董曉娟，權(quán)曉惠，荊云海，張立波

(金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710032)

0 前言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高效清潔的核電已被列為重點(diǎn)發(fā)展方向之一，而核電用鋯合金管等材料的生產(chǎn)主要依賴進(jìn)口，難以滿足國內(nèi)核電站建設(shè)用管的需求。40 MN擠壓機(jī)是我國自主研制的首臺(tái)用于核電鋯合金管、棒型材及鈦合金材生產(chǎn)的擠壓設(shè)備。由于其生產(chǎn)工藝要求的擠壓速度變化范圍大，速度精度要求高，使該擠壓機(jī)的液壓控制系統(tǒng)不同于常規(guī)擠壓機(jī)，其設(shè)計(jì)增加了很大的難度。本文對(duì)該擠壓機(jī)的泵－蓄勢器聯(lián)合傳動(dòng)進(jìn)行了分析研究。

1 40 MN擠壓機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)及對(duì)液壓系統(tǒng)的要求

某公司40 MN臥式雙動(dòng)擠壓機(jī)由擠壓機(jī)主機(jī)、機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成。擠壓機(jī)主機(jī)由主缸及回程缸、框架、動(dòng)梁與穿孔、擠壓容室、移動(dòng)模架等部分組成。

40 MN擠壓機(jī)為臥式預(yù)應(yīng)力框架，帶有穿孔功能的雙動(dòng)結(jié)構(gòu)。

1.1 擠壓機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

公程擠壓力40 MN

穿孔力5 MN

穿孔回程力3 MN

擠壓速度0.5～100 mm/s

主柱塞空程速度≤250 mm/s(可調(diào))

擠壓筒移動(dòng)速度≤250 mm/s(可調(diào))

穿孔速度≤200 mm/s(可調(diào))

穿孔回程速度≤280 mm/s(可調(diào))

主系統(tǒng)工作壓力28 MPa

輔助系統(tǒng)工作壓力20 MPa

1.2 40 MN擠壓機(jī)對(duì)液壓系統(tǒng)的要求

40 MN擠壓機(jī)的液壓控制系統(tǒng)必須保證壓機(jī)各個(gè)動(dòng)作運(yùn)行快速、平穩(wěn)且無沖擊;操作應(yīng)方便靈活，易于實(shí)現(xiàn)電氣程序化控制;保證系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的控制、檢測及報(bào)警;同時(shí)需滿足擠壓力和擠壓速度的要求:

(1)擠壓力實(shí)現(xiàn)限壓保護(hù)。在操作臺(tái)或上位機(jī)上可對(duì)主缸的最高壓力進(jìn)行設(shè)定，在小規(guī)格產(chǎn)品擠壓時(shí)，以保護(hù)擠壓工具;

(2)對(duì)擠壓速度進(jìn)行分段控制:擠壓速度≤5 mm/s時(shí)，速度波動(dòng)≤±0.1%;擠壓速度5 mm/s～45 mm/s時(shí)，速度波動(dòng)≤±1%;擠壓速度在＞45 mm/s時(shí)，速度波動(dòng)≤±10%。

2 40 MN擠壓機(jī)液壓系統(tǒng)的控制方案

現(xiàn)代擠壓機(jī)液壓控制系統(tǒng)多采用以液壓油為介質(zhì)。以水為介質(zhì)的泵－蓄勢站傳動(dòng)由于難于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)精確控制、元件壽命低，運(yùn)行成本高，維護(hù)不方便等原因，已不被采用。

根據(jù)40 MN臥式雙動(dòng)擠壓機(jī)液壓控制系統(tǒng)的要求，本文對(duì)液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源傳動(dòng)方式、擠壓速度的控制、擠壓力的限壓保護(hù)進(jìn)行分析確定。

2.1 液壓動(dòng)力源傳動(dòng)方式

按照液壓動(dòng)力源的傳動(dòng)方式，擠壓機(jī)液壓控制系統(tǒng)有泵直接傳動(dòng)、泵蓄勢器傳動(dòng)、泵－蓄勢器聯(lián)合傳動(dòng)等方式。泵－蓄勢站聯(lián)合傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是兼有泵直接傳動(dòng)和蓄勢器傳動(dòng)的特點(diǎn)，在低速擠壓時(shí)，采用泵直接傳動(dòng)的方式;在高速擠壓時(shí)，采用泵和蓄勢器同時(shí)供液的傳動(dòng)方式。

