球化剂计量投料装置的设计

2021-02-03周兰美

液压与气动 2021年2期

周兰美

(常州工业职业技术学院现代装备制造学院，江苏常州 213164)

引言

球墨铸铁是通过在铁水中加入球化剂和覆盖剂，进行球化和孕育处理得到的具有球状石墨的铸铁[1]。球化处理是生产球墨铸铁的主要环节，球化处理效果好坏直接影响着球墨铸铁的产品质量[2]。球化处理的方法主要有冲入法、压力加镁处理法、转包法、喂丝法等[3]。国内主要采用冲入法的球化处理方法。

冲入法是先把球化包预热，然后把称量好的球化剂加入球化包一侧的堤坝中，用硅铁合金覆盖压实，再加入覆盖剂，再压实，最后进行球化处理[4]。现在很多企业的球化剂和覆盖剂一般由人工用铁锨估计重量，然后倒入桶中，再倒入预热的球化包中。在此过程中，预热的球化包温度高达700 ℃，工人有烫伤的危险；加入球化剂过程中有粉尘析出，工作环境恶劣；一些球化包尺寸大，高度大，工人需站在高处倒入球化剂，工人劳动强度大，计量不准确，球化率低[4]。

基于上述问题，一些厂家和学者就球化剂的计量、配比和加入方法进行了研究，申请了很多专利，比如周兰美[5]、李洪军[6]、尹建国[7]、陈明[8]设计了球化剂投入装置，内容都是涉及球化剂自动称重和自动投入的，只是结构各不相同。

本研究设计的球化剂计量投料装置，采用PLC控制，下方的称重传感器通过接线盒，在显示器上实时显示当前重量，计算机实行远程控制。在称重前进行去皮处理，然后累计称重计量球化剂和覆盖剂的重量，并且称重磅体自动加入和压实球化剂和覆盖剂，计量准确，安全可靠，工作效率高。

1 球化剂计量投料装置的结构设计

球化剂计量投料装置主要包括压实气缸、覆盖剂料仓、球化剂料仓、伸缩导料管和球化包、称重磅体，如图1所示。球化剂料仓和覆盖剂料仓的出口有2个调速阀，由抱紧气缸控制开口大小。球化剂料仓和覆盖剂料仓的下方有振动气缸，球化剂料仓和覆盖剂料仓的结构完全对称。球化包内侧有堤坝，球化包放在磅体上称重，磅体上有圆弧形凸台，防止球化包放偏。磅体的下方有前后对称的6个称重传感器，称重传感器通过接线盒在显示屏上实时显示当前重量，计算机实行远程控制。由于预热的球化包内温度很高，所以伸缩导料管和压实气缸中活塞杆的下端使用高温防火材料制成。球化包外壁温度不是很高所以称重磅体采用一般的防火隔热材料即可，下面的称重传感器采用高温型的。

1.球化剂料仓 2、6.下位传感器 3、7.振动气缸 4、8.抱紧气缸 5.覆盖剂料仓 9.气缸 10.活塞杆 11.球化包 12.称重磅体 13～15.称重传感器 16.接线盒 17.实时显示屏 18.伸缩导料管 19.计算机 20.凸台图1 球化剂计量投料装置

球化剂计量投料装置工作原理：预先在计算机中设定球化剂和覆盖剂的重量，先由工人用叉车把球化包放到称重磅体12上，球化包11前面与圆弧形凸台20紧密接触，使球化包11准确定位；此时显示器执行去皮处理，称重复位为0，然后伸缩导料管18慢慢下降进入球化包11右侧凹坑中，球化剂料仓1下面的抱紧气缸4中活塞杆向右完全缩进，调速阀打开至最大，同时振动气缸3振动，球化剂自动进入球化包11中；球化剂的重量通过称重磅体12下面的称重传感器和接线盒16传送到显示屏17，显示屏17实时显示球化剂的重量，当球化剂重量达到球化剂预设的80%时，抱紧气缸4中的活塞杆向左运动，此时调速阀门关小，球化剂缓慢进入球化包11中；当重量达到预设值时，抱紧气缸4中的活塞杆完全伸出，调速阀立即关闭，然后气缸9中的活塞杆10向下运动，压实球化剂；球化剂压实后活塞杆10快速返回后，覆盖剂料仓5下面的抱紧气缸8中活塞杆向左完全缩进，调速阀打开至最大，同时振动气缸7振动，覆盖剂自动进入球化包11中；覆盖剂的重量通过磅体下面的称重传感器和接线盒16传送到显示器17，显示器17实时显示覆盖剂的重量，当覆盖剂重量达到预设的80%时，抱紧气缸8中的活塞杆向右运动，此时调速阀门关小，覆盖剂缓慢进入球化包11中；当覆盖剂重量达到预设值时，抱紧气缸8中的活塞杆完全伸出，调速阀立即关闭，然后气缸9中的活塞杆10向下运动，压实覆盖剂，最后活塞杆10快速返回复位，伸缩导料管18向上复位。叉车把球化包11移走，进行球化。

