冶金液压系统蓄能器设计与仿真分析

汪 龙，章德平，张 文，宋晓燕，刘 伟

（1.中冶南方工程技术有限公司炼钢分公司，湖北 武汉，430223；2.大连理工大学机械工程学院，辽宁 大连，116024）

冶金系统环境恶劣，设备多在高温、多尘、重载下长期工作，具有工序复杂、设备负载大、机构连续运转等特点［1］，故其液压系统的设计难度较大。大型冶金液压系统在一个工作循环中，存在间歇的高压大流量负载或流量差异很大的负载，采用蓄能器作为辅助动力源，可改善系统性能，节能降耗。蓄能器总容积是选择合适蓄能器的关键指标。目前关于蓄能器总容积的计算方法有多种［2－3］，但采用不同方法计算，其结果相差较大。本文结合国内某大型钢厂连铸机项目，详细介绍了液压系统蓄能器的设计过程，比较了不同工况下蓄能器总容积的计算方法，并对所选蓄能器的动态参数进行仿真分析，以验证设计方法和数据的准确性。

1 液压系统设计

1.1 连铸工艺流程

连铸机出坯系统主要为翻钢机、推钢机、分钢机和翻转冷床提供动力源。某厂连铸机工艺流程简图如图1所示。铸坯经过输送辊道后，输送到出坯辊道上面，翻钢机把铸坯向上翻转90°置于滑道上，移坯车将滑道上的铸坯推到翻转冷床入口或者推钢机上。

图1 工艺流程简图Fig.1 Process flow diagram

1.2 液压系统设计

1.2.1 工作介质和系统压力

液压系统常用的工作介质有普通矿物油和抗燃液压油，该厂连铸机液压系统所用工作介质为抗磨液压油。

系统压力与工作介质有关，根据该厂现场实际使用情况，系统工作压力取18MPa。

1.2.2 高压泵组流量计算

图2 系统的流量－时间图Fig.2 System flow－time chart

泵的流量是根据系统在一个工作循环中的平均流量来选取的［4］。根据本液压系统执行元件参数和系统工艺流程，绘出图2所示的系统流量－时间图。由图2中可知，翻转冷床升降缸上升、5流翻钢机油缸上升和推钢机油缸上升同时动作时，系统流量达到峰值，Qmax＝1002L／min；泵的平均流量Qm＝597L／min。因此，本系统选择力士乐恒压变量泵A10VSO140DR／31R共4台，使用3台，1台备用。该泵单台的最大流量为207L／min，因此本系统泵组的总供油量为Q泵＝621L／min。

2 蓄能器的选择

2.1 工作参数的选定

蓄能器的重要设计参数有系统工作容积VW、总容积V0、工作温度、最大排油量和气体最低工作压力P1、最高工作压力P2及预充气压力P0等，其中P1、P2和VW由系统本身决定，是确定总容积V0最基本的参数。

2.1.1 工作容积的选取

由于出坯系统动作较频繁，工况也较恶劣，另外考虑到系统存在油缸和阀的泄漏量，因此蓄能器的有效工作容积取为VW＝60L。

2.1.2 工作压力和预充气压力的确定

蓄能器最高工作压力和最低工作压力都是由系统负载决定的。在不考虑管路压力损失的情况下，蓄能器的最高工作压力P2一般与液压系统的工作压力一致，本系统中取P2＝18MPa。最低工作压力P1由设备工况决定，取P1＝15 MPa。对于皮囊式蓄能器，其预充气压力须满足P0max≤0.9P1，本系统中取P0＝13MPa。

2.2 蓄能器总容积计算

目前常用的蓄能器总容积计算方法有按气体绝热过程考虑、按气体不可逆多变过程考虑和温度校正3种，不同计算方法结果差别较大，只有结合冶金系统实际工况选择最为合理的计算方法才能满足生产要求。下面对不同的计算方法进行比较。

2.2.1 按气体绝热过程考虑

在计算蓄能器总容积时，首先要确定其工作气体是处于等温状态还是绝热状态［5］。冶金液压系统中，蓄能器一般作为能量储存器和紧急动力源的情况较多，此时可按气体绝热过程来计算其总容积，计算公式为

式中：n为指数，绝热过程取n＝1.4。

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

2.2.2 按气体不可逆多变过程考虑

冶金液压系统中，比较典型的情况是储油进行得很慢（等温过程），而排放则很快（绝热过程）。例如当执行机构所需流量较少时，泵多余的能量就会存储在蓄能器中，这是一个缓慢的过程；当事故状态或泵流量不够时需要蓄能器供油，此时是一个快速的绝热过程。此种情况下可按气体不可逆多变过程计算蓄能器的总容积，计算公式如下：

式中：nc为慢速存储阶段的多变函数，是一个时间函数［5］，nc＝1～1.4。

大多数情况下，可以假设nc＝1，则式（2）可简化为

代入参数计算可得：V0＝597L。

2.2.3 温度校正

上述式（1）、式（3）是未考虑工作温度变化的情况下计算的蓄能器总容积。实际上，蓄能器在工作时，温度会有很大的变化。考虑温度因素，蓄能器总容积的计算结果须进行温度校正，其计算公式为

