维普资讯 http://www.cqvip.com 第２３卷第３期 太原重型机械学院学报 Ｖｏ１．２３ №３ ２００２年９月 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＴＡＩＹＵＡＮ ＨＥＡＶＹ ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ Ｓｅｐ．２００２ 文章编号：１０００—１５９Ｘ（２００２）０３—０１８７—０４ 新型程控液压模锻锤 李永堂， 杜诗文， 雷步芳 （太原重型机械学院，太原０３００２４） 摘要：针对蒸一空模锻锤存在的浪费能源、振动噪音大等缺点，开发了用于蒸一空 模锻锤更新换代的新型程控液压模锻锤。介绍了该新型程控液压模锻锤结构特点、参数 计算、性能分析、插装阀集成开式液压系统和ＰＬＣ程序控制系统。 关键词：液压模锻锤；液压系统；程控系统；节能 中图分类号：ＴＧ３１５．３ 文献标识码：Ａ ’一一—’一－—’一 ＋－＋一＋一—’一一＋一＋一＋－＋一＋－＋－＋一＋ 按照结构和工作原理不同，锤压设备主要分为 三大类，即定行程设备的机械压力机、定力设备的 １ 新型程控液压锤的工作原理和结构 液压机和定能量设备的锻锤。与机械压力机和液 特点 压机相比，锻锤具有结构简单、价格便宜、打击频率 所开发的系列新型程控液压模锻锤主机结构 高、成形速度快等优点，是完成锻造工艺最廉价的 有下锤头微动型和锤身微动型两种结构型式，下锤 和万能设备。 头微动型液压模锻锤的结构和工作原理如图１所 然而，我国目前广泛使用的蒸一空模锻锤有许 示。液压锤的工作缸是一个液气缸。其上腔１充 多难以克服的缺点：如：１）热效率低，浪费能源，采 满了压缩空气或氮气。当高压液体进入下腔２时， 用蒸气驱动时其热效率不足２％；２）振动大，有砧座 活塞、锤杆和下锤头３被提起，同时上腔中的气体被 锤严重的振动影响周围居民生活和精密机器正常 压缩蓄能。当下腔２中的液体通过快排油阀６进入 工作；３）动力源复杂，需要庞大的锅炉或空气压缩 联通缸５时，活塞、锤杆和下锤头在压缩气体的作用 站；４）锅炉房排放的烟尘严重污染环境；５）浪费水 下加速下行。同时，下锤头４在联通缸５中的液体 资源。因此蒸一空模锻锤是我国限期淘汰的设备。 压力作用下微动上跳，与上锤头实现对击。当液体 针对蒸一空模锻锤所存在严重缺点，国内外的 重新进入缸的下腔２，联通缸５的液体排空时，机器 科研人员一直致力于研制和开发新型液压模锻锤， 进入下一个工作循环。 用于对传统的蒸一空模锻锤更新换代。本文吸收 该程控液压模锻锤可以实现几种不同的动作 了国外有关先进技术，与国内有关单位合作开发了 循环，包括：回程、打击、任意位置悬锤、寸动对模 ６．３ＫＪ、２５ＫＪ等规格的新型程控液压模锻锤。 等。并可以任意调节打击能量。通过ＰＬＣ控制系 收稿日期：２００２—０１—１５ 基金项目：山西省自然科学基金项目（１９９９１０６２） 作者简介：李永堂（１９５７一），男，太原重型机械学院副院长，教授，主要研究方向为：材料加工设备理论控制及先进集成制 造技术。 维普资讯 http://www.cqvip.com １８８ 太原重型机械学院学报 ２００２钲 统，可以根据锻件变形工艺要求自动完成锻造操 作。 由式（２）、（３）、（６）得两锤头系统质量为： ｍ。：兰 Ｅ ｍ：：ｙｍ。（７） 工作缸上腔 ２．２热力参数计算 液压锤的打击能量来源于打击时气缸中气体 膨胀功。用叼表示机械效率，则有： Ｅ＝ ，７ （８） 油阀 图１ 新型程控液压模锻锤工作原理 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｌｏｗｅｒ ｔｕｐ ｓｌｉｇｈｔｌｙ ｍｏｖｅｄ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｈａｍｍｅｒ ２主要参数设计计算 砧座微动型液压模锻锤参数标准（ＪＢ３５８２— ８４）中给出了液压锤主要技术参数如：打击能量Ｅ、 工作行程Ｓ、每分钟打击次数ｒＬ等。由此可以进行程 控液压模锻锤参数设计计算。 ２．１质量比＾ｙ和两锤头的质量 液压锤设计原理是对击时上、下锤头的动量相 等。即： ｍｌＶｌ＝ｍ２Ｖ２ （１） 式中 ｍ。、Ｖ。分别是上锤头系统的质量和速度，ｍ 、 Ｖ 分别是下锤头系统的质量和速度。 若用 表示两锤头系统的质量比，则有： ： ： ，ｎ， Ｖ， （２） 液压锤打击速度为上、下锤头系统速度之和， 即： Ｖ＝Ｖｌ＋Ｖ２ （３） 由式（２）和（３）可以得出： 南 南 ｃ４ 因此两锤头的行程分别为： ’ ｓ。