（机械电子工程专业论文）高精度铸造机液压控制系统的特性研究和制作.pdf

摘要 本文针对i _ f 4 内訇 深加工业中铸造机缺少高精度控制的现状，提i i r1 j f j 棼联购进的铸造机液压控制系统及从英困劳伦斯公司购进的铸造机液压控 制系统不刚的控制办式，即开关量全部采用插装阀。在速度控制方面采用r 商精度的涡轮流量测试仪和电液比例流量阀，以及p l c 控制，从而形成了 一个高精度的闭环控制系统，克服丫以前系统中u j 现的铸造速度不稳定诸多 问题，实现了铸造机的多项工艺要求并确保了其质量和产：量。 。、， 1 在方案的殴汁、可f s t j 过程中，本文在洋尽分析了铸造机工艺要求和t 现有设备运行中常出现的问题的基础上，提出了新的设计方案，并对其进行 r 详尽了数学分析和数字仿真，以确保其在理论上的可靠性。 侄其后进行的物理仿真中，通过仿真实验测试了其关系到系统精度的 两个线形参数k 。和k ：，并通过负载实验，测试了系统的流量负载特性。 在现场调试运行中，重新测试了物理仿真巾的测试参数和流量一负载 特性，使得系统的运行更加精确、可靠，但在随后的生产过程t f i 出现了一些 包括元什本身质量缺陷的问题。不断解决问题的过程其本身就是一个优化的 过程，优化后的系统成功地实现r 对铸造速度的高精度控制，取得了良好的 效果。于， j ， 该系统具有抗油圬能力强，响应快，抗干扰能力强，控制可靠等优点。 该办案为传统的铸造机液压控制系统向高精度、低成本方向转化，) = j ； f 一条崭新的途径，丰富了铸造机液压控制系统理论，并成功地运j l j 到，仁产 实践中，取得r 较好的经济效益和社会效益。 a b s t r c t t h et h e s i ea i m e da tt h e p r o b l e m t h a tt h e p r e s e n t l e v e io f s c a r c i t y o f h i g hp r e c i s i o u s c o n t r o li n a l u m i n u m d e e pp r o c e s s ， t h ea u t h o r p u t f o r w a r dan e wf a s h i o nw h i c hi sd e f f e r e n t f o r m h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m o f f o u n d r y m a c h i n e b o u g h t f o r mu s s ro r e n g l a n d ，n a m e l y , o n o f fq u a n t i t ye m p l o y e d i n s e r t - i n s t a l lv a l v ec o m p l e t e l y , h i g h - p r e c i s i o nt u r b o - f l u x t e s t i n gi n s t r u m e n t ， e l e c t r i c i t y - f l u i dp r o p o r t i o n a l f l u xv a l v ea n dp l cc o n t r o lw e r e e m p l o y e d i n t h ec o n t r o lo fs p e e d s e q u e n t i a l l y , ah i g h p r e c i s i o u s c l o s e d - l o o p c o n t r o l s y s t e m w h i c ho v e r c a m e m a n yp r o b l e m s s u c h a s i n s t a b i l i t y o ft h e f o u n d r ys p e e d i n f o r m e r l ys y s t e m i s f o r m e d ，t h es y s t e m r e a l i z e dm a n yt e c h n i c sn e e d so ft h e f o u n d r y m a c h i n ea n di n s u r e q u a l i t y a n d o u t p u t o ft h ea l u m i n u m i n g o t 。 