可控式增壓復合油缸設計及其性能分析

楊 茜

(1. 河南科技大學材料科學與工程學院， 河南洛陽 471023；2. 河南科技大學有色金屬共性技術河南省協同創新中心， 河南洛陽 471023)

引言

精密塑性成形技術是支撐航空航天、動力能源、交通等領域金屬部件生產加工的關鍵基礎支撐技術，獲得了大量的應用[1-3]。隨著金屬產品尺寸、性能要求的不斷提高，成形用液壓機的噸位越來越大。例如大直徑制件的擠壓成形，變形程度大時變形抗力大，但壓力行程并不大，壓力行程速度也不高，只是制件高度高，要求壓機空程下行或回程的行程大、速度高，需要足夠的操作空間。還有些零件的成形，前中期所需載荷較小，可采用較快的速度進行成形，以提高生產效率；而后期所需載荷較大，采用較慢的速度成形，以降低最大載荷，即先快后慢的成形方法能夠兼顧成形載荷與生產效率[4]。再例如大型制件的液態模鍛成形，合金澆注及制件脫模時需要較大的操作空間，壓機工作時需要較大的快速合模行程、減速充模過程以及慢速保壓過程，該保壓過程壓力高，行程很小，為毫米級，故要求壓機兼備低壓高速大行程、低壓中速中行程和高壓慢速小行程的加壓功能，但是目前國內外沒有專用液壓系統實現此類功能。

油缸作為液壓機的動力輸出部件，其輸出力決定了設備噸位[5]，而油缸的輸出力與其直徑及油壓相關。增加油缸的直徑或數量是增加液壓機壓力的有效途徑，但必然造成液壓機結構龐大，液壓系統復雜，工作效率和設備可靠性降低，制造成本增加；且易發生液壓沖擊，產生振動和噪聲，維護成本升高。增大油缸的油壓，可以顯著減小油缸及液壓機尺寸，但受到現有的油泵和液壓系統技術的限制，液壓機的額定油壓通常不大于25 MPa，主要有三個原因：一是液壓機一般采用柱塞泵或齒輪泵，柱塞泵產生的壓力一般不大于40 MPa，常規柱塞泵的工作壓力為31.5 MPa，而齒輪泵的壓力小于30 MPa[6]，為了保證油泵的使用壽命，設計時要有一定的安全系數，同時考慮結構技術、處理治漏、噪聲控制、可靠性要求及后期維護等；二是液壓機液壓系統壓力一般為21～31.5 MPa，為安全起見，一般選擇為25 MPa[7]；三是通過在液壓系統中加裝增壓回路為油缸提供增壓油，可以使工作油壓增大，但其結構龐大且復雜，后端管路容易出現泄漏，制造成本和維護成本高，一般不用于液壓機。

目前針對超高壓油缸的研究設計已有一些進展。楊升[8]設計了一種超高壓增力油缸，由主油缸和增壓缸組成，通過增壓缸為主油缸提供增壓油，每個油缸都有2個油口，當液壓系統通過增壓缸為主油缸提供增壓油時壓機進行高壓運動(額定壓力)，當液壓系統直接為主油缸提供壓力油時壓機進行低壓運動，該油缸結構簡單，但缸體中的2個單向閥與增壓缸的高壓腔連通，影響了操作性能和壽命。華萬紅等[9]設計了一種超高內增壓復合式油缸，也是利用增壓缸為主油缸提供增壓油，增壓缸內設置有雙向啟閉閥和節流調節桿，通過雙向啟閉閥和節流調節桿的配合增壓實現壓力轉換；該油缸結構只有2個油口，液壓系統與油缸高壓腔隔離，但油缸結構復雜，而且壓力轉換是被動的，低壓變高壓時需要壓力達到臨界值，高壓變低壓只有在壓機回程結束后才能完成，空行程較長，工作效率較低。

本研究針對大型液壓機油缸直徑大導致設備尺寸大、泵站規格大和工作效率低的問題，設計了一種具有增壓功能的復合油缸，對該種油缸液壓機的原理、特點、設計方法及用途進行了分析。

