快锻压机主泵供液系统仿真分析

魏海涛， 张晓丽， 魏海锋， 王生金， 马志刚， 王拴庆

(1. 兰州兰石集团有限公司 能源装备研究院， 甘肃 兰州 730314；2.兰州兰石能源装备工程研究院有限公司， 甘肃 兰州 730314；3.兰州兰石石油装备工程股份有限公司， 甘肃 兰州 730314)

引言

快锻压机是20世纪60年代开始发展起来的一种新型锻压设备，快锻压机有着运行速度快、控制精度好、机械化程度高等特点[1]，被认为是锻造生产的重要设备之一。其液压系统是高压大流量的大功率系统， 具有负载干扰大、 运动惯量大、 系统冲击大等特点[2]。在实际应用中， 快锻压机主泵变量出现瞬时压力突降的现象，造成主泵停止工作，影响系统平稳运行。为了分析其原因，对快锻压机供液系统进行建模仿真分析是较好的方法之一。

对50 MN快锻压机主泵供液系统原理做了介绍，在此基础上利用AMESim软件对关键元件持压阀进行了建模仿真，进而对供液系统进行仿真分析。仿真结果表明，提高持压阀响应速度、增加供液泵流量或增大主泵投泵间隔时间可以减小压力突降幅度，为快锻压机液压系统设计提供依据。

1 50 MN快锻压机主泵供液系统介绍

1.1 系统原理

如图1所示，50 MN快锻压机主泵供液系统采用3台供液泵，主泵全部选用变量泵。供液泵从油箱吸油，经过过滤器、单向阀向主泵系统供液，供液泵流量一般为主泵总流量的1.15～1.2倍，出口压力为0.2～0.5 MPa。持压阀用来设定供液压力，当主泵未工作时，持压阀处于开启状态，液压油经持压阀回油箱，当主泵启动后，持压阀关闭，液压油进入主泵吸油口，向系统供液。

1.油箱 2.供液泵 3.持压阀 4.过滤器5、8.单向阀 6.主泵 7.电机图1 50 MN快锻压机主泵供液系统原理图Fig.1 Schematic diagram of liquid supply system for main pump of 50 MN fast forging press

1.2 持压阀工作原理

图2为持压阀模型，当持压阀的主阀进口通压力油(油压为p1)时，压力油除直接作用在主阀芯的下腔作用面积外，还经过主阀芯上的背压室进油孔C至背压室和控制器进油孔，并对控制器阀芯施加一个液压力Fx。若液压力Fx小于控制器设定弹簧力时，控制器关闭，持压阀背压室为密闭静止容腔，阻尼孔C中无液流流过，主阀芯上下两腔压力相等，因此持压阀处于关闭状态。随着持压阀进口压力p1增大，作用在控制器阀芯的液压力Fx随之增大，当液压力Fx大于控制器设定弹簧力时，控制器打开，压力油经背压室进油孔、控制器、持压阀出口回油箱，由于液压油通过阻尼孔C时将在两端产生压力差，使背压室压力p2低于主阀进口压力p1；当压差p1-p2足够大时，因压差形成向上的液压力克服主阀弹簧力推动阀芯上移，持压阀打开[3]。

A.控制器进油孔 B.控制器出油孔 C.背压室进油孔图2 持压阀模型Fig.2 Model of holding pressure valve

2 主泵供液系统仿真

2.1 持压阀仿真模型

通过分析，初步确定变量泵在启动及变量的瞬间，会出现压力突降现象的主要原因在持压阀。为研究持压阀对系统的影响，按照持压阀模型采用HCD库搭建详细的仿真模型[4-6]，如图3所示。根据样本已知参数，对持压阀仿真模型进行仿真调试，得到流量压力曲线如图4中实线所示，虚线是用GetData软件采集的元件样本特性曲线上的点，采用AMESim中的Table Editor拟合成的曲线，通过不断修改参数，使仿真得到的特性曲线与拟合曲线吻合[7-9]。

A.控制器进油孔 B.控制器出油孔 C.背压室进油孔图3 持压阀仿真模型Fig.3 Simulation model of holding pressure valve

图4 持压阀流量压力曲线Fig.4 Flow and pressure curves of holding pressure valve

2.2 系统仿真分析

根据50 MN压机主泵供液系统的原理，用调试好的持压阀模型搭建系统仿真模型[10-14]，如图5所示。主泵按照变量泵模型搭建，依次投泵，间隔为0.1 s，投泵时间(摆角最小到最大)为0.3 s。

图6为持压阀不同响应速度时进口压力曲线。供液泵流量为1.2倍主泵流量时，假定3种持压阀的响应速度。如图6b所示，速度1为响应速度较慢的情况，持压阀关闭时间较长；速度3为响应速度较快的情况，持压阀关闭时间较短；速度2的响应速度介于1和3，可以看出，持压阀关闭时响应越快，变量泵投泵时持压阀进口压力不会出现突然降低的情况；持压阀关闭时响应越慢，变量泵投泵时持压阀进口压力突然降低的情况越明显。

图6 持压阀响应速度对系统的影响Fig.6 Influence of response speed of holding pressure valve on system

图7a为持压阀响应速度1，即响应速度较慢时不同供液泵流量下持压阀进口压力曲线，其中qs为供液泵流量，q为液压系统总流量。在该情况下，变量泵投泵及变量时，若要避免出现压力突降的现象，供液泵流量至少为主泵总流量的1.15倍以上。图7b为持压阀响应速度3即响应速度较快时不同供液泵流量下持压阀进口压力曲线，在该情况下，变量泵投泵及变量时，若要避免出现压力突降的现象，供液泵流量至少为主泵总流量的1.1倍以上。

图8为供液泵流量为1.2倍主泵总流量、持压阀关闭响应速度3即响应速度较快的情况下，主泵投泵(变量泵摆角从最小到最大)间隔分别为0，0.02， 0.05， 0.08， 0.10 s时的持压阀进口压力曲线。由图可得，在该情况下，主泵投泵间隔小于0.08 s时，变量泵变量时压力突降幅度很大，主泵投泵间隔大于等于0.08 s时，变量泵变量时压力突降现象不明显。

3 结论

(1) 在供液流量一定时，变量泵在投泵及变量的瞬间，持压阀关闭时响应越慢，压力突降的幅度越大，持压阀关闭时响应越快， 压力突降的幅度越小。供液流量一定的情况下，持压阀关闭时间越长，通过持压阀的流量越多，可供主泵吸油流量不足，造成供液压力突降，持压阀完全关闭后，主泵供液流量充足，供液压力上升至正常值；而持压阀关闭越快，通过持压阀的流量较少，可供主泵吸油流量相对充足，造成供液压力突降不明显;

(2) 要避免出现压力突降的现象，持压阀响应速度较慢时，供液泵流量与主泵总流量的倍数偏大；响应速度较快时，供液泵流量与主泵总流量的的倍数可相对小一些。持压阀响应速度快，通过持压阀的流量较少，供液泵流量可相对小一些;

(3) 主泵投泵间隔越小，变量泵变量时压力突降幅度越大，主泵投泵间隔时间增大时，变量泵变量时压力突降现象越不明显，故主泵投泵间隔不能太小，否则会造成供液流量不足，甚至主泵因为进口压力过低而停止工作。