自动倾转浇注机液压控制系统设计与研究.pdf

2 0 1 3年 5月 第 4 1卷 第 1 0期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAULI CS Ma v 2 01 3 Vo 1 ． 41 No ．1 0 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 0 ． 0 3 6 自动倾转浇注机液压控制 系统设计与研究 胡细东 ，谭武中 1 ．张 家界航 空工业职业技术学院机械 实训 中心 ，湖南张家界 4 2 7 0 0 0； 2 ．中南大学机 电工程 学院，湖南长沙 4 1 0 0 0 0 摘要针对磨球 自动生产线上磨球的自动浇注要求，采用三维设计软件 P r o ／ E n g i n e e r 设计出 自动倾转浇注机的虚拟样 机，并分析了自动倾转浇注机的工作原理；倾转液压缸位置对整个浇注过程驱动力矩的变化及液压缸所承受支撑力的大小 有决定性影响，通过 3种不同方案的比较，合理地确定了倾转液压缸安装位置 ；根据浇注机的工艺要求设计了液压系统， 并对其组成和工作原理进行了分析；基于 A ME S I M软件，对倾转液压缸双缸在不同载荷时压力、流量和位移的变化进行了 仿真分析，根据分析结果提出了优化措施。该液压系统结构简单 、工作可靠、安全性能好。 关键词浇注机 ；液压系统 ； A ME S I M仿真 ；同步性 中图分类号T G 2 3 2 ． 7 文献标识码B 文章编号 Re s e a r c h a nd De s i g n o n Hy dr a ul i c Co nt r o l Sy s t e m o f Aut o ma t i c Ti l t i ng Ca s t i ng M a c h i n e Hu Xi do n g ． T AN W u z h o n g 1 ． M e c h a n i c a l P r a c t i c e T r a i n i n g C e n t e r ，Z h a n g j i a j i e V o c a t i o n a l a n d T e c h n i c al C o l l e g e o f A e r o n a u t i c al E n g i n e e r i n g ， Z h a n 舀 i a j i e H u n a n 4 2 7 0 0 0 ，C h i n a ； 2 ． C o l l e g e o f Me c h a t r o n i c s E n g i n e e ri n g ， C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a H u n a n 4 1 0 0 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t Ai mi n g a t t h e a u t o ma t i c c a s t i n g r e q u i r e me n t s o f g r i n d i n g b a l l s o n t h e g r i n d i n g b all a u t o ma t i c p r o d u c t i o n l i n e ，t h e v i r t u a l p r o t o t y p e o f t h e a u t o ma t i c t i l t i n g r e v o l v i n g c a s t i n g ma c h i n e w a s d e s i g n e d b y 3 D s o f t w a r e P r o ／ E n g i n e e r ，a n d the w o r k i n g p rin c i p l e s o f t h e a u t o ma t i c t i l t i n g r e v o l v i n g c a s t i n g ma c h i n e wa s a n aly z e d ．