液压冲击控制技术在锻锤上的应用.pdf

C S P n e u ma ti c s S e a l s ／ No ． 0 8 ． 2 0 1 6 d o i l O ． 3 9 6 9 ／ j ． is s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 6 ．0 8 ．0 1 5 液压冲击控制技术在锻锤上的应用 刘 宏献 安阳锻压机械工业有限公司， 河南 安阳 4 5 5 0 0 0 摘要 液压锻锤在工作过程中产生的液压冲击严重危害着设备和生产的安全 ， 该文介绍了液压锻锤的工作原理， 分析了产生液压冲 击的原因和冲击源在系统中的位置 ， 提出在高频、 大流量的锻锤液压系统中， 应用压力卸荷、 蓄能器吸震和缓冲节流等复合缓冲吸震 技术 ， 能够彻底解决系统液压冲击问题 ， 并在实际应用取得了较好的效果。 关键词 锻锤 ； 液压冲击； 缓冲吸震； 卸荷 中图分类号 T H1 3 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 - 0 8 1 3 2 0 1 6 0 8 - 0 0 4 7 - 0 3 T h e Ap p l i c a t i o n o f Hy d r a u l i c I mp a c t Co n t r o l T e c h n o l o g y f o r F o r g i n g Ha mme r L I U Ho n g - x i a n A n y a n g F o r g i n g - P r e s s Ma c h i n e r y I n d u s t r y C o ． ， L t d ． ， An y a n g 4 5 5 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Hy d r a u l i c i mp a c t s e r i o u s l y e n d a n g e r s t h e s a f e t y o f h a mme r a n d p r o d u c t i o n ， wh i c h p r o d u c e d d u r i n g the f o r g i n g h a mme r wo r k i n g p r o c e s s ． Th i s p a p e r i n t r o d u c e s the wo r k i n g p r i n c i p l e o f h y d r a u l i c f o r g ing h a mme r , an a l y z e s the c a u s e o f p r o d u c i n g h y dra u l i c im p act and t h e l o c a t i o n o f i mp a c t s o u r c e in s y s t e m， p r o p o s e s the a p p l i c a t i o n o f p r e s s u r e u n l o a d i n g ， a c c u mu l a t o r a b s o r b ing s h o c k an d b u ffe r t h r o t t l ing e t c c o mp o s i t eb uff e r a b s o r b ing s h o c kt e c h n o l o g yi nh i g hf r e q u e n c yandl a r g ef l o w h y d r a u l i c s y s t e m o f h y d r a uli cf o r g ingh a mme r , C an c o mp l e t e l y s o l v e the h y d r a u l i c im p a c t and h a s a c hie v e d g o o d e ffe c t i n the