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前言

目前社會生產(chǎn)的發(fā)展對鍛造設備提出了如下更高的要求：

① 提高設備生產(chǎn)率，降低設備故障率，適應鍛件交貨期短的趨勢；

② 提高設備的通用性，適應多品種小批量生產(chǎn)的趨勢；

③ 提高設備精度從而提高產(chǎn)品精度并且降低原材料消耗；

④ 提高可維修性及安全性；

⑤ 節(jié)約能源，改善工作環(huán)境；

⑥ 提高設備數(shù)字化和自動化能力。

1 單桿排油打液氣錘的工作原理

單桿、排油打液氣錘液壓系統(tǒng)如圖1所示。其工作原理是：在錘桿活塞上腔密閉一定體積和壓強的氣體，錘桿活塞下腔連通受控高壓油。當液壓站提供的高壓油，經(jīng)過主操縱閥、快放閥進入錘桿活塞下腔時，錘頭回程，同時錘桿活塞上腔密閉的氣體被壓縮蓄能。當主操縱閥換向，快放閥在壓差作用下快速打開，錘桿活塞下腔受控高壓油快速泄低壓時，錘頭打擊。其技術的關鍵在于主操縱閥和快速放液閥的性能。

2 液氣錘常見故障及原因分析

2.1 錘桿活塞油氣互串

由圖1可知，液氣錘錘桿活塞上腔是密閉的一定體積和壓力的氮氣，錘桿活塞下腔連通受控高壓油，是油氣同缸，所以油氣互串不可避免。鍛錘工作過程中系統(tǒng)壓力達到10 MPa以上，打擊時錘頭的運行速度達到7 m??s-1以上，PV值很高，缸襯外圍是密閉的氮氣，散熱效果不很理想，所以錘桿活塞的密封圈工作環(huán)境較差，壽命相對較短。據(jù)某鍛造廠統(tǒng)計，采用國產(chǎn)密封圈，平均壽命只達到4個月；采用德國進口密封圈，平均壽命也只達到10個月。錘桿活塞密封效果降低，就會在工作過程中使下腔的高壓油竄入上腔，主缸上腔的氮氣壓力越來越高，錘頭的回程速度越來越慢，靈活性越來越差。當竄油嚴重時，每個班需要多次放油。錘頭停止工作時，主缸內(nèi)的氮氣又會漏到下腔而排入郵箱，壓力不斷降低，再開錘時必須重新充氣，否則達不到額定能量。此時，錘桿活塞的密封圈必須更換。更換錘桿活塞的密封圈時，必須先將主缸內(nèi)的氮氣放掉，拆下緩沖缸系統(tǒng)，脫開錘頭與錘桿的連接，更換完成后再重新充氣到額定氣壓。這項維修是在錘上進行，屬高空作業(yè)，維修困難，而且也不可避免帶入污染物。

2.2 缸襯下部油氣互串

由圖1可知，缸襯下部也是液氣錘油、氣的交界面，該處的密封失效和錘桿活塞密封失效的故障現(xiàn)象是一樣的。原因主要有：加工精度差、密封圈質(zhì)量差、缸襯串動、錘頭偏擊使錘桿彎曲帶動缸襯側(cè)向擠壓定位面破壞了原密封精度。在鍛錘的實際生產(chǎn)過程中，該處的密封圈為靜密封，壽命要高于錘桿活塞的密封圈壽命，但該密封一旦失效，維修更加困難。更換密封圈時，必須先將主缸內(nèi)的氮氣放掉，拆下緩沖缸系統(tǒng)，脫開錘頭與錘桿的連接，提出錘桿和缸襯，有時由于行車高度不夠還需拆掉主缸，在提錘桿時有可能將缸襯一并提出，還必須將二者分開，更換完成后再重新充氣到額定氣壓。這項維修也是在錘上進行，屬高空作業(yè)，維修困難，停機時間長，而且不可避免帶入污染物，還容易造成零件碰損。一旦該處密封面尺寸精度遭到破壞，維修率將大幅度提高，有的甚至必須拆下動力頭重新加工。實踐證明，在備品備件充足的條件下，該處是停機時間最長維修最復雜的故障點。

