電液錘動(dòng)力頭及其打擊閥的結(jié)構(gòu)原理探討

朱成康，范常榮

（濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司，山東 濟(jì)南 250306）

由于電液錘在節(jié)能方面明顯優(yōu)勢，所以無論在國內(nèi)還是國外，電液錘及其對于傳統(tǒng)鍛錘的節(jié)能改造都得到了比較廣泛的推廣和應(yīng)用。隨著技術(shù)的進(jìn)步，電液錘的工作方式已經(jīng)由早期氣液組合傳動(dòng)的排油打擊方式發(fā)展到目前的全液壓蓄能傳動(dòng)的進(jìn)油打擊方式。由于進(jìn)油打擊方式的明顯優(yōu)勢，如無燜模，回程快，消除了終鍛時(shí)的回彈連擊現(xiàn)象，以及工作油缸油氣互串的密封問題，等等，所以它的發(fā)展比較迅速。如圖1所示即為本文所推薦的外置蓄能器全液壓傳動(dòng)的進(jìn)油打擊方式電液錘動(dòng)力頭原理圖。

它的基本工作原理是：推動(dòng)錘頭工作的油缸上下腔都是油腔，并且下腔始終與蓄能腔相通以保持錘頭的回程狀態(tài)；上腔則由打擊閥直接控制，通常與蓄能腔隔離，并處于回油（或封閉）狀態(tài)。打擊時(shí)，打擊閥迅速開啟，從而使油缸上腔與蓄能腔迅速溝通，而其下腔的油則通過差動(dòng)原理經(jīng)過外圍的導(dǎo)油間隙迅速返回上腔，從而實(shí)現(xiàn)打擊。打擊能量的調(diào)整除了改變錘頭的打擊行程以外，還可以通過改變打擊先導(dǎo)電磁閥的開啟時(shí)間，從而改變通過打擊閥的進(jìn)油量來達(dá)到目的?；爻虝r(shí)，打擊閥關(guān)閉，工作油缸上腔排油，這樣，錘頭在工作油缸下腔常通油壓的作用下迅速回程。

圖1 電液錘動(dòng)力頭（全液壓蓄能傳動(dòng)，進(jìn)油打擊方式）

鍛錘工作的最顯著特點(diǎn)是它的快速性和靈活性，它要求電液錘的液壓系統(tǒng)必須在短時(shí)間內(nèi)能輸出較大能量，而且，操作還必須非常靈活，因此蓄能傳動(dòng)是必須的，同時(shí)打擊閥的設(shè)計(jì)也十分關(guān)鍵，因?yàn)樗遣僮鞯暮诵脑亍１疚膬H就打擊閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的若干問題初步探討如下，不當(dāng)之處歡迎同行們批評指正。

1 結(jié)構(gòu)原理

對于電液錘的打擊閥來說，除了需要滿足它的基本動(dòng)作以外，最重要的就是瞬間特大流量，常規(guī)的液壓元件顯然難以滿足要求，因此一般需要特殊設(shè)計(jì)。

目前，對于按進(jìn)油打擊方式工作的電液錘來說，打擊閥的結(jié)構(gòu)通常有滑閥型和錐閥組合型兩種。為了更好地滿足這類電液錘，特別是較大規(guī)格電液錘技術(shù)發(fā)展的需要，我們曾經(jīng)開發(fā)了一種特殊結(jié)構(gòu)的錐閥型打擊閥。它是一個(gè)專利結(jié)構(gòu)，曾經(jīng)在消振電液錘和部分蒸空錘的改造中使用過。實(shí)踐證明了它的原理是可行的，工作也是可靠的。目前，該專利早已過了保護(hù)期，本著全心全意服務(wù)社會(huì)的宗旨，現(xiàn)將該專利的全部內(nèi)容毫無保留并且無償?shù)毓加诒?，希望它能在電液錘的發(fā)展中做出更大的貢獻(xiàn)。下面介紹的內(nèi)容，是作者把使用過程中發(fā)現(xiàn)的所有問題都做了妥善處理后的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

