泵控系统快锻油压机快锻回程部分的工作原理.doc

活塞式蓄能器在泵控系统快锻油压机中的作用和容积计算
1. 泵控系统快锻油压机快锻回程部分的工作原理

如图一所示，快锻回程部分主要由回程缸1、活塞式蓄能器站2和回程阀块3等部分组成。快锻时，高压油从活塞式蓄能器和供油泵同时通过阀135.1进入回程缸，使压机动梁升起。加压时，回程缸内的油从原路返回蓄能器。蓄能器内的油位（或压力）下降到超过允许值时，由辅助泵通过阀130.1和130.3补油。油位（或压力）升高超过允许值时，通过阀130.2返回油箱。
2. 活塞式蓄能器站在快锻时的作用
就单独回程部分讲，活塞式蓄能器站就相当于泵---蓄势器传动的液压机。压力机加压工作时不用，仅回程时用。50MN快锻液压机有2个直径φ350mm的回程缸，机器快锻时的锻造次数达70min-1，要求回程速度210mm/s，需流量为270L/min的泵9台供油。特点是机器加压工作时，回程缸内的油回注到蓄能器，这既可减小加压时的振动，又可减小泵的供液量，节省能源，提高快速性；缺点是液压机的压力略有减小。另外由于液压机的辅助设备（如移动工作台等）的液压系统在机器工作时也不工作，为了充分发挥其作用，辅助设备的泵也向蓄能器供油，因此，活塞式蓄能器无需设置大流量补液泵。
蓄能器采用活塞式，主要是为减小蓄能器的容积和防止氮气进入管道，避免产生振动。
3. 活塞式蓄能器站的设计
3.1 蓄能器压力的确定
蓄能器的压力可按回程缸的提升力计算。回程缸的提升力包括（以50MN压机为例）：活动横梁的重量1.5MN；3个主柱塞重量0.3MN；2个回程柱塞重量0.045MN；考虑液压机主缸在0.8Mpa的压力下回程，产生的阻力1.03MN；其他阻力（各液压缸密封处的摩擦力0.085MN+各导向处的摩擦力0.36MN+活动横梁上升时需要产生加速度的力0.775MN）。
以上各力之和为4.095MN，分配到一个回程缸的力为2.05MN。则回程缸的液体压力为：
P==28.8MPa
最后按31.5Mpa计算活塞式蓄能器的压力。
3.2 活塞式蓄能器有效容积的计算
活塞式蓄能器相当于水泵—蓄势器传动中的水罐。其中，装有高压油和氮气。
3.2.1 活塞式蓄能器使用前储油量的计算
活塞式蓄能器使用前的储油量和精锻时的压下量（h）和回程高度（h1）与回程缸的直径和数量以及每分钟的锻造次数有关。50MN液压机精锻时的参数：当压下量h=20mm，回程高度h1=50mm时，锻造次数30min-1：当压下量h=5mm，回程高度hi=25mm时，锻造次数70min-1。
锻件在精锻时，为了不出废品或重新回炉，在补油泵突然发生故障，不能向蓄能器补油时，要求蓄能器内的储油量，还能使压机连续回程20～30次。50MN压机使用前应有储油量：
Q= （1）
式中：d----回程缸直径，d=35mm：
n----回程缸数量，n=2：
n1---供液泵出故障时的回程次数。
经计算：
Q1=
Q2=
式（1）可以用来计算所有快锻液压机用活塞式蓄能器使用前的储油量，其值可以取较大值。因为是靠辅助泵补油，其数量较多，共4台辅助泵，一般不会同时发生故障。50MN液压机活塞式蓄能器的储油量可以取200dm3。
3.2.2 蓄能器内的气体容积
为了使活塞式蓄能器的容积尽量小些，降低造价，其气体部分的容积也尽量取小些，为保证蓄能器有较小的压力波动（一般应在2%～5%左右），氮气体积的不足部分由氮气瓶的容积来补充。50MN液压机取活塞式蓄能器总有效容积为250dm3。
4. 活塞式蓄能器站气体部分总容积的计算
蓄能器站气体部分的总容积相当于泵---蓄势器传动水压机的气罐总容积，每次加压后蓄能器站的压力降低后还应能使回程缸有足够的提升力和提升速度，即允许有一定的压力降。气体在活塞式蓄能器站系统内的变化，可视为绝热过程。气体方程式为，在压力P=31.5MPa时，其绝热系数n=1.4，因此有：
（2）
式中：V1、V2---高压液体在蓄能器站中每次加压前后的气体容积。
若以Qo和α分别代表每次加压前后活塞蓄能器内的机动容积变化和压力变化，则有：
和
将其代入方程式（2）中可得：
（3）
式中Qo和使用前储油量Q一样，也和回程缸的直径和数量及精锻时的压下量和回程高度有关。如果回程缸的数量为2，每次精锻时的最大机动容积为：
（4）
经深入研究和计算可知，泵—蓄势器传动的本身效率可达99.9%以上，但永远达不到100%。对泵---蓄势器传动的水压机，罐内的压力降在2%～5%，其本身效率在95%～98%时是最经济适用的。活塞式蓄能器的特点因每次加压时，回程缸内的油又返回蓄能器，能量损失较小，机动容积Qo的变化也较小，因此，压力降也小，取允许值为2%～3%，传动效率为97%～98%时是最经济适用的。
此时，α=0.97～0.98，将α值代入中得到其取值范围为46～69。
再将Qo和α值代入式（3）中，得到蓄能器站内的气体总容积：
（5）
公式（1）、（4）和（5）就是计算活塞式蓄能器的基本公式。
对于50MN液压机，经计算V1=441～661.5dm3。取V1=450dm3，蓄能器内储油200dm3时，工作前系统的总气体容积为500dm3，快锻开始时的第一次压力降最大。
但是用一台270L/min的高压泵给蓄能器补油，即可满足要求，以下计算可证明这一点。
每分钟锻造30次时，第一次加压后，蓄能器系统内的气体容积、压力、压力降分别为：

