泵-蓄勢器傳動的鍛造液壓機主要參數的確定和計算（二）

李 龍，張林祿，張 偉

（北方重工集團有限公司 設計研究院，遼寧 沈陽 110141）

（續上期）

4.4.2 氣罐容積的計算

按資料[2]或[3]介紹，蓄勢器的壓力降允許10%，計算出氣體總容積為機動容積的10～13 倍。25MN 壓機氣罐的總容積應為：10～13×1.17=11.7～15.21m3。應取4m3的標準氣罐3 個。

根據前面對泵蓄勢器傳動的鍛造壓機工作狀態分析和25MN 壓機給定的參數，可以計算出每次加壓后壓機發出的實際壓力，來進一步分析蓄勢器內氣體總容積大小對加壓后壓機壓力的影響。

4.5 25MN液壓機實際發出的壓力計算

4.5.1 壓機加壓時耗液量的計算

（a）如前所述，經分析，壓機在連續加壓時在每開始第一次加壓時的耗液量最大，其值可用式（9）計算。包括:

主缸用液量Q1=×0.582×0.2×3=0.158m3；

回程缸用水量Q2=×0.252×2×0.25=0.025m3；

第一次加壓后液罐凈耗液量Q3=0.158+0.025-0.043=0.14m3。

（b）壓機連續第二次加壓后每次耗液量計算：

主缸用液量0.158m3，回程缸用液量0.025m3，高壓泵補液量=×6=0.2m3/次（按每分鐘加壓 10 次計算）。

液罐每次凈耗液量為：

0.158+0.025-0.2=-0.017m3

負值說明連續第二次加壓后蓄液罐內還得到0.017m3高壓液體的補充。

4.5.2 蓄液罐加壓前蓄液量計算

加壓前蓄液罐最低蓄液量應按式（3）計算：

V0=1.15+0.5+0.1=1.75m3（取 V2=1.15）。

4.5.3 系統壓力和壓機的實際壓力計算

（a）壓機開始第一次加壓時系統的壓力和壓機壓力

第一次加壓前蓄勢器內的液體壓力：P0=32MPa；

第一次加壓前蓄勢器內的氣體容積為：4×4-1.75=14.25m3；

第一次加壓后蓄勢器內的氣體容積為：V0+0.14=14.39m3；

第一次加壓后蓄勢器內的氣體壓力：P1=32×（14.25/14.39）1.4=31.56MPa；

第一次加壓后壓機壓力：N1=π/4×0.582×3×31.56=25MN。

（b）壓機連續第二次加壓

壓機連續第二次加壓前的氣體壓力：P1=31.56MPa；

壓機連續第二次加壓前的氣體容積：V1=14.39 m3；

壓機連續第二次加壓后的氣體容積：V2=14.39+0.158+0.025-0.2=14.373m3；

壓機連續第二次加壓后的系統壓力：P2=31.56×（14.39/14.373）1.4=31.61MPa；

壓機連續第二次加壓后的壓機壓力：N2=π/4×0.582×3×31.61=25.04MN。

如此可以計算出壓機連續每次加壓后的系統壓力和壓機壓力，也可以計算出不同蓄氣罐總容積每次加壓后的系統壓力和壓機壓力。計算結果如表3所示。

表3 系統壓力和壓機噸位計算表

分析表3 可以看出：

（1）表3 是按壓機連續加壓，從第一次加壓開始計算到第十次。因為連續第二次加壓時高壓泵的補液量大于每次加壓時的補液量,蓄勢器內的高壓液體都在增加，壓力也上升。所以第一次加壓后的壓力和加壓前罐內的壓力差最大。不同蓄勢器總容積的壓力差分別為1.375%、1.9%、3%、3.1%和 4.5%，也就是蓄勢器傳動的效率對直接傳動的效率分別為98.625%、98.1%、96.9%、95.5%。計算結果說明25MN壓機按實際計算情況看,使用一個3m3的液罐和一個3m3的氣罐都可達到壓力降小于10%的要求。而此時壓機的實際壓力與公稱壓力也僅差3.2%。要按氣罐的總容積是機動容積的10～13 倍計算,至少要用一個4m3液罐和三個4m3的氣罐。只有這樣，壓機第一次加壓時的壓力才能達到或接近25MN。也就是蓄勢器的效率必須達到或接近100%時才有可能。