1 液壓機的工作過程分析

圖1為一般液壓機和本研究設計復合油缸液壓機的工作周期對比示意圖。一般大中型液壓機采用油泵直接為液壓機主油缸供油，其工作周期如圖1的曲線1所示，主要由以下幾個階段組成：

(1) 停止(上始點靜止階段) ，形成操作空間，用于取出制件和放置坯料或澆注熔體或填充粉末材料；

(2) 充液行程(快速空程下行階段) ，此階段依靠主油缸活塞、活動橫梁及其上安裝的模具的重力快速下行，通過充液閥從油箱中吸油，其下行速度可達400～600 mm/s[10]。因為油缸直徑大，下行時需油量大，增大了充液閥及管路的規格及油箱的容積；

(3) 工作行程(慢速下行、壓制與保壓階段) ，為防止對模具產生沖擊，合模時需要關閉充液閥，改由油泵給主油缸供油，壓機慢速下行，該下行速度由油泵的流量決定，約10～30 mm/s。壓到工件后進入成形階段，此時設備壓力取決于坯料的變形抗力，當變形抗力小于設備額定壓力時，設備的下行速度由油泵的流量決定；當變形抗力大于設備額定壓力時，設備的下行速度會降低，并進入保壓階段；

(4) 回程(快速返程階段)，采用較高的回程速度以提高效率。

以上，快速空程及快速回程是為了提高液壓機的工作效率，而慢速壓制則是為了保證制件的加工質量。

油泵直接供油的普通液壓機，其油泵要滿足液壓機最大工作速度和工作壓力的要求[10]，但在一個完整的工作周期內，油泵滿負荷運轉的時間很短，而在充液行程、回程、輔助工序和所需工作壓力較小時，其能力得不到充分利用[11]，尤其是大噸位的液壓機，其利用系數很低。造成泵站裝機容量大，無功損耗大，運行成本高。

圖1 液壓機工作周期對比Fig.1 Comparison of working cycle of hydraulic press

本研究設計的復合油缸，通過液壓系統對其進行控制，可以實現如圖1曲線2所示的工作過程，具體結構設計及工作原理詳述見圖3。與曲線1相比，其特點如下：

(1) 快速下行和回程速度更高，耗時短；

(2) 具有慢進和低壓成形功能，需油量少，可以降低油泵的流量負荷，而油壓得到充分利用；

(3) 高壓低速成形階段液壓機壓力提高，但油泵供油壓力沒有增加；

(4) 回程速度加快。

整體效果上，復合油缸液壓機比傳統液壓機的成形周期變短，各階段速度壓力按需配置，油泵的利用系數高，泵站裝機容量小。

2 可控式增壓復合油缸設計

本研究設計一種可控式增壓復合油缸結構，簡稱可控復合油缸，具有結構簡單、工作性能穩定和效率高等優點，可以為大型金屬部件的擠壓成形及液態模鍛成形提供高效可靠的液壓設備，推動精密成形技術的發展。為了論述方便，下面將油泵產生的工作油壓定義為低壓，通過增壓缸提供的油壓定義為高壓。

