泵-蓄勢器傳動的鍛造液壓機主要參數的確定和計算（一）

李 龍，張林祿，張 偉

（北方重工集團有限公司，遼寧沈陽110141）

1 鍛造液壓機的傳動方式和工作介質

鍛造液壓機的傳動方式有三種：泵直接傳動；泵-蓄勢器傳動和泵直接傳動與泵-蓄勢器傳動的聯合傳動。液壓機廣泛使用的液體工作介質有兩種：一種是礦物油，一種是水的乳化液。

以油為介質的液壓機多為泵直接傳動，但也有用泵-蓄勢器傳動的。沈重與德國潘克公司合作生產的16-25/30MN快鍛油壓機，就是采用泵直接傳動和泵-蓄勢器傳動的聯合傳動。壓機加壓用七臺RX360型正弦泵。每臺流量750L/min，電機功率315kW，不考慮供液泵的裝機容量為2205kW。另外還需兩臺為七臺主泵供液的泵。每臺流量3750L/min，電機功率110kW。總裝機容量為2425kW。比相同規格蓄勢器傳動的壓機總裝機容量大一倍以上。從這點看并不比蓄勢器傳動效率高。主缸工作壓力為35MPa。無論是快鍛、常鍛和鐓粗，動梁回程都用泵-蓄勢器傳動。加壓時回程缸內的油返回到蓄勢器。只有鐓粗時回程缸內的油才回到油箱。蓄勢器由一個300L的活塞式蓄勢器和一個3000L氮氣罐組成。最近潘克公司為我國通迪公司制造的70NM鍛造油壓機也是采用泵直接傳動和泵-蓄勢器傳動的聯合傳動。所謂改進型正弦泵控系統的鍛造壓機，快鍛時動梁回程都是用泵-蓄勢器傳動，即快鍛加壓時回程缸內的高壓油返回到蓄勢器，為下次動梁回程提供動力。這就是所說的壓縮能得到充分利用，因而節能的原因之一。70MN壓機動梁回程用一個230L的活塞式蓄勢器和一組六個氮氣瓶組成，每個75L，共450L。動梁回程時液體壓力都是31MPa，活塞蓄勢器內油量減少時，由用于移動工作臺液壓系統的泵（輔助泵）補油。壓力降低時充氮氣。

就液壓傳動本身來講，泵-蓄勢器傳動的效率永遠低于泵直接傳動。但適當增加蓄勢器的壓力和容積可使其本身的傳動效率接近直接傳動。從全面分析，泵-蓄勢器傳動的效率要高于泵直接傳動。泵-蓄勢器傳動效率低于泵直接傳動是如下解釋的，如圖1所示。

圖1 供液壓力（或液壓機壓力）與液壓機行程變化（或工作時間）的關系曲線

圖中，粗實線為工藝過程負荷曲線，虛線為高壓泵的供液壓力，細實線為蓄勢器的供液壓力，點劃線為液壓機壓力。泵直接傳動的效率為粗實線所包圍的面積與點劃線包圍面積之比。蓄勢器傳動效率為粗實線所包圍的面積與細實線所包圍的面積之比。顯然，泵-蓄勢器傳動的效率低于泵直接傳動的效率。這種解釋值得探討，因為泵-蓄勢器傳動，壓機每次加壓后，其壓力都是變化的（由B點降到C點），細實線（AB）下面的面積應理解為壓機在工作間歇時間內泵打出的高壓液體，即所做的功變為勢能，儲存在蓄勢器內。使蓄勢器具有勢能，在壓機加壓時轉變為動能作功。壓機每次加壓時僅用其中一小部分（ABC的面積），它在加上泵每次加壓時打出的高壓液體所作的功才是壓機對鍛件變形所作的功。它用此圖形表示不出來，而且壓機對鍛件變形所作的功是一個比較復雜的過程。所以不能用此圖簡單說明誰的效率高低。詳見資料[1]。