（2）機動容積的概念。表（3）中的壓力是根據每次加壓前后罐內機動容積的變化（液罐液位的變化）計算的，而不是按經驗公式（4）計算的機動容積。因此對泵-蓄勢器傳動機動容積可有兩種解釋：一是蓄勢器可利用的最多高壓液體的容積即機動容積或稱有效容積，它再加上蓄液罐的上下安全容積和下固定容積，是蓄液罐使用前的蓄液量。另一種情況是壓機每次加壓時蓄勢器凈消耗的高壓液體容積。從計算機動容積（有效容積）的經驗公式也可分析出，它不是壓機每次加壓時的耗水量。可以理解為在壓機工作時，如泵站發生故障，蓄液罐內的高壓液體有時恢復不到原來液位，壓機也能繼續工作6～7 次。壓機每次加壓時蓄勢器內的凈耗水量才是蓄勢器的真正機動容積。按式（4）或（6），（7）和（8）也包括公式（10）計算的機動容積（有效容積）的10～13 倍確定氣罐的總容積存在以下問題：①計算出的氣罐總容積偏大很多，壓機的噸位越大，偏大的越多，不能反映壓機的實際工作情況。參看后面的表6。當氣罐的總容積增加到一定程度后，再增加氣罐的容積，效率提高有限。參看圖3。②當總容積增大到一定程度后，使用效率反而降低且耗能大。

從表3 可明顯看出，蓄氣罐的總容積越小，連續第二次加壓后蓄液罐內壓力上升越快，壓機壓力上升也越快，壓機工作越有力。這是因為壓機在達到最大工作行程時，如果壓力還沒達到設計壓力，蓄勢器內的壓力和工作缸的壓力已達到平衡。要繼續使壓機升到設計壓力。只能靠高壓泵打出的高壓液體使整個系統壓力升高，因空氣有壓縮性，所以氣罐的總容積越大，壓力上升的越慢，反之則快。壓機在實際鍛造時，可能出現如下三種情況：①在沒有達到設計工作行程時，已達到設計壓力，出現在被加工的鍛件和砧子接觸面積大和較硬的鍛件或者鍛造溫度較低的鍛件時。②在達到設計工作行程時，正好達到設計壓力與設計時給定的工作行程相適應。③在達到設計工作行程時，沒有達到設計壓力，常出現在砧子和鍛件的接觸面積小和比較軟的細長鍛件或者鍛件的溫度很高時。

無論是哪種情況，當壓機工作時，蓄勢器內的壓力和整個系統的壓力平衡后，還要使壓力繼續升高，蓄氣罐的總容積越大，壓力上升的越慢，蓄勢器的使用效率越低。所以泵-蓄勢器傳動的效率在壓機工作時是變化的。在開始加壓時，蓄勢器內的壓力和氣罐的容積越大，效率越高。在液壓系統的壓力平衡后，要使壓力繼續升高，氣罐的容積越大，壓力上升越慢，效率越低。所以合理確定氣罐的總容積是提高泵-蓄勢器傳動使用效率降低能耗和設備成本的主要因素。

（3）如將不同蓄勢器總容積和開始第一次加壓后罐內氣體容積和壓力的變化做成曲線，如圖3 所示，曲線既可表示不同蓄勢器總容積時的壓力差，也可以表示其傳動效率。圖中不帶括號的百分數為蓄勢器每次加壓時的壓力差，帶括號的百分數為蓄勢器傳動的效率。從圖中明顯看出：開始時隨著氣罐總容積的增加輸出壓力（決定壓機的實際壓力）上升很快，隨著氣罐容積的增加，壓力上升越來越慢，蓄勢器的總容積超過8m3時，在增加氣罐的容積，蓄勢器的效率和輸出的壓力提高是有限的。增加一個4m3的氣罐，蓄勢器效率和壓力差僅提高0.525%，壓機的壓力也僅提高0.52%。通過后面的分析和計算可知，對25MN 壓機少用兩個蓄氣罐，工作缸直徑由580mm 改為600mm 時，壓機每開始第一次壓力就可達到25MN。

