作者简介：刘宏献（1966-），男，河南安阳人，高级工程师，学士，主要从事液压机械的研究与开发。
0 引言
锻锤广泛应用于机械、钢铁、有色冶金、铁路机车、船舶、风电核电、航空航天等行业的金属自由锻件和模锻件的生产，具有锻造能力强、成型速度快、金属流动性好，锻件质量高的特点，特别是在模锻件薄壁零件和复杂零件的锻造成型方面具有很大的优势，是锻造设备中的万能设备，具有悠久的生产历史。随着液压技术、电子技术、减震技术的发展，锻锤由20世纪末的气液驱动电液锤逐步发展到无震动、能源利用率高、打击能量控制精确、故障率低的全液压锻锤，锻锤的打击能力和规格也越来越大，目前安阳锻压生产的最大全液压锻锤的打击能量可达到520kJ，落下锤头部分质量达到20t。但是随着全液压锻锤吨位的增大，锻锤液压系统内液压冲击对设备造成的危害也越来越来大，这些冲击力作用在管道、油缸、液压元件、密封件等身上，从而造成油缸、管道、管卡、接头等焊接部件开裂、密封失效等故障，甚至造成管道暴裂或接头拔脱，造成火灾等特大安全事故，严重威胁着生产安全。本研究简要介绍了锻锤液压系统的工作原理，对该液压系统产生液压冲击的原因和控制措施进行了分析研究，提出一些对液压冲击进行缓解和控制吸收的解决方案。
1. 液压系统的工作原理
全液压锻锤是指锤头的打击和回程均为液压油驱动的锻锤，即锤杆活塞下腔常通高压油，通过手动主控阀的开启与关闭控制活塞上腔液压油的进、出与封闭来实现锤头的快速打击、回程和悬锤，该类设备最高打击频次为120次/min，最大打击速度为7.5m/s。其液压系统具有流量大、耐污染、切换频次高的特点，手动主控阀为安锻公司发明的专利三级控制伺服阀，其最高通流量可达25 000L/min，工作压力9～12MPa，其它控制液压元件采用标准件。
该类设备液压系统原理如图1所示，电机启动后，油泵1排出的压力油通过管道进入补油蓄能器4和锤杆的下腔，使锤杆活塞下腔时常保持有高压油，锤头8保持上升趋势。此时操作手柄处于中位，手动主控阀5封闭锤杆活塞上腔，锤头8处于初始悬锤位置。当补油蓄能器4内压力油充满后，触发感应开关发出油泵卸荷信号，电机-油泵空载运转，设备启动结束。
图1 液压系统原理图
锤头8向下打击时，操作手柄下拉到打击位，手动主控阀5的阀芯抬起，关闭锤杆活塞上腔回油通路，同时接通锤杆活塞的上、下腔，油泵1、补油蓄能器4一起排出的压力油和锤杆活塞下腔的液压油，共同进入锤杆活塞上腔，推动锤头8快速下行，实现差动快速打击。打击完成后，操作手柄快速拉到上行位置，手动主控阀5的阀芯迅速关闭，隔断锤杆活塞上腔进油通路，接通锤杆活塞上腔回油通路，锤杆活塞下腔的压力油推动活塞杆快速回程，当锤头8快速接近顶端时进入缓冲减速行程，缓慢柔性停留在上限位，完成一次打击过程,然后拉动操作手柄快速进入下一个打击循环。
2. 液压冲击产生的原因分析
当液压系统中的阀门骤然关闭时，管道中原来动能将转为压势能，在阀门前出现压力升高，其值可能危及液压系统的元件，并伴有震动和噪声；反之当阀门骤然开启时，则会出现压力下降，当其绝对压力降低于液体的饱和蒸汽压力时则会出现气穴现象，这两种骤然开关所发生的液压冲击，被称为直接液压冲击［1］。锻锤的在连续的打击和提锤时，控制液压阀不断的高频次关闭、开启，造成管道内液流速度和方向的快速变化，从而产生对系统的直接液压冲击，由于该类设备布局松散（见图2），液压站与主机之间的管道非常长，而且管道直径比较大、数量多，产生液压冲击的危害非常大。在该设备系统中主要有以下几个节点易产生液压冲击。
图2 设备布置简图
