鍛錘過載保護裝置的原理及結構探討

朱成康，范常榮

（濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東 濟南 250306）

鍛錘過載保護裝置的原理及結構探討

朱成康，范常榮

（濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東 濟南 250306）

本文通過對鍛錘過載保護裝置設計原理的探討與分析，得出了其原理可行的結論，并以1t模鍛錘為例，對過載保護裝置的關鍵參數確定以及主體結構設計提出了初步構想。該技術的應用與推廣，將有利于延長鍛錘類設備與模具的使用壽命，同時提升設備操作的安全性。

鍛錘；過載保護；緩沖裝置

鍛錘是一種定能量輸出型鍛壓機械（螺旋壓力機也屬于此類設備，因此本文所討論的方法和結論也同樣適用），即在工作時，機器一次行程輸出的能量是確定的，但其打擊力卻隨著不同的打擊條件（主要是變形量）而在很大范圍內變化。在極端狀況下，如空擊（無鍛件）和部分空擊（有鍛件）情況下，由于其過大的打擊力，常導致機器主要受力件（如錘桿）和模具的過早損壞。因此，為確保機器的長期安全生產，采用一種過載保護裝置，以期對鍛錘過高打擊力進行有效限制，顯得十分必要，尤其對于機身封閉受力的消振錘和螺旋壓力機等類設備顯得更為必要。但是，在現實中，由于該問題的復雜性以及特別惡劣的工作條件，使該問題至今未能得到妥善解決。本文試圖就此問題的原理和可行性進行初步探討，期望對該項技術的進步和發展有所啟發與推動，不當之處懇請同行們批評指正。

1 原理分析

全能量空擊是鍛錘最惡劣的工作條件，本文就在此條件下討論設計鍛錘過載保護裝置的基本原理和方法。

全能量空擊時的力能原理如圖1所示，圖中縱坐標代表打擊力P,橫坐標代表與打擊力P相對應的變形量S。

圖1 力能（變形量）關系圖

我們可近似地假設全能量空擊是完全的彈性打擊（實際上，在打擊面附近的小量局部塑性變形是難免的），因此打擊能量將全部轉化為機器受力件的彈性變性能，打擊力線O OiO0O1應當是一條直線，△O SiOi、△O S0O0、△O S1O1的面積分別代表在隨機力Pi、公稱打擊力P0和空擊力P1時相對應的彈性變性能。由于它們之間存在著相似關系，根據相似定律，它們所對應的彈性變性能與打擊力之間存在如下關系：

式中，Ei、E0和E1分別代表與Pi、P0和P1相對應的彈性變形能。

1.1 最大空擊力P1的確定

若采取直接測量的方法，不但在技術上有難度，而且還有損壞模具和機器的風險，但從以上的力能關系中我們可以找到一個低風險的小能量空擊測試間接計算法，比如可以先用一個已知的小能量E2來進行空擊，用電測法測出相應的空擊力P2,那么在全能量空擊條件下的最大空擊力P1可以用下式來間接求得：

這個辦法不但沒有風險，而且還非常實用。

1.2 公稱打擊力P0確定

大多數鍛壓機械都有公稱壓力這一參數，因為它不僅是機器工作能力的重要指標，也是機器強度設計的主要依據，但是鍛錘由于缺乏過載保護措施而無法確定，所以到目前為止，國內外類似設備的參數中，未見對該參數的具體明示。此處，我們暫且把它稱為公稱打擊力P0。

P0值的確定，必須確保機器在全能量工作時有足夠的安全強度，同時還應有一個合理的打擊效率。這個參數應當在過載保護裝置成功推廣后由專業委員會制定相應的系列標準，目前只能為空白。為便于當前對鍛錘過載裝置的設計研究，暫時只能參考類似能力的螺旋壓力機作依據，本文將在后面設計計算實例中另述。

1.3 打擊效率

圖1雖然只是一個全能量空擊條件下的力能關系圖，但是只要更深入地分析一下就會發現，利用這一曲線還能方便地推導出在任意打擊條件下（不管有無鍛件）的打擊效率ηi。

因為根據打擊效率的定義

式中：Ei為在任意打擊力Pi時機器所吸收的彈性變形能；E1為最大打擊力P1（空擊）時機器所吸收的彈性變形能，也是機器的最大打擊能量。根據圖1中相似三角形的相似定律

