高壓增壓器設計

沈衛新 上海人造板機器廠有限公司 (201805）

沈衛新（1971年～)，男，本科，工程師，主要從事人造板結構與性能改進研究。

0 引 言

國內一家敷銅箔板廠訂購熱壓幅面為2 300mm×1 400mm，總壓力34 000kN的20層熱壓機，熱壓板的單位面壓高達10.6MPa。根據熱壓板幅面和機架尺寸，最大只能布置下6個直徑400mm的油缸。為滿足熱壓機總壓力要求，6個油缸的工作壓力必須達到46MPa。而目前國內高壓油泵的最高油壓只有31.5MPa，要達到46MPa高油壓，有兩種解決方法：第一，采用進口高壓油泵（工作壓力50MPa）直接加壓，但油泵價格昂貴，增加設備成本和維護成本；第二，采用增壓裝置進行加壓，確保壓機滿足需要，成本降低，維護方便。通過比較，決定在油路系統中設計一臺特殊的高壓增壓器裝置，將原來低于31.5MPa（常規使用壓力為26.0MPa）的液壓系統壓力增加到46MPa，來滿足整套設備對壓力的要求。

1 高壓增壓器結構和工作原理

高壓增壓器結構如圖1所示，由大小2個柱塞缸組成，中間用過渡法蘭6和拉桿5連接。其中小缸體8、小柱塞9、小壓蓋7、密封圈13、導向環14、防塵圈15組成小柱塞缸，大缸體2、大柱塞3、大壓蓋4及密封導向組成大柱塞缸。小柱塞缸上直接安裝兩個高壓單向閥11（單向閥5和閥6）和兩個高壓換向閥12（YV2和YV3）。缸體采用35#鑄鋼，缸芯采用冷硬鑄鐵。由于高壓增壓器在工作時，作用在拉桿上的力達850kN，采用12根直徑?42mm，材料為45#鋼，并經調質處理的拉桿，確保此高壓增壓器上下兩部分安全聯接。

圖1 增壓器結構

液壓裝置原理如圖2所示。當壓機主油回路給壓機主油缸供油，壓機快速上升，由到位開關觸發信號，增壓器開始工作，使電磁換向閥線圈YV3得電，增壓回路油液充向增壓器的小缸腔，柱塞后退，當碰到行程開關SQ1時，電磁鐵YV3斷電，YV2得電，油液流向大缸腔，柱塞向前推進，壓迫油液流向壓機油缸，使壓力缸壓力上升，柱塞一直前推碰到行程開關SQ2，YV2斷電，YV3得電（利用高壓單向閥6，阻止高壓管路油回流），柱塞后退，重復以上動作。當壓力缸壓力達到設定要求值46 MPa時，壓力繼電器SP發信，YV2和YV3斷電，增壓器停止動作，等待下一增壓周期。當主油缸保壓結束需卸去高壓時，發信分別讓YV4和YV5得電，高壓卸去，利用壓機的控制回路控制油液將壓機充液閥7打開，主油缸回油，壓機下降。

圖2 油路原理

2 增壓器設計計算

2.1 增壓器柱塞直徑計算

考慮到整個系統布置及加工性，增壓器小柱塞缸直徑選用D1=150mm。

根據公式：

式中：P1—小缸油腔壓力，取P1=46MPa

d1—小缸柱塞直徑，取d1=150mm

P2—大缸油腔壓力，取P2=26MPa

d2—大缸柱塞直徑，mm

圓整，取大缸柱塞直徑d2=200mm。

2.2 小柱塞缸壁厚計算

油缸壁厚S可根據材料力學公式S=PYD/2[σ]求得，設計選用35#鑄鋼作為缸體材料，整件加工，不需焊接處理。

式中：PY1—油缸油腔最大工作壓力加2～3MPa，取PY1=49 MPa

D1—小缸體內徑，取D1=150mm

[σ]—油缸所用材料之許用應力，[σ]=100 MPa

則：S1=49×150/(2×100)=36.75 mm

取安全系數ξ=1.6～2, S1=36.75×1.8=66.24

圓整取值：S1=70mm。

2.3 大柱塞缸壁厚計算

同上節計算方法，得：S2=PY2×D2/2[σ]

