冶金液壓系統(tǒng)蓄能器設(shè)計(jì)與仿真分析

汪 龍，章德平，張 文，宋曉燕，劉 偉

（1.中冶南方工程技術(shù)有限公司煉鋼分公司，湖北 武漢，430223；2.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連，116024）

冶金系統(tǒng)環(huán)境惡劣，設(shè)備多在高溫、多塵、重載下長期工作，具有工序復(fù)雜、設(shè)備負(fù)載大、機(jī)構(gòu)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)等特點(diǎn)［1］，故其液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度較大。大型冶金液壓系統(tǒng)在一個(gè)工作循環(huán)中，存在間歇的高壓大流量負(fù)載或流量差異很大的負(fù)載，采用蓄能器作為輔助動(dòng)力源，可改善系統(tǒng)性能，節(jié)能降耗。蓄能器總?cè)莘e是選擇合適蓄能器的關(guān)鍵指標(biāo)。目前關(guān)于蓄能器總?cè)莘e的計(jì)算方法有多種［2－3］，但采用不同方法計(jì)算，其結(jié)果相差較大。本文結(jié)合國內(nèi)某大型鋼廠連鑄機(jī)項(xiàng)目，詳細(xì)介紹了液壓系統(tǒng)蓄能器的設(shè)計(jì)過程，比較了不同工況下蓄能器總?cè)莘e的計(jì)算方法，并對(duì)所選蓄能器的動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行仿真分析，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 連鑄工藝流程

連鑄機(jī)出坯系統(tǒng)主要為翻鋼機(jī)、推鋼機(jī)、分鋼機(jī)和翻轉(zhuǎn)冷床提供動(dòng)力源。某廠連鑄機(jī)工藝流程簡圖如圖1所示。鑄坯經(jīng)過輸送輥道后，輸送到出坯輥道上面，翻鋼機(jī)把鑄坯向上翻轉(zhuǎn)90°置于滑道上，移坯車將滑道上的鑄坯推到翻轉(zhuǎn)冷床入口或者推鋼機(jī)上。

圖1 工藝流程簡圖Fig.1 Process flow diagram

1.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.1 工作介質(zhì)和系統(tǒng)壓力

液壓系統(tǒng)常用的工作介質(zhì)有普通礦物油和抗燃液壓油，該廠連鑄機(jī)液壓系統(tǒng)所用工作介質(zhì)為抗磨液壓油。

系統(tǒng)壓力與工作介質(zhì)有關(guān)，根據(jù)該廠現(xiàn)場實(shí)際使用情況，系統(tǒng)工作壓力取18MPa。

1.2.2 高壓泵組流量計(jì)算

圖2 系統(tǒng)的流量－時(shí)間圖Fig.2 System flow－time chart

泵的流量是根據(jù)系統(tǒng)在一個(gè)工作循環(huán)中的平均流量來選取的［4］。根據(jù)本液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件參數(shù)和系統(tǒng)工藝流程，繪出圖2所示的系統(tǒng)流量－時(shí)間圖。由圖2中可知，翻轉(zhuǎn)冷床升降缸上升、5流翻鋼機(jī)油缸上升和推鋼機(jī)油缸上升同時(shí)動(dòng)作時(shí)，系統(tǒng)流量達(dá)到峰值，Qmax＝1002L／min；泵的平均流量Qm＝597L／min。因此，本系統(tǒng)選擇力士樂恒壓變量泵A10VSO140DR／31R共4臺(tái)，使用3臺(tái)，1臺(tái)備用。該泵單臺(tái)的最大流量為207L／min，因此本系統(tǒng)泵組的總供油量為Q泵＝621L／min。

2 蓄能器的選擇

2.1 工作參數(shù)的選定

蓄能器的重要設(shè)計(jì)參數(shù)有系統(tǒng)工作容積VW、總?cè)莘eV0、工作溫度、最大排油量和氣體最低工作壓力P1、最高工作壓力P2及預(yù)充氣壓力P0等，其中P1、P2和VW由系統(tǒng)本身決定，是確定總?cè)莘eV0最基本的參數(shù)。

