辊压机液压系统蓄能器的仿真研究

辊 压机借助 2 个磨辊对物料的挤压研磨来碾碎物料，主要用于原料、熟料和矿渣的破碎。辊压机工作时，来料粒度具有一定的波动性，根据脆性物料的研磨特性，辊缝和系统压力势必会跟随来料波动。为了降低负载波动对设备的冲击，减少振动，延长设备寿命，在液压系统中引入蓄能器以构成液气弹簧来缓冲负载波动。利用气体压缩性高的特点，在辊缝变大压力升高时，蓄能器吸收液压油；辊缝减小压力降低时，蓄能器释放液压油；维持系统压力相对稳定，保证系统正常工作。

某厂辊压机设备在使用过程中，经常出现异常振动甚至跳停，检修发现是因蓄能器皮囊密封不严，以致氮气压力过低，进而影响了液气弹簧的刚度，无法有效缓冲负载的冲击。笔者据此探究液压系统中蓄能器参数[1]对液气弹簧刚度及缓冲冲击载荷能力的影响。针对某厂 RP170-140 辊压机液压系统，搭建液气弹簧 AMESim 仿真模型[2]，对蓄能器的容积和充氮压力 2 个参数以不同的取值进行系列化仿真分析，以得出该型辊压机液压系统中最优的蓄能器参数，进而引申出由蓄能器构成的液气弹簧系统的普适性规律。

1 工作原理

辊压机液压系统工作原理如图 1 所示。液压系统主要由液压站、蓄能器阀组和液压缸 3 部分组成。液压站负责提供系统所需压力油；蓄能器阀组主要包含工作蓄能器和安全蓄能器，前者用于磨辊正常研磨时缓冲负载波动，后者用于磨辊遭受冲击载荷时的快速退让。液压缸作为液压执行元件[3]，负责将压力能传递给磨辊。

系统工作时，先启动液压站向系统加压至初始压力，然后磨辊带料运行。当系统压力低于工作压力下限值时，液压站向系统加压；当系统压力高于工作压力上限值时，打开相应电磁阀使系统卸荷降压。通过动态调整，系统工作压力处于稳定状态，随后关闭液压站，此时工作压力和辊缝在蓄能器构成的液气弹簧作用下维持在一定范围，系统达到稳定工作状态。

当来料混有大颗粒物料时，负载会突然变大，液压缸需要快速退让，压力也会急剧上升。此时安全蓄能器能够吸收液压缸大幅退让时挤出的液压油，使得大块物料顺利通过，在保证产量的前提下，能有效降低设备的振动，减缓磨辊的磨损。

当来料混入一些不可挤压物如铁块时，由于物料无法被碾碎，辊缝会持续增大，系统压力会持续升高至系统允许最高工作压力。为了保护磨辊，系统会将压力紧急卸荷至 2 MPa，即不再提供研磨压力，待不可挤压物通过磨辊后，再次启动液压站将系统加压至工作压力。

图1 辊压机液压系统工作原理
Fig.1 Working principle of hydraulic system of roller press

1.左液压缸 2.左蓄能器阀组 3.液压站 4.右蓄能器阀组 5.右液压缸

蓄能器的引入对辊压机液压系统至关重要，其构成的液气弹簧能够缓冲负载波动，降低设备振动，保证研磨效率[4]。

2 AMESim 仿真

RP170-140 辊压机液压系统 AMESim 仿真参数如表 1 所列。根据表 1 所列搭建液压系统 AMESim 仿真模型，如图 2 所示。

表1 AMESim 仿真参数
Tab.1 AMESim simulation parameters

图2 液压系统 AMESim 仿真
Fig.2 AMESim simulation for hydraulic system

仿真模型使用正弦波模拟负载力的变化[5]，负载力作用到质量块上，质量块与液压缸活塞杆刚性连接，负载力的变化最终体现为液压缸活塞杆的位移变化和系统的油压变化。仿真时，在系统达到既定工作辊缝和工作压力后，周期性施加相同幅值的负载力波动，通过测定液压缸位移量的波动幅度，即可判断液气弹簧的刚度大小。波动幅度大则刚度小，波动幅度小则刚度大。

2.1 工作蓄能器仿真

针对工作蓄能器，探讨其充氮压力和容积的不同值对液压缸位移波动幅度的影响，此工况下安全蓄能器不参与工作。

(1) 设定工作蓄能器容积为 40 L，充氮压力分别为 4、6、8 MPa，仿真结果如图 3 所示。

图3 工作蓄能器充氮压力对液压缸位移的影响
Fig.3 Inf luence of nitrogen-charging pressure of working accumulator on displacement of hydraulic cylinder

