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前言
鍛錘是完成鍛造工藝最廉價和萬能的設備，在鍛造工業(yè)中發(fā)揮了和正在發(fā)揮著重要作用，是機械制造業(yè)中量大面廣、不可缺少的一種鍛壓設備。隨著其它一些鍛壓設備如液壓機和機械壓力機等的出現(xiàn)和發(fā)展，在一定程度上取代了一部分鍛錘的工作。但是直到現(xiàn)在，鍛錘尤其是模鍛錘在各國模鍛工業(yè)中仍占主導地位，絕大多數(shù)模鍛件都是在錘上產生的。在美國和西歐一些國家中，錘類模鍛設備占各種設備中的很大一部分，并且其數(shù)量還在不斷增加。
但是，通常使用的蒸——空鍛錘也存在著一些問題，例如：
1、蒸——空錘振動、噪聲大，這不僅惡化了鍛工的工作環(huán)境，而且還影響到廠內外的機加工設備、精密儀器的工作和附近的居民。
2、蒸——空錘需要蒸汽動力設備或空氣壓縮站，這不但增加了投資，而且浪費了人力。
3、蒸——空錘的最大缺點是能量有效率利用率低。錘每次行程排除廢氣的損失，鍋爐內部的損失，再加上由鍋爐房到鍛錘這段較長輸氣管道中的損失，致使蒸汽模鍛錘的熱效率只有1%—3%。即使使用壓縮空氣，其熱效率也不超過5%。
蒸——空鍛錘的能量有效利用率低，考慮到節(jié)約能源、降低成本和環(huán)境保護，人們設想和研究著各種節(jié)能措施，如綜合利用蒸汽能源及通過改善配汽滑閥的結構等來減少熱能的損失。但其效果甚微。
電液錘出現(xiàn)于二十世紀五十年代，并在能源危機的時代得到發(fā)展，到六十年代時已走向成熟，實踐證明，電液錘有著很大的優(yōu)點：如重量輕、造價低、不需要龐大的動力設備等，節(jié)能效果十分顯著。這已成為國際上公認的鍛錘技術改造的基本方向。
第一章 電液錘概述
一、電液錘基本特點
一種新型設備的應用和發(fā)展，必有其特點，電液錘也是如此，與蒸——空鍛錘、對擊錘和高速錘相比，電液錘具有下列優(yōu)點：
1、電液錘能量利用率高，可以節(jié)約能源
與蒸——空鍛錘不同、電液錘采用液壓或液氣驅動。以采用液氣驅動的情況下，工作前向錘的工作氣缸一次充入定量的壓縮氮氣，工作期間并不向外排氣，通過壓力的改變，使定量封閉的氣體進行反復地壓縮蓄能、膨脹作功。輸入的是液體壓力能，得到的是氣體膨脹功并轉變?yōu)榇驌裟芰�。電液錘的主要能源消耗是電機消耗的電能，因此它的能量有效利用率比蒸——空鍛錘高得多。
2、 設備的安裝使用簡單
電液鍛錘簡化了動力裝置，可以節(jié)約投資，液壓系統(tǒng)自成一體，與鍛錘配合緊湊，而且也不復雜。既不需要蒸——空鍛錘所必需的大型動力設備（鍋爐或空氣壓縮站），又可以使用戶安裝方便、上馬快、且占地面積小，從而節(jié)約了投資。
電液錘在工作中，液壓設備的維修工作要比蒸——空鍛錘細致、復雜。此外，電液錘需要適合其工作特性的液壓元件來配套，如質量高，動作迅速可靠的液壓閥以及可靠的密封件等。
二、國外液壓錘簡介
國外生產的液壓錘種類很多，結構各異，驅動方式也不盡相同，但大致可以歸結為兩大類：一類是由液壓動力頭驅動的有砧座式液壓錘；另一類是由液壓或液氣驅動的對擊式液壓錘。
1、液壓動力頭驅動的有砧座式液壓錘
