电液锤技术的发展与应用

电液锤技术的发展与应用锻锤的构造简单、维修方便、打击速度快。但是随着工业的飞速发展，蒸空锻锤的缺点日益突出：能耗大，污染重，费用大。因此到了20世纪50年代，一种新型锻锤—电液锤的出现，引发了一场蒸空锻锤的革命。我国在20世纪70年代开始研究，到90年代初期卓见成效，特别是蒸（空）锤改电液锤技术日益成熟，已成为我国锻造行业节能增效、降低成本的一大捷径。一、国外电液锤技术的发展具有140多年（1863）的机械制造经验的德国拉斯科(LASCO)公司是电液锤动力头的先驱和发明者，有着近50年(1952)的电液锤生产历史，电液锤经历了从放油打击单动落锤到放油打击双动落锤再到现在全液压双动落锤发展过程。1.德国早期气液锤技术图1为拉斯科公司KGK系列的液压动力头。液压动力头是由带气室的液压缸、主油泵和主控制阀的组合体、电动机与飞轮组合体、控制泵与先导电磁阀、油温自动控制装置和油箱五部分组成。液压控制系统包括单向阀、排油阀、油泵卸荷阀、溢流阀及两个先导电磁阀、主油泵大流量三螺杆泵。各液压元件之间直接连接，没有管道。整个液压系统比较紧凑，液压损失较小，效率较高。当油泵卸荷阀关闭时，主油泵输出的油经单向阀进入液压缸下腔，锤头在液体压力作用下提升，活塞顶部空气被压缩，储蓄能量。这样，当开展下一次打击时，气垫便推动锤头向下加速运动，使锤头在行程较短的情况下，仍获得足够的打击能量。当卸荷阀打开，油泵输出的油不再进人液压缸，而通过卸荷阀回油箱，锤头实现“悬空”，停止不动。锤的打击是由排油阀控制。当排油阀打开，液压缸下腔排液。由于液压缸直径很小，排油通道较大，阻力较小，使锤头可实现快速下行。全行程的打击次数为60~80次／min，工作液压力为24.5×105Pa，瞬时尖峰压力可达70×105Pa。油泵卸荷阀和排油阀分别由控制泵供油的先导电磁阀控制。气室的充气压力为7×105Pa。液压动力头内设有两个冷却器。每个冷却器包括一个支承管以及绕在支承管外部的冷却水管。为了在寒冷季节开锤之前对油开展预热，在支承管内设有电热器。油的温度自动控制系统保证得到恒定的理想的油温，使锤的工作性能不受环境温度以及工作情况的影响，并且延长了油的使用寿命。由于采用气液传动，由锤头加速向下、打击、加速回程、制动和停顿组成的单次工作循环中，只在加速回程时油泵有高压油输出，在刚提升的瞬间，因要克服惯性负载，需要较大的提升力，出现油压峰值。待提升速度到达油泵元件数值后，油压就较低了。在工作循环的其他阶段，油泵处于卸荷状态，这是典型的间歇性负载。驱动电动机和油泵之间带有一个惯量甚大的飞轮，说明这是油泵电机带飞轮拖动。以工作循环的平均负载确定电机功率，以负载图上的盈亏功确定飞轮的转动惯量。这是KGK系列液压锤的主要节能措施。对于KGK系列的液压锤，不同的打击能量只能依靠不同的落下高度来得到。固定在缸盖上的细长杆和中空的锤杆组成电容式位移传感器，随时向控制系统输送锤头的位置信号，按预先调定的转换点，使锤头能及时地改变运动方向。程序控制系统能以无级调整的四种高度连续开展六次轻重不同的锻击。对于一个锻件来说，有六次锻击就已足够。KGK系列液压锤采用细锤杆通过橡胶缓冲装置与锤头连接的构造型式。