半連續(xù)鑄造機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)勢廣泛應(yīng)用于航空航天、國防軍工、交通和各民用工程中，并日益擴大在各領(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（見圖1）就是應(yīng)用材料流變學(xué)原理將合金熔體通過結(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)液壓鑄造機現(xiàn)狀

由于高質(zhì)量液壓元件、低摩擦液壓缸的問世，以及自動化控制水平的提高，為現(xiàn)代化高質(zhì)量液壓半連續(xù)鑄造機提供了技術(shù)保障。現(xiàn)代化鋁合金鑄錠半連續(xù)鑄造機具有鑄造平臺運行平穩(wěn)、鑄造速度范圍大且精度高、負荷能力大、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、機械磨損小，以及使用壽命長等優(yōu)點，特別適用于大噸位、高質(zhì)量的鑄錠生產(chǎn)。液壓傳動鑄造機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，其升降過程中的防旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向及缸桿運行中的垂直度均由液壓缸內(nèi)部結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，導(dǎo)向精度高，鑄錠在全長范圍內(nèi)的彎曲可以控制在4mm以內(nèi)。我國于1991年6月開始實施的標準YS/T8—1991《鋁錠液壓式半連續(xù)鑄造機》對該類鑄造機的性能有具體的要求。二十多年來，國內(nèi)外制造商的先進鑄造機新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。國外的先進鑄造機制造商有：美國Wagstaff公司和Almex公司、加拿大Loma公司、法國Novelis PAE公司、荷蘭Thermcon公司、挪威Hycast公司和德國Loi公司等。國內(nèi)的鑄造機制造商主要是仿制國外的液壓系統(tǒng)，也有極少數(shù)自己消化吸收改進的。近幾年來，鋁加工生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，對鋁合金鑄錠的需求日益增多，國內(nèi)新建了一大批先進液壓鑄造機，其液壓系統(tǒng)因鑄造機廠商設(shè)計理念不同而各有千秋。隨著國家對特種合金產(chǎn)品需求，需要滿足高鑄造工藝要求的鑄造機，如何逐步消化吸收進口鑄造機液壓系統(tǒng)，擺脫進口依賴，對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)是鑄造機系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng)，它與電控系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)等相互匹配和聯(lián)動進行鑄造。鑄造機液壓系統(tǒng)一般由動力單元、內(nèi)導(dǎo)液壓缸升降速度控制回路、手動緊急下降控制回路、流槽及鑄造平臺舉升系統(tǒng)控制回路以及輔助回路（如自過濾）等組成。液壓系統(tǒng)是復(fù)雜的，化整為零將整個液壓系統(tǒng)細分為幾個基本回路，層層深入劃分整個液壓系統(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)鑄造機工作要求，液壓系統(tǒng)動作可分為三部分。

（1）非鑄造時液壓控制動作 主要分為鑄造平臺快速上升、慢速上升、快速下降等。

（2）流槽和傾翻蓋板升降動作 鑄造結(jié)束或終止，準備鑄造或者調(diào)整時的鑄造流槽升降動作。與鑄造配套的傾翻蓋板的升降動作，傾翻平臺的水平與垂直位置通過安裝在機構(gòu)上的防水接近開關(guān)控制。同時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）鑄造時鑄造平臺下降的鑄造速度液壓控制動作 鑄造平臺下降是鑄造速度控制的重點，鑄造過程中鑄造平臺下降是依靠平臺和鑄錠自重來實現(xiàn)的。鑄造可以大致劃分三個階段：第一是金屬液位填充的起始階段；第二是鑄造開始調(diào)整階段；第三是鑄造穩(wěn)定階段。鑄造起始階段在整個鑄造過程中占舉足輕重的地位，鑄造速度是一個由慢變快的漸變聯(lián)動過程。鑄造的三個階段的速度不相同，是根據(jù)合金鑄錠的裂紋傾向來控制，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，故鑄造時液壓系統(tǒng)要保證的鑄造速度可以達到最大，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，是鑄造機液壓系統(tǒng)最為核心的部分。

