傾轉裝置

傾轉裝置是指傾轉式澆注機上用來澆築的裝置。爐體上設有轉軸，轉軸支承在機架上，由驅動裝置驅動，使爐體繞轉軸轉動，完成金屬液體的澆注過程。由澆口、澆包、轉軸、驅動裝置、機架及電控系統等部分組成。

基本介紹

• 中文名：傾轉裝置
• 外文名：Rotated device
• 學科：冶金工程
• 領域：冶煉
• 作用：澆築
• 組成：澆口、澆包、轉軸、驅動裝置等

簡介

目前，我國大部分工廠仍然採用人工澆注或半自動澆注裝置進行澆注，靠人工經驗來控制澆注精度，導致鑄件的產量、品質都比較低。要提高鑄件的品質就要針對澆注過程進行有效的控制，來提高澆注過程的精度和自動化水平。

傾轉式澆注機結構及存在的問題

傾轉式澆注機的爐體上設有轉軸，轉軸支承在機架上，由驅動裝置驅動，使爐體繞轉軸轉動，完成金屬液體的澆注過程。由澆口、澆包、轉軸、驅動裝置、機架及電控系統等部分組成。

傾轉式澆注機轉軸的位置對其澆注性能和澆注的自動控制影響很大。早期的澆注過程中，由於傳動技術的相對落後又加上鑄件的質量較大，迫使技術人員向著減小澆注力矩的方向研究，所以相當長的一段時間內，轉軸設定在重心處占據了主導地位。將轉軸設在轉動部分的重心上，當爐體或澆包傾轉時驅動裝置只需克服轉動摩擦力，驅動力矩小，但是這種布置的問題是，爐嘴澆注口與轉動中心不重合，在澆注過程中澆注口高度不斷降低，並伴有水平方向的移動。為此必須在傾倒的同時不斷將爐體升高，以補償澆注口的下降，並使爐體反向水平移動，以保持澆注口空間位置的基本不變。這種澆注系統必須同時控制3個坐標方向的運動，傳動結構複雜，自動控制困難，澆口位置變化比較大，影響了澆注品質。系統整體的穩定性較差且當出現突發性斷電的情況下，存在較大的安全隱患。

定點傾轉式澆注裝置及工作原理

針對傳統的澆注傾轉電爐存在的問題，開發出了新型的傾轉式澆注機-定點傾轉式澆注機。三維實體建模後，模型主要由機架、轉軸左（右）、爐體、轉角控制油缸右（左）組成。

定點傾轉澆注機是在爐體外殼上設定轉軸，並且使爐體的澆注口中心處在轉軸的軸心線上，爐體轉動過程中，澆注口中心空間位置保持不變。在工作狀態時，無論爐體怎樣轉動，澆注口中心的空間位置總是固定不變的，能夠保證澆注口與鑄模相對位置恆定，實現近距離澆注，提高鑄件的品質；非工作狀態時，爐體壓在底座上和轉軸形成3點支撐，重心低，安全性進一步改善；對於大噸位的電爐，其優點更為明顯。

定量澆注裝置的控制策略

由於定點傾轉式電爐澆注過程只需控制電爐轉角一個自由度，這使得利用定點傾轉式電爐實現定量澆注成為可能。目前，國內外關於定點傾轉式電爐定量澆注的研究也很少，對其定量理論和控制策略開展較深入的研究很有必要。而且定點傾轉式電爐由重力形成的力矩總是使電爐趨於復位，即使出現機械故障也不會出現金屬熔液傾瀉而出的嚴重後果，安全性好，有較大的推廣價值。

對於給定的電爐，在其內膽形狀確定的情況下，傾轉的角度與倒出的金屬熔液（澆注量）存在一一對應的關係。通過角位移感測器檢測電爐的傾轉角度，就可得出其澆注量，從而通過閉環控制就可以實現定量澆注。

定點傾轉式電爐在工作的過程中只繞轉軸在0～90°之間轉動，這使採用液壓缸驅動電爐成為可能。從理論上分析，液壓缸驅動的負載不受限制，噸位越大越有優勢。由於控制系統為角位移定量控制系統，必須根據不同工況，通過線上檢測執行元件的實時位移（角度），經反饋，及時調節進入執行元件的油液量來補償位置誤差，進而實現線上控制。

