輥磨液壓系統選型及工況探討

李德祥，苑明華，王玉榮，陸小平

作為水泥生產線的主機設備之一，VRM系列輥磨主要用于水泥生料和水泥熟料及礦粉的粉磨，VRM系列輥磨結構示意圖見圖1。其中，液壓系統用于為磨輥提供粉磨壓力，由液壓缸、蓄能器組、管路系統及液壓站等組成，蓄能器組包含有桿腔蓄能器和無桿腔蓄能器。

1 蓄能器壓力的計算方法

以活塞上下運動的中心位置作為液壓缸正常工作的位置，活塞桿上下運動的值為ΔL，當液壓缸向上運動時，運動距離為，此時有桿腔的容積縮小，縮小的數值ΔV有上=×S有，有桿腔壓力達到最大值P有工max；無桿腔的容積擴大，擴大的數值為ΔV無上=S無，無桿腔壓力達到最小值P無工min；當液壓缸向下運動時，運動距離為，此時有桿腔的容積擴大，擴大的數值ΔV有下=×S有，有桿腔壓力達到最小值P有工min；無桿腔的容積縮小，縮小的數值為 ΔV無下=×S無，無桿腔壓力達到最大值P無工max。

由于活塞桿波動速度快，蓄能器在工作時，氣體的變化按照絕熱狀態處理，PVγ=常數，對于氮氣，γ=1.4。

圖1 VRM系列輥磨結構示圖

1.1 有桿腔壓力計算

根據氣體方程：

式中：

V有充——有桿腔蓄能器充氣體積

V有工——有桿腔蓄能器工況體積

P有充——有桿腔充氣壓力

P有工——有桿腔正常工作壓力

T有工——有桿腔工作溫度

T有充——有桿腔充氣溫度

V有——有桿腔蓄能器體積

式中：

f有——有桿腔蓄能器充壓系數

P有——有桿腔設定工作壓力

當V有工＜V有時，

V有工max=V有工+ΔV有下

V有工min=V有工-ΔV有上

當V有工max＜V有時，

P有工max=P有工×（V有工/V有工min）γ

P有工min=P有工×（V有工/V有工max)γ

當V有工max≥V有時（氣體體積超出蓄能器額定體積），

P有工max=P有工×（V有/V有工min）γ

P有工min=0

式中：

V有工max——有桿腔蓄能器工況最大體積

ΔV有上——活塞桿上行時有桿腔體積變化

V有工min——有桿腔蓄能器工況最小體積

ΔV有下——活塞桿下行時有桿腔體積變化

P有工min——有桿腔最小工作壓力

P有工max——有桿腔最大工作壓力

當V有工≥V有時（氣體體積超出蓄能器額定體積，此時，蓄能器提供的液壓油不能滿足活塞運動需要的液壓油），

V有工min=V有-V有上

P有工max=P有充×（V有/V有工min）γ

P有工min=0

1.2 無桿腔壓力計算

根據氣體方程：

式中：

V無工——無桿腔蓄能器工況體積

P無充——無桿腔充氣壓力

P無工——無桿腔正常工作壓力

T無工——無桿腔工作溫度

T無充——無桿腔充氣溫度

V無——無桿腔蓄能器體積

式中：

f無——無桿腔蓄能器充壓系數

P無——無桿腔設定工作壓力

當V無工＜V無時，

V無工max=V無工+ΔV無上

V無工min=V無工-ΔV無下

當V無工max＜V無時，

當V無工max≥V無時（氣體體積超出蓄能器額定體積），

式中：

V無工max——無桿腔蓄能器工況最大體積

ΔV無上——活塞桿上行時無桿腔體積變化

V無工min——無桿腔蓄能器工況最小體積

ΔV無下——活塞桿下行時無桿腔體積變化

P無工max——無桿腔最大工作壓力

P無工min——無桿腔最小工作壓力

當V無工≥V無時（氣體體積超出蓄能器額定體積，此時蓄能器提供的液壓油不能滿足活塞運動需要的液壓油），

P無min=0

1.3 受力計算

式中：

F有——有桿腔產生的力

S有——有桿腔面積

式中：

D——液壓缸直徑

d——活塞桿直徑

式中：

F有max——有桿腔產生的最大力

式中：

F有min——有桿腔產生的最小力

式中：

F無——無桿腔產生的力

式中：

F無max——無桿腔產生的最大力

S無——無桿腔面積

式中：

F無min——無桿腔產生的最小力

式中：

式中：

F液——液壓缸產生的力

式中：

F液max——液壓缸產生的最大力

式中：

F液min——液壓缸產生的最小力

式中：

P比壓——物料受到的比壓

L缸——液壓缸相對搖臂軸的力臂

G輥——磨輥自重產生的粉磨力

L輥——磨輥相對搖臂軸的力臂

d輥——磨輥直徑

B輥——磨輥寬度

式中：

P比壓max——物料受到的最大比壓

式中：

P比壓min——物料受到的最小比壓

式中：

α比壓——比壓變化相對正常比壓的變化率

將相關參數展開后，α比壓的表達式為：α比壓={[（P有工max×S有-P無工min×S無）×k+G輥]/（d輥×B輥）-[（P有工min×S有-P無工max×S無）×k+G輥]/（d輥×B輥）}/P比壓

