冶金液壓系統蓄能器設計與仿真分析

汪 龍，章德平，張 文，宋曉燕，劉 偉

（1.中冶南方工程技術有限公司煉鋼分公司，湖北 武漢，430223；2.大連理工大學機械工程學院，遼寧 大連，116024）

冶金系統環境惡劣，設備多在高溫、多塵、重載下長期工作，具有工序復雜、設備負載大、機構連續運轉等特點［1］，故其液壓系統的設計難度較大。大型冶金液壓系統在一個工作循環中，存在間歇的高壓大流量負載或流量差異很大的負載，采用蓄能器作為輔助動力源，可改善系統性能，節能降耗。蓄能器總容積是選擇合適蓄能器的關鍵指標。目前關于蓄能器總容積的計算方法有多種［2－3］，但采用不同方法計算，其結果相差較大。本文結合國內某大型鋼廠連鑄機項目，詳細介紹了液壓系統蓄能器的設計過程，比較了不同工況下蓄能器總容積的計算方法，并對所選蓄能器的動態參數進行仿真分析，以驗證設計方法和數據的準確性。

1 液壓系統設計

1.1 連鑄工藝流程

連鑄機出坯系統主要為翻鋼機、推鋼機、分鋼機和翻轉冷床提供動力源。某廠連鑄機工藝流程簡圖如圖1所示。鑄坯經過輸送輥道后，輸送到出坯輥道上面，翻鋼機把鑄坯向上翻轉90°置于滑道上，移坯車將滑道上的鑄坯推到翻轉冷床入口或者推鋼機上。

圖1 工藝流程簡圖Fig.1 Process flow diagram

1.2 液壓系統設計

1.2.1 工作介質和系統壓力

液壓系統常用的工作介質有普通礦物油和抗燃液壓油，該廠連鑄機液壓系統所用工作介質為抗磨液壓油。

系統壓力與工作介質有關，根據該廠現場實際使用情況，系統工作壓力取18MPa。

1.2.2 高壓泵組流量計算

圖2 系統的流量－時間圖Fig.2 System flow－time chart

泵的流量是根據系統在一個工作循環中的平均流量來選取的［4］。根據本液壓系統執行元件參數和系統工藝流程，繪出圖2所示的系統流量－時間圖。由圖2中可知，翻轉冷床升降缸上升、5流翻鋼機油缸上升和推鋼機油缸上升同時動作時，系統流量達到峰值，Qmax＝1002L／min；泵的平均流量Qm＝597L／min。因此，本系統選擇力士樂恒壓變量泵A10VSO140DR／31R共4臺，使用3臺，1臺備用。該泵單臺的最大流量為207L／min，因此本系統泵組的總供油量為Q泵＝621L／min。

2 蓄能器的選擇

2.1 工作參數的選定

蓄能器的重要設計參數有系統工作容積VW、總容積V0、工作溫度、最大排油量和氣體最低工作壓力P1、最高工作壓力P2及預充氣壓力P0等，其中P1、P2和VW由系統本身決定，是確定總容積V0最基本的參數。

2.1.1 工作容積的選取

由于出坯系統動作較頻繁，工況也較惡劣，另外考慮到系統存在油缸和閥的泄漏量，因此蓄能器的有效工作容積取為VW＝60L。

2.1.2 工作壓力和預充氣壓力的確定

蓄能器最高工作壓力和最低工作壓力都是由系統負載決定的。在不考慮管路壓力損失的情況下，蓄能器的最高工作壓力P2一般與液壓系統的工作壓力一致，本系統中取P2＝18MPa。最低工作壓力P1由設備工況決定，取P1＝15 MPa。對于皮囊式蓄能器，其預充氣壓力須滿足P0max≤0.9P1，本系統中取P0＝13MPa。

2.2 蓄能器總容積計算

目前常用的蓄能器總容積計算方法有按氣體絕熱過程考慮、按氣體不可逆多變過程考慮和溫度校正3種，不同計算方法結果差別較大，只有結合冶金系統實際工況選擇最為合理的計算方法才能滿足生產要求。下面對不同的計算方法進行比較。

2.2.1 按氣體絕熱過程考慮

在計算蓄能器總容積時，首先要確定其工作氣體是處于等溫狀態還是絕熱狀態［5］。冶金液壓系統中，蓄能器一般作為能量儲存器和緊急動力源的情況較多，此時可按氣體絕熱過程來計算其總容積，計算公式為

式中：n為指數，絕熱過程取n＝1.4。

將P1＝15MPa、P2＝18MPa、VW＝60L、P0＝13MPa代入式（2）可得：V0＝558L。

2.2.2 按氣體不可逆多變過程考慮

冶金液壓系統中，比較典型的情況是儲油進行得很慢（等溫過程），而排放則很快（絕熱過程）。例如當執行機構所需流量較少時，泵多余的能量就會存儲在蓄能器中，這是一個緩慢的過程；當事故狀態或泵流量不夠時需要蓄能器供油，此時是一個快速的絕熱過程。此種情況下可按氣體不可逆多變過程計算蓄能器的總容積，計算公式如下：

式中：nc為慢速存儲階段的多變函數，是一個時間函數［5］，nc＝1～1.4。

大多數情況下，可以假設nc＝1，則式（2）可簡化為

代入參數計算可得：V0＝597L。

2.2.3 溫度校正

上述式（1）、式（3）是未考慮工作溫度變化的情況下計算的蓄能器總容積。實際上，蓄能器在工作時，溫度會有很大的變化。考慮溫度因素，蓄能器總容積的計算結果須進行溫度校正，其計算公式為