這類液壓錘具有堅固的錘身和砧座結構，形似普通模鍛錘，在錘的頂部裝有流量大、效率高、體積小的液壓動力頭，代替?zhèn)鹘y(tǒng)蒸——空模鍛錘的驅動系統(tǒng)。這種錘可以采用純液壓驅動，也可以采用液氣驅動，其效率比蒸汽或壓縮空氣驅動的有砧座錘提高幾倍到十幾倍。由于采用液壓或液壓氣驅動，容易實現(xiàn)打擊能量、打擊次數(shù)等的程序控制。比較典型的結構是德國LASCO公司生產的KH、KGK系列液壓錘，英國MASSEY公司生產的HYDROSTAMP型液壓錘及捷克和斯洛伐克ZDAS工廠生產的KPH系列液壓錘，俄國新克拉瑪托爾斯克列寧機械廠生產的160KJ和250KJ液壓錘也是這種類型液壓錘。
2、液壓或液氣驅動的對擊式液壓錘
這類錘的共同特點是：采用液壓或液氣聯(lián)合驅動；打擊行程中，在上錘頭下落的同時，下錘頭（或錘身）上跳與上錘頭實現(xiàn)懸空對擊。這不僅吸取了蒸——空模鍛錘、對擊錘和高速錘的優(yōu)點，又在一定程度上克服了它們的缺點。在這一類錘中，德國LASCO公司的GH型電型液壓無砧座錘和捷克斯洛伐克SMERAL廠的KJH系列KHZ錘身升式液壓錘，具有一定的先進性和代表性。
國外的液壓錘沒有自由鍛錘，只有模鍛錘，他們的自由鍛錘仍然采用蒸汽或壓縮空氣做動力源。
3、電液錘的發(fā)展趨勢
總的來看，德國Lasco八十年代中期以前是發(fā)展氣液驅動的KGK系列，近年來已轉向純液壓驅動的HO系列，英國Massey、德國Beche和Eumoco發(fā)展的也是純液壓錘，而美國Ceco發(fā)展的純氣動的動力頭�？梢姡瑐鲃有褪接邢騿我幌到y(tǒng)發(fā)展的趨勢。相比之下，單一系統(tǒng)驅動故障較少靠度性較高，且有回程快，行程次數(shù)高的優(yōu)點。
三、我國電液錘的發(fā)展概況
我國60年代開始研制高速錘，并研制出了快放油式高速錘，通過實踐認識到，早期高速錘也存在一些問題，例如力重比過高，錘身質量小，打擊時容易出現(xiàn)松動，甚至發(fā)生錘身斷裂等問題。另外，由于打擊速度高，空打力太大，模具承受的能量過載大，再加上打擊頻率低，悶模時間長，模具所受的熱負荷大，因此使用一般模具材料時，模具壽命低。為了克服蒸——空錘、對擊錘和高速錘的缺點，又要吸收它們的優(yōu)點，人們自然地把注意力和研究的重點集中到了液壓錘方面，因此，出現(xiàn)了目前對電液錘的研究與應用。
我國研制電液錘始于70年代，雖然起步較晚，但研制方向是正確的，吸收了國外液壓錘設計、制造之成功經(jīng)驗，且具有自己的特色，取得了一定的成績，在研制用液壓動力頭來改造現(xiàn)有蒸——空鍛錘方面也有很大的進展，使我國在傳統(tǒng)的蒸——空鍛錘的發(fā)展革新和更新方面有了一個良好的開端。像北京理工大學鍛壓教研組、西安重型機械研究所、北京異輝機電有限公司等單位，敏銳、遠見卓識，作了大量艱苦和有效的工作。這有效的工作體現(xiàn)在以Lasco的基礎上，向前發(fā)展了，有了自己的專利；表現(xiàn)在自己能設計、能制造，而且立足于國內元件，并已用于鍛造行業(yè)正式生產……這些成果，對機械行業(yè)的鍛錘，也對冶金行業(yè)的鍛錘產生巨大的影響。
四、電液錘的分類
我國目前發(fā)展的電液錘，主要有兩大類，一類是液氣驅動的對擊式錘，稱為砧座微動型電液錘，它們的工作原理的共同特點就是利用液壓回程蓄能，氣體膨脹作功，在上錘頭向下打擊的同時，下錘頭或錘身向上運動與其上錘頭實現(xiàn)對擊；按結構型式不同，它們又可分為錘身微升對擊式和上、下兩錘頭對擊式兩種。另一類就是有固定砧座的，稱為電液錘。液、氣式動力頭，只驅動上錘頭運動，實現(xiàn)鍛錘各種動作。這也是目前應用最廣泛的改造蒸——空鍛錘的技術。