i nt h e d e s i g n a n d d e v e l o p o ft h e p r o j e c t ，t h e a u t h o r p u t f o r w a r dan e w d e s i g np r o j e c t o nb a s eo f a n a l y s i n ga t l a r g e t h et e c h n i c sn e e d so ft h e f o u n d r y m a c h i n ea n dt h e o r d i n a r y a r i s e n p r o b l e m s i nt h e e q u i p m e n t i n e x i s t e n c e ，m o r e o v e bt h e m a t h e m a t i c s a n a i y s e a n d d i g i t a l s i m u l a t i o na t l a r g e w e r e c a r r i e do ni no r d e rt oi n s u r ei t st h e o r e t i c r e l i a b i l i t y 。 i nt h e r e a f t e r p h y s i c s s i m u l a t i o n ，t w o l i n e a r p a r a m e t e rk i a n dk 1w h i c h w e r ec o n n e c t e dw i t h p r e c i s i o n o ft h e s y s t e m w e r et e s t e da f t e rs i m u l i t i o n e x p e r i m e n t ，a s ar e s u l to fl o a d e x p e r i m e n t ，t h e f l u x - l o a dc h a r a c t e r i s t i co f s y s t e m i st e s t e d 。 i n t h ed e b u ga n dr u no nt h e s p o r t ，t h e a u t h o rt e s t e d t h e p a r a m e t e r i n p h y s i c s s i m u l a t i o n a n df i u x - l o s dc h a r a c t e r i s t i c o v e r a g a i n ，w h i c hg o t t h e s y s t e m r u n p r e c i s e l y a n d r e l i a b l e l y m u c h m o r e ， b u ts o m e p r o b l e mi n v o l v i n gq u a l i t y l i m i to f t h e c o m p o r i e n t c a m eo ni nt h ec o u r s eo fs u c c e d e n t m a n u f a c t u r e ， t h ec o u r s e s o l v i n g t h e p r o b l e m ss u c c e s s i v e l yn a m e l y a o p t i m i z e c o u r s e ，t h eo p t i m i z e ds y s t e mr e a l i z e d h i g h p r e c i o u s c o n t r o lo f f o u n d r ys p e e ds u c c e s s l y , a n da c h i e v et h ef a v o r a b l ee f f e c t 。 t h e s y s t e m h a s m a n ya d v a n t a g e s s u c ha s a n t i - p o l l u t i o n ， f a s t r e s p o n s e ，a n t i - d i s t u r b a n c ea n d s oo n 。 t h e p r o j e c tp r o v i d e s an e wi d e af o rt r a d i t i o n a i h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m o ff o u n d r ym a c h i n e t r a n s f o r m i n g t ot h e w a y o f h i g h p r e c i s i o n ，l o w - c o s t ， i te n r i c h s t h et h e o r yo f h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m o ff o u n d r y m a c h i n e ， i ti s b r o u g h t t o p r a c t i c e s u c c e s s l y , w h i c hg e t sp r e f e r a b l ee c o n o m ya n ds o c i e t yb e n e f i t 。 