半連續(xù)鑄造機(jī)三種速度液壓控制技術(shù)

山流光

隨著輕量化浪潮興起，鋁合金因其優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防軍工、交通和各民用工程中，并日益擴(kuò)大在各領(lǐng)域的應(yīng)用。半連續(xù)立式鑄造是鑄造鋁合金大規(guī)格扁錠和大直徑范圍的圓錠（棒）的主要鑄造方式，半連續(xù)鑄造機(jī)（見(jiàn)圖1）就是應(yīng)用材料流變學(xué)原理將合金熔體通過(guò)結(jié)晶器、引錠頭鑄造成一定尺寸的扁錠、圓錠或空心鑄錠，為熱軋或鍛壓或擠壓生產(chǎn)提供坯料的專用生產(chǎn)設(shè)備。

1.半連續(xù)液壓鑄造機(jī)現(xiàn)狀

由于高質(zhì)量液壓元件、低摩擦液壓缸的問(wèn)世，以及自動(dòng)化控制水平的提高，為現(xiàn)代化高質(zhì)量液壓半連續(xù)鑄造機(jī)提供了技術(shù)保障。現(xiàn)代化鋁合金鑄錠半連續(xù)鑄造機(jī)具有鑄造平臺(tái)運(yùn)行平穩(wěn)、鑄造速度范圍大且精度高、負(fù)荷能力大、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、機(jī)械磨損小，以及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于大噸位、高質(zhì)量的鑄錠生產(chǎn)。液壓傳動(dòng)鑄造機(jī)按照引錠頭由液壓缸內(nèi)部導(dǎo)向和外部導(dǎo)向分為外導(dǎo)式和內(nèi)導(dǎo)式。液壓內(nèi)導(dǎo)式半連續(xù)鑄造機(jī)的升降執(zhí)行元件為帶扭矩限制器的內(nèi)導(dǎo)柱塞缸，其升降過(guò)程中的防旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向及缸桿運(yùn)行中的垂直度均由液壓缸內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)向精度高，鑄錠在全長(zhǎng)范圍內(nèi)的彎曲可以控制在4mm以內(nèi)。我國(guó)于1991年6月開(kāi)始實(shí)施的標(biāo)準(zhǔn)YS/T8—1991《鋁錠液壓式半連續(xù)鑄造機(jī)》對(duì)該類鑄造機(jī)的性能有具體的要求。二十多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外制造商的先進(jìn)鑄造機(jī)新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。國(guó)外的先進(jìn)鑄造機(jī)制造商有：美國(guó)Wagstaff公司和Almex公司、加拿大Loma公司、法國(guó)Novelis PAE公司、荷蘭Thermcon公司、挪威Hycast公司和德國(guó)Loi公司等。國(guó)內(nèi)的鑄造機(jī)制造商主要是仿制國(guó)外的液壓系統(tǒng)，也有極少數(shù)自己消化吸收改進(jìn)的。近幾年來(lái)，鋁加工生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，對(duì)鋁合金鑄錠的需求日益增多，國(guó)內(nèi)新建了一大批先進(jìn)液壓鑄造機(jī)，其液壓系統(tǒng)因鑄造機(jī)廠商設(shè)計(jì)理念不同而各有千秋。隨著國(guó)家對(duì)特種合金產(chǎn)品需求，需要滿足高鑄造工藝要求的鑄造機(jī)，如何逐步消化吸收進(jìn)口鑄造機(jī)液壓系統(tǒng)，擺脫進(jìn)口依賴，對(duì)逐步完善鋁加工的裝備，具有很重要的意義。

2.半連續(xù)鑄造液壓系統(tǒng)

圖1

液壓系統(tǒng)是鑄造機(jī)系統(tǒng)中的一個(gè)子系統(tǒng)，它與電控系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)等相互匹配和聯(lián)動(dòng)進(jìn)行鑄造。鑄造機(jī)液壓系統(tǒng)一般由動(dòng)力單元、內(nèi)導(dǎo)液壓缸升降速度控制回路、手動(dòng)緊急下降控制回路、流槽及鑄造平臺(tái)舉升系統(tǒng)控制回路以及輔助回路（如自過(guò)濾）等組成。液壓系統(tǒng)是復(fù)雜的，化整為零將整個(gè)液壓系統(tǒng)細(xì)分為幾個(gè)基本回路，層層深入劃分整個(gè)液壓系統(tǒng)層次與子系統(tǒng)，劃分的正確合理是至關(guān)重要的。依據(jù)鑄造機(jī)工作要求，液壓系統(tǒng)動(dòng)作可分為三部分。

