您的当前位置: 首页 > 锻压文献库 > 自由锻设备 > 正文|
前言
锻锤是完成锻造工艺最廉价和万能的设备，在锻造工业中发挥了和正在发挥着重要作用，是机械制造业中量大面广、不可缺少的一种锻压设备。随着其它一些锻压设备如液压机和机械压力机等的出现和发展，在一定程度上取代了一部分锻锤的工作。但是直到现在，锻锤尤其是模锻锤在各国模锻工业中仍占主导地位，绝大多数模锻件都是在锤上产生的。在美国和西欧一些国家中，锤类模锻设备占各种设备中的很大一部分，并且其数量还在不断增加。
但是，通常使用的蒸——空锻锤也存在着一些问题，例如：
1、蒸——空锤振动、噪声大，这不仅恶化了锻工的工作环境，而且还影响到厂内外的机加工设备、精密仪器的工作和附近的居民。
2、蒸——空锤需要蒸汽动力设备或空气压缩站，这不但增加了投资，而且浪费了人力。
3、蒸——空锤的最大缺点是能量有效率利用率低。锤每次行程排除废气的损失，锅炉内部的损失，再加上由锅炉房到锻锤这段较长输气管道中的损失，致使蒸汽模锻锤的热效率只有1%—3%。即使使用压缩空气，其热效率也不超过5%。
蒸——空锻锤的能量有效利用率低，考虑到节约能源、降低成本和环境保护，人们设想和研究着各种节能措施，如综合利用蒸汽能源及通过改善配汽滑阀的结构等来减少热能的损失。但其效果甚微。
电液锤出现于二十世纪五十年代，并在能源危机的时代得到发展，到六十年代时已走向成熟，实践证明，电液锤有着很大的优点：如重量轻、造价低、不需要庞大的动力设备等，节能效果十分显著。这已成为国际上公认的锻锤技术改造的基本方向。
第一章 电液锤概述
一、电液锤基本特点
一种新型设备的应用和发展，必有其特点，电液锤也是如此，与蒸——空锻锤、对击锤和高速锤相比，电液锤具有下列优点：
1、电液锤能量利用率高，可以节约能源
与蒸——空锻锤不同、电液锤采用液压或液气驱动。以采用液气驱动的情况下，工作前向锤的工作气缸一次充入定量的压缩氮气，工作期间并不向外排气，通过压力的改变，使定量封闭的气体进行反复地压缩蓄能、膨胀作功。输入的是液体压力能，得到的是气体膨胀功并转变为打击能量。电液锤的主要能源消耗是电机消耗的电能，因此它的能量有效利用率比蒸——空锻锤高得多。
2、 设备的安装使用简单
电液锻锤简化了动力装置，可以节约投资，液压系统自成一体，与锻锤配合紧凑，而且也不复杂。既不需要蒸——空锻锤所必需的大型动力设备（锅炉或空气压缩站），又可以使用户安装方便、上马快、且占地面积小，从而节约了投资。
电液锤在工作中，液压设备的维修工作要比蒸——空锻锤细致、复杂。此外，电液锤需要适合其工作特性的液压元件来配套，如质量高，动作迅速可靠的液压阀以及可靠的密封件等。
二、国外液压锤简介
国外生产的液压锤种类很多，结构各异，驱动方式也不尽相同，但大致可以归结为两大类：一类是由液压动力头驱动的有砧座式液压锤；另一类是由液压或液气驱动的对击式液压锤。
1、液压动力头驱动的有砧座式液压锤
这类液压锤具有坚固的锤身和砧座结构，形似普通模锻锤，在锤的顶部装有流量大、效率高、体积小的液压动力头，代替传统蒸——空模锻锤的驱动系统。这种锤可以采用纯液压驱动，也可以采用液气驱动，其效率比蒸汽或压缩空气驱动的有砧座锤提高几倍到十几倍。由于采用液压或液压气驱动，容易实现打击能量、打击次数等的程序控制。比较典型的结构是德国LASCO公司生产的KH、KGK系列液压锤，英国MASSEY公司生产的HYDROSTAMP型液压锤及捷克和斯洛伐克ZDAS工厂生产的KPH系列液压锤，俄国新克拉玛托尔斯克列宁机械厂生产的160KJ和250KJ液压锤也是这种类型液压锤。
2、液压或液气驱动的对击式液压锤
