蓄势器流量和压力动态补偿控制系统的制作方法

本实用新型涉及蓄势器流量和压力动态补偿控制系统，属于金属塑性成形液压机技术领域。

背景技术：

液压传动泵站是大型模锻液压机的动力源，是设备最重要的技术心脏。工作时，液压机工作缸发出的巨大的力和工作速度都是由液压泵站传递出的。因此，液压泵站所具有的压力能和流量，以及功率消耗，必须满足不同生产工艺的特性要求和设备运行的经济性要求。

目前，大型模锻液压机所采用的液压传动系统，一般有如下两种方式：

传统的水泵-蓄势器传动系统，大压下量时只能产生90%的额定压力，压力调整困难，压机行程控制精度差，加压速度难以自动调节，生产工艺特性差；泵的装机功率虽较低，但效率低于74%，无论负载大小，每次工作行程都消耗全功率，总效率低，能耗较高。对于特大型的模锻液压机，由于超高压大流量水泵和高压蓄势器应用的限制，则需要增加工作缸的面积，或者采取增压技术。

油泵直接传动系统可满压力连续工作，加压速度自动控制性能好，压机行程控制精度高，泵效率大于93%，较水泵-蓄势器能耗低30%，生产工艺特性适应性很好；但是泵的装机功率很高，如一台500MN模锻液压机仅42MPa压力的主泵数量就达到60台，一台800MN模锻液压机的主泵数量达到68台，还带有30台超高压增压器，管道系统复杂，泵站建造非常庞大。两台液压机主泵的装机功率分别在24000kW和27000kW以上。如此高的装机功率，开机率和运行效率却很低，导致项目投资增加和生产运行成本提高。

技术实现要素：

为了解决上述存在的问题，本实用新型公开了一种蓄势器流量和压力动态补偿控制系统，用于大型模锻液压机油泵和蓄势器混合动力液压传动系统，其具体技术方案如下：

蓄势器流量和压力动态补偿控制系统，包括若干台中高压蓄势器和蓄势器控制阀块，所述中高压蓄势器包括若干台油罐和气罐，油罐出口管道直接连接到蓄势器控制阀块，蓄势器控制阀块控制油罐输出的补偿流量；

所述蓄势器控制阀块包括高频响比例阀、换向阀、最低液面阀、先导双级压力溢流阀、减压阀和手动闸阀，所述高频响比例阀控制油罐的机动流量的输出；所述换向阀控制超高压柱塞变量泵组在一个循环周期内向油罐的补油操作，使之恢复存储的动力；所述最低液面阀负责油罐在最低油位时的安全控制；所述先导双级压力溢流阀控制油罐的工作压力转换；所述减压阀维持油罐的压力油作为整个液压系统的先导控制油源；通过若干个手动闸阀的切换，将油罐油路依次与对应的主工作缸的回程缸连接，在事故停电状态下，能够手动实现模具开模和回程。

所述中高压蓄势器还包括PSA现场制氮系统，由PSA现场制氮系统为中高压蓄势器的油罐和气罐首次充压，并使之存储动力。

应用上述蓄势器流量和压力动态补偿控制系统的大型模锻液压机混合动力液压传动系统，还包括若干台超高压柱塞变量泵组、矩阵式多路输出集成控制阀块、低压油箱、无压力油箱、充气系统、循环系统和多台液压机的若干个主缸和辅助缸控制阀块，

所述主缸和辅助缸控制阀块分别通过管道和矩阵式多路输出集成控制阀块，与超高压柱塞变量泵组和蓄势器控制阀块及中高压蓄势器连接，主缸和辅助缸控制阀块的输出管道分别连接到所控制的液压机的主缸或辅助缸，

所述超高压柱塞变量泵组包括若干台变量泵，所述低压油箱给每台变量泵供油和为各台液压机的主缸充液，每台变量泵出口配置一个单向阀，各自独立接到矩阵式多路输出集成控制阀块；

