段麗華，楊紅娟，郭曉鋒，柴 星，胡陽虎

（1.金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國家重點實驗室，陜西 西安 710032；2.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032）

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

近年來，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-蓄勢器傳動方式，產(chǎn)生腐蝕、氣蝕，潤滑效果差，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)重的振動和噪聲，能耗非常高，無法適應(yīng)現(xiàn)代市場高效節(jié)能環(huán)保的大環(huán)境。

2017 年中國重型機械研究院對100MN 多向模鍛水壓機進(jìn)行主機修復(fù)[4]、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的全面升級改造。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)計合理，要求滿足設(shè)備機能需求和已有用戶現(xiàn)場布局設(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)計主要考慮泵站的組成，泵站的噪音和振動以及泵站的監(jiān)控和安全保護(hù)[6]。本項目超高壓大流量液壓泵站設(shè)計包含有泵電機組、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 超高壓電機泵組

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

圖1 電機泵組

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

由上式可見，總功率取決于模鍛壓機壓下速度和壓下力。

2.2 冷卻循環(huán)系統(tǒng)

冷卻循環(huán)過濾裝置是把系統(tǒng)中液壓油工作溫度控制在一定范圍，對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 模鍛壓機大流量要求，采用兩個大油箱并聯(lián)設(shè)計，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 多向模鍛壓機采用雙螺桿泵、雙過濾器及雙板式冷卻器的并聯(lián)設(shè)計。單臺冷卻器換熱面積約130m2，為快速過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，可使用單臺套冷卻過濾循環(huán)裝置，不會影響整機生產(chǎn)，保證系統(tǒng)運行可靠性。

如圖2 所示為冷卻循環(huán)裝置原理圖?？紤]泵站在地坑里面，閥門開關(guān)不便，采用閥門發(fā)訊裝置，信號由PLC 傳輸至主控制面，可隨時監(jiān)測控制冷卻循環(huán)系統(tǒng)的運行。

圖2 冷卻循環(huán)原理

2.3 泵沖洗系統(tǒng)

為延長高壓主泵的使用壽命，減少維修工作，設(shè)置泵沖洗裝置，對主泵軸承進(jìn)行沖洗以確保泵裝置長期正常工作。油液經(jīng)過泵沖洗，使軸承和軸封有足夠的潤滑，沖洗油液經(jīng)過軸承后，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打開，經(jīng)過過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)冷卻過濾時間。

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，對油液品質(zhì)要求高，因此設(shè)置單獨的伺服先導(dǎo)系統(tǒng)，控制伺服先導(dǎo)元器件。采用一個獨立油箱、兩臺恒壓變量泵、泵頭安全閥塊、過濾器裝置、蓄能器裝置、壓力表和傳感器裝置和獨立的過濾冷卻循環(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，過濾精度不大于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高度滿足泵吸油要求即可。萬噸設(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)定運行。

2.6 充液罐裝置及充液罐注油裝置

充液罐由兩個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：充液罐液位超過最高液位以后，通過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，螺桿泵會補液到充液罐；伺服油箱液位超過最高液位以后，會通過螺桿泵抽油至主油箱，伺服油箱液位低于最低液位以后，螺桿泵會及時補液給伺服油箱。

多向模鍛系統(tǒng)中的充液罐自動補液和排液系統(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，充壓回路向充液罐內(nèi)充0.2～0.5MPa 的氣壓，液位傳感器檢測充液罐的油位，當(dāng)?shù)陀诘陀臀粫r，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時，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，從而提高油壓機工作效率[8]。

充液罐注油裝置針對充液罐進(jìn)行自動補液。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)特點及控制功能

100MN 多向模鍛壓機的液壓系統(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，控制閥組通過對高壓油源的方向、流量、壓力進(jìn)行控制，保證壓機的工作壓力和工作速度，實現(xiàn)壓機快（慢）速運動、加壓、停止、保壓、回程快（慢）速等動作等，機構(gòu)運行平穩(wěn)、可靠，無爬行、沖擊振動現(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、閥門啟閉狀態(tài)發(fā)訊開關(guān)等）、伺服油箱（液壓傳感器、油溫傳感器、閥門啟閉狀態(tài)發(fā)訊開關(guān)等）、檢修油箱（液位傳感器、閥門啟閉狀態(tài)發(fā)訊開關(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的，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)壓力也產(chǎn)生周期性的脈動，在系統(tǒng)中會產(chǎn)生周期性的壓力波，將會使系統(tǒng)中各元件做周期性的振動、爬行、噪聲，甚至損壞[9，10]。因此，為抑制壓力脈動項目采用以下設(shè)計方法：①電機和油泵之間使用梅花型聯(lián)軸器；②油泵電機組安裝面設(shè)置減振器；③泵電機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)置脈動阻尼器。

通過以上設(shè)計方式有效消除管道振動、減小壓力脈動、減小流量浮動，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，實現(xiàn)動作平穩(wěn)變換。在設(shè)計液壓控制回路時考慮所有電磁閥選用失電安全機能；先導(dǎo)控制油路配置蓄能器，保證短時停電時動作可控。

（1）油箱檢修。設(shè)計的主油箱容量滿足壓機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、液位檢測裝置等。主油箱配置旁路過濾冷卻系統(tǒng)，循環(huán)冷卻過濾系統(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)元件運行安全的油箱連接管道選用帶有發(fā)訊裝置的閥門。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。液壓傳動介質(zhì)主要是液壓油，為防止在使用及維修過程中產(chǎn)生的液壓油泄漏，設(shè)計考慮以下幾點：①系統(tǒng)設(shè)計盡量減少泄漏點，減少現(xiàn)場焊管量，出廠時完成重要管路的焊接，減少現(xiàn)場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

100MN 多向模鍛壓機是由一臺100MN 三梁四柱立式壓機和一臺雙向作用的50MN 臥式壓機組合而成的[11]，主要動作分為垂直運動和水平運動。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。壓力等級為32MPa。

水平工作缸壓力分為32MPa 和45MPa 兩級壓力。泵站來的高壓管道利用法蘭直接與閥體連接?？刂崎y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32MPa 時，全部A4VSO 和A4VBO 電機泵組投入。壓力等級45MPa時，由A4VBO 電機泵組投入。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 級壓力調(diào)節(jié)的比例溢流閥，一級為安全閥，一級為比例卸荷閥[12]。斷電安全閥防止設(shè)備正常運行中突發(fā)斷電，作為保護(hù)裝置進(jìn)行自動緩慢卸荷。根據(jù)需要各個閥設(shè)置便于監(jiān)測和控制系統(tǒng)壓力的壓力傳感器，各壓力接口設(shè)有測壓接頭，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多向模鍛壓機泵站系統(tǒng)采用先進(jìn)的設(shè)計理念，針對超高壓大流量特性，從泵站組成、噪聲和振動，安全保護(hù)及檢修等方面完成大型模鍛壓機泵站設(shè)計的技術(shù)路線。截止目前設(shè)備已投產(chǎn)4 年，其電機泵組及輔助液壓裝置均運行平穩(wěn)可靠，大大減少現(xiàn)場設(shè)備維護(hù)運行費用，泵站系統(tǒng)設(shè)計得到現(xiàn)場數(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，形成一套完善的設(shè)備水改油體系，為同類大型設(shè)備改造升級提供樣本，目前已推廣至其他鍛壓設(shè)備和擠壓設(shè)備。