辊磨液压系统选型及工况探讨

李德祥，苑明华，王玉荣，陆小平

作为水泥生产线的主机设备之一，VRM系列辊磨主要用于水泥生料和水泥熟料及矿粉的粉磨，VRM系列辊磨结构示意图见图1。其中，液压系统用于为磨辊提供粉磨压力，由液压缸、蓄能器组、管路系统及液压站等组成，蓄能器组包含有杆腔蓄能器和无杆腔蓄能器。

1 蓄能器压力的计算方法

以活塞上下运动的中心位置作为液压缸正常工作的位置，活塞杆上下运动的值为ΔL，当液压缸向上运动时，运动距离为，此时有杆腔的容积缩小，缩小的数值ΔV有上=×S有，有杆腔压力达到最大值P有工max；无杆腔的容积扩大，扩大的数值为ΔV无上=S无，无杆腔压力达到最小值P无工min；当液压缸向下运动时，运动距离为，此时有杆腔的容积扩大，扩大的数值ΔV有下=×S有，有杆腔压力达到最小值P有工min；无杆腔的容积缩小，缩小的数值为 ΔV无下=×S无，无杆腔压力达到最大值P无工max。

由于活塞杆波动速度快，蓄能器在工作时，气体的变化按照绝热状态处理，PVγ=常数，对于氮气，γ=1.4。

图1 VRM系列辊磨结构示图

1.1 有杆腔压力计算

根据气体方程：

式中：

V有充——有杆腔蓄能器充气体积

V有工——有杆腔蓄能器工况体积

P有充——有杆腔充气压力

P有工——有杆腔正常工作压力

T有工——有杆腔工作温度

T有充——有杆腔充气温度

V有——有杆腔蓄能器体积

式中：

f有——有杆腔蓄能器充压系数

P有——有杆腔设定工作压力

当V有工＜V有时，

V有工max=V有工+ΔV有下

V有工min=V有工-ΔV有上

当V有工max＜V有时，

P有工max=P有工×（V有工/V有工min）γ

P有工min=P有工×（V有工/V有工max)γ

当V有工max≥V有时（气体体积超出蓄能器额定体积），

P有工max=P有工×（V有/V有工min）γ

P有工min=0

式中：

V有工max——有杆腔蓄能器工况最大体积

ΔV有上——活塞杆上行时有杆腔体积变化

V有工min——有杆腔蓄能器工况最小体积

ΔV有下——活塞杆下行时有杆腔体积变化

P有工min——有杆腔最小工作压力

P有工max——有杆腔最大工作压力

当V有工≥V有时（气体体积超出蓄能器额定体积，此时，蓄能器提供的液压油不能满足活塞运动需要的液压油），

V有工min=V有-V有上

P有工max=P有充×（V有/V有工min）γ

P有工min=0

1.2 无杆腔压力计算

根据气体方程：

式中：

V无工——无杆腔蓄能器工况体积

P无充——无杆腔充气压力

P无工——无杆腔正常工作压力

T无工——无杆腔工作温度

T无充——无杆腔充气温度

V无——无杆腔蓄能器体积

式中：

f无——无杆腔蓄能器充压系数

P无——无杆腔设定工作压力

当V无工＜V无时，

V无工max=V无工+ΔV无上

V无工min=V无工-ΔV无下

当V无工max＜V无时，

当V无工max≥V无时（气体体积超出蓄能器额定体积），

式中：

V无工max——无杆腔蓄能器工况最大体积

ΔV无上——活塞杆上行时无杆腔体积变化

V无工min——无杆腔蓄能器工况最小体积

ΔV无下——活塞杆下行时无杆腔体积变化

P无工max——无杆腔最大工作压力

P无工min——无杆腔最小工作压力

当V无工≥V无时（气体体积超出蓄能器额定体积，此时蓄能器提供的液压油不能满足活塞运动需要的液压油），

P无min=0

1.3 受力计算

式中：

F有——有杆腔产生的力

S有——有杆腔面积

式中：

D——液压缸直径

d——活塞杆直径

式中：

F有max——有杆腔产生的最大力

式中：

F有min——有杆腔产生的最小力

式中：

F无——无杆腔产生的力

式中：

F无max——无杆腔产生的最大力

S无——无杆腔面积

式中：

F无min——无杆腔产生的最小力

式中：

式中：

F液——液压缸产生的力

式中：

F液max——液压缸产生的最大力

式中：

F液min——液压缸产生的最小力

式中：

P比压——物料受到的比压

L缸——液压缸相对摇臂轴的力臂

G辊——磨辊自重产生的粉磨力

L辊——磨辊相对摇臂轴的力臂

d辊——磨辊直径

B辊——磨辊宽度

式中：

P比压max——物料受到的最大比压

式中：

P比压min——物料受到的最小比压

式中：

α比压——比压变化相对正常比压的变化率

将相关参数展开后，α比压的表达式为：α比压={[（P有工max×S有-P无工min×S无）×k+G辊]/（d辊×B辊）-[（P有工min×S有-P无工max×S无）×k+G辊]/（d辊×B辊）}/P比压

