基于AMESim的低壓鑄造機液面加壓系統的優化設計與分析

吳曉明，陳麗緩，彭立廣，趙君衛

(1.燕山大學河北省重型機械流體動力傳輸與控制重點實驗室，河北秦皇島 066004；2.先進鍛壓成形技術與科學教育部重點實驗室 (燕山大學），河北秦皇島 066004；3.北華航天工業學院機械工程系，河北廊坊 065000）

基于AMESim的低壓鑄造機液面加壓系統的優化設計與分析

吳曉明1，2，陳麗緩3，彭立廣1，2，趙君衛1，2

(1.燕山大學河北省重型機械流體動力傳輸與控制重點實驗室，河北秦皇島 066004；2.先進鍛壓成形技術與科學教育部重點實驗室 (燕山大學），河北秦皇島 066004；3.北華航天工業學院機械工程系，河北廊坊 065000）

針對某型號低壓鑄造機在實際生產中，液面加壓氣動系統壓力控制不精確的問題，對原有系統進行了改進，采用氣動伺服閥閉環控制的形式來控制進入保溫爐內的氣體壓力。借助AMESim軟件對改進后的系統進行了建模，并對參數進行了嚴格的設置，使整個物理模型最大程度地接近實際系統。通過仿真分析和實驗對比，驗證改進后系統的壓力控制情況要優于原系統。

低壓鑄造；液面加壓系統；氣動伺服技術；AMESim建模仿真；實驗數據采集

“低壓鑄造”是介于重力鑄造 (一般是指自由鑄造）和壓力鑄造 (由壓鑄機依靠活塞壓射金屬液來充型結晶的鑄造方法，被稱作“壓鑄”）之間的一種方法［1］。低壓鑄造是在壓力的作用下將液體金屬充填進型腔，氣體壓力一般為0.03～0.2 MPa，壓力較低。在低壓鑄造過程中，壓力的作用使得金屬液的流動性得到了提高，成型的鑄件機械性能好，尺寸精度高，表面粗糙度可以達到1.6～25μm，屬于生產效率高的精密成形工藝，對于薄壁鑄件的成形更為有利，所以低壓鑄造工藝在大批量生產的汽車、內燃機工業上的應用不斷增加。然而國內的低壓鑄造機壓力控制不精確，主要依賴于進口設備［2］。針對這一現狀，對某公司現有的某型號低壓鑄造機的液面加壓系統進行了改進，有效地改善壓力控制狀況。

1 液面加壓系統控制方式分類

獲得優質鑄件的基礎是具有正常運行的設備，保證優良的工藝過程再加上精準的液面加壓控制系統。根據低壓鑄造技術的特殊性，液面加壓氣動系統控制成為其最重要的環節之一，整個鑄造過程分為升液、充型、增壓、保壓、卸壓以及冷卻6 個階段［3－4］，如圖1所示。

圖1 低壓鑄造工藝曲線

液面加壓氣動控制可以分為斷續控制和連續控制兩類。大部分的氣壓傳動系統是斷續控制系統，所用的控制閥是開關方向閥；而氣動比例/伺服控制則為連續控制，采用的控制閥為比例閥或伺服閥［5］。

(1）氣動斷續控制系統。該種控制方式僅限于對某個設定壓力或某一速度進行控制、計算。通常采用調壓閥調節所需要的氣體壓力，節流閥調節所需的氣體流量，這些可調量采用人工方式預先調制完成。而且針對每一種壓力或者速度，必須配備一個調壓閥或者節流閥與它相對應。如果需要控制多點的壓力系統或者是多種不同的速度控制系統，則需要多個調壓閥或節流閥。控制點越多，元件增加也越多，成本也越高，系統也越復雜。

(2）氣動連續控制系統。氣動伺服 (壓力、流量）控制技術屬于連續控制。伺服控制的輸出量隨著輸入量的變化而相應跟隨變化，輸出量與輸入量之間存在一定的函數關系。為了獲得較好的控制效果，在連續控制系統中一般引用了反饋控制原理，如圖2所示。

