周蘭美

(常州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 現(xiàn)代裝備制造學(xué)院，江蘇 常州 213164)

引言

球墨鑄鐵是通過在鐵水中加入球化劑和覆蓋劑，進行球化和孕育處理得到的具有球狀石墨的鑄鐵[1]。球化處理是生產(chǎn)球墨鑄鐵的主要環(huán)節(jié)，球化處理效果好壞直接影響著球墨鑄鐵的產(chǎn)品質(zhì)量[2]。球化處理的方法主要有沖入法、壓力加鎂處理法、轉(zhuǎn)包法、喂絲法等[3]。國內(nèi)主要采用沖入法的球化處理方法。

沖入法是先把球化包預(yù)熱，然后把稱量好的球化劑加入球化包一側(cè)的堤壩中，用硅鐵合金覆蓋壓實，再加入覆蓋劑，再壓實，最后進行球化處理[4]。現(xiàn)在很多企業(yè)的球化劑和覆蓋劑一般由人工用鐵锨估計重量，然后倒入桶中，再倒入預(yù)熱的球化包中。在此過程中，預(yù)熱的球化包溫度高達700 ℃，工人有燙傷的危險；加入球化劑過程中有粉塵析出，工作環(huán)境惡劣；一些球化包尺寸大，高度大，工人需站在高處倒入球化劑，工人勞動強度大，計量不準(zhǔn)確，球化率低[4]。

基于上述問題，一些廠家和學(xué)者就球化劑的計量、配比和加入方法進行了研究，申請了很多專利，比如周蘭美[5]、李洪軍[6]、尹建國[7]、陳明[8]設(shè)計了球化劑投入裝置，內(nèi)容都是涉及球化劑自動稱重和自動投入的，只是結(jié)構(gòu)各不相同。

本研究設(shè)計的球化劑計量投料裝置，采用PLC控制，下方的稱重傳感器通過接線盒，在顯示器上實時顯示當(dāng)前重量，計算機實行遠程控制。在稱重前進行去皮處理，然后累計稱重計量球化劑和覆蓋劑的重量，并且稱重磅體自動加入和壓實球化劑和覆蓋劑，計量準(zhǔn)確，安全可靠，工作效率高。

1 球化劑計量投料裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

球化劑計量投料裝置主要包括壓實氣缸、覆蓋劑料倉、球化劑料倉、伸縮導(dǎo)料管和球化包、稱重磅體，如圖1所示。球化劑料倉和覆蓋劑料倉的出口有2個調(diào)速閥，由抱緊氣缸控制開口大小。球化劑料倉和覆蓋劑料倉的下方有振動氣缸，球化劑料倉和覆蓋劑料倉的結(jié)構(gòu)完全對稱。球化包內(nèi)側(cè)有堤壩，球化包放在磅體上稱重，磅體上有圓弧形凸臺，防止球化包放偏。磅體的下方有前后對稱的6個稱重傳感器，稱重傳感器通過接線盒在顯示屏上實時顯示當(dāng)前重量，計算機實行遠程控制。由于預(yù)熱的球化包內(nèi)溫度很高，所以伸縮導(dǎo)料管和壓實氣缸中活塞桿的下端使用高溫防火材料制成。球化包外壁溫度不是很高所以稱重磅體采用一般的防火隔熱材料即可，下面的稱重傳感器采用高溫型的。

1.球化劑料倉 2、6.下位傳感器 3、7.振動氣缸 4、8.抱緊氣缸 5.覆蓋劑料倉 9.氣缸 10.活塞桿 11.球化包 12.稱重磅體 13～15.稱重傳感器 16.接線盒 17.實時顯示屏 18.伸縮導(dǎo)料管 19.計算機 20.凸臺圖1 球化劑計量投料裝置

球化劑計量投料裝置工作原理：預(yù)先在計算機中設(shè)定球化劑和覆蓋劑的重量，先由工人用叉車把球化包放到稱重磅體12上，球化包11前面與圓弧形凸臺20緊密接觸，使球化包11準(zhǔn)確定位；此時顯示器執(zhí)行去皮處理，稱重復(fù)位為0，然后伸縮導(dǎo)料管18慢慢下降進入球化包11右側(cè)凹坑中，球化劑料倉1下面的抱緊氣缸4中活塞桿向右完全縮進，調(diào)速閥打開至最大，同時振動氣缸3振動，球化劑自動進入球化包11中；球化劑的重量通過稱重磅體12下面的稱重傳感器和接線盒16傳送到顯示屏17，顯示屏17實時顯示球化劑的重量，當(dāng)球化劑重量達到球化劑預(yù)設(shè)的80%時，抱緊氣缸4中的活塞桿向左運動，此時調(diào)速閥門關(guān)小，球化劑緩慢進入球化包11中；當(dāng)重量達到預(yù)設(shè)值時，抱緊氣缸4中的活塞桿完全伸出，調(diào)速閥立即關(guān)閉，然后氣缸9中的活塞桿10向下運動，壓實球化劑；球化劑壓實后活塞桿10快速返回后，覆蓋劑料倉5下面的抱緊氣缸8中活塞桿向左完全縮進，調(diào)速閥打開至最大，同時振動氣缸7振動，覆蓋劑自動進入球化包11中；覆蓋劑的重量通過磅體下面的稱重傳感器和接線盒16傳送到顯示器17，顯示器17實時顯示覆蓋劑的重量，當(dāng)覆蓋劑重量達到預(yù)設(shè)的80%時，抱緊氣缸8中的活塞桿向右運動，此時調(diào)速閥門關(guān)小，覆蓋劑緩慢進入球化包11中；當(dāng)覆蓋劑重量達到預(yù)設(shè)值時，抱緊氣缸8中的活塞桿完全伸出，調(diào)速閥立即關(guān)閉，然后氣缸9中的活塞桿10向下運動，壓實覆蓋劑，最后活塞桿10快速返回復(fù)位，伸縮導(dǎo)料管18向上復(fù)位。叉車把球化包11移走，進行球化。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 料倉下料速度的控制