矩阵式多路输出集成控制阀块用于控制超高压柱塞变量泵组和中高压蓄势器的流量输入和输出；

低压油箱与充气系统和循环系统连接，通过充气系统充入或释放低压油箱内的气体压力，通过循环系统实现低压油箱的加热、冷却和过滤循环。

所述矩阵式多路输出集成控制阀块中，每纵列排列的隔离阀分别为每台变量泵和中高压蓄势器提供输入流道，每个输入流道分别设置有先导循环溢流阀；

矩阵式多路输出集成控制阀块中，每横排的隔离阀分别为每个独立的主缸和辅助缸控制阀块提供流量的输出流道，每个输出流道分别设置有管道泄压阀，使通向每个主缸和辅助缸控制阀块的管道和所有变量泵均能够单独泄压；

每纵列的输入流道与对应的横排输出流道通过隔离阀联通，每路输出流道单独地连接到对应的主缸和辅助缸控制阀块。

大型模锻液压机混合动力液压传动系统还包括无压力油箱，所述无压力油箱用于收集超高压柱塞变量泵组和主缸和辅助缸控制阀块的内泄漏油，且经过滤后将清洁的油液返回到低压油箱。

所述低压油箱选用0.3-0.5MPa压力油箱。

本实用新型的工作原理是：

本实用新型应用于大型模锻液压机混合动力液压传动系统中，当工作压力小于25MPa，速度为25-30mm/s时，由超高压柱塞变量泵组油泵动力直接传动；当工作压力大于25MPa，小于32MPa，速度为50-60mm/s时，由超高压柱塞变量泵组油泵动力直接传动，由配合中高压蓄势器存储动力进行动态补偿；当工作压力大于32MPa，小于42MPa，速度为20-30mm/s时，由超高压柱塞变量泵组油泵动力直接传动；预制坯后的模锻工况，由超高压柱塞变量泵组油泵动力直接传动，由中高压蓄势器存储动力进行动态补偿，最终成形阶段由超高压柱塞变量泵组油泵动力直接传动；其中一个液压机的各个辅助缸和其它液压机的主缸均由超高压柱塞变量泵组油泵动力直接传动。

本实用新型的有益效果是：

（1）本实用新型根据多向双动复合挤压工艺和模锻工艺的特点，吸取了现有传动系统的优点，规避了他们的缺点，在完全满足工艺力能参数的前提下，在一个工艺循环周期内，联合泵站可在不同时段按工艺负载曲线为多台液压机供油，可大幅度减少各台液压机单独建立泵站所需的装机总功率，有效降低蓄势器无功或少功能耗，提高运行效率，可显著减少液压系统采购费用，降低项目投资和生产运行成本。

（2）当泵直接传动的供液量约占50%时，能够满足各主缸50%最大工作速度的流量需要，完全满足各主缸空程运动以及其它所有缸最大工作速度的流量需要。蓄势器补偿供液量所占50%，可用于向主缸中等压力时的动态流量补偿，可以根据工艺需要，调整为25MPa和32MPa两种压力级别工作，也可以用作油泵-蓄势器传动。

（3）采用多向双动复合挤压工艺和直接模锻工艺时，在85%的时间段内，充填或镦粗负载不到50%最大负载，使用约为42MPa最高工作压力50%的25MPa压力级别，与泵直接传动一起向缸内供液。蓄势器压力升压速度快，能量可得到充分利用，同时，向主缸补偿了50%供液量，达到最大工作速度要求。当负载压力超过25MPa时，蓄势器停止供液，由泵以50%最大工作速度的流量直接传动，直至工作结束。

（4）采用预制坯后模锻工艺时，模具一接触制坯，上压很快，成形时间更短，使用32MPa压力级别，与泵直接传动一起向缸内供液。蓄势器能量可得到充分利用，同时，向主缸补偿了50%供液量，达到最大工作速度要求。当负载压力超过32MPa时，蓄势器停止供液，由泵以50%最大工作速度的流量直接传动，直至工作结束。

或在任一工况许可时，可先采用油泵直接传动以50%最大工作速度进行镦粗或充填挤压，当负载压力上升至20MPa时，启动蓄势器流量补偿，一直到负载压力超过蓄势器压力后，蓄势器停止供液，由泵以50%最大工作速度的流量直接传动，直至工作结束。因此，蓄势器能量就得到完全利用，效率得以提高。

