165MN自由锻造油压机的液压控制系统

1 　引言

随着经济建设的迅速发展, 尤其国防工业和重工业发展的需要, 大型化甚至超大型自由锻件的市场需求量日益增大, 对大型、超大型自由锻造装备的需求十分紧迫。西安重型机械研究所自主研制了一种超大型自由锻造装备—165 MN自由锻造液压机, 本文介绍这台液压机的液压控制系统类型、组成以及各组成部分的功能。

2 　165 MN 自由锻造油压机结构型式及主要技术参数

2．1 　165 MN 自由锻造油压机结构型式165 MN 自由锻造油压机为三梁四柱三缸上传动结构, 由框架、动梁、主工作缸组和回程缸组、移动工作台及压机底座等部分组成。压机总高25600 mm , 地面以上高度18000 mm , 水平投影轮廓11500 mm ×37000 mm。压机主机采用全应力框架结构。框架由一个上横梁、一个下横梁、四个立柱及八个螺母等部件组成。每个立柱由一个压套与一个拉杆构成。整个压机框架通过下横梁安装于压机底座之上。压套的外侧面加工成平面形状, 用作动梁的导轨支撑面, 动梁在框架中上下滑动。另外, 压机还设置有顶出器及下砧快速更换等辅助装置。

2．2 　压机主要技术参数

公称压力　165 MN

压力分级　55/ 110/ 165 MN

压机回程力　22 MN

工作介质　液压油

传动型式　油泵直接传动

系统设计压力　35 MPa

系统常用工作压力　3115 MPa

柱塞行程　3500 mm

压机净空距　8000 mm

工作台移动力　8 MN

工作台移动行程(左右各) 　6500 mm

工作台面尺寸　5000 mm ×12000 mm

压机允许载荷偏心距

55 MN 时　≤750 mm

110 MN 时　≤400 mm

165 MN 时　≤30 mm

压机锻造次数

快锻( 55 MN ) , 行程100 mm , 压下量50 mm时　20 次/ 分

常锻(110 MN) , 行程400 mm , 压下量150mm 时　8 次/ 分

常锻(165 MN) , 行程780 mm , 压下量280mm 时　3～4 次/ 分

常锻( 165 MN) , 行程1200 mm , 压下量850 mm 时　1～2 次/ 分

压机可锻最大钢锭重量　450 ×103 kg

3 　压机液压控制系统基本控制型式的确定

3．1 　液压机的液压控制系统类型

液压机的液压控制系统按其传动介质可分为油压机和水压机两大类; 按控制方式上可分为泵- 蓄势站传动及泵直接传动两种。因此, 按传动介质和控制方式的不同组合, 液压机的液压控制系统实际上有4 种型式。各种型式各具优缺点。

表1 为油泵直接传动与水泵蓄势站传动的比较。

表1 　油泵直接传动与水泵蓄势站传动的比较

3．2 　165 MN 自由锻造油压机液压控制型式的确定

确定165MN 自由锻造液压机控制型式, 应充分对比研究不同的型式在技术上的可行性、考虑设备运行的可靠性、安全性、易于操作性以及运行成本和维护成本的经济性。

由于近年来液压动力元件、控制元件、执行元件和密封元件特别是油压系统元件的快速发展, 考虑到165MN 自由锻造液压机的液压系统传动介质的巨大流量和高工作压力, 油泵直接传动型式在技术可行性、设备操控性、可靠性以及运行经济性等多方面兼具明显优势, 因此确定165MN 自由锻造压机采用油泵直接传动型式。

3．3 　大型自由锻造油压机油泵直接传动系统的技术难点

与中小吨位同类设备相比, 大型自由锻造油压机油泵直接传动系统的突出技术难点主要表现在以下几个方面。

(1) 系统流量大, 表现为高压流量巨大和低压充液流量巨大。如本系统的最大高压流量为22800 L/ min , 最大低压充液流量为71000 L/ min。

(2) 系统受压缩高压油液容积大, 由此而蓄积的液体压缩能量大, 如此巨大的能量在压机加压结束卸压过程中势必造成剧烈地液压冲击和设备震动, 对具有快锻功能的自由锻造压机这个问题更为突出。为此, 必须选用先进的液压元件,采用恰当的控制方式, 使压机能够平稳而快速地卸压。