為了最大限度地減少錘頭打擊時(shí)的液壓損失，本打擊閥直接安放在工作油缸的上端。

為了最大限度地減少打擊閥的工作阻力，從而減少控制油的消耗并提高本閥的動(dòng)作靈敏度，本打擊閥采用了液壓力內(nèi)平衡的中空結(jié)構(gòu)。它的工作力主要用來克服很小的運(yùn)動(dòng)摩擦力并提供必要的錐面密封壓緊力。實(shí)際上其閥芯就是一個(gè)特殊結(jié)構(gòu)的中空活塞，上下腔的面積都很小，所以它一次工作行程的控制油消耗也很少，因而它的動(dòng)作非常靈敏。它的下端是一個(gè)特殊結(jié)構(gòu)的錐面密封，為了避免打擊閥開啟瞬間蓄能腔壓力油的額外損失，在密封錐面的里面設(shè)有一個(gè)長度不大（5mm～10mm)的圓柱配合面（原理圖難以清楚表達(dá)）。這樣，只有當(dāng)本打擊閥上端排油口（1mm～2mm)被關(guān)閉后本閥的錐面密封才開始迅速開啟。為了減少打擊閥體工作時(shí)對于上下端部的沖擊，在本閥工作行程的上下端可設(shè)有一個(gè)行程不大的液壓緩沖墊（1mm～2mm)。為了確保打擊閥芯在上端極限位置時(shí)的壓力平衡，它的上端面必須做成很小的倒錐，否則在上端面時(shí)壓力油難以進(jìn)入，從而導(dǎo)致打擊閥不能關(guān)閉。由于控制油的消耗很少，所以它的先導(dǎo)控制電磁閥一般可采用小流量的電磁閥就能滿足要求。當(dāng)然，隨著噸位的增大，必要時(shí)先導(dǎo)閥改為電液閥也是可能的。整個(gè)打擊閥結(jié)構(gòu)就是一個(gè)與工作油缸緊密相連的特殊組合油缸，結(jié)構(gòu)非常緊湊。

2 問題討論

2.1 蓄能器的安置

它可以有內(nèi)置與外置兩種方式。所謂內(nèi)置就是把蓄能器設(shè)計(jì)成專用的并集成在工作油缸的外圍。這樣雖然結(jié)構(gòu)非常緊湊，有利于提高液壓傳動(dòng)效率，但是它給制造和維護(hù)帶來了許多不便，特別對于大規(guī)格鍛錘更是如此。因此本文還是推薦采用外置的蓄能器組合傳動(dòng)，即外購皮囊式蓄能器較為妥當(dāng)。雖然效率有所降低，但是簡單易行，更便于推廣。

這類電液錘的一次行程打擊能量所消耗的液壓能w=pv，式中p、v分別為蓄能傳動(dòng)的平均工作壓強(qiáng)和一次行程耗油量。與其相對應(yīng)的能量損失Δw=Δpv，式中Δp為蓄能傳動(dòng)的壓力損失，通常它與液壓油的平均流速s正相關(guān)。s=v/ft，其中f、t分別為管道的流通面積和一次打擊行程時(shí)間，它們均與s負(fù)相關(guān)，所以也與Δp負(fù)相關(guān)。因此，為了減少由于外置蓄能器而增加的能量損失Δw，建議：（1）適當(dāng)提高蓄能傳動(dòng)的平均工作壓強(qiáng)p以減少其一次行程耗油量v;(2)蓄能器采用多個(gè)并聯(lián)的組合式結(jié)構(gòu)以增加其流通面積f，并適當(dāng)增加錘頭行程以增加行程時(shí)間t，從而更進(jìn)一步地減少蓄能傳動(dòng)的壓力損失Δp。

2.2 錘頭的調(diào)整操作

也就是它的慢動(dòng)作，主要用于模具的安裝調(diào)試和機(jī)器的日常維修保養(yǎng)。它可以通過一個(gè)三位的電磁閥或者電液閥（由機(jī)器噸位大小的實(shí)際需要而定）控制打擊閥上端的排油通道來實(shí)現(xiàn)（見圖1上部）。此外，它還要必須配合打擊閥完成錘頭的回程動(dòng)作。通常情況下因?yàn)殄N頭處于回程狀態(tài)的時(shí)間較長，所以它的一個(gè)排油電磁鐵也需要經(jīng)常處于通電狀態(tài)，這對于電磁鐵的壽命不利。為了克服這一缺點(diǎn)，也可改為與打擊先導(dǎo)閥一樣，每打一次都回一次中位（即打擊時(shí)中位，回程時(shí)排油），并延時(shí)斷電（即錘頭回到上位后電磁鐵斷電），這樣，如錘頭停頓稍長則對電磁鐵的壽命比較有利。此時(shí)如發(fā)現(xiàn)錘頭有緩慢下行現(xiàn)象，說明錘桿密封有泄漏，應(yīng)作出適當(dāng)處理。

