新型大噸位下錘頭微動(dòng)式模鍛錘液壓系統(tǒng)研究

龐作寧，雷步芳，李永堂，喬 波

（1.南陽(yáng)漢冶特鋼有限責(zé)任公司模鑄廠技術(shù)科，河南 南陽(yáng) 474500；2.太原科技大學(xué)材料學(xué)院，山西 太原 030024）

0 引言

目前，我國(guó)大噸位的液壓錘是有砧式的，這種有砧式鍛錘需要有龐大的基礎(chǔ)，同時(shí)振動(dòng)大、噪聲大，所以有必要發(fā)展對(duì)擊式的大噸位鍛錘。傳統(tǒng)的對(duì)擊式鍛錘如70年代的等行程、等質(zhì)量對(duì)擊錘[1]，采用蒸空驅(qū)動(dòng)，工作時(shí)上跳量大，操作也不方便。因此，發(fā)展新型的大噸位對(duì)擊式液壓錘，有著很重要的意義。

本文研究的是400kJ下錘頭微動(dòng)式全液壓模鍛錘的液壓系統(tǒng)。當(dāng)前大部分企業(yè)生產(chǎn)的大噸位鍛錘主要是以液氣錘為主[2]，液氣錘較以前的蒸空錘有很大的改進(jìn)，但仍存在油氣互竄、振動(dòng)大、悶?zāi)r(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)，全液壓對(duì)擊錘則有著高效、節(jié)能、高精度、振動(dòng)小、可靠性高、模具壽命好、使用成本較低、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，所以有著很大的發(fā)展前景。

現(xiàn)有的大噸位全液壓對(duì)擊錘，主要是以等質(zhì)量等速對(duì)擊為主，這種錘的主要缺點(diǎn)是上跳量比較大，操作很不方便。本設(shè)計(jì)的400kJ大噸位下錘頭微動(dòng)式對(duì)擊錘，在兼具了上述全液壓對(duì)擊錘優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)又很好地解決了下錘頭上跳量大的問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)的研究還是空白，因此有著很重要的研究意義。

1 液壓錘的工作原理及特點(diǎn)

圖1 全液壓模鍛錘結(jié)構(gòu)圖

圖2 液壓系統(tǒng)

400kJ全液壓模鍛錘采用全液壓動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、液壓聯(lián)動(dòng)，下錘頭采用微動(dòng)式結(jié)構(gòu)，以液壓聯(lián)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)上錘頭和下錘頭對(duì)擊，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，液壓系統(tǒng)如圖2所示。提錘時(shí)，電磁閥13（3DT）通電時(shí)，插裝閥9、插裝閥12打開(kāi)，插裝閥10、插裝閥11關(guān)閉，油液由液壓泵經(jīng)過(guò)插裝閥5、插裝閥12進(jìn)入液壓缸下腔，推動(dòng)上錘頭向上運(yùn)動(dòng)，液壓缸上腔的油液，經(jīng)插裝閥9，回油箱，同時(shí)下錘頭由于自重回到下限位置；打擊過(guò)程中，電磁閥13（4DT）通電，插裝閥10、插裝閥11打開(kāi)，插裝閥9、插裝閥12關(guān)閉，此時(shí)液壓系統(tǒng)形成一個(gè)差動(dòng)回路，一部分油液由液壓泵、插裝閥5、插裝閥10進(jìn)入液壓缸上腔，另一部分油液由液壓缸下腔經(jīng)插裝閥11、插裝閥10、進(jìn)入液壓缸上腔，上錘頭由活塞缸的上下腔壓力之差的推動(dòng)下，向下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)上錘頭通過(guò)連桿作用于聯(lián)動(dòng)缸的油液，使下錘頭的上跳，實(shí)現(xiàn)上下錘頭的對(duì)擊；當(dāng)電磁閥8（2DT）通電，插裝閥6和插裝閥15打開(kāi)，可以實(shí)現(xiàn)模鍛錘的寸動(dòng)；當(dāng)電磁閥16（1DT）通電，插裝閥18打開(kāi)，系統(tǒng)卸荷。

2 液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)能否滿足液壓模鍛錘的需求，可以建立數(shù)學(xué)模型，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真獲取該液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，同時(shí)為以后液壓系統(tǒng)的改進(jìn)提供理論依據(jù)。計(jì)算得液壓缸活塞桿直徑200mm，活塞缸直徑280mm，上錘頭行程750mm，上錘頭質(zhì)量38400kg，選用通徑為80mm的二通插裝閥，所選油液的體積彈性模量為700MPa。

