快鍛油壓機主缸放氣方法研究

范玉林，張明祥，張營杰，馮東曉，牛 勇

（1.中國重型機械研究院股份公司，陜西西安710032 2.國核寶鈦鋯業(yè)股份公司，陜西寶雞721013）

0 引言

近年來，我國在能源、軍工和交通等重大裝備制造領域發(fā)展迅猛，對大型復雜鍛件有很大需求?？戾懹蛪簷C是20世紀60年代開始發(fā)展起來的一種新型鍛壓設備，用于鋼錠開坯和自由鍛件的壓力加工，特別適合合金成分較高材料的鍛造，在自由鍛設備中被認為是發(fā)展的主要方向之一，世界各工業(yè)發(fā)達國家都在大力開發(fā)；特別是近年來液壓技術和微電子技術的飛速發(fā)展，更加速了這種進程[1-5]。

在快鍛油壓機運行、維修和保養(yǎng)過程中，會有氣體聚集在油缸內，若不及時排除氣體，會使得壓機加壓慢、產生噪聲和振動，使得油缸和管路的金屬表面受到腐蝕，嚴重的會導致設備損壞。不正確的排氣方法，會使得放氣閥損壞，嚴重的可引起放氣閥爆裂，引發(fā)安全事故。本文研究了傳統的主缸放氣方法及產生的危害，提出了正確的放氣方法。

1 快鍛油壓機主缸和回程缸控制系統

快鍛油壓機主缸和回程缸控制系統同時作用下完成動梁的快下、加壓、回程、慢下以及快速回程等動作，如圖1所示。主缸控制閥系統主要由進液閥、排液閥、充液閥及主缸放氣閥等部分組成，實現主缸的高壓進液、停止及主缸內高壓油液的卸壓、排液及主缸放氣等功能。由于壓機運動部分的質量相對較大，且主缸的行程及直徑均較大，為了保證壓機平穩(wěn)運行，減小因液壓沖擊而造成的設備震動，主缸進液、排液閥采用鍛造壓機專用閥。該閥的顯著特點就是可以按照設定的理想曲線進行啟閉動作，從而實現壓機各動作轉換時的平穩(wěn)過渡，即從源頭上減少造成設備震動的液壓沖擊。主缸放氣閥為普通的電磁換向閥，當主缸內有氣體時，通過該閥放氣。

回程缸控制系統主要由進液閥、快降閥、慢降閥、平衡閥、排液閥及安全閥等部分組成，實現高壓進液、關閉及回程缸內高壓液的卸壓排液及背壓排放等功能，進而實現動梁的快、慢速空程下降、動梁質量平衡及快速回程等動作。

圖1 快鍛油壓機主缸和回程缸控制系統

2 主缸中氣體的產生

液壓油液中總是含有一定量的空氣的。空氣可溶解在液壓油液中，也可以氣泡的形式混合在液壓油液中。空氣在液壓油液中的溶解量和液壓油液的絕對壓力成正比（亨利法則），例如在一個大氣壓下液壓油常溫時約含有6%～12%的溶解空氣，溶解空氣對液壓油液的體積模量沒有影響。一般來說，在靜止狀態(tài)下，空氣溶解于油液的過程并不很快，因此油液中混入的氣泡要靠通過系統高壓區(qū)來全部溶解是不太可能的，如圖2所示。油液的壓力降低時，溶解在油液中的氣體會從油液中分離出來。在一定溫度下，當液壓油液壓力低于某值時，溶解在油液中的過飽和空氣將會突然地迅速從油液中分離出來，產生大量氣泡。當液壓油液在一定溫度下壓力值小于一定值時，油液本身迅速汽化，產生大量的蒸汽氣泡[6]。

綜上所述，在壓機的運行期間，會有部分氣體溶于液壓油中，當壓機停止運行一段時間后，由于壓力和溫度的變化，溶解于液壓油中的氣體會解析出來，對于壓機中最大的油缸——主缸，有一定量的氣體經常會聚集在其上端。當壓機運行時，若不及時排出，會出現加壓慢和噪聲大等現象，嚴重的會產生氣蝕，對油缸和液壓元件產生破壞，影響設備壽命。

