轧机液压压下系统蓄能器的选型计算

10.3969/j.issn.1673-3355.2019.01.011

轧机液压压下系统蓄能器的选型计算

张宇彤1

摘要：以某1450mm热连轧机粗轧液压压下系统为例，通过对各位置蓄能器的选型计算及仿真，分析液压压下系统中蓄能器的作用，介绍相关参数的选取方法。关键词：液压压下系统；HGC；蓄能器；选型计算；仿真中图分类号：TH137.8文献标识码：A文章编号：1673-3355（2019）01-0011-06

SelectionCalculationofAccumulatorsofHydraulicScrew-DownSystemofRollingMills

ZhangYutong

screw-downsystemofcertain1450mmhotstripmillasanexample.

Abstract:Functionsofaccumulatorsinhydraulicscrew-downsystemareanalyzedandselectionmethodsofrelevant

parametersareintroducedafterselectioncalculationandsimulationofaccumulatorsineachpositionwiththehydraulicKeywords:Hydraulicscrew-downsystem；HGC；Accumulator；Selectioncalculation；Simulation

在轧机设备中，为提高板带的厚度精度，通常采用工作辊辊缝闭环控制方法。在粗轧机上，辊缝自动控制系统可简称为HGC（HydraulicGaugeControl）控制，由压下装置、弯辊系统及平衡缸系统三部分组成，具有控制精度高、系统响应速度快等优点。其中压下装置使用闭环液压伺服控制系统，可以有效控制高速轧制状态下带钢的厚度偏差。

液压压下系统作为轧机设备的核心组成部分，其控制性能的好坏直接影响轧机性能。而蓄能器作为压下系统的重要辅助元件，不仅可以为系统提供辅助动力源，而且具有吸收脉动、补偿流量等特点。将其应用于液压压下系统，能够提高系统响应，改善稳态性能。

本文通过对液压压下系统中各蓄能器的选型计算，分析影响该系统中蓄能器参数的因素。使用AMESim软件对压下系统建模仿真，通过液压元件设计库（HCD）中仿实物化的物理图形搭建系统模型，以匹配元件子模型的方式设置仿真参数。仿真结果以液压元件的内部变量形式显示。

1皮囊式蓄能器的结构及参数

轧机液压压下系统在压下量动态调整过程中需要较快的响应速度，一般采用体积小、重量轻、响应快的皮囊式蓄能器[1]以提高系统动态响应，保证控制精度。1.1蓄能器的结构

油液在一般压力和温度下的压缩性很小，蓄积压力能十分困难，为实现油液的快速存储和释放，充气式蓄能器借助气体的可压缩性完成了油液容积的动态变化。皮囊式蓄能器一般由充气阀、壳体、皮囊和菌形阀组成（见图1）。

工作时，壳体内的油液与管路中的油液相连通。当油液压力大于皮囊内气体的压力时，皮囊内气体的体积被压缩，管路中的油液被压入蓄能器，同时皮囊内的压力升高，直到与周围油液压力相同时，蓄能器停止充液。放液过程与之相反。使用前用充气工具连接蓄能器，将充气阀缓缓打开，慢慢冲入氮气直至菌形阀关闭，然后快速充气到充氮压力；阀防护罩要在充气后旋紧，防止误动；止动螺

1.一重集团大连工程技术有限公司助理工程师，辽宁大连116600

44CFHI2019年第1期（总187期）yz.js@cfhi.comCFHITECHNOLOGY

压缩比大幅降低，会缩短皮囊的寿命。因此，在计算时，充氮压力一般按用途选取不同的推荐值，推荐值的计算方法见式（1）~式（5）。极限值计算方法见式（6）和式（7）。用于能量储备时：

p1=0.9p2（1）式中：p1—充氮压力（MPa）；p2—系统最低工作压

力（MPa）。p1=（0.6~0.9）pm

式中：pm—系统平均工作压力（MPa）。

用于吸收脉动时：

p1=（0.6~0.75）pm（单个压力）

多个压力）p1=0.8p2（

用于液路缓冲时：p1=（0.6~0.9）pm

充氮压力的极限值：p1臆0.9p2

立式安装p1颐p3臆1颐4卧式安装p1颐p3臆1颐3用于消振时：

（2）

（3）（4）（5）（6）（7）

1—阀防护罩；2—充气阀；3—止动螺母；4—壳体；5—皮10—衬套环；11—螺塞。囊；6—菌形阀；7—橡胶托环；8—支撑环；9—O型圈；图1皮囊式蓄能器结构简图母用于把皮囊和与之相连的充气阀座固定在壳体

