泵－蓄勢器聯合傳動在40 MN擠壓機中的應用

董曉娟，權曉惠，荊云海，張立波

(金屬擠壓與鍛造裝備技術國家重點實驗室，西安 710032)

0 前言

隨著我國國民經濟的快速發展，高效清潔的核電已被列為重點發展方向之一，而核電用鋯合金管等材料的生產主要依賴進口，難以滿足國內核電站建設用管的需求。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的擠壓設備。由于其生產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不同于常規擠壓機，其設計增加了很大的難度。本文對該擠壓機的泵－蓄勢器聯合傳動進行了分析研究。

1 40 MN擠壓機的主要技術參數及對液壓系統的要求

某公司40 MN臥式雙動擠壓機由擠壓機主機、機械系統、液壓系統和電氣控制系統組成。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構。

1.1 擠壓機的主要技術參數

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)

擠壓筒移動速度≤250 mm/s(可調)

穿孔速度≤200 mm/s(可調)

穿孔回程速度≤280 mm/s(可調)

主系統工作壓力28 MPa

輔助系統工作壓力20 MPa

1.2 40 MN擠壓機對液壓系統的要求

40 MN擠壓機的液壓控制系統必須保證壓機各個動作運行快速、平穩且無沖擊;操作應方便靈活，易于實現電氣程序化控制;保證系統運行狀態的控制、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定，在小規格產品擠壓時，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擠壓機液壓系統的控制方案

現代擠壓機液壓控制系統多采用以液壓油為介質。以水為介質的泵－蓄勢站傳動由于難于實現自動精確控制、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40 MN臥式雙動擠壓機液壓控制系統的要求，本文對液壓系統的動力源傳動方式、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有泵直接傳動、泵蓄勢器傳動、泵－蓄勢器聯合傳動等方式。泵－蓄勢站聯合傳動的優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，系統各執行元件動作時所需的最大流量為3800 l/min，約為系統最大流量的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，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;

蓄勢器的總容積 (充入氮氣后的總容積)

式中，n=1.4，1/n=0.7143(按絕熱狀態)。

考慮到采用工業氮氣不符合理想的絕熱氣體條件，取絕熱校正系數為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－蓄勢站聯合傳動的優點:

(1)與泵直接傳動相比，裝機功率可減少1700 kW，減少約40.5%;

(2)液壓系統的能耗有效降低。裝機功率減少1700 kW，意味著系統中少了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，空轉時仍有約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流調速、容積調速、容積與節流聯合調速等方式。

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

擠壓速度在0.5～5 mm/s時，系統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流調速直接控制。一方面，變量泵在流量小于額定流量10%時，存在死區;另一方面，變量泵響應較慢難以達到精度要求。因此，采用通過容積與節流聯合調速方式進行控制，選用DN32通徑高頻響比例流量閥+變量泵，由變量泵進行粗調，高頻響比例流量閥進行精調控制。既降低了節流調速造成系統發熱，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，進行容積調速即可實現系統不同擠壓速度的控制要求。

擠壓速度在45～100 mm/s時，系統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，在并聯的活塞式蓄勢器主缸進液回路中設置了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，同樣可根據速度要求，首先由泵組對系統流量進行粗調，然后通過比例流量閥進行精調，盡可能降低能耗，減少系統發熱量。

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)，采用容積與節流聯合調速方式進行控制;在中速段 (5～45 mm/s)，采用容積調速方式進行控制。系統調速控制原理如圖2所示。

圖2 容積與節流聯合調速控制原理圖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，造成系統壓力過高而損壞擠壓工具，需要對系統壓力進行限定。本擠壓機采取在主缸進液控制油路上設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定，當主缸中的壓力達到設定壓力時，比例壓力閥泄壓，使系統壓力不超過設定值，保護了擠壓工具。比例壓力閥的壓力可根據擠壓工具的不同在5～28 MPa之間任意設定。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 結論

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

(2)在泵－蓄勢站聯合傳動中，根據不同擠壓速度，采用不同的調速方式控制，有效保證了擠壓速度和精度的控制要求，并降低了系統發熱。

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

［1］ 俞新路．液壓機的設計及應用 ［M］．北京:機械工業出版社，2006．

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

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