快鍛壓機(jī)主泵供液系統(tǒng)仿真分析

魏海濤， 張曉麗， 魏海鋒， 王生金， 馬志剛， 王拴慶

(1. 蘭州蘭石集團(tuán)有限公司 能源裝備研究院， 甘肅 蘭州 730314；2.蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司， 甘肅 蘭州 730314；3.蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司， 甘肅 蘭州 730314)

引言

快鍛壓機(jī)是20世紀(jì)60年代開始發(fā)展起來(lái)的一種新型鍛壓設(shè)備，快鍛壓機(jī)有著運(yùn)行速度快、控制精度好、機(jī)械化程度高等特點(diǎn)[1]，被認(rèn)為是鍛造生產(chǎn)的重要設(shè)備之一。其液壓系統(tǒng)是高壓大流量的大功率系統(tǒng)， 具有負(fù)載干擾大、 運(yùn)動(dòng)慣量大、 系統(tǒng)沖擊大等特點(diǎn)[2]。在實(shí)際應(yīng)用中， 快鍛壓機(jī)主泵變量出現(xiàn)瞬時(shí)壓力突降的現(xiàn)象，造成主泵停止工作，影響系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。為了分析其原因，對(duì)快鍛壓機(jī)供液系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真分析是較好的方法之一。

對(duì)50 MN快鍛壓機(jī)主泵供液系統(tǒng)原理做了介紹，在此基礎(chǔ)上利用AMESim軟件對(duì)關(guān)鍵元件持壓閥進(jìn)行了建模仿真，進(jìn)而對(duì)供液系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，提高持壓閥響應(yīng)速度、增加供液泵流量或增大主泵投泵間隔時(shí)間可以減小壓力突降幅度，為快鍛壓機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 50 MN快鍛壓機(jī)主泵供液系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)原理

如圖1所示，50 MN快鍛壓機(jī)主泵供液系統(tǒng)采用3臺(tái)供液泵，主泵全部選用變量泵。供液泵從油箱吸油，經(jīng)過過濾器、單向閥向主泵系統(tǒng)供液，供液泵流量一般為主泵總流量的1.15～1.2倍，出口壓力為0.2～0.5 MPa。持壓閥用來(lái)設(shè)定供液壓力，當(dāng)主泵未工作時(shí)，持壓閥處于開啟狀態(tài)，液壓油經(jīng)持壓閥回油箱，當(dāng)主泵啟動(dòng)后，持壓閥關(guān)閉，液壓油進(jìn)入主泵吸油口，向系統(tǒng)供液。

1.油箱 2.供液泵 3.持壓閥 4.過濾器5、8.單向閥 6.主泵 7.電機(jī)圖1 50 MN快鍛壓機(jī)主泵供液系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of liquid supply system for main pump of 50 MN fast forging press

1.2 持壓閥工作原理

圖2為持壓閥模型，當(dāng)持壓閥的主閥進(jìn)口通壓力油(油壓為p1)時(shí)，壓力油除直接作用在主閥芯的下腔作用面積外，還經(jīng)過主閥芯上的背壓室進(jìn)油孔C至背壓室和控制器進(jìn)油孔，并對(duì)控制器閥芯施加一個(gè)液壓力Fx。若液壓力Fx小于控制器設(shè)定彈簧力時(shí)，控制器關(guān)閉，持壓閥背壓室為密閉靜止容腔，阻尼孔C中無(wú)液流流過，主閥芯上下兩腔壓力相等，因此持壓閥處于關(guān)閉狀態(tài)。隨著持壓閥進(jìn)口壓力p1增大，作用在控制器閥芯的液壓力Fx隨之增大，當(dāng)液壓力Fx大于控制器設(shè)定彈簧力時(shí)，控制器打開，壓力油經(jīng)背壓室進(jìn)油孔、控制器、持壓閥出口回油箱，由于液壓油通過阻尼孔C時(shí)將在兩端產(chǎn)生壓力差，使背壓室壓力p2低于主閥進(jìn)口壓力p1；當(dāng)壓差p1-p2足夠大時(shí)，因壓差形成向上的液壓力克服主閥彈簧力推動(dòng)閥芯上移，持壓閥打開[3]。

A.控制器進(jìn)油孔 B.控制器出油孔 C.背壓室進(jìn)油孔圖2 持壓閥模型Fig.2 Model of holding pressure valve

2 主泵供液系統(tǒng)仿真

2.1 持壓閥仿真模型

通過分析，初步確定變量泵在啟動(dòng)及變量的瞬間，會(huì)出現(xiàn)壓力突降現(xiàn)象的主要原因在持壓閥。為研究持壓閥對(duì)系統(tǒng)的影響，按照持壓閥模型采用HCD庫(kù)搭建詳細(xì)的仿真模型[4-6]，如圖3所示。根據(jù)樣本已知參數(shù)，對(duì)持壓閥仿真模型進(jìn)行仿真調(diào)試，得到流量壓力曲線如圖4中實(shí)線所示，虛線是用GetData軟件采集的元件樣本特性曲線上的點(diǎn)，采用AMESim中的Table Editor擬合成的曲線，通過不斷修改參數(shù)，使仿真得到的特性曲線與擬合曲線吻合[7-9]。

