POMIARY NACISKÓW W O RODKACH ROZDROBNIONYCH

Transkrypt

1 rof. dr hab. in. Tadeusz Mikulczyski dr in. Stanisaw Fita mgr in. Sergiusz Ciskowski mgr in. ukasz Dworzak Politechnika Wrocawska POMIARY NACISKÓW W ORODKACH ROZDROBNIONYCH W racy zarezentowano wykorzystanie iezoelektrycznych czujników cinie do omiaru nacisków w orodkach rozdrobnionych, w szczególnoci do omiaru nacisków w masach formierskich. Aby zaewni bezkierunkowy omiar cinie w orodkach rozdrobnionych czujnik musi by wyosaony w bezinercyjny adator cieczowy, umoliwiajcy bezinercyjny i bezkierunkowy omiar. Wyniki omiarów nacisków, w rocesie dynamicznego zagszczania mas formierskich, mona wykorzysta do ekserymentalnej weryfikacji oracowanego rzestrzennego modelu matematycznego rocesu dynamicznego zagszczania i deformacji masy formierskiej. Wyniki te mog równie suy okrelaniu wytrzymaoci formy. PRESSURE MEASUREMENT IN DISINTEGRATED MEDIUM Alication of a iezoelectric sensor for ressure measurement in disintegrated medium (e.g. moulding sand) has been resented. For non-directional ressure measurement in disintegrated medium, a iezoelectric sensor must be equied with intertialess liquid adator. Results of ressure measurement during dynamic moulding sand densening rocess can be used for exerimental verification of formulated mathematical model of dynamic densening and deformation of moulding sand. These results can be useful in determining mould s strength. 1. WSTP Powszechnie stosowanymi czujnikami do omiarów cinie s czujniki iezoelektryczne. Czujniki te charakteryzuj si niewielkimi rozmiarami oraz bardzo du recyzj i liniowoci w caym zakresie omiarowym, reagujc na bardzo szybkie zmiany wartoci cinienia o czstotliwoci rzdu khz, umoliwiajc rzy tym omiary cinie szybkozmiennych, o amlitudzie sigajcej kilkuset MPa. Standardowe czujniki iezoelektryczne, n. 601A firmy Kistler, stosowane s gównie do omiarów cinie w orodkach cigych, jakimi s ciecze oraz gazy. Z tego owodu ich bezorednie wykorzystanie do omiarów cinie w orodkach rozdrobnionych, takich jak grunty oraz masy formierskie, nie jest moliwe. Pomiary nacisków w orodkach rozdrobnionych, z uyciem czujnika iezoelektrycznego, s moliwe jedynie w rzyadku zastosowania elementu oredniczcego, rzekazujcego mierzon wielko do czujnika. Najleszym elementem oredniczcym jest cieczowy, bezinercyjny adator oracowany w Instytucie Technologii Maszyn i Automatyzacji Politechniki Wrocawskiej [3]. Prowadzone w Laboratorium Podstaw Automatyzacji Instytutu Technologii Maszyn i Automatyzacji Politechniki Wrocawskiej omiary nacisków w masach formierskich, su 727