（1）第1个节点是液压站内油泵1压力油出口和单向阀9之间短管内的液压冲击，当电磁卸荷溢流阀10在每次建压和卸荷时，都在泵站油箱内产生很高的冲击噪声，这一是由于系统管道内的液流流量和流速比较大，电磁卸荷溢流阀10的快速切换，急速改变了液流的方向；二是在整个工作过程中从油泵口到工作油缸之间的管道内始终储存有高压压力油，所以，电磁卸荷溢流阀10在每次建压和卸荷时，油泵出口的压力都是骤然从0升到12MPa或从12MPa降到0，导致产生直接液压冲击，并且由于锻锤处于高频次连续打击工作状态，切换比较频繁，这里的直接冲击对油泵1、电磁卸荷溢流阀10危害比较大。
（2）第2个节点是单向阀7和单向阀9之间的高压管道内的液压冲击，在打击过程中，两单向阀之间的高压管道内有水锤冲击噪音，并伴有激烈震动，经过仔细的观察发现每次打击收锤时，系统管道内压力骤然都会升高，每次产生的压力都在系统工作压力的1.5～2倍范围内波动。这是由于锻锤在由打击阶段快速转换为提锤阶段时，单向阀7、单向阀9快速关闭、打开时，管道内的液流速度发生急剧瞬时变化，导致管道内压力骤然陡升；同时锤头8质量非常大，打击速度又比较高，惯性非常大，瞬间提锤压力需要非常高，加剧了封闭管道内的液压冲击，这个接点的焊缝、管夹、接头在高频液压冲击力的作用下特别容易开裂和损坏。
（3）第3个节点是液压动力头内锤头油缸3内的压力冲击，在主控阀5频繁的切换提锤-打击时，单向阀7也不间断的开启-关闭，系统内液流速度的反复出现瞬时变化和提锤时克服锤头惯性力需要很大的压力，在油缸3内瞬时封闭的空间里形成强烈的液压冲击，易造成胀缸、密封损坏等设备故障。
3. 液压冲击解决措施的应用研究
以上3个节点内的噪声、震动都是由于系统内液流速度和压力的骤然变化导致的直接液压冲击产生的，解决此类问题常用措施是：采用设置节流阻尼塞或可调节阻尼节流阀，控制阀芯开口由小到大缓慢逐步开启，调整延长启闭时间［2］，减缓液压冲击的产生；在紧靠冲击源附近设置安全卸荷阀，当系统压力超过额定值时，安全卸荷阀开启释放压力；在易产生液压冲击源前设置吸收冲击的蓄能器，吸收冲击能，减少对管道、液压阀的压力冲击。根据这些措施,我们分别在管道、锤头油缸和油泵压力油出口安装了吸震蓄能器和安全卸荷阀，为了得到更好的缓震效果，3个节点的安全卸荷阀和吸震蓄能器分别采取了以下技术措施。
（1）第一个节点内的电磁卸荷溢流阀10是由插装阀、二位四通换向阀和溢流调压阀盖组成，主要功能为安全溢流、限制系统压力的作用，调压范围为0～12MPa。为能够有效提高该阀的响应特性和在压力脉动较小时能够有效的卸油，防止响应迟钝而造成压力超高，主插装阀的弹簧刚度不易过小［3］，开启压力选择0.4MPa，同时先导阀弹簧刚度不宜过大，控制压力油通过主插装阀引入先导阀。同时为了防止主插装阀骤然启闭产生激烈的液压冲击，在二位四通换向阀和溢流调压阀盖连接处设置?1.8mm节流阻尼塞［4］，主插装阀选用带锥型节流缓冲阻尼头的插装阀［5］，这样延长主插装阀的阀口开启时间，减缓液压冲击的产生。
（2）第二个节点管道内液压冲击的危害是最严重的，在这段节点内应提高安全防护可靠性，根据系统流量的大小分别安装2～4个吸震蓄能器6和安全卸荷阀2。这里的安全卸荷阀2是由插装阀和溢流调压阀盖组成，为了提高该阀卸荷的灵敏性，主插装阀选用基本型带节流阻尼孔的插装阀，控制压力油通过主插装阀引入先导阀，同时主插装阀的弹簧刚度和先导阀弹簧刚度均不宜过大。吸震蓄能器的容积（25L）不能太小，否则，吸收能力不够；蓄能器与管道连接口的直径也不能太小，应接近于管道直径的2/3，这样有利于冲击能的吸收；蓄能器在结构上选择轴向压缩波纹胶囊式NXQ蓄能器，它具有惯性小，反映灵敏，吸收冲击能力强的优点。在这个节点内，管道震动也是液压脉动冲击造成的危害之一。由于管道壁厚的增大，管道固有频率升高，对管道系统的响应具有较强的衰减作用［6］，从而导致管道系统总体的振动幅度减小，因此，管道壁厚由12mm增加到15mm。另外，增加管夹个数，也可有效降低管道震动，在锻锤安装中保证管夹间距800mm。