这类锤的共同特点是：采用液压或液气联合驱动；打击行程中，在上锤头下落的同时，下锤头（或锤身）上跳与上锤头实现悬空对击。这不仅吸取了蒸——空模锻锤、对击锤和高速锤的优点，又在一定程度上克服了它们的缺点。在这一类锤中，德国LASCO公司的GH型电型液压无砧座锤和捷克斯洛伐克SMERAL厂的KJH系列KHZ锤身升式液压锤，具有一定的先进性和代表性。
国外的液压锤没有自由锻锤，只有模锻锤，他们的自由锻锤仍然采用蒸汽或压缩空气做动力源。
3、电液锤的发展趋势
总的来看，德国Lasco八十年代中期以前是发展气液驱动的KGK系列，近年来已转向纯液压驱动的HO系列，英国Massey、德国Beche和Eumoco发展的也是纯液压锤，而美国Ceco发展的纯气动的动力头。可见，传动型式有向单一系统发展的趋势。相比之下，单一系统驱动故障较少靠度性较高，且有回程快，行程次数高的优点。
三、我国电液锤的发展概况
我国60年代开始研制高速锤，并研制出了快放油式高速锤，通过实践认识到，早期高速锤也存在一些问题，例如力重比过高，锤身质量小，打击时容易出现松动，甚至发生锤身断裂等问题。另外，由于打击速度高，空打力太大，模具承受的能量过载大，再加上打击频率低，闷模时间长，模具所受的热负荷大，因此使用一般模具材料时，模具寿命低。为了克服蒸——空锤、对击锤和高速锤的缺点，又要吸收它们的优点，人们自然地把注意力和研究的重点集中到了液压锤方面，因此，出现了目前对电液锤的研究与应用。
我国研制电液锤始于70年代，虽然起步较晚，但研制方向是正确的，吸收了国外液压锤设计、制造之成功经验，且具有自己的特色，取得了一定的成绩，在研制用液压动力头来改造现有蒸——空锻锤方面也有很大的进展，使我国在传统的蒸——空锻锤的发展革新和更新方面有了一个良好的开端。像北京理工大学锻压教研组、西安重型机械研究所、北京异辉机电有限公司等单位，敏锐、远见卓识，作了大量艰苦和有效的工作。这有效的工作体现在以Lasco的基础上，向前发展了，有了自己的专利；表现在自己能设计、能制造，而且立足于国内元件，并已用于锻造行业正式生产……这些成果，对机械行业的锻锤，也对冶金行业的锻锤产生巨大的影响。
四、电液锤的分类
我国目前发展的电液锤，主要有两大类，一类是液气驱动的对击式锤，称为砧座微动型电液锤，它们的工作原理的共同特点就是利用液压回程蓄能，气体膨胀作功，在上锤头向下打击的同时，下锤头或锤身向上运动与其上锤头实现对击；按结构型式不同，它们又可分为锤身微升对击式和上、下两锤头对击式两种。另一类就是有固定砧座的，称为电液锤。液、气式动力头，只驱动上锤头运动，实现锻锤各种动作。这也是目前应用最广泛的改造蒸——空锻锤的技术。
第二章 电液锤改造的范畴
一、锻压设备的类型
利用冲击能量在很短的时间内使工件成型的设备为锻锤。
锻压设备包括锻锤、水压机、曲轴锻压机、滚锻机四大部分。其中锻锤分为蒸空锤、空气锤、机械锤、液压锤、燃气锤五种。蒸——空锤又分为自由锻锤和模锻锤，并改造、改装成电液自由、模锻锤统称电液锤。
二、电液锤的改造范畴
电液锤改造是用电液锤动力头替换原蒸——空锻锤的汽缸，并与其机身、锤头等组成新的锻锤；用液压站代替锅炉房或空压站，向动力头提供高压油；将原来的蒸——空气驱动形式改变为电、液驱动形式。
三、电液锤的构成（见附图一）
电液锤由动力头、辅助系统、液压站、电控系统四大部分组成。
动力头由：连缸梁、落下打击系统、附气瓶、蓄能器、专利阀、操纵机构组成。
辅助系统由：管路支架、高压油路及阀门、回油管路、高低压气管路及阀门、冷却系统管路及阀门、冷却水装置组成。
液压站：油箱体、油泵、控制系统、电机、滤油系统和冷却系统组成。
控制系统：可编程控制器、电磁溢流阀、电加热器、冷却系统、吸油球阀行程开关、压力继电器、电结点温度计、液位控制系统等组成。