第二章 電液錘改造的范疇
一、鍛壓設備的類型
利用沖擊能量在很短的時間內使工件成型的設備為鍛錘。
鍛壓設備包括鍛錘、水壓機、曲軸鍛壓機、滾鍛機四大部分。其中鍛錘分為蒸空錘、空氣錘、機械錘、液壓錘、燃氣錘五種。蒸——空錘又分為自由鍛錘和模鍛錘，并改造、改裝成電液自由、模鍛錘統(tǒng)稱電液錘。
二、電液錘的改造范疇
電液錘改造是用電液錘動力頭替換原蒸——空鍛錘的汽缸，并與其機身、錘頭等組成新的鍛錘；用液壓站代替鍋爐房或空壓站，向動力頭提供高壓油；將原來的蒸——空氣驅動形式改變?yōu)殡姟⒁候寗有问健?/DIV>
三、電液錘的構成（見附圖一）
電液錘由動力頭、輔助系統(tǒng)、液壓站、電控系統(tǒng)四大部分組成。
動力頭由：連缸梁、落下打擊系統(tǒng)、附氣瓶、蓄能器、專利閥、操縱機構組成。
輔助系統(tǒng)由：管路支架、高壓油路及閥門、回油管路、高低壓氣管路及閥門、冷卻系統(tǒng)管路及閥門、冷卻水裝置組成。
液壓站：油箱體、油泵、控制系統(tǒng)、電機、濾油系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)組成。
控制系統(tǒng)：可編程控制器、電磁溢流閥、電加熱器、冷卻系統(tǒng)、吸油球閥行程開關、壓力繼電器、電結點溫度計、液位控制系統(tǒng)等組成。
四、自由鍛電液錘的基本參數(shù)
注：（1）打擊次數(shù)值，前者為重擊頻次，后者為鍛件精整時的輕擊頻次；
（2）上砧面尺寸值，適用于拱式結構錘，單臂式、橋式結構錘參照該值確定；
（3）導軌間距值，不適合單臂結構錘；
（4）主電機功率，對專用于開坯的錘，為參考值。
第三章 電液錘的主要結構及動作原理
用電液驅動的傳動形式來取代蒸汽——空氣傳動形式是鍛錘技術改造的基本方向。在我國現(xiàn)有的鍛壓設備中，絕大部分是服役超過二十年的老設備。這種錘的能耗指標高，效率低，勞動條件差，維修工作量大，因此，從取得合理經(jīng)濟效益的觀點來看，在研制新型氣動液壓錘的同時，對現(xiàn)有蒸汽—空氣錘研究出合理的改造方案，把這些陳舊設備改造性能優(yōu)良的節(jié)能型液氣錘是十分必要的。國內關于蒸汽—空氣錘的改造已有不少設想，但要從根本上解決問題和提高性能，應利用電液動力裝置進行錘頭換裝，并且配上微機進行控制，是一種較為合理的方案。
一、電液錘的主要結構和工作原理
電液錘的基本結構見電液錘工作原理圖，它的主體是一個箱體，也叫連缸梁，由幾條螺栓通過減震墊固定在原來錘架上氣缸的位置。箱體的中間連有主缸，主缸外部是冷卻油套，循環(huán)冷卻油帶走主缸內部傳出的熱量；主缸上部是與蓄能器上腔相通的保險缸，內有保險活塞；主缸的側下部有兩個孔分別與二級閥和保險閥連通；液壓站來的油通過管路進入連缸梁右上側的主操縱閥和蓄能器中；蓄能器下部的油腔直接與主操縱閥相通，上部通過管路接大氣瓶。
主缸中間裝有錘桿活塞，活塞外徑有Yx形密封圈及O形密封圈將下部的油液和上部的氮氣分隔開，活塞上部受到氣缸內所充氮氣壓力的作用，其作用面積為A驅；活塞下部和錘桿間的環(huán)形面積是回程油壓的作用面積為A回。錘桿與錘頭通過連接器剛性連接。