p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n ． Ke y wo r d s f o r g ing h a mme r ； h y d r a uli c i mp a c t ； b u ffe r a b s o r b i n g s h o c k ； u n l o a d i n g O 引言 锻锤广泛应用于机械、 钢铁、 有色冶金、 铁路机车、 船舶、 风电核电、 航空航天等行业的金属自由锻件和模 锻件的生产 ， 具有锻造能力强、 成型速度快、 金属流动 性好， 锻件质量高的特点， 特别是在模锻件薄壁零件和 复杂零件的锻造成型方面具有很大的优势， 是锻造设 备中的万能设备 ， 具有悠久的生产历史。随着液压技 术、 电子技术、 减震技术的发展， 锻锤由2 0 世纪末的气 液驱动电液锤逐步发展到无震动、 能源利用率高、 打击 能量控制精确、 故障率低的全液压锻锤， 锻锤的打击能 力和规格也越来越大 ， 目前安阳锻压生产的最大全液 压锻锤的打击能量可达到5 2 0 k J ， 落下锤头部分质量达 到2 0 t 。但是随着全液压锻锤吨位的增大， 锻锤液压系 统内液压冲击对设备造成的危害也越来越来大 ， 这些 冲击力作用在管道、 油缸、 液压元件、 密封件等身上， 从 而造成油缸、 管道、 管卡、 接头等焊接部件开裂、 密封失 效等故障， 甚至造成管道暴裂或接头拔脱， 造成火灾等 特大安全事故 ， 严重威胁着生产安全。本研究简要介 绍了锻锤液压系统的工作原理 ， 对该液压系统产生液 压冲击的原因和控制措施进行了分析研究， 提出一些 收稿日期 2 0 1 6 0 2 2 3 作者简介 刘宏献 1 9 6 6 一 ， 男 ， 河南安阳人 ， 高级工程师， 学士 ， 主要从 事液压机械的研究与开发。 对液压冲击进行缓解和控制吸收的解决方案。 1 液压系统的工作原理 全液压锻锤是指锤头的打击和回程均为液压油驱 动的锻锤 ， 即锤杆活塞下腔常通高压油， 通过手动主控 阀的开启与关闭控制活塞上腔液压油的进、 出与封闭 来实现锤头的快速打击、 回程和悬锤 ， 该类设备最高打 击频次为 1 2 0 ／ m i n ， 最大打击速度为7 ． 5 m ／ s 。其液压 系统具有流量大、 耐污染、 切换频次高的特点 ， 手动主 控阀为安锻公司发明的专利三级控制伺服阀， 其最高 通流量可达 2 5 O 0 0 L ／ m i n ， 工作压力 9 1 2 M P a ， 其它控 制液压元件采用标准件。 1 一 油泵 2 一 安全阀 3 一 油缸 4 一 补油蓄能器 5 一 手动主控阀 6 一 吸震蓄能器 7 一 单向阀 8 一 锤头 9 一 单向阀 1 电磁卸荷溢流阀 图 1液压系统原理圈 4 7 液 压 气 动 与 密 ／20 1 6爿q 0 8期 该类设备液压系统原理如图1 所示 ， 电机启动后 ， 油泵 1 排 出的压力油通 过管道进入补 油蓄能器 4 和锤 杆的下腔 ， 使锤杆活塞下腔时常保持有高压油， 锤头 8 保持上升趋势。此时操作手柄处于中位 ， 手动主控阀5 封闭锤杆活塞上腔， 锤头8 处于初始悬锤位置。当补油 蓄能器4 内压力油充满后， 触发感应开关发出油泵卸荷 信号， 电机一 油泵空载运转， 设备启动结束。 锤头 8 向下打击时， 操作手柄下拉到打击位， 手动 主控阀5 的阀芯抬起 ， 关闭锤杆活塞上腔回油通路， 同 时接通锤杆活塞的上、 下腔， 油泵 1 、 补油蓄能器4 一起 排出的压力油和锤杆活塞下腔的液压油 ， 共同进入锤 杆活塞上腔 ， 推动锤头 8 快速下行 ， 实现差动快速打 击 。打击完成后 ， 操作手柄快速拉到上行位置 ， 手动主 控阀5 的阀芯迅速关闭， 隔断锤杆活塞上腔进油通路， 接 通锤杆 活塞上 腔 回油通路 ， 锤杆 活塞下腔 的压力油 推动活塞杆快速 回程 ， 当锤头 8 快速接近顶端时进入缓 冲减速行程， 缓慢柔性停留在上限位， 完成一次打击过 程， 然后拉动操作手柄快速进入下一个打击循环。 2 液压冲击产生的原因分析 当液压系统中的阀门骤然关闭时， 管道中原来动 能将转为压势能， 在阀门前出现压力升高， 其值可能危 及液压系统的元件， 并伴有震动和噪声； 反之当阀门骤 然开启时 ， 则会出现压力下降， 当其绝对压力降低于液 体 的饱和蒸汽压力 时则会 出现气穴现象 ， 这两种骤然 开关所发生的液压冲击 ， 被称为直接液压冲击⋯。