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真空吸鑄機結(jié)晶器調(diào)壓裝置是自動調(diào)節(jié)真空吸鑄生產(chǎn)過程中結(jié)晶器內(nèi)的真空度（負壓值）的自動裝置。安裝該裝置后，可以保證結(jié)晶器內(nèi)真空度恒定，使吸入結(jié)晶器中金屬液的高度相同，避免金屬液超過設(shè)計高度。本課題研究的結(jié)晶器調(diào)壓裝置，針對利用射流技術(shù)為結(jié)晶器提供負壓的真空吸鑄機，解決這種吸鑄機由于所供的壓縮空氣壓力變化導(dǎo)致結(jié)晶器內(nèi)真空度波動的問題。該調(diào)壓裝置依據(jù)膜技術(shù)的原理，利用膜技術(shù)檢測結(jié)晶器中的真空度，依靠系統(tǒng)的自動力控制調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)結(jié)晶器中真空度的自動調(diào)節(jié)。
該技術(shù)的主要特點在于：依據(jù)膜技術(shù)的基本原理，利用據(jù)膜技術(shù)檢測結(jié)晶器中的真空度，將膜檢測機構(gòu)與調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)機構(gòu)組合在一起，實現(xiàn)檢測與調(diào)節(jié)的結(jié)合，實現(xiàn)自動力控制結(jié)晶器中的真空度。

一．項目摘要（工作裝置示意圖及原理）
真空吸鑄具有鑄件組織致密，晶粒細化，無氣孔、砂眼等缺陷，及金屬消耗少，生產(chǎn)效率高等優(yōu)點，在小型管狀、棒狀銅合金鑄件生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。
真空吸鑄是借助真空系統(tǒng)裝置，在結(jié)晶器內(nèi)造成負壓，吸入液體金屬生產(chǎn)鑄件的。鑄件的長度主要取決于結(jié)晶器內(nèi)真空度與液體金屬的重度，即

式中L—鑄件長度m
Pv—真空度Pa
γ—液體金屬的重度N/m3
真空系統(tǒng)由抽真空裝置、測量儀表和真空調(diào)節(jié)閥等裝置組成（如圖1所示）。
真空吸鑄工藝生產(chǎn)棒狀銅合金鑄件，使用的真空吸鑄機利用噴射管（如圖2所示）產(chǎn)生負壓。吸鑄時依據(jù)真空表，通過手動操作調(diào)節(jié)閥控制結(jié)晶器內(nèi)真空度來控制液體金屬上升的速度和高度。所使用的壓縮空氣由公司動力部門統(tǒng)一供給，生產(chǎn)過程中壓縮空氣壓力經(jīng)常在0.3~0.5Mpa之間波動。使手動操作調(diào)節(jié)閥控制結(jié)晶器真空度技術(shù)難度很大，經(jīng)常出現(xiàn)結(jié)晶器內(nèi)真空度過高，導(dǎo)致液體金屬超過設(shè)計高度，被吸入導(dǎo)氣管，造成真空管道堵塞，嚴重影響正常生產(chǎn)。

圖2 噴射管示意圖
真空吸鑄機結(jié)晶器調(diào)壓裝置是自動調(diào)節(jié)真空吸鑄生產(chǎn)過程中結(jié)晶器內(nèi)的真空度（負壓值）的自動裝置。安裝該裝置后，可以保證結(jié)晶器內(nèi)真空度恒定，使吸入結(jié)晶器中金屬液的高度相同，避免金屬液超過設(shè)計高度。本課題研究的結(jié)晶器調(diào)壓裝置，針對利用射流技術(shù)為結(jié)晶器提供負壓的真空吸鑄機，解決這種吸鑄機由于所供的壓縮空氣壓力變化導(dǎo)致結(jié)晶器內(nèi)真空度波動的問題。該調(diào)壓裝置依據(jù)膜技術(shù)的原理，利用膜技術(shù)檢測結(jié)晶器中的真空度，依靠系統(tǒng)的自動力控制調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)結(jié)晶器中真空度的自動調(diào)節(jié)。