2 鍛造液壓機工作時的動態分析

鍛造液壓機根據鍛件的工藝要求，分為常鍛、快鍛和鐓粗。常鍛和鐓粗時加壓的工作行程大，回程量也大。因此工作缸和回程缸需要大量的高壓液體。每分鐘的鍛造次數低。一般20～25MN鍛造壓機，常鍛時每分鐘8～12次。50MN以上的壓機常鍛時次數更低。一般鍛造壓機生產鍛件時都是連續鍛造的。經過幾次大行程的常鍛后，鍛件尺寸接近成品尺寸，工作行程逐漸變小。用液量也減小，每分鐘的鍛造次數增加，轉為精鍛或稱快鍛。快鍛時，25MN液壓機每分鐘鍛造次數可達35～45次，采用泵-蓄勢器傳動的壓機工作特點是：壓機每次加壓的壓力都是變化的。在鍛造鍛件時，都是連續進行的，壓機實際發出的壓力，就是加壓時蓄勢器放出高壓液體以后工作缸的壓力和工作柱塞總面積的乘積。過去壓機的壓力（公稱壓力）都是以蓄勢器的壓力和柱塞面積乘積來計算。即：

式中：PS——蓄勢器內的液體壓力，MPa；

A——液壓機工作柱塞的總面積，m2。

液壓機在工作時，蓄勢器中的氣體變化過程可視為絕熱（或等溫）過程，則有方程式：

液壓機在動態工作中所發出的壓力為：

式中：V1、V2——加壓前、后蓄勢器中的氣體容積，m3；

P——加壓后工作缸內的液體壓力，MPa。其值隨氣罐總容積變化而變化；

d——工作缸直徑和數量，m；

n——工作缸數量；

i——絕熱系數。在壓力PS=32MPa時i=1.4。

上式說明，壓機工作時發出的壓力與蓄勢器最初使用壓力和氣罐總容積有關。通過后面的進一步分析和計算可知，壓機連續第二次加壓以后的壓力，除與上述因素有關外，還取決于高壓泵每分鐘的總供液量。即液壓機和蓄勢器的主要參數及每分鐘的鍛造次數一定時，壓機每次鍛造時發出的壓力還決定于高壓泵的總供液量，有三種情況：

（3）壓機連續加壓時，壓力不變。壓機連續加壓時，每次高壓泵的總供液量與蓄液罐的耗液量相等時，蓄勢器內的高壓液體不增不減，蓄液罐內的壓力不變，壓機的壓力也不變。這就是泵-蓄勢器傳動的自由鍛造液壓機的三種工作狀態。

液壓機的三種工作狀態不是固定不變的，對任何一臺確定的自由鍛造液壓機，這三種狀態是可以互相轉化的。工作時只能處于某種狀態，主要決定于加壓時的工作行程和每分鐘的加壓次數，要求壓機每次的加壓行程大，每分鐘的加壓次數多。系統壓力逐漸降低，壓機達不到公稱壓力。反之，壓機工作行程或每分鐘加壓次數減少到一定程度，壓力可達到不變，再減少工作行程和次數，系統壓力逐漸升高，壓機發出的壓力亦升高，可達到或超過公稱壓力。

泵-蓄勢器是液壓機液壓系統的重要組成部分。合理計算和確定蓄勢器的壓力和氣罐總容積，對提高蓄勢器的傳動效率，降低設備制造和投資成本及能耗具有重大意義。

3 液壓機設計前應先確定的主要參數

3.1 液壓機壓力、蓄勢器壓力和工作壓力

3.1.1 液壓機壓力

液壓機的壓力即公稱壓力，現在多用MN或kN表示，是設計前應確定的基本參數之一。它是由使用單位根據生產的鍛件工藝要求提出的。是用來計算工作缸直徑和數量等的主要依據。

3.1.2 蓄勢器壓力

蓄勢器內使用前的液體壓力是蓄勢器傳動的最主要參數之一。過去我國水傳動的各類壓機的液體壓力分20MPa和32（31.5）MPa兩級。蓄勢器的壓力應根據液壓機的規格選用液體壓力，一般來說，選用液體壓力高時設計出的液壓機重量輕、效率高。為了提高蓄勢器傳動效率，蓄勢器應盡量選用較高的液體壓力。而不應受壓力分級的限制。

