锻造石墨喷雾自动配比系统设计_丁宵月.pdf

第 48 卷 第 3 期Vol.48 No.3FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 3 月Mar.2023摩擦与润滑锻造石墨喷雾自动配比系统设计丁宵月,张 南(中国机械总院集团北京机电研究所有限公司,北京 100083)摘要:针对计量泵由于本身结构和石墨湾液物理特性限制所导致的无法长时间正常使用及价格昂贵的问题,设计了一种通过液位计以及折光仪判断浓度的锻造石墨喷雾自动配比系统,利用液位计实现了墨与混合溶液的体积配比,同时利用折光仪实时监控石墨溶液浓度。此设计能够排除人工配比干扰,有效地避免了现有控制方式伴随的问题,即使在长时间运行后也不会造成硬件损坏。并且利用配比后的浓度检测以及浓度微调功能,将配比浓度完全控制在设定的浓度范围内。同时具有非常好的可兼容性,便于衔接各种不同的喷雾系统。相较以往的配比系统更稳定、更实用、更具优势。关键词:锻造自动化;石墨喷雾;浓度控制;自动配比;液位计DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.03.028中图分类号:TB472;TP273 文献标志码:A 文章编号:1000-3940(2023)03-0193-08Design on automatic proportioning system for graphite spray in forgingDing Xiaoyue,Zhang Nan(Beijing Research Institute of Mechanical&Electrical Technology Co.,Ltd.CAM,Beijing 100083,China)Abstract:For the problems that the metering pump conldnot be used normally for a ling time caused by the limitation of its structure and the physical properties of graphite solution and the expensive price of metering pump a graphite spray automatic proportioning system in forging that judged the concentration by liquid level sensor and refractometer was designed,namely,the liquid level sensor was used to re-alize the volume ratio of graphite and mixed solution,at the same time,the refractometer was used to monitor the concentration of graphite solution in real time.Then,this system could eliminate artificial proportioning interference,effectively avoid the problems associated with the existing control mode,and do not cause the hardware damage even after long-term operation.Furthermore,this system uses the con-centration detection and concentration fine-tuning function after the proportioning to completely control the proportioning concentration within the set concentration range.At the same time,it has very good compatibility,which is convenient for connecting various pray sys-tems.Compared with the previous proportioning system,it is more stable,more practical and more advantageous.Key words:forging automation;graphite spray;concentration control;automatic proportioning;liquid level sensor收稿日期:2022-04-03;修订日期:2022-07-10作者简介:丁宵月(1986-),男,学士,工程师E-mail:berserker_ding 在锻件锻造成形的过程中,石墨润滑剂的作用是隔离工件和模具表面,防止金属粘连,保证产品质量,减少模具磨损。通过润滑可减小摩擦力和变形力,使模具受力较小。同时,润滑剂具有热绝缘性能,可保护模具,避免因热传导而使坯料变冷,有助于工件脱模,减少工件与模具的接触时间。随着锻造自动化水平的不断提高,自动锻造喷雾润滑装置成为锻造自动化的重要一环,在实现自动化的同时对其喷涂的稳定性和可靠性提出了越来越高的要求,而每件产品在生产时喷涂的石墨浓度是否一致直接影响了喷涂的效果。因此,石墨喷涂系统中的自动石墨配比功能尤为重要。1 自动石墨配比功能的作用在以往较落后的锻造生产过程中,石墨喷涂一般采用人工方式进行,即操作人员以经验为标准,利用传统的手动喷枪完成生产中的石墨喷涂过程。随着自动化生产线的普及,自动喷涂系统已经相对成熟,完全可以代替人工方式进行工作,并且可以保证石墨的喷涂量以及喷涂节拍的一致性1-2。