油壓機提高鍛造頻次液壓彈簧裝置分析與研究

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

油壓機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.西安建筑科技大學西安2.寶鈦集團鍛造廠陜西寶雞）

油壓機鍛造液壓原理，對其進行分析，指出影響鍛造頻次的原因，并研究快速回程（液壓彈簧）裝置及重要參數的設定，明確如何實現快速回程，進而實現快速鍛造。

油壓機液壓彈簧鍛造頻次

一、概述

自由鍛造機是機械行業的重型機械設備，根據動力介質可分為水壓機和油壓機，相比水壓機，油壓機具有鍛造速度快、運行平穩，控制精度高，應用工藝范圍廣等優點，成為自由鍛造機的重點發展方向之一，廣泛應用在工業生產中。超過50 MN的重型鍛造機的制造能力和水平，更成為一個國家的裝備制造能力的象征。我國現擁有25 MN（2500 t）以上噸位自由鍛造機近千臺，整體鍛造能力上具有國際先進水平，但在重型大噸位自由鍛造機的鍛造頻次上與國際水平還有一些差距。國內鍛造機的快鍛頻次一般在45～60次/min，但國外鍛造機的快鍛頻次已經達到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需求，研究并提高鍛造機的鍛造頻次，成為鍛造機適應現代工業的發展需要。

二、油壓機鍛造過程分析

油壓機鍛造時分為空程下降—加壓—回程3個階段，如液壓原理圖1所示。

圖1　油壓機鍛造液壓原理

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。壓機活動橫梁靠自重向下運動，同時由低壓緩沖罐內液壓油充填至主缸內。

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

回程：待本道次鍛造結束，主缸充填閥打開回油至低壓緩沖罐，由多臺主泵提供的高壓油進入兩側提升缸，進行回程動作。

通過對鍛造過程的分析，提高鍛造頻次，主要是縮短空程下降和回程這2個動作的時間。針對空程下降動作，主要是活動橫梁下降時主缸的充填問題，目前國內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頂部并通過空氣過濾器與大氣相通，給主缸充填時，充填緩沖罐內液壓油通過主缸負壓自吸進行充填。第二種是低壓式充填，充填緩沖罐是密閉的，并通過配套空壓機充氣系統，對充填緩沖罐進行打壓，并保持充填緩沖罐內具有一定的壓力，充填時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間要短，進而減少空程下降這個動作所需要的時間。

對回程動作，由于整個回程動作所需動力油全部由主泵供給。主泵工作打壓供油經過各個控制閥（響應時間）還有較長的管道（動力傳遞），造成回程動作時間較長。因此，減少回程動作時間，將大幅提高鍛造頻次。

圖2　液壓彈簧工作原理

三、油壓機快速回程（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，提升缸內液壓油通過第一部分閥組進入第四部分活塞缸內，存儲回程壓力能。當鍛造道次結束回程時，提升缸伺服閥關閉，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，從而實現快速鍛造。考慮到各個閥組的內外泄，如果蓄能器組活塞缸內壓力油流失不足以推動提升缸時，第二部分閥組打開，由先導泵按照設定壓力對蓄能器組進行補壓。另外，處于安全考慮，當油壓機完成鍛造關機后，第三部分閥組打開，將蓄能器組內壓力釋放。

在快速回程（液壓彈簧）裝置中，蓄能器組是關鍵部分，他的整體性能影響到油壓機快鍛過程的響應特性。經研究表明，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，蓄能器容積越小，動態響應越快，反之，蓄能器容積越大，動態響應越慢。

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，使活動橫梁部分能夠提升到上極限位置；蓄能器組動態響應特性應盡可能快，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。將蓄能器組多個蓄能器及活塞缸上部看成一個整體，將其原理簡化成圖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，第一種狀態是蓄能器初始充氣狀態；第二種狀態是提升缸降至下極限位置的蓄能器狀態；第三種狀態是提升缸升至上極限位置的蓄能器狀態。在三種狀態下，蓄能器氣腔都滿足理想氣態方程，見式（1）。

式中n——氣體多變指數

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力推動活動橫梁回程，則p2應大于等于活動橫梁重量與各摩擦力之和，見式（2）。

式中G——活動橫梁自重

Ff——摩擦力

A2——提升缸活塞面積在機械手冊中，折合性氣囊式的蓄能器充氣系數為0.8～0.85，活塞式蓄能器的充氣系數為0.8～0.9，如選擇充氣系數為0.8時，p0=0.8p2。根據動力學方程，蓄能器在快鍛下極限位置的壓力有式（3）。

式中m——活動橫梁質量

a——活動橫梁最大加速度

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。

根據以上公式，可以得到蓄能器容積計算公式，見式（4）。

通過以上計算分析，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，當設置快鍛模式時由于使用蓄能器組存儲和釋放壓力能，減少了由主泵供給高壓油，避免了能量的浪費，極大的節省能源成本消耗。同時該裝置可以就近安裝在提升缸進油油路上，由于結構較簡單，能夠減少主泵供油時經過各個控制閥的響應時間，還有較長的管道動力傳遞時間，極大的減少了回程時間，從而實現了更快的鍛造頻次。公司安裝的80 MN油壓機在不使用快速回程（液壓彈簧）裝置時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、結論

通過對油壓機鍛造過程的分析與研究，明確了影響鍛造頻次的原因，同時通過改善液壓原理：采用低壓充填緩沖罐對主缸在空程下降時進行充填，減少了空程下降的時間。采用快速回程（液壓彈簧）裝置在快速鍛造時應用，減少了回程的時間。從而極大的提高了油壓機鍛造頻次。使油壓機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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