上；菌形阀自带弹簧，正常状态下阀门开启，允许油液进出，当充氮压力过大或油液全部排出时，皮囊压缩弹簧使菌形阀关闭，避免皮囊被挤出。1.2蓄能器的充氮压力

充氮压力和有效容积是蓄能器选型计算中的两个重要参数。其中充氮压力与系统工作压力有关，它决定了蓄能器的容积，并且根据蓄能器用途的不同，充氮压力值也随之变化。增加蓄能器充氮压力，响应快，吸收瞬时脉动效果好，但充氮压力的增大会导致蓄能器储液容积的减少，油液补偿效果变差。另一方面，充氮压力也不宜过小，否则皮囊

式中：p3—系统最高工作压力（MPa）。

嗓2蓄能器在液压压下系统中的应用

某1450mm热连轧机的粗轧液压压下系统组成有：油源部分液压站1台，控制单元液压HGC阀组2台，执行机构压下油缸2台（见图2）。液压压下系统工作原理：由恒压变量泵和设置在泵站附近的泵出口蓄能器组成的恒压油源，经中间管路为粗轧HGC系统供油。轧制开始后，压下油缸工作，油液从有杆腔回油，通过溢流阀可以稳定轧制

1—恒压变量泵；2—泵口溢流阀；3—泵出口蓄能器；4—伺服阀前蓄能器；5—比例伺服阀；6—压下液压油缸；7—压下缸回油蓄能器；8—回油溢流阀。图2轧机液压压下系统原理简图2019年第1期（总187期）yz.js@cfhi.com45CFHI一重技术

时的回油背压。轧制过程中通过油缸上安装的位移传感器和伺服阀后的压力传感器实现位置和压力的闭环控制。

可以看出，在恒压变量泵的出口、比例伺服阀的入口及压下油缸杆侧的回油路均安装有蓄能器，笔者分别介绍三处蓄能器的用途及计算方法。2.1泵出口蓄能器

在热连轧机液压压下系统中，一般使用恒压变量泵和蓄能器作为油源动力。蓄能器作为辅助动力源[1]，还负责吸收泵口的流量脉动。恒压变量泵出口压力的稳定性主要取决于泵内变量机构的动态响应特性，而与泵口溢流阀具有较好的动态特性相比较，变量泵内部调定压力的响应时间更长，稳定性也更差[2]。因此，在液压站的恒压变量泵出口安装蓄能器，也有稳定变量泵出口压力，改善变量泵响应特性的作用。

该1450mm热连轧机粗轧液压压下系统的高压液压站采用A4VSO180DR恒压变量泵，并在泵出口设有蓄能器组。

根据恒压变量泵工作特性，泵排量从最小提高到最大的过程，需要经过一段时间，称为冲击时间。因V此，蓄能器的机动容积

式中：w=QQ—伊t

系统最大流量（L/sec）；t—冲击时间

（8）（sec），t=0.3~0.5。

皮囊式蓄能器在工作时，其内部遵循气体状态多变规律[3]

p1V1k

=p2V2k

=p3V3k

充液时蓄能器内的=常气数

体按等温变化考虑，则（有

9）

V2=p1pV12（10）

V3=

p1mp23V（11）

V忆2=

蓸蓸p蔀p32

式中：V1—蓄蔀21nV3

（12）

能器内气体体积（L）；V2—充液体

积（L）；V忆2—放液体积（L）；V3—p3时的

气体体积（L）；m—充液时多变指数；n—

放液时多变指数。

对于充氮压力p1，根据蓄能器用途不同，取值也有差异。蓄能时一般取系统最低压力的80%~462019年yz.js@cfhi.com第1期（总187期）CFHI90%50%~80%；吸收冲击。这里取和波充氮动压时一力般p1为取系系统压统平力均的压75%力的。

