文：石家庄铁路职业技术学院刘广阔

摘要:以压铸机压射系统为研究对象,针对只采用出口比例插装阀系统出现启动冲击､低速稳定性差､高速易超调和工作压力高等问题,提出一种独立阀口控制的速度系统,对出､入口比例插装阀同时采用前馈加反馈复合控制｡通过采用双比例插装阀对进､出口速度控制的压铸机压射系统进行分析,建立关键元件和压射系统仿真模型,并在现场压铸机上进行试验验证｡结果表明,这种控制方式能够消除启动时的瞬间速度前冲,提高了低速段时速度稳定性､降低了高速段超调,并且减小了出口比例插装阀的工作压力,同时也证明了联合仿真的有效性,为同类系统的设计提供参考｡

关键词:压铸机;压射速度系统;独立负载口控制;启动冲击

引 言

压铸是将液态或半液态金属在高速下充填复杂的压铸型型腔,并在高压下结晶凝固形成铸件的过程,可以快速形成表面平整､组织致密､精度高､性能优良的铸件｡

压铸机是压力铸造过程中不可或缺的设备｡合模与压射是压铸机2个最基本工艺过程,其中合模保证压铸模可以在压铸机上固定,压射负责把金属液送到模具型腔中｡压射系统要进行慢速､快速压射以及增压保压3个步骤,压射速度控制对压铸件的致密性和力学性能等都有很大的影响｡

由于瞬时压射速度较高,一般采用蓄能器供油,采用大通径的比例插装阀控制压射速度｡现有压射系统大多采用开环出口节流的方式进行速度控制,也有少部分采用出口比例插装阀单独控制的闭环速度系统｡

负载口独立控制技术是将控制液压缸进､出口的相应阀口单独调节,能实现速度､压力的单独控制,使液压缸的负载承载范围增大,调节能力变强｡

近年来,新能源汽车车身结构轻量化的需求日益增加,特别是一体化压铸来取代传统焊接工艺的技术,对大吨位压铸机的性能提出了更高的要求,如锁模和压射压力更大,而且控制性能更高,响应快,无启动冲击,加减速稳定,切换位置精确等｡本研究主要对压铸机压射液压系统进行分析,建立关键液压元件和压射系统仿真模型,分析启动冲击､速度精度等问题,提出一种对进､出口比例插装阀独立控制的速度系统,最后通过仿真和现场试验验证了所提方案的正确性｡

1､压射系统液压原理

所研究对象为某合作公司25MN卧式冷室压铸机,主要技术参数如表1所示｡

其工作过程主要分为5个阶段,下面将结合液压原理图对每个阶段进行阐述:

(1)储能阶段:二通插装阀4.1和4.2的电磁铁得电导通,泵站高压油经过单向阀3.2和3.5分别向压射蓄能器6.1和增压蓄能器6.2供油,当蓄能器上压力传感器达到设定的压力时,插装阀失电关闭,储能阶段完成｡

(2)慢速阶段:采用出口节流方式,首先使比例插装阀5.1阀口开至最大,压射蓄能器6.1的油液经阀5.1直接通到压射缸的无杆腔,相应有杆腔的压力也被建立;然后调节出口比例插装阀5.2,使得压射缸有杆油液经过阀5.2流回油箱,通过阀5.2的开口度来调节压射缸的运动速度｡

(3)快速阶段:当压射液压缸上的位移传感器检测到快压射的位置设定值,液压缸出口处比例插装阀5.2开口度迅速增大来调节快压射速度,并且到达相应位置时还要进行减速｡

(4)增压阶段:当冲头快速推动金属液充填型腔后,二通插装阀4.3打开导通,增压蓄能器6.2的油液流入增压缸的右腔,推动增压缸活塞向左运动｡此时,压射缸出口处的油液经比例插装阀5.2流回油箱,压射活塞左侧环形腔的油液经过二通插装阀4.4流到油箱｡

(5)回锤阶段:比例插装阀5.1阀口关闭,电磁换向阀1.1的右侧电磁铁得电,高压油液经过换向阀的右位,分别沿左侧油路和单向阀3.6进入到压射活塞左腔和增压活塞左腔,使压射活塞和增压活塞都回到原位,1个压射周期完成｡

其中2,3阶段属于速度控制,4阶段是压力控制,5阶段采用位置控制｡

2､压射系统关键部件以及整体仿真模型

根据液压原理图在AMESim中搭建系统的仿真模型,因为涉及到的元件比较多,本研究先将比例插装阀和压射缸作为部件进行建模分析,再建立系统模型,使其更有层次,便于分析｡

2.1比例插装阀模型

本研究压射系统采用的为Parker公司TDP系列的高频响二通比例插装阀,其结构如图2所示｡它采用四通先导级比例阀闭环控制双腔功率级主阀,主阀芯阀位移采用电反馈形式｡

比例插装阀的先导阀采用HYD库中比例阀模型,主阀结构比较特殊,采用HCD库中的元件来单独建模,其整体模型如图3所示｡比例插装阀的静态特性可以根据空载流量特性曲线来加以分析｡

在0.5MPa压力下,逐渐将阀的输入信号从0增加至最大100%,得到仿真空载流量q曲线如图4所示｡从图中可看出NG80,NG100在最大信号处对应的最大流量q分别为4500L/min,7996L/min,样本曲线基本吻合｡

比例插装阀的动态特性可以根据阶跃响应特性加以分析,在t=0.1s处给阀施加1个满幅的阶跃信号,得到伺服插装阀的仿真流量q阶跃曲线如图5所示,NG80,NG100响应时间分别为23ms,28ms,与样本上的数据基本一致｡