重庆大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的提出、现状及意义 铝、铝合金材料加工厂一般都设置有熔铸车间( 或分厂) ，以生产铝、铝 合金铸锭、供压力加工车间生产各种不同形状的制品。这些压力加工制品根据 其形状特征可以分为板、带、管、棒、型、线材及锻件、冲压件等，但所有这 些深加工都有一个前提：高质量的铸锭。 铸锭质量好坏的标志主要是内部质量，内部质量表现在： ( 1 ) 铸锭结晶组织的细密程度，即晶粒的大小，晶粒结构的细化程度及 局部组织不均匀程度如何； ( 2 ) 铸锭内部的合金组元分布均匀性； ( 3 ) 铸锭的细密度，即破坏铸锭连续性的缺陷如疏松、气孔、裂纹、夹 渣等的有无及程度。 以上这些因素直接决定着铸锭的机械性能，也影响其后制品的加工工性 能和最终性能。 其次，铸锭的表面质量，即冷隔、拉痕、偏析、瘤和表面裂纹等的有无 及深度如何，也是铸锭质量的标志。因表面缺陷严重时，将增加铸锭的机加工 量或使工艺废品增加。 铸锭的质量与铸造工艺密切相关，连续铸造时，影响铸锭质量的主要工 艺参数是冷却速度、铸造速度和铸造温度等，以下仅介绍这些工艺参数对铸锭 质量影响的一般规律l 。 ( 一) 冷却速度 冷却速度就是铸锭的降温速度，又称冷却强度。用单位时间内下降的温 度来表示( o c ，秒) 。 但是随着冷却速度的增加，铸锭温度梯度增大，热应力值相应提高，铸锭 重庆大学硕士学位论文 的裂纹倾向性增大，这在铝合金铸造时表现得特别明显。 连续铸造时，向结晶器和铸锭供水的均匀性很重要。局部的水冷过弱，将 导致冷却速度的差异，造成铸锭各处收缩率大小不一和收缩不同步，由于热应 力将引起很大的裂纹倾向性。方铸锭的表面裂纹和由此而引起的撕裂，大多数 是由此引起的。 此外，提高冷却速度可以减轻铸锭区域偏析的程度。但在某些情况下，过 大的冷却速度则是铸锭表面冷隔形成的原因。 鉴于提高冷却速度对改善铸锭组织和机械性能有明显的优越性，所以，在 允许的条件下应尽可能强化铸锭的冷却。 ( - - ) 连续铸造时，铸锭在单位时间内相对固定的结晶器向下降落的长度 叫铸造速度。用毫米，分来表示。 从发挥连续铸造机的最大生产能力的观点出发，应当采用最大的铸造速 度。但是，对于不同合金不同规格的铸锭，最合适的铸造速度的选择还必须考 虑到铸锭质量提出的要求。 连续铸造过程的一些基本规律都与铸造速度有关。铸造速度的快慢直接影 响到铸锭的结晶速度，液穴深度和过渡带的宽窄。因此，它是决定铸锭质量的 重要工艺参数。 对裂纹倾向性的影响： 铸造速度对裂纹倾向性的影响是很大的，又是很敏感的。对于般方铸锭， 适当提高铸造速度，可以减少裂纹倾向。但是提高铸造速度将会增加宽面表面 热裂纹的倾向性。 铸造速度对裂纹倾向性的影响可分两种情况。第一种情况，当铸造速度较 大时，液穴深度会增加。如果液穴深度延伸到结晶器之外，在这种情况下，当 铸锭脱离结晶器时，外层受激冷产生收缩，但此时内层还是晶体状态，由于结 晶层薄，对外层收缩阻力小，但当内部金属冷却收缩时，外层温度已经很低， 丽中心层则以很大的导热速度冷却，其收缩受到已凝固的外层阻碍，因面在内 重庆大学硕士学位论文 层形成拉应力。这种拉应力对中心裂纹的发展关系极大，铸造速度越大，则形 成中心裂纹的倾向性越大。 第二种情况，铸造速度很低时，液穴底部在结晶器内。显然，在这种情况 下，当铸锭从结晶器中拉出来的瞬间，表面冷却速度很大，这时内层已经凝固。 由于收缩的不同步，内层对外层的收缩阻力较大，以至铸锭表皮形成很大的拉 应力。这种拉应力正是圆铸锭表面裂纹形成的原因。铸造速度越慢，结晶器越 高，则表面裂纹越严重。 对机械性能的影响： 铸造速度对铸锭性能的影响，取决于它对铸锭结晶速度和过渡带尺寸影响 的综合结果。随着铸造速度的提高，铸锭平均结晶速度增加，在增加铸造速度 的可能情况下，对于较大的铸锭，平均结晶速度的提高虽然不大，但提高铸造 速度其机械性能会显著降低。 对表面质量的影响： 随着铸造速度的增加，液穴变深，铸锭凝壳变薄，偏析浮出物的倾向性增 大。同时拉锭阻力增加，铸锭表面易产生拉痕，严重时甚至拉裂。但是铸造速 度过慢，将造成冷隔的发展，甚至成为横向裂纹的起因。 根据铸造速度对铸锭质量影响的规律性，对于大截面铸锭，为了提高铸锭 致密度，降低裂纹倾向性，应采用低速铸造。对于工业纯铝及结晶范围的合金 铸锭，在保证表面质量的前提下，应尽可能采用高速铸造，以不出现裂纹为限。 总之，铸造速度的选择也应该保证不出现裂纹1 2 ”。 ( 三) 铸造温度 铸造温度通常是指静置炉中的金属熔体温度。显然，这一温度首先应保证 金属熔体从静置( 保温) 炉通过溜槽及各种转注工具，在注入结晶器的流程中， 具备必要的流动性，更不能进行结晶。 通常，铸造温度应该控制比该合金液相线温度( 即该合金最高的凝固温度) 高5 0 1 1 0 0 c 。适当的提高铸造温度，是有好处的，因为靠近模壁的金属保持 重庆大学硬士学住论文 为液态的时问较长，对气体和夹渣的排除有利。金属液粘度小，有利于补缩， 可减少疏松、气孔、夹渣和冷隔等缺陷，改善表面质量鲫。 由于熔体温度的调节比较慢，所以铸造温度的调节不像铸造速度的调节那 么灵敏。通常，在整个铸造过程中，要求控制在一个合理的温度范围内即可。 