活塞單模鑄造機冷卻系統的電氣改造方案設計

李焱

摘要：結合活塞單模鑄造機的工作原理和工作實際，以保證活塞內單模鑄造機的穩定性和可靠性為目標，采用可編程控制器作為主控單元，介紹了電氣系統的軟硬件以及優化設計的方案，實驗結果證實，活塞總體性能提高，保證了生產率和成品率。

關鍵詞：活塞單模鑄造機;冷卻系統;電氣改造;優化設計

0 ?引言

活塞鑄造機作為活塞制造廠重要的鑄造設備，是集機、液和電為一體的現代化技術設備，目前我國市場中各種活塞鑄造機的結構基本已經定性，結構優化的空間比較小，但是在實際的運用中如何能夠對鑄造機的控制系統進行優化改造，達到最優的改造目的，這樣既經濟又省時，還能夠提高活塞的效率，降低企業維修的成本。

1 ?活塞單模鑄造機結構和工作原理

活塞單模鑄造機為工作臺可傾的下抽芯活塞毛坯專用鑄造設備，不僅能夠鑄造單金屬活塞，還能夠鑄造多種復雜的高檔活塞毛坯，該設備分為機械部分和PLC控制兩大部分。機械部分主要包含著機座、工作臺、頂部提升總成等部分，在工作的過程中各部分之間相互配合共同為提高設備的整體工藝性能而努力[1]。機座是活塞單模鑄造機的支撐部分，頂部提升總成主要是在工作的過程中實現頂模的開合。冷卻系統是為了是磨具具有穩定性和可靠性，提高活塞鑄件的質量，進而實現模具各部分的冷卻水能夠停調方便，實現自動化控制。液壓系統是設備的動力源，能夠在電動機的帶動下，實現機械能的轉化，進而通過PLC實現對鑄造設備的控制[2]。圖1為鑄造機的結構示意圖。

鑄造機設備是半自動化設備，可以人為控制，也可以實現機械化控制。手動模式下能夠對設備進行調整，方便更換工裝和模具，一旦出現故障能夠實現各設備的調整復位，并且能夠滿足鑄件造型的需要。活塞鑄造工藝的流程如下：首先工作臺傾斜，澆注鋁液，工作臺復位，然后冷卻定時/啟動溫控模塊，當外模冷卻、模心冷卻、銷冷卻和頂模冷卻均達到要求后，開始頂模升、外模開、中芯退、左右邊芯合攏，工作臺翻轉，手工取件，工作臺復位，左右邊芯分開、中間芯進、外模合、頂模降，最終完成整個工藝。施工過程較為簡便，主要是達到一定的施工要求。

自動循環時，設備啟動前需要復位按鈕，初始位置為外模代開，左右邊芯分開，中芯向上，頂模升起，放平工作臺，設備處于基本位置時指示燈亮起，左芯向左移動，右芯向右邊移動，中芯上升，外模關閉，頂模下降工作臺傾斜、澆筑[3]。有指示機床基本位置的信號，然后進入到下一個循環當中。完成一個循環的澆筑后手動操作取件，其他的部分由PLC自動化完成。

2 ?冷卻系統設計

在澆筑活塞的過程中，需要將鋁液降溫后變成毛坯，這樣釋放了大量的熱，如果僅僅依靠輻射和傳導來散發這些熱量，將會對澆筑設備造成很大的損害，長期間下去會降低模具的精確度，導致工作臺和導軌發生變形，造成導軌的磨損等問題[4]。因此需要增加介導將這部分熱量散發出去，這樣才能夠保障澆筑的正常進行。因此需要對冷卻系統進行設計。

2.1 冷卻系統的組成好設計要求

冷卻系統主要包括動力裝置、輔助元件以及調節控制元件等，在冷卻的過程中如果不能快速的降低模具和鑄件的溫度，將會造成逐漸銷孔過熱而產生質量問題，因此需要在冷卻系統中合理的冷卻模具的溫度[5]。冷卻的介質不能在模具中冷卻太快，不然不利于模具和冷卻介質之間的熱量交換，冷卻的效率達不到工藝要求，還會造成動力系統的損害。因此需要根據冷卻系統的工作原理進行合理化的設計。

2.2 冷卻系統設計

在澆注的過程中，鋁液冷卻需要散發大量的熱量，這部分的熱量需要通過冷卻介質進行消耗。其中有一小部分散發到空氣中[6]。冷卻系統換熱設計和計算時需要考慮散熱量，選定冷卻系統的具體參數。在澆注過程中不同型號的毛坯具有不同的散熱量，但具有一定的范圍，因此可以根據熱平衡方程式得到冷卻水流量的變化情況：

Qv=3.53×104P/Cp·γ～Δt ? （1）

其中冷卻水流量為Qv（m3/h），鋁液平均的散熱功率為P（kW），水溶液重度為γ（N/m3），比熱為Cp[kJ/kg·K]。進水口的溫差Δt約為15～20℃。冷卻系統泵的選擇是關鍵的一步，在冷卻系統中主要的功能是傳送冷卻介質。由于冷卻系統泵屬于動力裝置，在選擇是要根據不同型號的活塞在一定范圍內的熱量變化進行設計。

3 ?PLC控制程序設計

PLC是澆筑工藝過程的核心，通過傳感器對冷卻液以及模具的溫度等進行數據的采集和分析，能夠通過控制液壓油溫度來對液壓系統進行保護，通過控制冷卻液的溫度提高鑄件的質量和生產效率。通過監測模具的溫度調試到最佳的狀態，進而提高活塞的性能和生產率。PLC硬件系統主要包括主機系統、輸入輸出拓展部件以及外部設備的組成等。根據澆注設備控制系統的要求，PLC需要檢測模擬量輸入信號為4個，設備的開啟輸入信號為34個，操作現場設備的停啟為41個。

