基于电-气比例阀的低压铸造液面加压控制系统的实验研究.pdf

2 0 1 5年第 1 期 2 0 1 5年 2月 铸造设备与工艺 F O U N D R Y E Q U I P ME N T A N D T E C H N O L O G Y F e b ． 2 0 1 5 №l 铸造设备 基于电一 气 比例 阀的低压铸造 液面加压控制系统的实验研究 朱亮。 孙玉霞。 史学谦 ， 丁苏沛 。 郝连客， 周平 济南铸造锻压机械研究所有限公司， 山东 济南2 5 0 3 0 6 摘要 基于公司低压铸造机液面加压控制系统， 通过组合储气罐模拟低压铸造保温炉， 利用高精度的压力 变送器和 网络记录仪组成的旁路记录系统来记录气控系统的加压曲线，研究了分别采用 S MC电一 气比例 阀与 C K D电一 气比例阀的气控 系统的工艺曲线的线性度、 跟踪性以及工艺参数的重复性等性能特点。 关键词 低压铸造机； 液面加压控制系统； 线性度 ； 跟踪性； 工艺参数的重复性 中图分类号 T G 2 4 9 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 4 6 6 9 4 2 0 1 5 0 1 0 0 0 7 0 3 Ex p e r i me n t a l S t u d y o n t h e S u r f a c e Pr e s s u r e Co n t r o l S y s t e r m o f Lo w- - p r e s s u r e Di e Ca s t i n g M a c h i ne Ba s e d o n t he El e c t r i c -pr o po r t i o na l Va l v e Z HU L i a n g， S UN Y u - x i a，S i l l Xu e - q i a n， DI NG S u - pe i ， HAO L i a n- k e ， Z HOU P i n g J z ， m F o u n d r y Me t a lf o r mi n g Ma c h i n e r y R e s e a r c h 5 疵 C O ． L T D ． ， ． n a n S h a n d o n g 2 5 0 3 0 6 ， C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n t h e s u r f a c e p r e s s u r e c o n t r o l s y s t e r m o f l o w- p r e s s u r e d i e c a s t i n g ma c h i n e ，t h e l o w p r e s s u r e c a s t i n g h o l d i n g f u r n a c e wa s s i mu l a t e d b y t h e c o mb i n a t i o n o f t h e g a s t a n k，t h e p r e s s u r e c u r v e o f t h e s u r f a c e p r e s s u r e c o n t r o l s y s t e r m w a s r e c o r d e d t h r o u g h a r e c o rdi n g s y s t e m c o mp o s e d o f P r e s s u r e T r a n s mi t t e r s a n d N e t w o r k Re c o r d e r ． T h e l i n e a r i t y ，t r a c e a b i l i t y a n d r e p e a t a b i l i t y o f t h e p roc e s s c u r v e s o f t h e S MC e l e c t ri c - p rop o r t i o n a l v a l v e a n d t h e CKD e l e c t ric p r o p o r t i o n a l v a l v e h a v e b e e n r e s e a r c h e d i n t h i s P 印 e r Ke y wo r d s l o w- p r e s s u r e d i e c a s t i n g ma c h i n e， t h e s u rf a c e p r e s s u r e c o n t rol s y s t e r m， l i n e a r i t y ， t r a c e a b i l i t y ， r e p e a t a b i l i t y o f p r o c e s s pa r a me t e r s 目前我国汽车的产销量均已连续五年位居世 界第一位。