(3) 由于设备运动部分的质量很大(约为850×103 kg) , 运行过程中存在着很大的惯性, 这

使压机的位置控制即锻件的尺寸精度控制难度很大。

显然, 这几点在165 MN自由锻造液压机液压控制系统中都很突出, 是亟待解决的技术难点。

4 　165MN 自由锻造液压机油压控制系统组成及其功能

165 MN 自由锻造油压机的液压控制系统主要由动力系统、主控系统、低压充液系统、外控

系统、循环系统等几部分组成。

4．1 　动力系统

动力系统是165 MN 自由锻造压机液压系统的源头, 为系统提供驱动设备动作所需的高压油液。动力系统主要由3 套主油箱、48 台主泵装置及6 个主泵控制阀块组成。

每台主泵装置主要由一台高压柱塞泵、一台电动机、一个联轴器及主泵支架等部件组成。主泵装置安装在油箱顶部, 且采用油泵插入油箱内的竖直安装型式, 这种型式不仅大大减小了动力系统的占地面积, 还省去了大量的泵吸油管道及阀门, 从而大大减少了系统的外泄露环节。

每台主泵的运行状态(循环、上压或调压) 通过由一个循环阀、一个溢流阀及一个单向阀所组成的泵头控制阀组进行控制, 选用带电磁阀选择控制的两级式压力溢流阀以满足压机31.5 MPa及35 MPa两级工作压力的需要。泵头控制阀组的原理图如图1 。

图1 　主泵泵头阀原理图

八台主泵的泵头阀集成于一个主泵控制阀块上。主泵控制阀块安装于油箱顶部。每个主泵控制阀块通过一根管道把高压油供给压机的主控系统, 主泵循环回油通过阀块底部的管道直接流回油箱。

动力系统设置3 套主油箱是为了便于其加工、运输及安装。3 套主油箱的总计算容积为180 m³ 。主油箱之间通过两根DN500 的管道连通在一起。为了便于检修及安装, 连通管道上设置有阀门及软连接元件。每个主油箱的顶面均安装有16 台主泵装置及2 个主泵控制阀块, 在每个主油箱上都设有空气滤清器、油温检测器、油位检测器等液压辅件。

4.2 　主控系统

压机通过主控系统来实现对其运行状态的控制。主控系统控制的主机部件有动梁、移动式工作台、顶出器及换砧装置等。本文着重介绍与动梁运行控制有关的主缸控制系统及回程缸控制系统。

动梁通过3 个等直径的主缸及两个等直径的回程缸的驱动实现其在上、下横梁间的上下运动或停止。主缸及回程缸均采用柱塞式油缸, 柱塞公称行程均为3500 mm , 主缸的柱塞直径为1420 mm , 回程缸的柱塞直径为680 mm。

在压机运行过程中, 动梁主要有快速空程下降、加压、快速回程及停止等几个动作, 这些动作需要依靠主缸及回程缸的控制系统协调控制才能得以实现。

4.2.1 　主缸控制系统

主缸控制系统主要由一个主缸进液控制阀块及三个主缸卸压排液控制阀块组成。主缸进液控制阀块安装于压机旁的地下室内, 三个主缸卸压排液控制阀块则置于压机上横梁上, 直接安装在主缸的底部。采用这种布置型式, 既有效减少了与主缸相连的高压管道的长度, 又有利于主缸内油液的开放式循环, 降低主缸内油液的温度, 提高密封寿命。布置原理示意图如图2 。

图2 　布置原理示意图

1. 主泵装置　2. 主泵控制阀块　3. 主缸进液控制阀块

4. 主缸卸压排液控制阀块　5. 侧主缸进液高压通体

6. 低压补偿器　7. 充液罐　8. 充液罐液位控制装置

9. 循环装置　10. 主油箱　11. 中间主缸　12. 侧主缸

三个主缸各自均有一套进、排液控制系统,为了减少两侧主缸同时工作时因动作不同步所造成的动梁导向不均衡, 确保压机运行的平稳性,两侧主缸的高压进液管道通过一个高压通体连通在一起。该高压通体安装于压机顶部, 与两侧主缸位置对称。

每个主缸的进液控制系统实际上主要由一个DN125 的插装阀组成。如果采用普通插装阀作为主缸进液阀, 虽然通过在主阀控制盖上设置功能元件可以适当调节主阀的开启速度, 但调节方法复杂困难、调节效果不佳, 且主阀的开启量无法控制, 这必然会造成主缸进液时的剧烈液压冲击。为了减小这种冲击, 本系统选用了德国Rexroth 公司的插装式比例阀作为主缸的进液阀。该阀的结构简图如图3 所示。

