新型大噸位下錘頭微動式模鍛錘液壓系統研究

龐作寧，雷步芳，李永堂，喬 波

（1.南陽漢冶特鋼有限責任公司模鑄廠技術科，河南 南陽 474500；2.太原科技大學材料學院，山西 太原 030024）

0 引言

目前，我國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，同時振動大、噪聲大，所以有必要發展對擊式的大噸位鍛錘。傳統的對擊式鍛錘如70年代的等行程、等質量對擊錘[1]，采用蒸空驅動，工作時上跳量大，操作也不方便。因此，發展新型的大噸位對擊式液壓錘，有著很重要的意義。

本文研究的是400kJ下錘頭微動式全液壓模鍛錘的液壓系統。當前大部分企業生產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，但仍存在油氣互竄、振動大、悶模時間長等缺點，全液壓對擊錘則有著高效、節能、高精度、振動小、可靠性高、模具壽命好、使用成本較低、環保等優點，所以有著很大的發展前景。

現有的大噸位全液壓對擊錘，主要是以等質量等速對擊為主，這種錘的主要缺點是上跳量比較大，操作很不方便。本設計的400kJ大噸位下錘頭微動式對擊錘，在兼具了上述全液壓對擊錘優點的同時又很好地解決了下錘頭上跳量大的問題，目前國內的研究還是空白，因此有著很重要的研究意義。

1 液壓錘的工作原理及特點

圖1 全液壓模鍛錘結構圖

圖2 液壓系統

400kJ全液壓模鍛錘采用全液壓動力驅動、液壓聯動，下錘頭采用微動式結構，以液壓聯動方式，實現上錘頭和下錘頭對擊，其結構如圖1所示，液壓系統如圖2所示。提錘時，電磁閥13（3DT）通電時，插裝閥9、插裝閥12打開，插裝閥10、插裝閥11關閉，油液由液壓泵經過插裝閥5、插裝閥12進入液壓缸下腔，推動上錘頭向上運動，液壓缸上腔的油液，經插裝閥9，回油箱，同時下錘頭由于自重回到下限位置；打擊過程中，電磁閥13（4DT）通電，插裝閥10、插裝閥11打開，插裝閥9、插裝閥12關閉，此時液壓系統形成一個差動回路，一部分油液由液壓泵、插裝閥5、插裝閥10進入液壓缸上腔，另一部分油液由液壓缸下腔經插裝閥11、插裝閥10、進入液壓缸上腔，上錘頭由活塞缸的上下腔壓力之差的推動下，向下運動，同時上錘頭通過連桿作用于聯動缸的油液，使下錘頭的上跳，實現上下錘頭的對擊；當電磁閥8（2DT）通電，插裝閥6和插裝閥15打開，可以實現模鍛錘的寸動；當電磁閥16（1DT）通電，插裝閥18打開，系統卸荷。

2 液壓系統數學模型的建立

為了驗證設計的液壓系統能否滿足液壓模鍛錘的需求，可以建立數學模型，通過計算機仿真獲取該液壓系統的動態性能，同時為以后液壓系統的改進提供理論依據。計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。

建立上述液壓系統的拓撲結構圖，如圖3所示。

圖3 液壓系統拓撲圖

由節點 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的數學模型：

式中：q0——油泵的理論流量q0=0.134m3/s；

G0——油泵的液導，G1=6.614×10-12m3·Pa/s；

p1——節點1處的油壓；

p0——回油壓力；

V1——油泵出口處容積；

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

p2——節點2處的油壓；

E——油液體積彈性模量；

G4——S4處的液導；

p4——節點4處的油壓；

p5——節點5處的油壓；

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

p7——節點7處的油壓；

G9——S9處的液導；

A2——液壓缸有桿腔的有效面積，A2=0.03m2；

x1——上錘頭位移；

V2——液壓缸下腔至節點5的油液體積，V2=0.046m3；

m1——上錘頭系統質量；

∑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。

經變換后得到用狀態變量表示的仿真模型：

式中，y1、y2、y3、y4分別表示狀態變量 x1、x˙1、p1、p5。

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

當上錘頭第一次提錘時，可得N5點處的液壓壓力為p5（0）=0，N1處的油壓為p1（0）=7MPa。當穩定后p5=5.5MPa。

3 液壓系統動態仿真結果

用Matlab對該400kJ液壓系統進行動態仿真時，采用的算法為四階龍格-庫塔法，液壓泵的流量取0.039m3/s，通過計算機仿真，我們可以得出提錘時上錘頭位移、速度，液壓缸下腔壓力，泵出口壓力隨時間變化的規律。其仿真結果如圖4、5、6、7所示。

圖4 回程過程上錘頭的位移變化曲線

圖5 回程過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 結論

通過對錘頭回程過程的動態響應分析，可以得出以下結論：

圖7 泵出口處的壓力變化曲線

（1）該液壓系統結構簡單、方便、快速，工作平穩，能夠滿足該400kJ下錘頭微動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現大噸位鍛錘的各種動作，而且具有快捷、靈敏的優點。

（2）從圖6可以看出，液壓缸下腔的工作壓力在0.02s達到了最大值，并在0.1s后壓力趨于平穩，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，使液壓錘的的運行更加穩定、快速、平穩，通過上面的分析還可以為以后改進液壓系統提供依據。

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

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

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

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

[5]李 響.液壓墊多缸液壓系統的設計分析[J].鍛壓裝備與制造技術，2012，47（6）.