該可控式復合油缸能夠產生較大的工作壓力，具有快速開合模行程，根據工藝要求實現高低壓快速轉換，能夠滿足大型金屬零件大變形塑性成形的需求。

2.1 結構設計

如圖2所示為可控式復合油缸(簡稱復合油缸)結構示意圖，由一體連接的主油缸、增壓缸和控制缸組成。主油缸為設備提供動力；增壓缸和主油缸設計為相同直徑D，使得結構更加緊湊；增壓缸活塞連接主油缸上腔A，為主油缸提供增壓油；增壓缸活塞中有連通增壓缸上腔和主油缸上腔的主通道T，控制缸活塞下端為錐臺結構，與主通道T上端的錐孔相符，控制缸活塞能夠進入增壓缸的上腔B，并與主通道的錐孔配合，組成隨動錐閥機構。當控制缸處于上始點不動時，錐閥開啟，T通道暢通，壓力油由油口b1進入增壓缸的B腔，再經T通道直接進入主油缸A腔，增壓缸下腔油液經油口a2排回油箱，使壓機低壓下行；壓力油經油口c1進入控制缸上腔C，油口c2排油，控制活塞下行，并隨增壓缸活塞下行，此時錐閥閉合，T通道關閉，同時油口b1進油，b2排油，壓力油由進入增壓缸的B腔后，推動增壓缸活塞下行，對A腔提供增壓油，使壓機高壓下行。

圖2 可控式增壓復合油缸結構示意Fig.2 Configuration of controllable pressurized compound oil cylinder

2.2 工作原理

通過液壓系統對復合油缸進行控制，液壓機可以實現如下動作過程(見圖3)：

(1) 停止 液壓機關閉狀態下，液壓系統將各油口進行封閉，各油缸活塞均處于上始點位置；

(2) 快速下行 如圖3a所示，控制缸不動，油口b1和a2打開，液壓系統充液閥打開，主油缸活塞(簡稱主活塞)受重力快速下行，油箱中的油通過充液閥、油口b1進入增壓缸B腔，再經T通道快速流入主油缸的上腔A中，下腔中的油通過油口a2流回油箱；同時油泵輸出的壓力油也經油口b1充油，加速主活塞下行；

圖3 可控式增壓復合油缸工作過程原理圖Fig.3 Working process of controllable pressurized compound oil cylinder

(3) 慢速下行 如圖3b所示，充液閥關閉，液壓系統的壓力油通過油口b1進入增壓缸上腔B，再經通道T進入主油缸的上腔A中， 使主活塞加壓慢速下行， 直至模具閉合，下腔中的油通過油口a2流回油箱；

(4) 低壓成形 坯料受力后進入低壓成形階段，系統壓力升高到工作壓力，壓力油通過T通道進入主油缸A腔，對坯料施壓成形；

(5) 高壓成形 如圖3c所示，油口c1供油，油口c2回油，控制缸活塞下行，隨動錐閥機構閉合，主通道T斷開；油口b1供油，油口b2回油，油腔B和油腔C處于壓力狀態，控制活塞與增壓活塞同步下行，對主油缸A腔提供增壓油，迫使主活塞產生高壓行程，使坯料成形；

(6) 保壓 液壓系統慢速供油，使液壓機處于動態保壓狀態；或關閉各油口，油泵停止供油，液壓機處于靜態保壓狀態；

(7) 卸壓 油口b2，c2進油，油口b1，c1回油，控制缸和增壓缸同步回程，A腔慢速減壓，然后隨動錐閥機構開啟，T孔導通，控制缸和增壓缸復位；

(8) 回程 油口a2進油，油口b1回油，主活塞回程(如圖3d所示)。

2.3 設計要求

為提高油缸的承壓能力，要求主油缸具有足夠的強度，還要考慮高壓腔的密封性。目前新型密封圈的耐壓能力已達到300 MPa[12-14]，可以為高壓油缸的應用提供保障。為保證可控復合油缸的可靠運行，各油缸除進行規范設計外，還要滿足以下要求：

(1) 油缸零件包括缸筒、缸蓋、缸底、活塞、活塞桿等，其尺寸參數應滿足強度剛度等要求，具體設計可參照相關手冊及文獻[6,15-17]進行;

(2) 增壓缸和主油缸設為相同的直徑，可保證結構緊湊；

(3) 在保證主通道流量的前提下，盡可能減小主通道直徑，以實現隨動錐閥機構的可靠密封并降低成本；

(4) 為避免高背壓時控制缸活塞后退造成泄漏，控制缸直徑與主通道直徑之比需大于增壓缸直徑與增壓活塞桿直徑之比。

3 可控式增壓復合油缸特征參數及液壓機工作性能分析

油缸的特征參數直接影響液壓機的工作性能。相同的系統壓力和設備壓力條件下，對比分析復合缸的直徑、行程、增壓比等特征參數及其對液壓機工作性能的影響，說明復合缸液壓機在行程、工作效率、供油量等方面均具有顯著優勢。