該擠壓機(jī)所需的最大擠壓速度為100 mm/s，系統(tǒng)在最大擠壓速度時(shí)所需的流量為8640 l/min;在擠壓速度≤45 mm/s的高精度擠壓時(shí)，系統(tǒng)所需的高壓流量為4185 l/min，小于最大流量的49%;在非擠壓時(shí)間，系統(tǒng)各執(zhí)行元件動(dòng)作時(shí)所需的最大流量為3800 l/min，約為系統(tǒng)最大流量的44%，此時(shí)的動(dòng)作多為空程，壓力較低，通常小于10 MPa。

根據(jù)擠壓工藝計(jì)算，該擠壓機(jī)的一個(gè)擠壓周期平均時(shí)間約為160 s，在擠壓速度＞45 mm/s時(shí)，擠壓時(shí)間為10～20 s。

因此，采用泵－蓄勢器聯(lián)合傳動(dòng)是最佳的傳動(dòng)方式。即在擠壓速度≤45 mm/s的高精度擠壓時(shí)，采用油泵直接供油的方式，以變量泵進(jìn)行容積調(diào)速，以保證速度精度;在擠壓速度＞45 mm/s時(shí)，采用油泵+蓄勢器聯(lián)合供油方式，通過蓄勢器短時(shí)間釋放出大量高壓油，使擠壓速度達(dá)到要求。其泵站工作原理如圖1所示。

圖1 泵站原理圖Fig.1 Schematic diagram of pump station

(1)采用6臺(tái)500 l/min的定量泵及4臺(tái)525 l/min的變量泵組成系統(tǒng)泵站，總流量可達(dá)5000 l/min;

(2)采用2個(gè)400 L活塞式蓄勢器和3個(gè)4 m3的氮?dú)夤拮鳛樾顒萜髡尽?/p>

在最大擠壓速度100 mm/s時(shí)，蓄勢器應(yīng)補(bǔ)充的流量為ΔQ=8640－5000=3640 l/min;

在10 s內(nèi)，蓄勢器應(yīng)釋放出的高壓液體流量ΔV=3640/6=607 L;

蓄勢器的最高壓力P2=28 MPa;最低壓力P1=90% ×28=25.2 MPa;充氣壓力P0=0.96×P1=24.2 MPa;

蓄勢器的總?cè)莘e (充入氮?dú)夂蟮目側(cè)莘e)

式中，n=1.4，1/n=0.7143(按絕熱狀態(tài))。

考慮到采用工業(yè)氮?dú)獠环侠硐氲慕^熱氣體條件，取絕熱校正系數(shù)為0.68，則

因此選用800 L活塞式蓄勢器和3個(gè)4 m3的氮?dú)夤拮鳛樾顒萜髡驹诳焖贁D壓時(shí)供油。

該擠壓機(jī)采用泵－蓄勢站聯(lián)合傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn):

(1)與泵直接傳動(dòng)相比，裝機(jī)功率可減少1700 kW，減少約40.5%;

(2)液壓系統(tǒng)的能耗有效降低。裝機(jī)功率減少1700 kW，意味著系統(tǒng)中少了7臺(tái)500 l/min高壓油泵及250 kW的電機(jī)組，這些油泵在非擠壓時(shí)間不參與壓機(jī)的工作，只是空運(yùn)轉(zhuǎn)，空轉(zhuǎn)時(shí)仍有約15%的能耗;而在本壓機(jī)中，非擠壓時(shí)間占整個(gè)擠壓周期的87%～95%。

2.2 擠壓速度的控制方式

擠壓機(jī)的擠壓速度控制通常有節(jié)流調(diào)速、容積調(diào)速、容積與節(jié)流聯(lián)合調(diào)速等方式。

由于該40 MN擠壓機(jī)的擠壓速度變化范圍較大，只采用一種調(diào)速方式難以滿足使用要求。因此，根據(jù)擠壓機(jī)不同的擠壓速度及其控制精度，分別采用不同的調(diào)速方式。