該技術(shù)的主要特點在于：依據(jù)膜技術(shù)的基本原理，利用據(jù)膜技術(shù)檢測結(jié)晶器中的真空度，將膜檢測機構(gòu)與調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)機構(gòu)組合在一起，實現(xiàn)檢測與調(diào)節(jié)的結(jié)合，實現(xiàn)自動力控制結(jié)晶器中的真空度。
二．項目提出的目的及意義
調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)渤船重工機械工程公司在軍品生產(chǎn)過程中，有一種特殊要求的零件，該零件只有采用真空吸鑄生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的鑄件為毛坯才能達到零件的質(zhì)量要求。渤船重工機械工程公司鑄造車間使用的真空吸鑄機，是利用射流技術(shù)為結(jié)晶器提供負壓的真空吸鑄機，利用壓縮空氣通過射流泵為結(jié)晶器提供負壓。車間的壓縮空氣由公司動力處統(tǒng)一供給，生產(chǎn)過程中壓縮空氣經(jīng)常在0.3~0.5Mpa之間變化，導(dǎo)致結(jié)晶器內(nèi)的真空度不穩(wěn)定，波動范圍很大。手動控制調(diào)節(jié)閥，控制結(jié)晶器中的真空度技術(shù)難度大。致使吸入結(jié)晶器中金屬液的高度不同，經(jīng)常發(fā)生金屬液超過設(shè)計高度被吸入導(dǎo)氣管，導(dǎo)致導(dǎo)氣管損壞，嚴重影響軍品鑄件的生產(chǎn)。
為解決利用射流技術(shù)為結(jié)晶器提供負壓的真空吸鑄機，因為生產(chǎn)過程中壓縮空氣壓力變化，導(dǎo)致結(jié)晶器內(nèi)的真空度不穩(wěn)定，致使吸入結(jié)晶器中金屬液的高度不同，甚至發(fā)生金屬液超過設(shè)計高度被吸入導(dǎo)氣管，導(dǎo)致導(dǎo)氣管損壞，影響正常生產(chǎn)的問題，必須在真空吸鑄機上增設(shè)結(jié)晶器調(diào)壓裝置。
根據(jù)我們所掌握的情況，目前國內(nèi)尚無適用于利用射流技術(shù)為結(jié)晶器提供負壓的結(jié)晶器調(diào)壓裝置。發(fā)揮渤海船舶職業(yè)學院的科研技術(shù)優(yōu)勢，和渤船重工機械工程公司的設(shè)備及制造優(yōu)勢，強強聯(lián)合，協(xié)作研制適用于利用射流技術(shù)為結(jié)晶器提供負壓的結(jié)晶器調(diào)壓裝置——自動力控制結(jié)晶器真空度的調(diào)壓裝置。該調(diào)壓裝置研制成功后，首先在渤船重工機械工程公司鑄造車間的真空吸鑄機上使用，解決吸入結(jié)晶器中金屬液的高度不同，經(jīng)常發(fā)生金屬液超過設(shè)計高度被吸入導(dǎo)氣管，導(dǎo)致導(dǎo)氣管損壞，影響軍品鑄件的生產(chǎn)的問題。
三．與項目相關(guān)的國內(nèi)外發(fā)展概況及市場需求分析
自動力控制結(jié)晶器真空度的調(diào)壓裝置是依據(jù)膜技術(shù)的基本原理設(shè)計的，將膜檢測機構(gòu)與調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)機構(gòu)組合在一起，實現(xiàn)檢測與調(diào)節(jié)的結(jié)合，完成自動力控制結(jié)晶器中的真空度。據(jù)查詢有關(guān)資料，目前國內(nèi)尚無自動力調(diào)節(jié)射流泵真空度調(diào)壓裝置，也沒有與此相關(guān)的技術(shù)資料及研究報道。