锻锤 的在连续 的打击和提锤 时 ， 控制液压 阀不断 的高频次 关闭、 开启， 造成管道内液流速度和方向的快速变化 ， 从而产生对系统的直接液压冲击 ， 由于该类设备布局 松散 见图2 ， 液压站与主机之间的管道非常长， 而且 管道直径 比较大 、 数量多 ， 产生液压冲击的危害非常 大。在该设备系统 中主要有 以下几个节点易产生液压 冲击 1 一 液压站2 一 压力油管道3 一 液压动力头 图2设备布置简图 1 第 1 个节点是液压站内油泵 1 压力油出口和单 向阀9之间短 管 内的液压冲击 ， 当电磁卸荷溢流 阀 1 0 在每次建压和卸荷时， 都在泵站油箱内产生很高的冲 击噪声 ， 这一 是 由于系统管 道 内的液 流流量 和流速 比 较大 ， 电磁卸荷溢流阀 1 0的快速切换 ， 急速改变了液流 的方 向 ； 二是 在整个 工作 过程 中从 油泵 口到工作 油缸 之间的管道内始终储存有高压压力油， 所以， 电磁卸荷 溢流阀 l O 在每次建压和卸荷时 ， 油泵 出 口的压力都 是 骤然从 O 升到 1 2 M P a 或从 1 2 M P a 降到0 ， 导致产生直接 液压冲击， 并且由于锻锤处于高频次连续打击工作状 态 ， 切换 比较频繁 ， 这里 的直接冲击对油泵 1 、 电磁卸荷 溢流阀 1 0 危害比较大。 2 第 2 个节点是单向阀7 和单向阀9 之间的高压 管道 内的液压冲击 ， 在 打击过程 中， 两单 向阀之 间的高 压管道内有水锤冲击噪音 ， 并伴有激烈震动， 经过仔细 的观察发现每次打击收锤时 ， 系统管道内压力骤然都 会升高， 每次产生的压力都在系统工作压力的 1 ．5 一 一 2 倍范围内波动。这是由于锻锤在由打击阶段快速转换 为提锤阶段时， 单向阀7 、 单向阀9 快速关闭、 打开时 ， 管 道内的液流 速度发生 急剧 瞬时变化 ， 导致管道 内压 力骤然陡升 ； 同时锤头 8 质量非 常大 ， 打击速度 又比较 高， 惯性非常大， 瞬间提锤压力需要非常高 ， 加剧了封 闭管道内的液压冲击 ， 这个接点的焊缝、 管夹、 接头在 高频液压冲击力的作用下特别容易开裂和损坏。 3 第 3 个节点是液压动力头 内锤头油缸 3内的压 力冲击 ， 在 主控 阀5 频繁的切换提锤一 打击时 ， 单 向阀 7 也不间断的开启一 关闭 ， 系统 内液流速度的反复 出现瞬 时变化和提锤时克服锤头惯性力需要很 大的压力 ， 在 油缸 3 内瞬时封闭的空间里形成强烈的液压冲击， 易造 成胀缸、 密封损坏等设备故障。 3 液压冲击解决措施的应用研究 以上 3 个节点 内的噪声 、 震动都是 由于系统内液流 速度 和压力 的骤然变化导致 的直接液压 冲击产生 的 ， 解决此类问题常用措施是 采用设置节流阻尼塞或可 调 节阻尼节 流阀 ， 控制 阀芯开 口由小到大缓慢逐步开 启 ， 调整延长启闭时间 ， 减缓液压冲击的产生； 在紧靠 冲击源附近设置安全卸荷阀， 当系统压力超过额定值 时， 安全卸荷阀开启释放压力 ； 在易产生液压冲击源前 设置吸收冲击的蓄能器， 吸收冲击能 ， 减少对管道、 液 压阀的压力冲击。根据这些措施， 我们分别在管道、 锤 头油缸和油泵压力油出口安装了吸震蓄能器和安全卸 荷阀， 为了得到更好的缓震效果， 3 个节点的安全卸荷 阀和吸震蓄能器分别采取了以下技术措施。 1 第一个 节点内的电磁卸荷溢流阀 1 0 是 由插装 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 8 ． 2 01 6 阀、 二位四通换向阀和溢流调压阀盖组成 ， 主要功能为 安全 溢流 、 限制系统压力的作用 ， 调压范围为 0 一 一 1 2 M P a 。为能够有效提高该阀的响应特性和在压力脉 动较小时能够有效的卸油， 防止响应迟钝而造成压力 超高 ， 主插装阀的弹簧刚度不易过小 ] ， 开启压力选择 0 ．4 M P a ， 同时先导阀弹簧刚度不宜过大 ， 控制压力油通 过主插装阀引入先导阀。