沈衛(wèi)新 上海人造板機(jī)器廠有限公司 (201805）

沈衛(wèi)新（1971年～)，男，本科，工程師，主要從事人造板結(jié)構(gòu)與性能改進(jìn)研究。

0 引 言

國(guó)內(nèi)一家敷銅箔板廠訂購(gòu)熱壓幅面為2 300mm×1 400mm，總壓力34 000kN的20層熱壓機(jī)，熱壓板的單位面壓高達(dá)10.6MPa。根據(jù)熱壓板幅面和機(jī)架尺寸，最大只能布置下6個(gè)直徑400mm的油缸。為滿足熱壓機(jī)總壓力要求，6個(gè)油缸的工作壓力必須達(dá)到46MPa。而目前國(guó)內(nèi)高壓油泵的最高油壓只有31.5MPa，要達(dá)到46MPa高油壓，有兩種解決方法：第一，采用進(jìn)口高壓油泵（工作壓力50MPa）直接加壓，但油泵價(jià)格昂貴，增加設(shè)備成本和維護(hù)成本；第二，采用增壓裝置進(jìn)行加壓，確保壓機(jī)滿足需要，成本降低，維護(hù)方便。通過(guò)比較，決定在油路系統(tǒng)中設(shè)計(jì)一臺(tái)特殊的高壓增壓器裝置，將原來(lái)低于31.5MPa（常規(guī)使用壓力為26.0MPa）的液壓系統(tǒng)壓力增加到46MPa，來(lái)滿足整套設(shè)備對(duì)壓力的要求。

1 高壓增壓器結(jié)構(gòu)和工作原理

高壓增壓器結(jié)構(gòu)如圖1所示，由大小2個(gè)柱塞缸組成，中間用過(guò)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(dǎo)向環(huán)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(dǎo)向組成大柱塞缸。小柱塞缸上直接安裝兩個(gè)高壓?jiǎn)蜗蜷y11（單向閥5和閥6）和兩個(gè)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(shí)，作用在拉桿上的力達(dá)850kN，采用12根直徑?42mm，材料為45#鋼，并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的拉桿，確保此高壓增壓器上下兩部分安全聯(lián)接。

圖1 增壓器結(jié)構(gòu)

液壓裝置原理如圖2所示。當(dāng)壓機(jī)主油回路給壓機(jī)主油缸供油，壓機(jī)快速上升，由到位開(kāi)關(guān)觸發(fā)信號(hào)，增壓器開(kāi)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(dāng)碰到行程開(kāi)關(guān)SQ1時(shí)，電磁鐵YV3斷電，YV2得電，油液流向大缸腔，柱塞向前推進(jìn)，壓迫油液流向壓機(jī)油缸，使壓力缸壓力上升，柱塞一直前推碰到行程開(kāi)關(guān)SQ2，YV2斷電，YV3得電（利用高壓?jiǎn)蜗蜷y6，阻止高壓管路油回流），柱塞后退，重復(fù)以上動(dòng)作。當(dāng)壓力缸壓力達(dá)到設(shè)定要求值46 MPa時(shí)，壓力繼電器SP發(fā)信，YV2和YV3斷電，增壓器停止動(dòng)作，等待下一增壓周期。當(dāng)主油缸保壓結(jié)束需卸去高壓時(shí)，發(fā)信分別讓YV4和YV5得電，高壓卸去，利用壓機(jī)的控制回路控制油液將壓機(jī)充液閥7打開(kāi)，主油缸回油，壓機(jī)下降。

圖2 油路原理

2 增壓器設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 增壓器柱塞直徑計(jì)算

考慮到整個(gè)系統(tǒng)布置及加工性，增壓器小柱塞缸直徑選用D1=150mm。

根據(jù)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(jì)算

油缸壁厚S可根據(jù)材料力學(xué)公式S=PYD/2[σ]求得，設(shè)計(jì)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(nèi)徑，取D1=150mm

[σ]—油缸所用材料之許用應(yīng)力，[σ]=100 MPa

則：S1=49×150/(2×100)=36.75 mm

取安全系數(shù)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(jì)算

同上節(jié)計(jì)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(nèi)徑，取D2=200 mm

[σ]—油缸所用材料的許用應(yīng)力，[σ]=100 MPa

則S2=29×200/(2×100)=29 mm

取安全系數(shù) 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(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)結(jié)構(gòu)，大小兩個(gè)柱塞缸用12根拉桿聯(lián)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(nèi)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(yù)緊力，取Qp=1.5F1

拉桿材料設(shè)計(jì)選擇強(qiáng)度級(jí)別為8.8的45#調(diào)質(zhì)鋼，屈服極限σs=640 MPa

則：許用應(yīng)力[σLp]=σs/n=640/1.5=426.7 MPa

注：n為安全系數(shù)，當(dāng)控制預(yù)緊力時(shí)，系數(shù)n=1.2～1.5，在本項(xiàng)計(jì)算中取n=1.5。

根據(jù)螺栓直徑計(jì)算公式：

拉桿直徑d≥25.6 mm

實(shí)際選用直徑d=42 mm的拉桿連接上下兩個(gè)柱塞缸。

3 增壓器的高壓密封件的選型

由于本增壓器設(shè)計(jì)壓力達(dá)到46MPa，屬于高壓工況，密封件設(shè)計(jì)選型也是至關(guān)重要的。設(shè)計(jì)成如下密封組合：

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

優(yōu)質(zhì)的活塞桿密封對(duì)于設(shè)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(zhǎng)的技術(shù)要求。優(yōu)化的液壓動(dòng)力學(xué)力學(xué)設(shè)計(jì)、卓越的回油性能、合理的潤(rùn)滑油膜，保證了密封件的長(zhǎng)壽命和可靠運(yùn)行。

圖3 密封結(jié)構(gòu)

圖4 主密封推薦溝槽

X-SLIDE S09-E標(biāo)準(zhǔn)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(guò)盈配合的密封設(shè)計(jì)和橡膠O型圈彈性性能保證良好的密封性能。標(biāo)準(zhǔn)活塞桿密封對(duì)于密封件槽口均有明確的推薦尺寸（見(jiàn)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(dǎo)向環(huán)F01尺寸

安裝簡(jiǎn)單、方便是選擇此密封件的另一重要原因。對(duì)于密封件來(lái)說(shuō)，更換安裝是必不可少的，不需要復(fù)雜專用的工裝對(duì)后期維護(hù)特別重要。另外，X-SLIDE系列密封件的截面在傳統(tǒng)的四氟乙烯類滑動(dòng)組合密封幾何設(shè)計(jì)上進(jìn)行了優(yōu)化，專業(yè)的設(shè)計(jì)使得受力分布更均勻合理，尤其是密封面部分受力沒(méi)有四氟乙烯那么高，抗磨性能更佳，壽命更長(zhǎng)。

4 增壓器特性

增壓器增壓腔油壓超出31.5MPa，高達(dá)46MPa，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)液壓元件和密封提出很高要求，故設(shè)計(jì)時(shí)部分元件選用德國(guó)哈威公司產(chǎn)品。為減少承受高壓元件的數(shù)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(tǒng)安全性。

5 結(jié)語(yǔ)

用戶使用本機(jī)后，反映增壓效果良好，密封性能優(yōu)越，無(wú)泄漏，完全符合生產(chǎn)要求。

[1] 大連工學(xué)院機(jī)械制造教研室. 金屬切削機(jī)床液壓傳動(dòng)[M]. 北京：科學(xué)出版社，1976.

[2] 濮良貴，紀(jì)名剛. 機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 北京：高等教育出版社，2011.