式中：T2為蓄能器最高工作溫度，本文選取T2＝323K；T1為蓄能器最低工作溫度，本文選取T1為293K；V0T為考慮溫度變化之后的蓄能器總容積，L。

取式（1）和式（3）計算結果中的較大值進行溫度校正，將V0＝597L、T1＝308K、T2＝323K代入式（4）得：V0T＝626L。

考慮到冶金系統工作環境惡劣，結合蓄能器樣本資料，取蓄能器總容積為720L，即采用12組60L的皮囊式蓄能器。

另外，當工作壓力大于20MPa時，蓄能器里面的工業氮氣與理想氣體相差甚遠，還需考慮高壓校正系數。

綜上所述，用式（1）理想氣體絕熱過程計算出來的蓄能器總容積往往偏小，實際上氣體的工作過程是一個不可逆的多變過程，故選擇蓄能器要綜合考慮溫度、多變指數與高壓校正系數等因素，這樣才能保證蓄能器工作總容積選取得合理。

3 蓄能器動態特性參數仿真與分析

根據前面的計算結果可知，所選蓄能器參數為：Q泵＝621L／min，P1＝15MPa，P2＝18MPa，VW＝60L，P0＝13MPa，V0＝720L。采用蓄能器專業生產廠商德國HYDAC公司研發的ASP軟件對所選蓄能器的壓力、溫度、容積進行仿真分析，以校驗所選參數的準確性。

3.1 壓力曲線

蓄能器工作時，液壓系統中油的工作溫度一般控制在20～50℃之間。初始工作溫度為50℃和35℃時，蓄能器工作的壓力曲線如圖3所示，采樣時間為2個周期。從圖3中可知，在t＝8.16 s時，初始工作溫度為35℃時，蓄能器最低工作壓力P1＝15.8MPa，初始工作溫度為50℃，蓄能器最低工作壓力P1＝15.9MPa，可見兩種情況下最低壓力P1都大于系統所要求的最低工作壓力15MPa，表明在最惡劣的工況（蓄能器和泵同時供油，系統達到峰值流量）下，所選蓄能器的工作壓力仍能夠滿足系統要求。

圖3 蓄能器壓力曲線Fig.3 Accumulator pressure chart

3.2 溫度曲線

蓄能器工作時油溫的變化曲線如圖4所示。從圖4中可知，蓄能器初始工作溫度為35℃時油溫在35～24℃間變化，初始工作溫度為50℃時油溫在50～39℃間變化，兩種情況下最大溫差都達12℃左右。可見，本設計中采用溫度校正法計算蓄能器的工作總容積是合理的。

圖4 蓄能器溫度曲線Fig.4 Accumulator temperature chart

3.3 容積曲線

蓄能器容積曲線如圖5所示。從圖5中可知，當初始工作溫度分別為35℃和50℃時，蓄能器中氣體或油的體積變化均為ΔV＝42.197L，ΔV即為蓄能器的有效工作容積，這與前面根據圖2計算得出的結果一致，可見雖然設計時蓄能器是按容積為60L選取的，但其有效工作容積仍為42L。

圖5 蓄能器容積曲線Fig.5 Accumulator volume chart

3.4 PV曲線

蓄能器的PV曲線如圖6所示。由于蓄能器液壓系統考慮的是最惡劣的工況，因此只考慮充油過程和放油過程的壓力。放油過程皮囊中氣體膨脹，壓力下降；充油過程中氣體壓縮，壓力升高，通常是一個多變過程［6］。從圖6中可以看出，皮囊式蓄能器的工作過程是不可逆的循環過程，故存在能量損失，即釋放的能量總比存入的少，導致氣體溫度升高。

圖6 蓄能器PV曲線Fig.6 Accumulator PV chart

根據以上曲線，可以得出所選蓄能器在任意時刻溫度、壓力、容積、流量以及蓄能器內油量變化的情況。綜上分析可知，在工作時間為8.16s處，蓄能器的壓力、溫度和容積達到最低，此刻即為系統供油量最大處，ΔV＝42L，所需蓄能器最大流量為6.3L／s，未超過所選蓄能器允許的最大流量（30L／s）。

仿真結果表明，該蓄能器設計方法正確，參數選擇合理，能夠滿足該廠冶金系統蓄能器的性能要求。

［1］王浦江.小方坯連鑄［R］.北京：北京鋼鐵設計研究總院、中國金屬學會連鑄分會，1998：50－58.

［2］楊燕芳.不同工況下皮囊式蓄能器工作參數的選擇與計算［D］.秦皇島：燕山大學，2011.

［3］王琳，曹瑞濤，馮長印.蓄能器基本參數確定及其特性對液壓系統的影響［J］.陶瓷，2005（5）：40－43.

［4］成大先.機械設計手冊［M］.北京：化學工業出版社，2008.

［5］楊偉達，何天德，韓寶琦.蓄能器充壓過程中氣體多變指數的確定及儲油量計算［J］.吉林林學院學報，1998，14（1）：27－30.

［6］唐玉蓉.試析皮囊式蓄能器的熱力學狀態及其對工作參數選擇的影響［J］.電子機械工程，1999（6）：9－12.