泵－蓄勢器聯(lián)合傳動在40 MN擠壓機中的應用

董曉娟，權(quán)曉惠，荊云海，張立波

(金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國家重點實驗室，西安 710032)

0 前言

隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，高效清潔的核電已被列為重點發(fā)展方向之一，而核電用鋯合金管等材料的生產(chǎn)主要依賴進口，難以滿足國內(nèi)核電站建設(shè)用管的需求。40 MN擠壓機是我國自主研制的首臺用于核電鋯合金管、棒型材及鈦合金材生產(chǎn)的擠壓設(shè)備。由于其生產(chǎn)工藝要求的擠壓速度變化范圍大，速度精度要求高，使該擠壓機的液壓控制系統(tǒng)不同于常規(guī)擠壓機，其設(shè)計增加了很大的難度。本文對該擠壓機的泵－蓄勢器聯(lián)合傳動進行了分析研究。

1 40 MN擠壓機的主要技術(shù)參數(shù)及對液壓系統(tǒng)的要求

某公司40 MN臥式雙動擠壓機由擠壓機主機、機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成。擠壓機主機由主缸及回程缸、框架、動梁與穿孔、擠壓容室、移動模架等部分組成。

40 MN擠壓機為臥式預應力框架，帶有穿孔功能的雙動結(jié)構(gòu)。

1.1 擠壓機的主要技術(shù)參數(shù)

公程擠壓力40 MN

穿孔力5 MN

穿孔回程力3 MN

擠壓速度0.5～100 mm/s

主柱塞空程速度≤250 mm/s(可調(diào))

擠壓筒移動速度≤250 mm/s(可調(diào))

穿孔速度≤200 mm/s(可調(diào))

穿孔回程速度≤280 mm/s(可調(diào))

主系統(tǒng)工作壓力28 MPa

輔助系統(tǒng)工作壓力20 MPa

1.2 40 MN擠壓機對液壓系統(tǒng)的要求

40 MN擠壓機的液壓控制系統(tǒng)必須保證壓機各個動作運行快速、平穩(wěn)且無沖擊;操作應方便靈活，易于實現(xiàn)電氣程序化控制;保證系統(tǒng)運行狀態(tài)的控制、檢測及報警;同時需滿足擠壓力和擠壓速度的要求:

(1)擠壓力實現(xiàn)限壓保護。在操作臺或上位機上可對主缸的最高壓力進行設(shè)定，在小規(guī)格產(chǎn)品擠壓時，以保護擠壓工具;

(2)對擠壓速度進行分段控制:擠壓速度≤5 mm/s時，速度波動≤±0.1%;擠壓速度5 mm/s～45 mm/s時，速度波動≤±1%;擠壓速度在＞45 mm/s時，速度波動≤±10%。

2 40 MN擠壓機液壓系統(tǒng)的控制方案

現(xiàn)代擠壓機液壓控制系統(tǒng)多采用以液壓油為介質(zhì)。以水為介質(zhì)的泵－蓄勢站傳動由于難于實現(xiàn)自動精確控制、元件壽命低，運行成本高，維護不方便等原因，已不被采用。

根據(jù)40 MN臥式雙動擠壓機液壓控制系統(tǒng)的要求，本文對液壓系統(tǒng)的動力源傳動方式、擠壓速度的控制、擠壓力的限壓保護進行分析確定。

2.1 液壓動力源傳動方式

按照液壓動力源的傳動方式，擠壓機液壓控制系統(tǒng)有泵直接傳動、泵蓄勢器傳動、泵－蓄勢器聯(lián)合傳動等方式。泵－蓄勢站聯(lián)合傳動的優(yōu)點是兼有泵直接傳動和蓄勢器傳動的特點，在低速擠壓時，采用泵直接傳動的方式;在高速擠壓時，采用泵和蓄勢器同時供液的傳動方式。

該擠壓機所需的最大擠壓速度為100 mm/s，系統(tǒng)在最大擠壓速度時所需的流量為8640 l/min;在擠壓速度≤45 mm/s的高精度擠壓時，系統(tǒng)所需的高壓流量為4185 l/min，小于最大流量的49%;在非擠壓時間，系統(tǒng)各執(zhí)行元件動作時所需的最大流量為3800 l/min，約為系統(tǒng)最大流量的44%，此時的動作多為空程，壓力較低，通常小于10 MPa。

根據(jù)擠壓工藝計算，該擠壓機的一個擠壓周期平均時間約為160 s，在擠壓速度＞45 mm/s時，擠壓時間為10～20 s。

因此，采用泵－蓄勢器聯(lián)合傳動是最佳的傳動方式。即在擠壓速度≤45 mm/s的高精度擠壓時，采用油泵直接供油的方式，以變量泵進行容積調(diào)速，以保證速度精度;在擠壓速度＞45 mm/s時，采用油泵+蓄勢器聯(lián)合供油方式，通過蓄勢器短時間釋放出大量高壓油，使擠壓速度達到要求。其泵站工作原理如圖1所示。

圖1 泵站原理圖Fig.1 Schematic diagram of pump station

(1)采用6臺500 l/min的定量泵及4臺525 l/min的變量泵組成系統(tǒng)泵站，總流量可達5000 l/min;

(2)采用2個400 L活塞式蓄勢器和3個4 m3的氮氣罐作為蓄勢器站。

在最大擠壓速度100 mm/s時，蓄勢器應補充的流量為ΔQ=8640－5000=3640 l/min;

在10 s內(nèi)，蓄勢器應釋放出的高壓液體流量ΔV=3640/6=607 L;

蓄勢器的最高壓力P2=28 MPa;最低壓力P1=90% ×28=25.2 MPa;充氣壓力P0=0.96×P1=24.2 MPa;