由此可见，采用蓄势器动态补偿的油泵直接传动系统，不同于无关负载大小、总是以最大压力工作的传统水泵-蓄势器传动，也有别于最大压力和最大流量、满功率装机的油泵直接传动系统。蓄势器存储动力仅仅是用来补偿油油泵直接传动在中低压负载阶段的流量不足部分，达到规定的工作速度要求。

（5）矩阵式多路输出集成阀块相对于传统的独立、分布式泵头阀，使得整个传动系统管路最短，管径较小，无需在系统中设置大通径的隔离阀，可有效减小隔离阀切换时的压力冲击；矩阵式多路输出集成阀块可使每个工作油缸在不同时段内共享每台泵的流量供给，系统中任一台泵发生故障，都可以由任一台其它的泵在线替补工作。

本实用新型将直接导致一种全新的特大型多向模双动复合精密挤压成形液压机的实现。其混合动力传动原理和结构可以广泛应用于各种吨位的模锻液压机、多向模锻液压机、多向模挤压液压机、多向冲压液压机等，可进行各种热塑成形，等温成形工艺。从而带来诸多有益效果：从工艺角度，可以成形不同方向带枝牙状和空腔类复杂整体结构的高精度零件，实现金属变形速率控制，提高产品性能和质量，大幅提高生产效率和材料利用率，减低能源消耗，实现低碳生产，降低成本；从工程角度，十分密切结合使用工艺特点，合理配置动力资源，不仅满足液压机的功能和性能要求，而且大幅度减少总装机容量和无功损耗，从而降低用户供电变压器容量的基本费用支出和生产中能源消耗。降低设备重量，减少设备占地面积和地坑深度，简化设备基础，使车间作业面积和高度空间得到充分利用，减少维修费用和投资费用等。

附图说明

图1是本实用新型的工作原理示意图，

图2是本实用新型的实际应用状态的工作原理示意图，

图3是典型工件5 1/8〞阀体多向双动复合挤压工艺模拟的变形抗力随时间变化的曲线，

附图标记列表： 1—超高压柱塞变量泵组，2—中高压蓄势器，3—矩阵式多路输出集成控制阀块，4—蓄势器控制阀块，5—低压油箱，6—无压力油箱，7—充气系统，8—循环系统，9—主缸和辅助缸控制阀块，10—管道，11—单向阀，12-1—油罐，12-2—气罐，13—PSA现场制氮系统，14—隔离阀，15—先导循环溢流阀，16—管道泄压阀，17—高频响比例阀，18—换向阀，19—最低液面阀，20—先导双级压力溢流阀，21—减压阀，22—手动闸阀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本实用新型。应理解下述具体实施方式仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。

图1是本实用新型的工作原理示意图，结合附图可见，本蓄势器流量和压力动态补偿控制系统包括若干台中高压蓄势器2和蓄势器控制阀块4，所述中高压蓄势器2包括若干台油罐12-1和气罐12-2，油罐出口管道直接连接到蓄势器控制阀块4，蓄势器控制阀块4控制油罐输出的补偿流量。

所述蓄势器控制阀块4包括高频响比例阀17、换向阀18、最低液面阀19、先导双级压力溢流阀20、减压阀21和手动闸阀22，所述高频响比例阀17控制油罐12-1的机动流量的输出；所述换向阀18控制超高压柱塞变量泵组1在一个循环周期内向油罐12-1的补油操作，使之恢复存储的动力；所述最低液面阀19负责油罐12-1在最低油位时的安全控制；所述先导双级压力溢流阀20控制油罐12-1的工作压力转换；所述减压阀21维持油罐12-1的压力油作为整个液压系统的先导控制油源；通过若干个手动闸阀22的切换，将油罐12-1油路依次与对应的主工作缸的回程缸连接，在事故停电状态下，能够手动实现模具开模和回程。

