[科普中国]-倾转装置

简介

目前，我国大部分工厂仍然采用人工浇注或半自动浇注装置进行浇注，靠人工经验来控制浇注精度，导致铸件的产量、品质都比较低。要提高铸件的品质就要针对浇注过程进行有效的控制，来提高浇注过程的精度和自动化水平1。

倾转式浇注机结构及存在的问题倾转式浇注机的炉体上设有转轴，转轴支承在机架上，由驱动装置驱动，使炉体绕转轴转动，完成金属液体的浇注过程。由浇口、浇包、转轴、驱动装置、机架及电控系统等部分组成。

倾转式浇注机转轴的位置对其浇注性能和浇注的自动控制影响很大。早期的浇注过程中，由于传动技术的相对落后又加上铸件的质量较大，迫使技术人员向着减小浇注力矩的方向研究，所以相当长的一段时间内，转轴设置在重心处占据了主导地位。将转轴设在转动部分的重心上，当炉体或浇包倾转时驱动装置只需克服转动摩擦力，驱动力矩小，但是这种布置的问题是，炉嘴浇注口与转动中心不重合，在浇注过程中浇注口高度不断降低，并伴有水平方向的移动。为此必须在倾倒的同时不断将炉体升高，以补偿浇注口的下降，并使炉体反向水平移动，以保持浇注口空间位置的基本不变。这种浇注系统必须同时控制3个坐标方向的运动，传动结构复杂，自动控制困难，浇口位置变化比较大，影响了浇注品质。系统整体的稳定性较差且当出现突发性断电的情况下，存在较大的安全隐患。

定点倾转式浇注装置及工作原理针对传统的浇注倾转电炉存在的问题，开发出了新型的倾转式浇注机-定点倾转式浇注机。三维实体建模后，模型主要由机架、转轴左（右）、炉体、转角控制油缸右（左）组成。

定点倾转浇注机是在炉体外壳上设置转轴，并且使炉体的浇注口中心处在转轴的轴心线上，炉体转动过程中，浇注口中心空间位置保持不变。在工作状态时，无论炉体怎样转动，浇注口中心的空间位置总是固定不变的，能够保证浇注口与铸模相对位置恒定，实现近距离浇注，提高铸件的品质；非工作状态时，炉体压在底座上和转轴形成3点支撑，重心低，安全性进一步改善；对于大吨位的电炉，其优点更为明显2。

定量浇注装置的控制策略由于定点倾转式电炉浇注过程只需控制电炉转角一个自由度，这使得利用定点倾转式电炉实现定量浇注成为可能。目前，国内外关于定点倾转式电炉定量浇注的研究也很少，对其定量理论和控制策略开展较深入的研究很有必要。而且定点倾转式电炉由重力形成的力矩总是使电炉趋于复位，即使出现机械故障也不会出现金属熔液倾泻而出的严重后果，安全性好，有较大的推广价值。

对于给定的电炉，在其内胆形状确定的情况下，倾转的角度与倒出的金属熔液（浇注量）存在一一对应的关系。通过角位移传感器检测电炉的倾转角度，就可得出其浇注量，从而通过闭环控制就可以实现定量浇注。

定点倾转式电炉在工作的过程中只绕转轴在0～90°之间转动，这使采用液压缸驱动电炉成为可能。从理论上分析，液压缸驱动的负载不受限制，吨位越大越有优势。由于控制系统为角位移定量控制系统，必须根据不同工况，通过在线检测执行元件的实时位移（角度），经反馈，及时调节进入执行元件的油液量来补偿位置误差，进而实现在线控制。

考虑角位移定量控制系统属间接控制，角度偏差对浇注精度影响很大，为提高定量浇注的精度及可靠性，可另外增加一套基于称量定量法的闭环定量控制系统。对大型的铸件而言，因为冒口的面积大并且开放，其光电检测系统容易受到外界温度、雾气各种因素影响，冒口测量就不太合适。且电炉液位与铸型不是确定关系，浇注速度也不定，采用定时定量不太容易。综合上面常规定量方法的分析，只能采用称量定量法闭环定量控制。当浇注量达到要求就发信号给主阀，使电炉停止倾转，完成精确定量浇注。这样既不受电炉倾转角度影响，也不易受外界温度等各种因素影响，确保定点倾转式电炉的定量浇注精度。综上分析，本课题采用控制浇注平稳性的角位移控制子系统作为定量浇注的初控制，采用控制浇注量作为定量浇注的精控制。