图3 　插装式比例阀结构示意图

1. 控制盖　2. 控制盖安装面　3. 先导伺服阀

4. 主阀芯　5. 阀套　6. 主阀芯位移传感器

7. 主阀芯锥阀口

由阀的结构简图可以看出, 这种阀实际上是一个两级阀, 其主阀为带行程传感器的提升阀,先导阀为一个两级伺服阀, 通过伺服阀控制主阀上部活塞两腔的进排油状态来控制主阀的工作状态。由于主阀带有行程传感器, 所以可以根据所给定的电信号使主阀处于关闭至全行程范围内的任意位置, 从而可以实现主阀最大流量范围内的流量随意调节, 主阀的启闭速度也完全可以根据所给定的电信号随意调节。又因为主阀采用了提升阀结构, 所以通过主阀的流量可以很大, 以所选阀为例, 其最大流量为22000 L/ min , 在主阀口两端压差为015 MPa 时的名义流量为10100 L/ min。

三个主缸的进液阀集成在一个阀块上, 共同构成压机的主缸进液控制阀块。三个主缸的卸压排液控制阀块独立设置且直接安装于各自主缸的底部, 其主要目的是为了便于压机的空程充液、回程排液及减小压机卸压排液时的冲击震动, 并减少受压缩高压液体的容积, 减少系统增压卸压等辅助时间, 提高压机的工作节奏。三个主缸卸压排液控制阀块完全一样, 其原理图如图4 。

图4 　主缸卸压排液控制阀块原理图

1. 单向阀式充液阀　2. 插装式比例阀

由原理图可以看出, 主缸卸压排液控制阀块主要由两个插装式比例阀及一个单向阀式充液阀构成, 这两种阀均为德国Rexroth 公司产品。

压机在快速空程下降运动过程中, 主缸所需油液除一部分由主泵通过主缸进液阀提供外, 其余部分则由充液罐及低压补偿器通过充液单向阀提供。当压机空程速度为250 mm/ s时, 通过充液阀所提供的充液流量为15750 L/ min。

压机在加压结束做回程运动时, 主缸内高压液体的卸压及排放通过两个插装式比例阀来实现。选用两个插装式比例阀作为卸压及排放阀的目的, 既为了获得最佳的卸压特性, 最大程度地减小压机卸压所造成的液压冲击, 也是为了便于控制阀块的设计。

4.2.2 　回程缸控制系统

两个回程缸共用一套回程缸控制系统。该系统主要由一个回程缸进液阀块和一个回程缸排液阀块组成。为了保证两回程缸动作运行的同步平稳性, 在两回程缸的对称位置设有高压通体, 以保证两回程缸的进排液同步进行。

回程缸进液阀块主要由一个插装式比例阀组成, 用于控制回程缸的高压进液或停止进液。回程缸排液阀块主要由排液阀、快降阀、慢降阀、平衡阀及安全阀等部分组成, 用于控制回程缸内高压油液的卸压排液或背压排放等功能。两个阀块协同控制实现动梁的快速及慢速空程下降、动梁质量平衡及快速回程等动作。安全阀的作用是为了压机在误动作时保护回程缸不遭损坏。

回程缸进液阀块的功能比较直观明了, 此处不再多述。之所以选用插装式比例阀作为进液阀, 主要目的就是为了便于实现动梁回程速度的调节及减小动梁回程运行或回程停止时的冲击震动。

回程缸排液阀块的功能比较复杂, 其原理如图5 所示。

图5 　回程缸排液阀块阀块原理图

动梁快速下降时, 回程缸排液阀及快降阀均开启, 回程缸油液在动梁自重作用下排液(不经过平衡阀) 。动梁下降速度取决于回程缸快降阀开口量的大小即给定该阀电信号的大小。设置回程缸排液阀的目的是限定动梁的最大下降速度,防止回程缸快降阀失调时所造成的设备事故。

动梁慢速下降主要用于压机的辅助操作(换砧、排气、调零等) 。慢降时, 回程缸油液在动梁自重作用下经慢降阀排液(不经过平衡阀) 。动梁下降速度取决于慢降阀开口量的大小。慢降阀开口量的大小可以根据需要手动调节。

