100MN 模锻压机超高压大流量液压泵站设计分析

段丽华，杨红娟，郭晓锋，柴 星，胡阳虎

（1.金属挤压与锻造装备技术国家重点实验室，陕西 西安 710032；2.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032）

100MN 多向模锻水压机由我国自主建造于20世纪70 年代，是铝加工行业重大国宝级设备，承担航空航天、石油化工、交通运输中有关空架体、活塞、轴类、筒形件、大型阀体、飞机起落架等锻件生产任务[1]。

近年来，随着模锻技术和液压技术的快速发展，该设备技术已显落后且能耗高企。尤其采用的水泵-蓄势器传动方式，产生腐蚀、气蚀，润滑效果差，导致严重的黏着磨损、腐蚀磨损等，使得元件内部甚至液压缸泄漏严重[2-3]，且产生水击引起严重的振动和噪声，能耗非常高，无法适应现代市场高效节能环保的大环境。

2017 年中国重型机械研究院对100MN 多向模锻水压机进行主机修复[4]、液压系统和电气系统的全面升级改造。液压系统主要将为水泵站改造为油泵站，大吨位油泵直接传动需要超高压大流量液压油源供给与大通径阀控制[5]，超高压大流量液压泵站应设计合理，要求满足设备机能需求和已有用户现场布局设置。

1 主要技术参数

超高压大流量液压泵站系统技术参数如表1 所示。

表1 油压机技术参数

2 超高压大流量泵站组成

液压泵站是液压系统的动力源，能提供满足系统压力和流量需要的压力能，液压泵站的设计主要考虑泵站的组成，泵站的噪音和振动以及泵站的监控和安全保护[6]。本项目超高压大流量液压泵站设计包含有泵电机组、冷却循环系统、泵冲洗系统、伺服先导系统、高压泵供油装置、充液罐装置、充液罐注油装置，具体结构功能如下。

2.1 超高压电机泵组

液压系统为油泵直接传动，公称压力分为三个等级：0～1MPa，32MPa 和45MPa。分别选用德国力士乐的A4VSO500HS5 和超高压A4VBO450HS5 轴向柱塞变量泵作为32MPa、45MPa 压力等级动力源，选用A4VSO125DR 作为先导伺服系统普通外控和辅助动作的动力源。图1 为设备现场电机泵组装置。电机功率选择参见以下公式：

图1 电机泵组

式中：P 为电机功率；Qv为系统流量；ΔP 为压差；F为压下力；V 为压机速度；ηt为总效率。

由上式可见，总功率取决于模锻压机压下速度和压下力。

2.2 冷却循环系统

冷却循环过滤装置是把系统中液压油工作温度控制在一定范围，对于高压大流量的伺服系统，尤其控制油液的清洁度，防止伺服阀出现故障[7]。为满足100MN 模锻压机大流量要求，采用两个大油箱并联设计，油箱总容积约70m3，最大装油量约50m3。超高压大流量液压系统运行速度高，压力大，容易引起液压油温度升高，必然导致油液粘度降低，泄漏增加，元器件寿命缩短，影响系统稳定性。100MN 多向模锻压机采用双螺杆泵、双过滤器及双板式冷却器的并联设计。单台冷却器换热面积约130m2，为快速过滤冷却油箱中液压油，要求油液循环控制在55℃以下，采用并联冷却循环装置不到10min 即可完成油箱循环。设备生产期冷却循环装置如发生故障，可使用单台套冷却过滤循环装置，不会影响整机生产，保证系统运行可靠性。

如图2 所示为冷却循环装置原理图。考虑泵站在地坑里面，阀门开关不便，采用阀门发讯装置，信号由PLC 传输至主控制面，可随时监测控制冷却循环系统的运行。

图2 冷却循环原理

2.3 泵冲洗系统

为延长高压主泵的使用寿命，减少维修工作，设置泵冲洗装置，对主泵轴承进行冲洗以确保泵装置长期正常工作。油液经过泵冲洗，使轴承和轴封有足够的润滑，冲洗油液经过轴承后，和泵的壳体泄漏油一起从泵泄油口排出。