2.3 內(nèi)漏生熱

液氣錘主操縱閥的原理如圖2所示，是一特殊設計的隨動閥，由閥芯、隨動閥、固定閥套等組成，特點是用很小的操縱力使大通徑滑閥得到準確的移動。

由圖2可知，液氣錘主操縱閥為一特殊設計的隨動閥，是滑閥機能。其靈敏性和密封性能是靠閥芯和隨動閥的間隙和掩蓋量控制的，這是矛盾的統(tǒng)一體，掩蓋量小，隨動閥的靈敏性好，錘頭的靈活性高，但同時密封性能和壽命差；掩蓋量大，密封性能好，但同時隨動閥的靈敏性差，錘頭的靈活性差。在生產(chǎn)過程中，操縱手柄每操控一次，隨動閥也會運動一次，錘頭跟隨運行一次。錘頭運動越頻繁，隨動閥運行也越頻繁。當一定時間后，閥芯的掩蓋部分及隨動閥間隙均會變大。由液壓理論可知，環(huán)縫間隙的流量和環(huán)縫間隙的立方成正比。當間隙變大，內(nèi)漏量明顯變大，這可在錘頭靜止不動時由系統(tǒng)卸荷次數(shù)直觀確定。主操縱閥內(nèi)漏越大，系統(tǒng)溫升越快，溫度越高，介質(zhì)油的粘度越低，從而促使內(nèi)漏增大，形成惡性循環(huán)。嚴重時系統(tǒng)無法正常工作，必須更換主操縱閥。

另外，由主操縱閥的原理可知，在隨動閥跟隨閥芯移動過程中，需放油的驅(qū)動端仍通過小孔進油，只是進的少、排的多，這不僅影響隨動閥的靈活性，而且也是一個原理性的生熱點。不正常生熱都會造成能源的浪費。

2.4 冷錘現(xiàn)象

所謂的“冷錘”現(xiàn)象是指司錘在正常工作過程中，需要錘頭慢下時，錘頭卻形成打擊。“冷錘”是出現(xiàn)廢品甚至工傷的主要原因。打“冷錘”的原因是由于快速放液閥受到擾動不正常打開造成的。快速放液閥位于主操縱閥和錘桿活塞下腔之間，是一個液控開關。由浮動環(huán)、浮動套、閥套、后堵等組成。快放閥接受主操縱閥的指令，控制油液的進入和快速排放，保證鍛錘工藝動作的實現(xiàn)。其結構原理如圖3所示。

圖3中心線下部的所示是錘頭慢下時快速放液閥各零件的位置，浮動環(huán)右端與閥堵貼合，形成節(jié)流，浮動套右端油壓有所下降，但由于浮動套左端受高壓油作用的面積較右端小，使得浮動套仍能保持不動，錘桿活塞下腔高壓油經(jīng)主操縱閥慢慢卸掉，錘頭緩慢下降。此時一旦出現(xiàn)不應有的擾動，浮動套就有可能打開形成打擊，即出現(xiàn)“冷錘”。浮動套一旦打開形成打擊，再想收錘就比較困難了。

2.5封下口噴油

封下口噴油是指大量高壓油瞬間從封下口噴出，噴到錘下的熱工件上就會造成著火。在生產(chǎn)過程中發(fā)生此故障往往都會造成非常嚴重的后果，甚至造成人員傷亡。造成此故障的原因一是由于封下口脫落，二是由于錘桿從中部斷裂。防止封下口脫落可采取定時維護來預防，但錘桿從中部斷裂是很偶然的，很難預見。為此有的用戶采用乳化液替代液壓油來充當驅(qū)動介質(zhì)。但乳化液粘度系數(shù)小，潤滑性能差，水易揮發(fā)造成性能穩(wěn)定性差。有的設備在封下口部位安裝行程開關或接近開關用以采集錘桿斷裂的信號，當采集到錘桿斷裂的信號后，馬上發(fā)訊關停電機。但液氣錘系統(tǒng)都設置了相當容量的蓄能器，如果只關停電機而不能封堵蓄能器，同樣會造成噴油著火事故。另外電器元件裝在鍛錘上易壞且不易察覺。最理想的是采集錘桿活塞下腔的壓力信號，用機械裝置封堵蓄能器。但液氣錘錘桿活塞下腔的壓力信號是交變的，低壓信號和錘桿斷裂噴油時的信號是相同的，所以對液氣錘來講靠采集錘桿活塞下腔的壓力信號，用機械裝置封堵蓄能器是不能實現(xiàn)的。