球化劑料倉調(diào)速裝置由抱緊氣缸來完成，調(diào)速過程如圖2所示。

圖2 球化劑料倉調(diào)速過程

抱緊氣缸的工作原理如圖3所示，工作狀態(tài)如表1所示，表中“+”表示電磁鐵通電，“-”表示電磁鐵斷電。當(dāng)球化劑計量投料系統(tǒng)沒有啟動或凸臺定位器沒有精確定位時，電磁換向閥5和7復(fù)位，原始狀態(tài)下，抱緊氣缸3完全伸出，球化劑料倉的放料倉門處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)一旦系統(tǒng)啟動后，CT3通電，液壓缸解鎖，CT2通電，抱緊氣缸3的活塞桿完全縮回，倉門處于全打開狀態(tài)；當(dāng)稱重達到設(shè)定閾值的80%時，CT2斷電，CT1通電，抱緊氣缸3的活塞桿向外伸出，當(dāng)碰到抱緊氣缸3上面的磁性開關(guān)M時，CT1，CT3斷電，活塞桿在此鎖定，此時倉門關(guān)小，球化劑達到減緩下降的效果。當(dāng)稱重達到設(shè)定值時，CT3通電，活塞桿解鎖，然后CT1通電，調(diào)速氣缸快速完全伸出，把倉門關(guān)閉。

1.單向減壓閥 2、4.單向節(jié)流閥 3.抱緊氣缸 5、7.電磁換向閥 6.氣源圖3 抱緊氣缸的工作原理圖

表1 抱緊氣缸的工作狀態(tài)

2.2 氣動控制系統(tǒng)設(shè)計

氣動控制系統(tǒng)原理圖如圖4所示，氣動振動器3和19能有效防止球化劑和覆蓋劑粘附在倉料內(nèi)壁，抱緊氣缸6，10控制球化劑和覆蓋劑的下料速度，氣缸8控制球化劑和覆蓋劑的壓實，氣源1、電磁閥2控制氣動振動器3的進氣，電磁閥18控制氣動振動器19的進氣，電磁閥16，17控制抱緊氣缸6的活塞桿伸出和縮進，電磁閥13，14控制抱緊氣缸10的活塞桿伸出和縮進，電磁閥15控制氣缸8的活塞桿伸出和縮進[9-11]。

球化劑計量投料裝置的各個工作部件是按一定的時間和順序工作的，其各個動作由氣壓控制系統(tǒng)中電磁閥CT1～CT9的狀態(tài)決定。電磁閥何時通電、何時斷電是在PLC程序控制下執(zhí)行的，因此設(shè)計合理的PLC程序是關(guān)鍵的一步。在編制PLC的梯形圖和功能圖之前，應(yīng)該先進行I/O地址分配[12]，如表2所示。

1.氣源 2、18.二位二通電磁換向閥 3、19.氣動振動器 4、12.單向減壓閥 5、7、9、11.單向節(jié)流閥 6、10.抱緊氣缸 8.氣缸 13、17.三位五通電磁換向閥 14、16.二位三通電磁換向閥 15.二位五通電磁換向閥圖4 氣動控制系統(tǒng)

表2 PLC輸入輸出配置

3 試驗結(jié)果

為了驗證所設(shè)計的球化劑計量投料系統(tǒng)計量的準(zhǔn)確性，在樣機進行測試，樣機實物如圖5所示。

圖5 樣機實物圖

假設(shè)測量25 kg，首先安排工人用原先鐵鏟簸箕計量，然后再在磅體上精確稱重實際重量，記錄在“人工測量值”這一列；接著用設(shè)計的球化劑計量投料系統(tǒng)來測量，首先在電腦里設(shè)定重量25 kg，再看無線顯示屏上實際測得的數(shù)值，并記錄在“自動控制測量值”這一列，測量結(jié)果見表3。

表3 人工測量和自動測量比較 kg

由表3可知，人工計量、稱量裝置的稱量平均值為24.885 kg，標(biāo)準(zhǔn)差為 0.46 kg，最大相對誤差為 3.2%；球化劑計量投料系統(tǒng)的稱量系統(tǒng)，稱量平均值為25.037 kg，標(biāo)準(zhǔn)差為 0.05 kg，最大相對誤差為 0.32%。試驗結(jié)果表明，采用所述的球化劑計量投料系統(tǒng)，計量誤差大幅度降低，相對誤差較小，球化后白口傾向明顯減小，球墨鑄鐵韌性增強，球化率從原先85%提高到92%，可以滿足生產(chǎn)要求。

4 結(jié)論

經(jīng)過試驗分析可知，本研究設(shè)計的球化劑計量投料系統(tǒng)采用PLC控制，可以遠程控制、計量、投料和壓實球化劑與覆蓋劑，整個過程高度自動化，可以省去專門添加球化劑的工人，成本降低，球墨鑄鐵的球化率提升，產(chǎn)品質(zhì)量提高。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，經(jīng)濟性好，經(jīng)過在廠里實際使用，反映良好，推廣價值大。