電液錘驅動頭的基本動作是回程和打擊兩種�；爻虝r，操縱主控閥使蓄能器及壓力管道的高壓油和主缸活塞的下腔相通，只要油壓足夠大，就能克服錘頭的自重和活塞上部氮氣壓力的作用，使錘頭上升，油壓與氣壓的差值越大，錘頭上升的速度就越快。
打擊時，只需操縱主控閥使活塞的下腔與高壓油斷開，并與油箱相通，此時，二級閥的快放油口打開，活塞下部通過大孔徑通道通油箱，因而迅速變?yōu)榈蛪��；钊喜坑械獨鈮毫ψ饔迷贏驅，上，加上錘頭系統(tǒng)的重力使系統(tǒng)加速向下運動直到造成打擊為止。
原蒸——空鍛錘操縱時，有晃錘和急停收錘這樣的動作，電液錘動力頭也可完成這些動作，但須知，不論蒸空錘還是電液錘，這種動作是一種能耗嚴重的動作，對電液錘來說，除加大能耗外，將引起工作油液的顯著溫升，為此將建議使用者改變這一操縱上的舊習慣，盡量避免晃錘和收錘，盡量科學使用電液錘。
二、電液錘的動力頭
電液錘的主體部分是一個箱體，作為工作時短期容油的油箱（不工作時，油箱內油液經(jīng)回油管進入置于地面的液壓站油箱內），并通過顆螺栓固定在原錘架上，該箱體的名稱叫連缸梁。連缸梁上有三個缸體：中間是主缸，一邊是附氣瓶，另一邊是蓄能器；主缸上部與附氣瓶相連，下部通過二級閥、組合閥與蓄能器相連，中間由主活塞分相，主活塞與錘桿做成一體，與錘頭裝配一起，蓄能器上部與地面的大氣瓶相通，上氣下油，中間是活塞分相，下部與液壓站高壓進油管連。
錘的基本動作是回程和打擊，回程時，上提手柄，控制組合閥閥芯，使二級閥、組合閥通道與高壓油相通，高壓油進入主缸下腔，將錘頭頂起回程；打擊時，下壓手柄，使二級閥、組合閥通道接油箱，主缸下腔高壓油大口徑接低壓，迅速排油，錘頭下落實現(xiàn)打擊。要想錘停在某處不動，只須在錘頭到位時將操縱柄回中位，使組合閥高、低油路封死即可；輕輕操縱手柄，讓組合閥開口很小，即能實現(xiàn)慢升慢降。
三、液、氣路系統(tǒng)說明
鍛錘是高打擊能量、高打擊速度、高動作靈活性的鍛造設備。直線驅動部分由蒸——汽驅動改為液壓驅動相當困難，原因是液體在流道內流動阻力與液體流速的平方成正比，在高壓、大流量、高速條件下，普通液壓閥難以勝任。電液錘液壓系統(tǒng)采用定量泵——蓄能器——卸荷閥組成的組合傳動恒壓液源，配以專門開發(fā)的大流量、小操縱力的主操縱閥和小放液損耗的快放液閥，完全解決了油液流速問題。
電液錘液氣系統(tǒng)主要由液壓站單元、蓄能器及大氣罐單元、專利閥單元、冷卻濾油系統(tǒng)等幾大部分組成。主要部件有：板式冷卻器、冷卻濾油系統(tǒng)、液泵電機、液箱、保險閥、主液缸、下堵、錘頭、錘桿、二級閥、減振彈簧、主氣缸、卸荷閥、蓄能器、發(fā)訊裝置等。
電液錘液氣系統(tǒng)基本動作原理是“氣壓驅動，液壓蓄能”。基本動作是打擊和回程。
四、專利閥單元
該單元主要包括：組合閥、二級閥、保險閥、電控卸荷裝置。
組合閥（或稱主操縱閥，專利號87101725.3、 922203800.7）是特殊設計的隨動閥，使用中，用很小的力操縱閥芯，其位置就變?yōu)楹艽蟮囊簤毫Σ睿Ⅱ寗油◤交y運動。通過滑閥通道的改變和開口大小的變化，就可實現(xiàn)錘的回程、打擊和升降功能。
二級閥（或稱快放液閥，專利號87202367.2、 92203799.X）與組合閥相連，是液控開關，靠壓差驅動，它在錘打擊時可在0.01秒內使回程腔油壓降到工作壓力的5%以下，減小能量損失。它的靈活性決定鍛錘的打擊頻次，是液壓性能好壞的關鍵。
