面向真空铸造生产线的液压系统设计与仿真

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随着社会和科学技术的进步，铸造技术也得到了突飞猛进的发展。现有铸造方法中，真空造型技术在业生产中占有越来越重要的地位。

锅炉锅片的铸造方法 ，从湿型铸造法到干型铸造，再至二氧化碳铸造法，经历了多次变革。在-般铸造过程中所使用型砂的50%会被作为工业废弃物扔掉。

随着生产数量的不断增加及生产规模的不断扩大，废弃型砂也随之增多，对作业周边环境造成了极大污染。

同时，铸造过程中产生的其他废料，如铸件毛刺清理、作业过程产生的噪声、粉尘、有毒气体等均对操作工人及周边居民的生活环境造成了极大危害。此外，现代社会对工业节能及生态环境保护等都对铸造技术提出了新的更高的要求。 ；真空造型是-种真空密封造型或负压造型的铸造T艺，也称为 V法铸造。其基本原理是采用塑料薄膜覆模造型并密封砂箱，依靠真空泵抽出型内空气，造成型内箱外产生压力差，使干砂紧实，最终形成所需型腔。其最大优点是型砂不使用粘结剂，干砂回用率高达95%以上。相对其他铸造方法，此方法不仅节能环保、落砂简便、改善了劳动条件，而且铸件表面品质和尺寸精度大大提高。真空铸造同消失模铸造-样，作为第三代造型方法即物理硬化方法，在世界上尤其是中国得到了长足发展1-3 J。液压系统是实现真空造型铸造的重要环节和关键技术，因此开展真空造型铸造生产线液压控制系统的优化设计具有重要的现实意义。

1 生产线的整体设计真空造型铸造生产线是集机械、电气、液压、气动、检测传感及控制等技术于-体的机电-体化综合性生产线。

机电-体化”的基本思想是机械技术、电子技术和信息技术等各相关技术有机结合的-种新形式，是电子技术向机械技术领域渗透过程中逐渐形成的-个新概念 J。其构成要素包括：机械本体部分、动力部分、控制部分、执行机构、检测传感部分、信息处理单元及接口等。根据机电-体化理论，整条铸造生产线由机械设备、液压系统、电控系统、气动系统、检测传感系统、执行机构组成。生产线执行机构包括电动机、液压收稿日期：2012-09-17基 金 项 目：国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 (863计 划 )(2012AA051801)作者简介：李东民(1977-)，男，山东泰安人，讲师，博士后。

主要从事服务科学、机电液-体化等方面的科研与教学工作。

2013年第3期 液压与气动 67缸及系统控制电气元件、液压控制阀及气动控制阀。

1.1 生产线整体 架构按照生产线工作流程，生产线由真空造型、输送、浇注、-次冷却、转运、分箱落砂、二次冷却、铸件叁等工序组成，如图 1所示。真空造型工段通过输送带接收型芯。造型工位包括覆膜工位、加箱工位、加砂工位及起箱工位等四工位。通过真空覆膜将塑料薄膜覆于铸件模具上；在加箱工位，依次将型芯和砂箱置于模具上面；在加砂工位对砂箱加砂并振实；在起箱工位将砂箱起出并置于输送工段 J。

在如图 1所示的铸造生产线中，输送工段的若干输送箱板用于放置及输送砂箱、浇注及-次冷却；在落砂工段，对浇注后的砂箱进行分箱并分离出铸件；经过二次冷却后，型砂被回收，铸件被取出，并进入后续铸件清理等工序。

转运浇注 输送 造型箱板i J l箱板2 ll箱板1转运箱板 箱板 I I箱板n型砂回收 矍l铸件l I铸件J 蓼铸件叁图1 生产线整体结构1.2 生产线运行过程生产线工作时，造型工位的执行机构由压缩空气提供动力，驱动气缸等执行机构动作。生产线其他工序的执行机构均采用液压动力驱动。其中，输送工段由液压拉缸推动箱板沿输送路线运行-个箱板的行程；在浇注工位由液压举升缸顶起箱板并对砂箱进行浇注，通过转运小车将箱板运输到-次冷却工段；通过转运小车将砂箱输送至落砂分箱工段，通过液压动力驱动液压缸与液压马达对砂箱进行落砂与分箱操作，分离得到铸件并输送至二次冷却工段；在二次冷却工段回收型砂，采用液压控制阀驱动液压推缸对铸件进行输送并进入后续清理等工序。