圖2 油液中放出氣體體積與壓力間的關系

3 傳統的放氣方法及可能產生的危害

傳統的放氣方法為主缸排液閥關閉，主缸進液閥打開給主缸進液，主缸放氣閥打開，并持續(xù)一定時間，油氣混合物會通過放氣閥排回油箱，達到排氣的目的。這種放氣方法，主缸內是不能有過高壓力的，否則，會產生氣穴現象，發(fā)生重大安全事件。

放氣閥一般是普通的電磁換向閥，一端接主缸，另一端接回油即壓力基本為零。當主缸內有較高壓力時，主缸放氣閥突然打開，對于主缸較大面積和流量，液壓油通過電磁換向閥相當于過一節(jié)流口后壓力下降，如該處壓力低于液壓油液工作溫度下的空氣分離壓，溶解在油液中的空氣會迅速地大量分離出來，變成氣泡，產生氣穴。在液壓系統中的任何地方，只要壓力低于空氣分離壓，就會發(fā)生氣穴現象。當氣穴現象發(fā)生時，液流的流動特性變壞，特別是當帶有氣泡的液壓油液被帶到下游高壓部位時，周圍的高壓使氣泡絕熱壓縮，迅速崩潰，局部可達到高的溫度和沖擊壓力。實驗表明：在38℃下，壓力分別為6.8、13.6、20.4MPa時，氣泡崩潰處的局部溫度可達766℃、993℃、1149℃,沖擊壓力可以達到幾百兆帕[6]。在這樣的局部高溫和較高的沖擊壓力下，換向閥極易發(fā)生爆裂，引發(fā)安全事故。

4 新的主缸放氣方法

要杜絕這種安全隱患，首先要防止氣穴現象的發(fā)生。在現有元件不變的條件下，為了防止氣穴現象的產生，就要防止液壓系統中壓力過度降低，即減小閥孔前后的壓差，一般希望閥孔前后的壓力比P1/P2<3.5[6]。根據這一點，提出了一種新的放氣方法。主缸放氣時，首先主缸放氣閥打開，主缸進液閥和排液閥關閉，即防止主缸上壓，回程缸進液閥打開，壓機回程，主缸的液壓油經過主缸放氣閥被動排液，由于回程缸的面積大大小于主缸的面積，則主缸的壓力基本上接近于零，這樣保證換向閥進出口壓力比小于3.5，也就完全杜絕氣穴現象的發(fā)生，消除了安全隱患。對于這種新的放氣方法，在當今壓機控制系統中，很容易通過PLC編程實現。在液壓系統的設計和調試過程中，要充分考慮使用者的誤操作對系統的影響，最大限度減少安全事故的發(fā)生，保證設備安全運行。

5 結論

快鍛油壓機是20世紀60年代開始發(fā)展起來的一種新型鍛壓設備，在壓機運行、維修和保養(yǎng)過程中，會有氣體聚集在油缸內，這些氣體需要及時排除。研究了傳統的主缸放氣方法及可能產生的危害，提出了正確的放氣方法。對于這種新的放氣方法，很容易通過PLC編程實現，避免了誤操作對系統的影響，最大限度減少安全事故的發(fā)生，保證設備的安全運行。

[1]蔡 墉.我國自由鍛液壓機和大型鍛件生產的發(fā)展歷程.大型鑄鍛件，2007，（1）：37-44.

[2]范玉林，張營杰，衛(wèi)凌云，等.45/50MN快鍛油壓機液壓系統設計分析.鍛壓裝備與制造技術，2011，46（5）：49-51.

[3]徐宇謹，韓大衛(wèi)，黃 新，等.快速鍛造油壓機組主機結構形式與選型.重型機械，2004，（6）：45-47.

[4]李貴閃，何曉燕，榮兆杰.我國液壓機行業(yè)的現狀及發(fā)展.鍛壓裝備與制造技術，2006，41（4）：17-19.

[5]高俊峰.我國快鍛液壓機的發(fā)展與現狀.鍛壓技術，2008，（6）：1-5.

[6]章宏甲，黃 誼.液壓傳動.北京：機械工業(yè)出版社，1994.