基于AMESim的低壓鑄造機(jī)液面加壓系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析

吳曉明，陳麗緩，彭立廣，趙君衛(wèi)

(1.燕山大學(xué)河北省重型機(jī)械流體動(dòng)力傳輸與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島 066004；2.先進(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 (燕山大學(xué)），河北秦皇島 066004；3.北華航天工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，河北廊坊 065000）

基于AMESim的低壓鑄造機(jī)液面加壓系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析

吳曉明1，2，陳麗緩3，彭立廣1，2，趙君衛(wèi)1，2

(1.燕山大學(xué)河北省重型機(jī)械流體動(dòng)力傳輸與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島 066004；2.先進(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 (燕山大學(xué)），河北秦皇島 066004；3.北華航天工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，河北廊坊 065000）

針對(duì)某型號(hào)低壓鑄造機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)中，液面加壓氣動(dòng)系統(tǒng)壓力控制不精確的問題，對(duì)原有系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，采用氣動(dòng)伺服閥閉環(huán)控制的形式來控制進(jìn)入保溫爐內(nèi)的氣體壓力。借助AMESim軟件對(duì)改進(jìn)后的系統(tǒng)進(jìn)行了建模，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行了嚴(yán)格的設(shè)置，使整個(gè)物理模型最大程度地接近實(shí)際系統(tǒng)。通過仿真分析和實(shí)驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證改進(jìn)后系統(tǒng)的壓力控制情況要優(yōu)于原系統(tǒng)。

低壓鑄造；液面加壓系統(tǒng)；氣動(dòng)伺服技術(shù)；AMESim建模仿真；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

“低壓鑄造”是介于重力鑄造 (一般是指自由鑄造）和壓力鑄造 (由壓鑄機(jī)依靠活塞壓射金屬液來充型結(jié)晶的鑄造方法，被稱作“壓鑄”）之間的一種方法［1］。低壓鑄造是在壓力的作用下將液體金屬充填進(jìn)型腔，氣體壓力一般為0.03～0.2 MPa，壓力較低。在低壓鑄造過程中，壓力的作用使得金屬液的流動(dòng)性得到了提高，成型的鑄件機(jī)械性能好，尺寸精度高，表面粗糙度可以達(dá)到1.6～25μm，屬于生產(chǎn)效率高的精密成形工藝，對(duì)于薄壁鑄件的成形更為有利，所以低壓鑄造工藝在大批量生產(chǎn)的汽車、內(nèi)燃機(jī)工業(yè)上的應(yīng)用不斷增加。然而國內(nèi)的低壓鑄造機(jī)壓力控制不精確，主要依賴于進(jìn)口設(shè)備［2］。針對(duì)這一現(xiàn)狀，對(duì)某公司現(xiàn)有的某型號(hào)低壓鑄造機(jī)的液面加壓系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，有效地改善壓力控制狀況。

1 液面加壓系統(tǒng)控制方式分類

獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的基礎(chǔ)是具有正常運(yùn)行的設(shè)備，保證優(yōu)良的工藝過程再加上精準(zhǔn)的液面加壓控制系統(tǒng)。根據(jù)低壓鑄造技術(shù)的特殊性，液面加壓氣動(dòng)系統(tǒng)控制成為其最重要的環(huán)節(jié)之一，整個(gè)鑄造過程分為升液、充型、增壓、保壓、卸壓以及冷卻6 個(gè)階段［3－4］，如圖1所示。

圖1 低壓鑄造工藝曲線

液面加壓氣動(dòng)控制可以分為斷續(xù)控制和連續(xù)控制兩類。大部分的氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)是斷續(xù)控制系統(tǒng)，所用的控制閥是開關(guān)方向閥；而氣動(dòng)比例/伺服控制則為連續(xù)控制，采用的控制閥為比例閥或伺服閥［5］。

(1）氣動(dòng)斷續(xù)控制系統(tǒng)。該種控制方式僅限于對(duì)某個(gè)設(shè)定壓力或某一速度進(jìn)行控制、計(jì)算。通常采用調(diào)壓閥調(diào)節(jié)所需要的氣體壓力，節(jié)流閥調(diào)節(jié)所需的氣體流量，這些可調(diào)量采用人工方式預(yù)先調(diào)制完成。而且針對(duì)每一種壓力或者速度，必須配備一個(gè)調(diào)壓閥或者節(jié)流閥與它相對(duì)應(yīng)。如果需要控制多點(diǎn)的壓力系統(tǒng)或者是多種不同的速度控制系統(tǒng)，則需要多個(gè)調(diào)壓閥或節(jié)流閥。控制點(diǎn)越多，元件增加也越多，成本也越高，系統(tǒng)也越復(fù)雜。

