒng)

為延長(zhǎng)高壓主泵的使用壽命，減少維修工作，設(shè)置泵沖洗裝置，對(duì)主泵軸承進(jìn)行沖洗以確保泵裝置長(zhǎng)期正常工作。油液經(jīng)過(guò)泵沖洗，使軸承和軸封有足夠的潤(rùn)滑，沖洗油液經(jīng)過(guò)軸承后，和泵的殼體泄漏油一起從泵泄油口排出。

泵沖洗系統(tǒng)的回油支路連接到主油箱，在需要油箱油液快速循環(huán)的情況下，可將冷卻循環(huán)裝置和泵沖洗裝置同時(shí)打開(kāi)，經(jīng)過(guò)過(guò)濾冷卻后的油液可分配旁路連接至冷卻循環(huán)回油，減少大流量系統(tǒng)冷卻過(guò)濾時(shí)間。

2.4 伺服先導(dǎo)系統(tǒng)

超高壓泵的主控制器帶伺服閥液壓控制、高頻響比例閥、比例插裝閥等靈敏度高，對(duì)油液品質(zhì)要求高，因此設(shè)置單獨(dú)的伺服先導(dǎo)系統(tǒng)，控制伺服先導(dǎo)元器件。采用一個(gè)獨(dú)立油箱、兩臺(tái)恒壓變量泵、泵頭安全閥塊、過(guò)濾器裝置、蓄能器裝置、壓力表和傳感器裝置和獨(dú)立的過(guò)濾冷卻循環(huán)系統(tǒng)組成，附件采用不銹鋼制作油箱箱體、管道及閥門(mén)提高伺服先導(dǎo)油源穩(wěn)定性。油箱中油液清潔度達(dá)到NAS 1638 不大于6級(jí)，過(guò)濾精度不大于5μm。

2.5 高壓泵供油系統(tǒng)

小型液壓設(shè)備的泵裝置通常設(shè)置在油箱正下方，油箱高出泵吸油口一個(gè)高度滿足泵吸油要求即可。萬(wàn)噸設(shè)備液壓泵數(shù)量多，流量大，且距離油箱較遠(yuǎn)，在滿足油箱高出泵裝置的前提下設(shè)置供油裝置，提高泵吸油能力，保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

2.6 充液罐裝置及充液罐注油裝置

充液罐由兩個(gè)頂端連通的罐體組成，僅起充液的作用，壓力為2～5bar。充液罐、主油箱和伺服油箱之間形成液位邏輯：充液罐液位超過(guò)最高液位以后，通過(guò)安全閥或電控閥排放至主油箱，充液罐液位低于最低液位以后，螺桿泵會(huì)補(bǔ)液到充液罐；伺服油箱液位超過(guò)最高液位以后，會(huì)通過(guò)螺桿泵抽油至主油箱，伺服油箱液位低于最低液位以后，螺桿泵會(huì)及時(shí)補(bǔ)液給伺服油箱。

多向模鍛系統(tǒng)中的充液罐自動(dòng)補(bǔ)液和排液系統(tǒng)包括充液罐，與充液罐連接的供油回路，與充液罐連接的排油回路和向工作缸提供工作油的工作油路，充液罐連接有液位傳感器和充壓回路，工作時(shí)，充壓回路向充液罐內(nèi)充0.2～0.5MPa 的氣壓，液位傳感器檢測(cè)充液罐的油位，當(dāng)?shù)陀诘陀臀粫r(shí)，電氣控制單元控制供油回路向充液罐供油，當(dāng)高于充液罐的高油位點(diǎn)時(shí)，停止供油回路工作，電氣控制單元控制排油回路工作。它改善主泵裝置吸油狀況，減少系統(tǒng)壓力沖擊和振動(dòng)，從而提高油壓機(jī)工作效率[8]。

充液罐注油裝置針對(duì)充液罐進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)液。該裝置連接主油箱油液至充液罐的排油和回油管路。

