КУЗНЕЧНЫЙ МОЛОТ С ГИДРАВЛИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ
HYDRAULICALLY DRIVEN SLEDGE HAMMER

Изобретение относится к кузнечно-штамповочному оборудованию ударного действия для горячей и холодной обработки металлов давлением (свободной ковки, горячей и холодной объемной и листовой штамповки).
Известны конструкции кузнечных молотов с гидравлическим и газогидравлическим приводами (Ю.А. БОЧАРОВ. Кузнечно-штамповочное оборудование: учебник для студ. высш. учеб.заведений. - М.: Издательский центр «Академия», 2008, гл. 35.1, с.391 -403), а также целый ряд патентов (RU 2409446 C1, B21J 7/28, 03.12.2009; RU 2334583 С2, 27.09.2008; RU 2364462 С2, 20.08.2009; RU 2327542 С2, B21J 7/28 30.11.2005; SU 1682024 А1, 07.10.1991; SU 1039632 А1, 10.12.1981; SU 1039632 А, 07.09.1983 и др. содержащие шабот со стойками, в направляющих которых размещена и вертикально перемещается баба молота с закрепленным на ней инструментом, на стойках молота установлен электрогидравлический привод с газогидравлическим или чисто гидравлическим исполнительным цилиндром, поршень которого делит внутренний объем цилиндра на две рабочие полости (штоковую и поршневую) и соединен посредством штока с бабой молота.
В мировой практике так сложилось, что кузнечные молоты выпускают с газогидравлическими и чисто гидравлическими приводами, хотя все их условно называют гидравлическими.
Главным недостатком всех этих конструкций является наличие в приводе молота двух рабочих сред (жидкой и газообразной), работающих в условиях высоких переменных давлений и температур в непосредственном контакте.
В этих молотах газовая среда заполняет поршневую полость исполнительного цилиндра молота и выполняет функцию газовой пружины и, фактически, газогидравлического аккумулятора.
Разделителем сред является поршень исполнительного цилиндра молота. В этом случае аккумулирование энергии в приводе молота происходит непосредственно в цилиндре только в процессе подъема бабы перед ударом. Гидронасосы при подъеме бабы не только поднимают бабу, но и взводят эту газовую пружину. Это требует увеличенное потребное давление в рабочем цилиндре и мгновенную мощность привода на этапе подъема бабы и напрямую влияет на расчетные размеры цилиндра.
Прямой контакт жидкой и газообразной рабочих сред высокого давления в газогидравлических молотах реально возникает в поршневой группе исполнительного цилиндра молота за счет утечек в подвижных уплотнениях.
Разделитель сред в виде поршневых колец или манжет при работе довольно быстро теряет свою герметичность. Из-за повышенного среднего давления жидкости в штоковой полости рабочего цилиндра над поршнем появляется слой масла, который при ударах очень мелко разбрызгивается и превращается в пену. Пену вынуждены собирать в специальных отстойниках рабочего цилиндра и ежедневно сливть в специальную банку, а после отстоя возвращать в питательный бак привода.
Во время длительных пауз в работе газогидравлического молота, когда падающие части молота опущены на нижний штамп и штоковая полость сообщается с атмосферой, картина получается обратная - газ высокого давления подтекает под поршень и в начале работы молота превращает в мелкодисперсную пену весь объем рабочей жидкости гидропривода. При этом сильно теряются упругие и другие рабочие свойства жидкости. Отстаивание этой мелкодисперсной пены продолжается более суток. Во время этих процессов постепенно газ высокого давления расходуется, растворяясь в рабочей жидкости и на прямые утечки, и это требует его периодическое пополнение. Одного газового баллона хватает не более чем на месяц.
Так называемые чисто гидравлические молоты с насосно-аккумуляторным приводом, у которых рабочая жидкость находится в обеих полостях исполнительного цилиндра и прямой контакт газа и жидкости отсутствует, используют газогидравлический аккумулятор, и поэтому используется также два вида рабочего тела: жидкость (масло) и газ (азот) высокого давления.