＝－ 南 ｓ ｓ ：ｚ ｓ （５）） 液压锤的打击能量为： Ｅ＝ｍｌ ｌ ／２＋ｍ２ ２ ２／２ （６） 式中 是气体膨胀功。 液压锤的打击过程中，气缸中气体变化过程可 视为可逆绝热膨胀过程，根据热力学定律，可得打 击过程气体膨胀功为： ＝２．５ｐｏ ｏ［１一（１＋ ）一 ］ （９） 式中Ｐ。、Ｖ。是气体膨胀前气腔中的压力和体积， 为膨胀比，即： ＝Ａｖ／ｖｎ （１０） 式中 Ａｖ是气体膨胀时容积变化量，即： Ａｖ＝ Ｄ。ｓｌ （１１） 选定了膨胀比 （一般为 ＝０．２－０．４）后，可 以求出气腔中气体压力变化，温度变化，由式（９）计 算出缸的初始容积，进而求出工作缸直径Ｄ． ２．３其它参数计算 通过以上的计算，并结合锻锤的运动学和力学 分析，可以求出锤杆直径ｄ、联通缸直径Ｄ 、回程缸 内的液体油压ｐ 、打击时的联通油压Ｐ 。由已知的锤 每分钟打击次数ｒＬ，求出回程时间ｔ 和回程液体流 量ｇ。其中Ｐ 和ｇ是进行液压系统设计的基础。 ３ 插装阀集成液压系统 液压系统是液压锤的动力装置，设计液压系统 时应考虑以下几方面要求： （１）应当满足锤的动作循环和静态特性要求； （２）应当有较好的动态性能和工作可靠性； （３）可以完成辅助工作，如工件顶出等。 我国研制开发的第一代液压锤，均采用了闭式 液压回路。作者通过在样机上试用开式液压系统， 并进行了充分的理论与实验研究后，在新开发的 Ｃ８３系列程控液压锤上全部采用了插装阀集成开式 液压系统，其系统原理如图２所示。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第２３卷第３期 李永堂，等：新型程控液压模锻锤 １８９ 该液压系统具有如下特点： （１）采用了泵直接传动开式系统，有 利于系统中油液循环和散热； （２）主要控制阀都采用插装阀，通油 流量大，保证了动作灵敏性； （３）所有的阀都集成在一个或两个集 成块上，提高了系统的传动效率。 （４）系统中采用了一个小型的蓄能器 为主的控制油路，即保证了控制油压的稳 定，又简化了系统，节省投资。 （５）通过对该液压系统进行动态建模 与仿真，证明该开式液压系统具有良好的 动态性能。 ４液压锤的ＰＬＣ控制系统 图２插装阀集成开式液压系统原理图 与蒸一空模锻锤相比，液压锤的显著 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｏｐｅｎ－ｌｏｏｐ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ 特点是它易于实现自动控制和机电一体 ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｐｌｕｇ。ｉｎ ｖａｌｖｅｓ 化：但是由于液压锤是一种冲击成形设备，打击速 度高，打击频率快（ｎ＝６０ｍｉｎ～一１２０ｍｉｎ ），因此为 通过自动操作控制系统，可以根据锻件变形工 锻锤自动控制系统设计带来了许多的困难。 艺要求，实现打击次数和打击能量的程序控制。在 设计液压锤控制系统时应考虑以下要求： 此基础上，以液压锤为主机，与机械手或操作机配 （１）不同类型的工件在液压锤上锻造时，有不 合，可以组成自动锻造生产线，实现模锻件生产自 同的成形工艺过程，因此，液压锤的控制系统应当 动化。 有较好的工艺适应性； （２）控制系统应当适应锻压车间中振动、高温 ５ 结论 和粉尘等工作环境，具有较好的抗干扰能力和工作 液压锤是一种节能和机电一体化新产品，它从 稳定性； 根本上改变了蒸一空锻锤以蒸汽为动力的落后面 （３）控制系统应当具有不同的控制方式，以满 貌。简化了动力设备；消除了蒸汽锤锅炉房严重的 足锻造生产和工人操作要求。 环境污染；节约了大量水资源；与蒸一空锻锤相比， 经过研究和实验，我们设计和应用了以ＰＬＣ为 节约能源８５％以上；由于采用下锤头（或锤身）微动 主机的程序控制系统。图３为液压锤ＰＬＣ控制系 上跳的对击结构，消除了锻锤激烈的振动；实现了 统结构图。 自动程序控制和机电一体化，改善了锻工车间工作 液压锤ＰＬＣ控制系统包括硬件设计和软件设 环境。具有显著的经济效益与社会效益。 计。其控制软件包括５部分： 对新型程控液压锤工作原理、结构型式、工作 （１）Ｙ一△电机启动程序； 性能、参数设计、液压系统和程序控制进行了深入 （２）液压锤监控和保护程序； 的研究。