擠壓速度在0.5～5 mm/s時(shí)，系統(tǒng)所需的高壓液體流量為45～450 l/min，要滿足≤±0.1%的精度要求，不能通過變量泵的節(jié)流調(diào)速直接控制。一方面，變量泵在流量小于額定流量10%時(shí)，存在死區(qū);另一方面，變量泵響應(yīng)較慢難以達(dá)到精度要求。因此，采用通過容積與節(jié)流聯(lián)合調(diào)速方式進(jìn)行控制，選用DN32通徑高頻響比例流量閥+變量泵，由變量泵進(jìn)行粗調(diào)，高頻響比例流量閥進(jìn)行精調(diào)控制。既降低了節(jié)流調(diào)速造成系統(tǒng)發(fā)熱，又滿足了高精度的控制要求。

擠壓速度在5～45 mm/s時(shí)，系統(tǒng)所需的高壓液體流量為450～4050 l/min，要滿足≤±1%的精度要求，采用4臺(tái)525 l/min的變量泵+4臺(tái)500 l/min定量泵組合方式，進(jìn)行容積調(diào)速即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)不同擠壓速度的控制要求。

擠壓速度在45～100 mm/s時(shí)，系統(tǒng)所需的高壓液體流量為4050～8640 l/min，采用泵和活塞式蓄勢器同時(shí)供液，在并聯(lián)的活塞式蓄勢器主缸進(jìn)液回路中設(shè)置了DN80的比例流量閥，對(duì)擠壓速度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。在實(shí)際控制過程中，同樣可根據(jù)速度要求，首先由泵組對(duì)系統(tǒng)流量進(jìn)行粗調(diào)，然后通過比例流量閥進(jìn)行精調(diào)，盡可能降低能耗，減少系統(tǒng)發(fā)熱量。

該40 MN擠壓機(jī)擠壓速度的控制，在低速段 (0.5～5 mm/s)和高速段 (45～100 mm/s)，采用容積與節(jié)流聯(lián)合調(diào)速方式進(jìn)行控制;在中速段 (5～45 mm/s)，采用容積調(diào)速方式進(jìn)行控制。系統(tǒng)調(diào)速控制原理如圖2所示。

圖2 容積與節(jié)流聯(lián)合調(diào)速控制原理圖Fig.2 Schematic diagram of volume and throttle combining speed regulation

2.3 擠壓力的限壓保護(hù)

在該40 MN擠壓機(jī)上用φ216 mm擠壓筒擠壓較小的鋯管時(shí)，為防止由于悶車或其它原因，造成系統(tǒng)壓力過高而損壞擠壓工具，需要對(duì)系統(tǒng)壓力進(jìn)行限定。本擠壓機(jī)采取在主缸進(jìn)液控制油路上設(shè)置插裝式比例壓力閥，將擠壓工具允許承受的力折算成系統(tǒng)工作的允許實(shí)際壓力，通過上位機(jī)對(duì)比例壓力閥的壓力進(jìn)行設(shè)定，當(dāng)主缸中的壓力達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)，比例壓力閥泄壓，使系統(tǒng)壓力不超過設(shè)定值，保護(hù)了擠壓工具。比例壓力閥的壓力可根據(jù)擠壓工具的不同在5～28 MPa之間任意設(shè)定。限壓保護(hù)原理如圖3所示。

圖3 擠壓力限壓保護(hù)原理Fig.3 Principle of limitation for extrusion pressure

3 結(jié)論

(1)在需要快速擠壓的擠壓設(shè)備中，液壓系統(tǒng)采用泵－蓄勢站聯(lián)合傳動(dòng)比泵直接傳動(dòng)具有明顯的優(yōu)勢，可使裝機(jī)功率減少約40%，液壓系統(tǒng)的能耗有效降低。

(2)在泵－蓄勢站聯(lián)合傳動(dòng)中，根據(jù)不同擠壓速度，采用不同的調(diào)速方式控制，有效保證了擠壓速度和精度的控制要求，并降低了系統(tǒng)發(fā)熱。

(3)通過在主缸進(jìn)液控制油路上設(shè)置比例壓力閥，可解決泵－蓄勢站聯(lián)合傳動(dòng)壓力調(diào)整難的問題，從而有效保護(hù)擠壓工具。

［1］ 俞新路．液壓機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用 ［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006．

［2］ 徐毅，李文峰．液壓與氣壓傳動(dòng)技術(shù) ［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2011．

［3］ 曹賢躍，125 MN擠壓機(jī)自動(dòng)潤滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究 ［J］．重型機(jī)械，2011(3):52－54．