自動(dòng)傾轉(zhuǎn)澆注機(jī)液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

胡細(xì)東，譚武中

(1. 張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械實(shí)訓(xùn)中心，湖南張家界427000;2. 中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410000)

澆注是鑄造生產(chǎn)的關(guān)鍵工序，對(duì)于鑄件的產(chǎn)量、質(zhì)量有著重大的影響。面對(duì)鑄造生產(chǎn)高效率、高精度的發(fā)展趨勢(shì)，傳統(tǒng)的手動(dòng)澆注方式已不能與之適應(yīng)，提高定量澆注過程的自動(dòng)化水平是當(dāng)前鑄造業(yè)迫切需要解決的問題。自動(dòng)傾轉(zhuǎn)澆注機(jī)的研發(fā)是承接某生產(chǎn)單位的磨球自動(dòng)生產(chǎn)線研發(fā)的一個(gè)子項(xiàng)目。由于液壓傳動(dòng)平穩(wěn)，驅(qū)動(dòng)力矩大，換向方便，可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，特別是和電氣聯(lián)合控制可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，故該澆注機(jī)采用液壓驅(qū)動(dòng)方式。

1 澆注機(jī)組成及工作原理

圖1 為用三維設(shè)計(jì)軟件Pro/Engineer 設(shè)計(jì)出的自動(dòng)傾轉(zhuǎn)澆注機(jī)虛擬樣機(jī)，自動(dòng)傾轉(zhuǎn)澆注機(jī)主要由保溫澆注爐6、傾轉(zhuǎn)油缸7、小車9、轉(zhuǎn)軸支座5、后支座8、移動(dòng)油缸10、支架2、溜槽4、檢測(cè)裝置1、光電傳感器11 等組成，3 為造型線。澆注機(jī)待機(jī)時(shí)，保溫澆注爐通過轉(zhuǎn)軸支座及后支座三點(diǎn)支撐在小車上，安全可靠，傾轉(zhuǎn)油缸不受力。澆注時(shí)，傾轉(zhuǎn)油缸通過控制系統(tǒng)的控制推動(dòng)保溫澆注爐傾轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆注過程，為提高澆注的平穩(wěn)性，鋼水通過溜槽進(jìn)入砂模澆口，溜槽為一漏斗形狀，其鋼水出口和砂模澆口中心對(duì)齊，且固定不動(dòng)，這樣金屬液流穩(wěn)定，防止熔融金屬的飛濺，提高了澆注質(zhì)量。澆注時(shí)，由傳感器檢測(cè)砂模澆冒口金屬面液面高度，從而實(shí)現(xiàn)定量澆注。澆注小車安裝在鐵軌上，在移動(dòng)液壓缸10 的推動(dòng)下可實(shí)現(xiàn)一定距離的移動(dòng)，以便于檢修或者停電時(shí)傾倒剩余鋼水到中間包，以減小經(jīng)濟(jì)損失，提高鋼水的利用率，澆注小車的移動(dòng)位置采用光電傳感器進(jìn)行控制。

圖1 自動(dòng)傾轉(zhuǎn)澆注機(jī)虛擬樣機(jī)

2 傾轉(zhuǎn)液壓缸位置的確定

傾轉(zhuǎn)液壓缸位置對(duì)整個(gè)澆注過程驅(qū)動(dòng)力矩的變化及液壓缸所承受支撐力的大小有決定性影響。如圖2所示，液壓缸活塞通過點(diǎn)C 與澆注保溫爐相鉸接，液壓缸缸體通過點(diǎn)1 或點(diǎn)2 或點(diǎn)3 與固定在小車上的支座相連。

圖2 不同位置力的變化

根據(jù)澆嘴至砂模距離及液壓缸的行程設(shè)計(jì)要求，選擇行程為850 mm 的液壓缸，設(shè)計(jì)點(diǎn)C 到直線12的距離為1 200 mm，那么液壓缸的一端需控制在1、3 之間，另一端與點(diǎn)C 鉸接，點(diǎn)1、3 到點(diǎn)2 的距離都為200 mm。液壓缸的3 個(gè)位置點(diǎn)1、2、3，如圖2所示，鋼包的運(yùn)動(dòng)過程的3 個(gè)位置如圖中點(diǎn)A，B，C所示，3 個(gè)位置液壓缸受力如圖2 中F 所示。以下分析3 個(gè)位置液壓缸的優(yōu)劣:

(1)液壓缸連接點(diǎn)位于點(diǎn)2 和點(diǎn)C，此時(shí)支撐力F 垂直向上，重力G 垂直向下，兩者位于同一條直線上，開始階段很容易頂死。這種方案欠佳。

