基于AMESim的低压铸造机液面加压系统的优化设计与分析

吴晓明，陈丽缓，彭立广，赵君卫

(1.燕山大学河北省重型机械流体动力传输与控制重点实验室，河北秦皇岛 066004；2.先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室 (燕山大学），河北秦皇岛 066004；3.北华航天工业学院机械工程系，河北廊坊 065000）

基于AMESim的低压铸造机液面加压系统的优化设计与分析

吴晓明1，2，陈丽缓3，彭立广1，2，赵君卫1，2

(1.燕山大学河北省重型机械流体动力传输与控制重点实验室，河北秦皇岛 066004；2.先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室 (燕山大学），河北秦皇岛 066004；3.北华航天工业学院机械工程系，河北廊坊 065000）

针对某型号低压铸造机在实际生产中，液面加压气动系统压力控制不精确的问题，对原有系统进行了改进，采用气动伺服阀闭环控制的形式来控制进入保温炉内的气体压力。借助AMESim软件对改进后的系统进行了建模，并对参数进行了严格的设置，使整个物理模型最大程度地接近实际系统。通过仿真分析和实验对比，验证改进后系统的压力控制情况要优于原系统。

低压铸造；液面加压系统；气动伺服技术；AMESim建模仿真；实验数据采集

“低压铸造”是介于重力铸造 (一般是指自由铸造）和压力铸造 (由压铸机依靠活塞压射金属液来充型结晶的铸造方法，被称作“压铸”）之间的一种方法［1］。低压铸造是在压力的作用下将液体金属充填进型腔，气体压力一般为0.03～0.2 MPa，压力较低。在低压铸造过程中，压力的作用使得金属液的流动性得到了提高，成型的铸件机械性能好，尺寸精度高，表面粗糙度可以达到1.6～25μm，属于生产效率高的精密成形工艺，对于薄壁铸件的成形更为有利，所以低压铸造工艺在大批量生产的汽车、内燃机工业上的应用不断增加。然而国内的低压铸造机压力控制不精确，主要依赖于进口设备［2］。针对这一现状，对某公司现有的某型号低压铸造机的液面加压系统进行了改进，有效地改善压力控制状况。

1 液面加压系统控制方式分类

获得优质铸件的基础是具有正常运行的设备，保证优良的工艺过程再加上精准的液面加压控制系统。根据低压铸造技术的特殊性，液面加压气动系统控制成为其最重要的环节之一，整个铸造过程分为升液、充型、增压、保压、卸压以及冷却6 个阶段［3－4］，如图1所示。

图1 低压铸造工艺曲线

液面加压气动控制可以分为断续控制和连续控制两类。大部分的气压传动系统是断续控制系统，所用的控制阀是开关方向阀；而气动比例/伺服控制则为连续控制，采用的控制阀为比例阀或伺服阀［5］。

(1）气动断续控制系统。该种控制方式仅限于对某个设定压力或某一速度进行控制、计算。通常采用调压阀调节所需要的气体压力，节流阀调节所需的气体流量，这些可调量采用人工方式预先调制完成。而且针对每一种压力或者速度，必须配备一个调压阀或者节流阀与它相对应。如果需要控制多点的压力系统或者是多种不同的速度控制系统，则需要多个调压阀或节流阀。控制点越多，元件增加也越多，成本也越高，系统也越复杂。

(2）气动连续控制系统。气动伺服 (压力、流量）控制技术属于连续控制。伺服控制的输出量随着输入量的变化而相应跟随变化，输出量与输入量之间存在一定的函数关系。为了获得较好的控制效果，在连续控制系统中一般引用了反馈控制原理，如图2所示。

图2 反馈控制原理

2 液面加压系统改进

文中所研究的某型号低压铸造机原液面加压系统采用的是第一种控制方式，其原理图见图3。

图3 液面加压系统原理图

通过多个不同通径的调压阀和节流阀配合使用，调节进入保温炉内的气体流量，从而达到控制其压力的目的，电磁阀由电气部分和气动部分联合控制。但是由于低压铸造的工艺要求，压力需要分级变化，控制点较多，因此需要的电磁阀也多，导致系统比较复杂，最重要的是整个加压系统属于开环控制，在实际铸造过程中压力控制不够精确，特别是线性度不理想，卸压环节滞后。根据上述分析及系统所要求的能实现压力的自动调节，故尝试对原系统进行改进。采用伺服闭环控制方案，用一个电气伺服代替原有的换向阀组，并在保温炉出口附近添加压力传感器，时刻监测保温炉内的压力，将其压力值及时反馈给电气伺服阀，改变阀口开度，以控制保温炉内气体压力，使保温炉内压力变化符合低压铸造的工艺要求。改进后的系统原理图见图4。