泵冲洗系统的回油支路连接到主油箱，在需要油箱油液快速循环的情况下，可将冷却循环装置和泵冲洗装置同时打开，经过过滤冷却后的油液可分配旁路连接至冷却循环回油，减少大流量系统冷却过滤时间。

2.4 伺服先导系统

超高压泵的主控制器带伺服阀液压控制、高频响比例阀、比例插装阀等灵敏度高，对油液品质要求高，因此设置单独的伺服先导系统，控制伺服先导元器件。采用一个独立油箱、两台恒压变量泵、泵头安全阀块、过滤器装置、蓄能器装置、压力表和传感器装置和独立的过滤冷却循环系统组成，附件采用不锈钢制作油箱箱体、管道及阀门提高伺服先导油源稳定性。油箱中油液清洁度达到NAS 1638 不大于6级，过滤精度不大于5μm。

2.5 高压泵供油系统

小型液压设备的泵装置通常设置在油箱正下方，油箱高出泵吸油口一个高度满足泵吸油要求即可。万吨设备液压泵数量多，流量大，且距离油箱较远，在满足油箱高出泵装置的前提下设置供油装置，提高泵吸油能力，保证设备稳定运行。

2.6 充液罐装置及充液罐注油装置

充液罐由两个顶端连通的罐体组成，仅起充液的作用，压力为2～5bar。充液罐、主油箱和伺服油箱之间形成液位逻辑：充液罐液位超过最高液位以后，通过安全阀或电控阀排放至主油箱，充液罐液位低于最低液位以后，螺杆泵会补液到充液罐；伺服油箱液位超过最高液位以后，会通过螺杆泵抽油至主油箱，伺服油箱液位低于最低液位以后，螺杆泵会及时补液给伺服油箱。

多向模锻系统中的充液罐自动补液和排液系统包括充液罐，与充液罐连接的供油回路，与充液罐连接的排油回路和向工作缸提供工作油的工作油路，充液罐连接有液位传感器和充压回路，工作时，充压回路向充液罐内充0.2～0.5MPa 的气压，液位传感器检测充液罐的油位，当低于低油位时，电气控制单元控制供油回路向充液罐供油，当高于充液罐的高油位点时，停止供油回路工作，电气控制单元控制排油回路工作。它改善主泵装置吸油状况，减少系统压力冲击和振动，从而提高油压机工作效率[8]。

充液罐注油装置针对充液罐进行自动补液。该装置连接主油箱油液至充液罐的排油和回油管路。

3 泵站系统技术特点及控制功能

100MN 多向模锻压机的液压系统由泵站、控制阀组、充液系统三大部分构成。液压系统主工作压力32MPa（水平最大45MPa），采用比例变量轴向柱塞泵直接供油。系统采用泵控、阀控组合控制形式，控制阀组通过对高压油源的方向、流量、压力进行控制，保证压机的工作压力和工作速度，实现压机快（慢）速运动、加压、停止、保压、回程快（慢）速等动作等，机构运行平稳、可靠，无爬行、冲击振动现象。

超高压大流量系统泵站主要控制功能包括：主油箱（液压传感器、油温传感器、阀门启闭状态发讯开关等）、伺服油箱（液压传感器、油温传感器、阀门启闭状态发讯开关等）、检修油箱（液位传感器、阀门启闭状态发讯开关等）、循环泵、冲洗泵、伺服循环泵、供油泵、充液罐注油泵、主泵等。主泵包括A4VSO…HS…比例变量泵（额定工作压力32MPa）和A4VBO…HS…比例变量泵（额定工作压力32MPa 和45MPa 两档）。