Разделители сред всех типов в аккумуляторах весьма недолговечны и ненадежны. Резиновая диафрагма или мешок имеют склонность к разрывам и нештатному (аварийному) смешиванию рабочих сред. Поршневые разделители сред в гидропневматических аккумуляторах, в принципе, не гарантируют полной герметичности. Аккумулятор в кузнечном молоте вообще является узлом повышенной опасности. Категорически запрещено использование сжатого воздуха в контакте с минеральным маслом при таких высоких давлениях. Предписано использовать для этих целей баллонный технический азот. Предельное давление в газовых баллонах ограничено 16 МПа. Фактически баллоны заправляются меньшим давлением. По мере расходования газа давление в баллоне заметно падает. Повышение давления газов выше указанной цифры приводит к их сжижению и потере упругости, а рабочая жидкость, наоборот, теряет жесткость из-за растворенного в ней газа. Указанное давление ограничивает силовые возможности гидроприводов кузнечных молотов, хотя остальная гидроаппаратура может работать на более высоких давлениях. Это особенно актуально для молотов повышенной мощности и быстроходности.
Аккумулятор в приводе кузнечного молота, в идеале должен быть размещен непосредственно на молоте вблизи от рабочего цилиндра, чтобы гидравлические сопротивления были минимальными. Практически это выполнимо далеко не всегда, и чаще аккумуляторные и газовые баллоны ставят рядом с молотом на полу, занимая технологические площади цеха.
Основным, если не единственным, достоинством аккумуляторного привода является возможность уменьшать установленную мощность мотора и насоса в приводе машины, но для этого в цикле работы молота нужно иметь относительно большое время на подзарядку аккумулятора. К сожалению, такого времени у кузнечных молотов нет. Они требуют наносить по поковке одиночные мощные удары, перемежая их с сериями частых легких управляемых «подкатных» ударов. Небольших и нестабильных промежутков времени в цикле работы молотов явно недостаточно для зарядки аккумулятора. Молот - универсальная машина с очень нестабильным циклом. Аккумуляторный привод является дроссельным и имеет недостаточно высокий КПД.
Ближайшим аналогом заявленному устройству может служить кузнечный молот с гидравлическим приводом. (Патент РФ №2409446 С1, кл. B21J 7/28, опубл.03.12.2009). В соответствии с указанным аналогом, исполнительный цилиндр молота имеет обе рабочие полости гидравлические, и прямой контакт сжатой жидкости с сжатым газом отсутствует. Штоковая полость гидроцилиндра постоянно соединена с гидропневматическим аккумулятором высокого давления, и поэтому в ней постоянно поддерживается высокое давление аккумулятора. Поршневая полость периодически соединяется посредством двухпозиционных распределителей с указанным аккумулятором через напорный и обратный магистральный клапаны, а также со сливным баком через сливной клапан, и является управляемой.
Гидрораспределители переключаются с помощью вспомогательных устройств двух-трехступенчатого действия (через электромагниты или вспомогательную гидравлику), которые при любом срабатывании дают чистую задержку по времени. Величина этой задержки составляет не менее 0,15 с для любой стандартной распределительной гидроаппаратуры непрямого действия, что дает сильное ограничение быстроходности кузнечных гидромолотов на операциях протяжки и прокатки, когда требуются частые короткие хода.
В данном аналоге только частично решается проблема контакта жидкой и газообразной рабочих сред при высоком давлении. Нижняя полость рабочего цилиндра запитана постоянно из гидропневматического аккумулятора со всеми присущими этому недостатками.
В основу заявленного технического решения положена задача максимального повышения экономичности привода (повышения его общего КПД), существенное повышение универсальности и быстроходности, безопасности, надежности и долговечности конструкции кузнечных молотов и их приводов.