3.1.3 工作壓力

液壓機的工作壓力是指液壓機在確定的工作行程加壓時工作缸中的液體壓力。壓機的公稱壓力應按此壓力計算。不應按蓄勢器的壓力計算。由后面的分析和計算可知，用其壓力比蓄勢器壓力低4～5%時計算的工作缸直徑，并由此計算出的氣罐總容積是最經濟適用的。

3.2 液壓機的工作行程和最大行程

3.2.1 工作行程

和液壓機的壓力一樣，工作行程也是設計前應確定的基本參數之一。主要是用來確定高壓泵的每分鐘總供液量。壓機的實際工作行程即每次加壓時的壓下量，則由鍛件的鍛造工藝要求給定。壓機的實際工作行程可大于或小于工作行程。為了確定高壓泵每分鐘的平均供液量，20～50MN的泵-蓄勢器傳動的壓機工作行程按180～200mm給出；大于60～100MN的壓機工作行程為200～250mm之間；大于100MN的壓機為275～300mm。

3.2.2 最大行程

液壓機的下底座與上橫梁之間的距離過去一般稱為閉合高度。安裝上活動橫梁后下底座與活動橫梁之間的最大距離稱為活動橫梁行程或最大行程。是決定鍛造最大鍛件的規格尺寸和重量的依據。也是過去計算蓄勢器機動容積（有效蓄液量）的依據。

3.3 液壓機的工作速度

液壓機的工作速度也是用來計算高壓泵每分鐘總供液量和其他參數的依據。液壓機的實際工作速度無論是泵直接傳動還是泵—蓄勢器傳動，都取決于鍛件的變形阻力，阻力大速度慢，阻力小速度快。從鍛件的鍛造工藝和生產率考慮，希望壓機的加壓速度越快越好。特別是鍛造合金鋼的鍛件，不僅要求鍛件的變形速度（加壓速度）快，而且也希望每分鐘的鍛造次數多。因此出現快鍛壓機。快鍛壓機每分鐘鍛造次數可達80～120次。潘克公司在介紹改進型正弦驅動系統的液壓機時說：液壓機的液壓驅動系統應使鍛壓速度至少為120mm/s，如果＞150mm/s或更大會更好。因為快鍛壓機多為泵直接傳動，增加工作速度就要增加泵的流量，增加裝機容量。所以泵直接傳動的快鍛油壓機裝機容量是由快鍛時的加壓速度決定的。其常鍛和鐓粗速度一般都比快鍛時的速度小很多，也比泵-蓄勢器傳動加壓速度小很多。要按泵-蓄勢器傳動的加壓速度確定泵直接傳動的加壓速度，其裝機容量比蓄勢器傳動的裝機容量要大很多。如果用定量泵，泵給出的速度是恒速的。

對泵-蓄勢器傳動的壓機，由于壓機在工作的間歇時間（一般壓機常鍛時工作的間歇時間為工作時間的3～5倍），泵打出的高壓液體儲存在蓄勢器中。蓄勢器中具有勢能，在壓機工作的瞬間釋放出來，勢能轉變為動能作功。壓機的活動梁、柱塞等活動部分的重量，中小型壓機達數噸或數十噸，大型壓機達數百噸，加壓時（上傳動）活動梁都是向下運動的，不考慮立柱和導套、柱塞和工作缸之間摩擦力。壓機開始加壓時的速度是加速運動，如果將活動部分視為一個物體或質點，根據牛頓動力學公式F=ma，其中a為動梁下降時的加速度，m/s；F為動梁產生加速度的力，kgf。F=mg+P-P1-R1-R2-R3，其中 g 為重力加速度；m為動梁運動部分質量；P為壓機的公稱壓力；P1為工件的變形阻力；R1、R2、R3為工作缸、回程缸和動梁導向套間的摩擦力。