分析以上三个主要工艺参数可知：冷却速度可以通过调节冷却水的大小而 达到，铸造温度虽调整较慢，但静置加热炉的温控设备可以控制其波动范围， 而铸造速度则和铸造工艺和铸造设备有紧密的关系。 一流的质量靠的是流的生产工艺和一流的生产设备。 铸造工艺； 名称分类优点缺点实际中应用 情况 进行空冷、设备筠单晶粒租大、结最适用于对产品 平模铸造 方向不一致、易性能要求低的 钢棱 产生废品小规模生产 铸造立模铸造 水冷模铸进行水冷，设备简单。易产生缩孔 造 连续多为卧式可以得到无限长度的铝锭。不能进行之后雕适用对产品性 铸造热处理。能要求低的大 规模生产。 半连立式避免了铝水的飞溅，可以碱因铸造速度不稻广泛使用 续锸少氧化膜和夹渣的卷入。定，易产生裂 造 可以获得细密的组织 纹。 冷却强度大，有利于提高铸锭 的机械性能和变形性能。 结晶方向自下面上，大大减少 了气孔、琉松。 卧式 设各简单，投资少 铸锭下部先于上仅适用于小觑 部结晶，引起帮模铸锭 应力，易导致开 裂。 电磁成型铸造 产品无冷隔、偏折。其变频设各和屯 无 气设备成本极 高，噪声很大 从上表可以看出，半连续性铸造的优点较多，在实践中也得到了广泛的使 用，其设备种类也较多m l 。 4 重庆大学硕士学位论文 名称优点缺点 实际中使用情况备注 锟式铸造结构简单，铸造速度稳每次只能铸造一极少。 见图1 1 机定。根铸锭，生产效 率低 丝杆式铸运行平稳 铸造安装和维护极少。见图1 2 造机复杂丝杆、螺 母易磨损，更换 麻烦 链传动铸结构简单，工作可靠。安装困难，链条尚有见图1 3 造机 易磨损 钢绳传动运行平稳，结构简单 钢绳损坏较快，较多见圈1 a 铸造机 需经常更换，由 于钢绳被拉长引 起平台偏斜，影 响铸造速度的平 稳 液压传动使铸锭在较宽的速度范铸造速度不稿最广泛。 见图1 5 式铸造机围内下降，并且可任意定，引起裂纹 调整铸造速度 从上表可以看出，液压传统式铸造机是最广泛使用的铸造设备，但其关键 控制系统参数是铸造速度。 西南铝加工厂作为亚洲和中国最大的铝深加工企业，作为中国五百强之一 的企业，每年都要“吃”下贵州铝厂、青海铝厂、兰州铝厂树以十万吨计的铝 锭，而这些铝锭到西南铝加工厂的第一步，就是进熔铸分厂的加热炉、保温炉 和铸造机，由此可见，铸造机的重要性。西南铝加工厂熔铸分老厂区和新厂区 两部分。老厂区的铸造机全是机械式铸造机，有上述提到的链传动铸造机和钢 绳传动铸造机，但都是l o 吨以下的小吨位铸造机，多用于低合金小批量铝锭 的铸造，其产量的仅占全分厂的2 0 左右。 在新厂区，配置有两台从前苏联购进的6 0 吨铸造机和一台从英国劳伦斯 公司购进的5 0 吨铸造机。其主要生产各类大型铸锭，其产量占了全分厂的8 0 左右。但从前苏联购迸的这两台铸造机近年来出现了铸造速度不稳定等问题， 而因为前苏联解体，备品备件来源极为困难，故大大影响了铝锭的质量和产 蕊从人学硕l 学化i 它史 0 式 i 造叽 网f ，弓 链。滞传动造机 围f 、牛目巍f o 功啡造p l 结f 0 汛压悖动式铸造 图，5 6 重庆大学硕上学位论文 量，降低了该分厂的经济效益。卜 面是一个简单的例了： 一1 炉6 0 吨的商精纯锚从熔炼到铸造完毕约需1 2 小时，山l ：铸造时铸造速 度出现厂1 次波动，因面这一1 次铸成的四块大型锚锭，“生了裂纹，导致该炉纯 铝全部报废，不得不回炉重炼，不汁重新熔炼的电耗，大型锅锭的分切费j | j ， 单从品位f 降这一点来看：高精纯铝购进价约2 万吨，而重新回炉熔炼的- 曲 精纯铝由j 二品位f 降，售价降为1 2 万吨，加上火耗2 - - 3 左右，这次因铸 造速度不稳定带来的经济损失就超过了5 0 万元。 英陶老伦斯公司生产的5 0 吨铸造机自1 9 9 5 年试车以后，由j 二其奉身设 计等方面的问题，一直未正常生产。 综j ：所述，铸造速度的不稳定成了制约该分厂乃至全厂发展的重要因素， 通过多次方案讨论后，决定对其进行技改，舍弃原苏联产铸造机液压控制系统， 重新设计生产一套新的可靠的液压控制系统，从而根治铸造速度不稳定这个【1 j 题，确保其质量和j t 量。 垃面易见，作为中阑最大的铝深加工企业，这次技改不仅可以提高铝锭 的产量_ ；f i i 质量，而且n i 以火人减少高精铝的废品牢，为航空用铝迈上新台阶 打f 基础，也为西南铝加 ：厂在中国企业五百强总的排名跨向前列打下基l i 。 1 2 课题的任务 ( 1 ) 分析其工艺要求发现最重要的控制参数。 ( 2 ) 分析铸造速度的控制原理，并对其进行详尽的数学分析，为以后该类 系统的设计提供理论指导参考。 ( 3 ) 对该系统速度控制过程进行数字仿真，以确保系统的可靠性。 ( 4 ) 设计出铸造机液压控制系统方案及相应旌工图。 ( s ) 组裟、调试该液压控制系统，测试出相应控制参数。 ( 6 ) 现场安装调试，及时解决现场可能出现的任何问题，并对该系统进行 优化，确保按期j i ：常投产。 