其 中 ，P有工max、P有工min、P无工max、P无工min的数值由1.1节和1.2节的方法计算获得。

图2 有杆腔蓄能器选型计算图

2 蓄能器的选型计算

根据上述公式对液压系统进行选型计算，并就相关参数对粉磨力的影响进行分析（以西普集团的VRMR360.4辊磨为例）。

根据磨辊需要的粉磨力选择液压缸规格为：液压缸直径D=420mm，活塞杆直径d=220mm，液压缸相对摇臂轴的力臂L缸=1.413m，磨辊相对摇臂轴的力臂L辊=1.621m，磨辊直径d辊=1.85m，磨辊宽度B辊=0.67m，磨辊自重产生的粉磨力G辊=171kN。

2.1 有杆腔蓄能器选型

取ΔL=6mm，f=0.7，有杆腔蓄能器以αF有=10%为选型依据。根据1.1节和1.3节提供的计算方法可得 ΔV有上=3.02L，ΔV无上=4.16L，ΔV有下=3.02L，ΔV无下=4.16L；V有和αF有的数值关系见图2。

由图2可知，当αF有=10%时，V有可取120L。

2.2 无杆腔蓄能器选型

以α比压的数值为选型依据，α比压可控制在10%～15%之间。

采用P无=0.1×P有，P比压=500kN/m2，计算可得P有工=5.94MPa，P无工=0.594MPa。V无选择不同数值时，对应的α比压见图3。根据α比压的变化趋势，结合蓄能器样本，可选取V无=50L。

3 工况探讨

3.1 相同比压下不同无杆腔工作压力时，无杆腔蓄能器体积对α比压的影响

在相同的工作比压下（P比压=500kN/m2），使用不同的无杆腔工作压力时（P无工=0.1P有工=0.594MPa，P无工=0.15P有工=0.891MPa，P无工=0.2P有工=1.188MPa，P无工=2MPa），根据上述计算方法计算的不同体积的蓄能器的α比压的结果见图4。

由图4可知，相同的无杆腔压力下，V无值越大，α比压越小，且变化幅度越来越小，当V无值增大到一定程度时，α比压的数值或变化率达到工程使用要求时（α比压=10%～15%）即可作为选型依据。

图3 无杆腔蓄能器选型计算图

图4 相同比压下无杆腔工作压力不同时，无杆腔蓄能器体积对α比压的影响

3.2 相同比压下不同无杆腔蓄能器体积时，无杆腔工作压力对α比压的影响

在相同的工作比压下（P比压=500kN/m2），根据上述计算方法计算的不同体积的蓄能器，使用不同的无杆腔压力时的α比压结果见图5。由图5可见，相同的蓄能器在使用不同的无杆腔压力时，无杆腔压力越大，α比压越大，且蓄能器体积越小，α比压的变化值越大。在实践中，若液压系统的蓄能器选型较小时需采用较低的P无工，使磨机运行稳定。

3.3 不同体积无杆腔蓄能器P无工=0.1P有工时，不同工作比压对α比压的影响

不同体积的蓄能器，P无工=0.1P有工，根据上述计算方法计算的使用不同的工作比压时的α比压结果见图6。由图6可见，相同体积的蓄能器在不同P比压下使用时，P比压越大，α比压越大，且蓄能器体积越小，α比压越大。

图5 相同比压下无杆腔蓄能器体积不同时，无杆腔工作压力对α比压的影响

图6 不同体积的无杆腔蓄能器P无工=0.1P有工时，不同工作比压对α比压的影响

3.4 不同体积蓄能器使用不同充压系数对α比压的影响

不同体积蓄能器使用不同充压系数时的α比压根据上述计算方法计算的结果见图7、图8。由图7、8可知，相同的V无下，P比压越大，α比压越大；相同的P比压下，f值越大，α比压越小。在图7中，f=0.8时的α比压比f=0.9时的α比压小，这是因为当V无=25L，f=0.9时，液压缸向上运动，V无工＞V无，P无min=0；相同的f值，且没有出现V无工＞V无时，相同的P比压，V无越小，α比压越大。

4 结论

图7 V无=50L时，不同充压系数下，工作比压对α比压的影响

图8 V无=25L时，不同充压系数下，工作比压对α比压的影响

在相同的工作比压和相同的无杆腔压力下，V无值越大，α比压越小，且变化幅度越来越小，当V无值增大到一定程度时，达到工程使用要求的α比压数值即可作为选型依据；在相同的工作比压下，相同的蓄能器在使用不同的无杆腔压力时，无杆腔压力越大，α比压越大，且蓄能器体积越小，α比压值的变化越大。在实践中，若液压系统的蓄能器选型较小时，应采用较低的P无工，使磨机运行稳定；相同体积的蓄能器在不同P比压下使用时，P比压越大，α比压越大；相同的P比压下，不同体积蓄能器的体积越小，α比压越大；相同的V无，P比压越大，α比压越大；相同的V无，相同的P比压，f值越大，α比压越小。相同的V无，相同的f值，且没有出现V无工＞V无时，相同的P比压，V无越小，α比压越大。