式中，Pi為任意打擊力；P1即為空擊力,也是最大打擊力。

由此可知，在公稱打擊力P0時的打擊效率為

而在全能量空擊時

這說明，在無鍛件空擊時，其打擊效率為0，因此在實際操作時，應盡量避免空擊現象的發生。

1.4 緩沖能量Eh的確定

全能量空擊時，一旦打擊力達到P0值，過載保護裝置就開始吸收能量，打擊力不再升高，此時機器吸收的彈性變形能為E0，那么過載保護裝置需要吸收的緩沖能量為：

式中，η0為公稱打擊力P0時的打擊效率。這說明，在一定的打擊能量下，Eh與η0成正比，而η0與打擊力P0有關，且P0越大，η0越低，反之亦然。所以，僅就設計的合理性而言，P0定得太低反而是不利的，因為P0越低，η0越高，Eh反而越大，過載保護裝置的結構也越大，甚至可能變得難以合理安排。

2 結構探討

本裝置的結構原理如圖2所示，它是一種高度集成的小能量蓄能緩沖節流裝置，所用元件均為內置式，且油、氣混合無需隔離，封閉循環使用。具體操作也極為簡單：使用前，先充入氮氣N2至pc≈150 kg/cm2（視氣源廠實際情況而定），然后用手動高壓泵充油壓縮N2至設定壓力py（與充氣為同一入口，油、氣口無需分置）。由圖2可知，此時在柱塞底部形成一個被預緊的液壓緩沖墊。當打擊力P≤P0時，本裝置不工作；當打擊力P＞P0時，內置單向閥迅速打開，緩沖柱塞迅速位移，由于上下腔壓力相等，緩沖柱塞受力基本不變，但N2被壓縮而吸收能量。打擊結束后，單向閥迅速關閉，上腔的油通過節流裝置進入下腔，從而使柱塞以適當的速度復位，這樣可避免由于柱塞復位過快而發生錘頭撞頂現象。整個油缸只有兩個動密封，由于其運行速度和行程都不大，故工作可靠耐用。

圖2 鍛錘過載保護裝備結構原理圖

為了便于大家對于本裝置設計計算方法的理解，特以1t模鍛錘為例，對其若干主要的技術參數初步計算如下（計算中的所有數據僅供參考，不作推薦）。

已知條件：1t模鍛錘公稱打擊能量2500kg·m，傳統認為其空擊力為1000t。由于公稱打擊力沒有現成參數，暫參考具有類似工作能力的630t螺旋壓力機作基準，其公稱打擊力為630t，因此取630t打擊力作為P0計算的依據（630t螺旋壓力機的公稱打擊能量≥5600kg·m，超過1t錘1倍多，但它工作時基本上是以一次打擊成形為主）。

（1）本裝置需緩沖的打擊能量Eh

（2）本裝置柱塞因與模座合為一體，故其尺寸主要取決于模具尺寸，此處暫定為小徑d＝?350mm,下端大徑D＝?400mm，其環形面積用于支撐預緊力，此處為630t，其承受的壓縮應力

其值稍微偏大，推薦采用錐面支承則可大大改善其受力狀況。

（3）為達到630t預緊力，柱塞大徑D的下底面上的油壓預緊壓力（由于錐面的楔緊作用和緩沖時的節流效應，難以在錐面上形成足夠的液壓力，所以可近似地不必考慮差動液壓力的影響）：

