J. BARYCKI 2 T. MIKULCZYŃSKI 2 A. WIATKOWSKI 3 R. WIĘCŁAWEK 4 1,3 Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Elementów i Układów Pneumatyki 2,4 Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji Politechniki Wrocławskiej Zaprezentowano nową, impulsową metodę pomiaru wilgotności mas formierskich. Ocena wilgotności metodą impulsową polega na pomiarze maksymalnej wartości ciśnienia powietrza w komorze powrotnej szybkobieżnego napędu pneumatycznego, które zmienia się podczas dynamicznego prasowania próbki masy formierskiej i odczycie wilgotności badanej masy z charakterystyki wzorcowej p max =f(w). Przedstawiono koncepcje automatycznego urządzenia do pomiaru wilgotności mas formierskich metodą impulsową. Prototyp urządzenia wg wybranej wersji został wykonany przez OBR EiUP w Kielcach. Badania wstępne prototypu wykazały, że metoda impulsowa pomiaru wilgotności charakteryzuje się dużą dokładnością pomiaru, która wynosi 0,2% H 2 O. 1. Wstęp. Problem pomiaru i regulacji podstawowych właściwości technologicznych używanych mas formierskich jest niezmiernie istotny w odlewnictwie. Utrzymanie takich ich właściwości jak: wilgotność, wytrzymałość, przepuszczalność itp. wymaga stosowania odpowiednich metod pomiaru wspomnianych parametrów. Utrzymanie wilgotności używanej masy formierskiej na zadanym poziomie, w warunkach przemysłowych, może jedynie zapewnić stosowanie do pomiaru i regulacji tej właściwości metod charakteryzujących się bardzo krótkim czasem oraz dużą dokładnością pomiaru. Znane i stosowane metody pomiaru wilgotności mas formierskich mają wady i ograniczenia [1], [2], dlatego ciągle są poszukiwane nowe metody, które spełniałyby wymagania dotyczące czasu i dokładności pomiaru. Do nowych metod, charakteryzujących się krótkim czasem oraz dużą dokładnością pomiaru wilgotności, można zaliczyć metodę impulsową [3], opracowaną w Laboratorium Podstaw Automatyzacji Instytutu Technologii Maszyn i Automatyzacji Politechniki Wrocławskiej. 2. Metoda impulsowa pomiaru wilgotności mas formierskich. Schemat stanowiska laboratoryjnego do pomiaru wilgotności mas formierskich metodą impulsową zamieszczono na rys.1. 113
p[mpa] VII KONFERENCJA ODLEWNICZA TECHNICAL 2004 Odlewnictwo XXI wieku technologie, maszyny i urządzenia odlewnicze p 1 Rys. 1. Schemat układu do pomiaru wilgotności mas formierskich metodą impulsową: głowica do dynamicznego prasowania mas formierskich (1), tuleja pomiarowa 80x250 mm (2), układ pomiarowy (3). Stanowisko jest zbudowane z następujących podstawowych podzespołów: głowicy (1) do dynamicznego prasowania mas formierskich, tulei pomiarowej 80x250 mm (2), układu pomiarowego (3). Układ do pomiaru wilgotności mas formierskich został wyposażony w tory pomiarowe przeznaczone do: pomiaru ciśnienia (C1-W1) w komorze powrotnej szybkobieżnego napędu pneumatycznego głowicy prasującej oraz do pomiaru przyspieszenia (C2-W2) płyty prasującej. Ocena wilgotności metodą impulsową polega na określeniu maksymalnej wartości ciśnienia w komorze powrotnej napędu głowicy prasującej, zarejestrowanej podczas zagęszczania próbki badanej masy formierskiej (rys. 2) i odczycie z charakterystyki wzorcowej p m =f (W) (rys. 3) wilgotności masy. 0,5 p m1 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 20 40 60 80 100 120 140 Rys. 2. Zależność p=f(t) zmian ciśnienia w komorze powrotnej napędu głowicy prasującej w funkcji czasu trwania procesu prasowania badanej próbki masy formierskiej. t[ms] 114 Nowa Sól 3-4.06.2004 r.