建立上述液壓系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，如圖3所示。

圖3 液壓系統(tǒng)拓?fù)鋱D

由節(jié)點(diǎn) N1、N2、N5約束條件及 D1、S1、S2、S4、S9子模型，可以得到上錘頭回程時(shí)的數(shù)學(xué)模型：

式中：q0——油泵的理論流量q0=0.134m3/s；

G0——油泵的液導(dǎo)，G1=6.614×10-12m3·Pa/s；

p1——節(jié)點(diǎn)1處的油壓；

p0——回油壓力；

V1——油泵出口處容積；

G2——S2處的液導(dǎo)，當(dāng)P1Pr時(shí)，G2=1.167×10-9m3·Pa/s；

p2——節(jié)點(diǎn)2處的油壓；

E——油液體積彈性模量；

G4——S4處的液導(dǎo)；

p4——節(jié)點(diǎn)4處的油壓；

p5——節(jié)點(diǎn)5處的油壓；

C10——S10的閥口綜合流量系數(shù)，G10=2.63×10-6m3·Pa/s；

p7——節(jié)點(diǎn)7處的油壓；

G9——S9處的液導(dǎo)；

A2——液壓缸有桿腔的有效面積，A2=0.03m2；

x1——上錘頭位移；

V2——液壓缸下腔至節(jié)點(diǎn)5的油液體積，V2=0.046m3；

m1——上錘頭系統(tǒng)質(zhì)量；

∑R1——回程中活塞、錘桿密封摩擦阻力與上錘頭摩擦阻力之和，∑R1=0.1m1g。

經(jīng)變換后得到用狀態(tài)變量表示的仿真模型：

式中，y1、y2、y3、y4分別表示狀態(tài)變量 x1、x˙1、p1、p5。

初始條件為：Y=[y1，y2，y3，y4]T=[0，0，p1（0），p5（0）]T。

當(dāng)上錘頭第一次提錘時(shí)，可得N5點(diǎn)處的液壓壓力為p5（0）=0，N1處的油壓為p1（0）=7MPa。當(dāng)穩(wěn)定后p5=5.5MPa。

3 液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果

用Matlab對(duì)該400kJ液壓系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真時(shí)，采用的算法為四階龍格-庫(kù)塔法，液壓泵的流量取0.039m3/s，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，我們可以得出提錘時(shí)上錘頭位移、速度，液壓缸下腔壓力，泵出口壓力隨時(shí)間變化的規(guī)律。其仿真結(jié)果如圖4、5、6、7所示。

圖4 回程過(guò)程上錘頭的位移變化曲線

圖5 回程過(guò)程上錘頭的速度變化曲線

圖6 液壓缸下腔的壓力變化曲線

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)錘頭回程過(guò)程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，可以得出以下結(jié)論：

圖7 泵出口處的壓力變化曲線

（1）該液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方便、快速，工作平穩(wěn)，能夠滿足該400kJ下錘頭微動(dòng)式全液壓模鍛錘的要求，另外利用流量小的方向控制閥就可以實(shí)現(xiàn)大噸位鍛錘的各種動(dòng)作，而且具有快捷、靈敏的優(yōu)點(diǎn)。

（2）從圖6可以看出，液壓缸下腔的工作壓力在0.02s達(dá)到了最大值，并在0.1s后壓力趨于平穩(wěn)，選擇的二通插裝閥能夠符合全液壓模鍛錘的高壓、大流量的需求，使液壓錘的的運(yùn)行更加穩(wěn)定、快速、平穩(wěn)，通過(guò)上面的分析還可以為以后改進(jìn)液壓系統(tǒng)提供依據(jù)。

[1]李永堂，付建華，等.鍛壓設(shè)備理論與控制（第二版）[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009：39-40.

[2]李永堂，雷步芳，等.液壓系統(tǒng)建模與仿真（第一版）[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2003：300-314.

[3]王積偉，張宏甲.液壓與氣壓傳動(dòng)（第二版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：184-189.

[4]于曉紅.我國(guó)鍛壓行業(yè)近況及前景分析[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2011，46（5）.

[5]李 響.液壓墊多缸液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2012，47（6）.