其 中 ，P有工max、P有工min、P無工max、P無工min的數值由1.1節和1.2節的方法計算獲得。

圖2 有桿腔蓄能器選型計算圖

2 蓄能器的選型計算

根據上述公式對液壓系統進行選型計算，并就相關參數對粉磨力的影響進行分析（以西普集團的VRMR360.4輥磨為例）。

根據磨輥需要的粉磨力選擇液壓缸規格為：液壓缸直徑D=420mm，活塞桿直徑d=220mm，液壓缸相對搖臂軸的力臂L缸=1.413m，磨輥相對搖臂軸的力臂L輥=1.621m，磨輥直徑d輥=1.85m，磨輥寬度B輥=0.67m，磨輥自重產生的粉磨力G輥=171kN。

2.1 有桿腔蓄能器選型

取ΔL=6mm，f=0.7，有桿腔蓄能器以αF有=10%為選型依據。根據1.1節和1.3節提供的計算方法可得 ΔV有上=3.02L，ΔV無上=4.16L，ΔV有下=3.02L，ΔV無下=4.16L；V有和αF有的數值關系見圖2。

由圖2可知，當αF有=10%時，V有可取120L。

2.2 無桿腔蓄能器選型

以α比壓的數值為選型依據，α比壓可控制在10%～15%之間。

采用P無=0.1×P有，P比壓=500kN/m2，計算可得P有工=5.94MPa，P無工=0.594MPa。V無選擇不同數值時，對應的α比壓見圖3。根據α比壓的變化趨勢，結合蓄能器樣本，可選取V無=50L。

3 工況探討

3.1 相同比壓下不同無桿腔工作壓力時，無桿腔蓄能器體積對α比壓的影響

在相同的工作比壓下（P比壓=500kN/m2），使用不同的無桿腔工作壓力時（P無工=0.1P有工=0.594MPa，P無工=0.15P有工=0.891MPa，P無工=0.2P有工=1.188MPa，P無工=2MPa），根據上述計算方法計算的不同體積的蓄能器的α比壓的結果見圖4。

由圖4可知，相同的無桿腔壓力下，V無值越大，α比壓越小，且變化幅度越來越小，當V無值增大到一定程度時，α比壓的數值或變化率達到工程使用要求時（α比壓=10%～15%）即可作為選型依據。

圖3 無桿腔蓄能器選型計算圖

圖4 相同比壓下無桿腔工作壓力不同時，無桿腔蓄能器體積對α比壓的影響

3.2 相同比壓下不同無桿腔蓄能器體積時，無桿腔工作壓力對α比壓的影響

在相同的工作比壓下（P比壓=500kN/m2），根據上述計算方法計算的不同體積的蓄能器，使用不同的無桿腔壓力時的α比壓結果見圖5。由圖5可見，相同的蓄能器在使用不同的無桿腔壓力時，無桿腔壓力越大，α比壓越大，且蓄能器體積越小，α比壓的變化值越大。在實踐中，若液壓系統的蓄能器選型較小時需采用較低的P無工，使磨機運行穩定。

3.3 不同體積無桿腔蓄能器P無工=0.1P有工時，不同工作比壓對α比壓的影響

不同體積的蓄能器，P無工=0.1P有工，根據上述計算方法計算的使用不同的工作比壓時的α比壓結果見圖6。由圖6可見，相同體積的蓄能器在不同P比壓下使用時，P比壓越大，α比壓越大，且蓄能器體積越小，α比壓越大。

圖5 相同比壓下無桿腔蓄能器體積不同時，無桿腔工作壓力對α比壓的影響

圖6 不同體積的無桿腔蓄能器P無工=0.1P有工時，不同工作比壓對α比壓的影響

3.4 不同體積蓄能器使用不同充壓系數對α比壓的影響

不同體積蓄能器使用不同充壓系數時的α比壓根據上述計算方法計算的結果見圖7、圖8。由圖7、8可知，相同的V無下，P比壓越大，α比壓越大；相同的P比壓下，f值越大，α比壓越小。在圖7中，f=0.8時的α比壓比f=0.9時的α比壓小，這是因為當V無=25L，f=0.9時，液壓缸向上運動，V無工＞V無，P無min=0；相同的f值，且沒有出現V無工＞V無時，相同的P比壓，V無越小，α比壓越大。

4 結論

圖7 V無=50L時，不同充壓系數下，工作比壓對α比壓的影響

圖8 V無=25L時，不同充壓系數下，工作比壓對α比壓的影響

在相同的工作比壓和相同的無桿腔壓力下，V無值越大，α比壓越小，且變化幅度越來越小，當V無值增大到一定程度時，達到工程使用要求的α比壓數值即可作為選型依據；在相同的工作比壓下，相同的蓄能器在使用不同的無桿腔壓力時，無桿腔壓力越大，α比壓越大，且蓄能器體積越小，α比壓值的變化越大。在實踐中，若液壓系統的蓄能器選型較小時，應采用較低的P無工，使磨機運行穩定；相同體積的蓄能器在不同P比壓下使用時，P比壓越大，α比壓越大；相同的P比壓下，不同體積蓄能器的體積越小，α比壓越大；相同的V無，P比壓越大，α比壓越大；相同的V無，相同的P比壓，f值越大，α比壓越小。相同的V無，相同的f值，且沒有出現V無工＞V無時，相同的P比壓，V無越小，α比壓越大。