图4 改进后液面加压系统原理图

进气环节由二位三通电磁阀5得失电来改变气路，控制二位二通换向阀4的通断，实现压力气体是否进入炉子。当电磁阀5得电时，气路接通，气压将二位二通气控阀4左位接入到气路中，压力气源进入保温炉，将金属液压入模具中。

调压环节的实现首先是依靠压力传感器10测出炉内压力，将测得压力与实际所需压力的偏差转化为电流信号，并将电流信号传递给伺服阀3，作为其控制信号，控制阀口的开度，进而控制着整个气动系统的铸造压力，形成了闭环控制回路。

排气环节由二位三通电磁阀6的得失电来控制气路的通断，进而控制二位二通气控阀7的通断，从而控制炉内气体的排放。进行低压铸造时，电磁阀6失电，气控阀7处于中断位置，整个系统保持压力稳定。当低压铸造完成时，电磁阀6得电，气控阀7处于接通位置，炉内气体排出。

为保证气路的安全操作，该系统中还设计了相应的安全环节:

（3）有机硅褐煤SHY-2代替SMP-1和SPNH，在准噶尔盆地西北缘环玛湖和腹部区块钻井，钻井液性能基本能满足该地区钻井要求。但与钾钙基聚磺钻井液比较，该体系的稳定性不如钾钙基聚磺钻井液，主要表现为钻井液的热稳定性相对差一些，钻井液的粘切变化快，流变性控制难点大。

(1）气动溢流阀卸荷。在进气回路加一个气动溢流阀8，当炉内压力升高到一定限度，达到卸荷压力，溢流阀卸荷。

(2）压力继电器控压。在控制回路中，添加一个压力继电器，设定最高压力和最低压力。当系统在排气阶段电磁阀6没有动作，气动溢流阀8不起作用，致使气动回路压力升高，当升高到压力继电器11上限时，继电器发出信号，二位三通换向阀13得电，气路推动二位二通气控阀12接通，炉内气体排出，压力降低。当系统压力降低到压力继电器最小值时，换向阀13失电，气控阀处于断开位置，系统压力升高。

根据以上分析，可以看出所设计的液面加压系统比较完整，上述3种安全措施不仅可以相互配合起作用保证系统压力安全，也可以在其中两种方式失去作用情况下单独作用保证系统安全，不发生事故。

3 液面加压系统仿真分析

3.1 系统的AMESim建模

在对液面加压系统进行改进后，为验证新系统的压力控制性能，利用AMESim软件对改进后系统进行建模和仿真验证［6］。由于AMESim软件自带有电气换向阀，故AMESim中系统模型与原理图略有差别。如图5所示，电气换向阀1将原理图中气动换向阀7和电磁换向阀6合二为一；电气换向阀2替代了原理图中的阀12、13，当保温炉内压力达到所需压力或者压力过高时，该阀得电，右位接入到系统中，使气体直接排出，而不再进入保温炉内。电气换向阀3所起的作用和阀12、13所起的作用一致，当铸造结束时，电气换向阀3得电，左位工作，保温炉内气体通过此路经过电气伺服阀排出，压力降低。

图5 液面加压系统AMESim模型

图5中元件4为压力传感器，即系统原理图中的元件10，用来测量保温炉内的压力变化。在液面加压系统AMESim模型中，加入了逻辑控制回路，灰色点划线所示，可以代替系统中的电控信号，使整个模型更接近实际。一路是由压力传感器引出来的X信号，它将所测得的炉内的压力信号转换电线号，分为3条支路发出。1条支路去控制阀 1；1条控制阀 2；还有1条支路将信号与输入信号相比较之后，输送给伺服阀，以控制伺服阀口开度。另外一路则是低压铸造时，保温炉内所需达到的压力Y信号，即给定信号。它也分3路:1路与反馈回来的保温炉内的压力信号X相比较，另外2路同样是去控制电气换向阀1、2。图中元件5为可变容积，用来代替系统中的保温炉，根据低压铸造过程中液面加压的工艺要求，液面加压共分为5个阶段，分别是升液、充型、增压、结晶和卸压，其中在升液过程中，由于保温炉内金属液面不断下降，炉内的空间是不断变化的，故不能选用气动库中现有的容积模块，而是需要在PCD库中搭建一个可以改变容积的元件，如图6所示。

图6中，元件4是体积单元，其原理见图7(a），有4个输入口，可输入流量和体积信号，其体积计算公式为:V总=V1+V2+V3+V4+V0，其中V0是体积单元的固有体积，V1、V2、V3、V4都是该体积单元的4个输入口输入的体积，其值既可以是常数也可以是其他函数。低压铸造的升液阶段，保温炉内的液体保持匀速下降，即该阶段保温炉内的体积是以一定值速度增加的，故该容积模块必须有一个体积输入量，使其总容积不断增加。图5中的元件3叫做气动活塞，常用于气缸或者阀的模型中，其原理见图7(b），可以通过端口2输入一个速度信号，驱动活塞运动，在1口产生一个体积变量进行输出。图6中的元件2则是速度信号转换器，可将输入的量纲为一的信号转换成速度信号进行输出，其原理如图7(c）所示。信号1是自定义信号，可设置为循环或非循环环节，时间任意给定。