同时为了防止主插装阀骤然 启闭产生激烈的液压冲击， 在二位四通换向阀和溢流 调压阀盖连接处设置 1 ． 8 ra m节流阻尼塞H 】 ， 主插装阀 选用带锥型节流缓冲阻尼头的插装阀b ] ， 这样延长主插 装阀的阀口开启时间， 减缓液压冲击的产生。 2 第二个节点管道内液压冲击的危害是最严重 的， 在这段节点内应提高安全防护可靠性， 根据系统流 量的大小分别安装2 4 A “ 吸震蓄能器6 和安全卸荷阀 2 。这里的安全卸荷阀2 是由插装阀和溢流调压阀盖组 成， 为了提高该阀卸荷的灵敏性， 主插装阀选用基本型 带节流阻尼孔的插装阀， 控制压力油通过主插装阀引 人先导阀， 同时主插装阀的弹簧刚度和先导阀弹簧刚 度均不宜过大。吸震蓄能器的容积 2 5 L 不能太小， 否 则 ， 吸收能力不够； 蓄能器与管道连接口的直径也不能 太小， 应接近于管道直径的2 ／ 3 ， 这样有利于冲击能的 吸收； 蓄能器在结构上选择轴向压缩波纹胶囊式N X Q 蓄能器， 它具有惯性小 ， 反映灵敏， 吸收冲击能力强的 优点。 在这个节点内， 管道震动也是液压脉动冲击造 成的危害之一。由于管道壁厚的增大， 管道固有频率 升高， 对管道系统的响应具有较强的衰减作用 ] ， 从而 导致管道系统总体的振动幅度减小， 因此， 管道壁厚由 1 2 ra m增加到 1 5 ra m。另外 ， 增加管夹个数 ， 也可有效降 低管道震动， 在锻锤安装中保证管夹间距 8 0 0 m m。 3 在第3 个节点内采取与第2 个节点内的相同的 防护措施， 分别安装两个大容积补油蓄能器4 和安全卸 荷阀2 ， 不同的是补油蓄能器的采用活塞式结构， 因为 该处两个补油个蓄能器主要以向系统大流量补油为 主， 吸收冲击震动仅是其辅助功能。 4 结论 锻锤由于锻造工况的特点， 系统液压冲击的产生 是不可避免的， 因此如何吸收和减缓液压冲击， 是锻锤 液压系统需要解决的重要解决问题之一。在实际应用 中， 不能单独依靠一种缓冲吸震技术来解决， 应综合应 用节流缓冲、 超压力卸荷、 蓄能器吸震等相结合的复合 技术 ， 液压元件应选择响应快的压力卸荷阀和吸震能 力强的大容量蓄能器 ， 并且在产生液压冲击的各个节 点设置复式卸荷和吸震系统 ， 就能够很好地解决高频、 大流量系统液压冲击问题。目前这种复合式卸荷和吸 震技术广泛应用于锻锤系统上， 效果明显， 设备震动 小， 提高了设备的稳定性和安全性。 参考文献 [ 1 ]1 雷天觉主编． 新编液压工程手册[ M 】 ． 北京 北京理工大学出 版社， 1 9 9 8 ． 【 2 】 王林， 王东升， 来安社． 解决液压冲击和负载冲击危害的方法 【 J ] ．液压气动与密封， 2 0 1 0 ， 5 1 2 1 - 1 2 3 ． [ 3 】 张仅， 周瑞祥， 王树宏， 等． 燃油管路中安全阀抑制压力脉动 的仿真分析[ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 4 ， 5 1 3 - 1 7 ． 【 4 】 裴学智． 液压冲击消除措施的探讨与应用【 J 】 ． 液压气动与密 封， 2 0 1 0 ， 2 9 - 1 1 ． 【 5 】 郝兴安， 廖晓林． 管端加厚机液压冲击的分析与处理[ J ] ． 液压 与气动， 2 0 1 4 ， 2 1 2 1 - 1 2 3 ． [ 6 ] 谢安桓， 柯银燕， 黎申， 等． 脉动流激励 下液压管道振动特性 分析[ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 4 ， 9 1 1 7 - 1 2 0 ． 液压气动与密封 杂志2 0 1 6 年广告征订启事 液压气动与密封 杂志是中国液压气动密封件工业协会精心培育的协会会刊 ， 始终致力于将其打造成行业内最权威的核 心平面媒介 ， 是世界第二、 亚洲最大的P T C A S I A 展会的唯一指定宣传媒体， 杂志的“ 企业之声” 栏目及时报道行业的最新动态和 资讯， 助推液压、 液力 、 气动和密封行业的旗舰企业 ， 因此是厂商宣传和刊登广告的最理想场所。 发行领域为国内外液压、 液力、 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