蓄能器在16MN液壓機快鍛回程上的應用

魏太春

西部超導材料科技股份有限公司， 陜西西安 710021

伴隨現代工業化的飛速發展，人們對自由鍛件的鍛造速度及鍛造精度要求也越來越高。然而傳統的液壓機在快鍛過程中，有74.4%的能量均在液壓系統各個閥的節流上被消耗掉。由此，人們研究出一種采用蓄能器節能的新型快鍛回路，從而在滿足系統動靜態特性的同時，還能最大程度地減少系統的能量損耗。

1 蓄能器及16MN 快鍛液壓機的簡單介紹

1）蓄能器的基本概念。蓄能器是一種應用在液壓氣動系統中儲蓄能量的裝置，其能夠在合適的情況下將系統中的能量轉化為位能或者壓縮能，并在系統需要時再將壓縮能重新供給系統。依據加載方式的不同，可以蓄能器分成氣體式蓄能器、彈簧式蓄能器以及重錘式蓄能器三種；

2）蓄能器的功能作用。蓄能器主要用來補充吸收液壓沖擊、消除脈動、回收能量及儲存能量等。通常情況下，蓄能器一方面可以作為補充液壓泵流量不足的工具，即液壓系統低速運動時，液壓泵會將載荷所需的多余流量儲蓄在蓄能器中，并當載荷所需流量增加時，再將蓄能器中儲蓄的液體釋放出來，從而達到補充液壓泵流量不足的作用；

3）16MN 快鍛液壓機的簡單介紹。快鍛液壓機組包括鍛造液壓機、操作機以及移動站庫等幾部分，由上橫梁、工作臺、主缸、滑塊、導柱等構件連接組成，通常采用計算機進行控制，主要實現包括對鍛件的快速下壓和活塞桿的回程等功能。

2 在16MN 液壓機快鍛回路中應用蓄能器

1）在液壓機快鍛回路中應用蓄能器的工作原理。快鍛回路是完成行程在30mm 內、保證鍛件變形量不超過5mm 的快下、壓下和返程的工藝過程。在液壓機快鍛回路中應用蓄能器的簡化原理如圖1 所示，其工作原理是，首先，在快下的過程中，始終使得SV2（電液比例插裝閥）以及SV4（電液比例插裝閥）保持關閉，從而令回程缸成為一個密封并且保壓的容腔；其次，在壓下的過程中，將SV1（電液比例插裝閥）啟動，讓高壓油進入主缸之中，使活動橫梁持續不斷下降，從而保證回程缸油液能夠流入蓄能器中并進行能量的儲存，在此過程中，支撐閥PV 的作用是對整個系統進行安全保護；最后，在返程的過程中，將SV1（電液比例插裝閥）閉合，同時啟動SV3（電液比例插裝閥），對主缸進行卸壓操作，并釋放出蓄能器中存儲的能量，以便保證主缸中的高壓油能夠向回程缸中流通，然后迅速將活動橫梁上移，使之停在給定的工作原點，進入下一循環[2]。

2）在液壓機快鍛回路中應用蓄能器的主要優勢。比之傳統的液壓機溢流差動快鍛回路，在液壓機快鍛回路中應用蓄能器，可以保證在液壓機的快鍛壓下過程中，不會發生溢流產熱的現象，并使得蓄能器提供的回程缸背壓的變化在預定的范圍之內；同時，在快鍛的回程過程中，動力來源是蓄能器存儲的能量，而蓄能器快鍛回路泵則不需參加工作，并且應用在此快鍛回路過程中的液壓閥數量也比較少，從而在很大程度上降低了節流的損失。

3 在液壓快鍛路中應用蓄能器的系統計算

為了防止氮氣進入管道、減小蓄能器的容積和振動的產生，一般在液壓快鍛回路中采用活塞式蓄能器。

1）確定蓄能器的壓力。一般利用回程缸的提升力來計算蓄能器的壓力。假設在a 狀態時，液壓系統的壓力是Pa、體積為Va，在液壓機快鍛過程中，蓄能器的工作頻率為1.3Hz，當蓄能器的充氣和放氣時間在1min 以內時，可以將系統當做是絕熱狀態，這時氣體的常數k 為1.4。

此時的蓄能器相當于氣體彈簧—阻尼模型【4】，其受力狀態方程為：

式中：psn 代表蓄能器入口的壓力；ma 代表折算到蓄能器蓄能腔的液體的當量質量；Ba 代表油液黏性阻尼系數；Ca 代表氣體阻尼系數；ka 代表氣體剛度系數；A 代表蓄能器的橫截面面積；

2）主缸進液與卸壓時電液比例插裝閥的流量計算。電液比例插裝閥SV1、SV3 在主缸進液和卸壓過程的流量計算方程分別用qv1 和qvt 表示，其流量計算方程如下：

式中：Cd 代表電液比例插裝閥流量系數；A′代表電液比例插裝閥節流口面積；PS 代表油源壓力；P1 代表主缸工作壓力；P0 代表回油壓力；ρ 代表油液密度；

3）快鍛系統的流量計算。在主缸及回程缸作用下液壓機的活動橫梁動力學方程為：

式中：P2—代表回程缸的壓力；FL—任意外負載力；Ff—摩擦力；A1—主工作缸面積；A2—回程缸面積；m—液壓機移動部分質量；y—活動橫梁位移。

主缸的流量為qv1，可以表示為：

式中：V1 表示主缸側當量體積；K 表示油液體積彈性模量。

回程缸的流量為qv2，可以表示為：

式中：V2 表示回程缸側當量體積。

由上述（1）—（6）公式可知，若將管道特性的影響忽略不計，則可以得出如下結論：蓄能器入口壓力psn 的變化等于回程缸的壓力P1 的變化；蓄能器內流量A1y 的變化與回程缸流量qv2 的變化相同[5]。

結束語：作為一種在液壓氣動系統中儲蓄能量的裝置，蓄能器在合適情景下將系統能量轉化為位能或者壓縮能，并在系統需要時再將壓縮能重新供給系統，因此對液壓系統具有極其重要的作用。而在液壓快鍛回路中采用蓄能器是一種全新的節能快鍛方式，由于在該新型快鍛回路中動力來源是蓄能器存儲的能量，并且使用的液壓閥數量較少，從而避免了大量的節流損失，因此該采用蓄能器的液壓快鍛回程方式具有廣泛的應用前景。

[1]張林祿，李漪淼.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[J].鍛壓裝備與制造技術，2010，45(1)：164-166.