將各值代入上式有：ma＝mg+P-P1-R1-R2-R3

上式即說明泵－蓄勢器傳動的液壓機工作中發出的速度總是在變化的，而且一開始給出的速度就是很大的，甚至不受泵的流量和裝機容量的限制，就可達到較高的工作速度。也就是蓄勢器給出的加壓速度遠遠大于設計時給出的工作速度，從這點也不難看出，蓄勢器傳動的壓機效率也比直接傳動的高。

為確定蓄勢器傳動的其他參數，例如要確定高壓泵每分鐘的平均供液量和臺數，必須在設計前確定一個適當的工作速度，以滿足壓機的鍛造工藝和使用要求。根據多年工作經驗，現在20MN以下的壓機工作速度一般確定為0.1m/s；25～60MN壓機為0.15m/s；60～160MN 壓機確定在 0.075～0.1m/s。不同規格鍛造液壓機的工作速度、工作行程、最大行程和鐓粗行程如表1所示。

3.4 空程速度和回程速度

潘克公司在介紹改進型正弦驅動系統的鍛造液壓機時說：高回程速度對生產率影響較小，高快進速度（空程速度）也幾乎不會節省時間，壓機的工作過程是連續的一個循環接著另一個循環。故高的空程速度和回程速度又難以操作。然而，速度慢，則能很好調整。空程速度快，壓機易磨損，耗能高。運行速度越快，耗能越多。這是為了說明正弦驅動系統的液壓機節能。因為正弦驅動系統的液壓機空程下降和回程都用泵提供流量和壓力。因此改進型正弦驅動系統的鍛造壓機的空程速度和回程速度都取較小值。一般空程速度取140～200mm/s；回程速度取160～210mm/s。蓄勢器傳動的壓機空程下降是靠充液罐內的液體壓力（一般為0.8～1.2MPa）為主缸充液。充液罐內的液體是由主缸加壓后卸壓得到的。因此也是節能的。

表1 不同規格鍛造液壓機工作行程、最大行程和鐓粗行程

泵-蓄勢器傳動的液壓機，動梁的空程下降速度和回程速度一般取相同數值。公稱壓力小于10MN的壓機空程速度和回速度均取400mm/s，20MN～60MN的壓機空程速度和回程速度取300mm/s，大于60MN以上的壓機取250mm/s。參看表1。

以上介紹的泵-蓄勢器傳動的液壓機工作速度，回程速度和空程下降速度的確定是指老式泵-蓄勢器傳動的鍛造水壓機而言。因為過去受水閥種類和功能的限制，這三種速度在工作中都無法調到固定值。也就是老式水壓機的液壓系統和泵-蓄勢站用的是老式分配器和電磁分配器。主缸和回程缸的進水和排水都是由凸輪機構和分配器的進、排水閥芯組成的分配閥組控制的。即每次壓機動作都必須通過凸輪軸上的扳把手動控制其閥的開啟量和速度。

鍛造液壓機較早的傳動方式都是以水的乳化液為工作介質的泵-蓄勢器傳動。以油為工作介質的鍛造液壓機多為泵直接傳動。特別是快鍛壓機，是上個世紀70年代得到快速發展的。主要原因是由于鍛造合金鋼鍛件的鍛造溫度窄，要求變形速度（加壓速度）快，每分鐘有較高的鍛造次數。另外也是因為以油為工作介質的各種功能的閥和插裝閥，特別是高壓快速動作的球式電磁換向閥（每分鐘可向換250次）和大流量變量泵的發展。使得以油為工作介質的快鍛油壓機得到快速發展。以乳化液為工作介質的閥，因其易泄漏，各種功能的閥發展較慢。但是，正如潘克公司介紹的那樣，大量的調查與科研工作改進了液壓系統控制單元的零件及液壓泵，水介質高壓驅動單元。結果在密封技術、耐磨性能及可控制性方面取得了顯著提高。以乳化液為工作介質的高壓兩位三通換向閥也早已問世。上世紀八十年代，沈重與西德合作生產的單層熱壓機的液壓系統（以乳化液為工作介質的泵蓄勢器傳動）已用這種閥。這種閥也已用在自由鍛造水壓機上。鞍鋼重機廠從德國進口的80MN鍛造水壓機也是用這種閥。這些技術目前在國內還沒看到用在自由鍛造水壓機上。如果將這些技術用在新設計的鍛造水壓機或老式水壓機改造上。不僅可使水壓機的工作速度、回程速度及空程速度實現可調，而且也可實現泵-蓄勢器傳動的液壓機給出的工作速度也是恒速的，并和泵直接傳動的油壓機一樣非常容易實現壓機的壓力分級。并可實現壓機的自動和微機控制。