7 重庆大学硕j 二学位埝丈 第二章铸造机液压控制系统的特性研究 2 1 熔铸工艺对铸造机的工艺要求 水t h 逐渐凝具体熔铸工艺如f ：纯舒j 的熔点约为摄氏6 5 8 度将小筲；锭熔 化衍送进保温锅，存此，需添加和化剂，以改善成品铝锭的诸如延伸性等内 部性能其后，通过倾翻缸缓慢推动保温铝倾斜，铝水通过流槽结品器进入 铸造、严台平台卜是一一支巾3 2 0 7 0 0 0 的人型柱塞汕缸，随着甲台的低速缓慢卜- 降，通过结品器的铝水逐渐浸入同，直至最后形成1 3 0 0 m m 5 0 0 m m 7 5 0 0 r a m 人型锚锭见如卜框图( 罔2 1 ) 一匹巫面巫面面吨匝卧匝巫亟囹 咂圈一匝盈雹亟覆巫卜匾匝亟面固 o_-_-_o一 叫笪丝里! ! i 自垫监：生卜_ 一l 铸造结束卜_ 一i 留 锭冷却、 j 字l。 呕匝噩砷匝疆面匝王叵逦卜咂匿匾 一匝巫面巫乎岖亟遁豆 互面卜圈 一匾圃 i 叫2 j 熔铸i ：艺对铸造机有如卜。【岂要求： ( 1 ) f 台f 降速度均匀：无论足钝铝还足合金铝，在冷却速度和铸造温度 一一定的话况f ，其铸造速度要求稳定不变故要求i f 台i i 降速度的变化量必须 小j ：0 8 ，行则舒1 锭会产_ i 裂纹，即废 h 吐说可以州炉，f | 能耗如，虻l e 蘸庆= 学硕上学位论文 是其一门i 位的下降都足i l ：j1 所不能接受的。 ( 2 ) 成型钌j 锭长度显求精确：舒 锭长度显示精度须达到0 5 ，姐幡易 见，短j ，达一i 到f 道工序( 轨板成品过长) 的要求，长了只能锯掉，如此人 的舒；锭，无须说划料、能耗等浪费，单锯床费用一年也相当可观 ( 3 ) 速度振荡小：凶为，f 台下降速度极慢，仪3 0 - 1 2 0 m m m i n ，故极易产 生铸造、f 台油缸爬行，而速度波动义更易产生、严台油缸爬行 ( 4 ) 决小允许”滑乍”：”滑车”即在铸造过程中由j ：种种原凶铸造、f 台突然伙速f 降，”滑车”会导致大最钭j 水分溅，一；难想象，摄氏7 0 0 度以 上l l 彳f 毒的铝水溅到操作者身l ：的后果 ( 5 ) 调整范【喇人易调：纯钒删合金钒及航人j u 铝的见水凝嘲时间榭差较 大，故要求铸造机适应范嘲j “，并且调整容易，无须太多停产调整时问，以确 保产量 ( 6 ) 快速片 闭：由铸造机的商精度和危险性，故要求其能快速船闭， 尤j e 足拒铸造机开始时，1 i 允许有滞后现象，杏j i ! i j 铝水会溢h 结晶器，危及 操作卉的安全实物如图2 2 图2 2 重庆人学硬 学位论文 2 2 对前苏联铸造机现状的分析 前苏联生j 。的这两台铸造机，配箕丫4 台熔炼保温炉，其使j j 频率一彤常 岛，其是否n ：索关系到全分厂乃至全厂的产量但近年来，该系统铸造速度 不稳定，严重影响了生产，制约了该一的发展： ( 1 ) 该系统速度控制为开环控制，( 控制框图如图2 3 ) v 斑2 3 这种，r 环速度控制带来厂如卜i 两个题： 该系统采j h 了手动调速阀，j l i 过将联轴器的一端与手动调节旋钮 相连，机械传动的精度与调速阀本身的精度和可靠性都f i 能满足铸造速度的 稳定。 随嚣铸造的进行，乎台上的锚锭逐渐加重，铸造平台f 降的速度会 有所改变，故要求操作者能随时手动调整铸造、f 台f 降速度这不仪对操作 者技术和责任心要求很高，也带来了诸如矫枉过i e ，引起铸造速度波动，乃 至! f 废品的n d 题。 ( 2 ) 在之前先说明一点：铸造油缸安装在铸造s 台之卜，其全年工作冷 却水1 1 1 ，当然这对铸造油缸的密封性提出了很高的要求，但由于使用频繁， 且无法查看密埘什磨损情况，敞随着磨损的加剧常会右水浸入或被柱塞带如 铸造油缸，i j ，从瓶进入液压系统该系统全部采用滑阀，安装布置需较为简 单，f l l - 滑闽对j ：含水的介质，显丽易见：一是易锈蚀；二是润滑性差，严匿 重庆大学硕1 学位论文 影响r 该系统的可椎性 ( 3 ) 测量氏度_ ；准确。其测长关键j i 什是液压马达和脉冲计数器，液压 码达作为测试冗州：，精度较低，加l 施i f i 速度于动调整导致的液捱码达进f j 矗j 波动，使得测量艋示k 度常常与舒；锭实际长度有较大出入。 1 4 ) 容易f j j 现”滑车”。i j1 ：滑闽一l ：作不可靠即使，u 巾的磨损加剧，该 系统r i ) i ： j | w l t j “以来，f l l 现过数次”滑乍”现象，造成臣人的经济损火年人 员伤残s f t ：。j 酊无法外购备品备件，该问题一直术撒本解决。 前苏联产铸造机液压控制系统原理图如图2 4 2 3 对英国劳伦斯铸造机现状的分析 英国劳伦斯公司生产的铸造机f | 购进以来由r 殴； n l j 足等斛索至今尚未 投产使j 日，j d 题有四： ( i ) 铸造机液瓜控制系统m 倾翻机构液堰控制系统合为一体，即商梢度要 求的铸造液j k 控制系统会受剑倾翻机构液压控制系统的影响，凼为倾翻汕缸的 爬干及造成的爪力波动会影响到铸造甲台f 降速度的稳定。 ( 2 ) 铸造时，石j 动倾炉汕缸保温炉渐渐倾翻，铝水沿流槽流入结品器， l 叮在锃泳刚逃入结品器时，需要人工出渣( 因渣浮于铝水表面，刚开始铸造 时，锚渣较多) ，正因为这样及人工吊放流槽有快订慢、各剃- 台金锋 水表【f l i 含 渣量一；m ，故保温炉开始倾翻和铸造平台开始启动中的问隙时间矸；浏，i 刑哿 铸造机和倾翻机构合二为一的电器部分很难协调。