（4）蓄勢器傳動中，高壓氣罐的總容積與壓機每次加壓時，蓄勢罐內消耗的液體—機動容積的關系。

從以上對25MN 液壓機泵-蓄勢器的分析和計算中看到，蓄勢器的效率達到95%～96%時，再增加氣罐的總容積，效率和壓力降的提高已經有限，壓機在工作時，罐內氣體的變化按絕熱過程，若絕熱系數為n，有方程：

式中：V1、V2——每次加壓時高壓液體從水罐中輸出前后的氣體容積，m3。

設QC為每次加壓時的最大耗水量，則有V2=V1+QC。

以Pmin/Pmax=α 代入上式得：

為使每次加壓時蓄勢器的效率都達到95%～96%，即以蓄勢器的壓力降α=0.95～0.96 代入上式，在壓力 P=5MPa 時，n=1：

在壓力 P=20MPa 時，n=1.3：

在壓力 P=31.5MPa 時，n=1.4：

蓄勢罐中消耗最大高壓液體出現在常鍛中，壓機以最大工作行程鍛造工件開始第一次加壓這一時刻。此時高壓泵并未打壓，泵處在循環狀態。回程缸即使有小行程回程，用液量不大，影響很小；大行程時，用水量增加，泵開始打壓。所以工作缸一次加壓的最大耗水量就相當于Qc，即：

由上式又可得到：

在壓力P=5MPa 時，

在壓力P=20MPa 時，

在壓力P=31.5MPa 時，

式中：d——主工作缸直徑，m；

H——常鍛時，壓機最大工作行程，m；

N——主工作缸數。

用上述公式計算蓄氣罐的條件是，壓機在最大工作行程時蓄勢器的允許壓力差為4%～5%，即傳動效率為95%～96%。

通過以上分析和計算，得到計算蓄勢器傳動的主要公式：①計算壓機工作缸的公式（14）；②計算蓄勢器使用前最低有效蓄液量的公式（10）；③計算蓄氣罐總容積的公式（11）、（12）、（13）；④計算壓機連續加壓每開始第一次時的最大用液量即高峰用液量公式（9）；⑤計算壓機實際壓力的公式（1）。

為了驗證這幾個公式的正確性和實用性，以下對25MN 壓機重新計算其主要參數。

4.6 泵-蓄勢器傳動的鍛造壓機主要參數計算的改進

以下對25MN 壓機蓄勢器主要參數的計算結果和原來的進行對比。

4.6.1 工作缸直徑d

按式（14）計算，Ps取 31.5MPa，n 為工作缸數量，取為 3，N 為 25MN。則：d=0.594m，取 d=600mm。

反過來計算系統的工作壓力，即加壓后工作缸處的液體壓力為：P=29.5MPa。

說明25MN 壓機的工作缸直徑由原來的580mm 改為600mm 相差很小，對設備重量、結構、造價等基本沒有影響。

4.6.2 泵每分鐘供液量的計算

單臺壓機泵每分鐘的供液量按式（2）計算：

Q=2.16m3

計算結果比原來2.03m3也沒有增加多少。

4.6.3 計算蓄勢器液罐的容積

使用前的總蓄水量：V0=V1+V2+V3+V4

有效蓄液量 V2應按式（9）計算，V2=5～5.5d2hn=1.08～1.19m3，與之前按式（4）或（6）的計算結果 1.17基本一致。

使用前的總蓄水量：V0=0.1+1.19+0.5=1.79m3≤×4=2.67m3

因此，還可選用一個4m3的標準水罐。

4.6.4 蓄氣罐的容積計算

按前面的分析，在壓力為31.5MPa 時，用公式（13） 計算蓄氣罐的總容量 V氣=21～27d2hn=4.5～7.6 m3。因此，可選用一個4m3標準氣罐。

為便于和以前的計算方法相比，最后確定經濟適用、效率又高的氣罐總容積，還應計算一下改進后的壓機實際發出的壓力。

4.6.5 壓機實際壓力的計算

壓機工作中實際發出的壓力和以前的計算方法一樣。不同蓄勢器總容積的計算壓力如表4 所示。

從表4 可明顯看出，改進后的25MN 壓機，僅工作缸的直徑由580mm 改為600mm，用一個3m3的液罐和一個3m3的氣罐是最佳方案。也可以選用4m3的標準液罐和氣罐各一個。蓄勢器的壓力為31.5MPa，壓機按每分鐘鍛造10 次時，開始第一次加壓，壓力就可達25.83MN。超過公稱壓力的3.2%。工作時蓄勢器的壓力差僅為3.27%，蓄勢器的效率可達96.73%。比原來少用2 個氣罐，節省投資百萬元以上，工作時上壓快。經過計算，蓄勢器的壓力可由31.5MPa 調到 31MPa。