考慮角位移定量控制系統屬間接控制，角度偏差對澆注精度影響很大，為提高定量澆注的精度及可靠性，可另外增加一套基於稱量定量法的閉環定量控制系統。對大型的鑄件而言，因為冒口的面積大並且開放，其光電檢測系統容易受到外界溫度、霧氣各種因素影響，冒口測量就不太合適。且電爐液位與鑄型不是確定關係，澆注速度也不定，採用定時定量不太容易。綜合上面常規定量方法的分析，只能採用稱量定量法閉環定量控制。當澆注量達到要求就發信號給主閥，使電爐停止傾轉，完成精確定量澆注。這樣既不受電爐傾轉角度影響，也不易受外界溫度等各種因素影響，確保定點傾轉式電爐的定量澆注精度。綜上分析，本課題採用控制澆注平穩性的角位移控制子系統作為定量澆注的初控制，採用控制澆注量作為定量澆注的精控制。

根據對常規稱量定量法的分析可知，稱量有3種方式，分別是稱爐體質量、稱中間澆包質量、稱鑄件質量。從控制角度來說，由於這3種稱量的方式不一樣，導致控制策略不一樣。3種稱量原理基本一樣，都是通過質量感測器線上檢測質量是否達到要求，當質量達到預設值時，質量感測器發信號停止澆注。不同的是實現方式、控制形式不一樣。採用中間澆包稱量是預先計算所需的澆注量，通過中間澆包檢測是否達到要求，達到要求後中間澆包傾轉一次完成澆注工作，這種形式有利於提高澆注效率，但是增加了設備成本，控制複雜。

對於稱鑄件質量和爐體質量，兩種基本一樣，需根據現場實際情況，如感測器的安裝、鑄件的大小等。考慮由於現場鑄型下面不易安裝感測器，且鑄件開放面大，感測器的信號易受外界干擾，中間澆包成本高，控制複雜，決定採用在爐體下面安裝感測器的方式實現定量澆注。

液壓控制系統設計

設計依據

根據工藝要求，液壓控制系統必須完成如下動作和控制要求：①保證系統穩定性，在0～90°之間保證電爐能連續傾轉並且具有調速功能，根據工藝要求全程線上調速，滿足平穩澆注的要求；②保證系統回響的準確性，在0～90°之間保證電爐能準確地傾轉到指定角度，實現定量澆注；③保證系統回響的快速性，保證系統對信號（開始澆注、停止澆注等）做出快速反應完成指令動作；④起停無衝擊，噪聲小，能適應高溫環境，安全可靠性好，檢修方便；⑤必須設定應急迴路，當出現不可預見的斷電、機械故障、油管爆裂等突發事故時也有能力使爐體復位，絕不允許出現使爐體傾翻導致高溫金屬熔液倒出事故發生。

液壓系統組成及工作原理

1　液壓系統組成

液壓系統組成見圖5。主要包括：油箱、空氣濾清器、吸油濾油器、柱塞泵、電動機、管式單向閥、壓力繼電器、截止閥、耐震壓力表、電液先導溢流閥、回油過濾器、電液比例換向閥、液控單向閥、截止閥、測壓接頭、液壓缸、感測器、回油濾油器、風冷卻器、液位壓力繼電器、液溫液位計。

2　工作原理

電爐定點傾轉澆注及定量控制：空載啟動油泵電機組，延時5s左右，電液比例換向閥1YA得電，壓力油經過比例換向閥、液控單向閥進入油缸無桿腔，活塞桿向上運動，帶動爐體繞定點傾轉。有桿腔油液經過電液比例換向閥、回油過濾器回到油箱。根據角位移感測器監測的角度及質量感測器監測的質量反饋來控制電液比例換向閥，滿足負載速度特性要求，實現定量澆注。

電爐迴轉定位：澆注完一個鑄件後，為了等待下一塊鑄型到來，電爐需要迴轉到一個確定角度。此時比例換向閥2YA得電，壓力油經過比例換向閥進入油缸有桿腔，同時壓力油從控制口進入液控單向閥，打開液控單向閥，無桿腔油液經過液控單向閥、比例換向閥回油箱，活塞桿向下運動，帶動爐體迴轉。根據設定好的迴轉角度來控制電液比例換向閥，完成爐體迴轉定位。

電爐復位：當澆注完所有的鑄件後，電爐需要回到初始位置，此時比例換向閥2YA得電，無桿腔油液經過液控單向閥、比例換向閥回油箱，油缸驅動爐體復位。

應急復位：當停電或有其他澆注故障時，打開截止閥，無桿腔油液經過截止閥、比例換向閥回到油箱，電爐靠自身質量來復位。

總結

以定點傾轉電爐為研究對象，研發了定點傾轉式以角位移控制系統為粗控制、稱量系統為精控制的定量控制系統，設計了具有實際意義和推廣價值的定點傾轉式電爐定量澆注系統的控制方案和電液比例控制系統。