4 蓄勢器傳動液壓機的計算參數

確定了上述五項基本參數，和常鍛時液壓機的每分鐘工作次數后，就可以計算液壓機的其他主要參數。以25MN壓機為例，設計前確定的主要參數如下：壓機公稱壓力N=25MN；蓄勢器壓力ps=32MPa；工作行程200mm；工作速度150mm/s；空程速度300mm/s；回程速度300mm/s；常鍛時工作次數10次/分；最大行程1800mm。

4.1 工作缸直徑d的計算

式中：N——壓機公稱壓力，N=25MN；

ps——蓄勢器壓力，ps=32MN；

n——工作缸的數量，n=3。

取d=580mm。

4.2 回程缸直徑d1的計算

回程缸的直徑應根據活動橫梁的重量和工作缸、回程缸和柱塞之間、活動梁及導向之間摩擦力等條件來計算。

經計算，25MN壓機回程缸的直徑可取d1=0.25m，數量兩個。

4.3 泵每分鐘供液量的計算供應一臺壓機的泵每分供液量按下式計算：

式中：h——主柱塞工作行程，h＝0.2m；

h1——回程缸回程高度，h1=0.25m；

∑F1——回程缸柱塞總面積，∑F1=×0.252×0.25×2m2；

η——液壓機容積效率，一般取η＝0.9；

n——液壓機常鍛時的每分鐘沖次，n＝10。

計算得：Q=2.03m3

因此取流量為1m3/min的高壓泵3臺，其中一臺備用。泵的工作壓力為32MPa，電機功率630kW。

4.4 蓄勢器的容積計算

4.4.1 蓄勢器蓄液罐容積的計算蓄液罐使用前的蓄液量按下式計算：

式中：V1——上安全容積，m3；

V2——機動容積（有效容積），m3；

V3——下安全容積，m3，是為了防止液體全部流出，高壓氣體進入管道引起振動，此時應將低液面閥關閉；

V4——下安全容積，m3，罐內流不出來的液體。

對部頒標準4m3的液罐：V3+V4=0.5m3。

蓄液罐內容納高壓液體的總容積不超過該罐總容積的三分之二，如超過，應設置兩個蓄液罐。

機動容積V2過去是如下解釋的：蓄勢器機動容積應能滿足液壓機最大高壓液體消耗量減去該段時間內泵的供液量。蓄勢器的機動容積資料[2]中有兩種計算方法：

第一種計算方法：

式中：∑F1——主柱塞工作面積總和，cm2；

∑F2——回程柱塞工作面積總和，cm2；

H0——液壓機最大行程，cm；

C——液壓機工作行程與最大行程之比。

對5000kN以上的液壓機按經驗公式選取：

式中：P—液壓機的額定壓力，kN。

第二種計算方法：

式中：QC——全部液壓機在每秒內高峰耗液量總和，L/sec；

QH——選定的單臺泵的供液量，L/min；

n——選定的泵的臺數；

tn——高峰持續時間，通常采用全部液壓機或部分液壓機的工作行程的平均持續時間，sec。

資料[3]只介紹了這種計算方法。

沈重在上世紀五十年代是前蘇聯援建或擴建中國156個項目之一的單位。當時蘇聯專家介紹，蓄勢器機動容積的計算有三種方法。

第一種方法：

此法與式（4）相同，其計算單位為dm或m，計算結果為dm3（L）或m3。公式（4）中的700應改為0.7，否則單位應為cm。但計算體積很少用cm為單位。

第二種方法：

式中：g——泵的供液量，dm3/min或m3/min；

t——工作行程的持續時間，Sec。

第三種方法：