蓄勢器的總?cè)莘e (充入氮氣后的總?cè)莘e)

式中，n=1.4，1/n=0.7143(按絕熱狀態(tài))。

考慮到采用工業(yè)氮氣不符合理想的絕熱氣體條件，取絕熱校正系數(shù)為0.68，則

因此選用800 L活塞式蓄勢器和3個4 m3的氮氣罐作為蓄勢器站在快速擠壓時供油。

該擠壓機采用泵－蓄勢站聯(lián)合傳動的優(yōu)點:

(1)與泵直接傳動相比，裝機功率可減少1700 kW，減少約40.5%;

(2)液壓系統(tǒng)的能耗有效降低。裝機功率減少1700 kW，意味著系統(tǒng)中少了7臺500 l/min高壓油泵及250 kW的電機組，這些油泵在非擠壓時間不參與壓機的工作，只是空運轉(zhuǎn)，空轉(zhuǎn)時仍有約15%的能耗;而在本壓機中，非擠壓時間占整個擠壓周期的87%～95%。

2.2 擠壓速度的控制方式

擠壓機的擠壓速度控制通常有節(jié)流調(diào)速、容積調(diào)速、容積與節(jié)流聯(lián)合調(diào)速等方式。

由于該40 MN擠壓機的擠壓速度變化范圍較大，只采用一種調(diào)速方式難以滿足使用要求。因此，根據(jù)擠壓機不同的擠壓速度及其控制精度，分別采用不同的調(diào)速方式。

擠壓速度在0.5～5 mm/s時，系統(tǒng)所需的高壓液體流量為45～450 l/min，要滿足≤±0.1%的精度要求，不能通過變量泵的節(jié)流調(diào)速直接控制。一方面，變量泵在流量小于額定流量10%時，存在死區(qū);另一方面，變量泵響應較慢難以達到精度要求。因此，采用通過容積與節(jié)流聯(lián)合調(diào)速方式進行控制，選用DN32通徑高頻響比例流量閥+變量泵，由變量泵進行粗調(diào)，高頻響比例流量閥進行精調(diào)控制。既降低了節(jié)流調(diào)速造成系統(tǒng)發(fā)熱，又滿足了高精度的控制要求。

擠壓速度在5～45 mm/s時，系統(tǒng)所需的高壓液體流量為450～4050 l/min，要滿足≤±1%的精度要求，采用4臺525 l/min的變量泵+4臺500 l/min定量泵組合方式，進行容積調(diào)速即可實現(xiàn)系統(tǒng)不同擠壓速度的控制要求。

擠壓速度在45～100 mm/s時，系統(tǒng)所需的高壓液體流量為4050～8640 l/min，采用泵和活塞式蓄勢器同時供液，在并聯(lián)的活塞式蓄勢器主缸進液回路中設(shè)置了DN80的比例流量閥，對擠壓速度進行實時控制。在實際控制過程中，同樣可根據(jù)速度要求，首先由泵組對系統(tǒng)流量進行粗調(diào)，然后通過比例流量閥進行精調(diào)，盡可能降低能耗，減少系統(tǒng)發(fā)熱量。

該40 MN擠壓機擠壓速度的控制，在低速段 (0.5～5 mm/s)和高速段 (45～100 mm/s)，采用容積與節(jié)流聯(lián)合調(diào)速方式進行控制;在中速段 (5～45 mm/s)，采用容積調(diào)速方式進行控制。系統(tǒng)調(diào)速控制原理如圖2所示。

圖2 容積與節(jié)流聯(lián)合調(diào)速控制原理圖Fig.2 Schematic diagram of volume and throttle combining speed regulation

2.3 擠壓力的限壓保護

在該40 MN擠壓機上用φ216 mm擠壓筒擠壓較小的鋯管時，為防止由于悶車或其它原因，造成系統(tǒng)壓力過高而損壞擠壓工具，需要對系統(tǒng)壓力進行限定。本擠壓機采取在主缸進液控制油路上設(shè)置插裝式比例壓力閥，將擠壓工具允許承受的力折算成系統(tǒng)工作的允許實際壓力，通過上位機對比例壓力閥的壓力進行設(shè)定，當主缸中的壓力達到設(shè)定壓力時，比例壓力閥泄壓，使系統(tǒng)壓力不超過設(shè)定值，保護了擠壓工具。比例壓力閥的壓力可根據(jù)擠壓工具的不同在5～28 MPa之間任意設(shè)定。限壓保護原理如圖3所示。

圖3 擠壓力限壓保護原理Fig.3 Principle of limitation for extrusion pressure

3 結(jié)論

(1)在需要快速擠壓的擠壓設(shè)備中，液壓系統(tǒng)采用泵－蓄勢站聯(lián)合傳動比泵直接傳動具有明顯的優(yōu)勢，可使裝機功率減少約40%，液壓系統(tǒng)的能耗有效降低。

(2)在泵－蓄勢站聯(lián)合傳動中，根據(jù)不同擠壓速度，采用不同的調(diào)速方式控制，有效保證了擠壓速度和精度的控制要求，并降低了系統(tǒng)發(fā)熱。

(3)通過在主缸進液控制油路上設(shè)置比例壓力閥，可解決泵－蓄勢站聯(lián)合傳動壓力調(diào)整難的問題，從而有效保護擠壓工具。

［1］ 俞新路．液壓機的設(shè)計及應用 ［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2006．

［2］ 徐毅，李文峰．液壓與氣壓傳動技術(shù) ［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2011．

［3］ 曹賢躍，125 MN擠壓機自動潤滑系統(tǒng)設(shè)計與研究 ［J］．重型機械，2011(3):52－54．