对于充液指数m和放液指数n，根据平均压力px=p2+p3及充液、放液时间，通过氮气多变指数一

览表2（表略）分别选取。当n约m时，取n=m=较大值。这里取n=m=1.98。

放液时的体积蓘变化

Vw=V忆2-V3=蓄能器体积蓸p蔀1n1mpp32

-1

V1=

V蓡蓸pp23

蔀p12V1

（13）

1wpnm1（14）

pp32

-1

p12

放液蓘系数F=

蓸蓘蓸ppp32

p12

（15）

令：充氮蔀蔀蓡蓸pp23

蔀1n1-1

压力比蓡蓸p2e=蔀mp3

pp12，工作压力比a=pp32

，则有

F=a1na-11m（16）将式（16）带入式（14）中，可得：V1=eV浊wF（17）

式中：浊—蓄能器的效率。

其中，充氮压力比e越大，蓄能器容量越大，但e超过0.9会影响皮囊的寿命。由于通常使用的蓄能器在工作时皮囊受径向压缩，称为折合式皮囊蓄能器，根据推荐值，此类蓄能器的充氮压力比可选取为e=0.8~0.85。

工作压力比e越大，蓄能器的容量越小。对稳定性要求较高的系统，其最高工作压力p3和最低工作压力p2之差应为1MPa左右[4]。

将泵站参数（见表1）带入式（8）和式（17）中，可得

V1

=52060伊0.50.8伊0.95伊1.0671.981越176.95（L）

1.067

1.981-1CFHITECHNOLOGY

选用50L皮囊式蓄能器4台。2.2伺服阀前蓄能器

在轧制过程中，板坯厚度产生偏差，咬钢及抛钢过程都会引起辊缝变化，需要伺服阀实施动态调节，以保持辊缝不变，由此导致伺服阀入口的油压产生动态波动。在伺服阀前设置蓄能器，可吸收这些压力波动。

作为系统油源的高压站，一般距离压下系统伺服阀较远，油液在长管路中流动时存在沿程损失，而在伺服阀前安装蓄能器，就可以起到补偿阀前压力损失的作用。

安装在伺服阀前的蓄能器，其充氮压力取所在管路工作压力的66%。

蓄能器机动容积

2

（18）Vw1=仔D伊S

4式中：D—压下缸直径（mm）；S—压下缸波动位

移（mm）。

将压下油缸和进油路参数（见表2）带入式（17）和式（18），得到蓄能器的容积

仔伊1.052伊0.002伊103

V=40.8伊0.95伊1.1791-11.981.179

越0.8659伊2抑28.58（L）0.0606选取阀前蓄器为1台32L皮囊式蓄能器。

1

11.98压力影响，而回油背压则通过背压管路上安装的蓄能器吸收回油管路内压力波动来保证。

根据油缸尺寸及轧制力要求，选取压下缸杆腔回油压力为4MPa。安装在杆腔侧的蓄能器充氮压力p1取管路工作压力的66%。

蓄能器机动容积

22

Vw2=仔蓸D-d蔀伊S

4（19）

式中：d—压下缸缸杆直径（mm）。

将压下油缸和回油路参数（见表2、表3）带入式（17）和式（19）中，计算得到蓄能器容积

仔伊蓸1.052-0.952蔀伊0.002伊103

V=41

0.8伊0.95伊1.19911.5越0.157伊2抑3.626（L）0.0866选取压下油缸回油蓄能器为1台10L皮囊式蓄能器。

1.199

11.5-13基于AMESim的仿真分析

3.1建立仿真模型

笔者在AMESim中利用超元件[5~6]搭建轧机压下系统位置闭环控制模型（见图3），在有蓄能器和无蓄能器状态下分别对轧制过程进行仿真。设置仿真时长5s，步长0.001，蓄能器参数选取前文中的计算值。3.2仿真结果分析

在泵出口、阀前及压下缸背压管路分别加装蓄能器，分析蓄能器对这三处压力波动的吸收情况，以及对系统位置闭环控制动态特性的影响。

充氮压力比e0.8充氮压力p1/MPa19充氮压力比e0.8充（放）液指数m=n1.5充（放）液指数m=n1.98充（放）液指数m=n1.98蓄能器效率浊0.95蓄能器效率浊0.95蓄能器效率浊0.952.3压下油缸回油蓄能器