（3）在第3个节点内采取与第2个节点内的相同的防护措施，分别安装两个大容积补油蓄能器4和安全卸荷阀2，不同的是补油蓄能器的采用活塞式结构，因为该处两个补油个蓄能器主要以向系统大流量补油为主，吸收冲击震动仅是其辅助功能。
4. 结论
锻锤由于锻造工况的特点，系统液压冲击的产生是不可避免的，因此如何吸收和减缓液压冲击，是锻锤液压系统需要解决的重要解决问题之一。在实际应用中，不能单独依靠一种缓冲吸震技术来解决，应综合应用节流缓冲、超压力卸荷、蓄能器吸震等相结合的复合技术，液压元件应选择响应快的压力卸荷阀和吸震能力强的大容量蓄能器，并且在产生液压冲击的各个节点设置复式卸荷和吸震系统，就能够很好地解决高频、大流量系统液压冲击问题。目前这种复合式卸荷和吸震技术广泛应用于锻锤系统上，效果明显，设备震动小，提高了设备的稳定性和安全性。
参考文献
[1] 雷天觉主编.新编液压工程手册[M].北京:北京理工大学出版社,1998.
[2] 王林,王东升,来安社.解决液压冲击和负载冲击危害的方法[J].液压气动与密封,2010,(5)：121-123.
[3] 张仅,周瑞祥,王树宏,等.燃油管路中安全阀抑制压力脉动的仿真分析[J].液压与气动,2014,(5)：13-17.
[4] 裴学智.液压冲击消除措施的探讨与应用[J].液压气动与密封,2010,(2)：9-11.
[5] 郝兴安,廖晓林.管端加厚机液压冲击的分析与处理[J].液压与气动,2014,(2)：121-123.
[6] 谢安桓,柯银燕,黎申,等.脉动流激励下液压管道振动特性分析[J].液压与气动,2014,(9)：117-120.
作者简介：刘宏献（1966-），男，河南安阳人，高级工程师，学士，主要从事液压机械的研究与开发。
0 引言
锻锤广泛应用于机械、钢铁、有色冶金、铁路机车、船舶、风电核电、航空航天等行业的金属自由锻件和模锻件的生产，具有锻造能力强、成型速度快、金属流动性好，锻件质量高的特点，特别是在模锻件薄壁零件和复杂零件的锻造成型方面具有很大的优势，是锻造设备中的万能设备，具有悠久的生产历史。随着液压技术、电子技术、减震技术的发展，锻锤由20世纪末的气液驱动电液锤逐步发展到无震动、能源利用率高、打击能量控制精确、故障率低的全液压锻锤，锻锤的打击能力和规格也越来越大，目前安阳锻压生产的最大全液压锻锤的打击能量可达到520kJ，落下锤头部分质量达到20t。但是随着全液压锻锤吨位的增大，锻锤液压系统内液压冲击对设备造成的危害也越来越来大，这些冲击力作用在管道、油缸、液压元件、密封件等身上，从而造成油缸、管道、管卡、接头等焊接部件开裂、密封失效等故障，甚至造成管道暴裂或接头拔脱，造成火灾等特大安全事故，严重威胁着生产安全。本研究简要介绍了锻锤液压系统的工作原理，对该液压系统产生液压冲击的原因和控制措施进行了分析研究，提出一些对液压冲击进行缓解和控制吸收的解决方案。
1. 液压系统的工作原理
全液压锻锤是指锤头的打击和回程均为液压油驱动的锻锤，即锤杆活塞下腔常通高压油，通过手动主控阀的开启与关闭控制活塞上腔液压油的进、出与封闭来实现锤头的快速打击、回程和悬锤，该类设备最高打击频次为120次/min，最大打击速度为7.5m/s。其液压系统具有流量大、耐污染、切换频次高的特点，手动主控阀为安锻公司发明的专利三级控制伺服阀，其最高通流量可达25 000L/min，工作压力9～12MPa，其它控制液压元件采用标准件。
