輥壓機液壓系統蓄能器的仿真研究

趙澤亮，蔚少峰，趙 凱，何雨絲

1洛陽中重自動化工程有限責任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

輥 壓機借助 2 個磨輥對物料的擠壓研磨來碾碎物料，主要用于原料、熟料和礦渣的破碎。輥壓機工作時，來料粒度具有一定的波動性，根據脆性物料的研磨特性，輥縫和系統壓力勢必會跟隨來料波動。為了降低負載波動對設備的沖擊，減少振動，延長設備壽命，在液壓系統中引入蓄能器以構成液氣彈簧來緩沖負載波動。利用氣體壓縮性高的特點，在輥縫變大壓力升高時，蓄能器吸收液壓油；輥縫減小壓力降低時，蓄能器釋放液壓油；維持系統壓力相對穩定，保證系統正常工作。

某廠輥壓機設備在使用過程中，經常出現異常振動甚至跳停，檢修發現是因蓄能器皮囊密封不嚴，以致氮氣壓力過低，進而影響了液氣彈簧的剛度，無法有效緩沖負載的沖擊。筆者據此探究液壓系統中蓄能器參數[1]對液氣彈簧剛度及緩沖沖擊載荷能力的影響。針對某廠 RP170-140 輥壓機液壓系統，搭建液氣彈簧 AMESim 仿真模型[2]，對蓄能器的容積和充氮壓力 2 個參數以不同的取值進行系列化仿真分析，以得出該型輥壓機液壓系統中最優的蓄能器參數，進而引申出由蓄能器構成的液氣彈簧系統的普適性規律。

1 工作原理

輥壓機液壓系統工作原理如圖 1 所示。液壓系統主要由液壓站、蓄能器閥組和液壓缸 3 部分組成。液壓站負責提供系統所需壓力油；蓄能器閥組主要包含工作蓄能器和安全蓄能器，前者用于磨輥正常研磨時緩沖負載波動，后者用于磨輥遭受沖擊載荷時的快速退讓。液壓缸作為液壓執行元件[3]，負責將壓力能傳遞給磨輥。

系統工作時，先啟動液壓站向系統加壓至初始壓力，然后磨輥帶料運行。當系統壓力低于工作壓力下限值時，液壓站向系統加壓；當系統壓力高于工作壓力上限值時，打開相應電磁閥使系統卸荷降壓。通過動態調整，系統工作壓力處于穩定狀態，隨后關閉液壓站，此時工作壓力和輥縫在蓄能器構成的液氣彈簧作用下維持在一定范圍，系統達到穩定工作狀態。

當來料混有大顆粒物料時，負載會突然變大，液壓缸需要快速退讓，壓力也會急劇上升。此時安全蓄能器能夠吸收液壓缸大幅退讓時擠出的液壓油，使得大塊物料順利通過，在保證產量的前提下，能有效降低設備的振動，減緩磨輥的磨損。

當來料混入一些不可擠壓物如鐵塊時，由于物料無法被碾碎，輥縫會持續增大，系統壓力會持續升高至系統允許最高工作壓力。為了保護磨輥，系統會將壓力緊急卸荷至 2 MPa，即不再提供研磨壓力，待不可擠壓物通過磨輥后，再次啟動液壓站將系統加壓至工作壓力。

圖1 輥壓機液壓系統工作原理Fig.1 Working principle of hydraulic system of roller press

蓄能器的引入對輥壓機液壓系統至關重要，其構成的液氣彈簧能夠緩沖負載波動，降低設備振動，保證研磨效率[4]。

2 AMESim 仿真

RP170-140 輥壓機液壓系統 AMESim 仿真參數如表 1 所列。根據表 1 所列搭建液壓系統 AMESim 仿真模型，如圖 2 所示。

表1 AMESim 仿真參數Tab.1 AMESim simulation parameters

圖2 液壓系統 AMESim 仿真Fig.2 AMESim simulation for hydraulic system

仿真模型使用正弦波模擬負載力的變化[5]，負載力作用到質量塊上，質量塊與液壓缸活塞桿剛性連接，負載力的變化最終體現為液壓缸活塞桿的位移變化和系統的油壓變化。仿真時，在系統達到既定工作輥縫和工作壓力后，周期性施加相同幅值的負載力波動，通過測定液壓缸位移量的波動幅度，即可判斷液氣彈簧的剛度大小。波動幅度大則剛度小，波動幅度小則剛度大。

2.1 工作蓄能器仿真

針對工作蓄能器，探討其充氮壓力和容積的不同值對液壓缸位移波動幅度的影響，此工況下安全蓄能器不參與工作。

(1) 設定工作蓄能器容積為 40 L，充氮壓力分別為 4、6、8 MPa，仿真結果如圖 3 所示。

圖3 工作蓄能器充氮壓力對液壓缸位移的影響Fig.3 Inf luence of nitrogen-charging pressure of working accumulator on displacement of hydraulic cylinder