3 泵站系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)及控制功能

100MN 多向模鍛壓機(jī)的液壓系統(tǒng)由泵站、控制閥組、充液系統(tǒng)三大部分構(gòu)成。液壓系統(tǒng)主工作壓力32MPa（水平最大45MPa），采用比例變量軸向柱塞泵直接供油。系統(tǒng)采用泵控、閥控組合控制形式，控制閥組通過(guò)對(duì)高壓油源的方向、流量、壓力進(jìn)行控制，保證壓機(jī)的工作壓力和工作速度，實(shí)現(xiàn)壓機(jī)快（慢）速運(yùn)動(dòng)、加壓、停止、保壓、回程快（慢）速等動(dòng)作等，機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，無(wú)爬行、沖擊振動(dòng)現(xiàn)象。

超高壓大流量系統(tǒng)泵站主要控制功能包括：主油箱（液壓傳感器、油溫傳感器、閥門(mén)啟閉狀態(tài)發(fā)訊開(kāi)關(guān)等）、伺服油箱（液壓傳感器、油溫傳感器、閥門(mén)啟閉狀態(tài)發(fā)訊開(kāi)關(guān)等）、檢修油箱（液位傳感器、閥門(mén)啟閉狀態(tài)發(fā)訊開(kāi)關(guān)等）、循環(huán)泵、沖洗泵、伺服循環(huán)泵、供油泵、充液罐注油泵、主泵等。主泵包括A4VSO…HS…比例變量泵（額定工作壓力32MPa）和A4VBO…HS…比例變量泵（額定工作壓力32MPa 和45MPa 兩檔）。

3.1 泵頭穩(wěn)壓降噪

柱塞泵的結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕，并且具有較高的容積效率和總效率，能在較高的轉(zhuǎn)速和壓力下工作，所以在液壓系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，但是因其結(jié)構(gòu)柱塞泵產(chǎn)生的流量是周期性脈動(dòng)的，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)壓力也產(chǎn)生周期性的脈動(dòng)，在系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生周期性的壓力波，將會(huì)使系統(tǒng)中各元件做周期性的振動(dòng)、爬行、噪聲，甚至損壞[9，10]。因此，為抑制壓力脈動(dòng)項(xiàng)目采用以下設(shè)計(jì)方法：①電機(jī)和油泵之間使用梅花型聯(lián)軸器；②油泵電機(jī)組安裝面設(shè)置減振器；③泵電機(jī)組安裝在帶有吸聲材料的泵房；④泵出口采用高壓軟管連接，系統(tǒng)設(shè)置蓄能器；⑤泵吸油口設(shè)置軟連接；⑥泵出口設(shè)置脈動(dòng)阻尼器。

通過(guò)以上設(shè)計(jì)方式有效消除管道振動(dòng)、減小壓力脈動(dòng)、減小流量浮動(dòng)，保護(hù)下游設(shè)備儀器不受損害。

3.2 系統(tǒng)安全保護(hù)及維保

液壓系統(tǒng)采用泵控、閥控組合控制形式，垂直工作缸和水平工作缸采用比例閥泄壓，能有效減小沖擊，實(shí)現(xiàn)動(dòng)作平穩(wěn)變換。在設(shè)計(jì)液壓控制回路時(shí)考慮所有電磁閥選用失電安全機(jī)能；先導(dǎo)控制油路配置蓄能器，保證短時(shí)停電時(shí)動(dòng)作可控。

（1）油箱檢修。設(shè)計(jì)的主油箱容量滿足壓機(jī)正常維修期間容納所需的全部油量。油箱設(shè)置空氣濾清器，油溫、液位檢測(cè)裝置等。主油箱配置旁路過(guò)濾冷卻系統(tǒng)，循環(huán)冷卻過(guò)濾系統(tǒng)充分考慮當(dāng)?shù)貧夂蚯闆r，要求冷卻后的油溫55℃以下，油箱內(nèi)部吸油與回油區(qū)設(shè)置隔離裝置；影響系統(tǒng)元件運(yùn)行安全的油箱連接管道選用帶有發(fā)訊裝置的閥門(mén)。系統(tǒng)設(shè)置油箱與充液罐連接油路及轉(zhuǎn)換裝置，方便清理油箱和充液罐，使充液罐液位及壓力保持在工作范圍內(nèi)。

