蓄能器在16MN液压机快锻回程上的应用

魏太春

西部超导材料科技股份有限公司， 陕西西安 710021

伴随现代工业化的飞速发展，人们对自由锻件的锻造速度及锻造精度要求也越来越高。然而传统的液压机在快锻过程中，有74.4%的能量均在液压系统各个阀的节流上被消耗掉。由此，人们研究出一种采用蓄能器节能的新型快锻回路，从而在满足系统动静态特性的同时，还能最大程度地减少系统的能量损耗。

1 蓄能器及16MN 快锻液压机的简单介绍

1）蓄能器的基本概念。蓄能器是一种应用在液压气动系统中储蓄能量的装置，其能够在合适的情况下将系统中的能量转化为位能或者压缩能，并在系统需要时再将压缩能重新供给系统。依据加载方式的不同，可以蓄能器分成气体式蓄能器、弹簧式蓄能器以及重锤式蓄能器三种；

2）蓄能器的功能作用。蓄能器主要用来补充吸收液压冲击、消除脉动、回收能量及储存能量等。通常情况下，蓄能器一方面可以作为补充液压泵流量不足的工具，即液压系统低速运动时，液压泵会将载荷所需的多余流量储蓄在蓄能器中，并当载荷所需流量增加时，再将蓄能器中储蓄的液体释放出来，从而达到补充液压泵流量不足的作用；

3）16MN 快锻液压机的简单介绍。快锻液压机组包括锻造液压机、操作机以及移动站库等几部分，由上横梁、工作台、主缸、滑块、导柱等构件连接组成，通常采用计算机进行控制，主要实现包括对锻件的快速下压和活塞杆的回程等功能。

2 在16MN 液压机快锻回路中应用蓄能器

1）在液压机快锻回路中应用蓄能器的工作原理。快锻回路是完成行程在30mm 内、保证锻件变形量不超过5mm 的快下、压下和返程的工艺过程。在液压机快锻回路中应用蓄能器的简化原理如图1 所示，其工作原理是，首先，在快下的过程中，始终使得SV2（电液比例插装阀）以及SV4（电液比例插装阀）保持关闭，从而令回程缸成为一个密封并且保压的容腔；其次，在压下的过程中，将SV1（电液比例插装阀）启动，让高压油进入主缸之中，使活动横梁持续不断下降，从而保证回程缸油液能够流入蓄能器中并进行能量的储存，在此过程中，支撑阀PV 的作用是对整个系统进行安全保护；最后，在返程的过程中，将SV1（电液比例插装阀）闭合，同时启动SV3（电液比例插装阀），对主缸进行卸压操作，并释放出蓄能器中存储的能量，以便保证主缸中的高压油能够向回程缸中流通，然后迅速将活动横梁上移，使之停在给定的工作原点，进入下一循环[2]。

2）在液压机快锻回路中应用蓄能器的主要优势。比之传统的液压机溢流差动快锻回路，在液压机快锻回路中应用蓄能器，可以保证在液压机的快锻压下过程中，不会发生溢流产热的现象，并使得蓄能器提供的回程缸背压的变化在预定的范围之内；同时，在快锻的回程过程中，动力来源是蓄能器存储的能量，而蓄能器快锻回路泵则不需参加工作，并且应用在此快锻回路过程中的液压阀数量也比较少，从而在很大程度上降低了节流的损失。

3 在液压快锻路中应用蓄能器的系统计算

为了防止氮气进入管道、减小蓄能器的容积和振动的产生，一般在液压快锻回路中采用活塞式蓄能器。

1）确定蓄能器的压力。一般利用回程缸的提升力来计算蓄能器的压力。假设在a 状态时，液压系统的压力是Pa、体积为Va，在液压机快锻过程中，蓄能器的工作频率为1.3Hz，当蓄能器的充气和放气时间在1min 以内时，可以将系统当做是绝热状态，这时气体的常数k 为1.4。

此时的蓄能器相当于气体弹簧—阻尼模型【4】，其受力状态方程为：

式中：psn 代表蓄能器入口的压力；ma 代表折算到蓄能器蓄能腔的液体的当量质量；Ba 代表油液黏性阻尼系数；Ca 代表气体阻尼系数；ka 代表气体刚度系数；A 代表蓄能器的横截面面积；

2）主缸进液与卸压时电液比例插装阀的流量计算。电液比例插装阀SV1、SV3 在主缸进液和卸压过程的流量计算方程分别用qv1 和qvt 表示，其流量计算方程如下：

式中：Cd 代表电液比例插装阀流量系数；A′代表电液比例插装阀节流口面积；PS 代表油源压力；P1 代表主缸工作压力；P0 代表回油压力；ρ 代表油液密度；

3）快锻系统的流量计算。在主缸及回程缸作用下液压机的活动横梁动力学方程为：

式中：P2—代表回程缸的压力；FL—任意外负载力；Ff—摩擦力；A1—主工作缸面积；A2—回程缸面积；m—液压机移动部分质量；y—活动横梁位移。

主缸的流量为qv1，可以表示为：

式中：V1 表示主缸侧当量体积；K 表示油液体积弹性模量。

回程缸的流量为qv2，可以表示为：

式中：V2 表示回程缸侧当量体积。

由上述（1）—（6）公式可知，若将管道特性的影响忽略不计，则可以得出如下结论：蓄能器入口压力psn 的变化等于回程缸的压力P1 的变化；蓄能器内流量A1y 的变化与回程缸流量qv2 的变化相同[5]。

结束语：作为一种在液压气动系统中储蓄能量的装置，蓄能器在合适情景下将系统能量转化为位能或者压缩能，并在系统需要时再将压缩能重新供给系统，因此对液压系统具有极其重要的作用。而在液压快锻回路中采用蓄能器是一种全新的节能快锻方式，由于在该新型快锻回路中动力来源是蓄能器存储的能量，并且使用的液压阀数量较少，从而避免了大量的节流损失，因此该采用蓄能器的液压快锻回程方式具有广泛的应用前景。

[1]张林禄，李漪淼.活塞式蓄能器在泵控系统快锻油压机中的作用和容积计算[J].锻压装备与制造技术，2010，45(1)：164-166.