式中：PY2—油缸油腔最大工作壓力加2～3 MPa，取PY2=29 MPa

D2—大缸體內徑，取D2=200 mm

[σ]—油缸所用材料的許用應力，[σ]=100 MPa

則S2=29×200/(2×100)=29 mm

取安全系數 ξ=1.3~1.5, S2=29×1.4=40.6mm

圓整取值：S2=42.5 mm。

2.4 增壓器拉桿強度計算

根據結構，大小兩個柱塞缸用12根拉桿聯接，所有拉桿受工作拉力：

式中：P1—油缸油腔工作壓力，P1=46 MPa

D1—小缸體內徑，取D1=150 mm

每根拉桿承受工作拉力：

F1=F/12=812 475÷12=67 706.3 N

每根拉桿承受總拉力：

Q1= Qp+F1= 1.5F1+F1=169 265 N

式中：Qp—螺栓預緊力，取Qp=1.5F1

拉桿材料設計選擇強度級別為8.8的45#調質鋼，屈服極限σs=640 MPa

則：許用應力[σLp]=σs/n=640/1.5=426.7 MPa

注：n為安全系數，當控制預緊力時，系數n=1.2～1.5，在本項計算中取n=1.5。

根據螺栓直徑計算公式：

拉桿直徑d≥25.6 mm

實際選用直徑d=42 mm的拉桿連接上下兩個柱塞缸。

3 增壓器的高壓密封件的選型

由于本增壓器設計壓力達到46MPa，屬于高壓工況，密封件設計選型也是至關重要的。設計成如下密封組合：

主密封X-SLIDE S09-E和Y型S01-P以及一個單向防塵A01-A加導向F01組成活塞桿密封系統。U型圈S01-P起到補充密封作用，如圖3、圖4所示。

優質的活塞桿密封對于設備極為重要，X-SLIDE系列可滿足在密封、耐磨和安裝性能等方面不斷增長的技術要求。優化的液壓動力學力學設計、卓越的回油性能、合理的潤滑油膜，保證了密封件的長壽命和可靠運行。

圖3 密封結構

圖4 主密封推薦溝槽

X-SLIDE S09-E標準活塞桿單向密封采用邵氏D57度或D60度的超高硬度聚氨酯作為密封材料，過盈配合的密封設計和橡膠O型圈彈性性能保證良好的密封性能。標準活塞桿密封對于密封件槽口均有明確的推薦尺寸（見表1～表4）。

表1 主密封溝槽尺寸

表2 防塵密封A01-A溝槽尺寸

表3 U型桿密封S01-P尺寸

表4 導向環F01尺寸

安裝簡單、方便是選擇此密封件的另一重要原因。對于密封件來說，更換安裝是必不可少的，不需要復雜專用的工裝對后期維護特別重要。另外，X-SLIDE系列密封件的截面在傳統的四氟乙烯類滑動組合密封幾何設計上進行了優化，專業的設計使得受力分布更均勻合理，尤其是密封面部分受力沒有四氟乙烯那么高，抗磨性能更佳，壽命更長。

4 增壓器特性

增壓器增壓腔油壓超出31.5MPa，高達46MPa，對整個系統液壓元件和密封提出很高要求，故設計時部分元件選用德國哈威公司產品。為減少承受高壓元件的數量，把單向閥和換向閥直接安裝在增壓器增壓缸上，大大減少高壓管路連接，提高系統安全性。

5 結語

用戶使用本機后，反映增壓效果良好，密封性能優越，無泄漏，完全符合生產要求。

[1] 大連工學院機械制造教研室. 金屬切削機床液壓傳動[M]. 北京：科學出版社，1976.

[2] 濮良貴，紀名剛. 機械設計[M]. 北京：高等教育出版社，2011.