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真空吸鑄機(jī)結(jié)晶器調(diào)壓裝置是自動(dòng)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(fù)壓值）的自動(dòng)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(jì)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(fù)壓的真空吸鑄機(jī)，解決這種吸鑄機(jī)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(dòng)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(dòng)力控制調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器中真空度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。
該技術(shù)的主要特點(diǎn)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(jī)構(gòu)與調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組合在一起，實(shí)現(xiàn)檢測與調(diào)節(jié)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)力控制結(jié)晶器中的真空度。

一．項(xiàng)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(xì)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(diǎn)，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(fù)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(jī)利用噴射管（如圖2所示）產(chǎn)生負(fù)壓。吸鑄時(shí)依據(jù)真空表，通過手動(dòng)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(dòng)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(dòng)。使手動(dòng)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(jì)高度，被吸入導(dǎo)氣管，造成真空管道堵塞，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)。

圖2 噴射管示意圖
真空吸鑄機(jī)結(jié)晶器調(diào)壓裝置是自動(dòng)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(fù)壓值）的自動(dòng)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(jì)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(fù)壓的真空吸鑄機(jī)，解決這種吸鑄機(jī)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(dòng)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(dòng)力控制調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器中真空度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。
該技術(shù)的主要特點(diǎn)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(jī)構(gòu)與調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組合在一起，實(shí)現(xiàn)檢測與調(diào)節(jié)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)力控制結(jié)晶器中的真空度。
二．項(xiàng)目提出的目的及意義
調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)渤船重工機(jī)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(dá)到零件的質(zhì)量要求。渤船重工機(jī)械工程公司鑄造車間使用的真空吸鑄機(jī)，是利用射流技術(shù)為結(jié)晶器提供負(fù)壓的真空吸鑄機(jī)，利用壓縮空氣通過射流泵為結(jié)晶器提供負(fù)壓。車間的壓縮空氣由公司動(dòng)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(dòng)范圍很大。手動(dòng)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(jì)高度被吸入導(dǎo)氣管，導(dǎo)致導(dǎo)氣管損壞，嚴(yán)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(fù)壓的真空吸鑄機(jī)，因?yàn)樯a(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(jì)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(jī)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(fù)壓的結(jié)晶器調(diào)壓裝置。發(fā)揮渤海船舶職業(yè)學(xué)院的科研技術(shù)優(yōu)勢，和渤船重工機(jī)械工程公司的設(shè)備及制造優(yōu)勢，強(qiáng)強(qiáng)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(fù)壓的結(jié)晶器調(diào)壓裝置——自動(dòng)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(jī)械工程公司鑄造車間的真空吸鑄機(jī)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(jì)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(xiàng)目相關(guān)的國內(nèi)外發(fā)展概況及市場需求分析
自動(dòng)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(jì)的，將膜檢測機(jī)構(gòu)與調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組合在一起，實(shí)現(xiàn)檢測與調(diào)節(jié)的結(jié)合，完成自動(dòng)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(dòng)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(bào)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(fù)壓的真空吸鑄機(jī)，均沒有安裝結(jié)晶器內(nèi)負(fù)壓自動(dòng)調(diào)壓裝置。生產(chǎn)過程中主要依靠操作工人手動(dòng)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(dòng)力控制射流泵真空度的負(fù)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(fù)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(dòng)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(dòng)調(diào)壓。
壓縮空氣經(jīng)節(jié)流閥進(jìn)入噴射管，通過噴射管產(chǎn)生負(fù)壓。負(fù)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(fù)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(dāng)檢測膜兩側(cè)存在壓差時(shí)，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(dòng)，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(dòng)機(jī)構(gòu)與節(jié)流閥芯桿相連，當(dāng)真空室的真空度變化時(shí)，檢測膜兩側(cè)壓差發(fā)生變化，引起控制桿移動(dòng)?？刂茥U通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對閥部件實(shí)施控制，調(diào)節(jié)流入噴射管壓縮空氣的流量，實(shí)現(xiàn)真空系統(tǒng)真空度的自動(dòng)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(dòng)控制原理是在噴射管前端安裝自動(dòng)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(jìn)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(shí)，系統(tǒng)的真空度低，經(jīng)由節(jié)流閥進(jìn)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(jìn)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(diǎn)，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(jìn)導(dǎo)氣管，堵塞真空管道。在系統(tǒng)的真空度達(dá)到結(jié)晶器真空度設(shè)定
值時(shí)，系統(tǒng)的真空度不再升高，真空度保持恒定不變。
當(dāng)生產(chǎn)過程中壓縮空氣在0.3~0.5Mpa之間升高或降低時(shí)，調(diào)壓裝置自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)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(dòng)力真空系統(tǒng)調(diào)壓裝置樣機(jī)，已在渤船重工機(jī)械工程公司通過試驗(yàn)。試驗(yàn)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(jī)，安裝自動(dòng)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(dòng)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(fù)壓的真空吸鑄機(jī)，是根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理,由壓縮空氣通過如圖1所示的“喉管” 產(chǎn)生負(fù)壓的。負(fù)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?yàn)樯a(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(dòng)的問題，設(shè)計(jì)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(jī)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(dòng)力控制結(jié)晶器真空度的設(shè)計(jì)方案。
自動(dòng)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(jì)的。設(shè)計(jì)時(shí)，將結(jié)晶器與膜檢測機(jī)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(jìn)入“喉管”（射流泵）的壓縮空氣的壓力及流量；用連接機(jī)構(gòu)將檢測機(jī)構(gòu)與調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組合在一起；在連接構(gòu)件上裝有負(fù)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(fù)壓值。工作時(shí)，結(jié)晶器內(nèi)負(fù)壓不同，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生不同行程的位移，驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)閥的轉(zhuǎn)動(dòng)桿轉(zhuǎn)動(dòng)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(fù)壓。調(diào)壓裝置工作時(shí)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)所需動(dòng)力由膜檢測機(jī)構(gòu)提供，所以該調(diào)壓裝置稱為自動(dòng)力控制結(jié)晶器真空度調(diào)壓裝置。
自動(dòng)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(jī)的具體情況，自動(dòng)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(fù)壓，控制伺服電機(jī)，再由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(diǎn)，更適合在真空吸鑄機(jī)上使用。
真空吸鑄機(jī)結(jié)晶器調(diào)壓裝置研制項(xiàng)目現(xiàn)已完成：
1.完成了總體方案設(shè)計(jì)，計(jì)劃采用自動(dòng)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(jī)構(gòu)的原理與工藝試驗(yàn)；
3.完成了自動(dòng)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(jī)相關(guān)部位的測繪。

渤海船舶職業(yè)學(xué)院“挑戰(zhàn)杯”校級(jí)競賽一等獎(jiǎng)；第十屆“挑戰(zhàn)杯”遼寧省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽一等獎(jiǎng)。