3.1 復合缸增壓比

高壓成形時，控制活塞與增壓活塞隨動，起到增壓效果，當控制缸直徑較小時，其輔助增壓效果的影響不明顯，可以忽略不計，則:

(1)

式中，D—— 增壓缸和主油缸直徑

d1—— 增壓活塞桿直徑

p—— 液壓系統的工作油壓

p1—— 增壓缸輸出的油壓

λ—— 增壓缸的增壓比

當D不變時，減小d1，可以增大增壓比，使主油缸的輸出壓力增加。

3.2 油缸直徑

設備壓力為F，系統油壓為p，普通油缸(單缸)和復合油缸主油缸的直徑分別D0和D，則：

D0=2[F/(πp)]1/2

D=2[F/(πp1)]1/2

得：

D=D0/λ1/2

(2)

說明在相同的設備壓力下，復合油缸直徑小于單缸油缸。

3.3 油缸行程

液壓機工作行程包括空載行程和壓力行程，空載行程包括快速空載行程和慢速空載行程，壓力行程又包括低壓行程和高壓行程。借助壓力機活動橫梁、模具的上模部分等重力作用，使油缸產生負壓吸油而快速空載下行，在合模前關閉充液閥，通過油泵提供油壓，進行慢速空載行程；低壓行程用于前期合?；蝾A成形等不需要太大壓力的情況，如塑性成形的鐓粗階段、液態模鍛的充型階段、粉末冶金的合模及初始壓縮階段，此時所需壓力不高，并要求一定的下行速度；高壓行程階段按設備的額定壓力或設定壓力進行成形，此階段行程較小，速度較低，如汽車輪轂的擠壓成形，其正擠壓行程約20～50 mm，液態模鍛、粉末冶金工藝，行程一般小于10 mm。單缸液壓機的不同行程是由同一個油缸完成，而對于復合缸液壓機，其低壓行程直接由主油缸完成，高壓行程階段是由增壓缸為主油缸提供高壓油。

設高壓行程為H，采用復合缸時需要的增壓缸行程為H1，則：

得：

H1=λH

(3)

與單缸液壓機相比，復合液壓缸因為多了增壓缸，其高度也相應有所增加。由式(3)可以看出，增壓缸的行程與主油缸的高壓行程呈線性關系，比值為增壓比。由于高壓行程很小，所以增壓缸行程也不大，故對液壓缸的整體高度影響不大。至于控制缸，因為直徑很小，甚至可以置入增壓缸中，故對復合液壓缸的整體高度影響更小。

3.4 工作效率

當液壓系統的供油量Q一定時，單缸液壓機在各種壓力的下行速度均為：

(4)

而復合油缸液壓機低壓和高壓下行時的速度為：

(5)

結合式(2)、式(4)、式(5)，得到復合油缸與單缸油缸下行速度之比：

(6)

式中，v0—— 單缸液壓機下行速度

v—— 復合油缸低壓和高壓下行時的速度

表明復合缸液壓機的高壓下行速度和單缸液壓機相同，而低壓下行速度是單缸液壓機的λ倍。考慮到高壓行程很短，而其他壓力行程很長，因此，復合缸液壓機的工作效率顯著提升。

3.5 供油量

在相同的下行速度條件下，復合油缸液壓機的主油缸和單缸液壓機液壓缸的供油量Q主和Q單分別為：

Q主=(πD2/4)v1

(7)

(8)

式中，v1—— 液壓機的下行速度

由式(2)、式(7)、式(8)得：

Q主=Q單/λ

(9)

低壓成形時，液壓系統直接為主油缸供油，兩種液壓機需要的供油量關系如式(9)；高壓成形時，復合油缸液壓機主油缸的增壓油是由增壓缸提供的，增壓缸的體積流量是主油缸的λ倍，故復合油缸液壓機需要的供油量Q增為：