圖2 反饋控制原理

2 液面加壓系統改進

文中所研究的某型號低壓鑄造機原液面加壓系統采用的是第一種控制方式，其原理圖見圖3。

圖3 液面加壓系統原理圖

通過多個不同通徑的調壓閥和節流閥配合使用，調節進入保溫爐內的氣體流量，從而達到控制其壓力的目的，電磁閥由電氣部分和氣動部分聯合控制。但是由于低壓鑄造的工藝要求，壓力需要分級變化，控制點較多，因此需要的電磁閥也多，導致系統比較復雜，最重要的是整個加壓系統屬于開環控制，在實際鑄造過程中壓力控制不夠精確，特別是線性度不理想，卸壓環節滯后。根據上述分析及系統所要求的能實現壓力的自動調節，故嘗試對原系統進行改進。采用伺服閉環控制方案，用一個電氣伺服代替原有的換向閥組，并在保溫爐出口附近添加壓力傳感器，時刻監測保溫爐內的壓力，將其壓力值及時反饋給電氣伺服閥，改變閥口開度，以控制保溫爐內氣體壓力，使保溫爐內壓力變化符合低壓鑄造的工藝要求。改進后的系統原理圖見圖4。

圖4 改進后液面加壓系統原理圖

進氣環節由二位三通電磁閥5得失電來改變氣路，控制二位二通換向閥4的通斷，實現壓力氣體是否進入爐子。當電磁閥5得電時，氣路接通，氣壓將二位二通氣控閥4左位接入到氣路中，壓力氣源進入保溫爐，將金屬液壓入模具中。

調壓環節的實現首先是依靠壓力傳感器10測出爐內壓力，將測得壓力與實際所需壓力的偏差轉化為電流信號，并將電流信號傳遞給伺服閥3，作為其控制信號，控制閥口的開度，進而控制著整個氣動系統的鑄造壓力，形成了閉環控制回路。

排氣環節由二位三通電磁閥6的得失電來控制氣路的通斷，進而控制二位二通氣控閥7的通斷，從而控制爐內氣體的排放。進行低壓鑄造時，電磁閥6失電，氣控閥7處于中斷位置，整個系統保持壓力穩定。當低壓鑄造完成時，電磁閥6得電，氣控閥7處于接通位置，爐內氣體排出。

為保證氣路的安全操作，該系統中還設計了相應的安全環節:

（3）有機硅褐煤SHY-2代替SMP-1和SPNH，在準噶爾盆地西北緣環瑪湖和腹部區塊鉆井，鉆井液性能基本能滿足該地區鉆井要求。但與鉀鈣基聚磺鉆井液比較，該體系的穩定性不如鉀鈣基聚磺鉆井液，主要表現為鉆井液的熱穩定性相對差一些，鉆井液的粘切變化快，流變性控制難點大。

(1）氣動溢流閥卸荷。在進氣回路加一個氣動溢流閥8，當爐內壓力升高到一定限度，達到卸荷壓力，溢流閥卸荷。

(2）壓力繼電器控壓。在控制回路中，添加一個壓力繼電器，設定最高壓力和最低壓力。當系統在排氣階段電磁閥6沒有動作，氣動溢流閥8不起作用，致使氣動回路壓力升高，當升高到壓力繼電器11上限時，繼電器發出信號，二位三通換向閥13得電，氣路推動二位二通氣控閥12接通，爐內氣體排出，壓力降低。當系統壓力降低到壓力繼電器最小值時，換向閥13失電，氣控閥處于斷開位置，系統壓力升高。

根據以上分析，可以看出所設計的液面加壓系統比較完整，上述3種安全措施不僅可以相互配合起作用保證系統壓力安全，也可以在其中兩種方式失去作用情況下單獨作用保證系統安全，不發生事故。

3 液面加壓系統仿真分析

3.1 系統的AMESim建模

在對液面加壓系統進行改進后，為驗證新系統的壓力控制性能，利用AMESim軟件對改進后系統進行建模和仿真驗證［6］。由于AMESim軟件自帶有電氣換向閥，故AMESim中系統模型與原理圖略有差別。如圖5所示，電氣換向閥1將原理圖中氣動換向閥7和電磁換向閥6合二為一；電氣換向閥2替代了原理圖中的閥12、13，當保溫爐內壓力達到所需壓力或者壓力過高時，該閥得電，右位接入到系統中，使氣體直接排出，而不再進入保溫爐內。電氣換向閥3所起的作用和閥12、13所起的作用一致，當鑄造結束時，電氣換向閥3得電，左位工作，保溫爐內氣體通過此路經過電氣伺服閥排出，壓力降低。

