Referaty sesja 5p.indd - Pomiary Automatyka Robotyka

Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
prof. 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 pracy zaprezentowano wykorzystanie piezoelektrycznych czujników cinie do
pomiaru nacisków w orodkach rozdrobnionych, w szczególnoci do pomiaru
nacisków w masach formierskich. Aby zapewni bezkierunkowy pomiar cinie
w orodkach rozdrobnionych czujnik musi by wyposaony w bezinercyjny
adaptor cieczowy, umoliwiajcy bezinercyjny i bezkierunkowy pomiar. Wyniki
pomiarów nacisków, w procesie dynamicznego zagszczania mas formierskich,
mona wykorzysta do eksperymentalnej weryfikacji opracowanego
przestrzennego modelu matematycznego procesu dynamicznego zagszczania
i deformacji masy formierskiej. Wyniki te mog równie suy okrelaniu
wytrzymaoci formy.
PRESSURE MEASUREMENT IN DISINTEGRATED MEDIUM
Application of a piezoelectric sensor for pressure measurement in disintegrated
medium (e.g. moulding sand) has been presented. For non-directional pressure
measurement in disintegrated medium, a piezoelectric sensor must be equipped
with intertialess liquid adaptor. Results of pressure measurement during dynamic
moulding sand densening process can be used for experimental 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 pomiarów cinie s czujniki piezoelektryczne.
Czujniki te charakteryzuj si niewielkimi rozmiarami oraz bardzo du precyzj
i liniowoci w caym zakresie pomiarowym, reagujc na bardzo szybkie zmiany wartoci
cinienia o czstotliwoci rzdu 100–200 kHz, umoliwiajc przy tym pomiary cinie
szybkozmiennych, o amplitudzie sigajcej kilkuset MPa.
Standardowe czujniki piezoelektryczne, np. 601A firmy Kistler, stosowane s gównie do
pomiarów cinie w orodkach cigych, jakimi s ciecze oraz gazy. Z tego powodu ich
bezporednie wykorzystanie do pomiarów cinie w orodkach rozdrobnionych, takich jak
grunty oraz masy formierskie, nie jest moliwe.
Pomiary nacisków w orodkach rozdrobnionych, z uyciem czujnika piezoelektrycznego, s
moliwe jedynie w przypadku zastosowania elementu poredniczcego, przekazujcego
mierzon wielko do czujnika. Najlepszym elementem poredniczcym jest cieczowy,
bezinercyjny adaptor opracowany w Instytucie Technologii Maszyn i Automatyzacji
Politechniki Wrocawskiej [3].
Prowadzone w Laboratorium Podstaw Automatyzacji Instytutu Technologii Maszyn
i Automatyzacji Politechniki Wrocawskiej pomiary nacisków w masach formierskich, su
automation 2009
727
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
do eksperymentalnej weryfikacji opracowanego przestrzennego modelu matematycznego
procesu dynamicznego zagszczania mas formierskich [2]. Badania te mog równie
prowadzi do oceny wytrzymaoci formy w dowolnej jej objtoci [3].
2. MECHANIZM PROCESU ZAGSZCZANIA MAS FORMIERSKICH
Podczas procesu dynamicznego prasowania masa formierska odksztaca si, nastpstwem
czego jest jej plastyczne pynicie. Zagszczana masa formierska uzyskuje bardzo du
energi kinetyczn i prdko ruchu, która pochodzi od czynnika stanowicego wymuszenie
(pyty prasujcej w przypadku dynamicznego prasowania lub strumienia spronego
powietrza w procesie impulsowym). Kolejne warstwy masy formierskiej przemieszczaj si
w kierunku nieruchomej pyty modelowej. Naciski prasujce pp, bdce efektem zagszczania
si masy formierskiej, w poszczególnych warstwach masy, poczwszy od najwyej
pooonej, maj odwrotny charakter ni uzyskiwane prdkoci ruchu. Najwiksze wartoci s
w warstwach masy najbliej pooonych w stosunku do pyty modelowej, malej natomiast
w miar oddalania si od niej. Przebieg zmian nacisków w funkcji czasu trwania procesu
dynamicznego zagszczania mas formierskich ma w przyblieniu charakter gasncej
sinusoidy [1,2].
Na podstawie analizy procesu zagszczania masy formierskiej mona stwierdzi, e naciski,
w poszczególnych fazach procesu zagszczania, przyjmuj nastpujc posta:
x W stanach nieustalonych naciski w masach formierskich stanowi sum nacisków
wewntrznych zwizanych z odksztaceniem i tarciem wewntrznym masy oraz bdcych
efektem zagszczenia masy.
x Warto nacisków w stanach ustalonych jest sum nacisku prasujcego (pp) i nacisku
bdcego wynikiem zagszczenia masy (pui), który wyraa wytrzymao jak masa
uzyskaa w wyniku zagszczenia.