(2）氣動(dòng)連續(xù)控制系統(tǒng)。氣動(dòng)伺服 (壓力、流量）控制技術(shù)屬于連續(xù)控制。伺服控制的輸出量隨著輸入量的變化而相應(yīng)跟隨變化，輸出量與輸入量之間存在一定的函數(shù)關(guān)系。為了獲得較好的控制效果，在連續(xù)控制系統(tǒng)中一般引用了反饋控制原理，如圖2所示。

圖2 反饋控制原理

2 液面加壓系統(tǒng)改進(jìn)

文中所研究的某型號(hào)低壓鑄造機(jī)原液面加壓系統(tǒng)采用的是第一種控制方式，其原理圖見圖3。

圖3 液面加壓系統(tǒng)原理圖

通過多個(gè)不同通徑的調(diào)壓閥和節(jié)流閥配合使用，調(diào)節(jié)進(jìn)入保溫爐內(nèi)的氣體流量，從而達(dá)到控制其壓力的目的，電磁閥由電氣部分和氣動(dòng)部分聯(lián)合控制。但是由于低壓鑄造的工藝要求，壓力需要分級(jí)變化，控制點(diǎn)較多，因此需要的電磁閥也多，導(dǎo)致系統(tǒng)比較復(fù)雜，最重要的是整個(gè)加壓系統(tǒng)屬于開環(huán)控制，在實(shí)際鑄造過程中壓力控制不夠精確，特別是線性度不理想，卸壓環(huán)節(jié)滯后。根據(jù)上述分析及系統(tǒng)所要求的能實(shí)現(xiàn)壓力的自動(dòng)調(diào)節(jié)，故嘗試對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。采用伺服閉環(huán)控制方案，用一個(gè)電氣伺服代替原有的換向閥組，并在保溫爐出口附近添加壓力傳感器，時(shí)刻監(jiān)測(cè)保溫爐內(nèi)的壓力，將其壓力值及時(shí)反饋給電氣伺服閥，改變閥口開度，以控制保溫爐內(nèi)氣體壓力，使保溫爐內(nèi)壓力變化符合低壓鑄造的工藝要求。改進(jìn)后的系統(tǒng)原理圖見圖4。

圖4 改進(jìn)后液面加壓系統(tǒng)原理圖

進(jìn)氣環(huán)節(jié)由二位三通電磁閥5得失電來改變氣路，控制二位二通換向閥4的通斷，實(shí)現(xiàn)壓力氣體是否進(jìn)入爐子。當(dāng)電磁閥5得電時(shí)，氣路接通，氣壓將二位二通氣控閥4左位接入到氣路中，壓力氣源進(jìn)入保溫爐，將金屬液壓入模具中。

調(diào)壓環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)首先是依靠壓力傳感器10測(cè)出爐內(nèi)壓力，將測(cè)得壓力與實(shí)際所需壓力的偏差轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，并將電流信號(hào)傳遞給伺服閥3，作為其控制信號(hào)，控制閥口的開度，進(jìn)而控制著整個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)的鑄造壓力，形成了閉環(huán)控制回路。

排氣環(huán)節(jié)由二位三通電磁閥6的得失電來控制氣路的通斷，進(jìn)而控制二位二通氣控閥7的通斷，從而控制爐內(nèi)氣體的排放。進(jìn)行低壓鑄造時(shí)，電磁閥6失電，氣控閥7處于中斷位置，整個(gè)系統(tǒng)保持壓力穩(wěn)定。當(dāng)?shù)蛪鸿T造完成時(shí)，電磁閥6得電，氣控閥7處于接通位置，爐內(nèi)氣體排出。

為保證氣路的安全操作，該系統(tǒng)中還設(shè)計(jì)了相應(yīng)的安全環(huán)節(jié):

