中國壓鑄雜志
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必中一肖中特:鋁合金壓鑄過程中的能耗分析

作者:admin 來源:原創 發表時間:2018-08-29

 
摘要:鋁壓鑄是一項高耗能的工藝方法,從原料的熔化到壓鑄件的冷卻都要消耗大量能量,然而大多數人不知道,在鑄造過程中,真正利用并創造價值的能量是多少。本文介紹一個符合實際的使用方法,將壓鑄機所用能量分成有用能耗和無用能耗,以對能量進行研究,改善提高潛能。
由于能源的有限性,而工業化對能源需求不斷增長,能耗就愈顯重要,尤其是高能耗的鑄造領域,能耗成本急劇增加。
鋁合金壓鑄是汽車工業重要零部件的最為重要的成型工藝方式。壓鑄是高能耗產業,在最近幾年,鋁合金壓鑄業成功地采取了節能措施,如對熔煉爐的優化。然而壓鑄機及其直接的外圍設備迄今在很大程度上仍停滯不前,盡管此處節能潛力巨大。
在壓鑄過程中識別能量消耗有效性的二元法已證明是可靠的。對時間損耗和能量消耗的劃分按有效能耗和無效能耗進行。對于功率種類,有效功率是充模和冷卻過程的能耗,稱為有效能耗,控制功率定義為對有效能耗的支持所用能耗。失誤功率是故障或不合品所產生的能耗。無效功率是待機或優化參數時的能耗,稱為無效能耗。圖1所示為這些功率種類。
 
 
 
按拉發理論(die Rafa-lehre)則是:
1、工藝時間、工作狀態、生產運行/加工為新創造價值(有效價值能耗)(圖1下)
2、輔助時間,如:工作狀態之外的待機,加工準備,不直接為產品增值為不創造價值(無效價值能耗) 。
本文主要介紹在鋁合金壓鑄時新創造價值能耗(有效價值能耗)的計算方法。
通過與實際測定的壓鑄機總能耗需求對比,可以計算新創造價值(功率的有效價值能耗)的有效系數NEva,導出改善潛能,與此同時,確定(時間的有效價值能耗)時間的新創造價值有效系數ntva。
 
一、電能利用的分析和平衡
壓鑄機主要是液壓驅動,主要是在充模過程中需要高的加速動能。
歐洲某壓鑄廠,采用臥式冷室壓鑄機(Frech DAK720),用鋁合金壓鑄生產尺寸為450mmx300mmx5mm的鋁合金冷卻器。
圖2表示在各個工序壓鑄機電功率消耗。在一個循環周期內總的能耗為338.1wh。包括驅動、控制以及配電箱冷卻等。除了額定負荷(約15000W),機械運動及壓力儲能器增壓所需的功率峰值約為70000W。
 

 
二、借助于能量消耗有效性二元法對時間和能量利用的平衡
為了建立鋁合金壓鑄時有效能量消耗二元法,采用如下方法:
a)記錄壓鑄機總的能耗需求,按(圖2)工藝規范。
b)換算一個“理想的壓鑄工序”
c)在有效價值能耗定義的基礎上,對比測定的總能耗需要和“理想的壓鑄工序”能耗需要。
 
1、壓鑄有效價值能耗的定義
充模工序分為3個階段,然而,只有用于充模所需的能耗,才能看作有效價值能耗:
1)在第1階段金屬熔化物慢速填充至內澆口,能耗的使用是不創造價值的。
2)在第2階段金屬熔化物以快速充填模具,快速的實現是通過打開壓力儲能器實現的,由儲能器能量充模將合金液壓入型腔的能量是使用有效價值能耗。
3) 在3階段冷卻的合金液在高壓下致密,用于氣體收縮和體積補縮。高壓是通過增加的壓力儲能器來實現的。有效價值能耗僅僅是用于致密的能量即壓實能量。
 
2、一個“理想的壓鑄工序”的計算
客戶支付的是壓鑄件的費用,而不是澆排溢流系統的費用,因此,只有壓鑄件本身其所需材料看作有效價值。
一個理想化的加工工序是在下列邊界條件下進行換算的:機器運動和填充模具設定是無摩擦的。壓鑄機合模無需鎖模力,因此無需能耗。
為了加工一個壓鑄件,在理想的過程下,只需要有效價值的能量。這是由儲能量,成型及增密能量組成的,借助方程(1)(7)計算。圖3表示壓鑄機的工作原理。顏色標記加深對問題的理解,在以下公式中得以應用。
 

 
實際壓鑄行程(無澆口和溢流)按方程(1)和(2),按以下假設條件作計算:
>壓鑄件質量:0.419kg(無澆口)
>鋁的密度:2700kg/m3(此處以冷凝狀態密度簡化計算,在液態下稍有減少)。
 