由此可見，雖然液氣錘和蒸-空錘相比已有了質(zhì)的飛躍，經(jīng)過許多工程技術人員的不斷總結和提高，液氣錘已在各種工況條件下、在各種規(guī)格系列的鍛錘上得到成功應用，但由于仍然存在上述的許多不足，為正常生產(chǎn)帶來許多不便，不能很好適應社會生產(chǎn)對鍛錘提出的新要求。要想徹底解決這些問題必須采用全液壓驅(qū)動液壓錘——電液錘。

3 全液壓驅(qū)動電液錘的原理

全液壓驅(qū)動電液錘是指錘頭的打擊和回程均為液壓油驅(qū)動的液壓錘。其原理是：錘桿活塞下腔常通高壓油，通過控制活塞上腔油的進出來實現(xiàn)打擊和回程。上腔進高壓油時，雖然錘桿活塞上下腔油壓相等，但錘桿活塞上端是一個圓的面積，錘桿活塞下端是一個環(huán)的面積，由于有面積差形成作用力差，再加上落下部分的自重實現(xiàn)向下打擊；活塞上腔泄低壓時，液壓油作用于活塞下端環(huán)面積的力克服落下部分的重力及相應的摩擦力實現(xiàn)回程。

圖4所示是由北京寧遠興達技術開發(fā)有限公司已研制開發(fā)的全液壓電液錘液壓系統(tǒng)。由圖4可見，系統(tǒng)輸出的高壓油直接連通蓄能器和錘桿活塞下腔C，當主操縱閥處在O位時，錘桿活塞的上下腔互不聯(lián)通，錘桿停在任意位置；當主操縱閥處在b位時，錘桿活塞上腔B通過較小的通徑和油箱連通，以較慢的速度放油，錘頭就以較慢的速度上行，即慢上；當主操縱閥處在a位時，錘桿活塞上腔B通過較大的通徑和油箱連通，以較快的速度放油，錘頭就以較快的速度上行，即回程；當主操縱閥處在c位時，錘桿活塞上腔B通過較小的通徑和系統(tǒng)高壓油連通，系統(tǒng)的高壓油以較慢的速度進入錘桿活塞上腔B，錘頭就以較慢的速度下行，即慢下；當主操縱閥處在d位時，錘桿活塞上腔B通過較大的通徑和系統(tǒng)高壓油連通，系統(tǒng)的高壓油以較快的速度進入錘桿活塞上腔B，錘頭就以較快的速度下行，即打擊。

該系統(tǒng)將控制閥和執(zhí)行閥合二為一，只利用一套自行研制伺服滑閥來控制錘桿活塞上腔高壓油的進出及進出油量的大小。該主操縱閥的每個位置都是可無級調(diào)節(jié)的距離段，非常方便操縱。由于滑閥具有過渡態(tài)且為無級變化，伺服滑閥通過精確控制閥開口的大小及開斷就可以做到用同一套操縱系統(tǒng)實現(xiàn)錘頭的慢升、慢降、打擊、回程、急收、任意位置懸錘、壓緊、不同行程不同頻次連續(xù)打擊等動作。所以該系統(tǒng)即可滿足模鍛錘的工藝要求，也可滿足自由鍛錘的工藝要求（專利技術）。

4 全液壓電液錘的性能優(yōu)點

由全液壓驅(qū)動電液錘的原理決定了其具有如下優(yōu)點：（1）杜絕了錘桿活塞及缸襯下端的油氣互串問題；（2）回程時活塞上腔背壓很低，在系統(tǒng)壓力相對較低的條件下回程速度提高，打擊頻次加快，從而生產(chǎn)率顯著提高；（3）去掉了主缸配氣系統(tǒng)和副氣罐，使結構簡化；（4）由于錘桿活塞密封圈的工作環(huán)境得到改善，同時由于對錘桿活塞的密封要求降低，使密封圈的壽命大大提高，更換次數(shù)大幅度減少；（5）由于活塞下腔通常高壓，故打后錘頭回程不滯后，燜模時間短，模具（砧塊）壽命提高，且工人翻轉(zhuǎn)工件方便省力。