保險閥（專利號87214625.1）用于吸收并釋放在急�；蚴斟N時的液壓沖擊產生的過載。這個閥位于回程油腔的下部，是一個中間有浮動活塞的光缸，一端通回程油缸，另一端是一個彈簧，在正常情況下，活塞被彈簧頂死，保險閥關閉。當壓力超過耐壓值時（一般是工作壓力的三倍），活塞被壓力油推動，主腔和油箱相通，放出部分高壓油，保證人員及設備安全。
電控卸荷裝置（專利號92205556.6）裝在蓄能器頂部，檢測蓄能器油滿信號，控制DBW卸荷閥的開閉。油滿時卸荷，不滿時供油，達到節(jié)約能源目的。
第四章 電液錘改造的綜合效益
2000年8月1日北京異輝機電有限公司為北京首鋼特殊鋼有限公司改造的3t自由鍛電液錘正式投入生產，特鋼公司對該錘的節(jié)能效果進行了統(tǒng)計、分析，自2000年9月1日至12月31日其利潤分析如下：
3t蒸汽錘改電液錘效益分析表
3t蒸汽錘改電液錘成本變化部分分析表
3t蒸汽錘改電液錘利潤分析測算標準
一、蒸汽 88元/噸（99年）；二、電 0.4元/kwh；三、液壓油7500元/噸(一次裝油量8.5噸，年凈耗20%)；四、氮氣 18元/瓶(月耗30瓶)；五、固資綜合折舊率99年月均0.547%；六、3t錘產量 月均1000噸，全年產量12000噸。
以上數(shù)據(jù)由首鋼特鋼公司提供。
2000年10月錫鋼集團無錫四方鍛造廠利用世界銀行全球環(huán)境基金貸款，委托北京異輝機電有限公司對其3噸和5噸自由鍛蒸氣錘進行改造，2001年5月8日這兩臺自由鍛電液錘投入生產，至2001年6月7日，該廠對這22天的能耗進行了統(tǒng)計，其結果如下：
改造前，該廠有20t/h鍋爐一臺，自供蒸汽。該廠提供能耗數(shù)據(jù)如下：
一、改造后的能耗狀況：
3噸和5噸自由鍛蒸汽錘改造為電液錘后的能耗狀況如下：
2001/5/8----2001/6/7共生產22天，電表計量：5噸錘消耗電72875 kwh；3噸錘消耗電55858 kwh。
該廠年運行時間250天，
5噸錘年耗電量：72875/22x250=82.813x104kwh
3噸錘年耗電量：55858/22x250=63.475x104kwh
二、節(jié)能效益
該項目實施后，經(jīng)濟效益如下：
原來預計指標:
節(jié)約蒸汽35000t；電液錘運行耗電147X104kwh；
年節(jié)能效益為206.64萬元。
（以上數(shù)據(jù)由無錫四方鍛造廠提供）
電液錘改造投資為150萬元，不到一年，該廠就收回了全部投資。
結論
1949年中華人民共和國成立以前，我國僅有3t以下自由鍛錘數(shù)臺，從1950～1952年經(jīng)濟恢復時期，著手將日本戰(zhàn)敗以后賠償給我國的1臺3t自由鍛錘，2臺5t自由鍛錘修復投產。1953年我國執(zhí)行“一五”計劃時，在蘇聯(lián)援建的156個項目中，有一批機器制造廠的鍛造車間增加了5t以下自由鍛錘若干臺；之后，國內某些重機廠，重型鍛壓機床廠制造了一批5t以下的自由鍛錘供應國內各行業(yè)。
1996年鍛壓協(xié)會經(jīng)概略統(tǒng)計，1～5t自由鍛錘總量約1730臺，其中1t錘700臺，2t錘400臺，3t錘600臺，5t錘25～30臺。