但是,在喷涂量与节拍一致性得到自动化保证的同时,喷涂系统中石墨溶液的浓度比例调配在绝大部分情况下仍由人工完成。人工配比石墨溶液的制作方式是操作人员按照经验将定量原液与定量溶剂进行混合,并通过手持浓度计来判断浓度情况。这样很难保证每次配比的石墨溶液浓度的一致性,当浓度不一致时,即使是利用自动化喷涂设备,也无法保证批量生产时每件产品的喷涂效果的一致性。因此,自动喷涂系统中的自动配比功能应运而生。自动配比功能通过将石墨原液与溶剂自动地定量混合,将配比过程中的人为因素排除掉,以此来保证多次配比后石墨浓度的一致性,更好地提高批量化生产的稳定性和可靠性3-4。2 采用计量泵的自动配比系统目前,国际上对于自动配比系统的设计均采用计量泵输送的方式,即通过计量泵的设置,将所需固定量的石墨以及固定量的溶剂分别加入混合罐中,再通过搅拌器将其搅拌均匀。2.1 计量泵的简介计量泵通过可调节行程的柱塞的往复运动来控制流量,随着柱塞在液缸内的往复运动,吸、排阀组交替启闭,液体被不断吸入和排出。在泵的吸入行程中,泵头液腔体中形成负压,使进口阀打开,液体流入缸腔;在排出行程中,柱塞的移动在液体上增加了压力,使出口阀打开,将液体排出5-6。图 1 为计量泵的机构示意图。图 1 计量泵的机构示意图Fig.1 Schematic diagram of mechanism for metering pump2.2 计量泵应用中的问题在长期运行的生产过程中,即使是进口计量泵也会在不断的运行过程中逐渐失去计量精度或损坏,并最终导致石墨溶剂浓度的不可控。而这种不可控并非计量泵本身老化造成的,而是由石墨溶剂的物理特性以及计量泵的结构特点决定的。首先,石墨溶剂是一种石墨颗粒的悬浮溶剂,它本身是一种极其有效的研磨溶剂,而计量泵的定量输送功能主要由其内部的柱塞实现,当石墨溶剂通过计量泵时,注定会对柱塞本体进行研磨,因此,在长时间的使用后,计量泵的定量输送功能必然会被破坏;其次,石墨溶剂有易挥发、易结晶的特性,这种物理特性注定系统在停止工作一段时间后,计量泵内部结构中会附着结晶后的石墨颗粒,而此结晶过程是完全不可逆的物理现象,从而导致整个配比系统在实际应用时,停止工作一段时间后,再次启动的过程中计量泵会受到不可逆的损坏7-8。而计量泵本身由于精度高,售价昂贵,但是在整个配比系统中由于其重要的作用又不可或缺,导致其成为一个价格高昂的消耗品。所以,本文设计了一种不利用计量泵,而是通过液位计、折光仪以及一套可编程控制器(Programmable Logic Control-ler,PLC)控制逻辑来实现的自动配比系统。3 非计量泵供液的自动配比系统由于目前绝大部分自动配比系统受到计量泵本身结构与石墨溶液物理特性的限制,无法保证长时间的正常使用,所以,需要一种利用非计量泵计量方式的配比系统来更好地实现自动配比的功能。在系统中利用配比罐中的溶液液面高度来确定加入的溶液体积,通过加入石墨和水溶剂后的液面高度变化来计算石墨溶液的配比比例,并在一次配比后根据测量得到的石墨溶剂的实际浓度进行微调,使最终的配比浓度保持在系统设定的石墨浓度阈值内,由此来保证石墨浓度的稳定性和一致性。在此系统中,采用导向脉冲式液位计对配比罐中的液面高度进行测量,采用反射式折光仪对配比后的石墨溶液浓度进行测量,采用一套专用 PLC 程序对自动配比系统进行控制,下面对整个系统进行详细介绍。3.1 导向脉冲式液位计如图 2 所示,导向脉冲式液位计的原理是通过向导向探针传递脉冲信号,并接收液面反射的脉冲信号,根据脉冲信号发出到返回的时间来检测液位。如果设检测距离为 L,从信号发出到返回的时间为 T,光速为 C,即可以通过式(1)求出检测距离。液位信号通过模拟量的形式直接通过PLC 接收。L=1/2 TC(1)此种液位计具有抗污垢、抗波浪的特点,即使491锻压技术 第 48 卷图 2 导向脉冲式液位计的原理图(a)工作方式(b)导向脉冲接触液面时的内部波形Fig.2 Principle diagrams of guiding pulse liquid level sensor(a)Operating mode(b)Internal waveform of guide pulse when touching liquid level由于长时间停产导致感应部位上附着石墨结晶体,也不会发生误检测,并且容器内的搅拌旋桨使石墨溶液液面产生波浪,仍可稳定检测,不会发生误检测。从根本上解决了配比罐中液位的检测问题。3.2 反射式折光仪反射式折光仪的原理是利用光的折射现象以及折射率因浓度而变化的特性,令测量仪器内部的光源发出的光透过棱镜,穿过棱镜表面到达被测样品,反射后再次透过棱镜被传感器接收,然后将感光信号转换为折射率,根据折射率的变化确定浓度9-10。浓度信号通过模拟量的形式直接通过 PLC 接收。折光仪普遍应用在制造饮料、药品等液体产品的工厂,产品原料要经过多道工序加工,如榨汁、过滤、蒸煮、稀释、调和和发酵等。而锻造中的石墨配比属于溶液的稀释过程,所以,可以利用折光仪来检测石墨溶液配比后的浓度11-12。要注意的是,由于石墨溶液易结晶的物理特性,在使用折光仪的同时必须在液体管路中增加超声波或者高压水清洗功能。3.3 液压部分设计液压部分主要分为供液部分和配比部分。供液部分的液压原理图如图 3 所示,其主要负责石墨原液的储存、搅拌和输送,由原液桶、原液泵和搅拌器组成。在桶内有原液的情况下搅拌器不停旋转,保证石墨原液不会沉淀凝固,当配比功能启动时,原液泵由系统控制将石墨原液输送至配比罐中。配比部分的液压原理图如图 4 所示。配比部分主要负责将系统设定比例的水与石墨原液混合搅拌均匀,由配比罐、进水管路、石墨原液管路、搅拌器、图 3 供液部分液压原理图Fig.3 Hydraulic principle diagram of liquid supply part图 4 配比部分液压原理图Fig.4 Hydraulic principle diagram of pr