В заявленном на изобретение кузнечном молоте с гидравлическим приводом поставленная задача решается за счет того, что гидропривод кузнечного молота выполнен насосным безаккумуляторным, т.е. в нем отсутствует накопитель рабочей жидкости высокого давления в виде гидроаккумулятора. Штоковая полость исполнительного гидроцилиндра молота подключена к гидронасосам через магистральный обратный клапан, и управление подачей рабочей жидкости от гидронасосов к полостям исполнительного цилиндра осуществляется двумя жестко соединенными между собой трехпозиционными гидрораспределителями прямого, непосредственного управления, один из которых установлен между гидронасосами и магистральным обратным клапаном и соединяет гидронасосы со сливом для их разгрузки, а второй выполняет переключения соединений между штоковой и поршневой полостями исполнительного цилиндра, а также сливной линией, при этом слив рабочей жидкости из штоковой полости исполнительного цилиндра происходит всегда через поршневую полость и обеспечивается разгрузка насосов на всех режимах работы, не требующих расхода жидкости высокого давления.
Насосный безаккумуляторный гидропривод имеет свойство оперативно и оптимально устанавливать мгновенное давление на нагнетательной линии гидронасосов в зависимости от полезной нагрузки в гидроцилиндре молота.
На фиг.1 показана гидравлическая схема представленного на изобретение кузнечного молота с насосным безаккумуляторным приводом.
На схеме показаны: гидроцилиндр 4, в котором находится поршень 3, делящий внутренний объем цилиндра на две полости: штоковую полость 1 со штоком 5 и поршневую полость 2. Нижняя полость соединена с обратным клапаном 15, с магистральным обратным клапаном 10 и обратными клапанами 9. Подача жидкости осуществляется гидронасосами 7, приводимыми в движение электродвигателями 8. Распределение жидкости в полости цилиндра происходит за счет гидрораспределителей (золотников) 12 и 13, управляемых механической системой 18, приводимой в движение педалью 17 с пневматическим усилителем 16, вследствии чего происходит возвратно - поступательное движение бабы молота 6. Гидронасосы 7 предохраняют от перегрузок обратный клапан 11. Для контроля давления жидкости в системе установлен манометр 14.
Гидравлический привод кузнечного молота выполнен насосным безаккумуляторным, штоковая полость 1 исполнительного гидроцилиндра 4 молота подключена к гидронасосам 7 через магистральный обратный клапан 10, и управление подачей рабочей жидкости от гидронасосов 7 к полостям исполнительного цилиндра 4 осуществляется двумя, жестко соединенными между собой, трехпозиционными гидрораспределителями прямого, непосредственного управления 12 и 13, один из которых (12) установлен между гидронасосами 7 и магистральным обратным клапаном 10 и соединяет гидронасосы 7 со сливом для их разгрузки, а второй (13) выполняет переключения соединений между штоковой 1 и поршневой 2 полостями исполнительного цилиндра 4, а также сливной линией, при этом слив рабочей жидкости из штоковой полости 1 исполнительного цилиндра происходит всегда через поршневую полость 2 и обеспечивается разгрузка гидронасосов 7 на всех режимах работы, не требующих расхода жидкости высокого давления.
За счет рациональной схемы управления и разгрузки гидронасосов обеспечивается КПД гидропривода на уровне 70% и повышенная быстроходность кузнечного молота.
Штоковая полость 1 исполнительного гидроцилиндра 4 соединена с одним или несколькими источниками жидкости высокого давления (гидронасосами 7) через обратные клапаны 9 и 10, позволяющие осуществлять независимое параллельное питание гидросистемы молота рабочей жидкостью. Гидронасосы 7 имеют раздельное включение и компонуются на молоте с соблюдением центровки привода. Гидропривод является объемным, насосным безаккумуляторным.