四、自由锻电液锤的基本参数
注：（1）打击次数值，前者为重击频次，后者为锻件精整时的轻击频次；
（2）上砧面尺寸值，适用于拱式结构锤，单臂式、桥式结构锤参照该值确定；
（3）导轨间距值，不适合单臂结构锤；
（4）主电机功率，对专用于开坯的锤，为参考值。
第三章 电液锤的主要结构及动作原理
用电液驱动的传动形式来取代蒸汽——空气传动形式是锻锤技术改造的基本方向。在我国现有的锻压设备中，绝大部分是服役超过二十年的老设备。这种锤的能耗指标高，效率低，劳动条件差，维修工作量大，因此，从取得合理经济效益的观点来看，在研制新型气动液压锤的同时，对现有蒸汽—空气锤研究出合理的改造方案，把这些陈旧设备改造性能优良的节能型液气锤是十分必要的。国内关于蒸汽—空气锤的改造已有不少设想，但要从根本上解决问题和提高性能，应利用电液动力装置进行锤头换装，并且配上微机进行控制，是一种较为合理的方案。
一、电液锤的主要结构和工作原理
电液锤的基本结构见电液锤工作原理图，它的主体是一个箱体，也叫连缸梁，由几条螺栓通过减震垫固定在原来锤架上气缸的位置。箱体的中间连有主缸，主缸外部是冷却油套，循环冷却油带走主缸内部传出的热量；主缸上部是与蓄能器上腔相通的保险缸，内有保险活塞；主缸的侧下部有两个孔分别与二级阀和保险阀连通；液压站来的油通过管路进入连缸梁右上侧的主操纵阀和蓄能器中；蓄能器下部的油腔直接与主操纵阀相通，上部通过管路接大气瓶。
主缸中间装有锤杆活塞，活塞外径有Yx形密封圈及O形密封圈将下部的油液和上部的氮气分隔开，活塞上部受到气缸内所充氮气压力的作用，其作用面积为A驱；活塞下部和锤杆间的环形面积是回程油压的作用面积为A回。锤杆与锤头通过连接器刚性连接。
电液锤驱动头的基本动作是回程和打击两种。回程时，操纵主控阀使蓄能器及压力管道的高压油和主缸活塞的下腔相通，只要油压足够大，就能克服锤头的自重和活塞上部氮气压力的作用，使锤头上升，油压与气压的差值越大，锤头上升的速度就越快。
打击时，只需操纵主控阀使活塞的下腔与高压油断开，并与油箱相通，此时，二级阀的快放油口打开，活塞下部通过大孔径通道通油箱，因而迅速变为低压。活塞上部有氮气压力作用在A驱，上，加上锤头系统的重力使系统加速向下运动直到造成打击为止。
原蒸——空锻锤操纵时，有晃锤和急停收锤这样的动作，电液锤动力头也可完成这些动作，但须知，不论蒸空锤还是电液锤，这种动作是一种能耗严重的动作，对电液锤来说，除加大能耗外，将引起工作油液的显著温升，为此将建议使用者改变这一操纵上的旧习惯，尽量避免晃锤和收锤，尽量科学使用电液锤。
二、电液锤的动力头
电液锤的主体部分是一个箱体，作为工作时短期容油的油箱（不工作时，油箱内油液经回油管进入置于地面的液压站油箱内），并通过颗螺栓固定在原锤架上，该箱体的名称叫连缸梁。连缸梁上有三个缸体：中间是主缸，一边是附气瓶，另一边是蓄能器；主缸上部与附气瓶相连，下部通过二级阀、组合阀与蓄能器相连，中间由主活塞分相，主活塞与锤杆做成一体，与锤头装配一起，蓄能器上部与地面的大气瓶相通，上气下油，中间是活塞分相，下部与液压站高压进油管连。
锤的基本动作是回程和打击，回程时，上提手柄，控制组合阀阀芯，使二级阀、组合阀通道与高压油相通，高压油进入主缸下腔，将锤头顶起回程；打击时，下压手柄，使二级阀、组合阀通道接油箱，主缸下腔高压油大口径接低压，迅速排油，锤头下落实现打击。要想锤停在某处不动，只须在锤头到位时将操纵柄回中位，使组合阀高、低油路封死即可；轻轻操纵手柄，让组合阀开口很小，即能实现慢升慢降。
三、液、气路系统说明