0,8 0,7 0,6 p m [MPa] 0,5 p m1 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 W 1 3 3,5 4 wilgotność [%] Rys. 3. Zależność p m =f(w) dla masy formierskiej z 6% bentonitu Bentomak. Na podstawie uzyskanych wyników badań laboratoryjnych stwierdzono, że podstawową zaletę metody impulsowej stanowi duża dokładność pomiaru wilgotności mas formierskich. Wykazano, że dokładność pomiaru wilgotności wynosi 0,2% H 2 O w zakresie wilgotności W 1%, natomiast dla wilgotności W>1% błąd pomiaru wynosi tylko 0,14% H 2 O. 3. Koncepcja prototypu urządzenia do pomiaru wilgotności. Zalety opracowanej metody pomiaru wilgotności mas formierskich skłoniły do opracowania prototypu automatycznego urządzenia, przeznaczonego do pomiaru wilgotności metodą impulsową. Spośród kilku wersji koncepcji konstrukcji prototypu automatycznego urządzenia szczegółowej analizie zostały poddane dwie wersje, które zilustrowano na rys. 4. Urządzenie, którego schemat budowy pokazano na rys 4a, jest zbudowane z głowicy do dynamicznego zagęszczania (1), tulei pomiarowej (2), zasobnika (3), spulchniarki (4) oraz siłowników pneumatycznych S1, S2 i S3, z których każdy jest wyposażony we wskaźniki położenia tłoczyska. Zadaniem siłownika S1 jest przemieszczanie tulei pomiarowej do trzech pozycji: dozowania (A), zagęszczania (B) i wybijania (C). Siłownik S2 (blokada) zapewnia odpowiednie położenie tulei pomiarowej w pozycji B, natomiast siłownik S3 ma zastosowanie do wybijania zagęszczonej masy. Zasada pracy urządzenia jest następująca: masa formierska, po spulchnieniu, jest kierowana do zasobnika a stamtąd do tulei pomiarowej. Zadozowana próbka masy formierskiej jest przemieszczana do pozycji B, w której następuje dynamiczne zagęszczanie badanej masy. Po zagęszczeniu próbki masy i zwolnieniu blokady tuleja pomiarowa jest przemieszczana do pozycji C, w której zagęszczona masa jest wybijana z tulei za pomocą siłownika S3. Po powrocie tłoczyska siłownika S3 do pozycji wyjściowej, tuleja pomiarowa jest przemieszczana do położenia początkowego. Na rysunku 4b pokazano schemat budowy prototypu urządzenia według II wersji, w skład którego wchodzą: głowica do dynamicznego zagęszczania (1), stół obrotowy (5), tuleje: pomiarowa (2) i pomocnicza (3) związane na stałe ze stołem, zasobnik (6), 115
Odlewnictwo XXI wieku technologie, maszyny i urządzenia odlewnicze spulchniarka (4), siłowniki pneumatyczne: S2 i S3 oraz siłownik S1 o ruchu wahadłowym. Zadaniem siłownika S1 jest obrót stołu, a tym samym przemieszczanie tulei pomiarowej i pomocniczej do kolejnych położeń. Siłownik S2 zapewnia odpowiednie położenie stołu w pozycji A,B i C, natomiast siłownik S3 ma zastosowanie do wybijania zagęszczonej masy. Zasada pracy urządzenia jest następująca: po zadozowaniu masy, następuje obrót stołu o 90, a tym samym przemieszczenie tulei pomiarowej do pozycji B. Po zagęszczeniu masy i wsunięciu tłoczysk głowicy prasującej i blokady, następuje obrót stołu o następne 90, co powoduje ustawienie tulei pomiarowej w pozycji C. W tej pozycji zagęszczona masa jest wybijana z tulei pomiarowej za pomocą siłownika S3, natomiast resztki masy z zasobnika opadają do tulei pomocniczej. Po wsunięciu tłoczyska siłownika S3, następuje obrót stołu o 180, do pozycji wyjściowej A, w której następuje opróżnienie tulei pomocniczej z resztek masy. a) b) 116 Nowa Sól 3-4.06.2004 r.
b) A A A-A Rys. 4. Schemat prototypu automatycznego urządzenia do pomiaru wilgotności mas formierskich: wersja I (a), wersja II (b). Po szczegółowej analizie do praktycznej realizacji skierowano prototyp urządzenia skonstruowany wg wersji I. Prototyp został wykonany przez Ośrodek Badawczo- Rozwojowy Elementów i Układów Pneumatyki w Kielcach. 4. Badania wstępne prototypu urządzenia do pomiaru wilgotności mas formierskich. Badania prototypowego urządzenia zrealizowano z użyciem masy przymodelowej stosowanej w Wydziale Odlewni Dolnośląskich Zakładów Mechanicznych ZANAM- LEGMET. Badana masa miała następujący skład: piasek kwarcowy-90,1%, bentonit-6,5%, nośnik węgla 3,4%, 117
Odlewnictwo XXI wieku technologie, maszyny i urządzenia odlewnicze woda- 1,2 3,4%. Zależność p m =f(w) dla badanej masy formierskiej zamieszczono na rys. 5. Prezentowaną zależność można aproksymować wielomianem p 2,711 10,082 x 9,406 x 2 3,743 x 3 0,464 x 4 m = + + (1) który obowiązuje w zakresie wilgotności W= 1,2 3.4%. 1,0 0,8 0,6 p m [MPa] 0,4 0,2 0,0 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 W[%] Rys. 5. ależność p m. =f(w) dla masy przymodelowej z Wydziału Odlewni ZANAM-LEGMET. Na rysunku 5 zilustrowano także granice przedziałów ufności, określone na poziomie ufności 95%, wyznaczone przy pomocy programu Statistica. Graniczny błąd pomiaru wilgotności wynosi 0,2% H 2 O. 5. Zakończenie. Zalety metody impulsowej, takie jak krótki czas i duża dokładność pomiaru, uzasadniają podjęte próby automatyzacji pomiaru tą metodą. Spośród wielu koncepcji konstrukcji prototypu automatycznego urządzenia, do realizacji wybrano wersję, która charakteryzuje się prostą i zwartą konstrukcją. W trakcie eksploatacji opracowane urządzenie wykazało się niezawodnością i pewnością wyników pomiaru. Uzyskane rezultaty badań świadczą o tym, że urządzenie to może być stosowane z powodzeniem do pomiarów wilgotności mas formierskich w warunkach przemysłowych. 6. Literatura. [1] Lewandowski L., Przygotowanie form odlewniczych: masy formierskie i rdzeniowe, WNT Warszawa, 1983. [2] Lewandowski L., Masy formierskie i rdzeniowe, WNT Warszawa, 1991. [3] Mikulczyński T., Samsonowicz Z., Więcławek R., Nowa metoda pomiaru wilgotności mas formierskich, Arch. Odlew. 2002, R. 2, nr 5, 118 Nowa Sól 3-4.06.2004 r.