A d e c i s i v e i n fl u e n c e o n t h e d r i v i n g mo me n t ’ S v a r i a t i o n d u ri n g t h e w h o l e c a s t i n g p r o c e s s a n d s i z e o f s u p p o rt i n g f o r c e o f t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r we r e ma d e b y t h e p o s i t i o n o f t h e t i l t i n g r e v o l v i n g h y d r a u l i c c y l i n d e r ．B y c o mp a r i n g t h e t h r e e d i ff e r e n t s c h e me s ，t h e f i x i n g p o s i t i o n o f t h e t i l t i n g r e v o l v i n g h y d r a u l i c c y l i n d e r Was r a t i o n a l l y d e t e r mi n e d ． Th e h y d r a u l i c s y s t e m wa s d e s i g n e d a c c o r d i n g t o t h e t e c h n i c a l r e q u i r e me n t s o f t h e c a s t i n g ma c h i n e ，a n d i t s c o mp o s i t i o n a n d wo r k i n g p ri n c i p l e w a s a n a l y z e d ． B ase d o n t h e s o f t wa r e AME S i m ，t h e v a ri a t i o n s o f p r e s s u r e ，fl o w a n d d i s p l a c e me n t o f t h e t i l t i n g r e v o l v i n g h y d r a u l i c c y l i n d e r d o u b l e c y l i n d e r we r e s i mu l a t e d u n d e r d i ffe r e n t l o a d s ，a n d a n o p t i mi z e d me a s u r e Was p r o p o s e d a c c o r d i n g t o the s i mu l a t i o n r e s u l t ．T h e h y d r a u l i c s y s t e m h a s a s i mp l e s t r u c t u r e ，b u t w o r k s r e l i a b l y a n d s a f e l y ． Ke y wo r d s C a s t i n g ma c h i n e ；Hy d r a u l i c s y s t e m ；AME S I M s i mu l a t i o n；S y n c h r o n i z a t i o n 浇注是铸造 生产 的关 键工 序 ，对于 铸件 的产量 、 质量有着重大 的影 响。面对铸造生产 高效率 、高精度 的发展趋 势 ，传统 的手动浇 注方 式 已不 能与之 适应 ， 提高定量浇注过程的自动化水平是当前铸造业迫切需 要解决的问题。自动倾转浇注机的研发是承接某生产 单 位的磨 球 自动生产线研发的一个子项 目。由于液压 传 动平稳 ，驱动力矩大 ，换向方便 ，可以实现无级调 速 ，特别是和 电气联合控制可实现 自动化操作 ，故该 浇注机采用液压驱动方式 。 1 浇 注机 组成及 工作 原理 图 1为用 三维设计 软件 P r o ／ E n g i n e e r 设计 出 的 自 动倾转浇注机虚拟样机，自动倾转浇注机主要由保温 浇注炉 6 、倾转油缸 7 、小车 9 、转轴支座 5 、后支座 8 、移动 油缸 1 0 、支架 2 、溜槽 4 、检测装置 1 、光 电 传感器 1 1等组 成 ，3为 造型 线 。