近來隨著民營鍛造企業(yè)的需要，以及自由鍛電液錘在結構和技術上的不斷完善和創(chuàng)新，在對已有蒸(空)自由鍛錘進行節(jié)能改造的同時，又設計制造了單臂、拱式1～5t自由鍛電液錘整機。近幾年又設計制造了落下部分重8t、10t、12t拱式和橋式自由鍛電液錘。有些5t蒸（空）自由鍛錘改成液汽動力頭之后，又改成8t自由鍛電液錘。
早在2003年12月，江蘇金源鍛造有限公司和北京異輝機電有限公司簽訂了利用廢舊10t模鍛錘砧座，設計制造落下部分重8t拱式自由鍛電液錘整機，于2005年4月安裝投產；該錘可以鍛造8～10t鋼錠，由于受裝出料機起重能力的限制，現(xiàn)僅能鍛造6.5t鋼錠。由于新設計的8t拱式自由鍛電液錘性能良好，金源公司又向異輝公司訂購第2臺8t拱式自由鍛電液錘，已于2006年6月交貨。
截至現(xiàn)在，異輝公司已交付用戶使用的自由鍛整機如下：四噸拱式4臺，五噸拱式2臺，八噸拱式11臺（其中橋式2臺）；三噸單臂7臺，四噸單臂3臺，五噸單臂3臺，6噸單臂1臺。正在安裝及制造的5噸拱式3臺，八噸拱式6臺（其中橋式1臺），十噸2臺，三噸單臂2臺，五噸單臂8臺，6噸單臂2臺，八噸單臂1臺。
異輝公司在2004～2006年期間已為重慶特鋼公司、無錫四方鍛造公司及上海新閔重型鍛造公司，將5t拱式（橋式）自由鍛電液錘改造成8t自由鍛電液錘，使用情況良好，由于錘擊能力加大以后，不僅提高了鍛件質量，也提高了鍛件產量，取得了很好的經(jīng)濟效益。
在國際上，自由鍛錘落下部分的重量很少大于5t，現(xiàn)我國開發(fā)了8t、10t、12t自由鍛錘，而且將鍛錘的動力系統(tǒng)由傳統(tǒng)的蒸汽、壓縮空氣改為液汽傳動（液壓油及惰性氣體）。這是我國專家、教授和技術人員經(jīng)過20多年的辛勤勞動，具有自主知識產權的產品，在國際上屬首創(chuàng)。
大型自由鍛電液錘的發(fā)展，將改變大鍛件生產所需重型鍛壓設備的配置。以前，3～8t的鋼錠就要采用6.3～8MN(630~800t)自由鍛液壓機來鍛造，8～12t鋼錠就要采用12.5～16MN（1250～1600t）自由鍛液壓機來鍛造，現(xiàn)在采用8～12t自由鍛電液錘就能鍛造。在設備價格上，液壓機的價格要比鍛錘高數(shù)倍。如8MN自由鍛液壓機要比8t自由鍛錘高2.5～3倍，12.5MN自由鍛液壓機的價格要比8t自由鍛錘高3.5～4倍、比12t自由鍛電液錘高2.5～3倍。在設備維護上，液壓機比鍛錘要復雜得多，且維護費用也要高得多。在鍛件產量上，以8t自由鍛錘為例，配上鍛造操作機后，班產可達20～40t(視鍛件復雜程度、加熱爐配置而定，若用作開坯，其產量還要高)，按兩班制計，年產量可達15000～25000t，其產量與自由鍛液壓機相當。
在鍛造設備中，電液錘是適用范圍廣、經(jīng)濟而實用的設備，只要采用自由鍛和模鍛工藝，電液錘就少不了，也不會被淘汰，其節(jié)能環(huán)保的特性，注定其有旺盛的生命力。
以上部分數(shù)據(jù)來源于鍛協(xié)蔡墉秘書長《國內大型自由鍛發(fā)展近況》一文，在此表示衷心的感謝。最后套用何光遠部長的題詞：“鍛錘改造，節(jié)能環(huán)保，利國利民，功德無量�！� |
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