结合图2，本实用新型应用于大型模锻液压机混合动力液压传动系统，主要装置包括：若干台超高压柱塞变量泵、若干台中高压蓄势器、低压油箱和无压力油箱及其循环系统、矩阵式多路输出集成控制阀块、PSA现场制氮系统等。通过适宜流速的管道将各台装置有机地连接起来，从而构成了一个可以满足多向模挤压、模锻、等温模锻、等压下量成形、等锻比成形、精密成形、超塑性成形等多种金属塑性柔性复合成形工艺要求，以及预制坯和冲孔切边等多台液压机共享的联合泵站，既可以由泵直接传动，也可以由油泵-蓄势器独立传动，还可以由泵直接传动+蓄势器流量和压力动态补偿的混合动力传动。

大型模锻液压机混合动力液压传动系统的超高压柱塞变量泵为若干台变量泵，工作压力大于42MPa，输出流量大于635L/min，由低压油箱为其供油。蓄势器为若干台油罐和气罐，根据生产工艺需要，工作压力可在25-32 MPa间调整，由PSA现场制氮系统为其首次充压。

变量泵的最大输出流量和蓄势器的机动容积，由传动工况和各个主工作缸的速度确定。当工作压力小于25MPa，速度为25-30mm/s时，由变量泵直接传动；当工作压力小于32MPa，速度为50-60mm/s时，由变量泵直接传动+蓄势器动态补偿；当工作压力大于32MPa，至42MPa，速度为20-30mm/s时，由变量泵直接传动；预制坯后的模锻工况，由变量泵直接传动+蓄势器动态补偿，最终成形阶段由变量泵直接传动；1#液压机的主缸和各个辅助缸以及其它液压机的主缸，分别通过管道与主缸和辅助缸控制阀块连接，由变量泵直接传动。

蓄势器也可作为整个液压系统的先导控制油源，包括对各台超高压柱塞变量泵组、辅助泵、主缸和辅助缸控制阀块、蓄势器控制阀块的先导控制；同时，在事故停电状态下，可实现模具开模功能和回程功能。

所述低压油箱工作压力为0.3-0.5MPa，具有为各台液压机的各个主工作缸空程运动充液、为超高压柱塞变量泵组和辅助泵供油的功能。为主工作缸充液时，采用较低的压力，为超高压柱塞变量泵组和辅助泵供油时，采用适宜于不同泵的吸油腔的压力要求，且必须是经过循环系统精密过滤和适宜油温的油液。

无压力油箱用于先导控制系统的回油，以及液压系统内部正常泄漏油的收集、过滤和再循环回低压油箱。

所述矩阵式多路输出集成控制阀块，由泵头多路输出集成阀块和蓄势器输出控制阀块构成。

泵头多路输出集成阀块可集成若干台变量泵的总流量、蓄势器机动流量的输入和输出。每台变量泵高压出口油，以及蓄势器机动流量的输出油，分别通过一个单向阀输入到集成阀块。在集成阀块内的每个输入流道上各有一个先导循环溢流阀和若干个隔离阀。集成阀块总的输入流道等于变量泵数量与蓄势器输入流道的和。集成阀块总的输出流道按需要驱动的主工作缸数量确定，一般应为每个独立的主工作缸设置一路输出流道，如果在一个循环周期内能够互相兼容时，也可以为两个以上的主工作缸共设置一路输出流道。每路输出流道由一个隔离阀与输入流道联通，并被连接到各主工作缸的控制阀快。每路输出流道分别设置有一个管道泄压阀。

蓄势器的手动闸阀后设置一个蓄势器输出控制阀块，由电控双压力调节溢流阀、最低液面阀、比例换向阀、高压充液阀、减压阀等组成。比例换向阀出油口管道通向泵头多路输出集成阀块。

根据各主工作缸的控制需要，矩阵式多路输出集成阀块可通过隔离阀使每路输出口在不同时段内共享每台泵的流量供给。即每个主缸可以共享所有泵的供油，既可以获得单台泵、双台泵、多台泵的供油，如果需要，也可以获得所有泵的流量供给。也即任一台主泵和蓄势器均可为任一个主工作缸提供流量。