據(jù)了解，目前國內(nèi)使用的利用射流技術(shù)為結(jié)晶器提供負壓的真空吸鑄機，均沒有安裝結(jié)晶器內(nèi)負壓自動調(diào)壓裝置。生產(chǎn)過程中主要依靠操作工人手動控制調(diào)節(jié)閥來控制結(jié)晶器內(nèi)的真空度，都存在因結(jié)晶器內(nèi)真空度不穩(wěn)而影響生產(chǎn)的問題。因此，該調(diào)壓裝置可以在同類設(shè)備上推廣使用。自動力控制射流泵真空度的負壓調(diào)壓技術(shù)成果，可以在利用壓縮空氣通過射流泵提供穩(wěn)定負壓的設(shè)備上推廣使用。
四．工作裝置工作原理及流程（技術(shù)可引性分析）
自動力真空系統(tǒng)調(diào)壓裝置原理如圖3所示。該裝置主要由膜檢測裝置和節(jié)流閥等構(gòu)件組成，適用于利用噴射管為抽真空裝置的真空系統(tǒng)自動調(diào)壓。
壓縮空氣經(jīng)節(jié)流閥進入噴射管，通過噴射管產(chǎn)生負壓。負壓的高低取決于流入噴射
管壓縮空氣的流量，通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥，來控制系統(tǒng)負壓的高低。
調(diào)壓裝置的檢測膜一側(cè)與真空室相通，另一側(cè)與大氣相通。當檢測膜兩側(cè)存在壓差時，檢測膜上將產(chǎn)生指向真空室方向的拉力，拉力的大小與檢測膜兩側(cè)的壓差成正比，即
F=AP
式中F—壓差在檢測膜上產(chǎn)生的力N
A—檢測膜面積m2
P—檢測膜兩側(cè)壓差Pa
控制桿與檢測膜相連，在檢測膜拉力與調(diào)壓彈簧合力的作用下，控制桿產(chǎn)生移動，位移為：

式中S—控制桿位移m
F—壓差在檢測膜上產(chǎn)生的力N
F1—調(diào)壓彈簧預(yù)壓力N
K—彈性模量N/m
位移的大小和作用在控制桿上檢測膜拉力與調(diào)壓彈簧合力的合力成正比，即與作用在檢測膜兩側(cè)的壓差成正比。
控制桿通過傳動機構(gòu)與節(jié)流閥芯桿相連，當真空室的真空度變化時，檢測膜兩側(cè)壓差發(fā)生變化，引起控制桿移動?？刂茥U通過傳動機構(gòu)對閥部件實施控制，調(diào)節(jié)流入噴射管壓縮空氣的流量，實現(xiàn)真空系統(tǒng)真空度的自動控制。
通過調(diào)節(jié)調(diào)壓螺母，調(diào)節(jié)調(diào)壓彈簧的壓力，可以設(shè)定真空系統(tǒng)的真空度。真空吸鑄結(jié)晶器真空度自動控制原理是在噴射管前端安裝自動力真空系統(tǒng)調(diào)壓置，使壓縮空氣經(jīng)由調(diào)壓裝置的節(jié)流閥進入噴射管；用橡皮管將結(jié)晶器與調(diào)壓裝置的檢測部分連通。
調(diào)節(jié)調(diào)壓螺母，根據(jù)吸鑄液體金屬的重度及鑄件的長度等因素設(shè)定結(jié)晶器內(nèi)真空度。
吸鑄生產(chǎn)過程中，剛打開壓縮空氣閥門時，系統(tǒng)的真空度低，經(jīng)由節(jié)流閥進入噴射管的壓縮空氣流量大，系統(tǒng)的真空度迅述升高；伴隨系統(tǒng)真空度的升高，經(jīng)由節(jié)流閥進入噴射管的壓縮空氣流量減少，系統(tǒng)的真空度升述減緩。真空度的這種變化特點，既有利于提高生產(chǎn)效率，又有利于避免液體金屬上升慣性過大，沖進導(dǎo)氣管，堵塞真空管道。在系統(tǒng)的真空度達到結(jié)晶器真空度設(shè)定
值時，系統(tǒng)的真空度不再升高，真空度保持恒定不變。