（3）有機(jī)硅褐煤SHY-2代替SMP-1和SPNH，在準(zhǔn)噶爾盆地西北緣環(huán)瑪湖和腹部區(qū)塊鉆井，鉆井液性能基本能滿足該地區(qū)鉆井要求。但與鉀鈣基聚磺鉆井液比較，該體系的穩(wěn)定性不如鉀鈣基聚磺鉆井液，主要表現(xiàn)為鉆井液的熱穩(wěn)定性相對(duì)差一些，鉆井液的粘切變化快，流變性控制難點(diǎn)大。

(1）氣動(dòng)溢流閥卸荷。在進(jìn)氣回路加一個(gè)氣動(dòng)溢流閥8，當(dāng)爐內(nèi)壓力升高到一定限度，達(dá)到卸荷壓力，溢流閥卸荷。

(2）壓力繼電器控壓。在控制回路中，添加一個(gè)壓力繼電器，設(shè)定最高壓力和最低壓力。當(dāng)系統(tǒng)在排氣階段電磁閥6沒有動(dòng)作，氣動(dòng)溢流閥8不起作用，致使氣動(dòng)回路壓力升高，當(dāng)升高到壓力繼電器11上限時(shí)，繼電器發(fā)出信號(hào)，二位三通換向閥13得電，氣路推動(dòng)二位二通氣控閥12接通，爐內(nèi)氣體排出，壓力降低。當(dāng)系統(tǒng)壓力降低到壓力繼電器最小值時(shí)，換向閥13失電，氣控閥處于斷開位置，系統(tǒng)壓力升高。

根據(jù)以上分析，可以看出所設(shè)計(jì)的液面加壓系統(tǒng)比較完整，上述3種安全措施不僅可以相互配合起作用保證系統(tǒng)壓力安全，也可以在其中兩種方式失去作用情況下單獨(dú)作用保證系統(tǒng)安全，不發(fā)生事故。

3 液面加壓系統(tǒng)仿真分析

3.1 系統(tǒng)的AMESim建模

在對(duì)液面加壓系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)后，為驗(yàn)證新系統(tǒng)的壓力控制性能，利用AMESim軟件對(duì)改進(jìn)后系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真驗(yàn)證［6］。由于AMESim軟件自帶有電氣換向閥，故AMESim中系統(tǒng)模型與原理圖略有差別。如圖5所示，電氣換向閥1將原理圖中氣動(dòng)換向閥7和電磁換向閥6合二為一；電氣換向閥2替代了原理圖中的閥12、13，當(dāng)保溫爐內(nèi)壓力達(dá)到所需壓力或者壓力過高時(shí)，該閥得電，右位接入到系統(tǒng)中，使氣體直接排出，而不再進(jìn)入保溫爐內(nèi)。電氣換向閥3所起的作用和閥12、13所起的作用一致，當(dāng)鑄造結(jié)束時(shí)，電氣換向閥3得電，左位工作，保溫爐內(nèi)氣體通過此路經(jīng)過電氣伺服閥排出，壓力降低。

圖5 液面加壓系統(tǒng)AMESim模型

圖5中元件4為壓力傳感器，即系統(tǒng)原理圖中的元件10，用來測(cè)量保溫爐內(nèi)的壓力變化。在液面加壓系統(tǒng)AMESim模型中，加入了邏輯控制回路，灰色點(diǎn)劃線所示，可以代替系統(tǒng)中的電控信號(hào)，使整個(gè)模型更接近實(shí)際。一路是由壓力傳感器引出來的X信號(hào)，它將所測(cè)得的爐內(nèi)的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換電線號(hào)，分為3條支路發(fā)出。1條支路去控制閥 1；1條控制閥 2；還有1條支路將信號(hào)與輸入信號(hào)相比較之后，輸送給伺服閥，以控制伺服閥口開度。另外一路則是低壓鑄造時(shí)，保溫爐內(nèi)所需達(dá)到的壓力Y信號(hào)，即給定信號(hào)。它也分3路:1路與反饋回來的保溫爐內(nèi)的壓力信號(hào)X相比較，另外2路同樣是去控制電氣換向閥1、2。圖中元件5為可變?nèi)莘e，用來代替系統(tǒng)中的保溫爐，根據(jù)低壓鑄造過程中液面加壓的工藝要求，液面加壓共分為5個(gè)階段，分別是升液、充型、增壓、結(jié)晶和卸壓，其中在升液過程中，由于保溫爐內(nèi)金屬液面不斷下降，爐內(nèi)的空間是不斷變化的，故不能選用氣動(dòng)庫中現(xiàn)有的容積模塊，而是需要在PCD庫中搭建一個(gè)可以改變?nèi)莘e的元件，如圖6所示。