2 do ekserymentalnej weryfikacji oracowanego rzestrzennego modelu matematycznego rocesu dynamicznego zagszczania mas formierskich [2]. Badania te mog równie rowadzi do oceny wytrzymaoci formy w dowolnej jej objtoci [3]. 2. MECHANIZM PROCESU ZAGSZCZANIA MAS FORMIERSKICH Podczas rocesu dynamicznego rasowania masa formierska odksztaca si, naststwem czego jest jej lastyczne ynicie. Zagszczana masa formierska uzyskuje bardzo du energi kinetyczn i rdko ruchu, która ochodzi od czynnika stanowicego wymuszenie (yty rasujcej w rzyadku dynamicznego rasowania lub strumienia sronego owietrza w rocesie imulsowym). Kolejne warstwy masy formierskiej rzemieszczaj si w kierunku nieruchomej yty modelowej. Naciski rasujce, bdce efektem zagszczania si masy formierskiej, w oszczególnych warstwach masy, oczwszy od najwyej ooonej, maj odwrotny charakter ni uzyskiwane rdkoci ruchu. Najwiksze wartoci s w warstwach masy najbliej ooonych w stosunku do yty modelowej, malej natomiast w miar oddalania si od niej. Przebieg zmian nacisków w funkcji czasu trwania rocesu dynamicznego zagszczania mas formierskich ma w rzyblieniu charakter gasncej sinusoidy [1,2]. Na odstawie analizy rocesu zagszczania masy formierskiej mona stwierdzi, e naciski, w oszczególnych fazach rocesu zagszczania, rzyjmuj nastujc osta: W stanach nieustalonych naciski w masach formierskich stanowi sum nacisków wewntrznych zwizanych z odksztaceniem i tarciem wewntrznym masy oraz bdcych efektem zagszczenia masy. Warto nacisków w stanach ustalonych jest sum nacisku rasujcego ( ) i nacisku bdcego wynikiem zagszczenia masy ( ui ), który wyraa wytrzymao jak masa uzyskaa w wyniku zagszczenia. Nacisk cakowity w masie formierskiej mona oisa nastujc zalenoci [2,6]: gdzie: Ci C Ci k C xi k F T x i - nacisk cakowity w i-tej warstwie masy formierskiej, k - wsóczynnik srystoci masy formierskiej, k T - wsóczynnik lekoci formierskiej, - nacisk w i-tej warstwie, bdcy efektem zagszczania masy formierskiej, Ui x i F - wsórzdna ooenia i-tej warstwy, - owierzchnia rzekroju orzecznego skrzynki formierskiej. 3. POMIARY NACISKÓW W MASACH FORMIERSKICH Pomiary nacisków w masie formierskiej moliwe s dziki wykorzystaniu iezoelektrycznych czujników cinie z zainstalowanym adatorem cieczowym (rys. 1). Oracowany adator umoliwia bezinercyjny omiar bezkierunkowego cinienia wewntrz orodka rozdrobnionego. Niewielkie rozmiary czujników cinie wyosaonych w adater cieczowy Ui (1) 728

3 umoliwiaj umieszczenie ich i dokonanie omiaru nacisków w dowolnym miejscu masy formierskiej. Rys. 1. Schemat czujnika do omiarów nacisków w masie formierskiej: czujnik iezoelektryczny ty 601A firmy Kistler (1), adator cieczowy (2) Schemat rocesu dynamicznego zagszczania masy formierskiej, rocesu imulsowego, oraz tor omiarowy rzedstawiono na rys. 2. Tor omiarowy do rejestracji nacisków w masach formierskich skada si z iezoelektrycznych czujników C 1 C 3, umieszczonych na trzech rónych wysokociach sua masy, wzmacniaczy adunków W 1 W 3, moduu akwizycji danych M oraz komutera PC. Rys. 2. Schemat rocesu imulsowego zagszczania mas formierskich oraz toru omiarowego: GI gowica imulsowa, ZI zawór imulsowy, SF skrzynka formierska, MF masa formierska, C 1, 2, 3 iezoelektryczne czujniki firmy Kistler ty 601A z cieczowym adatorem, W 1, 2, 3 wzmacniacz adunku firmy Kistler ty 5015A, M modu akwizycji danych Keithley KUSB 3100, PC komuter Proces imulsowego zagszczania mas formierskich rozoczyna si w momencie naenienia sronym owietrzem, do zadanej wartoci cinienia ocztkowego 0, zbiornika akumulacyjnego gowicy imulsowej GI. Otwarcie zaworu imulsowego ZI owoduje nagy wzrost cinienia w skrzynce nad mas formiersk, efektem czego jest lastyczne ynicie masy i jej zagszczenie. Przebiegi zmian nacisków w masie formierskiej, mierzone na trzech rónych wysokociach sua masy, s rejestrowane od momentu otworzenia zaworu imulsowego ZI i zaisywane na komuterze. 729

