李德祥,苑明華,王玉榮,陸小平
作為水泥生產線的主機設備之一,VRM系列輥磨主要用于水泥生料和水泥熟料及礦粉的粉磨,VRM系列輥磨結構示意圖見圖1。其中,液壓系統用于為磨輥提供粉磨壓力,由液壓缸、蓄能器組、管路系統及液壓站等組成,蓄能器組包含有桿腔蓄能器和無桿腔蓄能器。
以活塞上下運動的中心位置作為液壓缸正常工作的位置,活塞桿上下運動的值為ΔL,當液壓缸向上運動時,運動距離為,此時有桿腔的容積縮小,縮小的數值ΔV有上=×S有,有桿腔壓力達到最大值P有工max;無桿腔的容積擴大,擴大的數值為ΔV無上=S無,無桿腔壓力達到最小值P無工min;當液壓缸向下運動時,運動距離為,此時有桿腔的容積擴大,擴大的數值ΔV有下=×S有,有桿腔壓力達到最小值P有工min;無桿腔的容積縮小,縮小的數值為 ΔV無下=×S無,無桿腔壓力達到最大值P無工max。
由于活塞桿波動速度快,蓄能器在工作時,氣體的變化按照絕熱狀態處理,PVγ=常數,對于氮氣,γ=1.4。
圖1 VRM系列輥磨結構示圖
根據氣體方程:
式中:
V有充——有桿腔蓄能器充氣體積
V有工——有桿腔蓄能器工況體積
P有充——有桿腔充氣壓力
P有工——有桿腔正常工作壓力
T有工——有桿腔工作溫度
T有充——有桿腔充氣溫度
V有——有桿腔蓄能器體積
式中:
f有——有桿腔蓄能器充壓系數
P有——有桿腔設定工作壓力
當V有工<V有時,
V有工max=V有工+ΔV有下
V有工min=V有工-ΔV有上
當V有工max<V有時,
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
當V有工max≥V有時(氣體體積超出蓄能器額定體積),
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——有桿腔蓄能器工況最大體積
ΔV有上——活塞桿上行時有桿腔體積變化
V有工min——有桿腔蓄能器工況最小體積
ΔV有下——活塞桿下行時有桿腔體積變化
P有工min——有桿腔最小工作壓力
P有工max——有桿腔最大工作壓力
當V有工≥V有時(氣體體積超出蓄能器額定體積,此時,蓄能器提供的液壓油不能滿足活塞運動需要的液壓油),
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
根據氣體方程:
式中:
V無工——無桿腔蓄能器工況體積
P無充——無桿腔充氣壓力
P無工——無桿腔正常工作壓力
T無工——無桿腔工作溫度
T無充——無桿腔充氣溫度
V無——無桿腔蓄能器體積
式中:
f無——無桿腔蓄能器充壓系數
P無——無桿腔設定工作壓力
當V無工<V無時,
V無工max=V無工+ΔV無上
V無工min=V無工-ΔV無下
當V無工max<V無時,
當V無工max≥V無時(氣體體積超出蓄能器額定體積),
式中:
V無工max——無桿腔蓄能器工況最大體積
ΔV無上——活塞桿上行時無桿腔體積變化
V無工min——無桿腔蓄能器工況最小體積
ΔV無下——活塞桿下行時無桿腔體積變化
P無工max——無桿腔最大工作壓力
P無工min——無桿腔最小工作壓力
當V無工≥V無時(氣體體積超出蓄能器額定體積,此時蓄能器提供的液壓油不能滿足活塞運動需要的液壓油),
P無min=0
式中:
F有——有桿腔產生的力
S有——有桿腔面積
式中:
D——液壓缸直徑
d——活塞桿直徑
式中:
F有max——有桿腔產生的最大力
式中:
F有min——有桿腔產生的最小力
式中:
F無——無桿腔產生的力
式中:
F無max——無桿腔產生的最大力
S無——無桿腔面積
式中:
F無min——無桿腔產生的最小力
式中:
式中:
F液——液壓缸產生的力
式中:
F液max——液壓缸產生的最大力
式中:
F液min——液壓缸產生的最小力
式中:
P比壓——物料受到的比壓
L缸——液壓缸相對搖臂軸的力臂
G輥——磨輥自重產生的粉磨力
L輥——磨輥相對搖臂軸的力臂
d輥——磨輥直徑
B輥——磨輥寬度
式中:
P比壓max——物料受到的最大比壓
式中:
P比壓min——物料受到的最小比壓
式中:
α比壓——比壓變化相對正常比壓的變化率
