快鍛油壓機主缸放氣方法研究

范玉林，張明祥，張營杰，馮東曉，牛 勇

（1.中國重型機械研究院股份公司，陜西西安710032 2.國核寶鈦鋯業股份公司，陜西寶雞721013）

0 引言

近年來，我國在能源、軍工和交通等重大裝備制造領域發展迅猛，對大型復雜鍛件有很大需求。快鍛油壓機是20世紀60年代開始發展起來的一種新型鍛壓設備，用于鋼錠開坯和自由鍛件的壓力加工，特別適合合金成分較高材料的鍛造，在自由鍛設備中被認為是發展的主要方向之一，世界各工業發達國家都在大力開發；特別是近年來液壓技術和微電子技術的飛速發展，更加速了這種進程[1-5]。

在快鍛油壓機運行、維修和保養過程中，會有氣體聚集在油缸內，若不及時排除氣體，會使得壓機加壓慢、產生噪聲和振動，使得油缸和管路的金屬表面受到腐蝕，嚴重的會導致設備損壞。不正確的排氣方法，會使得放氣閥損壞，嚴重的可引起放氣閥爆裂，引發安全事故。本文研究了傳統的主缸放氣方法及產生的危害，提出了正確的放氣方法。

1 快鍛油壓機主缸和回程缸控制系統

快鍛油壓機主缸和回程缸控制系統同時作用下完成動梁的快下、加壓、回程、慢下以及快速回程等動作，如圖1所示。主缸控制閥系統主要由進液閥、排液閥、充液閥及主缸放氣閥等部分組成，實現主缸的高壓進液、停止及主缸內高壓油液的卸壓、排液及主缸放氣等功能。由于壓機運動部分的質量相對較大，且主缸的行程及直徑均較大，為了保證壓機平穩運行，減小因液壓沖擊而造成的設備震動，主缸進液、排液閥采用鍛造壓機專用閥。該閥的顯著特點就是可以按照設定的理想曲線進行啟閉動作，從而實現壓機各動作轉換時的平穩過渡，即從源頭上減少造成設備震動的液壓沖擊。主缸放氣閥為普通的電磁換向閥，當主缸內有氣體時，通過該閥放氣。

回程缸控制系統主要由進液閥、快降閥、慢降閥、平衡閥、排液閥及安全閥等部分組成，實現高壓進液、關閉及回程缸內高壓液的卸壓排液及背壓排放等功能，進而實現動梁的快、慢速空程下降、動梁質量平衡及快速回程等動作。

圖1 快鍛油壓機主缸和回程缸控制系統

2 主缸中氣體的產生

液壓油液中總是含有一定量的空氣的。空氣可溶解在液壓油液中，也可以氣泡的形式混合在液壓油液中。空氣在液壓油液中的溶解量和液壓油液的絕對壓力成正比（亨利法則），例如在一個大氣壓下液壓油常溫時約含有6%～12%的溶解空氣，溶解空氣對液壓油液的體積模量沒有影響。一般來說，在靜止狀態下，空氣溶解于油液的過程并不很快，因此油液中混入的氣泡要靠通過系統高壓區來全部溶解是不太可能的，如圖2所示。油液的壓力降低時，溶解在油液中的氣體會從油液中分離出來。在一定溫度下，當液壓油液壓力低于某值時，溶解在油液中的過飽和空氣將會突然地迅速從油液中分離出來，產生大量氣泡。當液壓油液在一定溫度下壓力值小于一定值時，油液本身迅速汽化，產生大量的蒸汽氣泡[6]。

綜上所述，在壓機的運行期間，會有部分氣體溶于液壓油中，當壓機停止運行一段時間后，由于壓力和溫度的變化，溶解于液壓油中的氣體會解析出來，對于壓機中最大的油缸——主缸，有一定量的氣體經常會聚集在其上端。當壓機運行時，若不及時排出，會出現加壓慢和噪聲大等現象，嚴重的會產生氣蝕，對油缸和液壓元件產生破壞，影響設備壽命。