圖6中，元件4是體積單元，其原理見圖7(a），有4個(gè)輸入口，可輸入流量和體積信號(hào)，其體積計(jì)算公式為:V總=V1+V2+V3+V4+V0，其中V0是體積單元的固有體積，V1、V2、V3、V4都是該體積單元的4個(gè)輸入口輸入的體積，其值既可以是常數(shù)也可以是其他函數(shù)。低壓鑄造的升液階段，保溫爐內(nèi)的液體保持勻速下降，即該階段保溫爐內(nèi)的體積是以一定值速度增加的，故該容積模塊必須有一個(gè)體積輸入量，使其總?cè)莘e不斷增加。圖5中的元件3叫做氣動(dòng)活塞，常用于氣缸或者閥的模型中，其原理見圖7(b），可以通過端口2輸入一個(gè)速度信號(hào)，驅(qū)動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，在1口產(chǎn)生一個(gè)體積變量進(jìn)行輸出。圖6中的元件2則是速度信號(hào)轉(zhuǎn)換器，可將輸入的量綱為一的信號(hào)轉(zhuǎn)換成速度信號(hào)進(jìn)行輸出，其原理如圖7(c）所示。信號(hào)1是自定義信號(hào)，可設(shè)置為循環(huán)或非循環(huán)環(huán)節(jié)，時(shí)間任意給定。

圖6 可變?nèi)莘e模型

圖7 主要組成模塊

現(xiàn)根據(jù)低壓鑄造的工藝要求對(duì)可變?nèi)莘e的參數(shù)計(jì)算如下:

h為升液階段金屬液下降高度 (cm）；

v為保溫爐內(nèi)金屬液單位時(shí)間內(nèi)下降速度(cm/s），根據(jù)低壓鑄造要求為2.66×10－1cm/s；

將各值代入式 (1），經(jīng)計(jì)算可得:

因?yàn)榛钊妮敵鏊俣葐挝粸閙/s，故設(shè)置自定義信號(hào)為6.64，時(shí)間為10 s。體積單元的初始體積即為未開始鑄造時(shí)，保溫爐上方的氣體體積，經(jīng)計(jì)算為153 L，主要參數(shù)設(shè)置見表2。將這幾個(gè)模塊進(jìn)行連接，進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果見圖8、9。

表1 可變?nèi)莘e主要模型參數(shù)設(shè)置

圖8 活塞線性速度及活塞位移

圖9 可變?nèi)莘e的體積變化情況

通過圖8—9可以看出:仿真運(yùn)行10 s后，活塞的速度保持在6.64 m/s，位移是66.4 m，可變?nèi)莘e的輸入口3的體積和總體積均呈線性上升，在第10 s輸入口的容積達(dá)到了20 651.6 cm3，總?cè)莘e達(dá)到了173 652 cm3，體積增加了20 652 cm3，與計(jì)算結(jié)果一致，證明該模型搭建正確，參數(shù)設(shè)置合適。

3.2 系統(tǒng)的AMESim仿真結(jié)果分析

驗(yàn)證完系統(tǒng)選用的關(guān)鍵元件之后，根據(jù)低壓鑄造液面加壓系統(tǒng)中所選用的元件對(duì)仿真模型中各元件的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置完成后，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真時(shí)間設(shè)置為200 s，打印間隔為0.1 s，仿真結(jié)果如圖10所示，最大壓力誤差見圖11?？煽闯?保溫爐內(nèi)壓力跟隨情況良好，特別是每個(gè)階段的壓力線性度很好，符合低壓鑄造的工藝要求。