（1）非鑄造時(shí)液壓控制動(dòng)作 主要分為鑄造平臺(tái)快速上升、慢速上升、快速下降等。

（2）流槽和傾翻蓋板升降動(dòng)作 鑄造結(jié)束或終止，準(zhǔn)備鑄造或者調(diào)整時(shí)的鑄造流槽升降動(dòng)作。與鑄造配套的傾翻蓋板的升降動(dòng)作，傾翻平臺(tái)的水平與垂直位置通過(guò)安裝在機(jī)構(gòu)上的防水接近開(kāi)關(guān)控制。同時(shí)在傾翻液壓缸上安裝有單向平衡閥，以保證傾翻液壓缸的平穩(wěn)傾翻。

（3）鑄造時(shí)鑄造平臺(tái)下降的鑄造速度液壓控制動(dòng)作 鑄造平臺(tái)下降是鑄造速度控制的重點(diǎn)，鑄造過(guò)程中鑄造平臺(tái)下降是依靠平臺(tái)和鑄錠自重來(lái)實(shí)現(xiàn)的。鑄造可以大致劃分三個(gè)階段：第一是金屬液位填充的起始階段；第二是鑄造開(kāi)始調(diào)整階段；第三是鑄造穩(wěn)定階段。鑄造起始階段在整個(gè)鑄造過(guò)程中占舉足輕重的地位，鑄造速度是一個(gè)由慢變快的漸變聯(lián)動(dòng)過(guò)程。鑄造的三個(gè)階段的速度不相同，是根據(jù)合金鑄錠的裂紋傾向來(lái)控制，如冷裂紋傾向性較大的合金及鑄錠規(guī)格，應(yīng)提高鑄造速度；而熱裂紋傾向較大的合金及鑄錠規(guī)格，則應(yīng)降低鑄造速度。液壓系統(tǒng)關(guān)系鑄造速度的控制，故鑄造時(shí)液壓系統(tǒng)要保證的鑄造速度可以達(dá)到最大，并保證其速度的調(diào)整具有范圍寬、反應(yīng)快速及速度穩(wěn)定，是鑄造機(jī)液壓系統(tǒng)最為核心的部分。

同時(shí)，鑄造時(shí)候特別危險(xiǎn)，安全很重要，故液壓系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)計(jì)有在鑄造過(guò)程中如出現(xiàn)設(shè)備整機(jī)或局部故障時(shí)的緊急鑄造回路。由于內(nèi)導(dǎo)液壓缸的工作特性，當(dāng)鑄造回路液壓元件出現(xiàn)故障時(shí)，液壓缸會(huì)繼續(xù)按設(shè)定的速度受控下降，緊急鑄造回路是用于在極端情況下，鑄造回路控制閥件出現(xiàn)故障時(shí)使用，從而保證鑄造時(shí)鑄造平臺(tái)下降不至于停止。緊急鑄造回路由手動(dòng)球閥和調(diào)速閥等組成，緊急控制閥架一般布置在鑄造井或操作臺(tái)附近，方便現(xiàn)場(chǎng)人員操作。

3.三種鑄造速度液壓控制回路比較分析

鑄造機(jī)鑄造速度控制是整個(gè)鑄造機(jī)的關(guān)健點(diǎn)，要系統(tǒng)地根據(jù)鑄造工藝特點(diǎn)和相關(guān)匹配技術(shù)進(jìn)行控制方式的設(shè)計(jì)，依據(jù)設(shè)計(jì)有閉環(huán)控制和開(kāi)環(huán)控制。

鑄造速度為開(kāi)環(huán)電液控制系統(tǒng)，控制的輸出結(jié)果無(wú)法進(jìn)行檢測(cè)和反饋，鑄造速度設(shè)置采用電位器調(diào)節(jié)，調(diào)速波動(dòng)大。整個(gè)系統(tǒng)跟隨性和穩(wěn)定性比較差，一旦發(fā)生油路泄漏故障不易發(fā)現(xiàn)。鑄錠錠尾翹曲、懸掛、冷隔、底部裂紋、漏鋁甚至夾渣等缺陷都與鑄造速度控制精度等密切相關(guān)。開(kāi)環(huán)控制，操作人員只能以人工調(diào)節(jié)鑄造速度的鑄造工藝，操作人員的經(jīng)驗(yàn)和技能直接影響鑄造成功率和質(zhì)量。