伴随着铝合金铸件在汽车工业中所占比 重的 日益增大 ， 铝合金低压铸造工艺及设备得到 了 快速的发展 。低压铸造是指通过在密闭容器中形成 气压压迫金属液进人铸型 ， 完成充型及凝 固的过程 而获得铸件的一种铸造方法 [1 2 】。其主要工艺过程 升液 、 充 型、 结壳 、 增压和保压等 都是靠液 面加压 控制系统对压力 的控制来实现的[ 3 1 。因此说液面加 压控制系统是低压铸造设备 的核心嗍 ， 它决定 了金 属液在型腔中流动的平稳性，充型速度的快慢 ， 以 及结壳、 结晶压力和保压时间是否合适嘲 ， 影响铸件 的轮廓清晰度、 尺寸的精确性以及表面粗糙度等性 能。目前已开发的低压铸造液面加压控制系统仍存 收稿 日期 2 0 1 4 1 0 1 4 作者简介 朱亮 1 9 8 7 一 ， 男， 工学硕士。 通讯作者 丁苏沛 1 9 6 2 一 ， 男 ， 教授级高工， 主要从事特种铸造设 备和工艺的研究与开发。 基金项目 国家科技重大专项 2 0 1 1 Z X 0 4 0 0 1 0 3 1 在着一些问题 ， 例 如控制精度较差 、 工艺参数 的重 复性较差及自动化程度较低等。 根据液 面加压控制系统执行元件 的不 同， 目前 主要有高速开关 阀式 、 数字组合 阀式 、 电 一气 比例 伺服阀式等三种系统 。本实验液面加压控制系统 则是采用 电 一气 比例伺服 阀作为控制 系统 的执行 元件。 实验 的液面加压控制系统采用 工控机作为监 控单元， 与 P L C联控， 配合高精度压力传感器、 高频 响 比例阀和快速排气 阀实现实时闭环反馈控制。并 能够在连续浇注的情况下 ， 在每次铸造过程中精确 地重复再现设定的压力、 充型速度和凝固速度等工 艺参数。其加压控制原理如图 1 所示。 液面加压控制系统 的控制原理为 电 一气 比例 阀作为主控调压 阀的先导控制阀 ， 通过控制输 人电 信号来控制电 一气比例阀的输出压力及流量并问 接控制主控调压阀的输出压力及流量， 并通过反馈 系统将反馈信号实时的反馈给电 一 气 比例阀从而 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 铸 造 设 备 与 工 艺 2 0 1 5 年第 1 期 功率放大器 带反馈讯号 控制线路 保温炉 门 ] u 排气 阀 图 l 液面加压控 制系统的控制原理示意图 阀 实现实时闭环控制。 电 一气 比例阀的特性影响整 个液面加压控 制 系统控制 的性能 ， 本实验选取 了两种电 一气比例阀 I T V系列 阀 s M c 、 E V D系列阀 C K D 进行 对 比 实验 ， 研究 了采用两种不同比例 阀的气控系统 的性 能特点。表 1 为 S MC电 一气 比例阀及 C K D电 一气 比例阀的性能参数。 表 1 两种 比例 阀的性能参数 ％ 阀类 灵敏度 线性度 迟滞现象 重复精度 S MC阀 0 - 2 1 O ． 5 0 ．5 C K D阀 0 ． 2 0 3 0 ． 5 O I 3 图 2所示为 S MC比例阀及 C K D比例阀输入信 号与控制压力的特性曲线。 8 输入信号／ ％ a S M C比例阀输入信号与控制压力特性曲线 输入信号， ％ b C K D比例阀输入信号与控制压力特性 曲线 图 2 压力特性 曲线 由表 1 及 图 2可以看 出， 与 C K D比例阀相 比， S MC比例阀在 0 MP a ～ 0 ． 0 0 5 MP a区域 内不可控 ， 即 存在控制 “ 死区” ，其线性度及重复性指标均差于 C K D比例阀。 实验的研究重 点是提 出对低 压铸造机气控 系 统 的性能评估方法 ， 并研究分别采用 S MC比例阀与 C K D比例 阀的气控系统的工艺曲线的线性度 、 跟踪 性 以及工艺参数的重复性等性能特点 ， 为气控系统 选取调节阀提供实验基础。 1 试 验 方法 通过组合容积为 2 0 0 L和 3 0 0 L的储气罐模拟 容积为 5 0 0 k g的低压铸造熔池式保温炉。 实验主要 通过采用高精度的压力变送器和 D X系列网络记录 仪组成的旁路记录系统记录低压铸造机气控系统 的加压 曲线数据 ，来计算加压工艺曲线的线性度 、 跟踪性以及重复性 。 所谓线性度是指系统 的输 出与输入 系统 能否 像理想 系统那样保持正常值比例关系 线性关系 的一种度量。借鉴压力传感器的线性度概念来计算 加压工艺 曲线的线性度 ， 在一定加压速率下加压_T 艺曲线的线性度越好 ， 铝液 的充型过程就越平稳。 