动态特性也可以通过频域分析进行对比,相应曲线也与样本一致,过程不再赘述｡

2.2压射液压缸模型

压射液压缸是由1台长行程的活塞缸和1台短行程的增压缸复合而成,其结构简图如图6所示｡

当高压油进入IV腔后,顶开单向阀,进入到V腔,也就是压射活塞右腔,I腔油液接回到油箱,压射活塞伸出;III腔进高压油时,此时将II腔回油箱时,就会产生增压,增压时单向阀关闭;I腔进高压油时,II和III腔接回油,此时V腔呈封闭状态,增压活塞先向右运动,IV腔回油,当单向阀随增压活塞运动到顶杆处,单向阀打开,V腔油液导入到IV中,压射活塞开始回缩｡

搭建出如图7所示的压射液压缸模型,其中增压活塞和单向阀两者存在相对运动,通过液压元件(HCD)库搭建而成｡

图8是1个工作周期内压射液压缸可动部件位移曲线,开始时压射活塞和增压活塞都在相应的零位,而单向阀由于顶杆限位作用,存在初始的开口度;慢速阶段,压射活塞伸出,增压活塞不动,单向阀还是保持初始值;快速阶段,单向阀开度增大,适应快速流量要求;增压阶段,增压活塞伸出逐渐和单向阀位移一致,单向阀关闭,V腔增压;回锤时,先是增压活塞和单向阀同缩回,单向阀到达顶杆处打开,V腔油回油箱,压射活塞缩回｡

2.3压射系统模型

将上述比例插装阀和压射液压缸模型进行封装,其余元件从液压HYD库中选出,搭建压射系统模型如图9所示｡

负载的设置分成2段,低速和快速时模拟金属液充满型腔,将其设为速度阻尼负载,增压时,型腔已经充满,将其等效成大弹性负载,系统仿真模型参数如表2所示｡

3、控制模式

3.1原有模式及存在问题

首先分析只采用出口比例插装阀V52控制压射速度方式特点,这种方式一般过程是蓄能器充液完成后接收到启动指令时,先将V51打开,使压射活塞两腔建立压力,待到稳定后再通过出口V52阀控制压射速度v｡为了保证快速性和精度,采取前馈加反馈的复合控制｡

从图10速度仿真曲线可以看出,在采用出口速度控制时,V51在t=2s时逐渐打开至最大,两腔开始建压,因油液压缩而产生速度v最高值为0.4m/s的瞬时前冲(启动冲击)｡实际生产中压射液压缸瞬时前冲会推动熔融(或半熔融)金属溶液在浇注口处溢出来,就会产生溢料问题｡t=2.3s时,V52开始工作,图中看出在低速阶段速度有些波动,并且偏差也比较大,快速阶段速度有接近3%超调｡

从图11看出,由于两腔面积比接近1∶2,在慢速压射阶段,有杆腔压力p达到了32MPa并持续保持在高位,出口比例插装阀在大压差下低速稳定性比较差,单独阀口调节灵敏度也不及双阀口｡

3.2独立负载口控制方式

为了消除建压时产生的速度冲击,以及提高出口比例阀控制精度,对进､出口比例插装阀同时采用前馈加反馈控制,即独立负载口控制方式,其框图如图12所示｡

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采用独立负载口控制时,从图13速度v仿真曲线可以看出,由于取消了建压环节,对比图10,速度瞬时前冲(启动冲击)已经不再出现｡t=2.3s时,V52､V51同时开始工作,相比图10在低速阶段速度波动显著变小,和给定曲线基本贴合;快速阶段速度超调也下降至1%｡

从图14看出,由于V51没有全开,压射蓄能器的压力p没有直接作用到压射液压缸无杆腔,而是随着其开度增大而逐步增大,低速阶段有杆腔压力也始终保持2倍关系,高速阶段为了克服负载,无杆腔的压力升高,有杆腔的压力下降,整个阶段两腔的压力都在14MPa以下,非常有利于低速阶段的控制特性｡

4、实验结果对比

选取合作公司25MN冷室压铸机进行测试实验,其关键参数如表1所示,按照图12调整其控制程序,并进行相应数据采集｡

从图15中看出启动冲击已经完全抑制,没有出现速度瞬时前冲｡低速阶段速度有些抖动,但与给定曲线基本贴合;快速阶段速度超调约2%｡这是由于在实验时采用没有带模具的空载压射,相比带载时系统的稳定性要差一些｡

图16是压射缸两腔压力实验曲线,曲线中可以看出在上一工作循环回锤阶段后,两腔存在少许残压,并保持倍数关系;加速阶段为了克服活塞的惯性负载,同样无杆腔压力增加,有杆腔压力变小,但是仅存在于加速阶段;在减速阶段,由于仅有活塞惯性而没有压铸负载的原因,有杆腔的压力增至25MPa,对比图11有杆腔压力仍然显著降低｡

5、结 论

本研究对卧式压铸机压射系统进行研究,通过AMESim平台搭建其仿真模型,分析了现有出口速度控制方式下的缺点,提出一种基于独立负载口控制的速度控制方式,特点是对进､出口比例插装阀分别采用前馈加反馈的复合控制,得到很多有益的结论:

(1)独立负载口控制时消除了由于建压产生的速度冲击;

(2)低速段时速度波动变小,高速段超调变小;

(3)工作时压射缸有杆腔压力明显降低,出口比例插装阀低速稳定性变好｡

通过负载进､出口独立速度控制,可有效减小启动冲击,低速段稳定性好,高速段超调小,压射系统的静､动态特性得以提升,这对于系统设计和应用具有一定理论指导和实际应用意义｡