在此基础上，与合作单位一起开发了６． （３）手动操作程序； ３ＫＪ、２５ＫＪ等规格的下锤头微动型和锤身微动型程 （４）脚踏板操作程序； 控液压模锻锤新产品。实践表明，该新型程控液压 （５）自动操作程序。 锤具有广阔的推广应用前景。 维普资讯 http://www.cqvip.com １９０ 太原重型机械学院学报 ２００２年 图３液压锤ＰＬＣ控制系统结构图 Ｆｉｇ．３ ＰＬＣ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｈａｍｍｅｒ 参考文献： ［１］ 李永堂，罗上银．液压模锻锤［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９２．２６－７８． ［２］ Ｌｅｉ Ｂｕｆａｎｇ，Ｌｉ Ｙｏｎｇｔａｎｇ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｅｃｏｎｏｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｌｅｃｔｏｒ—ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｈａｍｍｅｒ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉ— ｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９９，１３（１）：６４－６９． ［３］ 李永堂，等．液压锤开环程序控制系统［Ｊ］．太原重型机械学院学报，１９９７，ｌ８（３）：２１４—２ｌ８． ［４］ 雷步芳，等．一种新型液压模锻锤［Ｊ］．锻压机械，１９９７，（６）：１０—１２． Ｎｅｗ Ｔｙｐｅ Ｐｒｏｇｒａｍ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｈａｍｍｅｒ ＬＩ Ｙｏｎｇ－ｔａｎｇ，ＤＵ Ｓｈｉ－ｗｅｎ，ＬＥＩ Ｂｕ－ｆａｎｇ （Ｔａｉｙｕａｎ Ｈｅａｖｙ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００２４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｏｖｅｒｃｏｍｅ ｔｈｅ ｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓ ｏｆ ｓｔｅａｍ—ｄｒｉｖｅｎ ｈａｍｍｅｒ，ｓｕｃｈ ａｓ ｅｎｅｒｇｙ ｗａｓｔｉｎｇ ａｎｄ ｓｅｒｉｏｕｓ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｐｒｏｇｒａｍ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｈａｍｍｅｒｓ ａｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｐａｒａｍ・ ｅｔｅｒｓ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｏｐｅｎ—ｌｏｏｐ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｐｌｕｇ—ｉｎ ｖａｌｖｅｓ ａｎｄ ＰＬＣ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｈａｍｍｅｒ；ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ；ｐｒｏｇｒａｍ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ；ｅｎｅｒｇｙ ｅｃｏｎｏｍｉｚａｔｉｏｎ 李永堂（Ｌ１ Ｙｏｎｇ—ｔａｎｇ），教授，博士，现任太原重型机械学院副院长，材料加工工程学科首席学科 带头人。主要社会兼职有：教育部热工课程教学指导委员会委员；全国材料加工工程教学委员会副主 任委员：山西省学位办学科评议组成员；山西省机械工程学会常务理事；山西省锻压学会理事长等。 多次受省、部级表彰和奖励，１９９４年起享受特殊津贴。１９８４年硕士毕业参加工作以来，一直从事 教学与科研工作，先后承担省、部级以上科研项目２０余项，完成鉴定成果１１项，获省级科技进步奖６ 项 主编的著作、教材有《液压模锻锤》、《液压系统建模与仿真》、《工程热力学》等，发表学术论文近 ８０篇