高压输出口流道数量的设置，除了考虑各台液压机主工作缸不同工况独立驱动的需要，还应兼顾各主工作缸组合运行工况。例如，对于1#液压机，可实现主缸1或主缸2在合模后的保压、挤压、穿孔、顶出（或穿孔）、模锻、等温模锻、锻造压力分级、活动横梁纠偏调平功能、同步控制功能。

本油泵直接传动+蓄势器流量和压力动态补偿的混合动力液压传动联合泵站，如附图2所示，包括若干台超高压柱塞变量泵组1、若干台中高压蓄势器2及PSA现场制氮系统13、矩阵式多路输出集成控制阀块3、蓄势器控制阀块4、低压油箱5、无压力油箱6、充气系统7、循环系统8、主工作油缸9。通过适宜流速的管道10将各台装置按原理图所示连接起来。

1）超高压柱塞变量泵组1

本实用新型超高压柱塞变量泵组1，根据泵直接传动的工艺条件和变形工艺曲线，配置最少台数的变量泵，变量泵的工作压力大于42MPa，输出流量大于635L/min，采用高频响比例容积变量控制，由低压油箱5为其供油。每台变量泵出口配置一个单向阀11，各自独立接到矩阵式多路输出集成控制阀块3。

相对于变量泵直接传动系统按工艺最大工作速度所需最大流量、最大压力配置的传统设计方法，变量泵的数量大幅度减少，可以降低装机功率50%以上，有效减少无功损耗和空循环功率损耗，减少系统发热。变量泵出口管道独立布置，管径小、液容小，升压速度快，泄压冲击小。

2）中高压蓄势器2及PSA现场制氮系统13

本实用新型中高压蓄势器2，根据工艺条件和变形工艺曲线，确定中高压动态补偿时的机动容积和流量，配置若干台油罐和气罐12。工作压力可在25-32 MPa间调整，由PSA现场制氮系统13为其首次充压，并使之存储动力。油罐出口管道直接连接到蓄势器控制阀块4，并由其控制油罐输出的补偿流量。

相对于无关负载大小、总是以最大压力和最大流量输出的传统水泵-蓄势器传动系统完全由蓄势器提供机动容积的传统设计方法，所需罐的数量大为减少，可有效降低蓄势器无功或少功能耗，提高传动效率。

3）矩阵式多路输出集成控制阀块3

本实用新型矩阵式多路输出集成控制阀块3，集成了若干台超高压柱塞变量泵组1和中高压蓄势器2的流量输入和输出。

矩阵的纵列为各台变量泵1和蓄势器2机动流量的输入流道，输入流道的总数等于变量泵1的数量与蓄势器2输入流道的和。矩阵1的横排为向各个独立的主工作缸控制阀块9提供流量的输出流道，输出流道的总数按需要驱动的主工作缸数量确定，如果在一个循环周期内能够互相兼容时，也可以为两个以上的主工作缸共设置一路输出流道。

每纵列输入流道中分别由m个隔离阀14与m个横排输出流道联通；每路输出流道被单独地连接到m个主工作缸控制阀块9。

每纵列输入流道总分别设置一个先导循环溢流阀15，既可以作为泵头安全阀，也可中作为泵载空循环使用；每路输出流道分别设置一个管道泄压阀16，使通向每个主缸的管道和所有泵都可以单独泄压。

相对于每台泵分别设置一个独立、分布式泵头阀组的传统设计方法，避免了泵头循环阀泄压冲击；各台泵可以在泵站单独上压调试，不必担心各个主阀块进油阀的开关状态；在泵站或主阀块中不需要设置大通径的隔离阀，可有效减小隔离阀切换时的压力冲击；大大减少了泵与主缸控制阀块之间的连接管道和接头数量，使得整个传动系统管路最短，管径较小，以及减少了由此可能引起的泄漏环节；可在泵站直接将油分配给不同的主缸，所有泵都可以服务于任何一个主缸。可使每各工作油缸在不同时段内共享每台泵的流量供给，系统中任一台泵发生故障，都可以由任一台其它的泵在线替补工作，不必担心其中一台泵出现故障后没有油源问题。