圖2 油液中放出氣體體積與壓力間的關系

3 傳統的放氣方法及可能產生的危害

傳統的放氣方法為主缸排液閥關閉，主缸進液閥打開給主缸進液，主缸放氣閥打開，并持續一定時間，油氣混合物會通過放氣閥排回油箱，達到排氣的目的。這種放氣方法，主缸內是不能有過高壓力的，否則，會產生氣穴現象，發生重大安全事件。

放氣閥一般是普通的電磁換向閥，一端接主缸，另一端接回油即壓力基本為零。當主缸內有較高壓力時，主缸放氣閥突然打開，對于主缸較大面積和流量，液壓油通過電磁換向閥相當于過一節流口后壓力下降，如該處壓力低于液壓油液工作溫度下的空氣分離壓，溶解在油液中的空氣會迅速地大量分離出來，變成氣泡，產生氣穴。在液壓系統中的任何地方，只要壓力低于空氣分離壓，就會發生氣穴現象。當氣穴現象發生時，液流的流動特性變壞，特別是當帶有氣泡的液壓油液被帶到下游高壓部位時，周圍的高壓使氣泡絕熱壓縮，迅速崩潰，局部可達到高的溫度和沖擊壓力。實驗表明：在38℃下，壓力分別為6.8、13.6、20.4MPa時，氣泡崩潰處的局部溫度可達766℃、993℃、1149℃,沖擊壓力可以達到幾百兆帕[6]。在這樣的局部高溫和較高的沖擊壓力下，換向閥極易發生爆裂，引發安全事故。

4 新的主缸放氣方法

要杜絕這種安全隱患，首先要防止氣穴現象的發生。在現有元件不變的條件下，為了防止氣穴現象的產生，就要防止液壓系統中壓力過度降低，即減小閥孔前后的壓差，一般希望閥孔前后的壓力比P1/P2<3.5[6]。根據這一點，提出了一種新的放氣方法。主缸放氣時，首先主缸放氣閥打開，主缸進液閥和排液閥關閉，即防止主缸上壓，回程缸進液閥打開，壓機回程，主缸的液壓油經過主缸放氣閥被動排液，由于回程缸的面積大大小于主缸的面積，則主缸的壓力基本上接近于零，這樣保證換向閥進出口壓力比小于3.5，也就完全杜絕氣穴現象的發生，消除了安全隱患。對于這種新的放氣方法，在當今壓機控制系統中，很容易通過PLC編程實現。在液壓系統的設計和調試過程中，要充分考慮使用者的誤操作對系統的影響，最大限度減少安全事故的發生，保證設備安全運行。

5 結論

快鍛油壓機是20世紀60年代開始發展起來的一種新型鍛壓設備，在壓機運行、維修和保養過程中，會有氣體聚集在油缸內，這些氣體需要及時排除。研究了傳統的主缸放氣方法及可能產生的危害，提出了正確的放氣方法。對于這種新的放氣方法，很容易通過PLC編程實現，避免了誤操作對系統的影響，最大限度減少安全事故的發生，保證設備的安全運行。

[1]蔡 墉.我國自由鍛液壓機和大型鍛件生產的發展歷程.大型鑄鍛件，2007，（1）：37-44.

[2]范玉林，張營杰，衛凌云，等.45/50MN快鍛油壓機液壓系統設計分析.鍛壓裝備與制造技術，2011，46（5）：49-51.

[3]徐宇謹，韓大衛，黃 新，等.快速鍛造油壓機組主機結構形式與選型.重型機械，2004，（6）：45-47.

[4]李貴閃，何曉燕，榮兆杰.我國液壓機行業的現狀及發展.鍛壓裝備與制造技術，2006，41（4）：17-19.

[5]高俊峰.我國快鍛液壓機的發展與現狀.鍛壓技術，2008，（6）：1-5.

[6]章宏甲，黃 誼.液壓傳動.北京：機械工業出版社，1994.