蓄能器在16MN液壓機(jī)快鍛回程上的應(yīng)用

魏太春

西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司， 陜西西安 710021

伴隨現(xiàn)代工業(yè)化的飛速發(fā)展，人們對(duì)自由鍛件的鍛造速度及鍛造精度要求也越來越高。然而傳統(tǒng)的液壓機(jī)在快鍛過程中，有74.4%的能量均在液壓系統(tǒng)各個(gè)閥的節(jié)流上被消耗掉。由此，人們研究出一種采用蓄能器節(jié)能的新型快鍛回路，從而在滿足系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)特性的同時(shí)，還能最大程度地減少系統(tǒng)的能量損耗。

1 蓄能器及16MN 快鍛液壓機(jī)的簡(jiǎn)單介紹

1）蓄能器的基本概念。蓄能器是一種應(yīng)用在液壓氣動(dòng)系統(tǒng)中儲(chǔ)蓄能量的裝置，其能夠在合適的情況下將系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)化為位能或者壓縮能，并在系統(tǒng)需要時(shí)再將壓縮能重新供給系統(tǒng)。依據(jù)加載方式的不同，可以蓄能器分成氣體式蓄能器、彈簧式蓄能器以及重錘式蓄能器三種；

2）蓄能器的功能作用。蓄能器主要用來補(bǔ)充吸收液壓沖擊、消除脈動(dòng)、回收能量及儲(chǔ)存能量等。通常情況下，蓄能器一方面可以作為補(bǔ)充液壓泵流量不足的工具，即液壓系統(tǒng)低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，液壓泵會(huì)將載荷所需的多余流量?jī)?chǔ)蓄在蓄能器中，并當(dāng)載荷所需流量增加時(shí)，再將蓄能器中儲(chǔ)蓄的液體釋放出來，從而達(dá)到補(bǔ)充液壓泵流量不足的作用；

3）16MN 快鍛液壓機(jī)的簡(jiǎn)單介紹。快鍛液壓機(jī)組包括鍛造液壓機(jī)、操作機(jī)以及移動(dòng)站庫等幾部分，由上橫梁、工作臺(tái)、主缸、滑塊、導(dǎo)柱等構(gòu)件連接組成，通常采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，主要實(shí)現(xiàn)包括對(duì)鍛件的快速下壓和活塞桿的回程等功能。

2 在16MN 液壓機(jī)快鍛回路中應(yīng)用蓄能器

1）在液壓機(jī)快鍛回路中應(yīng)用蓄能器的工作原理?？戾懟芈肥峭瓿尚谐淘?0mm 內(nèi)、保證鍛件變形量不超過5mm 的快下、壓下和返程的工藝過程。在液壓機(jī)快鍛回路中應(yīng)用蓄能器的簡(jiǎn)化原理如圖1 所示，其工作原理是，首先，在快下的過程中，始終使得SV2（電液比例插裝閥）以及SV4（電液比例插裝閥）保持關(guān)閉，從而令回程缸成為一個(gè)密封并且保壓的容腔；其次，在壓下的過程中，將SV1（電液比例插裝閥）啟動(dòng)，讓高壓油進(jìn)入主缸之中，使活動(dòng)橫梁持續(xù)不斷下降，從而保證回程缸油液能夠流入蓄能器中并進(jìn)行能量的儲(chǔ)存，在此過程中，支撐閥PV 的作用是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行安全保護(hù)；最后，在返程的過程中，將SV1（電液比例插裝閥）閉合，同時(shí)啟動(dòng)SV3（電液比例插裝閥），對(duì)主缸進(jìn)行卸壓操作，并釋放出蓄能器中存儲(chǔ)的能量，以便保證主缸中的高壓油能夠向回程缸中流通，然后迅速將活動(dòng)橫梁上移，使之停在給定的工作原點(diǎn)，進(jìn)入下一循環(huán)[2]。