这是该设备一直闲置的原 闪之一。 ( 3 j | d 前苏联产的铸造机一样，该系统中也大吊采用滑阀，因l l l i 对介质 - ，含水问题难以解决。 ( 4 ) 在调试过程中，d j ：控制程序方i f 的诸多问题，一直未能正常! 忙产。 英1 日劳伦斯公i d 生产的液爪控制系统原理图如图2 5 。 重厌大学钡t 学位嚣舅 圈2 。4 2 巫庆人学硬l 学位论文 图2 5 匝状久学 受l ：学位论文 2 4 对新制铸造机液压控制系统的方案分析 ( 1 ) 侄速度控制系统中要达到商精度要求，当选伺服阀，其采j j 模拟0 控 制的静态精度可达o 2 5 ，速度控制范围可达1 0 0 ：1 ，但其对介质的清洁度 要求很高，对系统r p 功率放人元仆和执行部1 ；，| ：的响应频率要求也很尚，并儿 j 价 备昂贵，使得最终选用丫电液比例流量控制阀，该阀爿i 仪对介质清沽艘 的要求居 l ，更容易进行微机控制，并h 价格较伺服阀便宜很多，且完全能 满足铸造一j ：艺的要求，选j l j f 毡液比例控制阀可以获得最佳功能价格比 ( 2 ) 在选用系统指令及信号处理单元时，选h 】了f j 本欧门龙公司的- 盯j 编程 控制器由于受进行模拟信号的处理，可编程控制器0 i 仪发挥了其容易改动 的优势，而f l 蕻内部抗1 j 扰、内设ad 、da 接臼等特性形成的综合叫靠性 明姐优j 二计算机控制或专fj 丌发没计的控制板。选用可编程控制器可以获得 最 i s ；j 能价格比。 ( 3 ) j t ：环速度控制系统虽然4 ：存在稳定性问题，但是其精度较低，对内外 ：i 二扰敏感，故应选h j 闭环速度控制系统。电液比例流量控制阀，涡轮式流量 测试仪，可编程plc 处理器形成的闭环速度控制系统i 叮大人提高速度控制 精度和抗1 二扰能力。 ( 4 ) 由j ：前文提及的铸造机介质i 含水及能快速启闭的要求，故设计制 作的液堰控制系统选j i j 了由1 6 r a m 通径插装阀和由6 r a m 通径的高压不锈钢球 阀，插装阀4 i 仪解决了介质含水i 、兀j 题和满足快速启闭的要求，而且容易实现 微机控制，提高了系统的可靠性、使用寿命、易于维护检修等性能。 ( 5 ) 为避免在铸造过程中出现“滑车”现象，比例流量控制阀后的插仆 先导k 力取源r ：e 州路( 即柱塞缸内的) 压j j ，这样可以不受控制压力波动 的影响，如图2 6 重庆大学硕上学位论文 广一一一一一一- _ 图2 6 ( 6 ) 长度测量4 i 再另殴测试兀什，速度一旦稳定、准确，娃示长度的精度 即可保址。 l = ，k a v d t 2 5 铸造机液压控制系统的设计方案 新设计方案与前苏联产铸造机液压控制系统及英陶劳伦斯公i d 产铸造机 液压控制系统比较彳j 如f 不川： ( 1 ) 该系统采川闭叫：控制，控制榧陶如卜 ( 图2 7 ) ： 图4 1 该系统挖制原理图如图2 8 ，实物如图2 9 、图2 1 0 及图2 1 l 。 该系统控制塔层山卜至l ：分别为：控；| ；! j 泵调1 i 控制块、主泵调压控制块、 铸造缸快升伙降控制块、铸造缸铸造控制块、减压阀控制块、盖板缸三位四 通换向控制块。 或陡大学硬士学位论文 图2 8 6 囊庆大学颈- 学位论丈 图2 9 罔2 1 0 7 重庆大学硕上学位沦文 图2 1 l ( 2 l 抗污染及抗i ：扰6 d 题 该系统在控制泉的吸汕i j 、出油r 1 、生汕路回汕| _ 1 、比例流量阀进【i 的 各j i j 泄汕ij 郧安装| r 斗1 j 应精度的滤油器，保证了该系统的响应速度和可靠度， ，1 ：使得系统的故障率大大降低。 f j ：溺轮式流量变送器是通过磁性物质产生正弦波信写，故铸造测速时 小允许大电机启动，h d 时，埘j 二控制象带来的振动也设簧了减振隔振装置， 以免影响测试耥度。 ( 3 ) 控制压力的稳定 控制压力的稳定荚系到整个系统足番能正常一i i 作，一i i 控制雎力下降， 4 i 仪所川动作要求火控，还会导致“滑乍”，故为了保b e 控制压力的稳定，歧 计选川丫r 台i o l 的蔷能 ，并设计安装了两个压力继f u 器，以确保控制 ，k 力的波动范嘲小：i m p a 。 重庆人学颤l 学忙论文 ( 4 ) 该系统电耗问题 该系统设有1 台3 7 k wi b 机和1 会4 k w 电机，一个工作循环约1 5 0 分 钟，大也扫l 启用时f h j 约s 分钟，小电机也仪为了补充控制压力面启动，鼻；j l j 时问约l o 分钟。在占了绝大啬i f 分j 问的铸造过程f ，两台电机都无须启动， 故该系统电耗极低。 2 5 小结 奉章从铸造机工艺要求出发，分析了铸造机的特性，比较了原铸造机的 性能特点及问题，得 i 了新制铸造机液压控制系统的设计方案这为以后的 分析和现场调试运行奠定丫基础 重庆大学硕上学何沦文 第三章新制铸造机液压控制系统的数学分析 3 1 电液比例流量控制阀 ( 1 ) i l l 液控制系统执行元件速度的调节都足通过流量控制来实现的流 量控制阀通过阀口通流面积的改变实现对流量的控制，阀臼流量公式是： q = c 。