2.1.1 工作容積的選取

由于出坯系統(tǒng)動(dòng)作較頻繁，工況也較惡劣，另外考慮到系統(tǒng)存在油缸和閥的泄漏量，因此蓄能器的有效工作容積取為VW＝60L。

2.1.2 工作壓力和預(yù)充氣壓力的確定

蓄能器最高工作壓力和最低工作壓力都是由系統(tǒng)負(fù)載決定的。在不考慮管路壓力損失的情況下，蓄能器的最高工作壓力P2一般與液壓系統(tǒng)的工作壓力一致，本系統(tǒng)中取P2＝18MPa。最低工作壓力P1由設(shè)備工況決定，取P1＝15 MPa。對(duì)于皮囊式蓄能器，其預(yù)充氣壓力須滿足P0max≤0.9P1，本系統(tǒng)中取P0＝13MPa。

2.2 蓄能器總?cè)莘e計(jì)算

目前常用的蓄能器總?cè)莘e計(jì)算方法有按氣體絕熱過程考慮、按氣體不可逆多變過程考慮和溫度校正3種，不同計(jì)算方法結(jié)果差別較大，只有結(jié)合冶金系統(tǒng)實(shí)際工況選擇最為合理的計(jì)算方法才能滿足生產(chǎn)要求。下面對(duì)不同的計(jì)算方法進(jìn)行比較。

2.2.1 按氣體絕熱過程考慮

在計(jì)算蓄能器總?cè)莘e時(shí)，首先要確定其工作氣體是處于等溫狀態(tài)還是絕熱狀態(tài)［5］。冶金液壓系統(tǒng)中，蓄能器一般作為能量儲(chǔ)存器和緊急動(dòng)力源的情況較多，此時(shí)可按氣體絕熱過程來計(jì)算其總?cè)莘e，計(jì)算公式為

式中：n為指數(shù)，絕熱過程取n＝1.4。

將P1＝15MPa、P2＝18MPa、VW＝60L、P0＝13MPa代入式（2）可得：V0＝558L。

2.2.2 按氣體不可逆多變過程考慮

冶金液壓系統(tǒng)中，比較典型的情況是儲(chǔ)油進(jìn)行得很慢（等溫過程），而排放則很快（絕熱過程）。例如當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需流量較少時(shí)，泵多余的能量就會(huì)存儲(chǔ)在蓄能器中，這是一個(gè)緩慢的過程；當(dāng)事故狀態(tài)或泵流量不夠時(shí)需要蓄能器供油，此時(shí)是一個(gè)快速的絕熱過程。此種情況下可按氣體不可逆多變過程計(jì)算蓄能器的總?cè)莘e，計(jì)算公式如下：

式中：nc為慢速存儲(chǔ)階段的多變函數(shù)，是一個(gè)時(shí)間函數(shù)［5］，nc＝1～1.4。

大多數(shù)情況下，可以假設(shè)nc＝1，則式（2）可簡化為

代入?yún)?shù)計(jì)算可得：V0＝597L。

2.2.3 溫度校正

上述式（1）、式（3）是未考慮工作溫度變化的情況下計(jì)算的蓄能器總?cè)莘e。實(shí)際上，蓄能器在工作時(shí)，溫度會(huì)有很大的變化?？紤]溫度因素，蓄能器總?cè)莘e的計(jì)算結(jié)果須進(jìn)行溫度校正，其計(jì)算公式為

式中：T2為蓄能器最高工作溫度，本文選取T2＝323K；T1為蓄能器最低工作溫度，本文選取T1為293K；V0T為考慮溫度變化之后的蓄能器總?cè)莘e，L。

取式（1）和式（3）計(jì)算結(jié)果中的較大值進(jìn)行溫度校正，將V0＝597L、T1＝308K、T2＝323K代入式（4）得：V0T＝626L。

考慮到冶金系統(tǒng)工作環(huán)境惡劣，結(jié)合蓄能器樣本資料，取蓄能器總?cè)莘e為720L，即采用12組60L的皮囊式蓄能器。

另外，當(dāng)工作壓力大于20MPa時(shí)，蓄能器里面的工業(yè)氮?dú)馀c理想氣體相差甚遠(yuǎn)，還需考慮高壓校正系數(shù)。

綜上所述，用式（1）理想氣體絕熱過程計(jì)算出來的蓄能器總?cè)莘e往往偏小，實(shí)際上氣體的工作過程是一個(gè)不可逆的多變過程，故選擇蓄能器要綜合考慮溫度、多變指數(shù)與高壓校正系數(shù)等因素，這樣才能保證蓄能器工作總?cè)莘e選取得合理。