另外，由北京寧遠興達技術開發(fā)有限責任公司研制開發(fā)的全液壓驅(qū)動自由鍛電液錘還具有如下特點：（1）快進油口和快放液口均為伺服控制，杜絕了液氣錘偶爾出現(xiàn)的“冷錘”現(xiàn)象，操作更加安全可靠；（2）主控閥為自行研制的專利控制閥具有滑閥控制和錐閥密封的雙重特性，增加了閥口開閉的可控性和密封性，使系統(tǒng)內(nèi)漏減小，生熱減少，且適用范圍廣，可以滿足1~20 t模鍛錘及1~10 t自由鍛錘的需要；（3）控制系統(tǒng)能夠?qū)ο到y(tǒng)的用油量進行實時監(jiān)控，當系統(tǒng)用油量多時多臺泵同時帶載，當系統(tǒng)用油量少時個別泵帶載，其余泵實施強行卸荷，這可大幅度降低泵和卸荷閥的卸荷次數(shù)，減少液壓沖擊，提高了泵和卸荷閥的壽命；（4）系統(tǒng)設置超壓保護和失壓保護，當主進油軟管破裂或錘桿中部斷裂從密封下口噴油時，系統(tǒng)能及時關閉蓄能器油路出口并隨即關停電機，提高了系統(tǒng)的安全性，該技術采集的是錘桿活塞下腔的壓力信號，通過機械連鎖實現(xiàn)安全保護，克服了電信號對電路通斷的依賴，更加安全可靠。其中，（2）（3）、（4）所述技術已申請專利。

到目前為止該系統(tǒng)已成功應用于2、5和10 t模鍛錘，1、3、5和8 t自由鍛錘、0.5，1、2和3 t單臂自由鍛錘。

有一些實例也可說明電液錘比液氣錘的優(yōu)越。一是0.5噸單臂錘，0.5噸單臂錘的主要性能要求是高頻次的輕擊快打，在額定氣壓下的0.5噸蒸空單臂錘輕擊快打的頻次可達200次每分鐘左右。原來有兩臺用通過液氣錘技術改造的0.5噸單臂錘每分鐘輕擊快打的頻次最快只能達到130-140次，壓錘嚴重，工人不愿使用。通過用全液壓的電液錘技術進行改造后，每分鐘輕擊快打的頻次最快可達到180次，雖然和氣錘比稍有降低，但基本上滿足了工人的司錘習慣。這樣就可使擁有0.5噸單臂錘且必須使用的企業(yè)徹底擺脫蒸汽鍋爐或空壓機，達到節(jié)能的目的。

另外南京某公司原來擁有3臺5噸自由鍛液氣錘和一臺3噸單臂液氣錘，2008年與北京寧遠興達技術開發(fā)有限公司合作將3噸單臂液氣錘改造為全液壓電液錘，在使用一年后，明顯比較出其性能及穩(wěn)定性比液氣錘的優(yōu)越，2009年又將一臺5噸雙臂自由鍛液氣錘改造為電液錘，通過與液氣錘對比其重及頻次由液氣錘的55次每分鐘增加到65次每分鐘，真正是趁熱打鐵，停機維修時間由每月平均3天降低到1天，產(chǎn)能增加了30%。這兩臺設備的改造只是將原來的液氣動力頭更換為新的全液壓動力頭，原來的液壓站、電控系統(tǒng)、管路都不用動，停產(chǎn)的時間最多3天。

5 結語

只要設計合理，全液壓電液錘原理不僅可滿足模鍛錘的工藝要求也完全可滿足自由鍛錘的工藝要求。實踐證明，全液壓電液錘不僅從原理上而且從性能上都比液氣錘優(yōu)越，和液氣錘相比故障率可降低60%以上，并且維修維護方便，是液氣錘的升級換代產(chǎn)品。單桿排油打液氣錘和全液壓電液錘的液壓站和控制系統(tǒng)均可互換，在目前液氣錘的基礎上只要更換原動力頭或?qū)υ瓌恿︻^進行二次加工改造就可將原液氣錘升級為全液壓電液錘。

參考文獻：

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