py=≈500（kg/cm2），雖然達到了高壓范疇，但其應用在技術上是成熟可靠的。

（4）最大緩沖行程

（5）一次緩沖所需油的體積

（6）為減少緩沖壓力的波動，暫以15倍的ΔV來確定N2氮氣腔壓縮后的容積，即V=15 ×ΔV=15×309≈4500（cm3），即4.5升。

（7）氮氣腔充氣前的初始容積V0按等溫條件下的壓縮比來大致確定

從以上的初步分析計算可知，從技術層面上看，1t模鍛錘的過載保護裝置設計是完全可行的。

3 問題討論

3.1 安全性問題

本裝置采用了一個小能量的氣液蓄能緩沖器，因此安全性是一個必須考慮的問題。雖然高壓容器是一個安全隱患點，但由于這樣的高壓在其他領域，如化工領域，早已成熟應用了許多年，而且他們使用的試驗壓力可達4000kg/cm2，因此本裝置所用的高壓容器，其壓力是在安全可控的范圍之內的。本裝置可以使用模具鋼制造，其抗沖擊能力很強。盡管其是在打擊條件下工作，但均屬于彈性打擊面，而非剛性打擊。裝置的充氣腔容積不大，緩沖柱塞的工作行程和速度又都很小，工作條件不算十分惡劣，所以只要精心設計制造，細心合理使用，安全性是完全可以保證的。

3.2 油的冷卻問題

本裝置采用了封閉循環使用的油氣混合蓄能器節流技術，最大一次緩沖節流的能量可達1500kg·m，因此油的發熱問題是必須慎重考慮的。

本裝置是按照全能量空擊的條件來設計的，但是這種空擊屬于誤操作，并非經常發生，多數情況是有一定剩余能量下的部分空擊，所以需要緩沖的能量要小得多。本裝置的外周都是導熱性能良好的金屬體，具有一定的散熱能力?？傊绻偸穷l繁地全能量空擊，那么發熱過多是必然的，相應的冷卻措施必須跟上；但若是正常的使用，偶爾出現空擊現象，理論上分析看，發熱情況不會多嚴重，不需考慮額外的冷卻措施。至于它的可行性，則需要實踐驗證，如果確有問題，那么采取一定的輔助冷卻措施也是可行的。

3.3 實際打擊力的調整

本裝置是按公稱打擊力P0設計的，但在實際使用中，也應該允許在一定范圍內做適當的調整，比如在終鍛時，要求的打擊力較高，如果過分強調強度安全，造成打擊力不夠而使鍛件報廢，那樣是得不償失的，而此時的打擊效率已不是需考慮的主要因素了。

本裝置實際打擊力的調整也非常方便，只需用手動泵往氣腔內充油，適當提高py就可，而py調高后，由于打擊效率的降低，本裝置需要的緩沖能量也隨之降低，所以安全性也隨之提高了。

4 結論

本文所提出的鍛錘過載保護裝置原理合理，構思獨特，結構簡單，對于提高錘類設備的安全性和模具壽命具有重要意義。實例計算說明，該裝置在設計計算方法和結構上都具有技術可行性。本文對于螺旋壓力機的過載保護裝置的設計研究也有重要的參考價值。有關該裝置的作用效果，有待實踐進一步驗證提升。

[1]楊雪春,盧懷亮,黃樹槐,等.離合器式螺旋壓力機極限打擊性能的討論.鍛壓裝備與制造技術，2003，38（2）.

[2]刁 潔,董建虎,李 強,等.螺旋壓力機打擊能量及打擊力測試方法探討.重型機械，2003，（5）.

[3]金文明，馬文元，楊慎華.50kJ液壓模鍛錘打擊能量仿真研究.鍛壓裝備與制造技術，2008，43（5）.

The principle and structure discussion of overloading protection unit for forging hammer

ZHU Chengkang,FAN Changrong
（Jinan Foundry and Metalforming Machinery Research Institute Co.,Ltd.,Jinan 230506,Shandong China）

By discussion and analysis of design principle for overloading protection unit of forging hammer, it is concluded that the principle is feasible.Taking the 1 ton die hammer for an example,initial conception has been put forward to the determine the key parameters and design the main structure of overloading protection unit.The application and promotion of the technology will help to prolong the work life of the forging hammer equipment and tool.Meanwhile,the operation safety of the machine has been improved.

Overloading protection;Buffering;Forging hammer

TG315.3

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.06.008

1672-0121（2016）06-0032-04

2016-08-05；

2016-09-28

朱成康（1939-），男，教授級高工，享受國務院政府特貼專家，從事鍛壓設備研制開發