式中：T2为蓄能器最高工作温度，本文选取T2＝323K；T1为蓄能器最低工作温度，本文选取T1为293K；V0T为考虑温度变化之后的蓄能器总容积，L。

取式（1）和式（3）计算结果中的较大值进行温度校正，将V0＝597L、T1＝308K、T2＝323K代入式（4）得：V0T＝626L。

考虑到冶金系统工作环境恶劣，结合蓄能器样本资料，取蓄能器总容积为720L，即采用12组60L的皮囊式蓄能器。

另外，当工作压力大于20MPa时，蓄能器里面的工业氮气与理想气体相差甚远，还需考虑高压校正系数。

综上所述，用式（1）理想气体绝热过程计算出来的蓄能器总容积往往偏小，实际上气体的工作过程是一个不可逆的多变过程，故选择蓄能器要综合考虑温度、多变指数与高压校正系数等因素，这样才能保证蓄能器工作总容积选取得合理。

3 蓄能器动态特性参数仿真与分析

根据前面的计算结果可知，所选蓄能器参数为：Q泵＝621L／min，P1＝15MPa，P2＝18MPa，VW＝60L，P0＝13MPa，V0＝720L。采用蓄能器专业生产厂商德国HYDAC公司研发的ASP软件对所选蓄能器的压力、温度、容积进行仿真分析，以校验所选参数的准确性。

3.1 压力曲线

蓄能器工作时，液压系统中油的工作温度一般控制在20～50℃之间。初始工作温度为50℃和35℃时，蓄能器工作的压力曲线如图3所示，采样时间为2个周期。从图3中可知，在t＝8.16 s时，初始工作温度为35℃时，蓄能器最低工作压力P1＝15.8MPa，初始工作温度为50℃，蓄能器最低工作压力P1＝15.9MPa，可见两种情况下最低压力P1都大于系统所要求的最低工作压力15MPa，表明在最恶劣的工况（蓄能器和泵同时供油，系统达到峰值流量）下，所选蓄能器的工作压力仍能够满足系统要求。

图3 蓄能器压力曲线Fig.3 Accumulator pressure chart

3.2 温度曲线

蓄能器工作时油温的变化曲线如图4所示。从图4中可知，蓄能器初始工作温度为35℃时油温在35～24℃间变化，初始工作温度为50℃时油温在50～39℃间变化，两种情况下最大温差都达12℃左右。可见，本设计中采用温度校正法计算蓄能器的工作总容积是合理的。

图4 蓄能器温度曲线Fig.4 Accumulator temperature chart

3.3 容积曲线

蓄能器容积曲线如图5所示。从图5中可知，当初始工作温度分别为35℃和50℃时，蓄能器中气体或油的体积变化均为ΔV＝42.197L，ΔV即为蓄能器的有效工作容积，这与前面根据图2计算得出的结果一致，可见虽然设计时蓄能器是按容积为60L选取的，但其有效工作容积仍为42L。

图5 蓄能器容积曲线Fig.5 Accumulator volume chart

3.4 PV曲线

蓄能器的PV曲线如图6所示。由于蓄能器液压系统考虑的是最恶劣的工况，因此只考虑充油过程和放油过程的压力。放油过程皮囊中气体膨胀，压力下降；充油过程中气体压缩，压力升高，通常是一个多变过程［6］。从图6中可以看出，皮囊式蓄能器的工作过程是不可逆的循环过程，故存在能量损失，即释放的能量总比存入的少，导致气体温度升高。

图6 蓄能器PV曲线Fig.6 Accumulator PV chart

根据以上曲线，可以得出所选蓄能器在任意时刻温度、压力、容积、流量以及蓄能器内油量变化的情况。综上分析可知，在工作时间为8.16s处，蓄能器的压力、温度和容积达到最低，此刻即为系统供油量最大处，ΔV＝42L，所需蓄能器最大流量为6.3L／s，未超过所选蓄能器允许的最大流量（30L／s）。

仿真结果表明，该蓄能器设计方法正确，参数选择合理，能够满足该厂冶金系统蓄能器的性能要求。

［1］王浦江.小方坯连铸［R］.北京：北京钢铁设计研究总院、中国金属学会连铸分会，1998：50－58.

［2］杨燕芳.不同工况下皮囊式蓄能器工作参数的选择与计算［D］.秦皇岛：燕山大学，2011.

［3］王琳，曹瑞涛，冯长印.蓄能器基本参数确定及其特性对液压系统的影响［J］.陶瓷，2005（5）：40－43.

［4］成大先.机械设计手册［M］.北京：化学工业出版社，2008.

［5］杨伟达，何天德，韩宝琦.蓄能器充压过程中气体多变指数的确定及储油量计算［J］.吉林林学院学报，1998，14（1）：27－30.

［6］唐玉蓉.试析皮囊式蓄能器的热力学状态及其对工作参数选择的影响［J］.电子机械工程，1999（6）：9－12.