由于采用较低的打击速度和因直径小而降低了锤杆的质量，大大降低了锤杆的冲击动能，而此能量大部分为缓冲装置所吸收；藉助于缓冲件的不均匀变形和锤杆能作少量的径向移动，显著地减少因偏心打击而产生于锤杆内的附加弯曲应力，使锤杆的受力条件改善，提高锤杆使用寿命。2.纯液压快速模锻锤在德国，到20世纪80年代中后期，纯液压快速模锻锤逐渐取代了气液模锻锤。拉斯科公司KGK系列锤已停止生产，转而发展HO和HO－U系列锤；贝歇（Beche）公司的KGH系列纯液压锤以其优异的设计制造技术在市场占有量上后来居上。我国从20世纪90年代初以来已连续引进数台。拉斯科公司的液压锤有立柱和砧座分体构造的HO系列和立柱与砧座一体的U形构造的HO－U系列。这类快速电液模锻锤的基本原理是：采用油泵蓄能器传动，液压缸下腔通常压，液压系统对液压缸上腔开展单腔控制。上腔进油阀打开，来自油泵、蓄能器及通过差动回程引来下腔的共三部分高压油进入上腔，实现落下部分的加速向下和打击行程；上腔若卸压，锤头立即快速回程。打击能量以控制进油量的多少来实现预选和调节。与气液锤相比，这种液压锤有如下特点：(1)由于工作油压达110×105Pa，远高于气液锤的充气压力，可在短距离内使落下部分到达规定的速度和打击能量。短行程可得到高行程次数，又使机器高度降低、重量减轻，使它具有高生产率和低制造成本，并为发展U型机身以提高锻件精度创造了条件。(2)采用油泵蓄能器传动和差动回路，能满足打击时液压缸上腔最大瞬间流量的需要；单腔控制而简化了液压系统，液压动力头整体构造的高度集成，又无气液式液压系统有高效、节能和性能稳定的特点。(3)油缸下腔通常压，锤头在打击后能迅速提升而减少了上下模的接触时间。因热应力的减少，使模具寿命显著提高。(4)电液锤的所有功能由电子程控系统来控制。有常规和程序两种控制规范，有自检和故障集中显示功能。通过三个脚踏开关，可实现各种模锻操作规范。打击能量从5%~100%实行预选。这种控制系统能经济地利用锤的能量，对每一种锻件的锻造过程开展优化，因而，使锻件的质量、精度和生产率得显著的提高。***重型机械研究所已经研制成功这类液压锤。3.蒸（空）锤改电液锤技术介绍蒸空锻锤示成效率极低，废气带走了大量的热能。据测算：蒸汽锤的一次能源效率仅为1%~2%；而用压缩空气传动的效率也只有3%~5%，加上站房的投资和环境污染方面的缺点，蒸空锻锤的改造已是机械工业的紧迫任务，各国都给以极大的重视。采用液压动力头换头将现有蒸（空）锤改造为液压锤，在国内外都得到很大的发展，其最大的优点就是节能。据测算：液压传动与蒸汽传动相比，能耗仅为后者的4%~12%；与压缩空气传动相比，能耗也只有16%~50%。拉斯科公司曾将蒸（空）锤换头改造成气液锤。***重型机器厂曾引进KGK250型液压动力头成功地将It蒸空模锻锤换头改造为打能量为25kJ电液模锻锤。被改造后的有砧液压锤，一般都到原锤的工作能力，但为了提高液压系统的效率和运动密封的寿命，打击速度和锤头行程有所降低，锤头重量将相应增加以保持原有的打击能量。二、我国电液锤技术的发展与应用1.蒸（空）锤改造成电液锤技术的发展我国电液锤的研究应用起步较晚，起始于20世纪70年代，特别是在采用液压动力头改造蒸（空）锤的技术上，经过近20的研究和发展，技术日趋成熟，已进入实用阶段。国内现有的电液锤从驱动介质来看，均属于液气锤，从动作原理来看可分为两类：一类是以进油打击方式，另一类是以放油打击方式工作。