浇 注机 待机 时 ，保 温浇注炉通过转轴支座及 后支座 三点支 撑在小 车上 ， 安全可靠 ，倾转油缸不受力。浇注时，倾转油缸通过 控制系统 的控制推动保 温浇注炉倾 转 ，从 而实现 自动 浇注过程 ，为提高浇注的平稳性 ，钢水通过溜槽进 入 砂模浇口，溜槽为一漏斗形状，其钢水出口和砂模浇 口中心对齐 ，且 固定不动 ，这样金属液流稳定 ，防止 熔融金属 的飞溅 ，提高 了浇注质量 。浇注时 ，由传感 器检测砂模浇 冒 口金属 面液 面高度 ，从而实现定量浇 注。浇 注小车安装在 铁轨 上 ，在移 动液 压缸 1 0的推 收稿 日期 2 0 1 2 0 41 0 作者简介胡细东 1 9 6 9 一 ，男 ，硕士，副教授，研究方向为机电控制及 自动化。E ma i l 2 7 2 6 3 1 3 1 0 q q ． c o m。 1 0 6 机床与液压 第 4 1卷 动下可实现一定距离的移动 ，以便 于检修 或者停 电时 倾倒剩余钢水到中间包 ，以减小经济损失，提高钢水 的利用率 ，浇注小车的移动位置采用光 电传感器进行 控制 。 1 --d [ 2 一支架3 造型线4 溜槽 转轴支座6 _ 保温浇注炉 7 倾转油缸8 一后支座 9 --d 车l O 移动液压缸l l 光电传感器 图 1 自动倾转浇注机虚拟样机 2倾转液压缸位置的确定 倾转液压缸位置对整个浇注过程驱 动力矩 的变化 及液压缸所 承受支撑力 的大小 有决定性影 响。如 图 2 所示 ，液压缸活塞通过点 c与浇注保温炉相铰接， 液压缸缸体通过点 1 或点 2或点 3与 固定在小车上 的 支座相连。 图 2 不同位置力的变化 根据浇嘴至砂模 距离及 液压缸 的行程 设计要 求 ， 选择行程 为 8 5 0 m m 的液 压 缸 ，设计 点 C到 直线 1 2 的距离 为 1 2 0 0 m m，那么 液压缸 的一端需 控制在 1 、 3之间 ，另一端 与点 C铰 接 ，点 1 、3到点 2的距离 都为 2 0 0 m r n 。液压缸的 3个位 置点 1 、2 、3 ，如图 2 所示 ，钢包的运动过程的 3个位置如图中点 A，B，C 所示，3个位置液压缸受力如图2中 F所示。以下分 析 3 个 位置液压缸 的优劣 1 液压缸连接点位于点 2和点 c，此 时支撑力 ，垂直 向上 ，重力 G垂直 向下 ，两者位于 同一条直线 上 ，开始 阶段很容易顶死 。这种方案欠佳。 2 液压缸连接点位于点 1和点 C ，此时支撑力 变化随着 c B 过程 中，力 由 F 一F 一 F 变化 。 从图上可以看出力的方 向发生 了变化，这使得点 C 处 的铰接轴及点 0处 的转轴受力方 向也发生变化 。 3 液压缸连接点位 于点 3和点 C ，此 时支撑 力 变化 随着 c 一日 过程 中，力 由 一 一 变化 。 F的方 向在倾倒过程中没有变化。 方案 2和 3不会发生顶死 的现象 ，是可选的方 案。只是方案2力的方向发生了变化，而方案 3力的 方向没有变化。在任意位置 ，方案 3所需的力都比方 案 2的力要小 ，因为各个位 置方案 3的力矩 比方案 2 的力矩大 。 3液压控制系统设计 液压系统设计时要力求系统简单 ，要有高的效 率 ，工作安全可靠 ，且其先进性要与可靠性、经济性 相结 合。 3 ． 1 液压控制 系统的组成7 LX - 作原理 根据浇注机的工艺要 求 ，设计 的液压控制 系统原 理 图如 图 3 所示 。其组成及工作原理如下 1 双液压缸 8实现浇注保温炉的转动，液压 缸 1 1 实现浇注小车的移动。 2 三位 四通 电磁 比例换 向 阀 5接受 P L C的控 制信号，1 Y A通 电，炉体倾转实现浇注，2 Y A通电 实现炉体复位或备浇，1 Y A 、2 Y A都断电，实现炉体 的准确停 留，采用 比例阀可以减少液压 的冲击 。 3 调速 阀 6可 根据 不 同的铸 件要 求 调节合 适 的浇注速度 。 4 为实现 同步 ，选 择 同步 阀 7实现 两倾 转液 压缸 的同步 。由于系统受最小流量限制 ，不能选择可 调式同步液 压阀 ，只可选择 自调式 同步液压 阀，型号 为 3 F J L - L 2 1 0 ，其流量可 以控制在 2 l Mm i n以 内。其 同步误 差可 以控制 在 1 ％ ～3 ％ ，而 且在 一个 行程 内 消除误 差 ，避 免误差 累积 。 