李文伟　蔡安江　韩　超（.西安建筑科技大学　西安　.宝钛集团锻造厂　陕西　宝鸡）

油压机提高锻造频次液压弹簧装置分析与研究

李文伟1，2蔡安江1韩超2
（1.西安建筑科技大学西安2.宝钛集团锻造厂陕西宝鸡）

油压机锻造液压原理，对其进行分析，指出影响锻造频次的原因，并研究快速回程（液压弹簧）装置及重要参数的设定，明确如何实现快速回程，进而实现快速锻造。

油压机液压弹簧锻造频次

一、概述

自由锻造机是机械行业的重型机械设备，根据动力介质可分为水压机和油压机，相比水压机，油压机具有锻造速度快、运行平稳，控制精度高，应用工艺范围广等优点，成为自由锻造机的重点发展方向之一，广泛应用在工业生产中。超过50 MN的重型锻造机的制造能力和水平，更成为一个国家的装备制造能力的象征。我国现拥有25 MN（2500 t）以上吨位自由锻造机近千台，整体锻造能力上具有国际先进水平，但在重型大吨位自由锻造机的锻造频次上与国际水平还有一些差距。国内锻造机的快锻频次一般在45～60次/min，但国外锻造机的快锻频次已经达到120次/min。因此，为了满足锻造温度范围窄的合金材料尤其是Ti合金材料的锻造生产需求，研究并提高锻造机的锻造频次，成为锻造机适应现代工业的发展需要。

二、油压机锻造过程分析

油压机锻造时分为空程下降—加压—回程3个阶段，如液压原理图1所示。

图1　油压机锻造液压原理

空程下降：提升缸回油伺服阀打开，液压油通过油路回到低压缓冲罐内。压机活动横梁靠自重向下运动，同时由低压缓冲罐内液压油充填至主缸内。

加压：待锤头降至锻造坯料表面时，开启加压程序，由多台主泵提供的高压油进入主缸，提供压力，完成锻造。

回程：待本道次锻造结束，主缸充填阀打开回油至低压缓冲罐，由多台主泵提供的高压油进入两侧提升缸，进行回程动作。

通过对锻造过程的分析，提高锻造频次，主要是缩短空程下降和回程这2个动作的时间。针对空程下降动作，主要是活动横梁下降时主缸的充填问题，目前国内充填缓冲罐有两种方式，一种是大气压式充填，也就是充填缓冲罐安装于油压机顶部并通过空气过滤器与大气相通，给主缸充填时，充填缓冲罐内液压油通过主缸负压自吸进行充填。第二种是低压式充填，充填缓冲罐是密闭的，并通过配套空压机充气系统，对充填缓冲罐进行打压，并保持充填缓冲罐内具有一定的压力，充填时是将液压油压入主缸。因此，第二种充填方式明显比第一种时间要短，进而减少空程下降这个动作所需要的时间。

对回程动作，由于整个回程动作所需动力油全部由主泵供给。主泵工作打压供油经过各个控制阀（响应时间）还有较长的管道（动力传递），造成回程动作时间较长。因此，减少回程动作时间，将大幅提高锻造频次。

图2　液压弹簧工作原理

三、油压机快速回程（液压弹簧）装置的分析

如图2所示工作原理，快速回程（液压弹簧）装置由4部分组成。在快速锻造空程下降时，提升缸内液压油通过第一部分阀组进入第四部分活塞缸内，存储回程压力能。当锻造道次结束回程时，提升缸伺服阀关闭，将主泵提供的高压油断开，由蓄能器组活塞缸提供压力油，辅助提升缸回程，从而实现快速锻造。考虑到各个阀组的内外泄，如果蓄能器组活塞缸内压力油流失不足以推动提升缸时，第二部分阀组打开，由先导泵按照设定压力对蓄能器组进行补压。另外，处于安全考虑，当油压机完成锻造关机后，第三部分阀组打开，将蓄能器组内压力释放。

在快速回程（液压弹簧）装置中，蓄能器组是关键部分，他的整体性能影响到油压机快锻过程的响应特性。经研究表明，蓄能器充气压力越大，阻尼越小，固有频率越大。反之，蓄能器充气压力越小，阻尼越大，固有频率越小。同时，蓄能器容积越小，动态响应越快，反之，蓄能器容积越大，动态响应越慢。

蓄能器组的选择，必须满足的条件：活塞缸在快锻过程中的容积变化必须大于等于提升缸回程时上极限位置到下极限位置容腔的变化量；蓄能器组必须提供足够的压力，使活动横梁部分能够提升到上极限位置；蓄能器组动态响应特性应尽可能快，以满足快锻过程的需求。因此，蓄能器组的充气压力和工作容积必须选择合理。将蓄能器组多个蓄能器及活塞缸上部看成一个整体，将其原理简化成图3。

图3　蓄能器工作原理图

由图3蓄能器工作原理可知，蓄能器在快锻过程中的3种状态，第一种状态是蓄能器初始充气状态；第二种状态是提升缸降至下极限位置的蓄能器状态；第三种状态是提升缸升至上极限位置的蓄能器状态。在三种状态下，蓄能器气腔都满足理想气态方程，见式（1）。

式中n——气体多变指数

p——压力

V——体积

在快锻过程中，为了保证蓄能器能够提供足够的动力推动活动横梁回程，则p2应大于等于活动横梁重量与各摩擦力之和，见式（2）。

式中G——活动横梁自重

Ff——摩擦力

A2——提升缸活塞面积在机械手册中，折合性气囊式的蓄能器充气系数为0.8～0.85，活塞式蓄能器的充气系数为0.8～0.9，如选择充气系数为0.8时，p0=0.8p2。根据动力学方程，蓄能器在快锻下极限位置的压力有式（3）。

式中m——活动横梁质量

a——活动横梁最大加速度

在快锻过程中，蓄能器体积的变化等于提升缸体积的变化，因此V2=V3-A2S，式中S为快锻行程。

根据以上公式，可以得到蓄能器容积计算公式，见式（4）。

通过以上计算分析，可以确定蓄能器组的蓄能器压力以及容积。在锻造回路上加装快速回程（液压弹簧）装置，当设置快锻模式时由于使用蓄能器组存储和释放压力能，减少了由主泵供给高压油，避免了能量的浪费，极大的节省能源成本消耗。同时该装置可以就近安装在提升缸进油油路上，由于结构较简单，能够减少主泵供油时经过各个控制阀的响应时间，还有较长的管道动力传递时间，极大的减少了回程时间，从而实现了更快的锻造频次。公司安装的80 MN油压机在不使用快速回程（液压弹簧）装置时的最快锻造频次只有60次/min，而使用该装置后，锻造频次能够超过120次/min。

四、结论

通过对油压机锻造过程的分析与研究，明确了影响锻造频次的原因，同时通过改善液压原理：采用低压充填缓冲罐对主缸在空程下降时进行充填，减少了空程下降的时间。采用快速回程（液压弹簧）装置在快速锻造时应用，减少了回程的时间。从而极大的提高了油压机锻造频次。使油压机满足了温度范围窄的各种材料的快速锻造需求。

〔编辑利文〕

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