（2）介質(zhì)污染及泄漏。液壓傳動(dòng)介質(zhì)主要是液壓油，為防止在使用及維修過(guò)程中產(chǎn)生的液壓油泄漏，設(shè)計(jì)考慮以下幾點(diǎn)：①系統(tǒng)設(shè)計(jì)盡量減少泄漏點(diǎn)，減少現(xiàn)場(chǎng)焊管量，出廠時(shí)完成重要管路的焊接，減少現(xiàn)場(chǎng)焊接誤差引起的泄漏；②發(fā)展集成化系統(tǒng)，減少管路連接；③選擇合理密封件和合理的安裝方式。

3.3 高壓及超高壓系統(tǒng)分級(jí)

100MN 多向模鍛壓機(jī)是由一臺(tái)100MN 三梁四柱立式壓機(jī)和一臺(tái)雙向作用的50MN 臥式壓機(jī)組合而成的[11]，主要?jiǎng)幼鞣譃榇怪边\(yùn)動(dòng)和水平運(yùn)動(dòng)。垂直回程缸集成控制閥站由若干不同功能單元的二通插裝式邏輯閥、控制蓋板、先導(dǎo)控制球閥、插裝閥、安全閥、疊加閥、油路閥塊、壓力傳感器和蓄能器組件組成，控制提升缸油路中的油流方向、壓力和流量。壓力等級(jí)為32MPa。

水平工作缸壓力分為32MPa 和45MPa 兩級(jí)壓力。泵站來(lái)的高壓管道利用法蘭直接與閥體連接。控制閥站集成控制閥塊由單向閥、進(jìn)液閥、排液閥、安全閥組成，如圖3 所示。壓力等級(jí)32MPa 時(shí)，全部A4VSO 和A4VBO 電機(jī)泵組投入。壓力等級(jí)45MPa時(shí)，由A4VBO 電機(jī)泵組投入。32MPa 油路由插裝閥控制，中間設(shè)置鎖閥，防止45MPa 超高壓油源反向流入高壓油路。排液閥設(shè)置在兩路進(jìn)油閥后，選用帶2 級(jí)壓力調(diào)節(jié)的比例溢流閥，一級(jí)為安全閥，一級(jí)為比例卸荷閥[12]。斷電安全閥防止設(shè)備正常運(yùn)行中突發(fā)斷電，作為保護(hù)裝置進(jìn)行自動(dòng)緩慢卸荷。根據(jù)需要各個(gè)閥設(shè)置便于監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)壓力的壓力傳感器，各壓力接口設(shè)有測(cè)壓接頭，集中設(shè)置抗震壓力表裝置。

圖3 水平工作缸原理

4 結(jié)論

100MN多向模鍛壓機(jī)泵站系統(tǒng)采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，針對(duì)超高壓大流量特性，從泵站組成、噪聲和振動(dòng)，安全保護(hù)及檢修等方面完成大型模鍛壓機(jī)泵站設(shè)計(jì)的技術(shù)路線。截止目前設(shè)備已投產(chǎn)4 年，其電機(jī)泵組及輔助液壓裝置均運(yùn)行平穩(wěn)可靠，大大減少現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備維護(hù)運(yùn)行費(fèi)用，泵站系統(tǒng)設(shè)計(jì)得到現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)支撐和用戶的認(rèn)可。超高壓大流量泵站系統(tǒng)的成功改造積累了大量經(jīng)驗(yàn)，形成一套完善的設(shè)備水改油體系，為同類大型設(shè)備改造升級(jí)提供樣本，目前已推廣至其他鍛壓設(shè)備和擠壓設(shè)備。