(2) 設定充氮壓力為 6 MPa，工作蓄能器容積分別為 25、40、65 L，仿真結果如圖 4 所示。

圖4 工作蓄能器容積對液壓缸位移的影響Fig.4 Inf luence of working accumulator volume on displacement of hydraulic cylinder

由仿真結果可知：在相同的負載波動下，工作蓄能器容積一定時，充氮壓力越高，液壓缸位移波動幅度就越大，液氣彈簧剛度就越小；充氮壓力一定時，工作蓄能器容積越大，液壓缸位移波動幅度就越大，液氣彈簧剛度就越小。

工作蓄能器充氮壓力值受到系統工作壓力[6]限制，氣壓過低，在系統達到高工作壓力時容易壓壞皮囊；氣壓過高，則無法有效構成液氣彈簧，其值通常在 0.25 倍的系統允許最高壓力到 0.9 倍系統最低工作壓力之間[7]。綜合來看，對 RP170-140 輥壓機液壓系統，工作蓄能器容積為 40 L，充氮壓力為 6 MPa 時，液壓缸位移波動在±5 mm，液氣彈簧剛度適中，能夠滿足工作需要。

2.2 安全蓄能器仿真

將工作蓄能器充氮壓力定為 6 MPa，容積定為 40 L，探討安全蓄能器充氮壓力和容積的不同值對液壓缸緊急退讓幅度的影響。為了模擬實際工況，此處使用單次沖擊載荷來觀察液壓缸位移波動幅度。

(1) 設定安全蓄能器容積為 40 L，充氮壓力分別為 12、12.6、13.2 MPa，仿真結果如圖 5 所示。

圖5 安全蓄能器充氮壓力對液壓缸位移的影響Fig.5 Inf luence of nitrogen-charging pressure of safetyaccumulator on displacement of hydraulic cylinder

(2) 設定充氮壓力為 12.6 MPa，安全蓄能器容積分別為 25、40、65 L，仿真結果如圖 6 所示。

圖6 安全蓄能器容積對液壓缸位移的影響Fig.6 Inf luence of safety accumulator volume on displacement of hydraulic cylinder

由仿真結果可知：輥壓機磨輥遭受沖擊載荷時，安全蓄能器容積一定，充氮壓力越低，液壓缸退讓幅度越大；充氮壓力一定，安全蓄能器容積越大，液壓缸退讓幅度越大。

安全蓄能器充氮壓力值應比系統正常工作壓力上限值高，比系統允許最高工作壓力值低，保證其在輥壓機正常研磨時不參與工作，不會影響工作蓄能器所構成的液氣彈簧剛度，同時在系統遭受沖擊載荷時能夠有效吸收液壓缸大幅退讓時擠出的液壓油。實際使用時，充氮壓力可取系統工作壓力上限值的 1.05 倍，容積可結合輥縫允許最大退讓值來選取。綜合來看，對 RP170-140 輥壓機液壓系統，安全蓄能器容積為65 L，充氮壓力為 12.6 MPa 時，液壓缸退讓距離可達20 mm，能夠在不影響產能的前提下有效緩沖沖擊載荷。

2.3 加壓仿真

輥壓機通過不可擠壓物時，為了保護設備，液壓系統會緊急卸荷至 2 MPa，待不可擠壓物通過后再次加壓至工作壓力，以此探討工作蓄能器充氮壓力和容積的不同值對加壓時間的影響。

(1) 設定工作蓄能器容積為 40 L，充氮壓力分別為 4、6、8 MPa，仿真結果如圖 7 所示。

圖7 工作蓄能器充氮壓力對系統壓力的影響Fig.7 Inf luence of nitrogen-charging pressure of working accumulator on system pressure

(2) 設定充氮壓力為 6 MPa，工作蓄能器容積分別為 25、40、65 L，仿真結果如圖 8 所示。

圖8 工作蓄能器容積對系統壓力的影響Fig.8 Inf luence of working accumulator volume on system pressure

由仿真結果可知：減小工作蓄能器的容積和增大其充氮壓力均可減少加壓至工作壓力的時間，故在保證液氣彈簧剛度的前提下，可用較小的工作蓄能器容積搭配較高的充氮壓力來加快系統加壓響應。

綜合來看，對 RP170-140 輥壓機液壓系統，工作蓄能器容積為 40 L，充氮壓力為 6 MPa，加壓時間約為 30 s 時，能夠滿足實際所需。

3 結語

蓄能器在粉磨設備的液壓系統中有著廣泛的應用，例如輥壓機、高壓輥磨機、水泥立磨、礦渣立磨等，其構成的液氣彈簧主要用于緩沖負載波動。針對脆性材料的研磨特性，設置合適剛度的液氣彈簧可有效降低設備因負載波動產生的異常振動，降低設備磨損，延長使用壽命，進而保證產能。蓄能器的容積和充氮壓力 2 個參數直接影響著液氣彈簧的剛度，現場應用時，不同規格的設備，不同性質的物料，其研磨參數可能不同，可據此設置不同的蓄能器參數以達到最佳的工作狀態。