1 厂覆而 电液比例流量控制阀按其挖制原理分为三大类型： 也液比例节流阀 压差补偿型电液比例流量阀 流量反馈电液比例流量阀 电液比例节流阀中受控的仅仅足阀芯的位移或节流口面积，但流经节 流l 的流量还取决j 。爷流口f j 后的压差，很明照，该类阀不适川。压差补偿 型电液比例流量阀采用压差定值控制阀对系统的雎力波动进行补偿，使节流 觚差保持恒定，从而实现输入电信号对于流量的单调控制丽流量反馈型 电液比例流量阀在高压大流量工况下的等流量精度远远高于前两种传统型流 量阀，但应指出，【 】 ：先导阀上的摩擦力和液动力的干扰程度在小流量工况 f 变得棚对明显，凶此这类一i ：况的控制精度仍和传统阀相当，正由j ：铸造机 液堪控制系统的低流量( 2 4 7 2 l m n ) 特性，使得该阀在这类j ：况的控制精 度大为降低，加上价格及产晶化等因素，最佳选用是压差补偿型电液比例流 量阀 ( 2 ) 瓜差补偿型电液比例流量阀义分为传统碰、先导式定差减烁型、带 流量放人闽的k 力补偿掣和j 通式定差溢流阀。分别如图3 1 磊庆人学碗土学位论文 疆盛 传统型 先导式定差减艟型 晶私 o 带流髓放人阀的压力补偿型二通式定羞溢流阀 图3 1 上述提过，本系统的铸造速度较小，流量仅2 4 l m i n - - 7 2 l ，m i n ，战 带流量放大阀的压力补偿型小实用，另一点也提过，即测长精度要求很高， 也就是说从柱塞缸流出的介质须全部流经流量测试仪，即使将泄油【j 液流接 回流量测试仪，这样虽可以保b e 测长精度，但随着负载提高，泄油口液流就 会增人，铸造、 台下降速度就会挺岛，丽这是铸造时所小允许的这样来， 先导定差减压型、带流量放大阀的j i 三力补偿型和三通式定差溢流型也就4 i 使 _ l j r 该系统r 。 ( 2 ) 传统型压差补偿犁比例流量阀是由一比例电磁铁直接驱动的节流阀 和设置在上游的咆极定差减艋阀所组成，其原理图和稳态特性框图分别如 图3 2 硐13 , 3 p i 示 2 重庆大学硕十学位论主= 幽3 。2 j 稳态特性方程组如下： j er f l ：p 2 一匕= ( x 。+ x ) k ，一1 7 。 a 图、3 3 式l l ：x 。一一减压阀叫程弹簧项压缩量 k 一减压阀回程弹簧刚度 k ，一节流阀回程弹簧刚度 w 。一节流阍芯阀i = l 州积增益 c 。节流阀的流最系数 在人流量、商雎差工况下，减压阀芯上的液动力f 。是影响节流阀i l 的 压差的1 1 要二r 扰。 f ，= c ：，i ；i j j ；而q c o s0 ( 3 3 ) 由此可见，在输入信吁即流量给定值小变的情况下，流量阀总压差p 增大时，f 1 1j ：液动力增加，j _ ；i 起节流l 】j 【作压莠p2 3 减小，导致受控流量 甩庆人学母i 学位论文 负i ；, j n 差，j 油鼙特f l t t i 罔3 4 矿 夕。 穸 夕 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0 6 0 0 输入电流( m ) 阁3 4 l i jj ：铸造机液e 控制系统铸造时汕量小j ：i o l m i n ，敞偏差较小 3 2 涡轮式流量测试仪 # 感器魁现代i i ! 液控制系统的正要环节之一，为r 满足信号的传输、处 理、显求和控制等要求，它实质l 二一种转换器件，它能弛需要检测或控制的 液j 机械变员年i j j c 他物理量转换成精确对应关系的电景。 ( j ) 满轮流量变送器足上海8 j 2 所研制生产的用j ：航天工业的流量一乜 压转换元件，型号为clg 一6 。当汕液流过满轮而带动它旋转i 时，涡轮i ： 的永久磁性物质也随之旋转，从而通过线幽产，i 三有效值人j ：41 1 1 1 , 4 正弦波频率 】0 1 i z 一2 0 0 0 1 1 z 的信弓。当该信号被送入流量测试仪( 型号s 0 6 4 c ) 经处理质， 即输i l r f 流i 乜j 区0 - 1 v 给 d 转换芯片。 本仪器采刚cmos 集成电路及运算放大器构成线路，时间基准由1 0 m i | z l 绉振分频产生1 k i i z 脉冲，使定时器更为准确。分频电路t | 选川了7 4 系列岛 速t t i 。集成i b 路。计算器、寄存器、驱动器采川大规模集成电路7 2 1 7 a 束综 合完成上述功能，显示d j 其输出段扫描信号驱动数码等显示。其显示值为 l m i n 肟瞬时流馈值，模拟输i l j 是级商精度f v 转换m 路，将流量频率转 咖 | 耄 啪 o 流量川 重庆大学硕士学位论文 换成对应电压值。 ( 2 ) 稳态特性： 涡轮式流星测试仪足按电磁感应原理设计。 0 = k 1 u i j 中：u i - - - 流量测试仪输出电眶，单位v ； k ，一该流量测试仪灵敏度，它是磁通密度、线圈匝数、导线长度 及测试仪内部的转换放大参数的函数，该值随产品而不，只能通过现场测 试计算得到。 ( ) 通过涡轮式流量变送器的流液流量，单位l m i n ； 其非线性度：0 0 5 零偏：0 1 3 l m i n ； 精度：0 2 ； 线性度彳f 效测量范围：o 5 l m i n - - 1 6 l m i n ； 露复精度：o 1 u ，( v ) 16 0 ( l m in ) 图3 5 a ( 【一i _ l 重庆大学硕士学位论文 3 3 铸造机液压控制系统的原理分析和数学分析 该液压控制系统的最重要参数是铸造平台下降速度，即柱塞油缸的柱塞 f 降速度，通过控制柱塞油缸中介质的流量，即可控制铸造速度 该系统的速度控制系统可简化为如下原理( 图3 6 ) ( 1 ) 静态特性分析 静态特性关系式 在稳态情况下，该系统应满足卜列关系： p l = g a 。 ( 3 - 4 ) p l - - 电液比例流量阀进l 压力，p a g 一铸造f 平台l 的话- 锭重量，n a r 一铸造油缸柱塞杆面秘，i n 2 通过减惩阀i 】出流方程式 ql = c l a l 2 ( p l p 2 ) p m 3 s ( 3 - - - 5 ) 式中c ，减瓜阀阀口流最系数； a ，一减雎阀阀r l 过流断面【i i i 积，m 2 ； p ，一电液比例流量阀进压力，p a ； p ：j 流阀入l 】( 即减压阀出口) _ | = l i 力，p a 重庆人学硕学位论文 p 汕液密度，k g m 3 通过节流阀阔l 1 出流方程式 j 川i ：a 。= w 。f ( u ) k ： 式i - ：c z - - 一节流阀阀i = 】流量系数： a ：节流阀阀阴过流断匝面积，l i t 2 ： p ，电液比例流量阀出口压力，p a ； f ( u ) 一比例i u 磁电推力，n ； w ，一节流阀芯阀1 1 面积增益 k ；节流阀回程弹簧刚度。 减瓜阀阀芯力、f 衡方程式( 忽略阀芯与阀孔1 1 | l j 的摩擦力) k 。( xl - x ) = ( 0 2 - 0 3 ) + l ? i ( 3 - - - 7 ) 式i i l ： k 。一弹簧刚度，nim ： x 。= x 。+ h 一弹簧顶压缩最x 。预开口长度h 之和，m x 一减眶阀1 作”r j 长度，m ： a 一一减，i i 阈阀芯订效作用i f i j 秋，i n 2 ： r 一稳念液动力，n ： 山式( 3 - - - 3 ) w 得 f 。= pc oso q 1 2 c 1 i ( 3 - - 8 ) 重庆大学颀1 i ：学位沦文 其i | 10 液流流入减雁阀阀u 时的入射角，( o ) 阀腔连续性方程式 q i = q 2 = q 流量稳定性分析 ： l i j 式 ( 3 - - - 5 ) 一( 3 - 9 ) 可解得 o = c 。a 2 压i 丽【( 1 - x x 。) ( 1 + 2 c 。2 。2c os0 a c 。a 。) l 2 ( 3 一l o ) p l - p 3 = p 2 c 2 2 2 z 1 - f c 2 2 a 2 2 d , 2 1 对1 r 一个l 叮确定的电液比例流量阀，c 。、c ：、k 。x ，、a 等都是已知的 常数，对应1 ：。一个给定的节流阀升【i 面锹a 2 ( y ) ，上述两办程中只有流量q 、 阀| j i 后_ l 三力差p 。一p 。硐l 减，e 阀阀l j 开度x 为未知数。还有一个参数 a ( x ) = r ( x ) 本来也是一个未知数，往确定了减雎阀阀【】具体结构后，它也 川行作l 知函数。故从式( 3 - - - 1 0 ) 和( 3 一1 1 ) 一 1 消取x ，印可解决对应 j ：缸+ 。：i i 卜流阀开面秋凡( y ) 的静态特性方程 q = f ( p l - p 。)( 3 - - - 1 2 ) 似足，在实际结构t l ，a ( x ) 函数关系有u 十比较复杂，代入上述方程纰 求解得( 3 1 2 ) 的具体表达式比较困难。通常f 叮在减雎阀整个开度范嘲内 取0 7 二l 二个x 值，i ：计算出枉 应的a ，( x ) 值，代入式( 3 - - - 1 0 ) 求得( ) ，然后 2 7 重庆大学硕上学位论文 冉将对应的x 、h 。( x ) 和q 值代入式( 3 - - - 1 1 ) ，即可求得相应点( p 。一p 。) 值。 、 把+ 系列对应的q 和( p i - p 。) 绘韦i f 在坐标图j ：并刚曲线连接，即得所求之静态 特性曲线。见图3 7 。 扇i 则 5 0 4 0 q ( 。mf 喘 2 0 1o 、 、 ，、 y 0 图3 7 10 152 0 一p3 ( m pc i ) 分析式( 3 1 0 ) 可以看出，只要满足f 列条件： x x l 1 c 2 2 2 2 ( 2 0 x1 0 。5 目3 s 时，随着 出口压力p ，的减小或进口压力p ，的增加，流量逐渐变小的原因 o 3 0 2 0 f x f o 口 该系统的流量稳定程度，即控制流量的稳态精度一般由流量小均匀系数6 s o ，嘲( 50 83 圈 o 重庆人学硕j 二学位论文 表示， i ；人小可从对应r 额定流量的静态特性曲线求得( 见图3 9 ) q o p ： 图3 9 6 = (