4）蓄势器控制阀块4

本实用新型的蓄势器控制阀块4，由高频响比例阀17控制油罐12-1的机动流量的输出；由换向阀18控制超高压柱塞变量泵组1在一个循环周期内向油罐12-1的补油操作，使之恢复存储的动力；由最低液面阀19负责油罐12-1在最低油位时的安全控制；由先导双级压力溢流阀20控制油罐12-1的工作压力转换；通过减压阀21，可使油罐12-1压力油作为整个液压系统的先导控制油源；通过几个手动闸阀22的切换，将油罐12-1油路分别与主工作缸的回程缸连接，在事故停电状态下，可手动实现模具开模和回程一定行程。

相对于传统水泵-蓄势器传动系统，油罐12-1 的流量输出可得到精确控制，可实现压力调节和消除了压力冲击，可作为液压系统的先导控制油源，包括对各台超高压柱塞变量泵组、辅助泵、主缸和辅助缸控制阀块、蓄势器控制阀块的先导控制，减少了单独的控制泵的配置和装机功率。

5）低压油箱5和无压力油箱6

本实用新型的低压油箱5是一个0.3-0.5MPa压力油箱，具有满足向各主工作缸低压充液的功能，又具有为各台超高压泵提供低压油的功能。通过充气系统7充入或释放油箱的气体压力，通过循环系统8实现油箱的加热、冷却和过滤循环。无压力油箱6通过管道连接和收集超高压柱塞变量泵组、辅助泵、主缸和辅助缸控制阀块、蓄势器控制阀块的先导控制系统的回油、泵和系统内正常的内泄漏油，经过滤后将清洁的油液返回到低压油箱5，以保持系统油液量的平衡。

相对于油泵直接传动系统传统的设计方法，不采用大流量、高功率、低效率的离心泵为主工作缸充液，不采用大流量、高功率的螺杆泵为超高压泵提供低压油，大大降低了装机功率，减少了运行功率损耗，节约了能源。

6）本实用新型的实施例是，开发了一种油泵直接传动+蓄势器流量和压力动态补偿的混合动力液压传动联合泵站，用于350MN七轴数控多向模双动复合精密挤压成形液压机，以及30MN制坯液压机和20MN冲孔切边液压机三台设备的驱动。与传统设计相比，项目投资减少和生产成本降低显著：装机总功率由原设计19253kW降低到6081.5kW，变压器安装容量由20000kVA减小为8000kVA，年减少容量基本费用637万元，年减少能耗费用1063万元；变电站造价、设备基础造价和液压电控采购费用均可降低一半以上。

附图3是典型工件5 1/8〞阀体多向双动复合挤压工艺模拟的变形抗力随时间变化的曲线，由图可见，在一个加载循环周期内，负荷时间小于15%，非负荷时间大于85%，最大变形抗力仅占负荷时间的15%，占整个循环周期的2%。即使对于预制坯后的模锻工况，平均变形抗力也不到公称力的50%，负荷时间远小于10%。

上述多向双动挤压或模锻工况的工作循环周期较长，工作行程较小，负荷率较低，若按泵直接传动系统设计，装机功率很高；若按传统水泵-蓄势器传动系统，水泵的数量按一个工作循环周期内所需流量的平均值确定，所需泵的数量很少，又不能满足一条生产线中的350MN液压机的辅助油缸、30MN液压机和20MN液压机油缸工作速度的需要。而且，由于蓄势器最高压力为32MPa，也不能满足350MN液压机系统压力42MPa的要求。

为此，根据多向双动复合挤压工艺的特点和多台液压机的传动需要，采用油泵直接传动和蓄势器动态补偿相结合的方式，构成混合动力联合泵站，既能充分发挥油泵直接传动在功率消耗、超高压力和速度控制、效率等方面的优越性，同时，利用蓄势器在中高压力阶段动态补偿流量的技术，功率可得到充分利用，能耗相对低，最大限度地降低装机总功率，节约能源，显著地减少项目投资和降低生产运行成本。

本实用新型方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。