5 为 防止 因油 液 污染 导 致 的液 压 系 统故 障 ， 在进油路上设 置 了精滤油器并采用具有污染堵塞报警 的回油过滤器，过滤精度较高，可长期保持油箱内液 第 1 0期 胡细东 等自动倾转浇注机液压控制系统设计与研究 1 0 7 压油 的清 洁 ，确保 系统 可靠运行 。 6 用 电磁 溢 流 阀 4调 节 系统压 力 的大 小 。电 磁溢流阀选用常开型 ，确保电机、油泵空载启动，可 减小启 动冲击 与噪声 。 7 通过三 位 四通 电磁换 向阀 9实现 浇 注机 的 前后移动 ，节流 阀 1 0控制 浇注机 的移动速度。 8 系统采用双泵组并联供油，一 台工作 ，一 台备用，二泵组的工作状态可以任意切换，设备可靠 性高 。 9 系统配备一 台 1 0 k W 的发电机，可作为停 电时液压系统的备用电源及照明电源，若浇注炉中的 钢水不多时 ，可继续浇注完 ，若钢水较多时 ，则可将 钢水倒入 中间包送 回加热炉 。 1 0 系统控制采用 P L C控制 ，主要完 成开关量 的控制 ，包 括 倾转 液压 缸 和移 动 液压 缸 的启 动 、停 止、换向，浇注机与造型线的联锁控制及安全保护 ， 其作 为整个 自动生产线控制的一部分 ，相对来说 较为 简单 。 l 一 油 池2 一 过 滤 器卜溢 流 闪4 、 5 一 电磁 比例挟 向 阀6 一 调运 网 7 一同步阀8 倾转油缸9 一电磁换向阀 l O 一节流阀 l 1 一移动液压缸 图 3 液压控制系统原理 图 3 ． 2倾转液压缸的同步性分析 浇注保温炉的倾转采用两个液压缸来驱动，其同 步性 能直接 影响浇注炉的平稳运行 ，理论 上来说 ，两 缸负载相同 ，但 实际上有许多因素使 2个液压缸的载 荷不可能时刻相 同 ，其主要 因素有 1 浇注 机本身 结 构不 对称 ，造成 2个 液压 缸 载荷不相 同。 2 安装误差 ，由于安装时不能保证两边完全 一 致 ，造成 液压缸 载荷不 同。 3 由于连接 两边 液压 缸 管道 长短 不 同 ，沿程 损失也不尽相 同。 负载的变化会使得两缸运行不同步 ，严 重时可能 会使系统严重过载甚至产生结构性破坏，两缸的同步 性必须 受 到 高度 重 视 ，以下通 过 仿 真 软件 A M E S I M 对不 同负载下 的同步性进行仿 真分 析。 3 ． 2 ． 1 仿真软件 A M E S I M建模 由于两缸 载荷 的变化规律难 以用具体 的数学表达 式来表示 ，为了模拟不同载荷的作用 ，在模拟时采用 交变 载荷 ，左侧 加 的压力 为 3 0 0 0 02 0 0 s i n ∞ ， 右侧压力为3 0 0 0 0 2 0 0 s i n t o t ，频率为0 ． 2 H z ，两 者相差 1 8 0 。 的相位角。模型简化如图 4 所 示 ，通 过仿 真液压 系统在交变载荷下液压缸流量 、压力 、位移的 变化规律 ，来对 比分析其 同步性能 。 图4 同步性分析模型图 3 ． 2 ． 2 不 同载荷 时压力 、流量和位移 的变化 1 两液压缸流量 比较 从 图 5可 以看出 ，开始时候 都存在 液压 冲击 ，持 续时间 比较短 ，之后流量呈现此消彼长的趋势 。压力 大则流量变成 0 ，压力小 的流 量变大 。在小 流量 的情 况下 ，流量稳定性较差 。 1 ． 6 1． 4 1． 2 ．自 1 ． 0 鲁 、0 ． 8 面0 ．6 螺 0 ．4 0 ． 2 0 ． 0 l 0 l 5 20 时 间， s 图5 液压缸流量变化 2 两液压缸压力 比较 从 图 6可 以看 出 ，压力变化基本相 同，但在开始 存在较 大的冲击 。其变化趋势 和所加载 的力相关 。 1 0 8 机床与液压 第4 1 卷 6 5 曩 4 圣 3 幽 2 l 0 0 5 l 0 1 5 时间， s 图 6 压力变化 3 两液压缸位移 比较 如 图 7所示 ，由于存 在流量 为零 的情况 ，在位移 图上出现了停滞的情况。开始出现了抖动，接下来就 出现两缸时走时停的现象，而且是交替变化 ，不但使 两缸运行 的平稳性变差 ，而且两缸的同步性能恶 化。 4 1 6 4 1 4 41 2 410 ； 4 0 8 4 0 6 4 0 4 4 02 400 398 0 5 1 0 1 5 时 间， s 图7 位移变化 2 0 从以上分析可知，不同载荷下 ，位移呈交替变 化 ，当位移变化较大时 ，两缸 的同步性差 ，有可能使 得整个液压 系统甚 至浇注机 的破坏 ，这种情况 是必须 避免的 。