Коммутацию рабочих полостей 1 и 2 гидроцилиндра 4 молота, т.е. необходимое их соединение с гидронасосами 7, сливной линией и между собой, производится двумя гидрораспределителями прямого, непосредственного управления (золотниками) 12 и 13. Гидравлическая схема построена так, что нижняя штоковая полость 1 исполнительного гидроцилиндра молота 4 соединяется с гидронасосами 7 через магистральный обратный клапан 10, который может пропускать рабочую жидкость в цилиндр только со стороны гидронасосов 7 и при условии, что давление в них развивается большее, чем в нижней полости 1 исполнительного гидроцилиндра 4. Давление в нижней штоковой полости 1 при поднятой над штампом бабой 6 определяется только весом падающих частей молота и рабочей штоковой площадью. Обратное движение жидкости от исполнительного гидроцилиндра 4 к гидронасосам 7 исключается магистральным обратным клапаном 10.
Управление потоком рабочей жидкости от гидронасосов 7 осуществляется методом ответвления с помощью гидрораспределителя прямого, непосредственного управления 12, который в схеме расположен между гидронасосами 7 и магистральным обратным клапаном 10.
В своем среднем положении гидрораспределитель 12 полностью разгружает гидронасосы 7 от давления, соединяя их со сливом непосредственно в питательный бак, и тогда подача жидкости к исполнительному гидроцилиндру 4 отсутствует, а нагрузка на моторы 8 минимальна и равна мощности холостого хода. При отклонениях гидрораспределителя 12 от среднего положения в крайние положения вся жидкость от гидронасосов 7 поступает к исполнительному гидроцилиндру 4 за счет запирания слива от гидронасосов 7. Давление, которое развивают гидронасосы 7, определяется потребным давлением в исполнительном гидроцилиндре 4 молота в любой момент времени движения бабы 6.
Уровень предельного давления в любой точке гидросистемы ограничивается предохранительным клапаном 11.
Для совершения хода бабы 6 молота вверх гидрораспределитель 13, действуя совместно с гидрораспределителем 12, перекрывает соединение нижней штоковой полости 1 исполнительного гидроцилиндра 4 с верхней поршневой полостью 2, а верхнюю поршневую полость 2 - соединяет со сливом. Гидрораспределитель 12 в это время, переместившись в одно из крайних положений, прекращает разгрузку гидронасосов 7 и дает их подачу на штоковую полость 1 на все время подъема бабы 6 молота.
Такая схема коммутации полостей 1 и 2 исполнительного гидроцилиндра 4, гидронасосов 7 и сливного бака не создает дополнительного противодействия подъему бабы 6 (кроме сливного) и это позволяет значительно уменьшить размеры поршня 3 гидроцилиндра 4 при проектировании гидромолота.
Для остановки и держания бабы 6 навесу достаточно с помощью гидрораспределителя 12 охолостить насосы 7, причем это происходит в конце хода подъема бабы 6 автоматически с помощью механической системы 18 прямого действия на гидрораспределители 12 и 13, аналогично паровоздушным молотам. Баба 6 зависает на жидкости, запертой в штоковой полости 1 исполнительного гидроцилиндра 4. Крайнее верхнее положение бабы 6 может регулироваться настройкой механической педали управления 17. В любой точке подъема бабы 6 нажатием на педаль 17 системы управления можно прекратить подъем бабы 6 и нанести повторный удар молота с любой высоты, в том числе наносить короткие частые «подкатные» удары.
Движение бабы 6 молота вниз обеспечивается гидрораспределителем 13 с помощью педали управления 17 сообщением между собой штоковой полости 1 с поршневой полостью 2 исполнительного гидроцилиндра 4.
Особенностью схемы гидропривода является то, что во время опускания бабы 6 слив рабочей жидкости из штоковой полости 1 происходит всегда через поршневую полость 2.
Взаимодействие золотников 12 и 13 может быть отрегулировано так, что при неполном нажатии на педаль 17 рабочие полости 1 и 2 исполнительного гидроцилиндра 4 сообщаются при охолощенных (разгруженных) насосах 7, и баба 6 двигается вниз только под собственным весом. Недостающее исполнительному гидроцилиндру 4 количество жидкости поступает из гидронасосов 7 без давления через магистральный обратный клапан 10 и из питательного бака через обратный клапан 15. Таким образом, обеспечивается медленное опускание бабы 6 и нанесение легких ударов молота без перевода под нагрузку гидронасосов 7 и электромоторов 8. Скорость опускания бабы 6 определяется степенью дросселирования перепуска рабочей жидкости из штоковой полости 1 в поршневую полость 2 при управляемом нажатии на педаль 17.