3.1 泵头稳压降噪

柱塞泵的结构紧凑、体积小、重量轻，并且具有较高的容积效率和总效率，能在较高的转速和压力下工作，所以在液压系统中应用广泛，但是因其结构柱塞泵产生的流量是周期性脉动的，导致液压系统压力也产生周期性的脉动，在系统中会产生周期性的压力波，将会使系统中各元件做周期性的振动、爬行、噪声，甚至损坏[9，10]。因此，为抑制压力脉动项目采用以下设计方法：①电机和油泵之间使用梅花型联轴器；②油泵电机组安装面设置减振器；③泵电机组安装在带有吸声材料的泵房；④泵出口采用高压软管连接，系统设置蓄能器；⑤泵吸油口设置软连接；⑥泵出口设置脉动阻尼器。

通过以上设计方式有效消除管道振动、减小压力脉动、减小流量浮动，保护下游设备仪器不受损害。

3.2 系统安全保护及维保

液压系统采用泵控、阀控组合控制形式，垂直工作缸和水平工作缸采用比例阀泄压，能有效减小冲击，实现动作平稳变换。在设计液压控制回路时考虑所有电磁阀选用失电安全机能；先导控制油路配置蓄能器，保证短时停电时动作可控。

（1）油箱检修。设计的主油箱容量满足压机正常维修期间容纳所需的全部油量。油箱设置空气滤清器，油温、液位检测装置等。主油箱配置旁路过滤冷却系统，循环冷却过滤系统充分考虑当地气候情况，要求冷却后的油温55℃以下，油箱内部吸油与回油区设置隔离装置；影响系统元件运行安全的油箱连接管道选用带有发讯装置的阀门。系统设置油箱与充液罐连接油路及转换装置，方便清理油箱和充液罐，使充液罐液位及压力保持在工作范围内。

（2）介质污染及泄漏。液压传动介质主要是液压油，为防止在使用及维修过程中产生的液压油泄漏，设计考虑以下几点：①系统设计尽量减少泄漏点，减少现场焊管量，出厂时完成重要管路的焊接，减少现场焊接误差引起的泄漏；②发展集成化系统，减少管路连接；③选择合理密封件和合理的安装方式。

3.3 高压及超高压系统分级

100MN 多向模锻压机是由一台100MN 三梁四柱立式压机和一台双向作用的50MN 卧式压机组合而成的[11]，主要动作分为垂直运动和水平运动。垂直回程缸集成控制阀站由若干不同功能单元的二通插装式逻辑阀、控制盖板、先导控制球阀、插装阀、安全阀、叠加阀、油路阀块、压力传感器和蓄能器组件组成，控制提升缸油路中的油流方向、压力和流量。压力等级为32MPa。

水平工作缸压力分为32MPa 和45MPa 两级压力。泵站来的高压管道利用法兰直接与阀体连接。控制阀站集成控制阀块由单向阀、进液阀、排液阀、安全阀组成，如图3 所示。压力等级32MPa 时，全部A4VSO 和A4VBO 电机泵组投入。压力等级45MPa时，由A4VBO 电机泵组投入。32MPa 油路由插装阀控制，中间设置锁阀，防止45MPa 超高压油源反向流入高压油路。排液阀设置在两路进油阀后，选用带2 级压力调节的比例溢流阀，一级为安全阀，一级为比例卸荷阀[12]。断电安全阀防止设备正常运行中突发断电，作为保护装置进行自动缓慢卸荷。根据需要各个阀设置便于监测和控制系统压力的压力传感器，各压力接口设有测压接头，集中设置抗震压力表装置。

图3 水平工作缸原理

4 结论

100MN多向模锻压机泵站系统采用先进的设计理念，针对超高压大流量特性，从泵站组成、噪声和振动，安全保护及检修等方面完成大型模锻压机泵站设计的技术路线。截止目前设备已投产4 年，其电机泵组及辅助液压装置均运行平稳可靠，大大减少现场设备维护运行费用，泵站系统设计得到现场数据支撑和用户的认可。超高压大流量泵站系统的成功改造积累了大量经验，形成一套完善的设备水改油体系，为同类大型设备改造升级提供样本，目前已推广至其他锻压设备和挤压设备。