因此 ，在实 际设计时 ，选用同步阀来 提高同 步性能。从以上分析同时可以看出，不管是流量、压 力还是位移 ，在启动时都有较大的冲击，因此在设计 中采用电磁溢流阀、比例换向阀以及回油路上的背压 阀来减少启动冲击 ，提高运行 的平稳性 。 4结语 对 自动倾转浇注机的液压驱动系统进行了分析与 设计 ，并采用 A M E S I M仿真软件对双缸驱动 的同步 性进行 了分析 ，根据 分析结果 对系统 进行优 化设计 ， 该液压系统结构简单 、工作可靠、安全性能好，有较 好的实用价值和推广价值。 参考文献 【 1 】杨尚平， 杨晓玉 ， 赵光波， 等． 定点倾转式浇注机的研发 [ J ] ． 中国铸造装备与技术， 2 0 0 9 ， 3 3 5 3 5 6 ． 【 2 】丁相福 ， 张健成， 陈建文， 等． 定量浇注系统的设计和过 程控制方法研究 [ j ] ． 中国机械工程 ， 2 0 0 0， 1 1 1 2 1 1 3 411 4 4． 【 3 】Y A N O K e n i c h i ， T E R A S H I M A K a z u h i k o ． S u p e r v i s o r y C o n t r o l o f A u t o m a t i c P o u ti n g Ma c h i n e[ J ] ． C o n t r o l E n g i n e e r i n g P r a c t i c e ， 2 0 1 0， 1 8 3 2 3 02 4 1 ． 【 4 】N E U MA N N E， T R A U Z E D D E L D ． P o u ti n g S y s t e ms f o r F e r r o u s A p p l i c a t i o n s [ J ] ． F o u n d ry T r a d e J o u rna l ， 2 0 0 2 ， 7 2 3 2 4 一一一 一一一 一一一 一 一 一 一一一一一 一 一 一 l 中国第三代核电 “ 大动脉”自主研制 9 ≥ 我国自主研制的第三代核电 A C P I O 0 0的锻造主管道，2 0 1 3年5月 1 7日在山东烟台通过了中国机械工业联合会和 山东省科技厅组织的专家鉴定。以叶奇蓁院士为主任的专家委员会一致认为，A C P 1 0 0 0锻造主管道在材料和生产工艺 上均实现突破 ，主要技术指标达国际先进水平。该产品试制成功，标志着我国 自主掌握了 A C P 1 0 0 0锻造主管道全部 技 术 。 主管道是核电站八大关键设备之一 ，被称作核电站的 “ 大动脉” 。与二代核电站相比，三代核电站安全性更高， 设计寿命也从4 0年提高到6 0年，其中最大的变化之一是加工工艺从铸造变为锻造。 ≥ A C P 1 0 0 0 锻造主管道由中核集团中国核动力研究设计院设计，烟台台海玛努尔核电设备股份有限公司生产制造。 ≥ 双方2 0 1 1年年底签订合作协议，玛努尔公司从 2 0 1 2年 6月起，正式开展研发制造工作 ，仅用半年多时间就完成了主 管道的全工序制造。据介绍，该主管道采用超低碳控氮不锈钢整体锻造技术，实现多项突破 优化材料成分 ，通过独 特的冶炼工艺，使材料性能更为优越，达到国际领先水平；采用自主研发的弯制模具和国际领先的整体冷弯成型技术， 保证了弯制尺寸的高精度；全球率先在核电主管道制造中使用内孔套料加工技术 ，大大提高了材料利用率。另外，研 I5 制过程中， 玛努尔公司完成了从材料冶炼，到锻造、弯制、热处理、机加工的全部工作，拥有全套先进设备并熟练掌 握全套工艺， 成为目 前全球唯一一家具备三代核电主管道全流程生产能力的企业。 { } A C P 1 0 0 0 是我国自主研发、 具有完全自主知识产权的第三代百万千瓦级先进压水堆核电站技术，安全性能突出。 3 5 它是我国从核电大国迈向核电强国的重要标志，对于我 国核电走出国门，打出 “ 中国核电”品牌意义重大。目前， j A C P 10 0 0 依 托 项 目 为 福 清 核 电 站 5 、 6 号 机 组 ， 并 将 出 口 巴 基 斯 坦 等 国 。 l 来 源 科 技 日 报 i