因为压机活动部分的质量大, 惯性大, 因此在回程缸控制阀块上设有一套动梁平衡系统, 使压机在运行中回程缸产生一定压力用以平衡动梁的重量及惯性力。

压机停止时, 系统阀门关闭, 由平衡阀使回程缸产生背压支承动梁重量。

压机加压时, 回程缸液体经平衡阀及排液阀排出, 回程缸内始终有一定背压平衡动梁下降时产生的惯性力, 保证压机停止位置的精度(即锻件高度尺寸精度) 。

压机回程时, 动梁上升初期需要加速运行,所需回程力远远大于平衡力, 所以由电磁换向阀换向改为回程压力。

4.3 　低压充液系统

充液系统的主要作用是在动梁快速下降时向主缸提供大量低压油液, 并在动梁回程时接收主缸的大量排油; 压机在加压工作时则通过充液系统关闭工作缸高压与低压充液系统之间的连接。

充液系统主要由充液罐组件、低压补偿器及充液阀等组成。

三个主缸各设置一套充液阀, 并与相应主缸的卸压排液控制阀块集成在一起。

充液罐组件除包括一个充液罐罐体外, 还有充液罐液位指示与控制装置、安全保护与溢流装置、充气与放气装置等组成部分。所有这些装置都是为了保证充液罐内的液体在一定的液位范围内及一定的压力范围内安全正常地进行工作。另外, 充液罐还设有一套注油装置, 用于充液罐的初次及检修注油。

本系统充液罐的理论容积为100 m3 , 使用时实际装油量为≤55 m3 , 罐内所充装的气体为工业氮气。

为了减小液压冲击及避免主缸中因充液不足所造成的断流现象, 在压机上横梁的侧面(压机操作侧) 设置有一个25 m3的低压补偿器。低压补偿器的上部充装工业氮气, 下部为液压油, 两者各约占低压补偿器总容积的一半。低压补偿器上设有液位、压力测控报警及气体安全快速排放等辅助装置。

4.4 　外控系统

165 MN 自由锻造油压机液压系统共有两套外控系统, 其中一套为普通外控系统, 用于为普通插装阀提供先导外控制油。该系统与主系统共用油箱, 主要由两台排量为125 L/ min的恒压变量泵装置及其泵头控制阀块、四个100 L 皮囊式蓄能器及装置台架等组成。另一套外控系统为伺服外控系统, 用于为插装式比例阀及普通比例阀提供先导控制油。该系统单独设有油箱, 主要由两台180 L/ min型恒压变量泵装置及其泵头控制阀块、五个100 L皮囊式蓄能器及装置台架等组成。伺服外控系统的油箱还设有油位、油温测控装置及供油、回油过滤装置。

4.5 　循环系统

液压系统工作介质只有在一定的温度、清洁度范围内方可正常工作, 所以系统必须设置循环系统对工作介质进行循环过滤及冷却控温。这是由于液压传动设备约有总能耗20 %左右的能量损失, 而这部分能量中大部分都使得系统介质发热, 过高的介质温度将大大降低液压元件的使用寿命且可能造成压机瘫痪。

由于本液压系统的总装机功率及工作介质容积均很庞大, 所以只能设置旁路冷却过滤循环系统。

165 MN 自由锻造油压机液压系统共有六台完全相同的循环装置组成。六台循环装置的总循环流量为16500 L/ min , 过滤器总流量为90000 L/ min , 冷却器总换热能力为3000 kW ,过滤器的过滤精度为10μm。

165MN 自由锻造油压机液压系统除上述的主要组成部分外, 还设有主缸及回程缸排气装置、系统泄油收集装置、检修用储油箱、压力检测装置等辅助装置。

5 　结语

综上所述, 165 MN自由锻造油压机的液压控制系统具有如下特点:

(1) 系统采用插装式比例阀、阀块高度集成、减少管道及阀门多种措施, 减少系统震动及外泄露的可能性。

(2) 各工作缸设置单独的控制阀, 易于实现压机的自动控制及压力分级, 有利于改善压机的受力状况和节能。

(3) 可方便实现压机的手动、自动和联动等多种工作制度以及镦粗、常锻和快锻等多种工艺制度, 提高了压机使用操控的灵活性。

(4) 易于实现压机的压力调节及压力保护。压机自动运行闷车时, 压机将自动卸压并回程,从而起到保护压机的作用, 并减少了泵长期高压溢流而造成的系统发热现象。

(5) 可方便实现压机的位置控制, 从而实现锻件尺寸的精确控制。

(6) 可方便实现压机运行速度的控制。

(7) 关键元件选用先进的进口元件, 提高了系统工作的可靠性和使用寿命, 减少了系统日常维护工作, 降低了设备的使用维护成本。

(8) 大容量的冷却过滤循环系统, 既保证了系统介质的清洁度, 又满足了压机连续运行的要求。