2.3 錘頭的回程緩沖

由于鍛錘特殊的工作條件，它的回程速度是不穩(wěn)定的，特別是在全行程小能量打擊時(shí)，因?yàn)榇驌糸y的開啟時(shí)間短，進(jìn)油量少，打擊閥關(guān)閉時(shí)錘頭還在下行，此時(shí)工作缸上腔通油箱處于吸油狀態(tài)，但是由于油路的通徑小來不及補(bǔ)油而造成吸空現(xiàn)象，在這種情況下錘頭打擊后（特別是空擊后）的回程速度很快，較易發(fā)生撞頂。為此應(yīng)當(dāng)首先考慮妥善解決這一問題，否則，在吸空嚴(yán)重的情況下，除了油缸下端的緩沖以外，其他的緩沖方式都將無法正常發(fā)揮作用。為此，本打擊閥在上端可考慮增設(shè)一個(gè)充液單向閥和一個(gè)與其配套的小容量充液池（見圖1上部）。充液池是一個(gè)充滿空氣的封閉容器，可直接安放在打擊閥頂部，其容積大約可設(shè)為電液錘一次工作行程耗油量的兩倍左右（視吸空嚴(yán)重程度而定），它的補(bǔ)油可由錘頭調(diào)整閥的回油直接提供并壓縮空氣，并由一個(gè)背壓閥（實(shí)為開啟壓力稍大于充液單向閥的單向閥）來控制充液壓力。充液單向閥可以在頂蓋中內(nèi)置，但它的開啟壓力必須是最小的，充液池必須就近配置，以減少充液阻力。但是實(shí)際上，這類電液錘在輕打時(shí)的吸空現(xiàn)象也是難免的，甚至有時(shí)還是有益的，例如它有利于在回程開始階段的快速回程。所以，如果吸空現(xiàn)象不嚴(yán)重的話（比如少于40%，視用戶的要求而定），可以不必考慮充液補(bǔ)油問題,但是由于在輕打時(shí)的吸空程度很難準(zhǔn)確預(yù)測，所以上述方案可供用戶在方案設(shè)計(jì)時(shí)參考，以便真正做到有備而無患。

在妥善處理了充液補(bǔ)油問題以后，本結(jié)構(gòu)還考慮了如下兩種緩沖方式。

2.3.1 任意位置的能量反饋方式（見圖1上部）

即在錘頭回程的某個(gè)中間位置（任意設(shè)定并可調(diào)整）設(shè)置一個(gè)接近開關(guān)，當(dāng)錘頭回到這個(gè)位置時(shí)，接近開關(guān)發(fā)出信號(hào)，令錘頭的調(diào)整閥斷電，關(guān)閉錘頭的回程通道，從而使工作缸上腔壓力驟增，這時(shí)可通過頂開設(shè)置在頂部內(nèi)置的單向閥與蓄能腔內(nèi)部溝通后的能量反饋來實(shí)現(xiàn)緩沖。顯然，這是一種比較理想的高效緩沖方式。為提高緩沖效果，單向閥的通徑應(yīng)盡可能選得大些(必要時(shí)也可設(shè)置多個(gè)并聯(lián)）。緩沖量可以通過改變調(diào)整電磁閥的斷電時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。

2.3.2 油缸下端的節(jié)流緩沖方式（見圖1下部）

為了最終防止錘頭撞頂現(xiàn)象的發(fā)生，在油缸下端設(shè)有一個(gè)節(jié)流緩沖套，同時(shí)它也是錘桿的密封導(dǎo)向套。當(dāng)錘頭與它撞擊時(shí)，利用它上下兩端的壓力差實(shí)現(xiàn)緩沖，同時(shí)利用上端外徑配合的節(jié)流間隙的阻尼（配合間隙應(yīng)根據(jù)使用情況作適當(dāng)調(diào)整），以降低它的反彈速度，從而確保了錘頭停止的穩(wěn)定性。為了防止油的外漏而引發(fā)安全問題，建議在兩道密封之間引入一個(gè)漏油通道并接回油箱（見圖1下部），其中單向閥可以采用螺紋連接的小型直通單向閥，直接擰入油箱底部，同時(shí)油箱內(nèi)最好應(yīng)當(dāng)灌裝阻燃液壓油。

為了更加安全起見，在緩沖的最后階段（4mm～8mm），還可考慮錘桿上端的活塞與打擊閥的下端開始接觸，使打擊閥稍有松動(dòng)但又不能完全開啟，以加強(qiáng)制動(dòng)效果。

3 結(jié)論

從以上的介紹和分析討論中我們可以得出如下結(jié)論：這種在進(jìn)油打擊方式條件下工作的電液錘上使用的專利結(jié)構(gòu)打擊閥，原理是先進(jìn)的，結(jié)構(gòu)是合理的，實(shí)踐證明其工作也是可靠的，因而具有良好的推廣價(jià)值，特別是在大中型電液錘上使用更具有技術(shù)上的合理性。

[1]王玲軍，林 航，邢衛(wèi)東.現(xiàn)代電液錘技術(shù)的發(fā)展[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2006，41（2）：25-27.

[2]汪國榮，田 晨.淺述我國電液錘技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2005，40（4）：17-20.