(2)液壓缸連接點(diǎn)位于點(diǎn)1 和點(diǎn)C，此時(shí)支撐力變化隨著C→B→A 過程中，力由F1C→F1B→F1A變化。從圖上可以看出力的方向發(fā)生了變化，這使得點(diǎn)C處的鉸接軸及點(diǎn)O 處的轉(zhuǎn)軸受力方向也發(fā)生變化。

(3)液壓缸連接點(diǎn)位于點(diǎn)3 和點(diǎn)C，此時(shí)支撐力變化隨著C→B→A 過程中，力由F3C→F3B→F3A變化。F 的方向在傾倒過程中沒有變化。

方案2 和3 不會(huì)發(fā)生頂死的現(xiàn)象，是可選的方案。只是方案2 力的方向發(fā)生了變化，而方案3 力的方向沒有變化。在任意位置，方案3 所需的力都比方案2 的力要小，因?yàn)楦鱾€(gè)位置方案3 的力矩比方案2的力矩大。

3 液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要力求系統(tǒng)簡(jiǎn)單，要有高的效率，工作安全可靠，且其先進(jìn)性要與可靠性、經(jīng)濟(jì)性相結(jié)合。

3.1 液壓控制系統(tǒng)的組成及工作原理

根據(jù)澆注機(jī)的工藝要求，設(shè)計(jì)的液壓控制系統(tǒng)原理圖如圖3 所示。其組成及工作原理如下:

(1)雙液壓缸8 實(shí)現(xiàn)澆注保溫爐的轉(zhuǎn)動(dòng)，液壓缸11 實(shí)現(xiàn)澆注小車的移動(dòng)。

(2)三位四通電磁比例換向閥5 接受PLC 的控制信號(hào)，1YA 通電，爐體傾轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)澆注，2YA 通電實(shí)現(xiàn)爐體復(fù)位或備澆，1YA、2YA 都斷電，實(shí)現(xiàn)爐體的準(zhǔn)確停留，采用比例閥可以減少液壓的沖擊。

(3)調(diào)速閥6 可根據(jù)不同的鑄件要求調(diào)節(jié)合適的澆注速度。

(4)為實(shí)現(xiàn)同步，選擇同步閥7 實(shí)現(xiàn)兩傾轉(zhuǎn)液壓缸的同步。由于系統(tǒng)受最小流量限制，不能選擇可調(diào)式同步液壓閥，只可選擇自調(diào)式同步液壓閥，型號(hào)為3FJL-L2-10，其流量可以控制在2 L/min 以內(nèi)。其同步誤差可以控制在1% ～3%，而且在一個(gè)行程內(nèi)消除誤差，避免誤差累積。

(5)為防止因油液污染導(dǎo)致的液壓系統(tǒng)故障，在進(jìn)油路上設(shè)置了精濾油器并采用具有污染堵塞報(bào)警的回油過濾器，過濾精度較高，可長(zhǎng)期保持油箱內(nèi)液壓油的清潔，確保系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

(6)用電磁溢流閥4 調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力的大小。電磁溢流閥選用常開型，確保電機(jī)、油泵空載啟動(dòng)，可減小啟動(dòng)沖擊與噪聲。

(7)通過三位四通電磁換向閥9 實(shí)現(xiàn)澆注機(jī)的前后移動(dòng)，節(jié)流閥10 控制澆注機(jī)的移動(dòng)速度。

(8)系統(tǒng)采用雙泵組并聯(lián)供油，一臺(tái)工作，一臺(tái)備用，二泵組的工作狀態(tài)可以任意切換，設(shè)備可靠性高。

(9)系統(tǒng)配備一臺(tái)10 kW 的發(fā)電機(jī)，可作為停電時(shí)液壓系統(tǒng)的備用電源及照明電源，若澆注爐中的鋼水不多時(shí)，可繼續(xù)澆注完，若鋼水較多時(shí)，則可將鋼水倒入中間包送回加熱爐。

(10)系統(tǒng)控制采用PLC 控制，主要完成開關(guān)量的控制，包括傾轉(zhuǎn)液壓缸和移動(dòng)液壓缸的啟動(dòng)、停止、換向，澆注機(jī)與造型線的聯(lián)鎖控制及安全保護(hù)，其作為整個(gè)自動(dòng)生產(chǎn)線控制的一部分，相對(duì)來說較為簡(jiǎn)單。

