电液锤动力头及其打击阀的结构原理探讨

2018-01-24朱成康范常荣

锻压装备与制造技术 2017年6期

朱成康，范常荣

（济南铸造锻压机械研究所有限公司，山东济南 250306）

由于电液锤在节能方面明显优势，所以无论在国内还是国外，电液锤及其对于传统锻锤的节能改造都得到了比较广泛的推广和应用。随着技术的进步，电液锤的工作方式已经由早期气液组合传动的排油打击方式发展到目前的全液压蓄能传动的进油打击方式。由于进油打击方式的明显优势，如无焖模，回程快，消除了终锻时的回弹连击现象，以及工作油缸油气互串的密封问题，等等，所以它的发展比较迅速。如图1所示即为本文所推荐的外置蓄能器全液压传动的进油打击方式电液锤动力头原理图。

它的基本工作原理是：推动锤头工作的油缸上下腔都是油腔，并且下腔始终与蓄能腔相通以保持锤头的回程状态；上腔则由打击阀直接控制，通常与蓄能腔隔离，并处于回油（或封闭）状态。打击时，打击阀迅速开启，从而使油缸上腔与蓄能腔迅速沟通，而其下腔的油则通过差动原理经过外围的导油间隙迅速返回上腔，从而实现打击。打击能量的调整除了改变锤头的打击行程以外，还可以通过改变打击先导电磁阀的开启时间，从而改变通过打击阀的进油量来达到目的。回程时，打击阀关闭，工作油缸上腔排油，这样，锤头在工作油缸下腔常通油压的作用下迅速回程。

图1 电液锤动力头（全液压蓄能传动，进油打击方式）

锻锤工作的最显著特点是它的快速性和灵活性，它要求电液锤的液压系统必须在短时间内能输出较大能量，而且，操作还必须非常灵活，因此蓄能传动是必须的，同时打击阀的设计也十分关键，因为它是操作的核心元素。本文仅就打击阀结构设计的若干问题初步探讨如下，不当之处欢迎同行们批评指正。

1 结构原理

对于电液锤的打击阀来说，除了需要满足它的基本动作以外，最重要的就是瞬间特大流量，常规的液压元件显然难以满足要求，因此一般需要特殊设计。

目前，对于按进油打击方式工作的电液锤来说，打击阀的结构通常有滑阀型和锥阀组合型两种。为了更好地满足这类电液锤，特别是较大规格电液锤技术发展的需要，我们曾经开发了一种特殊结构的锥阀型打击阀。它是一个专利结构，曾经在消振电液锤和部分蒸空锤的改造中使用过。实践证明了它的原理是可行的，工作也是可靠的。目前，该专利早已过了保护期，本着全心全意服务社会的宗旨，现将该专利的全部内容毫无保留并且无偿地公布于众，希望它能在电液锤的发展中做出更大的贡献。下面介绍的内容，是作者把使用过程中发现的所有问题都做了妥善处理后的经验总结。

为了最大限度地减少锤头打击时的液压损失，本打击阀直接安放在工作油缸的上端。

为了最大限度地减少打击阀的工作阻力，从而减少控制油的消耗并提高本阀的动作灵敏度，本打击阀采用了液压力内平衡的中空结构。它的工作力主要用来克服很小的运动摩擦力并提供必要的锥面密封压紧力。实际上其阀芯就是一个特殊结构的中空活塞，上下腔的面积都很小，所以它一次工作行程的控制油消耗也很少，因而它的动作非常灵敏。它的下端是一个特殊结构的锥面密封，为了避免打击阀开启瞬间蓄能腔压力油的额外损失，在密封锥面的里面设有一个长度不大（5mm～10mm)的圆柱配合面（原理图难以清楚表达）。这样，只有当本打击阀上端排油口（1mm～2mm)被关闭后本阀的锥面密封才开始迅速开启。为了减少打击阀体工作时对于上下端部的冲击，在本阀工作行程的上下端可设有一个行程不大的液压缓冲垫（1mm～2mm)。为了确保打击阀芯在上端极限位置时的压力平衡，它的上端面必须做成很小的倒锥，否则在上端面时压力油难以进入，从而导致打击阀不能关闭。由于控制油的消耗很少，所以它的先导控制电磁阀一般可采用小流量的电磁阀就能满足要求。当然，随着吨位的增大，必要时先导阀改为电液阀也是可能的。整个打击阀结构就是一个与工作油缸紧密相连的特殊组合油缸，结构非常紧凑。

2 问题讨论

2.1 蓄能器的安置

它可以有内置与外置两种方式。所谓内置就是把蓄能器设计成专用的并集成在工作油缸的外围。这样虽然结构非常紧凑，有利于提高液压传动效率，但是它给制造和维护带来了许多不便，特别对于大规格锻锤更是如此。因此本文还是推荐采用外置的蓄能器组合传动，即外购皮囊式蓄能器较为妥当。虽然效率有所降低，但是简单易行，更便于推广。