 
實際壓射行程為40.3mm。
 
3、儲能器能量的計算
壓射分兩階段以最短的時間進入模具,這要求一個高的加速度,否則合金液在充模過程就會冷卻。為此,在儲能器中儲存所需的能量(存儲能量)。系統壓力將一定的液壓油推入儲能器內,直到在儲能器內達到設定的最大壓力,儲能器儲能量計算如下:
 
用于充填儲能器計算的能量為2.8wh。此能量當壓射閥打開時能量釋放。
 
4、充型能耗的計算
充型能耗是將合金液充入模具型腔所需的能量,借助于伯努利方程進行計算。平均流動速度通常為30-50m/s,此處設定為45m/s。

 
由計算的流動壓力及壓鑄件體積得出充型能耗。
 
5、增密能量
在從液態到固態的過程,冷卻收縮造成壓鑄件體積減少,直接結果是體積收縮,出現縮孔。這樣的體積收縮在壓鑄過程要增補。
鋁合金冷卻收縮約為4%,因此,第2階段壓射行程的4%可以看作增壓階段的行程。實際上,這樣的行程通常要高,因為在溢流和澆口系統的體積同樣要收縮。
增壓行程=壓射行程•4%=40.3mm•4%=1.6mm                    (6)
所設定的增壓壓力為640巴,當增壓階段無附加的儲能器以及無增壓器進行循環時,增壓能量計算如下:
增密能耗=壓射活塞面積•增壓沖程•增壓壓力
 
0.1Wh的增密能量只是在冷凝時間需要的,因為金屬只有在完全冷凝之前是可以增密的,要考慮,壓入的熱流密度與熱壓系數成比例,隨著時間增加而衰減。該壓鑄件最大壁厚3mm,冷卻時間可近似作以下計算:
1mm近似于(1·5)2ms
3mm近似于(3·5)2ms=225ms                              (8)
在冷凝225ms時間內需要增密能量。
 
6、用理想壓鑄過程分析有效價值能耗
有效價值能耗部分計算數值為3wh;儲能器能耗為2.8wh,充型能耗為0.1wh,增壓能耗為0.1wh(圖4:深蘭部分標記)。3.8S有效價值能耗的時間部分是圖4的深橙色,顯然只有當使用有效價值能耗時,時間才是有效價值。
淺蘭色標記表示壓鑄機有效價值能耗的能量使用,此值為335.1wh,有效價值能耗的時間為50.2S(淺橙色)。
 

 
借助于二元標記,此時可計算時間創造價值效率
 
ηtva位于所調百分比范圍之內,對于如此小的創造價值的時間部分應檢查過程進行?;蛐磽ü跎儻創叢旒壑檔氖奔?。
ηEva約為1%,這就是說,能量使用約99%是不創造價值的,能量無用。應檢討機器的結構,探索無效價值能耗部分的原因。
 
三、在壓鑄過程提高能量效率的主要途徑
電能E是功率P的時間t積分(圖5),為了提高工藝效率主要考慮:
1、降低功率水平P
2、縮短工序時間t
 

 
在壓鑄過程能量效率主要通過以下方法來提高的:
a)縮短工藝過程時間:工藝過程時間的縮短,不但使生產能力提高,也會促成能量的節約,因為浪費能量需要時間,如果減少時間,也會減少能量。在實踐中,按照經驗數據來調節工藝參數噴涂及冷卻時間,探求這些不能創造價值的時間間隔,通?;嵬誥蚯蹦埽ㄍ?)
b)降低功率水平:通過使用能量利用率高的液壓系統及合理流動的管道造型(見圖6)可以減少總功率水平。調整泵對能量需求,更加合理,從而在無機器運動的時間內,可以減少能量需求(見圖6)。
 

 
另一個節約能量的可能性是混合的機器設計方案。在充模過程高的加速運動,至今要求使用液壓動力,而對于其他機器運動可考慮電驅動方案??商岣吣芰啃?,具有定位準確,減少維修保養費用的優點。
C)其他改善措施:
在使用液壓儲能器時,泄漏會導致壓力損失。為了確保第2階段的壓力能量,必須補充此壓力損失(圖6,40S時的功率峰值)。泄漏可以通過改變密封或控制技術加以避免(圖6)??刂萍際蹩梢匝映傺分醒沽Υ⒛芷韉腦鲅?,以便使儲能器壓力接近下一次壓射,可節約能量約5%。
 
四、結束
由于能量效率會提高能量代價,其課題意義在不斷增加。能量效率的增加要求機器和設備方面在能量及時間需要的透明度。借助于二元能量標志可以將能量及時間的使用分成創造價值和不創造價值。在鋁壓鑄過程,可以借助于“理想過程”加以實現,按一個理想化的過程對實際的過程加以調整。創造價值的能量部分作理論計算。由此分析可以對能量及時間創造價值效率作計算,提高及改善潛能。
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