图6 可变容积模型

图7 主要组成模块

现根据低压铸造的工艺要求对可变容积的参数计算如下:

h为升液阶段金属液下降高度 (cm）；

v为保温炉内金属液单位时间内下降速度(cm/s），根据低压铸造要求为2.66×10－1cm/s；

将各值代入式 (1），经计算可得:

因为活塞的输出速度单位为m/s，故设置自定义信号为6.64，时间为10 s。体积单元的初始体积即为未开始铸造时，保温炉上方的气体体积，经计算为153 L，主要参数设置见表2。将这几个模块进行连接，进行仿真验证，仿真结果见图8、9。

表1 可变容积主要模型参数设置

图8 活塞线性速度及活塞位移

图9 可变容积的体积变化情况

通过图8—9可以看出:仿真运行10 s后，活塞的速度保持在6.64 m/s，位移是66.4 m，可变容积的输入口3的体积和总体积均呈线性上升，在第10 s输入口的容积达到了20 651.6 cm3，总容积达到了173 652 cm3，体积增加了20 652 cm3，与计算结果一致，证明该模型搭建正确，参数设置合适。

3.2 系统的AMESim仿真结果分析

验证完系统选用的关键元件之后，根据低压铸造液面加压系统中所选用的元件对仿真模型中各元件的参数进行设置，设置完成后，点击运行按钮，对整个系统进行仿真，仿真时间设置为200 s，打印间隔为0.1 s，仿真结果如图10所示，最大压力误差见图11。可看出:保温炉内压力跟随情况良好，特别是每个阶段的压力线性度很好，符合低压铸造的工艺要求。

图10 仿真曲线

图11 压力误差曲线

3.3 原系统实验数据采集

通过以上对液面加压气动伺服系统物理模型的建立，得出了改进后保温炉内的压力控制曲线。为比较改进后系统和原系统的压力控制精度，需要进一步的比较验证，以下将在该型号低压铸造机上进行研究。因为低压铸造机的测试系统中有工控机，即人机交换界面，在低压铸造开始时，只需要在计算机上的控制界面中点击开始采集数据，测试界面的右侧即会出现保温炉内的实时压力曲线，并且还可以将所测得的数据保存成.data文件进行输出，方便测试者的后续研究。测试界面见图12。

图12 测试曲线

图中右边为保温炉内压力的测试曲线，设置每秒采集20 000个数据点，实验时间为200 s，即一个工作流程，共采集数据点2 000 000个，在实验过程中，将实时数据导出，方便后续使用。

图13 压力比较曲线

为方便与改进后系统的压力控制曲线比较，将所得的实验数据和改进后的液面加压控制系统所得的仿真数据均导入到MATLAB软件中，利用其数据处理功能，更清晰地重现出实验所得的压力曲线和仿真曲线的比较情况，如图13所示。

通过图13可以看出:改进后的液面加压伺服系统没有出现明显的压力震荡情况，对保温炉内的压力控制精度要明显优于原系统，每个阶段的压力线性度要更好一些，并且没有出现明显的压力震荡，特别是卸压阶段响应较快。

4 结论

介绍了低压铸造技术的优势，针对某型号低压铸造机现有的加压系统存在压力跟随不精确等问题，从低压铸造的工艺角度出发，提出了用气动伺服阀代替原有的调压阀组来控制进入保温炉内压力的方案。通过AMESim仿真软件对改进后系统的建模仿真，验证了液面加压气动伺服系统对保温炉内气体压力控制的优越性，对同类系统的改进具有一定的参考价值。

［1］潘增源.低压铸造［M］.北京:机械工业出版社，1974:10－53.

［2］施得运，毛红奎，徐宏，等.低压铸造充型工艺的国内外研究现状［J］.热加工工艺，2010(9）:52－58.

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［4］李健，陈丽华，李振强.自动液面控制压差铸造机的研究［J］.沈阳工程学院学报，2008(4）:376-378.

［5］韩建海，张河新.气动比例/伺服控制技术及应用［J］.机床与液压，2001(1）:3-6，40.

［6］马长林，黄先祥，郝琳.基于AMESim的电液伺服系统仿真与优化研究［J］.液压气动与密封，2006(1）:32－34.

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

吴晓明 (1957—），男，博士，硕士生导师，主要研究方向是电液伺服系统、气动伺服系统、机电液一体化。E-mail:xmwu@ysu.edu.cn。