从我国锻造行业现状看，换头节能改造最为经济有效，据不完全统计，我国拥有蒸（空）锤近2500台，目前已改造300台，还台需要改造，以电液锤动力头改造蒸（空）锤的技术已趋于成熟，对蒸（空）锤的节能降耗改造，可以说是锻造行业走出高能源科委列为国家科技成果重点推广项目。国外一般还只限于蒸空模锻锤，而目前在我国机械制造和冶金企业中，已有不少电液自由锻锤成功地用于锻件和钢锭开坯。在众多的蒸（空）锤换头改造的方案中，较成熟的是北京理工大学为主研制的单杆式泵一蓄能器传动气液锤。单杆式泵一蓄能器传动气液锤，其液压动力头的液压系统原理图如图2所示，表1为其主要技术参数。1997年眉山车辆厂锻压车间的自由锻电液锤使用了这种换头技术，即：把原锤的汽缸、活塞杆、活塞、锤头、蒸汽管道等去掉，更换成电液驱动头，再加一个液压站。其工作过程为：向下打击时，通过主控阀使快速放油阀打开，主液缸中的液体通过快速放油阀泄入油箱，活塞下部失去液压支持，上部气体的压力（一般为3.5-4.5MPa）和落下部分的自重使锤头加速向下开展锻击。回程时，主控阀使放油阀关闭，来自油泵和蓄能器的高压油经主控阀和放油阀进入主液缸，通过活塞使锤杆带动锤头提升，并将主气缸内的气体压缩蓄能。蓄能器上的发信装置（霍尔开关）在蓄能器充满液体后发出控制信号，通过DAW30型先导卸荷阀使油泵卸荷运行。通过手动或脚踏操纵机构带动的主控阀不但省力，还可同时实现回程、打击、急停收锤和寸动调模等多种功能。非常接近原蒸（空）锤的操作习惯。目前，有第二重型机械集团公司根底件研究所、北京异辉机电公司、北京海斯特机电新技术公司、戚墅堰机车车辆厂、***特殊钢有限责任公司和北京先驰机电研究所都在生产这种类型的电液动力头。多年来，这些单位在改良构造、采用先进的电液控制技术、提高标准化、通用化程度等方面做了大量的工作，故能在电液锤市场占有量上占较大的份额。除了上述“换头术”方案外，还有***铸锻机械研究所“气垫回程、进油打击”方案，***重机研究所“纯液压”方案，它们皆有改造成功的实例。由于锻锤工作条件的严酷，一台完善的电液锤必需是高新技术的综合表达。由于国家在政策上的支持，伴随着电液控制技术水平的不断提高，根底元件性能和品种的逐步发展，蒸（空）锤改造成电液锤的发展前景一定是光明的。2.程控全液压电液锤的发展目前国内程控全液压电液锤的研发只局限在模锻锤，它特别适合于多品种、小批量生产，其特点是：(1)打击速度快，适用于高速变形锻造，且有利于模具寿命的提高。(2)打击能量控制准确，可以给足能量但不多给，不仅到达节能目的，而且降低了打击噪声。(3)工作精度高，U形整体砧座不仅使打击系统刚性明显优于传统锻机，而且减少了噪声发生源，可方便拆换的放射形宽导轨构造，可防止锤头热膨胀引起工作精度变化，并且有较高的精度保持性。(4)该锤不仅适用于钢质材料的精细锻造成形，而且适用于有色金属的热锻成形及粉末冶金零件的锻造，过去我国这种设备主要依赖进口，最近，随着江苏威弘集团海安百协锻锤公司成功开发出CHK系列程控全液压电液锤，这种局面将会发生改变，其未来市场前景将十分广阔。3.电液锤的缺陷相对于蒸（空）锤来说，电液锤从节能、环保方面确实有巨大优势，但就其本身而言，还是存在许多缺陷之处。(1)国内液压密封圈质量达不到设计要求，密封效果差，直接影