锻锤是高打击能量、高打击速度、高动作灵活性的锻造设备。直线驱动部分由蒸——汽驱动改为液压驱动相当困难，原因是液体在流道内流动阻力与液体流速的平方成正比，在高压、大流量、高速条件下，普通液压阀难以胜任。电液锤液压系统采用定量泵——蓄能器——卸荷阀组成的组合传动恒压液源，配以专门开发的大流量、小操纵力的主操纵阀和小放液损耗的快放液阀，完全解决了油液流速问题。
电液锤液气系统主要由液压站单元、蓄能器及大气罐单元、专利阀单元、冷却滤油系统等几大部分组成。主要部件有：板式冷却器、冷却滤油系统、液泵电机、液箱、保险阀、主液缸、下堵、锤头、锤杆、二级阀、减振弹簧、主气缸、卸荷阀、蓄能器、发讯装置等。
电液锤液气系统基本动作原理是“气压驱动，液压蓄能”。基本动作是打击和回程。
四、专利阀单元
该单元主要包括：组合阀、二级阀、保险阀、电控卸荷装置。
组合阀（或称主操纵阀，专利号87101725.3、 922203800.7）是特殊设计的随动阀，使用中，用很小的力操纵阀芯，其位置就变为很大的液压力差，并驱动通径滑阀运动。通过滑阀通道的改变和开口大小的变化，就可实现锤的回程、打击和升降功能。
二级阀（或称快放液阀，专利号87202367.2、 92203799.X）与组合阀相连，是液控开关，靠压差驱动，它在锤打击时可在0.01秒内使回程腔油压降到工作压力的5%以下，减小能量损失。它的灵活性决定锻锤的打击频次，是液压性能好坏的关键。
保险阀（专利号87214625.1）用于吸收并释放在急停或收锤时的液压冲击产生的过载。这个阀位于回程油腔的下部，是一个中间有浮动活塞的光缸，一端通回程油缸，另一端是一个弹簧，在正常情况下，活塞被弹簧顶死，保险阀关闭。当压力超过耐压值时（一般是工作压力的三倍），活塞被压力油推动，主腔和油箱相通，放出部分高压油，保证人员及设备安全。
电控卸荷装置（专利号92205556.6）装在蓄能器顶部，检测蓄能器油满信号，控制DBW卸荷阀的开闭。油满时卸荷，不满时供油，达到节约能源目的。
第四章 电液锤改造的综合效益
2000年8月1日北京异辉机电有限公司为北京首钢特殊钢有限公司改造的3t自由锻电液锤正式投入生产，特钢公司对该锤的节能效果进行了统计、分析，自2000年9月1日至12月31日其利润分析如下：
3t蒸汽锤改电液锤效益分析表
3t蒸汽锤改电液锤成本变化部分分析表
3t蒸汽锤改电液锤利润分析测算标准
一、蒸汽 88元/吨（99年）；二、电 0.4元/kwh；三、液压油7500元/吨(一次装油量8.5吨，年净耗20%)；四、氮气 18元/瓶(月耗30瓶)；五、固资综合折旧率99年月均0.547%；六、3t锤产量 月均1000吨，全年产量12000吨。
以上数据由首钢特钢公司提供。
2000年10月锡钢集团无锡四方锻造厂利用世界银行全球环境基金贷款，委托北京异辉机电有限公司对其3吨和5吨自由锻蒸气锤进行改造，2001年5月8日这两台自由锻电液锤投入生产，至2001年6月7日，该厂对这22天的能耗进行了统计，其结果如下：
改造前，该厂有20t/h锅炉一台，自供蒸汽。该厂提供能耗数据如下：
一、改造后的能耗状况：
3吨和5吨自由锻蒸汽锤改造为电液锤后的能耗状况如下：
2001/5/8----2001/6/7共生产22天，电表计量：5吨锤消耗电72875 kwh；3吨锤消耗电55858 kwh。
该厂年运行时间250天，
5吨锤年耗电量：72875/22x250=82.813x104kwh
3吨锤年耗电量：55858/22x250=63.475x104kwh
二、节能效益
该项目实施后，经济效益如下：
原来预计指标:
节约蒸汽35000t；电液锤运行耗电147X104kwh；
年节能效益为206.64万元。
（以上数据由无锡四方锻造厂提供）
电液锤改造投资为150万元，不到一年，该厂就收回了全部投资。
结论