A.控制器進(jìn)油孔 B.控制器出油孔 C.背壓室進(jìn)油孔圖3 持壓閥仿真模型Fig.3 Simulation model of holding pressure valve

圖4 持壓閥流量壓力曲線Fig.4 Flow and pressure curves of holding pressure valve

2.2 系統(tǒng)仿真分析

根據(jù)50 MN壓機(jī)主泵供液系統(tǒng)的原理，用調(diào)試好的持壓閥模型搭建系統(tǒng)仿真模型[10-14]，如圖5所示。主泵按照變量泵模型搭建，依次投泵，間隔為0.1 s，投泵時(shí)間(擺角最小到最大)為0.3 s。

圖6為持壓閥不同響應(yīng)速度時(shí)進(jìn)口壓力曲線。供液泵流量為1.2倍主泵流量時(shí)，假定3種持壓閥的響應(yīng)速度。如圖6b所示，速度1為響應(yīng)速度較慢的情況，持壓閥關(guān)閉時(shí)間較長(zhǎng)；速度3為響應(yīng)速度較快的情況，持壓閥關(guān)閉時(shí)間較短；速度2的響應(yīng)速度介于1和3，可以看出，持壓閥關(guān)閉時(shí)響應(yīng)越快，變量泵投泵時(shí)持壓閥進(jìn)口壓力不會(huì)出現(xiàn)突然降低的情況；持壓閥關(guān)閉時(shí)響應(yīng)越慢，變量泵投泵時(shí)持壓閥進(jìn)口壓力突然降低的情況越明顯。

圖6 持壓閥響應(yīng)速度對(duì)系統(tǒng)的影響Fig.6 Influence of response speed of holding pressure valve on system

圖7a為持壓閥響應(yīng)速度1，即響應(yīng)速度較慢時(shí)不同供液泵流量下持壓閥進(jìn)口壓力曲線，其中qs為供液泵流量，q為液壓系統(tǒng)總流量。在該情況下，變量泵投泵及變量時(shí)，若要避免出現(xiàn)壓力突降的現(xiàn)象，供液泵流量至少為主泵總流量的1.15倍以上。圖7b為持壓閥響應(yīng)速度3即響應(yīng)速度較快時(shí)不同供液泵流量下持壓閥進(jìn)口壓力曲線，在該情況下，變量泵投泵及變量時(shí)，若要避免出現(xiàn)壓力突降的現(xiàn)象，供液泵流量至少為主泵總流量的1.1倍以上。

圖8為供液泵流量為1.2倍主泵總流量、持壓閥關(guān)閉響應(yīng)速度3即響應(yīng)速度較快的情況下，主泵投泵(變量泵擺角從最小到最大)間隔分別為0，0.02， 0.05， 0.08， 0.10 s時(shí)的持壓閥進(jìn)口壓力曲線。由圖可得，在該情況下，主泵投泵間隔小于0.08 s時(shí)，變量泵變量時(shí)壓力突降幅度很大，主泵投泵間隔大于等于0.08 s時(shí)，變量泵變量時(shí)壓力突降現(xiàn)象不明顯。

3 結(jié)論

(1) 在供液流量一定時(shí)，變量泵在投泵及變量的瞬間，持壓閥關(guān)閉時(shí)響應(yīng)越慢，壓力突降的幅度越大，持壓閥關(guān)閉時(shí)響應(yīng)越快， 壓力突降的幅度越小。供液流量一定的情況下，持壓閥關(guān)閉時(shí)間越長(zhǎng)，通過持壓閥的流量越多，可供主泵吸油流量不足，造成供液壓力突降，持壓閥完全關(guān)閉后，主泵供液流量充足，供液壓力上升至正常值；而持壓閥關(guān)閉越快，通過持壓閥的流量較少，可供主泵吸油流量相對(duì)充足，造成供液壓力突降不明顯;

(2) 要避免出現(xiàn)壓力突降的現(xiàn)象，持壓閥響應(yīng)速度較慢時(shí)，供液泵流量與主泵總流量的倍數(shù)偏大；響應(yīng)速度較快時(shí)，供液泵流量與主泵總流量的的倍數(shù)可相對(duì)小一些。持壓閥響應(yīng)速度快，通過持壓閥的流量較少，供液泵流量可相對(duì)小一些;

(3) 主泵投泵間隔越小，變量泵變量時(shí)壓力突降幅度越大，主泵投泵間隔時(shí)間增大時(shí)，變量泵變量時(shí)壓力突降現(xiàn)象越不明顯，故主泵投泵間隔不能太小，否則會(huì)造成供液流量不足，甚至主泵因?yàn)檫M(jìn)口壓力過低而停止工作。