根据对常规称量定量法的分析可知，称量有3种方式，分别是称炉体质量、称中间浇包质量、称铸件质量。从控制角度来说，由于这3种称量的方式不一样，导致控制策略不一样。3种称量原理基本一样，都是通过质量传感器在线检测质量是否达到要求，当质量达到预设值时，质量传感器发信号停止浇注。不同的是实现方式、控制形式不一样。采用中间浇包称量是预先计算所需的浇注量，通过中间浇包检测是否达到要求，达到要求后中间浇包倾转一次完成浇注工作，这种形式有利于提高浇注效率，但是增加了设备成本，控制复杂。

对于称铸件质量和炉体质量，两种基本一样，需根据现场实际情况，如传感器的安装、铸件的大小等。考虑由于现场铸型下面不易安装传感器，且铸件开放面大，传感器的信号易受外界干扰，中间浇包成本高，控制复杂，决定采用在炉体下面安装传感器的方式实现定量浇注。

液压控制系统设计设计依据根据工艺要求，液压控制系统必须完成如下动作和控制要求：①保证系统稳定性，在0～90°之间保证电炉能连续倾转并且具有调速功能，根据工艺要求全程在线调速，满足平稳浇注的要求；②保证系统响应的准确性，在0～90°之间保证电炉能准确地倾转到指定角度，实现定量浇注；③保证系统响应的快速性，保证系统对信号（开始浇注、停止浇注等）做出快速反应完成指令动作；④起停无冲击，噪声小，能适应高温环境，安全可靠性好，检修方便；⑤必须设置应急回路，当出现不可预见的断电、机械故障、油管爆裂等突发事故时也有能力使炉体复位，绝不允许出现使炉体倾翻导致高温金属熔液倒出事故发生2。

液压系统组成及工作原理1 液压系统组成

液压系统组成见图5。主要包括：油箱、空气滤清器、吸油滤油器、柱塞泵、电动机、管式单向阀、压力继电器、截止阀、耐震压力表、电液先导溢流阀、回油过滤器、电液比例换向阀、液控单向阀、截止阀、测压接头、液压缸、传感器、回油滤油器、风冷却器、液位压力继电器、液温液位计。

2 工作原理

电炉定点倾转浇注及定量控制：空载启动油泵电机组，延时5s左右，电液比例换向阀1YA得电，压力油经过比例换向阀、液控单向阀进入油缸无杆腔，活塞杆向上运动，带动炉体绕定点倾转。有杆腔油液经过电液比例换向阀、回油过滤器回到油箱。根据角位移传感器监测的角度及质量传感器监测的质量反馈来控制电液比例换向阀，满足负载速度特性要求，实现定量浇注。

电炉回转定位：浇注完一个铸件后，为了等待下一块铸型到来，电炉需要回转到一个确定角度。此时比例换向阀2YA得电，压力油经过比例换向阀进入油缸有杆腔，同时压力油从控制口进入液控单向阀，打开液控单向阀，无杆腔油液经过液控单向阀、比例换向阀回油箱，活塞杆向下运动，带动炉体回转。根据设定好的回转角度来控制电液比例换向阀，完成炉体回转定位。

电炉复位：当浇注完所有的铸件后，电炉需要回到初始位置，此时比例换向阀2YA得电，无杆腔油液经过液控单向阀、比例换向阀回油箱，油缸驱动炉体复位。

应急复位：当停电或有其他浇注故障时，打开截止阀，无杆腔油液经过截止阀、比例换向阀回到油箱，电炉靠自身质量来复位。

总结以定点倾转电炉为研究对象，研发了定点倾转式以角位移控制系统为粗控制、称量系统为精控制的定量控制系统，设计了具有实际意义和推广价值的定点倾转式电炉定量浇注系统的控制方案和电液比例控制系统3。