2 液压系统设计在整条真空造型生产线中，除四工位造型机外，其他设备与机构均由液压动力驱动，因此，液压控制系统是整条生产线的关键组成部分。根据生产线技术要求及液压控制元件特点，设计液压系统如图2所示。

生产线液压系统包括液压泵站、液压控制阀及液压执行机构等。因篇幅所限，液压执行机构仅以分箱落砂提升缸为例加以讨论，其他执行机构的液压系统与之类似。根据执行机构动作要求及生产线整体工序流程，选取相应的液压元件控制液压系统的压力、流量及方向等参数。由于液压执行元件为高精密器件，对工作介质清洁度要求较高，所以，在液压系统的吸油、出油及回油等环节均装有过滤器，以使油液清洁度满足系统设计及使用要求。

2.1 系统压力控制由于液压元件及执行机构需要在特定压力范围内工作才能完成负载驱动，因此，压力是液压系统控制的重要参数之-。压力控制-般有两种方式：泵控和阀控 ，二者各有其优缺点。由于生产线泵压与管路油压需要远程控制，为实现控压精确、灵活，本文采用阀控方式进行油压控制。泵站设置双泵 3-1、3.2供油，油泵出油经单向阀后由比例溢流阀7-1对出油压力进行调节和控制。回油管路背压由比例溢流阀7-2进行调节和控制。

2.2 系统流量控制在系统流量控制过程中，本文综合采用泵控和阀控两种方式。泵站采用变量柱塞泵 3-1、3-2对管路供油，该泵流量可调。根据系统流量要求，将主泵调节到特定流量。在液压回路中，采用单向节流阀 12-1、12.2调节管路流量并通过流量计 17进行流量显示和监控。

2.3 系统工作原理系统工作时，首先开启主泵，通过比例溢流阀将主泵压力调节到设定值。然后调节主泵流量至设定值。

油液经插装阀进入主油路，通过电磁换向阀控制分箱落砂提升缸升降。

(1)油温控制 液压元件及执行机构需在特定油温下才能正常工作 ，因此，本系统设置加热器和冷却器控制油温，并采用油温传感器对油温进行监测。在液压油路中分别采用温度传感器 10.1、10-2、10.3检测油温，当油温低于设定值时，加热器 21自动开启，将油温加热到设定温度范围；当油温高于设定值时，冷却泵23、冷却器 25及电磁水阀26自动开启，对油液进行冷却，直到设定油温范围。

(2)系统辅助功能 为实现生产线远程监控，采用压力传感器 9-1、9-2、9-3采集液压回路关键位置油压并反馈至中央控制室。在特定情况下，为实现管路油压可靠卸荷，通过操作手动截止阀 1.3可使液压回路油液卸荷并回油箱。

68 液压与气动 2013年第 3期1.截止阀 2.减震喉 3.主泵 4.主泵电机 5.单向阀 6.管路过滤器 7.比例溢流阀 8、28.压力表9.压力传感器 10.温度传感器 11.电磁换向阀 12.单向节流阀 13.液控单向阀 14.插装阀 15.蓄能器16.回油过滤器 17.流量计 18.吸油过滤器 19.液位计 20.液温计 21.加热器 22.冷却泵电机23.冷却泵 24.冷却滤油器 25.冷却器 26.电动水阀 27.直动溢流阀 29.油箱图2 生产线液压控制系统(3)系统优化设计 为提高液压系统工作的稳定性和可靠性，采用插装阀 14.1、14-2、14.3及蓄能器 15对液压回路进行控制。当插装阀 14.1的进油口压力高于出油口压力时，插装阀开启，油液由进油口通过出油口进入管路系统；当进油口压力低于出油口压力时，插装阀 14-1关闭，泵油无法进入管路系统。因此，通过插装阀 14.1控制管路油液压力及流量，保持系统管路稳定性。另外，系统中设置蓄能器以提高管路系统稳定性。当管路油压低于蓄能器 15的压力时，插装阀14-2开启，蓄能器油液补充至主油路中并稳定了主油路压力；当管路油压高于蓄能器的压力时，管路油液通过插装阀 l4-3进入蓄能器，因此，蓄能器保证了管路油液的稳定性。