(2) 设定充氮压力为 6 MPa，工作蓄能器容积分别为 25、40、65 L，仿真结果如图 4 所示。

图4 工作蓄能器容积对液压缸位移的影响
Fig.4 Inf luence of working accumulator volume on displacement of hydraulic cylinder

由仿真结果可知：在相同的负载波动下，工作蓄能器容积一定时，充氮压力越高，液压缸位移波动幅度就越大，液气弹簧刚度就越小；充氮压力一定时，工作蓄能器容积越大，液压缸位移波动幅度就越大，液气弹簧刚度就越小。

工作蓄能器充氮压力值受到系统工作压力[6]限制，气压过低，在系统达到高工作压力时容易压坏皮囊；气压过高，则无法有效构成液气弹簧，其值通常在 0.25 倍的系统允许最高压力到 0.9 倍系统最低工作压力之间[7]。综合来看，对 RP170-140 辊压机液压系统，工作蓄能器容积为 40 L，充氮压力为 6 MPa 时，液压缸位移波动在±5 mm，液气弹簧刚度适中，能够满足工作需要。

2.2 安全蓄能器仿真

将工作蓄能器充氮压力定为 6 MPa，容积定为 40 L，探讨安全蓄能器充氮压力和容积的不同值对液压缸紧急退让幅度的影响。为了模拟实际工况，此处使用单次冲击载荷来观察液压缸位移波动幅度。

(1) 设定安全蓄能器容积为 40 L，充氮压力分别为 12、12.6、13.2 MPa，仿真结果如图 5 所示。

图5 安全蓄能器充氮压力对液压缸位移的影响
Fig.5 Inf luence of nitrogen-charging pressure of safetyaccumulator on displacement of hydraulic cylinder

(2) 设定充氮压力为 12.6 MPa，安全蓄能器容积分别为 25、40、65 L，仿真结果如图 6 所示。

图6 安全蓄能器容积对液压缸位移的影响
Fig.6 Inf luence of safety accumulator volume on displacement of hydraulic cylinder

由仿真结果可知：辊压机磨辊遭受冲击载荷时，安全蓄能器容积一定，充氮压力越低，液压缸退让幅度越大；充氮压力一定，安全蓄能器容积越大，液压缸退让幅度越大。

安全蓄能器充氮压力值应比系统正常工作压力上限值高，比系统允许最高工作压力值低，保证其在辊压机正常研磨时不参与工作，不会影响工作蓄能器所构成的液气弹簧刚度，同时在系统遭受冲击载荷时能够有效吸收液压缸大幅退让时挤出的液压油。实际使用时，充氮压力可取系统工作压力上限值的 1.05 倍，容积可结合辊缝允许最大退让值来选取。综合来看，对 RP170-140 辊压机液压系统，安全蓄能器容积为65 L，充氮压力为 12.6 MPa 时，液压缸退让距离可达20 mm，能够在不影响产能的前提下有效缓冲冲击载荷。

2.3 加压仿真

辊压机通过不可挤压物时，为了保护设备，液压系统会紧急卸荷至 2 MPa，待不可挤压物通过后再次加压至工作压力，以此探讨工作蓄能器充氮压力和容积的不同值对加压时间的影响。

(1) 设定工作蓄能器容积为 40 L，充氮压力分别为 4、6、8 MPa，仿真结果如图 7 所示。

图7 工作蓄能器充氮压力对系统压力的影响
Fig.7 Inf luence of nitrogen-charging pressure of working accumulator on system pressure

(2) 设定充氮压力为 6 MPa，工作蓄能器容积分别为 25、40、65 L，仿真结果如图 8 所示。

图8 工作蓄能器容积对系统压力的影响
Fig.8 Inf luence of working accumulator volume on system pressure

由仿真结果可知：减小工作蓄能器的容积和增大其充氮压力均可减少加压至工作压力的时间，故在保证液气弹簧刚度的前提下，可用较小的工作蓄能器容积搭配较高的充氮压力来加快系统加压响应。

综合来看，对 RP170-140 辊压机液压系统，工作蓄能器容积为 40 L，充氮压力为 6 MPa，加压时间约为 30 s 时，能够满足实际所需。

3 结语

蓄能器在粉磨设备的液压系统中有着广泛的应用，例如辊压机、高压辊磨机、水泥立磨、矿渣立磨等，其构成的液气弹簧主要用于缓冲负载波动。针对脆性材料的研磨特性，设置合适刚度的液气弹簧可有效降低设备因负载波动产生的异常振动，降低设备磨损，延长使用寿命，进而保证产能。蓄能器的容积和充氮压力 2 个参数直接影响着液气弹簧的刚度，现场应用时，不同规格的设备，不同性质的物料，其研磨参数可能不同，可据此设置不同的蓄能器参数以达到最佳的工作状态。