3.1 控制系統核心單元設計

采用PLC控制下的電氣控制系統，能夠保護冷卻系統的繼電器在高溫、多塵以及腐蝕性的環境下避免因動作頻繁而出現故障率高和節點接觸不良等現象，能夠避免因機械故障發生而影響生產的效率，降低維修的成本。PLC主控單元采用Koyo SH-64R1經濟型控制器，輸入輸出的節點較多，不需要進行拓展就能夠滿足系統的設計要求，并且具有較高的可靠性和穩定性，價格便宜，經濟實用。

3.2 冷卻時間控制單元設計

冷卻時間控制單元設計主要有兩種方案，一種是通過PLC內部定時器進行冷卻時間預算，直接在PLC終端顯示運作狀態;另一種在系統外安裝數字化時間繼電器，直接對機器系統定時。兩種方案的實現效果相同，經濟性和實用性相當。根據鑄造機工序流程和開模溫度直接在繼電器上設置時間具有操作簡便的優點，能夠快速掌握該技術。因此在惡劣環境下的工作性能較好，最為合適。數字化繼電器為JSS14型，線圈的電壓為220V。控制系統設置了兩種操作的方式，一種是手動的，一種是循環模式。手動操作能夠根據工作經驗，結合現象的工作情況設計出比較合理的開模時間，循環模式下，能夠防止澆注過程中傳感器監測的外模溫度高于預先設定的溫度進而造成冷卻系統鑄件的冷隔等缺陷或者造成、鋁液熱量沒有充分的傳遞到外模去，因此需要借助時間繼電器設施延時，防止誤會開模動作。完成澆注后啟動冷卻系統，模具內芯等到外模冷卻后才開始設定一個時間進行冷卻，這樣能夠保障鑄件具有良好的機械性能。先冷卻外模是為了使活塞表面能夠快速的冷卻，保障鑄件結構的致密性和耐磨性。延時結束后模具的內芯開始冷卻，這樣能夠讓活塞結成晶粒較大的結構，保障活塞的韌性，這樣既能夠保證冷卻正常進行，又能夠保障鑄件的質量，延長活塞的使用壽命。在冷卻的過程中，模具內芯的溫度較高，散熱較慢，外模溫度比系統溫度低時，模具內芯進行冷卻，設定冷卻的時間值，這樣才能夠完成系統的自動開模控制。

3.3 電源電路設計

電源電路作為PLC運行的關鍵，為了提高毛坯冷卻的速度，電路中需要留一個三相插座，并配備220V電源插座，為了符合設備的機械運轉要求，我們需要配備電壓為220V的電源插座，以便使用冷卻風機和照明。同時用PLC隔離變壓器單一供電，中間繼電器和電磁閥的直流電源均為24V，設備上的電機、主回路、控制回路和直流回路等設置空氣開關，進行自動化控制斷電，一旦電力過載，能夠自動斷開。

3.4 PLC控制主電路設計

按照澆注的工藝流程和要求，并為了達到安全性和，需設計PLC主電路，自動檢測設備，自取毛坯。為了提高設備使用的安全性，需要設置雙手啟動，防止設備對人員的傷害。為了能夠在澆注的過程對緊急的情況及時的處理，專門設計了總停按鈕。一旦設備發生故障或者造成人員的傷害時，可以操作總停按鈕進行控制。由于工作環境惡劣，且腐蝕性較高，因此為了保障設備的安全性和可靠性，在選擇行程開關時需要重點考慮產品的質量，選擇密封性好安全可靠的產品。由于PLC輸出及觸點負載能力較低，可以直接使得直流電磁閥的線圈運轉起來，因此我們可以采用一級中間繼電器進行驅動，控制直流電磁閥的動作和流程。使用熔斷器保護輸出回路的每一路的短路情況，可繼續采用續流二級管積極性保護，避免直流電路感性負載突然斷裂，引起對PLC內部輸出觸點的高壓損壞。本身輸入回路需要的電源功率較低，且需要電源的電壓穩定性能高，因此輸入回路直流電源直接選擇PLC，通過繼電器輸出回路，此時帶動直流負載功率較大，對電壓的穩定性要求較低，因此由直流電源直接提供輸出回路的直流電源。

3.5 電氣控制系統軟件設計

按照澆注工藝流程和要求設計系統控制軟件，滿足輸出、輸入點和內部繼電器等功能，做好資源的分配任務，這樣有助于編程的順利進行。編制軟件時采用模塊化增強程序的精確度和實用性，也便于系統的優化和調試。外部元件狀態的檢測采用延時和多次重復檢測，消除信號的干擾。檢測軟件外部元器件的狀態，便于查看故障。

3.6 電氣控制系統結構的設計

采用支架式密封結構設計電氣控制系統，這樣能夠降低在高溫、腐蝕等復雜的條件下對控制柜的影響，也能夠保證設備結構的緊密性，便于在車間中操控和使用[6]。控制柜安裝冷卻風扇，這樣能夠保障PLC的散熱，在控制柜上安裝操作按鈕，便于操作進行。采用金屬軟管和矩形鋼管布置設備的線路，在機體上設置耐高溫的導線，進而保障控制線路的穩定性和安全性。

4 ?結論

采用PLC為主控單元對活塞鑄造機冷卻系統的電氣控制進行改造和優化，提高了電氣控制系統的性能，且操作方便簡單，經過長期的運行和投入使用，完全滿足了鑄造工藝的要求，且延長了設備的使用壽命，降低了維修的費用，提高了鑄造機的生產效率，具有良好的經濟和社會效益。

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