李文偉　蔡安江　韓　超（.西安建筑科技大學(xué)　西安　.寶鈦集團(tuán)鍛造廠　陜西　寶雞）

油壓機(jī)提高鍛造頻次液壓彈簧裝置分析與研究

李文偉1，2蔡安江1韓超2
（1.西安建筑科技大學(xué)西安2.寶鈦集團(tuán)鍛造廠陜西寶雞）

油壓機(jī)鍛造液壓原理，對(duì)其進(jìn)行分析，指出影響鍛造頻次的原因，并研究快速回程（液壓彈簧）裝置及重要參數(shù)的設(shè)定，明確如何實(shí)現(xiàn)快速回程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)快速鍛造。

油壓機(jī)液壓彈簧鍛造頻次

一、概述

自由鍛造機(jī)是機(jī)械行業(yè)的重型機(jī)械設(shè)備，根據(jù)動(dòng)力介質(zhì)可分為水壓機(jī)和油壓機(jī)，相比水壓機(jī)，油壓機(jī)具有鍛造速度快、運(yùn)行平穩(wěn)，控制精度高，應(yīng)用工藝范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，成為自由鍛造機(jī)的重點(diǎn)發(fā)展方向之一，廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中。超過50 MN的重型鍛造機(jī)的制造能力和水平，更成為一個(gè)國(guó)家的裝備制造能力的象征。我國(guó)現(xiàn)擁有25 MN（2500 t）以上噸位自由鍛造機(jī)近千臺(tái)，整體鍛造能力上具有國(guó)際先進(jìn)水平，但在重型大噸位自由鍛造機(jī)的鍛造頻次上與國(guó)際水平還有一些差距。國(guó)內(nèi)鍛造機(jī)的快鍛頻次一般在45～60次/min，但國(guó)外鍛造機(jī)的快鍛頻次已經(jīng)達(dá)到120次/min。因此，為了滿足鍛造溫度范圍窄的合金材料尤其是Ti合金材料的鍛造生產(chǎn)需求，研究并提高鍛造機(jī)的鍛造頻次，成為鍛造機(jī)適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展需要。

二、油壓機(jī)鍛造過程分析

油壓機(jī)鍛造時(shí)分為空程下降—加壓—回程3個(gè)階段，如液壓原理圖1所示。

圖1　油壓機(jī)鍛造液壓原理

空程下降：提升缸回油伺服閥打開，液壓油通過油路回到低壓緩沖罐內(nèi)。壓機(jī)活動(dòng)橫梁靠自重向下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)由低壓緩沖罐內(nèi)液壓油充填至主缸內(nèi)。

加壓：待錘頭降至鍛造坯料表面時(shí)，開啟加壓程序，由多臺(tái)主泵提供的高壓油進(jìn)入主缸，提供壓力，完成鍛造。

回程：待本道次鍛造結(jié)束，主缸充填閥打開回油至低壓緩沖罐，由多臺(tái)主泵提供的高壓油進(jìn)入兩側(cè)提升缸，進(jìn)行回程動(dòng)作。

通過對(duì)鍛造過程的分析，提高鍛造頻次，主要是縮短空程下降和回程這2個(gè)動(dòng)作的時(shí)間。針對(duì)空程下降動(dòng)作，主要是活動(dòng)橫梁下降時(shí)主缸的充填問題，目前國(guó)內(nèi)充填緩沖罐有兩種方式，一種是大氣壓式充填，也就是充填緩沖罐安裝于油壓機(jī)頂部并通過空氣過濾器與大氣相通，給主缸充填時(shí)，充填緩沖罐內(nèi)液壓油通過主缸負(fù)壓自吸進(jìn)行充填。第二種是低壓式充填，充填緩沖罐是密閉的，并通過配套空壓機(jī)充氣系統(tǒng)，對(duì)充填緩沖罐進(jìn)行打壓，并保持充填緩沖罐內(nèi)具有一定的壓力，充填時(shí)是將液壓油壓入主缸。因此，第二種充填方式明顯比第一種時(shí)間要短，進(jìn)而減少空程下降這個(gè)動(dòng)作所需要的時(shí)間。

對(duì)回程動(dòng)作，由于整個(gè)回程動(dòng)作所需動(dòng)力油全部由主泵供給。主泵工作打壓供油經(jīng)過各個(gè)控制閥（響應(yīng)時(shí)間）還有較長(zhǎng)的管道（動(dòng)力傳遞），造成回程動(dòng)作時(shí)間較長(zhǎng)。因此，減少回程動(dòng)作時(shí)間，將大幅提高鍛造頻次。