2）在液壓機(jī)快鍛回路中應(yīng)用蓄能器的主要優(yōu)勢(shì)。比之傳統(tǒng)的液壓機(jī)溢流差動(dòng)快鍛回路，在液壓機(jī)快鍛回路中應(yīng)用蓄能器，可以保證在液壓機(jī)的快鍛壓下過程中，不會(huì)發(fā)生溢流產(chǎn)熱的現(xiàn)象，并使得蓄能器提供的回程缸背壓的變化在預(yù)定的范圍之內(nèi)；同時(shí)，在快鍛的回程過程中，動(dòng)力來源是蓄能器存儲(chǔ)的能量，而蓄能器快鍛回路泵則不需參加工作，并且應(yīng)用在此快鍛回路過程中的液壓閥數(shù)量也比較少，從而在很大程度上降低了節(jié)流的損失。

3 在液壓快鍛路中應(yīng)用蓄能器的系統(tǒng)計(jì)算

為了防止氮?dú)膺M(jìn)入管道、減小蓄能器的容積和振動(dòng)的產(chǎn)生，一般在液壓快鍛回路中采用活塞式蓄能器。

1）確定蓄能器的壓力。一般利用回程缸的提升力來計(jì)算蓄能器的壓力。假設(shè)在a 狀態(tài)時(shí)，液壓系統(tǒng)的壓力是Pa、體積為Va，在液壓機(jī)快鍛過程中，蓄能器的工作頻率為1.3Hz，當(dāng)蓄能器的充氣和放氣時(shí)間在1min 以內(nèi)時(shí)，可以將系統(tǒng)當(dāng)做是絕熱狀態(tài)，這時(shí)氣體的常數(shù)k 為1.4。

此時(shí)的蓄能器相當(dāng)于氣體彈簧—阻尼模型【4】，其受力狀態(tài)方程為：

式中：psn 代表蓄能器入口的壓力；ma 代表折算到蓄能器蓄能腔的液體的當(dāng)量質(zhì)量；Ba 代表油液黏性阻尼系數(shù)；Ca 代表氣體阻尼系數(shù)；ka 代表氣體剛度系數(shù)；A 代表蓄能器的橫截面面積；

2）主缸進(jìn)液與卸壓時(shí)電液比例插裝閥的流量計(jì)算。電液比例插裝閥SV1、SV3 在主缸進(jìn)液和卸壓過程的流量計(jì)算方程分別用qv1 和qvt 表示，其流量計(jì)算方程如下：

式中：Cd 代表電液比例插裝閥流量系數(shù)；A′代表電液比例插裝閥節(jié)流口面積；PS 代表油源壓力；P1 代表主缸工作壓力；P0 代表回油壓力；ρ 代表油液密度；

3）快鍛系統(tǒng)的流量計(jì)算。在主缸及回程缸作用下液壓機(jī)的活動(dòng)橫梁動(dòng)力學(xué)方程為：

式中：P2—代表回程缸的壓力；FL—任意外負(fù)載力；Ff—摩擦力；A1—主工作缸面積；A2—回程缸面積；m—液壓機(jī)移動(dòng)部分質(zhì)量；y—活動(dòng)橫梁位移。

主缸的流量為qv1，可以表示為：

式中：V1 表示主缸側(cè)當(dāng)量體積；K 表示油液體積彈性模量。

回程缸的流量為qv2，可以表示為：

式中：V2 表示回程缸側(cè)當(dāng)量體積。

由上述（1）—（6）公式可知，若將管道特性的影響忽略不計(jì)，則可以得出如下結(jié)論：蓄能器入口壓力psn 的變化等于回程缸的壓力P1 的變化；蓄能器內(nèi)流量A1y 的變化與回程缸流量qv2 的變化相同[5]。

結(jié)束語：作為一種在液壓氣動(dòng)系統(tǒng)中儲(chǔ)蓄能量的裝置，蓄能器在合適情景下將系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化為位能或者壓縮能，并在系統(tǒng)需要時(shí)再將壓縮能重新供給系統(tǒng)，因此對(duì)液壓系統(tǒng)具有極其重要的作用。而在液壓快鍛回路中采用蓄能器是一種全新的節(jié)能快鍛方式，由于在該新型快鍛回路中動(dòng)力來源是蓄能器存儲(chǔ)的能量，并且使用的液壓閥數(shù)量較少，從而避免了大量的節(jié)流損失，因此該采用蓄能器的液壓快鍛回程方式具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1]張林祿，李漪淼.活塞式蓄能器在泵控系統(tǒng)快鍛油壓機(jī)中的作用和容積計(jì)算[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2010，45(1)：164-166.