圖5 液面加壓系統AMESim模型

圖5中元件4為壓力傳感器，即系統原理圖中的元件10，用來測量保溫爐內的壓力變化。在液面加壓系統AMESim模型中，加入了邏輯控制回路，灰色點劃線所示，可以代替系統中的電控信號，使整個模型更接近實際。一路是由壓力傳感器引出來的X信號，它將所測得的爐內的壓力信號轉換電線號，分為3條支路發出。1條支路去控制閥 1；1條控制閥 2；還有1條支路將信號與輸入信號相比較之后，輸送給伺服閥，以控制伺服閥口開度。另外一路則是低壓鑄造時，保溫爐內所需達到的壓力Y信號，即給定信號。它也分3路:1路與反饋回來的保溫爐內的壓力信號X相比較，另外2路同樣是去控制電氣換向閥1、2。圖中元件5為可變容積，用來代替系統中的保溫爐，根據低壓鑄造過程中液面加壓的工藝要求，液面加壓共分為5個階段，分別是升液、充型、增壓、結晶和卸壓，其中在升液過程中，由于保溫爐內金屬液面不斷下降，爐內的空間是不斷變化的，故不能選用氣動庫中現有的容積模塊，而是需要在PCD庫中搭建一個可以改變容積的元件，如圖6所示。

圖6中，元件4是體積單元，其原理見圖7(a），有4個輸入口，可輸入流量和體積信號，其體積計算公式為:V總=V1+V2+V3+V4+V0，其中V0是體積單元的固有體積，V1、V2、V3、V4都是該體積單元的4個輸入口輸入的體積，其值既可以是常數也可以是其他函數。低壓鑄造的升液階段，保溫爐內的液體保持勻速下降，即該階段保溫爐內的體積是以一定值速度增加的，故該容積模塊必須有一個體積輸入量，使其總容積不斷增加。圖5中的元件3叫做氣動活塞，常用于氣缸或者閥的模型中，其原理見圖7(b），可以通過端口2輸入一個速度信號，驅動活塞運動，在1口產生一個體積變量進行輸出。圖6中的元件2則是速度信號轉換器，可將輸入的量綱為一的信號轉換成速度信號進行輸出，其原理如圖7(c）所示。信號1是自定義信號，可設置為循環或非循環環節，時間任意給定。

圖6 可變容積模型

圖7 主要組成模塊

現根據低壓鑄造的工藝要求對可變容積的參數計算如下:

h為升液階段金屬液下降高度 (cm）；

v為保溫爐內金屬液單位時間內下降速度(cm/s），根據低壓鑄造要求為2.66×10－1cm/s；

將各值代入式 (1），經計算可得:

因為活塞的輸出速度單位為m/s，故設置自定義信號為6.64，時間為10 s。體積單元的初始體積即為未開始鑄造時，保溫爐上方的氣體體積，經計算為153 L，主要參數設置見表2。將這幾個模塊進行連接，進行仿真驗證，仿真結果見圖8、9。

表1 可變容積主要模型參數設置

圖8 活塞線性速度及活塞位移

圖9 可變容積的體積變化情況

通過圖8—9可以看出:仿真運行10 s后，活塞的速度保持在6.64 m/s，位移是66.4 m，可變容積的輸入口3的體積和總體積均呈線性上升，在第10 s輸入口的容積達到了20 651.6 cm3，總容積達到了173 652 cm3，體積增加了20 652 cm3，與計算結果一致，證明該模型搭建正確，參數設置合適。

3.2 系統的AMESim仿真結果分析

驗證完系統選用的關鍵元件之后，根據低壓鑄造液面加壓系統中所選用的元件對仿真模型中各元件的參數進行設置，設置完成后，點擊運行按鈕，對整個系統進行仿真，仿真時間設置為200 s，打印間隔為0.1 s，仿真結果如圖10所示，最大壓力誤差見圖11。可看出:保溫爐內壓力跟隨情況良好，特別是每個階段的壓力線性度很好，符合低壓鑄造的工藝要求。