4 4. WYNIKI BADA Rys. 3 rzedstawia wyniki omiarów nacisków cakowitych c w masie formierskiej zagszczanej imulsowo, zmierzone na trzech rónych wysokociach: rzy ycie modelowej, rzebieg nacisków c1, o rodku wysokoci skrzynki formierskiej c2, rzy owierzchni masy formierskiej c3. Naciski bdce wynikiem umocnienia masy formierskiej stanowi rónic omidzy wartociami nacisków cakowitych c i cinienia 1 w rzestrzeni technologicznej nad mas formiersk. Rys. 3. Przebiegi zmian nacisków cakowitych c =f(t) zmierzone na trzech wysokociach zagszczanego sua masy oraz cinienia 1 w rzestrzeni technologicznej Zarezentowane wyniki omiarów otwierdzaj, e czujniki iezoelektryczne wyosaone w bezinercyjny cieczowy adator, mog by stosowane do omiarów nacisków w dynamicznie zagszczanej masie formierskiej. Ponadto, znajomo rzebiegów zmian nacisków w masie formierskiej, umoliwia okrelenie jej wytrzymaoci, która w rzyblieniu równa jest wartoci nacisku u, wynikajcego z zagszczenia i umocnienia masy formierskiej. Na rys. 4 rzedstawiono wyniki bada symulacyjnych i ekserymentalnych omiarów nacisków w rocesie dynamicznego zagszczania masy formierskiej, zmierzone rzy ycie modelowej, rzerowadzone dla dwóch rónych wartoci cinie zasilania 0. Wyniki te stanowi odstaw do weryfikacji stworzonego rzestrzennego matematycznego modelu deformacji i zagszczania mas formierskich, oracowanego w oarciu o model reologiczny orodków rozdrobnionych, oisany w racy [3]. Rys. 4. Zmiany nacisku cakowitego C =f(t),wyniki bada symulacyjnych i ekserymantalnych dla cinie zasilania: 0 =0,5 MPa (a) 0 =0,6 MPa (b). 730

5 5. ZAKOCZENIE Znajomo rzebiegu rocesu zagszczania mas formierskich, w szczególnoci znajomo stonia zagszczenia i zmian wartoci nacisków w dowolnej objtoci formy, umoliwia sterowanie tym rocesem orzez odowiedni dobór konstrukcji i arametrów racy formierek do dynamicznego zagszczania mas formierskich. W racy rzedstawiono metod omiaru nacisków w orodkach rozdrobnionych takich jak n. masy formierskie. Do omiarów nacisków w orodkach rozdrobnionych mona wykorzysta iezoelektryczny czujnik cinie wyosaony w element oredniczcy. Zarezentowany secjalny adator cieczowy senia to zadanie, umoliwiajc bezinercyjny omiar bezkierunkowego cinienia wewntrz orodka rozdrobnionego. Wyniki omiarów nacisków otwierdzaj suszno zastosowania czujników iezoelektrycznych wraz z cieczowym adatorem do omiarów nacisków w dynamicznie zagszczanej masie formierskiej. Badanie rzebiegów zmian nacisków w masach formierskich moe suy do weryfikacji rzestrzennego modelu matematycznego rocesu dynamicznego zagszczania mas formierskich oraz do okrelania wytrzymaoci masy formierskiej. 6. LITERATURA [1] T. Mikulczyski, M. Bogdan, S. Ciskowski,. Dworzak: Mechanism of imulse comacting of moulding sands. Archives of Foundry Engineering vol. 8, sec. iss. 1. [2] M. Ganczarek, S. Ciskowski, T. Mikulczyski: 3D model of imulse comaction of moulding sands model. Archives of Foundry Engineering vol. 7, iss. 1. [3] T. Mikulczyski, S. Ciskowski, M. Ganczarek, D. Nowak,. Dworzak: Modelling of rheological roerties of selected disintegrated media. Archives of Metallurgy and Materials vol. 52, iss. 3. [4] T. Mikulczyski, D. Nowak: Strength measurement of moulding sand in the mould. Sbornik Vedeckych Praci Vysoke Skoly Banske - Technicke Univerzity Ostrava. Rada Strojni Roc. 40, cis. 1. [5] S. Ciskowski, M. Ganczarek, W. Kollek, T. Mikulczyski: Nowoczesne metody dynamicznego zagszczania mas formierskich. W: Rozwój maszyn i urzdze hydraulicznych. Pod red. Wacawa Kolleka. Wrocaw : Wydaw. Wroc. Rady FSNT NOT, [6] M. Ganczarek: Model matematyczny imulsowego zagszczania mas formierskich, Praca doktorska, Raorty ITMiA PWr, Ser. PRE Nr. 3, Wrocaw,