这类电液锤的一次行程打击能量所消耗的液压能w=pv，式中p、v分别为蓄能传动的平均工作压强和一次行程耗油量。与其相对应的能量损失Δw=Δpv，式中Δp为蓄能传动的压力损失，通常它与液压油的平均流速s正相关。s=v/ft，其中f、t分别为管道的流通面积和一次打击行程时间，它们均与s负相关，所以也与Δp负相关。因此，为了减少由于外置蓄能器而增加的能量损失Δw，建议：（1）适当提高蓄能传动的平均工作压强p以减少其一次行程耗油量v;(2)蓄能器采用多个并联的组合式结构以增加其流通面积f，并适当增加锤头行程以增加行程时间t，从而更进一步地减少蓄能传动的压力损失Δp。

2.2 锤头的调整操作

也就是它的慢动作，主要用于模具的安装调试和机器的日常维修保养。它可以通过一个三位的电磁阀或者电液阀（由机器吨位大小的实际需要而定）控制打击阀上端的排油通道来实现（见图1上部）。此外，它还要必须配合打击阀完成锤头的回程动作。通常情况下因为锤头处于回程状态的时间较长，所以它的一个排油电磁铁也需要经常处于通电状态，这对于电磁铁的寿命不利。为了克服这一缺点，也可改为与打击先导阀一样，每打一次都回一次中位（即打击时中位，回程时排油），并延时断电（即锤头回到上位后电磁铁断电），这样，如锤头停顿稍长则对电磁铁的寿命比较有利。此时如发现锤头有缓慢下行现象，说明锤杆密封有泄漏，应作出适当处理。

2.3 锤头的回程缓冲

由于锻锤特殊的工作条件，它的回程速度是不稳定的，特别是在全行程小能量打击时，因为打击阀的开启时间短，进油量少，打击阀关闭时锤头还在下行，此时工作缸上腔通油箱处于吸油状态，但是由于油路的通径小来不及补油而造成吸空现象，在这种情况下锤头打击后（特别是空击后）的回程速度很快，较易发生撞顶。为此应当首先考虑妥善解决这一问题，否则，在吸空严重的情况下，除了油缸下端的缓冲以外，其他的缓冲方式都将无法正常发挥作用。为此，本打击阀在上端可考虑增设一个充液单向阀和一个与其配套的小容量充液池（见图1上部）。充液池是一个充满空气的封闭容器，可直接安放在打击阀顶部，其容积大约可设为电液锤一次工作行程耗油量的两倍左右（视吸空严重程度而定），它的补油可由锤头调整阀的回油直接提供并压缩空气，并由一个背压阀（实为开启压力稍大于充液单向阀的单向阀）来控制充液压力。充液单向阀可以在顶盖中内置，但它的开启压力必须是最小的，充液池必须就近配置，以减少充液阻力。但是实际上，这类电液锤在轻打时的吸空现象也是难免的，甚至有时还是有益的，例如它有利于在回程开始阶段的快速回程。所以，如果吸空现象不严重的话（比如少于40%，视用户的要求而定），可以不必考虑充液补油问题,但是由于在轻打时的吸空程度很难准确预测，所以上述方案可供用户在方案设计时参考，以便真正做到有备而无患。

在妥善处理了充液补油问题以后，本结构还考虑了如下两种缓冲方式。

2.3.1 任意位置的能量反馈方式（见图1上部）

即在锤头回程的某个中间位置（任意设定并可调整）设置一个接近开关，当锤头回到这个位置时，接近开关发出信号，令锤头的调整阀断电，关闭锤头的回程通道，从而使工作缸上腔压力骤增，这时可通过顶开设置在顶部内置的单向阀与蓄能腔内部沟通后的能量反馈来实现缓冲。显然，这是一种比较理想的高效缓冲方式。为提高缓冲效果，单向阀的通径应尽可能选得大些(必要时也可设置多个并联）。缓冲量可以通过改变调整电磁阀的断电时间来实现。

2.3.2 油缸下端的节流缓冲方式（见图1下部）

为了最终防止锤头撞顶现象的发生，在油缸下端设有一个节流缓冲套，同时它也是锤杆的密封导向套。当锤头与它撞击时，利用它上下两端的压力差实现缓冲，同时利用上端外径配合的节流间隙的阻尼（配合间隙应根据使用情况作适当调整），以降低它的反弹速度，从而确保了锤头停止的稳定性。为了防止油的外漏而引发安全问题，建议在两道密封之间引入一个漏油通道并接回油箱（见图1下部），其中单向阀可以采用螺纹连接的小型直通单向阀，直接拧入油箱底部，同时油箱内最好应当灌装阻燃液压油。

为了更加安全起见，在缓冲的最后阶段（4mm～8mm），还可考虑锤杆上端的活塞与打击阀的下端开始接触，使打击阀稍有松动但又不能完全开启，以加强制动效果。