计算实 际加压 曲线与最小二乘法拟合 直线问 的最大偏差值 △l ， ～ 与设定加压 曲线达到的最大压 力 y的百分 比， 如式 1 所示 。 x 1 0 0 ％ 1 计 算实际加压 曲线 与设定加压 曲线间 的最大 偏差值 △ P 来衡量其加压曲线的跟踪性 ， 并对每组 设定加压曲线重复试验 1 5次 ， 通过计算 △ 的相 对标准偏差 R s o 来评估气控系统跟踪 曲线 的重复 性。 取 5 0 0 P a ／ s 、 7 0 0 P a ／ s 、 1 0 0 0 P a ／ s 、 1 5 0 0 P a ／ s 、 2 0 0 0 P a ／ s 、 2 5 0 0 P a ／ s 、 3 0 0 0 P a ／ s 等 7 组设定加压速 率进行加压试验。对每组设定加压速率曲线均重复 试验 1 5次 ，通过旁路记 录系统来记录低压铸造机 气控系统 的加压曲线。 2 实验结果 2 ． 1 线性 度 图3 所示为设定加压速率为 2 0 0 0 P a ／ s 、 采用同 一 设定 曲线时 ， 采用两种不 同比例阀的气控 系统的 实际加压曲线及拟合 曲线 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5 年第 1 期 朱 亮， 孙玉霞， 史学谦， 丁苏沛， 等 基于电一 气比 例阀的 低压铸造液面加压控制系统的 实验研究 铸造设备与工艺 0 出 0 0 5 1 0 1 5 2 O 2 5 时间， s a采用 C K D比例阀设定加压速率为 2 0 0 0 P a ／ s 时， 气控 系统 的加 压曲线及拟合 曲线 0 5 1 0 l 5 20 25 时间／ 8 b 采 用 S MC比例 阀设 定加 压速率 为 2 0 0 0 P a ／ s 时 ， 气控系统 的加压 曲线及拟合 曲线 。 图 3 气控系统实际加压及拟合曲线 通过最小二乘法拟合直线， 并根据上述公式计 算线性度 ， 结果如下 C K D比例阀 拟合直线为 y 1 9 8 ． 4 x ， 38 8 ／ 5 0 0 0 0 x1 0 0％4-0． 77 6 ％ ． s MC比例 阀 拟合直线为 y 2 0 3 ． 1 ， l 0 0 0 ／ 5 00 0 0 1 0 0 ％4-2 ％． 由上述计算结果可以得到， 当设定加压速率为 2 0 0 0 P a ／ s 时，采用 C K D比例阀的气控系统的线性 度要高 于采用 S MC比例 阀的线性度 。这 与 C K D、 S M C比例阀的性能特点是相符的，即 C K D比例阀 本身的线性度要高于S M C比例阀的线性度。 2 ． 2 跟踪性及重复性 每组设定加压速率重复试验 1 5次 ，计算不同 设定加压速率时的最大偏差值 △ 的平均值。 图4 所示为设定加压速率为 1 5 0 0 P a ／ s 时 ，采用两种不 同比例阀的气控系统的一次加压曲线。 如表 2所示为采用两种 比例 阀时 ， 不 同设 定加 压速率时的 △P m a x 值。 0 a 采用 S MC比例阀 b 采用 C K D比例 阀 图 4 设定加压速率为 1 5 0 0P a ／ s 气控系统的设定及加压曲线 表 2 采用两种比例 阀时， 不同设定加压速 率时的 △ P n 值 ＼设定加压 ＼ 速率 ＼， P a ． s l 5 0 0 7 0 o 1 0 0 0 1 5 0 o 20 o O 2 5 o o 3 O o 0 茁 ＼ A P E C K D阀 ， P a 1 9 0 4 1 0 l O 9 O 2 7 3 0 2 8 4 0 4 6 0 0 A P S MC阀 ／ P a 5 3 0 2 6 0 5 7 0 9 o 0 7 7 0 6 1 0 8 6 0 采用计算 △ 尸 的相对标准偏差 R S D 来评估 气控系统跟踪 曲线的重复性 ， 表 3所示为采用两种 比例 阀时， 不同设定加压速率时的 △ P 的标准偏差 值。 表 3 采用两种比例阀时 。 不同设定加压速率时的 △ a 【 的相对标准偏差值 ＼＼ 设定加压 ＼＼ 速率 ＼／ Pa s 一 5 0 o 7 0 o 1 o o O 1 5 0 o 20 o O 25 o 0 3 o o 茁 RS D A p ， C K D 0 ．3 3 0 0 ． 3 4 6 0 ． 4 1 5 0 ． 0 1 6 0 ． 0 2 6 O ．0 4 1 R S D A p ， S MC 0 ．4 3 2 0 ．4 2 0 ．6 0 5 0 ．6 9 9 0 ． 6 5 3 O ．7 o 5 0 ．5 9 3 由表 2 、 表 3可 以得到 ， 采用 C K D电 一气 比例 下转第 3 O页 9 姗 姗咖姗咖姗咖姗0 5 4 4 3 3 2 2 1 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m