圖2　液壓彈簧工作原理

三、油壓機(jī)快速回程（液壓彈簧）裝置的分析

如圖2所示工作原理，快速回程（液壓彈簧）裝置由4部分組成。在快速鍛造空程下降時(shí)，提升缸內(nèi)液壓油通過第一部分閥組進(jìn)入第四部分活塞缸內(nèi)，存儲(chǔ)回程壓力能。當(dāng)鍛造道次結(jié)束回程時(shí)，提升缸伺服閥關(guān)閉，將主泵提供的高壓油斷開，由蓄能器組活塞缸提供壓力油，輔助提升缸回程，從而實(shí)現(xiàn)快速鍛造?？紤]到各個(gè)閥組的內(nèi)外泄，如果蓄能器組活塞缸內(nèi)壓力油流失不足以推動(dòng)提升缸時(shí)，第二部分閥組打開，由先導(dǎo)泵按照設(shè)定壓力對(duì)蓄能器組進(jìn)行補(bǔ)壓。另外，處于安全考慮，當(dāng)油壓機(jī)完成鍛造關(guān)機(jī)后，第三部分閥組打開，將蓄能器組內(nèi)壓力釋放。

在快速回程（液壓彈簧）裝置中，蓄能器組是關(guān)鍵部分，他的整體性能影響到油壓機(jī)快鍛過程的響應(yīng)特性。經(jīng)研究表明，蓄能器充氣壓力越大，阻尼越小，固有頻率越大。反之，蓄能器充氣壓力越小，阻尼越大，固有頻率越小。同時(shí)，蓄能器容積越小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)越快，反之，蓄能器容積越大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)越慢。

蓄能器組的選擇，必須滿足的條件：活塞缸在快鍛過程中的容積變化必須大于等于提升缸回程時(shí)上極限位置到下極限位置容腔的變化量；蓄能器組必須提供足夠的壓力，使活動(dòng)橫梁部分能夠提升到上極限位置；蓄能器組動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性應(yīng)盡可能快，以滿足快鍛過程的需求。因此，蓄能器組的充氣壓力和工作容積必須選擇合理。將蓄能器組多個(gè)蓄能器及活塞缸上部看成一個(gè)整體，將其原理簡(jiǎn)化成圖3。

圖3　蓄能器工作原理圖

由圖3蓄能器工作原理可知，蓄能器在快鍛過程中的3種狀態(tài)，第一種狀態(tài)是蓄能器初始充氣狀態(tài)；第二種狀態(tài)是提升缸降至下極限位置的蓄能器狀態(tài)；第三種狀態(tài)是提升缸升至上極限位置的蓄能器狀態(tài)。在三種狀態(tài)下，蓄能器氣腔都滿足理想氣態(tài)方程，見式（1）。

式中n——?dú)怏w多變指數(shù)

p——壓力

V——體積

在快鍛過程中，為了保證蓄能器能夠提供足夠的動(dòng)力推動(dòng)活動(dòng)橫梁回程，則p2應(yīng)大于等于活動(dòng)橫梁重量與各摩擦力之和，見式（2）。

式中G——活動(dòng)橫梁自重

Ff——摩擦力

A2——提升缸活塞面積在機(jī)械手冊(cè)中，折合性氣囊式的蓄能器充氣系數(shù)為0.8～0.85，活塞式蓄能器的充氣系數(shù)為0.8～0.9，如選擇充氣系數(shù)為0.8時(shí)，p0=0.8p2。根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程，蓄能器在快鍛下極限位置的壓力有式（3）。

式中m——活動(dòng)橫梁質(zhì)量

a——活動(dòng)橫梁最大加速度

在快鍛過程中，蓄能器體積的變化等于提升缸體積的變化，因此V2=V3-A2S，式中S為快鍛行程。

根據(jù)以上公式，可以得到蓄能器容積計(jì)算公式，見式（4）。

通過以上計(jì)算分析，可以確定蓄能器組的蓄能器壓力以及容積。在鍛造回路上加裝快速回程（液壓彈簧）裝置，當(dāng)設(shè)置快鍛模式時(shí)由于使用蓄能器組存儲(chǔ)和釋放壓力能，減少了由主泵供給高壓油，避免了能量的浪費(fèi)，極大的節(jié)省能源成本消耗。同時(shí)該裝置可以就近安裝在提升缸進(jìn)油油路上，由于結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，能夠減少主泵供油時(shí)經(jīng)過各個(gè)控制閥的響應(yīng)時(shí)間，還有較長(zhǎng)的管道動(dòng)力傳遞時(shí)間，極大的減少了回程時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)了更快的鍛造頻次。公司安裝的80 MN油壓機(jī)在不使用快速回程（液壓彈簧）裝置時(shí)的最快鍛造頻次只有60次/min，而使用該裝置后，鍛造頻次能夠超過120次/min。

四、結(jié)論

通過對(duì)油壓機(jī)鍛造過程的分析與研究，明確了影響鍛造頻次的原因，同時(shí)通過改善液壓原理：采用低壓充填緩沖罐對(duì)主缸在空程下降時(shí)進(jìn)行充填，減少了空程下降的時(shí)間。采用快速回程（液壓彈簧）裝置在快速鍛造時(shí)應(yīng)用，減少了回程的時(shí)間。從而極大的提高了油壓機(jī)鍛造頻次。使油壓機(jī)滿足了溫度范圍窄的各種材料的快速鍛造需求。

〔編輯利文〕

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