Для нанесения ударов полной мощности педаль 17 должна быть нажата до упора, и тогда гидрораспределителем 13 поршневая полость 2 отсоединяется от слива (запирается), и жидкость от гидронасосов 7 поступает в исполнительный гидроцилиндр 4 молота. Полости 1 и 2 исполнительного гидроцилиндра 4 сообщаются между собой и с насосами 7. Активной рабочей площадью является площадь штока 5 с соответствующим небольшим расходом.
Подача гидронасосов 7 в начальный период ударного хода бабы 6 может несколько превышать суммарный расход исполнительного гидроцилиндра 4, и давление в нем поднимается до предельного, настроенного предохранительным клапаном 11. Этим создается необходимое ускорение бабы 6 молота для создания нужной скорости к моменту удара. Баба 6 ускоряется интенсивно до тех пор, пока ее растущая скорость не создаст баланс расхода гидроцилиндра 4 и подачи гидронасосов 7, после чего давление в гидроцилиндре 4 (перед ударом) падает, и подпитка полостей 1 и 2 дополнительно происходит из питательного бака через обратный клапан 15. Это может происходить в самый последний момент ударного хода бабы 6 молота.
Работая той же педалью 17, можно выполнять прилипающий удар или прижим поковки, например, для выполнения операций клеймения, правки инструмента и др. В этом случае кузнечный молот работает в режиме быстроходного легкого пресса.
Все необходимые для работы кузнеца режимы работы гидромолота обеспечиваются одной механической педалью 17 или ручкой. В механической системе управления гидромолотом могут использоваться известные пневматические или гидравлические усилители 16, позволяющие в нужной степени облегчить управление молотом. При необходимости, например, при наладках инструмента, гидромолот может работать на одном насосе или на части насосов из общей группы. Это дополнительно увеличивает экономичность гидромолота.
Учитывая прерывистый характер работы кузнечных молотов, значительное подготовительное и вспомогательное время в цикле работы молотов, такие возможности гидропривода позволяют значительно экономить электроэнергию в питающей сети молота. Этим же целям служит то, что молот имеет индивидуальный привод, а не групповой, и даже при кратковременных паузах в работе молота может автоматически или вручную отключаться от сети.
Весь привод размещается на стойках молота, не выходит за габариты станины и не занимает дополнительно технологические площади цеха, не имеет в своем составе взрывоопасных элементов конструкции, таких как гидроаккумулятор.
Повышенную быстроходность на коротких, частых подкатных ударах в ручном режиме с вынужденной частотой обеспечивает применение на гидромолотах гидрораспределителей прямого управления, т.е. с непосредственным воздействием команд от педали 17 управления молота на гидрораспределители 12 и 13 без каких-либо промежуточных элементов типа электромагнитов, клапанов-пилотов и т.п., дающих чисто временную задержку при отработке управляющих команд и закономерно ограничивающих достижимую быстроходность гидромолота в этом режиме работы.
Источники информации
1. Ю.А.БОЧАРОВ. Кузнечно-штамповочное оборудование: учебник для студ. высш. учеб.заведений. - М.: Издательский центр «Академия», 2008, гл. 35.1, с.391-403.
2. RU 2409446 CI B21J7/28, 03.12.2009.
3. RU 2334583 С2, 27.09.2008.
4. RU 2364462 С2, 20.08.2009
5. RU 2327542 C2B21J7/28 30.11.2005.
6. SU 1682024 А1, 07.10.1991.
7. SU 1039632 А1, 10.12.1981.
8. SU 1039632 А, 07.09.1983. и др.