4.7 不同規格蓄勢器傳動的鍛造液壓機主要計算參數參考表

前面表1 和表2 給出了不同規格鍛造液壓機設計前應確定的主要參數參考表。根據本文推導的公式和用過去的方法分別計算出不同規格鍛造液壓機主要計算參數參考表，如表5、表6 所示。表5 中工作缸直徑是按式（14）計算的，蓄勢器有效容積是按式（10）計算，氣罐的總容積是按式（13）計算的。

表6 中的各項數值是按過去的方法計算的，即工作缸直徑按蓄勢器的壓力計算，機動容積（有效容積）按式（4）計算，蓄氣罐的總容積按機動容積（有效蓄容積）的10～13 倍計算。它是根據蓄勢器的壓力降允許10%推導出來的。因為壓機每次加壓時工作缸和回程缸的用液量遠小于機動容積（有效容積）。它主要影響蓄勢器內的壓力降。影響壓機每次加壓壓力大小的主要因素是工作缸和回程缸的用液量的變化。因此同樣是150MN壓機，表6中用29個4m3的蓄氣罐，而表5 中只需用8 個。表6 中壓機每開始第一次加壓時的壓力只有147.7MN，而表5 中的壓機可達到150.4MN。兩者計算結果差別很大，主要原因是在計算工作缸直徑時，表5 中考慮了蓄勢器傳動效率達到96%～97%時得出的計算公式，而表6 中工作缸直徑是按蓄勢器的壓力計算的，也可以看作是按蓄勢器傳動效率為100%計算的。這正如前面所分析的那樣，當蓄勢器的傳動效率達到96%～97%時，再提高蓄勢器的傳動效率，壓機的壓力提高是有限的，這點從表3 可以明顯看出：當蓄勢器效率達到96.9%時，壓機的計算壓力已達到其公稱壓力的 98.32%（24.58/25）。和公稱壓力僅差 1.7%（0.42MN），這并不影響壓機的使用。如再提高蓄勢器的傳動效率，勢必增加蓄氣罐的總容積，不僅增加設備制造和投資成本，而且壓機工作時效率低、耗能大。

表5 不同規格鍛造液壓機蓄勢器主要參數計算表

表6 不同規格鍛造液壓機蓄勢器主要參數計算表

5 供應兩臺以上液壓機泵供液量和蓄勢器總容積的計算

以上是供應單臺壓機蓄勢器主要參數的計算。現有 150MN、80MN、50MN 和 25MN 四臺壓機共用一個蓄勢器（站），假設共用150MN 的蓄勢器（站）。從表5 中可查出每臺壓機高峰耗液量分別為 1.05m3、0.56m3、0.36m3和 0.15m3。如果四臺壓機同時處于高峰耗液量時，最大耗液量為四者之和即2.11m3。可計算出每臺壓機的計算壓力分別為145MN、77.5MN、48.65MN 和 24.82MN，已經分別達到各自公稱壓力的96.7%、96.8%、97.3%和99.3%。即使四臺壓機同時開始加壓，因為每臺壓機的壓下量和加壓速度不同，壓力小的壓機可能先完成加壓過程，四臺壓機不可能同時完成加壓過程。四臺壓機同時處于高峰用液量的概率幾乎是零。對這樣組合的壓機群，可使用最大壓機蓄勢器（站）用作共同蓄勢器（站），既不用增加蓄勢器的總容積，也不用增加泵的總供液量。在壓機高峰用液時，可啟用備用泵和適當增加蓄液罐的蓄液量即可。

