電液錘動力頭及其打擊閥的結構原理探討

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）

由于電液錘在節(jié)能方面明顯優(yōu)勢，所以無論在國內還是國外，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用。隨著技術的進步，電液錘的工作方式已經由早期氣液組合傳動的排油打擊方式發(fā)展到目前的全液壓蓄能傳動的進油打擊方式。由于進油打擊方式的明顯優(yōu)勢，如無燜模，回程快，消除了終鍛時的回彈連擊現(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的進油打擊方式電液錘動力頭原理圖。

它的基本工作原理是：推動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，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原理經過外圍的導油間隙迅速返回上腔，從而實現(xiàn)打擊。打擊能量的調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電磁閥的開啟時間，從而改變通過打擊閥的進油量來達到目的。回程時，打擊閥關閉，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 電液錘動力頭（全液壓蓄能傳動，進油打擊方式）

鍛錘工作的最顯著特點是它的快速性和靈活性，它要求電液錘的液壓系統(tǒng)必須在短時間內能輸出較大能量，而且，操作還必須非常靈活，因此蓄能傳動是必須的，同時打擊閥的設計也十分關鍵，因為它是操作的核心元素。本文僅就打擊閥結構設計的若干問題初步探討如下，不當之處歡迎同行們批評指正。

1 結構原理

對于電液錘的打擊閥來說，除了需要滿足它的基本動作以外，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計。

目前，對于按進油打擊方式工作的電液錘來說，打擊閥的結構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)格電液錘技術發(fā)展的需要，我們曾經開發(fā)了一種特殊結構的錐閥型打擊閥。它是一個專利結構，曾經在消振電液錘和部分蒸空錘的改造中使用過。實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期，本著全心全意服務社會的宗旨，現(xiàn)將該專利的全部內容毫無保留并且無償?shù)毓加诒姡Ｍ茉陔娨哄N的發(fā)展中做出更大的貢獻。下面介紹的內容，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驗總結。

為了最大限度地減少錘頭打擊時的液壓損失，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作靈敏度，本打擊閥采用了液壓力內平衡的中空結構。它的工作力主要用來克服很小的運動摩擦力并提供必要的錐面密封壓緊力。實際上其閥芯就是一個特殊結構的中空活塞，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，因而它的動作非常靈敏。它的下端是一個特殊結構的錐面密封，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有一個長度不大（5mm～10mm)的圓柱配合面（原理圖難以清楚表達）。這樣，只有當本打擊閥上端排油口（1mm～2mm)被關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對于上下端部的沖擊，在本閥工作行程的上下端可設有一個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，否則在上端面時壓力油難以進入，從而導致打擊閥不能關閉。由于控制油的消耗很少，所以它的先導控制電磁閥一般可采用小流量的電磁閥就能滿足要求。當然，隨著噸位的增大，必要時先導閥改為電液閥也是可能的。整個打擊閥結構就是一個與工作油缸緊密相連的特殊組合油缸，結構非常緊湊。

2 問題討論

2.1 蓄能器的安置

它可以有內置與外置兩種方式。所謂內置就是把蓄能器設計成專用的并集成在工作油缸的外圍。這樣雖然結構非常緊湊，有利于提高液壓傳動效率，但是它給制造和維護帶來了許多不便，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，即外購皮囊式蓄能器較為妥當。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分別為蓄能傳動的平均工作壓強和一次行程耗油量。與其相對應的能量損失Δw=Δpv，式中Δp為蓄能傳動的壓力損失，通常它與液壓油的平均流速s正相關。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間，它們均與s負相關，所以也與Δp負相關。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）適當提高蓄能傳動的平均工作壓強p以減少其一次行程耗油量v;(2)蓄能器采用多個并聯(lián)的組合式結構以增加其流通面積f，并適當增加錘頭行程以增加行程時間t，從而更進一步地減少蓄能傳動的壓力損失Δp。

2.2 錘頭的調整操作

也就是它的慢動作，主要用于模具的安裝調試和機器的日常維修保養(yǎng)。它可以通過一個三位的電磁閥或者電液閥（由機器噸位大小的實際需要而定）控制打擊閥上端的排油通道來實現(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作。通常情況下因為錘頭處于回程狀態(tài)的時間較長，所以它的一個排油電磁鐵也需要經常處于通電狀態(tài)，這對于電磁鐵的壽命不利。為了克服這一缺點，也可改為與打擊先導閥一樣，每打一次都回一次中位（即打擊時中位，回程時排油），并延時斷電（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，應作出適當處理。

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，因為打擊閥的開啟時間短，進油量少，打擊閥關閉時錘頭還在下行，此時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。為此應當首先考慮妥善解決這一問題，否則，在吸空嚴重的情況下，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一個充液單向閥和一個與其配套的小容量充液池（見圖1上部）。充液池是一個充滿空氣的封閉容器，可直接安放在打擊閥頂部，其容積大約可設為電液錘一次工作行程耗油量的兩倍左右（視吸空嚴重程度而定），它的補油可由錘頭調整閥的回油直接提供并壓縮空氣，并由一個背壓閥（實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。但是實際上，這類電液錘在輕打時的吸空現(xiàn)象也是難免的，甚至有時還是有益的，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油問題,但是由于在輕打時的吸空程度很難準確預測，所以上述方案可供用戶在方案設計時參考，以便真正做到有備而無患。

在妥善處理了充液補油問題以后，本結構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中間位置（任意設定并可調整）設置一個接近開關，當錘頭回到這個位置時，接近開關發(fā)出信號，令錘頭的調整閥斷電，關閉錘頭的回程通道，從而使工作缸上腔壓力驟增，這時可通過頂開設置在頂部內置的單向閥與蓄能腔內部溝通后的能量反饋來實現(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，單向閥的通徑應盡可能選得大些(必要時也可設置多個并聯(lián)）。緩沖量可以通過改變調整電磁閥的斷電時間來實現(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，在油缸下端設有一個節(jié)流緩沖套，同時它也是錘桿的密封導向套。當錘頭與它撞擊時，利用它上下兩端的壓力差實現(xiàn)緩沖，同時利用上端外徑配合的節(jié)流間隙的阻尼（配合間隙應根據(jù)使用情況作適當調整），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，同時油箱內最好應當灌裝阻燃液壓油。

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，使打擊閥稍有松動但又不能完全開啟，以加強制動效果。

3 結論

從以上的介紹和分析討論中我們可以得出如下結論：這種在進油打擊方式條件下工作的電液錘上使用的專利結構打擊閥，原理是先進的，結構是合理的，實踐證明其工作也是可靠的，因而具有良好的推廣價值，特別是在大中型電液錘上使用更具有技術上的合理性。

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

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