胡細東，譚武中

(1. 張家界航空工業(yè)職業(yè)技術學院機械實訓中心，湖南張家界427000;2. 中南大學機電工程學院，湖南長沙410000)

澆注是鑄造生產的關鍵工序，對于鑄件的產量、質量有著重大的影響。面對鑄造生產高效率、高精度的發(fā)展趨勢，傳統(tǒng)的手動澆注方式已不能與之適應，提高定量澆注過程的自動化水平是當前鑄造業(yè)迫切需要解決的問題。自動傾轉澆注機的研發(fā)是承接某生產單位的磨球自動生產線研發(fā)的一個子項目。由于液壓傳動平穩(wěn)，驅動力矩大，換向方便，可以實現(xiàn)無級調速，特別是和電氣聯(lián)合控制可實現(xiàn)自動化操作，故該澆注機采用液壓驅動方式。

1 澆注機組成及工作原理

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

圖1 自動傾轉澆注機虛擬樣機

2 傾轉液壓缸位置的確定

傾轉液壓缸位置對整個澆注過程驅動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C 與澆注保溫爐相鉸接，液壓缸缸體通過點1 或點2 或點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計要求，選擇行程為850 mm 的液壓缸，設計點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C 鉸接，點1、3 到點2 的距離都為200 mm。液壓缸的3 個位置點1、2、3，如圖2所示，鋼包的運動過程的3 個位置如圖中點A，B，C所示，3 個位置液壓缸受力如圖2 中F 所示。以下分析3 個位置液壓缸的優(yōu)劣:

(1)液壓缸連接點位于點2 和點C，此時支撐力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)液壓缸連接點位于點1 和點C，此時支撐力變化隨著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C處的鉸接軸及點O 處的轉軸受力方向也發(fā)生變化。

(3)液壓缸連接點位于點3 和點C，此時支撐力變化隨著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，因為各個位置方案3 的力矩比方案2的力矩大。

3 液壓控制系統(tǒng)設計

液壓系統(tǒng)設計時要力求系統(tǒng)簡單，要有高的效率，工作安全可靠，且其先進性要與可靠性、經(jīng)濟性相結合。

3.1 液壓控制系統(tǒng)的組成及工作原理

根據(jù)澆注機的工藝要求，設計的液壓控制系統(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 實現(xiàn)澆注保溫爐的轉動，液壓缸11 實現(xiàn)澆注小車的移動。

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

(3)調速閥6 可根據(jù)不同的鑄件要求調節(jié)合適的澆注速度。

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

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

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

(7)通過三位四通電磁換向閥9 實現(xiàn)澆注機的前后移動，節(jié)流閥10 控制澆注機的移動速度。

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

(9)系統(tǒng)配備一臺10 kW 的發(fā)電機，可作為停電時液壓系統(tǒng)的備用電源及照明電源，若澆注爐中的鋼水不多時，可繼續(xù)澆注完，若鋼水較多時，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，主要完成開關量的控制，包括傾轉液壓缸和移動液壓缸的啟動、停止、換向，澆注機與造型線的聯(lián)鎖控制及安全保護，其作為整個自動生產線控制的一部分，相對來說較為簡單。

圖3 液壓控制系統(tǒng)原理圖

3.2 傾轉液壓缸的同步性分析

澆注保溫爐的傾轉采用兩個液壓缸來驅動，其同步性能直接影響澆注爐的平穩(wěn)運行，理論上來說，兩缸負載相同，但實際上有許多因素使2 個液壓缸的載荷不可能時刻相同，其主要因素有:

(1)澆注機本身結構不對稱，造成2 個液壓缸載荷不相同。

(2)安裝誤差，由于安裝時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短不同，沿程損失也不盡相同。

負載的變化會使得兩缸運行不同步，嚴重時可能會使系統(tǒng)嚴重過載甚至產生結構性破壞，兩缸的同步性必須受到高度重視，以下通過仿真軟件AMESIM對不同負載下的同步性進行仿真分析。

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)學表達式來表示，為了模擬不同載荷的作用，在模擬時采用交變載荷，左側加的壓力為30 000 +200 sin(ωt)，右側壓力為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，開始時候都存在液壓沖擊，持續(xù)時間比較短，之后流量呈現(xiàn)此消彼長的趨勢。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。其變化趨勢和所加載的力相關。

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，接下來就出現(xiàn)兩缸時走時停的現(xiàn)象，而且是交替變化，不但使兩缸運行的平穩(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，當位移變化較大時，兩缸的同步性差，有可能使得整個液壓系統(tǒng)甚至澆注機的破壞，這種情況是必須避免的。因此，在實際設計時，選用同步閥來提高同步性能。從以上分析同時可以看出，不管是流量、壓力還是位移，在啟動時都有較大的沖擊，因此在設計中采用電磁溢流閥、比例換向閥以及回油路上的背壓閥來減少啟動沖擊，提高運行的平穩(wěn)性。

4 結語

對自動傾轉澆注機的液壓驅動系統(tǒng)進行了分析與設計，并采用AMESIM 仿真軟件對雙缸驅動的同步性進行了分析，根據(jù)分析結果對系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，該液壓系統(tǒng)結構簡單、工作可靠、安全性能好，有較好的實用價值和推廣價值。

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