將相關參數展開后,α比壓的表達式為:α比壓={[(P有工max×S有-P無工min×S無)×k+G輥]/(d輥×B輥)-[(P有工min×S有-P無工max×S無)×k+G輥]/(d輥×B輥)}/P比壓
其 中 ,P有工max、P有工min、P無工max、P無工min的數值由1.1節和1.2節的方法計算獲得。
圖2 有桿腔蓄能器選型計算圖
根據上述公式對液壓系統進行選型計算,并就相關參數對粉磨力的影響進行分析(以西普集團的VRMR360.4輥磨為例)。
根據磨輥需要的粉磨力選擇液壓缸規格為:液壓缸直徑D=420mm,活塞桿直徑d=220mm,液壓缸相對搖臂軸的力臂L缸=1.413m,磨輥相對搖臂軸的力臂L輥=1.621m,磨輥直徑d輥=1.85m,磨輥寬度B輥=0.67m,磨輥自重產生的粉磨力G輥=171kN。
取ΔL=6mm,f=0.7,有桿腔蓄能器以αF有=10%為選型依據。根據1.1節和1.3節提供的計算方法可得 ΔV有上=3.02L,ΔV無上=4.16L,ΔV有下=3.02L,ΔV無下=4.16L;V有和αF有的數值關系見圖2。
由圖2可知,當αF有=10%時,V有可取120L。
以α比壓的數值為選型依據,α比壓可控制在10%~15%之間。
采用P無=0.1×P有,P比壓=500kN/m2,計算可得P有工=5.94MPa,P無工=0.594MPa。V無選擇不同數值時,對應的α比壓見圖3。根據α比壓的變化趨勢,結合蓄能器樣本,可選取V無=50L。
在相同的工作比壓下(P比壓=500kN/m2),使用不同的無桿腔工作壓力時(P無工=0.1P有工=0.594MPa,P無工=0.15P有工=0.891MPa,P無工=0.2P有工=1.188MPa,P無工=2MPa),根據上述計算方法計算的不同體積的蓄能器的α比壓的結果見圖4。
由圖4可知,相同的無桿腔壓力下,V無值越大,α比壓越小,且變化幅度越來越小,當V無值增大到一定程度時,α比壓的數值或變化率達到工程使用要求時(α比壓=10%~15%)即可作為選型依據。
圖3 無桿腔蓄能器選型計算圖
圖4 相同比壓下無桿腔工作壓力不同時,無桿腔蓄能器體積對α比壓的影響
在相同的工作比壓下(P比壓=500kN/m2),根據上述計算方法計算的不同體積的蓄能器,使用不同的無桿腔壓力時的α比壓結果見圖5。由圖5可見,相同的蓄能器在使用不同的無桿腔壓力時,無桿腔壓力越大,α比壓越大,且蓄能器體積越小,α比壓的變化值越大。在實踐中,若液壓系統的蓄能器選型較小時需采用較低的P無工,使磨機運行穩定。
不同體積的蓄能器,P無工=0.1P有工,根據上述計算方法計算的使用不同的工作比壓時的α比壓結果見圖6。由圖6可見,相同體積的蓄能器在不同P比壓下使用時,P比壓越大,α比壓越大,且蓄能器體積越小,α比壓越大。
圖5 相同比壓下無桿腔蓄能器體積不同時,無桿腔工作壓力對α比壓的影響
圖6 不同體積的無桿腔蓄能器P無工=0.1P有工時,不同工作比壓對α比壓的影響
不同體積蓄能器使用不同充壓系數時的α比壓根據上述計算方法計算的結果見圖7、圖8。由圖7、8可知,相同的V無下,P比壓越大,α比壓越大;相同的P比壓下,f值越大,α比壓越小。在圖7中,f=0.8時的α比壓比f=0.9時的α比壓小,這是因為當V無=25L,f=0.9時,液壓缸向上運動,V無工>V無,P無min=0;相同的f值,且沒有出現V無工>V無時,相同的P比壓,V無越小,α比壓越大。
圖7 V無=50L時,不同充壓系數下,工作比壓對α比壓的影響
圖8 V無=25L時,不同充壓系數下,工作比壓對α比壓的影響
在相同的工作比壓和相同的無桿腔壓力下,V無值越大,α比壓越小,且變化幅度越來越小,當V無值增大到一定程度時,達到工程使用要求的α比壓數值即可作為選型依據;在相同的工作比壓下,相同的蓄能器在使用不同的無桿腔壓力時,無桿腔壓力越大,α比壓越大,且蓄能器體積越小,α比壓值的變化越大。在實踐中,若液壓系統的蓄能器選型較小時,應采用較低的P無工,使磨機運行穩定;相同體積的蓄能器在不同P比壓下使用時,P比壓越大,α比壓越大;相同的P比壓下,不同體積蓄能器的體積越小,α比壓越大;相同的V無,P比壓越大,α比壓越大;相同的V無,相同的P比壓,f值越大,α比壓越小。相同的V無,相同的f值,且沒有出現V無工>V無時,相同的P比壓,V無越小,α比壓越大。