该类设备液压系统原理如图1所示，电机启动后，油泵1排出的压力油通过管道进入补油蓄能器4和锤杆的下腔，使锤杆活塞下腔时常保持有高压油，锤头8保持上升趋势。此时操作手柄处于中位，手动主控阀5封闭锤杆活塞上腔，锤头8处于初始悬锤位置。当补油蓄能器4内压力油充满后，触发感应开关发出油泵卸荷信号，电机-油泵空载运转，设备启动结束。
图1 液压系统原理图
锤头8向下打击时，操作手柄下拉到打击位，手动主控阀5的阀芯抬起，关闭锤杆活塞上腔回油通路，同时接通锤杆活塞的上、下腔，油泵1、补油蓄能器4一起排出的压力油和锤杆活塞下腔的液压油，共同进入锤杆活塞上腔，推动锤头8快速下行，实现差动快速打击。打击完成后，操作手柄快速拉到上行位置，手动主控阀5的阀芯迅速关闭，隔断锤杆活塞上腔进油通路，接通锤杆活塞上腔回油通路，锤杆活塞下腔的压力油推动活塞杆快速回程，当锤头8快速接近顶端时进入缓冲减速行程，缓慢柔性停留在上限位，完成一次打击过程,然后拉动操作手柄快速进入下一个打击循环。
2. 液压冲击产生的原因分析
当液压系统中的阀门骤然关闭时，管道中原来动能将转为压势能，在阀门前出现压力升高，其值可能危及液压系统的元件，并伴有震动和噪声；反之当阀门骤然开启时，则会出现压力下降，当其绝对压力降低于液体的饱和蒸汽压力时则会出现气穴现象，这两种骤然开关所发生的液压冲击，被称为直接液压冲击［1］。锻锤的在连续的打击和提锤时，控制液压阀不断的高频次关闭、开启，造成管道内液流速度和方向的快速变化，从而产生对系统的直接液压冲击，由于该类设备布局松散（见图2），液压站与主机之间的管道非常长，而且管道直径比较大、数量多，产生液压冲击的危害非常大。在该设备系统中主要有以下几个节点易产生液压冲击。
图2 设备布置简图
（1）第1个节点是液压站内油泵1压力油出口和单向阀9之间短管内的液压冲击，当电磁卸荷溢流阀10在每次建压和卸荷时，都在泵站油箱内产生很高的冲击噪声，这一是由于系统管道内的液流流量和流速比较大，电磁卸荷溢流阀10的快速切换，急速改变了液流的方向；二是在整个工作过程中从油泵口到工作油缸之间的管道内始终储存有高压压力油，所以，电磁卸荷溢流阀10在每次建压和卸荷时，油泵出口的压力都是骤然从0升到12MPa或从12MPa降到0，导致产生直接液压冲击，并且由于锻锤处于高频次连续打击工作状态，切换比较频繁，这里的直接冲击对油泵1、电磁卸荷溢流阀10危害比较大。
（2）第2个节点是单向阀7和单向阀9之间的高压管道内的液压冲击，在打击过程中，两单向阀之间的高压管道内有水锤冲击噪音，并伴有激烈震动，经过仔细的观察发现每次打击收锤时，系统管道内压力骤然都会升高，每次产生的压力都在系统工作压力的1.5～2倍范围内波动。这是由于锻锤在由打击阶段快速转换为提锤阶段时，单向阀7、单向阀9快速关闭、打开时，管道内的液流速度发生急剧瞬时变化，导致管道内压力骤然陡升；同时锤头8质量非常大，打击速度又比较高，惯性非常大，瞬间提锤压力需要非常高，加剧了封闭管道内的液压冲击，这个接点的焊缝、管夹、接头在高频液压冲击力的作用下特别容易开裂和损坏。
（3）第3个节点是液压动力头内锤头油缸3内的压力冲击，在主控阀5频繁的切换提锤-打击时，单向阀7也不间断的开启-关闭，系统内液流速度的反复出现瞬时变化和提锤时克服锤头惯性力需要很大的压力，在油缸3内瞬时封闭的空间里形成强烈的液压冲击，易造成胀缸、密封损坏等设备故障。
3. 液压冲击解决措施的应用研究