6 鍛造液壓機傳動方式和工作介質的選擇

前面已提到，目前鍛造液壓機的傳動方式有三種，工作介質有兩種，各有不同的特點。應根據不同的用途和鍛件的工藝要求選擇適合的傳動方式和工作介質。有人認為泵-蓄勢器傳動的液壓機效率低，制造成本和投資成本高，占地面積大。通過泵—蓄勢器傳動的液壓機效率探討和本文介紹的蓄勢器傳動基本參數的計算方法證明，泵—蓄勢器傳動的液壓機不但效率比直接傳動高，也可顯著降低制造成本和能耗。眾所周知，蓄勢器傳動的壓機制造成本高在高壓液罐和氣罐的價格上，目前4m3的高壓罐每個70 萬元人民幣左右。按過去氣罐的總容積是機動容積10～13 倍計算，一臺50MN 的壓機要用4m3的水罐2 個和4m3的氣罐8個；100MN 壓機要用 4m3的水罐 3 個和 4m3的氣罐 18 個；150MN 壓機要用4m3的水罐 5 個和4m3的氣罐26 個。按新的計算方法，100MN 的壓機可用 4m3的水罐 3 個和氣罐 5 個；150MN 壓機可用4m3的水罐 5 個和氣罐 8 個；50MN 的壓機也只需4m3的水罐和氣罐各2 個。少用6 個氣罐，不但節省投資420 萬人民幣，而且壓機工作效率高，上壓快，而50MN 泵直接傳動的油壓機，進口一臺流量為1m3/min 主泵至少要花150 萬人民幣，共需6臺。若用泵蓄勢器傳動，僅需4 臺同樣流量的高壓水泵，每臺70 萬元，可節省投資620 萬人民幣。共可節省投資1 千萬人民幣以上。所以泵—蓄勢器傳動的壓機投資和總裝機容量及占地面積都比泵直接傳動少。從這一點看，如果鍛件的鍛造工藝沒有特殊要求，應盡量選用泵-蓄勢器傳動的水壓機。另外，油比水貴很多，水比油的壓縮性低，也比油節能，防火，不易污染環境，等。

潘克公司制造的改進型正弦驅動系統鍛造油壓機，加壓時用泵直接傳動，快鍛時動梁回程用泵-蓄勢器傳動。16-25/30MN 壓機不論快鍛、常鍛和鐓粗，動梁回程都用蓄勢器傳動。只有大于30MN 的壓機常鍛時動梁回程用回程主泵。主缸內的壓縮能才被利用下一工作循環的動梁提升行程。以油為工作介質的鍛造液壓機，過去幾乎沒有用泵-蓄勢器傳動的，只有潘克公司制造的快鍛油壓機動梁回程才使用泵-蓄勢器傳動。過去認為以油為工作介質的泵—蓄勢器的液壓機要充高壓氮氣較難，并不是因為氮氣價貴。氮是制氧的副產品，價格很低。現在將氮氣充到31.5MN 的壓力已不是難題。潘克公司在介紹改進型正弦驅動系統的液壓機工作原理時認為，一種采用非常簡單易造的回程蓄勢器，另一種采用回程泵，省去了蓄勢器。這是改進型正弦驅動系統的鍛造油壓機與一般鍛造液壓機的主要區別。即改進型正弦驅動系統的鍛造油壓機動梁回程一種是用回程蓄勢器，一種是用回程主泵將主缸的油返回到回程缸。這里所說的非常簡單易造的“回程蓄勢器”，就是指16-25/30MN 壓機所用的活塞式蓄能器。既然回程蓄勢器非常簡單易造，為了節能，中小型快鍛油壓機加壓也應采用泵-蓄勢器傳動。而大型壓機采用泵-蓄勢器傳動的水壓機較為合理。例如，最近幾年，一重和二重分別自己設計和制造了150MN 和160MN 的泵-蓄勢器傳動的鍛造水壓機，不僅為國家的核電工業做出了突出貢獻，企業也獲得了可觀的經濟效益。

[1]張林祿.泵-蓄勢器傳動的液壓機效率探討.鍛壓裝備與制造技術，2010，45（2）.

[2]俞新陸.液壓機.北京：機械出版社，1982.

[3]俞新陸.液壓機的設計與應用.北京：機械工業出版社，2007.

[4]張林祿.活塞式蓄能器在泵控系統快鍛油壓機中的作用和容積計算.鍛壓裝備與制造技術，2010，45（1）.