1949年中华人民共和国成立以前，我国仅有3t以下自由锻锤数台，从1950～1952年经济恢复时期，着手将日本战败以后赔偿给我国的1台3t自由锻锤，2台5t自由锻锤修复投产。1953年我国执行“一五”计划时，在苏联援建的156个项目中，有一批机器制造厂的锻造车间增加了5t以下自由锻锤若干台；之后，国内某些重机厂，重型锻压机床厂制造了一批5t以下的自由锻锤供应国内各行业。
1996年锻压协会经概略统计，1～5t自由锻锤总量约1730台，其中1t锤700台，2t锤400台，3t锤600台，5t锤25～30台。
近来随着民营锻造企业的需要，以及自由锻电液锤在结构和技术上的不断完善和创新，在对已有蒸(空)自由锻锤进行节能改造的同时，又设计制造了单臂、拱式1～5t自由锻电液锤整机。近几年又设计制造了落下部分重8t、10t、12t拱式和桥式自由锻电液锤。有些5t蒸（空）自由锻锤改成液汽动力头之后，又改成8t自由锻电液锤。
早在2003年12月，江苏金源锻造有限公司和北京异辉机电有限公司签订了利用废旧10t模锻锤砧座，设计制造落下部分重8t拱式自由锻电液锤整机，于2005年4月安装投产；该锤可以锻造8～10t钢锭，由于受装出料机起重能力的限制，现仅能锻造6.5t钢锭。由于新设计的8t拱式自由锻电液锤性能良好，金源公司又向异辉公司订购第2台8t拱式自由锻电液锤，已于2006年6月交货。
截至现在，异辉公司已交付用户使用的自由锻整机如下：四吨拱式4台，五吨拱式2台，八吨拱式11台（其中桥式2台）；三吨单臂7台，四吨单臂3台，五吨单臂3台，6吨单臂1台。正在安装及制造的5吨拱式3台，八吨拱式6台（其中桥式1台），十吨2台，三吨单臂2台，五吨单臂8台，6吨单臂2台，八吨单臂1台。
异辉公司在2004～2006年期间已为重庆特钢公司、无锡四方锻造公司及上海新闵重型锻造公司，将5t拱式（桥式）自由锻电液锤改造成8t自由锻电液锤，使用情况良好，由于锤击能力加大以后，不仅提高了锻件质量，也提高了锻件产量，取得了很好的经济效益。
在国际上，自由锻锤落下部分的重量很少大于5t，现我国开发了8t、10t、12t自由锻锤，而且将锻锤的动力系统由传统的蒸汽、压缩空气改为液汽传动（液压油及惰性气体）。这是我国专家、教授和技术人员经过20多年的辛勤劳动，具有自主知识产权的产品，在国际上属首创。
大型自由锻电液锤的发展，将改变大锻件生产所需重型锻压设备的配置。以前，3～8t的钢锭就要采用6.3～8MN(630~800t)自由锻液压机来锻造，8～12t钢锭就要采用12.5～16MN（1250～1600t）自由锻液压机来锻造，现在采用8～12t自由锻电液锤就能锻造。在设备价格上，液压机的价格要比锻锤高数倍。如8MN自由锻液压机要比8t自由锻锤高2.5～3倍，12.5MN自由锻液压机的价格要比8t自由锻锤高3.5～4倍、比12t自由锻电液锤高2.5～3倍。在设备维护上，液压机比锻锤要复杂得多，且维护费用也要高得多。在锻件产量上，以8t自由锻锤为例，配上锻造操作机后，班产可达20～40t(视锻件复杂程度、加热炉配置而定，若用作开坯，其产量还要高)，按两班制计，年产量可达15000～25000t，其产量与自由锻液压机相当。
在锻造设备中，电液锤是适用范围广、经济而实用的设备，只要采用自由锻和模锻工艺，电液锤就少不了，也不会被淘汰，其节能环保的特性，注定其有旺盛的生命力。
以上部分数据来源于锻协蔡墉秘书长《国内大型自由锻发展近况》一文，在此表示衷心的感谢。最后套用何光远部长的题词：“锻锤改造，节能环保，利国利民，功德无量。” |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