圖10 仿真曲線

圖11 壓力誤差曲線

3.3 原系統實驗數據采集

通過以上對液面加壓氣動伺服系統物理模型的建立，得出了改進后保溫爐內的壓力控制曲線。為比較改進后系統和原系統的壓力控制精度，需要進一步的比較驗證，以下將在該型號低壓鑄造機上進行研究。因為低壓鑄造機的測試系統中有工控機，即人機交換界面，在低壓鑄造開始時，只需要在計算機上的控制界面中點擊開始采集數據，測試界面的右側即會出現保溫爐內的實時壓力曲線，并且還可以將所測得的數據保存成.data文件進行輸出，方便測試者的后續研究。測試界面見圖12。

圖12 測試曲線

圖中右邊為保溫爐內壓力的測試曲線，設置每秒采集20 000個數據點，實驗時間為200 s，即一個工作流程，共采集數據點2 000 000個，在實驗過程中，將實時數據導出，方便后續使用。

圖13 壓力比較曲線

為方便與改進后系統的壓力控制曲線比較，將所得的實驗數據和改進后的液面加壓控制系統所得的仿真數據均導入到MATLAB軟件中，利用其數據處理功能，更清晰地重現出實驗所得的壓力曲線和仿真曲線的比較情況，如圖13所示。

通過圖13可以看出:改進后的液面加壓伺服系統沒有出現明顯的壓力震蕩情況，對保溫爐內的壓力控制精度要明顯優于原系統，每個階段的壓力線性度要更好一些，并且沒有出現明顯的壓力震蕩，特別是卸壓階段響應較快。

4 結論

介紹了低壓鑄造技術的優勢，針對某型號低壓鑄造機現有的加壓系統存在壓力跟隨不精確等問題，從低壓鑄造的工藝角度出發，提出了用氣動伺服閥代替原有的調壓閥組來控制進入保溫爐內壓力的方案。通過AMESim仿真軟件對改進后系統的建模仿真，驗證了液面加壓氣動伺服系統對保溫爐內氣體壓力控制的優越性，對同類系統的改進具有一定的參考價值。

［1］潘增源.低壓鑄造［M］.北京:機械工業出版社，1974:10－53.

［2］施得運，毛紅奎，徐宏，等.低壓鑄造充型工藝的國內外研究現狀［J］.熱加工工藝，2010(9）:52－58.

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［6］馬長林，黃先祥，郝琳.基于AMESim的電液伺服系統仿真與優化研究［J］.液壓氣動與密封，2006(1）:32－34.

Optim ization Design and Analysis of the Low Pressure Casting Surface Pressure System Based on AMESim

WU Xiaoming1，2，CHEN Lihuan3，PENG Liguang1，2，ZHAO Junwei1，2
(1.Hebei Provincial Key Laboratory of Heavy Machinery Fluid Power Transmission and Control，Yanshan University，Qinhuangdao Hebei066004，China；2.Key Laboratory of Advanced Forging＆ Stamping Technology and Science(Yanshan University），Ministry of Education of China，Qinhuangdao Hebei066004，China；3.North China Institute of Aerospace Engineering，Langfang Hebei065000，China）

To solve the problems of the surface pressure control precision of the low pressure casting in actual production，the original system was improved and the pneumatic servo closed-loop control system was built to control the pressure in the holding furnaces.Themodel of the improved system was built by using AMESim software and the parameters were set strictly，which couldmake the physicalmodel close to the actual system at themost extent.Through comparing the simulation results and the experimental data，it is verified the pressure control effect of the improved system is better than the original system.

Low pressure casting；Casting surface pressure pneumatic system；Pneumatic servo technology；AMESim simulation；Experimental data acquisition

TG249.9

A

1001－3881(2014）10－083－4

10.3969/j.issn.1001-3881.2014.10.026

2013－04－27

吳曉明 (1957—），男，博士，碩士生導師，主要研究方向是電液伺服系統、氣動伺服系統、機電液一體化。E-mail:xmwu@ysu.edu.cn。