连续第二次加压，每次泵给蓄能器补油：
270/30=9dm3 。
蓄能器从回程缸得到返回的油：

同理，第二次加压后的气体容积、压力、压力升高分别为：
509.6-9-5.77=494.83dm3

(31.95-30.67)/30.67=4.17%
每分钟锻造70次时，第一次加压后，蓄能器系统内的气体容积、压力、压力降分别为：

（31.5-31.08）/31.5=1.3%
连续第二次加压，每次泵给蓄能器补油：
270/70=3.85dm3
蓄能器从回程缸得到返回的油：

连续第二次加压后的气体容积、压力、压力升高分别为：
504.8-3.85-3.84=497.11dm3

(31.75-31.08)/31.08=2.15%
由以上计算结果可见：①两种情况在连续第二次加压后，活塞蓄能器内的压力升高都超过了31.5Mpa，再继续加压，必须采取措施使蓄能器内的压力不再升高。压力传感器54.9可完成这一任务。当蓄能器内的压力达到31.5Mpa（具体数值调试时确定）时，54.9发出指令，使132.2阀得电，蓄能器通过130.2阀向油箱排油。反之，当蓄能器内的压力下降到31.5Mpa以下时，54.9也发出指令，使132.1阀得电，132.2阀失电，辅助泵将给蓄能器补油。因为快锻时每分钟的加压次数很高，这样反复给蓄能器补油和放油的次数也很高。所以132.1和132.2阀的换向频率也很高，应使用二位三通球阀。②两种情况下的计算结果相差不大，说明用一台270L/min的辅助泵给蓄能器补油就可完成快锻时的动梁回程任务。没有必要用3台大流量大功率（每台450KW）的加压回程主泵参与快锻时的回程。这里值得提出的是：如果不能较精确的控制快锻时回程缸升起的压力和流量，回程时就可能产生强烈的冲击或振动，即无法更好的控制回程高度。③上述计算结果也说明用公式（1）、（4）和（5）计算活塞式蓄能器站的主要参数是可以满足使用要求的。
5. 快锻液压机的回程速度和调整
一般快锻压机的回程速度在180～210mm/s之间。精锻时液压机的回程主要是靠蓄能器和一台辅助泵供油。因此，回程速度是由活塞式蓄能器的出口通径和压力决定的。其出口处的流速一般不应超过9m/s，出口的通径又和快锻时的回程高度和锻造次数相关。
用补油泵的流量来调节回程速度既不经济也不方便。50MN液压机蓄能器的出口通径为DN80，压力为31.5Mpa已足够，其速度的调节应将135.1的插装阀做成可调的。在液压机调试时，在一定蓄能器的压力下，将回程速度调到210MM/s就固定下来。在以后的工作中，补油泵给蓄能器补油则是根据蓄能器的压力降或油位变化，并以此来保证一定的回程速度。