2 控制系统设计

2.1 料仓下料速度的控制

球化剂料仓调速装置由抱紧气缸来完成，调速过程如图2所示。

图2 球化剂料仓调速过程

抱紧气缸的工作原理如图3所示，工作状态如表1所示，表中“+”表示电磁铁通电，“-”表示电磁铁断电。当球化剂计量投料系统没有启动或凸台定位器没有精确定位时，电磁换向阀5和7复位，原始状态下，抱紧气缸3完全伸出，球化剂料仓的放料仓门处于关闭状态；当一旦系统启动后，CT3通电，液压缸解锁，CT2通电，抱紧气缸3的活塞杆完全缩回，仓门处于全打开状态；当称重达到设定阈值的80%时，CT2断电，CT1通电，抱紧气缸3的活塞杆向外伸出，当碰到抱紧气缸3上面的磁性开关M时，CT1，CT3断电，活塞杆在此锁定，此时仓门关小，球化剂达到减缓下降的效果。当称重达到设定值时，CT3通电，活塞杆解锁，然后CT1通电，调速气缸快速完全伸出，把仓门关闭。

1.单向减压阀 2、4.单向节流阀 3.抱紧气缸 5、7.电磁换向阀 6.气源图3 抱紧气缸的工作原理图

表1 抱紧气缸的工作状态

2.2 气动控制系统设计

气动控制系统原理图如图4所示，气动振动器3和19能有效防止球化剂和覆盖剂粘附在仓料内壁，抱紧气缸6，10控制球化剂和覆盖剂的下料速度，气缸8控制球化剂和覆盖剂的压实，气源1、电磁阀2控制气动振动器3的进气，电磁阀18控制气动振动器19的进气，电磁阀16，17控制抱紧气缸6的活塞杆伸出和缩进，电磁阀13，14控制抱紧气缸10的活塞杆伸出和缩进，电磁阀15控制气缸8的活塞杆伸出和缩进[9-11]。

球化剂计量投料装置的各个工作部件是按一定的时间和顺序工作的，其各个动作由气压控制系统中电磁阀CT1～CT9的状态决定。电磁阀何时通电、何时断电是在PLC程序控制下执行的，因此设计合理的PLC程序是关键的一步。在编制PLC的梯形图和功能图之前，应该先进行I/O地址分配[12]，如表2所示。

1.气源 2、18.二位二通电磁换向阀 3、19.气动振动器 4、12.单向减压阀 5、7、9、11.单向节流阀 6、10.抱紧气缸 8.气缸 13、17.三位五通电磁换向阀 14、16.二位三通电磁换向阀 15.二位五通电磁换向阀图4 气动控制系统

表2 PLC输入输出配置

3 试验结果

为了验证所设计的球化剂计量投料系统计量的准确性，在样机进行测试，样机实物如图5所示。

图5 样机实物图

假设测量25 kg，首先安排工人用原先铁铲簸箕计量，然后再在磅体上精确称重实际重量，记录在“人工测量值”这一列；接着用设计的球化剂计量投料系统来测量，首先在电脑里设定重量25 kg，再看无线显示屏上实际测得的数值，并记录在“自动控制测量值”这一列，测量结果见表3。

表3 人工测量和自动测量比较 kg

由表3可知，人工计量、称量装置的称量平均值为24.885 kg，标准差为 0.46 kg，最大相对误差为 3.2%；球化剂计量投料系统的称量系统，称量平均值为25.037 kg，标准差为 0.05 kg，最大相对误差为 0.32%。试验结果表明，采用所述的球化剂计量投料系统，计量误差大幅度降低，相对误差较小，球化后白口倾向明显减小，球墨铸铁韧性增强，球化率从原先85%提高到92%，可以满足生产要求。