圖3 液壓控制系統(tǒng)原理圖

3.2 傾轉(zhuǎn)液壓缸的同步性分析

澆注保溫爐的傾轉(zhuǎn)采用兩個(gè)液壓缸來驅(qū)動(dòng)，其同步性能直接影響澆注爐的平穩(wěn)運(yùn)行，理論上來說，兩缸負(fù)載相同，但實(shí)際上有許多因素使2 個(gè)液壓缸的載荷不可能時(shí)刻相同，其主要因素有:

(1)澆注機(jī)本身結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，造成2 個(gè)液壓缸載荷不相同。

(2)安裝誤差，由于安裝時(shí)不能保證兩邊完全一致，造成液壓缸載荷不同。

(3)由于連接兩邊液壓缸管道長(zhǎng)短不同，沿程損失也不盡相同。

負(fù)載的變化會(huì)使得兩缸運(yùn)行不同步，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)使系統(tǒng)嚴(yán)重過載甚至產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞，兩缸的同步性必須受到高度重視，以下通過仿真軟件AMESIM對(duì)不同負(fù)載下的同步性進(jìn)行仿真分析。

3.2.1 仿真軟件AMESIM 建模

由于兩缸載荷的變化規(guī)律難以用具體的數(shù)學(xué)表達(dá)式來表示，為了模擬不同載荷的作用，在模擬時(shí)采用交變載荷，左側(cè)加的壓力為30 000 +200 sin(ωt)，右側(cè)壓力為30 000 －200 sin(ωt)，頻率為0.2 Hz，兩者相差180°的相位角。模型簡(jiǎn)化如圖4 所示，通過仿真液壓系統(tǒng)在交變載荷下液壓缸流量、壓力、位移的變化規(guī)律，來對(duì)比分析其同步性能。

圖4 同步性分析模型圖

3.2.2 不同載荷時(shí)壓力、流量和位移的變化

(1)兩液壓缸流量比較

從圖5 可以看出，開始時(shí)候都存在液壓沖擊，持續(xù)時(shí)間比較短，之后流量呈現(xiàn)此消彼長(zhǎng)的趨勢(shì)。壓力大則流量變成0，壓力小的流量變大。在小流量的情況下，流量穩(wěn)定性較差。

圖5 液壓缸流量變化

(2)兩液壓缸壓力比較

從圖6 可以看出，壓力變化基本相同，但在開始存在較大的沖擊。其變化趨勢(shì)和所加載的力相關(guān)。

圖6 壓力變化

(3)兩液壓缸位移比較

如圖7 所示，由于存在流量為零的情況，在位移圖上出現(xiàn)了停滯的情況。開始出現(xiàn)了抖動(dòng)，接下來就出現(xiàn)兩缸時(shí)走時(shí)停的現(xiàn)象，而且是交替變化，不但使兩缸運(yùn)行的平穩(wěn)性變差，而且兩缸的同步性能惡化。

圖7 位移變化

從以上分析可知，不同載荷下，位移呈交替變化，當(dāng)位移變化較大時(shí)，兩缸的同步性差，有可能使得整個(gè)液壓系統(tǒng)甚至澆注機(jī)的破壞，這種情況是必須避免的。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，選用同步閥來提高同步性能。從以上分析同時(shí)可以看出，不管是流量、壓力還是位移，在啟動(dòng)時(shí)都有較大的沖擊，因此在設(shè)計(jì)中采用電磁溢流閥、比例換向閥以及回油路上的背壓閥來減少啟動(dòng)沖擊，提高運(yùn)行的平穩(wěn)性。

4 結(jié)語

對(duì)自動(dòng)傾轉(zhuǎn)澆注機(jī)的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)，并采用AMESIM 仿真軟件對(duì)雙缸驅(qū)動(dòng)的同步性進(jìn)行了分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，該液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、安全性能好，有較好的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。

【1】楊尚平，楊曉玉，趙光波，等.定點(diǎn)傾轉(zhuǎn)式澆注機(jī)的研發(fā)［J］.中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)，2009，3(3):53 －56.

【2】丁相福，張健成，陳建文，等.定量澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和過程控制方法研究［J］. 中國(guó)機(jī)械工程，2000，11(12):1134 －1144.

【3】YANO Kenichi，TERASHIMA Kazuhiko. Supervisory Control of Automatic Pouring Machine［J］. Control Engineering Practice，2010，18(3):230 －241.

【4】NEUMANN E，TRAUZEDDEL D.Pouring Systems for Ferrous Applications［J］.Foundry Trade Journal，2002，7:23 －24.