Q增=Q單

(10)

表明在低壓快速行程時，復合缸液壓機需要的供油量是單缸液壓機供油量的1/λ，可以大大減小油泵的功率。特別是對于大型液壓機，可以明顯減少油泵的數量。

以一種鎂合金汽車車輪擠壓成形用50000 kN液壓機為例，其主要參數見表1，由此可得采用普通油缸液壓機和復合液壓缸(增壓倍數λ=4)液壓機時的相關參數，見表2，需要說明的是：

(1) 增壓缸在空載和低壓下行時不工作，故無需參與計算；

(2) 油泵應保證高壓低壓狀態均能正常工作，故其輸出功率應按大值進行選取。

表1 50000 kN液壓機主要參數Tab.1 Main parameters of 50000 kN hydraulic press

表2 液壓機油缸和油泵特征參數對比Tab.2 Comparison of characteristic parameters between oil cylinder and oil pump of hydraulic press

以上分析說明，與單缸液壓機相比，復合液壓缸的高度雖有少量增加，但直徑可以明顯減小。由此，在空載下行時，需要的供油量明顯減少，下行速度增加；慢速下行和低壓下行時，需要的供油量也大大減小，因而油泵和油路系統的負荷明顯降低；高壓成形時，兩種液壓機需要的供油量相同，此時液壓機處于低速下行狀態，所需供油量不會比低壓下行時增加。綜合起來，復合液壓缸的需油量明顯減小，可以減小油泵的功率，油路系統各元件的規格也可以減小。

4 可控式增壓復合油缸的用途

可控式增壓復合油缸液壓機具有快、慢速下行和高、低壓成形的特點，動作過程可按工藝要求隨時切換，可用于各類液壓機，尤其適合大開合模行程和高壓慢速小行程成形工藝。例如具有大變形量的大型制件的塑性成形，由小高度坯料擠壓變形成高度較大的制品，其高壓成形時壓下量較小，脫模時需要行程較大，其設備增壓缸的行程不必太大；如果需要先快速低壓后低速高壓或先鐓粗后擠壓成形工藝，可以采用低壓和高壓結合的方法；粉末冶金及液態模鍛時，開合模行程較大，而需要高壓保壓行程很小，也非常適合復合式油缸液壓機。對于高壓行程較大的成形工藝，同樣可以采用復合式油缸液壓機，只是其增壓缸的高度較高。

5 結論

本研究提供了一種可控式高增壓復合油缸結構。可實現大的壓力輸出且便于高低壓轉換，實現最優工藝搭配。與單缸液壓機相比具有以下優勢：

(1) 通過增壓缸提高主油缸的油壓，減小油缸直徑，可以有效縮小壓機橫梁尺寸，進而減小液壓機整機尺寸，降低制造成本；

(2) 可以根據工藝需求隨時進行高低壓轉換，具有較好的適用性和可操作性；

(3) 兼備低壓高速大行程、低壓中速中行程和高壓慢速小行程的加壓功能。低壓成形時，直接由主油缸提供壓力，需油量小，可以有效減小油泵負荷和液壓系統的負擔；同時還加快了壓機運動速度，對于大行程壓機具有更大技術優勢。高壓成形時，行程速度低，采用增壓缸增壓，同樣不增加油泵負荷和液壓系統的負擔；

(4) 高壓輸出時，主油缸的高壓腔與液壓系統完全隔離，不會使液壓系統的壓力增加，安全性高，不易出現泄漏現象，工作壽命長；

(5) 該復合式油缸可以實現快速上下運動，適用于較大的開合模行程；在進行成形工作時，具有較大的增壓作用和較慢的下行速度。這種工作特點符合塑性成形的工藝要求，有利于提高生產效率，節能降耗；

(6) 復合液壓缸的總體需油量明顯減小，可以減小油泵的功率，提高油泵的利用系數，油路系統各元件的規格也可以減小。