(4)系统工作过程 系统工作时，将主泵压力和流量调节到设定值，通过插装阀和蓄能器控制管路油液稳定。由电磁换向阀控制分箱落砂提升缸的升降动作，通过单向节流阀控制管路流量。为提高提升缸动作稳定性，在液压回路中接人液控单向阀 13 1、13-2，使回油管路产生-定背压 ，从而保证了升降缸动作的稳定。另外，采用加热器 和冷却器对油温进行调控。

3 插装阀性能仿真根据图2所示液压系统原理图，以插装阀 14-1为例，采 用 AMESim仿 真软 件对 其 进行 性 能仿 真。

AMESim表示工程系统仿真高级建模环境(AdvancedModeling Environment for Performing Simulations of Engi·neefing Systems)，它是法国某公司于 1995年推出的基于键和图的液压/机械系统建模、仿真及动态性能分析的软件，特别适用于车辆、航空航天和工程机械领域[引，因此，本文采用 AMESim对生产线液压系统中的插装阀 14.1进行性能仿真。

3.1 建模(1)插装阀结构与仿真模型 插装阀 14-1的机械本体结构如图3a所示，根据其机械结构，抽象得仿真模型如图3b所示，主要由锥阀 1，锥阀的惯量 2及带弹簧的活塞 3组成 "j。

2013年第3期 液压与气动 69aJ b)1.锥阀 2.惯量 3.活塞图3 插装阀结构与仿真模型(2)创建草图 根据 V法铸造生产线液压系统原理，建立 AMESim草图 ， 如图4所示。采用油压传感器检测进油口、出油口及系统反馈油口油压，建立进油口、出油口油压比较反馈系统，分析并验证插装阀油压控制性能。

(3)创建子模型 针对液压系统仿真模型中的每个元件，选择其对应的首选模型，得系统子模型同图4。

；(亘 - -.嘈图4 插装阀性能仿真草图3.2 设置参数设置系统实验参数如表 1所示，并进行编译。

表1 系统实验参数参数 数值 参数 数值 参数 数值系统油压 活塞直径 弹簧刚度 20 10 1(MPa) (mm) (N/mm)系统流量 活塞杆径 弹簧预紧力 20 5 1(L/rain) (mm) (N)阀芯直径 5(mm)3.3 仿真在以上工作的基础上，对系统模型进行仿真运行，设定仿真条件参数如表 2所示。

表 2 仿真条件参数 数值 参数 数值仿真时间(s) 10 显示间隔时间(S) 1在上述仿真条件下，进行系统仿真，结果如图5所示。其中，图5a为系统反馈油口油压变化曲线图，为随时间延长油压逐渐增大的抛物线，最大值达 3349.7MPa；图5b为进油口、出油口油压变化图，由图5b可见，二者分别为20 MPa、0 MPa，在此系统油压状态下 ，反馈油压 >进油口油压，因此出油 口油压为 0 MPa，符合插装阀 14.1(见图2)油压性能变化。

图5 系统仿真4 结论为有效提高真空造型铸造生产线液压系统性能，满足现代化铸造生产的要求，本文根据真空造型铸造生产线的工作过程，设计了生产线架构，对其液压系统进行了优化设计。采用比例溢流阀调节油压，采用插装阀和蓄能器控制管路油液稳定性，采用单向节流阀和液控单向阀控制升降缸平稳升降。在初始实验参数和仿真条件下，对系统中插装阀油压性能进行的仿真实验发现：本文油压系统设计合理，仿真结果符合插装阀性能变化，完全满足现代铸造生产的要求。