圖10 仿真曲線

圖11 壓力誤差曲線

3.3 原系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

通過以上對(duì)液面加壓氣動(dòng)伺服系統(tǒng)物理模型的建立，得出了改進(jìn)后保溫爐內(nèi)的壓力控制曲線。為比較改進(jìn)后系統(tǒng)和原系統(tǒng)的壓力控制精度，需要進(jìn)一步的比較驗(yàn)證，以下將在該型號(hào)低壓鑄造機(jī)上進(jìn)行研究。因?yàn)榈蛪鸿T造機(jī)的測(cè)試系統(tǒng)中有工控機(jī)，即人機(jī)交換界面，在低壓鑄造開始時(shí)，只需要在計(jì)算機(jī)上的控制界面中點(diǎn)擊開始采集數(shù)據(jù)，測(cè)試界面的右側(cè)即會(huì)出現(xiàn)保溫爐內(nèi)的實(shí)時(shí)壓力曲線，并且還可以將所測(cè)得的數(shù)據(jù)保存成.data文件進(jìn)行輸出，方便測(cè)試者的后續(xù)研究。測(cè)試界面見圖12。

圖12 測(cè)試曲線

圖中右邊為保溫爐內(nèi)壓力的測(cè)試曲線，設(shè)置每秒采集20 000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為200 s，即一個(gè)工作流程，共采集數(shù)據(jù)點(diǎn)2 000 000個(gè)，在實(shí)驗(yàn)過程中，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)導(dǎo)出，方便后續(xù)使用。

圖13 壓力比較曲線

為方便與改進(jìn)后系統(tǒng)的壓力控制曲線比較，將所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和改進(jìn)后的液面加壓控制系統(tǒng)所得的仿真數(shù)據(jù)均導(dǎo)入到MATLAB軟件中，利用其數(shù)據(jù)處理功能，更清晰地重現(xiàn)出實(shí)驗(yàn)所得的壓力曲線和仿真曲線的比較情況，如圖13所示。

通過圖13可以看出:改進(jìn)后的液面加壓伺服系統(tǒng)沒有出現(xiàn)明顯的壓力震蕩情況，對(duì)保溫爐內(nèi)的壓力控制精度要明顯優(yōu)于原系統(tǒng)，每個(gè)階段的壓力線性度要更好一些，并且沒有出現(xiàn)明顯的壓力震蕩，特別是卸壓階段響應(yīng)較快。

4 結(jié)論

介紹了低壓鑄造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，針對(duì)某型號(hào)低壓鑄造機(jī)現(xiàn)有的加壓系統(tǒng)存在壓力跟隨不精確等問題，從低壓鑄造的工藝角度出發(fā)，提出了用氣動(dòng)伺服閥代替原有的調(diào)壓閥組來控制進(jìn)入保溫爐內(nèi)壓力的方案。通過AMESim仿真軟件對(duì)改進(jìn)后系統(tǒng)的建模仿真，驗(yàn)證了液面加壓氣動(dòng)伺服系統(tǒng)對(duì)保溫爐內(nèi)氣體壓力控制的優(yōu)越性，對(duì)同類系統(tǒng)的改進(jìn)具有一定的參考價(jià)值。

［1］潘增源.低壓鑄造［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1974:10－53.

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Optim ization Design and Analysis of the Low Pressure Casting Surface Pressure System Based on AMESim

WU Xiaoming1，2，CHEN Lihuan3，PENG Liguang1，2，ZHAO Junwei1，2
(1.Hebei Provincial Key Laboratory of Heavy Machinery Fluid Power Transmission and Control，Yanshan University，Qinhuangdao Hebei066004，China；2.Key Laboratory of Advanced Forging＆ Stamping Technology and Science(Yanshan University），Ministry of Education of China，Qinhuangdao Hebei066004，China；3.North China Institute of Aerospace Engineering，Langfang Hebei065000，China）

To solve the problems of the surface pressure control precision of the low pressure casting in actual production，the original system was improved and the pneumatic servo closed-loop control system was built to control the pressure in the holding furnaces.Themodel of the improved system was built by using AMESim software and the parameters were set strictly，which couldmake the physicalmodel close to the actual system at themost extent.Through comparing the simulation results and the experimental data，it is verified the pressure control effect of the improved system is better than the original system.

Low pressure casting；Casting surface pressure pneumatic system；Pneumatic servo technology；AMESim simulation；Experimental data acquisition

TG249.9

A

1001－3881(2014）10－083－4

10.3969/j.issn.1001-3881.2014.10.026

2013－04－27

吳曉明 (1957—），男，博士，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向是電液伺服系統(tǒng)、氣動(dòng)伺服系統(tǒng)、機(jī)電液一體化。E-mail:xmwu@ysu.edu.cn。