以上3个节点内的噪声、震动都是由于系统内液流速度和压力的骤然变化导致的直接液压冲击产生的，解决此类问题常用措施是：采用设置节流阻尼塞或可调节阻尼节流阀，控制阀芯开口由小到大缓慢逐步开启，调整延长启闭时间［2］，减缓液压冲击的产生；在紧靠冲击源附近设置安全卸荷阀，当系统压力超过额定值时，安全卸荷阀开启释放压力；在易产生液压冲击源前设置吸收冲击的蓄能器，吸收冲击能，减少对管道、液压阀的压力冲击。根据这些措施,我们分别在管道、锤头油缸和油泵压力油出口安装了吸震蓄能器和安全卸荷阀，为了得到更好的缓震效果，3个节点的安全卸荷阀和吸震蓄能器分别采取了以下技术措施。
（1）第一个节点内的电磁卸荷溢流阀10是由插装阀、二位四通换向阀和溢流调压阀盖组成，主要功能为安全溢流、限制系统压力的作用，调压范围为0～12MPa。为能够有效提高该阀的响应特性和在压力脉动较小时能够有效的卸油，防止响应迟钝而造成压力超高，主插装阀的弹簧刚度不易过小［3］，开启压力选择0.4MPa，同时先导阀弹簧刚度不宜过大，控制压力油通过主插装阀引入先导阀。同时为了防止主插装阀骤然启闭产生激烈的液压冲击，在二位四通换向阀和溢流调压阀盖连接处设置?1.8mm节流阻尼塞［4］，主插装阀选用带锥型节流缓冲阻尼头的插装阀［5］，这样延长主插装阀的阀口开启时间，减缓液压冲击的产生。
（2）第二个节点管道内液压冲击的危害是最严重的，在这段节点内应提高安全防护可靠性，根据系统流量的大小分别安装2～4个吸震蓄能器6和安全卸荷阀2。这里的安全卸荷阀2是由插装阀和溢流调压阀盖组成，为了提高该阀卸荷的灵敏性，主插装阀选用基本型带节流阻尼孔的插装阀，控制压力油通过主插装阀引入先导阀，同时主插装阀的弹簧刚度和先导阀弹簧刚度均不宜过大。吸震蓄能器的容积（25L）不能太小，否则，吸收能力不够；蓄能器与管道连接口的直径也不能太小，应接近于管道直径的2/3，这样有利于冲击能的吸收；蓄能器在结构上选择轴向压缩波纹胶囊式NXQ蓄能器，它具有惯性小，反映灵敏，吸收冲击能力强的优点。在这个节点内，管道震动也是液压脉动冲击造成的危害之一。由于管道壁厚的增大，管道固有频率升高，对管道系统的响应具有较强的衰减作用［6］，从而导致管道系统总体的振动幅度减小，因此，管道壁厚由12mm增加到15mm。另外，增加管夹个数，也可有效降低管道震动，在锻锤安装中保证管夹间距800mm。
（3）在第3个节点内采取与第2个节点内的相同的防护措施，分别安装两个大容积补油蓄能器4和安全卸荷阀2，不同的是补油蓄能器的采用活塞式结构，因为该处两个补油个蓄能器主要以向系统大流量补油为主，吸收冲击震动仅是其辅助功能。
4. 结论
锻锤由于锻造工况的特点，系统液压冲击的产生是不可避免的，因此如何吸收和减缓液压冲击，是锻锤液压系统需要解决的重要解决问题之一。在实际应用中，不能单独依靠一种缓冲吸震技术来解决，应综合应用节流缓冲、超压力卸荷、蓄能器吸震等相结合的复合技术，液压元件应选择响应快的压力卸荷阀和吸震能力强的大容量蓄能器，并且在产生液压冲击的各个节点设置复式卸荷和吸震系统，就能够很好地解决高频、大流量系统液压冲击问题。目前这种复合式卸荷和吸震技术广泛应用于锻锤系统上，效果明显，设备震动小，提高了设备的稳定性和安全性。
参考文献
[1] 雷天觉主编.新编液压工程手册[M].北京:北京理工大学出版社,1998.
[2] 王林,王东升,来安社.解决液压冲击和负载冲击危害的方法[J].液压气动与密封,2010,(5)：121-123.
[3] 张仅,周瑞祥,王树宏,等.燃油管路中安全阀抑制压力脉动的仿真分析[J].液压与气动,2014,(5)：13-17.
[4] 裴学智.液压冲击消除措施的探讨与应用[J].液压气动与密封,2010,(2)：9-11.
[5] 郝兴安,廖晓林.管端加厚机液压冲击的分析与处理[J].液压与气动,2014,(2)：121-123.
[6] 谢安桓,柯银燕,黎申,等.脉动流激励下液压管道振动特性分析[J].液压与气动,2014,(9)：117-120.