鑄造速度為閉環(huán)電液控制系統(tǒng)，PLC作為控制核心，將控制液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)鑄造機(jī)按規(guī)定的鑄造工藝流程運(yùn)行，各動(dòng)作之間有可靠的聯(lián)鎖保護(hù)和嚴(yán)格的順序控制。在鑄造過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖保護(hù)功能。鑄造速度變化時(shí)，將引起鋁液流量的變化，為此將通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)傾動(dòng)爐出口鋁液流量來(lái)保證正常鑄造時(shí)鋁液流量，并且在鑄造準(zhǔn)備過(guò)程沒(méi)有完成的情況下，傾動(dòng)爐禁止傾動(dòng)等，以免產(chǎn)生誤操作，發(fā)生安全事故。

以下介紹三種閉環(huán)的鑄造速度液壓控制回路。

（1）基于電液閉環(huán)比例鑄造速度液壓控制回路 如圖2所示，液壓泵采用變量柱塞泵，可以根據(jù)外負(fù)載的變化自動(dòng)調(diào)整泵自身的輸出流量，用于適應(yīng)內(nèi)導(dǎo)液壓缸、分配流槽舉升液壓缸及鑄造平臺(tái)舉升液壓缸在切換工作中產(chǎn)生的流量變化大的特點(diǎn)。鑄造平臺(tái)空載快速上升動(dòng)力由低壓大流量定量泵滿足工作。其余工作的液壓泵配置采用一用一備形式，雙泵可同時(shí)工作。進(jìn)入正常鑄造程序時(shí)，液壓泵不動(dòng)作，速度控制回路前端配置有德國(guó)Bosch Rexroth公司的閉環(huán)比例方向閥，該類閥件具有溫度補(bǔ)償和壓力補(bǔ)償功能，配套比例放大板，將系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)通過(guò)放大處理后，實(shí)現(xiàn)對(duì)比例電磁鐵的調(diào)節(jié)，完成流量增大、減小及穩(wěn)定的控制。閉環(huán)比例閥換向至鑄造位，缸內(nèi)油通過(guò)閉環(huán)比例閥回油箱，平臺(tái)慢速下降。而下降速度，由設(shè)置有容積式齒輪液壓流量計(jì)和鑄造鋁合金液面檢測(cè)情況反饋給閉環(huán)比例閥的開(kāi)度決定。但閉環(huán)比例閥在鑄造時(shí)，因閥芯動(dòng)作頻繁，導(dǎo)致故障率較高，比例閥容易發(fā)生零位漂移，位移傳感器需要定時(shí)校準(zhǔn)，如德國(guó)Bosch Rexroth等廠家校準(zhǔn)周期很長(zhǎng)。

（2）基于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制流量閥開(kāi)度的鑄造速度液壓控制回路 如圖3所示，系統(tǒng)動(dòng)力為兩個(gè)定量泵，雙聯(lián)動(dòng)，即一個(gè)電動(dòng)機(jī)同時(shí)帶動(dòng)兩個(gè)泵。鑄造時(shí)候，泵停止，鑄造平臺(tái)下降，鑄造速度由PLC程序控制回路中步進(jìn)電動(dòng)機(jī)打開(kāi)閥門開(kāi)度大小實(shí)現(xiàn)，設(shè)置螺桿流量計(jì)、鑄造液面激光檢測(cè)器做為閉環(huán)反饋。該回路可靠性高，故障率較低。

（3）基于速度控制集成閥的鑄造速度液壓控制回路 如圖4所示，液壓泵采用變量柱塞泵，該回路為閉環(huán)流量調(diào)節(jié)，采用的反饋器為質(zhì)量流量計(jì)，速度集成閥及其控制系統(tǒng)將閥門、伺服電動(dòng)機(jī)、控制器合為一體，實(shí)現(xiàn)了閥門的動(dòng)作速度和位置控制，解決閥門的精確定位、閥門柔性開(kāi)關(guān)、極限位置判斷、電動(dòng)機(jī)保護(hù)及模擬信號(hào)隔離等問(wèn)題。鑄造回路選擇的具有壓力、溫度補(bǔ)償?shù)乃俣瓤刂萍砷y以及質(zhì)量流量計(jì)組成的速度控制回路，它的制造精度很高，而且不受壓力變化的影響，能在0～35MPa的工作壓力范圍內(nèi)正常工作，其探測(cè)精度為2‰，可以保證鑄造過(guò)程中速度的控制精度在1%以內(nèi)，充分保證了鑄造工藝的穩(wěn)定性。同時(shí)，與PLC組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)保證了速度調(diào)整及時(shí)、穩(wěn)定的要求。該回路系統(tǒng)采用質(zhì)量流量計(jì)和速度控制集成閥，保證鑄造過(guò)程液壓油流量測(cè)量的準(zhǔn)確性，確保鑄造速度控制精度，可靠性較高。

圖2

圖3

圖4