同時，鑄造時候特別危險，安全很重要，故液壓系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)計有在鑄造過程中如出現(xiàn)設(shè)備整機或局部故障時的緊急鑄造回路。由于內(nèi)導(dǎo)液壓缸的工作特性，當鑄造回路液壓元件出現(xiàn)故障時，液壓缸會繼續(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)故障時使用，從而保證鑄造時鑄造平臺下降不至于停止。緊急鑄造回路由手動球閥和調(diào)速閥等組成，緊急控制閥架一般布置在鑄造井或操作臺附近，方便現(xiàn)場人員操作。

3.三種鑄造速度液壓控制回路比較分析

鑄造機鑄造速度控制是整個鑄造機的關(guān)健點，要系統(tǒng)地根據(jù)鑄造工藝特點和相關(guān)匹配技術(shù)進行控制方式的設(shè)計，依據(jù)設(shè)計有閉環(huán)控制和開環(huán)控制。

鑄造速度為開環(huán)電液控制系統(tǒng)，控制的輸出結(jié)果無法進行檢測和反饋，鑄造速度設(shè)置采用電位器調(diào)節(jié)，調(diào)速波動大。整個系統(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)動鑄造機按規(guī)定的鑄造工藝流程運行，各動作之間有可靠的聯(lián)鎖保護和嚴格的順序控制。在鑄造過程中，實現(xiàn)聯(lián)鎖保護功能。鑄造速度變化時，將引起鋁液流量的變化，為此將通過自動調(diào)節(jié)傾動爐出口鋁液流量來保證正常鑄造時鋁液流量，并且在鑄造準備過程沒有完成的情況下，傾動爐禁止傾動等，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)外負載的變化自動調(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舉升液壓缸在切換工作中產(chǎn)生的流量變化大的特點。鑄造平臺空載快速上升動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，雙泵可同時工作。進入正常鑄造程序時，液壓泵不動作，速度控制回路前端配置有德國Bosch Rexroth公司的閉環(huán)比例方向閥，該類閥件具有溫度補償和壓力補償功能，配套比例放大板，將系統(tǒng)發(fā)出的信號通過放大處理后，實現(xiàn)對比例電磁鐵的調(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)油通過閉環(huán)比例閥回油箱，平臺慢速下降。而下降速度，由設(shè)置有容積式齒輪液壓流量計和鑄造鋁合金液面檢測情況反饋給閉環(huán)比例閥的開度決定。但閉環(huán)比例閥在鑄造時，因閥芯動作頻繁，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校準，如德國Bosch Rexroth等廠家校準周期很長。

（2）基于步進電動機控制流量閥開度的鑄造速度液壓控制回路 如圖3所示，系統(tǒng)動力為兩個定量泵，雙聯(lián)動，即一個電動機同時帶動兩個泵。鑄造時候，泵停止，鑄造平臺下降，鑄造速度由PLC程序控制回路中步進電動機打開閥門開度大小實現(xiàn)，設(shè)置螺桿流量計、鑄造液面激光檢測器做為閉環(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，速度集成閥及其控制系統(tǒng)將閥門、伺服電動機、控制器合為一體，實現(xiàn)了閥門的動作速度和位置控制，解決閥門的精確定位、閥門柔性開關(guān)、極限位置判斷、電動機保護及模擬信號隔離等問題。鑄造回路選擇的具有壓力、溫度補償?shù)乃俣瓤刂萍砷y以及質(zhì)量流量計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，其探測精度為2‰，可以保證鑄造過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，與PLC組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)保證了速度調(diào)整及時、穩(wěn)定的要求。該回路系統(tǒng)采用質(zhì)量流量計和速度控制集成閥，保證鑄造過程液壓油流量測量的準確性，確保鑄造速度控制精度，可靠性較高。

圖2

圖3

圖4