式中：H1——壓機鐓粗行程，其值參見表1。

蘇聯專家介紹說，這三個公式都是經驗公式，應用時必須結合具體條件進行計算。

公式（4）或（6）中的C值，都介紹說是液壓機的工作行程與最大行程之比。但實際給出的還是經驗公式，即：

所以公式（4）更難理解。公式（7）可理解為：蓄勢器的機動容積（有效蓄液量）是壓機工作行程時，工作缸消耗的高壓液體減去泵同期供液量的7～10倍。沒考慮回程缸耗液量，但考慮了工作缸或液壓系統的容積效率為90%。也可以理解為是蓄勢器的液位處于逐漸下降或高壓泵突然發生故障時，蓄勢器內有效容積仍可使壓機繼續工作幾次。

公式（8）可理解為蓄勢器的機動容積（有效容積）是壓機一次鐓粗行程時，工作缸的用液量減去泵同期供液量的1.25倍。

公式（5）經詳細分析和反復多次試算可知：無論是單臺還是多臺壓機，其計算結果都是一個很小的數量值。因為無論壓機的壓力和加壓速度有多大，壓機在一秒鐘內加壓的用液量都是很小的。再減去泵的同期供液量（Qh·n·），其值就更小。高峰持續時間就是液壓機在最大工作行程時的加壓時間，也只有幾秒鐘。按公式（5）計算的機動容積也增加不多。因此不能用其來作為蓄勢器的機動容積（有效蓄液量）。單臺壓機高峰用液量出現在壓機連續加壓的每開始第一次加壓時，這是因為壓機連續加壓后，到下次加壓開始的間歇時間比加壓時間長得多，高壓泵補充高壓液體也多。因此蓄勢器內的最大耗液量即為壓機連續加壓時每開始第一次加壓時的耗液量，可按下式計算：

式中：d——工作缸直徑，m；

h——工作行程，m；

d1——回程缸直徑，m；

h1——回程高度，m；

Qh——選定的單臺泵的供液量，L/min；

n——選定的泵的臺數；

tn——高峰持續時間，sec。

用公式（4）或（6），（7）和（8）計算的機動容積是蓄勢器使用前的有效蓄液量。用公式（9）計算的結果才是壓機每次加壓時真正的機動容積。它是隨壓機每次加壓的行程即鍛件的壓下量而變化的。它也不能用來作為蓄勢器使用前的有效蓄液量。用它只能滿足壓機一次加壓的高峰用液量，壓機連續進行第二次加壓或一旦高壓泵出現故障，壓機就得立刻停止工作。因為這時蓄勢器中已沒有可利用的有效液體。若使泵出現故障時，壓機還能工作6～7次，應將公式（9）乘以6～7的系數。考慮回程缸直徑較小，相對主缸用液量小很多；和加壓的高峰持續時間短，泵補充的高壓液體有限，兩者基本可以抵消，由公式（9）可推出蓄勢器使用前的有效蓄液量V2新的計算公式，即：

按公式（10）計算25MN壓機的機動容積：V2=1.08～1.19m3，與按公式（4）計算的結果 1.17m3基本一致。

用公式（6）或（4）、（7）、（8）、（10）四種方法分別計算不同規格壓機蓄勢器機動容積（有效容積）并對結果進行比較可知，四種方法的計算結果基本一致。用公式（6）、（7）、（8）計算，不但道理解釋不清且比較復雜。公式（7）、（8）國內可能已基本失傳。用公式（10）計算，道理明確清楚，計算簡單方便。只要知道工作缸的直徑、數量和工作行程就可計算出蓄勢器使用前的有效蓄液量，計算結果和用公式（6）、（7）、（8）計算的結果也基本一致。

對25MN壓機的機動容積按前面計算結果取V2=1.15m3。蓄勢器使用前的總蓄液量：

對用4m3的標準蓄液罐，1.75≤V（≤2.67），因此選用一個蓄液罐。

（未完待續）