當生產(chǎn)過程中壓縮空氣在0.3~0.5Mpa之間升高或降低時，調(diào)壓裝置自動調(diào)節(jié)進入噴射管的壓縮空氣流量，使系統(tǒng)的真空度保持不變。
自動力真空系統(tǒng)調(diào)壓裝置樣機，已在渤船重工機械工程公司通過試驗。試驗證明，該裝置可以有效的控制結(jié)晶器中液體金屬的上升速度和高度。
利用噴射管為抽真空裝置的真空吸鑄機，安裝自動力真空調(diào)壓裝置后，能降低生產(chǎn)過程的操作難度，消除壓縮空氣壓力波動對生產(chǎn)的影響，顯著提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
利用射流技術(shù)為結(jié)晶器提供負壓的真空吸鑄機，是根據(jù)空氣動力學原理,由壓縮空氣通過如圖1所示的“喉管” 產(chǎn)生負壓的。負壓的高低主要取決于流入“喉管”壓縮空氣的壓力及流量，壓縮空氣壓力的變化，導(dǎo)致結(jié)晶器內(nèi)的真空度不穩(wěn)定。為解決因為生產(chǎn)過程中壓縮空氣壓力變化，導(dǎo)致結(jié)晶器內(nèi)的真空度波動的問題，設(shè)計過程中綜合考慮了鑄造車間的條件及正在使用的真空吸鑄機的具體情況，經(jīng)過反復(fù)比較，多次論證，最后課題采用了自動力控制結(jié)晶器真空度的設(shè)計方案。
自動力控制結(jié)晶器真空度的調(diào)壓裝置是依據(jù)膜技術(shù)的基本原理設(shè)計的。設(shè)計時，將結(jié)晶器與膜檢測機構(gòu)用導(dǎo)管連通，通過膜檢測技術(shù)檢測結(jié)晶器中的真空度；在“喉管”（射流泵）前端加裝一調(diào)節(jié)閥，控制進入“喉管”（射流泵）的壓縮空氣的壓力及流量；用連接機構(gòu)將檢測機構(gòu)與調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)機構(gòu)組合在一起；在連接構(gòu)件上裝有負壓調(diào)節(jié)彈簧，通過調(diào)節(jié)彈簧，設(shè)定結(jié)晶內(nèi)的負壓值。工作時，結(jié)晶器內(nèi)負壓不同，調(diào)節(jié)機構(gòu)產(chǎn)生不同行程的位移，驅(qū)動調(diào)節(jié)閥的轉(zhuǎn)動桿轉(zhuǎn)動一定角度，調(diào)節(jié)流入“喉管”（射流泵）壓縮空氣的壓力及流量，調(diào)節(jié)結(jié)晶器內(nèi)的負壓。調(diào)壓裝置工作時調(diào)節(jié)機構(gòu)所需動力由膜檢測機構(gòu)提供，所以該調(diào)壓裝置稱為自動力控制結(jié)晶器真空度調(diào)壓裝置。
自動力控制結(jié)晶器真空度裝置的工作原理如圖3所示。

綜合考慮鑄造車間的生產(chǎn)條件及正在使用的真空吸鑄機的具體情況，自動力控制結(jié)晶器真空度的技術(shù)方案，與由壓力傳感器檢測結(jié)晶器內(nèi)的負壓，控制伺服電機，再由伺服電機驅(qū)動調(diào)節(jié)閥的技術(shù)方案相對比，具有結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定、可靠，操作方便的特點，更適合在真空吸鑄機上使用。
真空吸鑄機結(jié)晶器調(diào)壓裝置研制項目現(xiàn)已完成：
1.完成了總體方案設(shè)計，計劃采用自動力控制結(jié)晶器真空度技術(shù)方案；
2.完成了檢測及控制等關(guān)鍵機構(gòu)的原理與工藝試驗；
3.完成了自動力控制結(jié)晶器真空度裝置模型的制作；
4.完成了真空吸鑄機相關(guān)部位的測繪。

渤海船舶職業(yè)學院“挑戰(zhàn)杯”校級競賽一等獎；第十屆“挑戰(zhàn)杯”遼寧省大學生課外學術(shù)科技作品競賽一等獎。