3 蓄能器動(dòng)態(tài)特性參數(shù)仿真與分析

根據(jù)前面的計(jì)算結(jié)果可知，所選蓄能器參數(shù)為：Q泵＝621L／min，P1＝15MPa，P2＝18MPa，VW＝60L，P0＝13MPa，V0＝720L。采用蓄能器專業(yè)生產(chǎn)廠商德國HYDAC公司研發(fā)的ASP軟件對(duì)所選蓄能器的壓力、溫度、容積進(jìn)行仿真分析，以校驗(yàn)所選參數(shù)的準(zhǔn)確性。

3.1 壓力曲線

蓄能器工作時(shí)，液壓系統(tǒng)中油的工作溫度一般控制在20～50℃之間。初始工作溫度為50℃和35℃時(shí)，蓄能器工作的壓力曲線如圖3所示，采樣時(shí)間為2個(gè)周期。從圖3中可知，在t＝8.16 s時(shí)，初始工作溫度為35℃時(shí)，蓄能器最低工作壓力P1＝15.8MPa，初始工作溫度為50℃，蓄能器最低工作壓力P1＝15.9MPa，可見兩種情況下最低壓力P1都大于系統(tǒng)所要求的最低工作壓力15MPa，表明在最惡劣的工況（蓄能器和泵同時(shí)供油，系統(tǒng)達(dá)到峰值流量）下，所選蓄能器的工作壓力仍能夠滿足系統(tǒng)要求。

圖3 蓄能器壓力曲線Fig.3 Accumulator pressure chart

3.2 溫度曲線

蓄能器工作時(shí)油溫的變化曲線如圖4所示。從圖4中可知，蓄能器初始工作溫度為35℃時(shí)油溫在35～24℃間變化，初始工作溫度為50℃時(shí)油溫在50～39℃間變化，兩種情況下最大溫差都達(dá)12℃左右?？梢姡驹O(shè)計(jì)中采用溫度校正法計(jì)算蓄能器的工作總?cè)莘e是合理的。

圖4 蓄能器溫度曲線Fig.4 Accumulator temperature chart

3.3 容積曲線

蓄能器容積曲線如圖5所示。從圖5中可知，當(dāng)初始工作溫度分別為35℃和50℃時(shí)，蓄能器中氣體或油的體積變化均為ΔV＝42.197L，ΔV即為蓄能器的有效工作容積，這與前面根據(jù)圖2計(jì)算得出的結(jié)果一致，可見雖然設(shè)計(jì)時(shí)蓄能器是按容積為60L選取的，但其有效工作容積仍為42L。

圖5 蓄能器容積曲線Fig.5 Accumulator volume chart

3.4 PV曲線

蓄能器的PV曲線如圖6所示。由于蓄能器液壓系統(tǒng)考慮的是最惡劣的工況，因此只考慮充油過程和放油過程的壓力。放油過程皮囊中氣體膨脹，壓力下降；充油過程中氣體壓縮，壓力升高，通常是一個(gè)多變過程［6］。從圖6中可以看出，皮囊式蓄能器的工作過程是不可逆的循環(huán)過程，故存在能量損失，即釋放的能量總比存入的少，導(dǎo)致氣體溫度升高。

圖6 蓄能器PV曲線Fig.6 Accumulator PV chart

根據(jù)以上曲線，可以得出所選蓄能器在任意時(shí)刻溫度、壓力、容積、流量以及蓄能器內(nèi)油量變化的情況。綜上分析可知，在工作時(shí)間為8.16s處，蓄能器的壓力、溫度和容積達(dá)到最低，此刻即為系統(tǒng)供油量最大處，ΔV＝42L，所需蓄能器最大流量為6.3L／s，未超過所選蓄能器允許的最大流量（30L／s）。

仿真結(jié)果表明，該蓄能器設(shè)計(jì)方法正確，參數(shù)選擇合理，能夠滿足該廠冶金系統(tǒng)蓄能器的性能要求。

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