在轧制中，要保证压下油缸输出稳定的轧制力，不仅伺服阀压差要保持稳定，还要保证油缸进、回油压力的稳定。油缸进油压力受伺服阀出口

系统最大流量Q/L/min520压下缸直径D/mm1050最高工作压力p3/MPa4冲击时间t/sec0.5压下缸缸杆直径d/mm950最高工作压力p3/MPa28表1高压液压站站内蓄能器计算参数表充氮压力p1/MPa21表2液压压下系统阀前蓄能器计算参数表压下缸波动位移S/mm2充氮压力p1/MPa2.67最高工作压力p3/MPa28表3液压压下缸有杆腔蓄能器计算参数表充氮压力比e0.82019年第1期（总187期）yz.js@cfhi.com47CFHI一重技术

图3压下系统AMESim仿真模型首先，对比加入三处蓄能器和无蓄能器两种情况下压下液压缸的位移响应曲线（见图4），可以看出，在压下控制系统中加入蓄能器，能够明显提高系统整体响应速度，这意味着轧制过程中压下缸能很快达到稳定的压下量输出，控制系统的动态特性得到有效改善。

（1）泵出口蓄能器的影响

在泵出口安装蓄能器和无蓄能器两种情况下，对比泵口压力随时间变化的曲线（见图5）可知，搭建考虑流量脉动的恒压泵模型后，泵出口压力在设定值28MPa下存在一定波动。安装蓄能器后，蓄能器出口主管路内压力波动明显降低，表明泵出口安装蓄能器有利于吸收泵的压力波动。

（2）伺服阀前蓄能器的影响

改变压下缸负载，模拟轧制过程中板坯厚度偏差等因素对伺服阀入口压力的影响，再通过加装阀前蓄能器，对比有无蓄能器时伺服阀入口压力随时间变化曲线（见图6）。通过仿真可知，压下缸受外部作用引起阀前管路内压力波动。加装蓄能器后，由于其补偿压力波动的作用，降低阀前管路内的压力波动幅度。仿真结果表明，在本文示例的轧制工况下，将所选32L蓄能器安装在伺服阀前，能够有效抑制阀前压力波动，通过稳定阀前压力使48CFHI图4压下缸位移响应曲线图5泵口压力对比曲线2019年第1期（总187期）yz.js@cfhi.comCFHITECHNOLOGY

系统获得良好动态性能。

（3）压下缸回油管路蓄能器的影响

在压下缸有杆腔回油管路上加装蓄能器，对比有无蓄能器时压下缸背压随时间变化的响应曲线（见图7）。可知，有蓄能器时有杆腔管路内压力的动态响应优于无蓄能器时，表明压下缸回油管路上的蓄能器能够缩短建压时间，在轧制过程中使背压较快达到稳定值，从而获得较好的轧制效果。

另一方面，考虑到压下缸背压的波动情况，对

见图8比有无蓄能器时压力波动曲线（），前文所选10L蓄能器能有效吸收压下缸回油腔压力波动，

从而减小由不稳定背压引发的轧制力波动。

图6阀前压力对比曲线4结语

本文通过对皮囊式蓄能器选型计算，分析充氮压力这一蓄能器重要参数的影响因素，并通过对液压压下系统进行建模仿真分析，探讨了蓄能器在吸收压力波动及提高系统稳定性方面的作用。通过对1450mm热连轧机粗轧液压压下系统中蓄能器的计算选型及仿真，笔者得出以下结论。

（1）在伺服阀前供油口和油缸回油口上设置蓄能器对稳定轧制压力具有良好的补偿作用。

（2）液压站中的蓄能器作为辅助动力源，还具有吸收压力脉动的作用，能够起到改善压下系统稳定性的作用。

（3）蓄能器的充氮压力与系统压力有关，对于不同性质的系统，蓄能器安装位置不同，其充氮压力也不相同。较大的充氮压力可以带来较好的稳压效果，但充氮压力的升高会使蓄能器的机动容积变小，从而降低蓄能器补充油液及吸收流量脉动的效果。

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