Nacisk cakowity w masie formierskiej mona opisa nastpujc zalenoci [2,6]:
pCi
k C G ˜ xi kT G ˜ x i
pUi
F
(1)
gdzie:
pCi
- nacisk cakowity w i-tej warstwie masy formierskiej,
kC G - wspóczynnik sprystoci masy formierskiej,
kT G - wspóczynnik lepkoci formierskiej,
pUi
- nacisk w i-tej warstwie, bdcy efektem zagszczania masy formierskiej,
xi
- wspórzdna pooenia i-tej warstwy,
F
- powierzchnia przekroju poprzecznego skrzynki formierskiej.
3. POMIARY NACISKÓW W MASACH FORMIERSKICH
Pomiary nacisków w masie formierskiej moliwe s dziki wykorzystaniu piezoelektrycznych
czujników cinie z zainstalowanym adaptorem cieczowym (rys. 1). Opracowany adaptor
umoliwia bezinercyjny pomiar bezkierunkowego cinienia wewntrz orodka
rozdrobnionego. Niewielkie rozmiary czujników cinie wyposaonych w adapter cieczowy
728
automation 2009
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
umoliwiaj umieszczenie ich i dokonanie pomiaru nacisków w dowolnym miejscu masy
formierskiej.
Rys. 1. Schemat czujnika do pomiarów nacisków w masie formierskiej: czujnik
piezoelektryczny typ 601A firmy Kistler (1), adaptor cieczowy (2)
Schemat procesu dynamicznego zagszczania masy formierskiej, procesu impulsowego, oraz
tor pomiarowy przedstawiono na rys. 2. Tor pomiarowy do rejestracji nacisków w masach
formierskich skada si z piezoelektrycznych czujników C1 – C3, umieszczonych na trzech
rónych wysokociach supa masy, wzmacniaczy adunków W1 – W3, moduu akwizycji
danych M oraz komputera PC.
Rys. 2. Schemat procesu impulsowego zagszczania mas formierskich oraz toru
pomiarowego: GI – gowica impulsowa, ZI – zawór impulsowy, SF – skrzynka
formierska, MF – masa formierska, C1, 2, 3 – piezoelektryczne czujniki firmy Kistler
typ 601A z cieczowym adaptorem, W1, 2, 3 – wzmacniacz adunku firmy Kistler typ
5015A, M – modu akwizycji danych Keithley KUSB 3100, PC – komputer
Proces impulsowego zagszczania mas formierskich rozpoczyna si w momencie napenienia
spronym powietrzem, do zadanej wartoci cinienia pocztkowego p0, zbiornika
akumulacyjnego gowicy impulsowej GI. Otwarcie zaworu impulsowego ZI powoduje nagy
wzrost cinienia w skrzynce nad mas formiersk, efektem czego jest plastyczne pynicie
masy i jej zagszczenie. Przebiegi zmian nacisków w masie formierskiej, mierzone na trzech
rónych wysokociach supa masy, s rejestrowane od momentu otworzenia zaworu
impulsowego ZI i zapisywane na komputerze.
automation 2009
729
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
4. WYNIKI BADA
Rys. 3 przedstawia wyniki pomiarów nacisków cakowitych pc w masie formierskiej
zagszczanej impulsowo, zmierzone na trzech rónych wysokociach: przy pycie modelowej,
przebieg nacisków pc1, po rodku wysokoci skrzynki formierskiej – pc2, przy powierzchni
masy formierskiej – pc3. Naciski bdce wynikiem umocnienia masy formierskiej stanowi
rónic pomidzy wartociami nacisków cakowitych pc i cinienia p1 w przestrzeni
technologicznej nad mas formiersk.
Rys. 3. Przebiegi zmian nacisków cakowitych pc=f(t) zmierzone na trzech wysokociach
zagszczanego supa masy oraz cinienia p1 w przestrzeni technologicznej
Zaprezentowane wyniki pomiarów potwierdzaj, e czujniki piezoelektryczne wyposaone
w bezinercyjny cieczowy adaptor, mog by stosowane do pomiarów nacisków
w dynamicznie zagszczanej masie formierskiej. Ponadto, znajomo przebiegów zmian
nacisków w masie formierskiej, umoliwia okrelenie jej wytrzymaoci, która w przyblieniu
równa jest wartoci nacisku pu, wynikajcego z zagszczenia i umocnienia masy formierskiej.
Na rys. 4 przedstawiono wyniki bada symulacyjnych i eksperymentalnych pomiarów
nacisków w procesie dynamicznego zagszczania masy formierskiej, zmierzone przy pycie
modelowej, przeprowadzone dla dwóch rónych wartoci cinie zasilania p0. Wyniki te
stanowi podstaw do weryfikacji stworzonego przestrzennego matematycznego modelu
deformacji i zagszczania mas formierskich, opracowanego w oparciu o model reologiczny
orodków rozdrobnionych, opisany w pracy [3].
Rys. 4.
730
Zmiany nacisku cakowitego pC=f(t),wyniki bada symulacyjnych i eksperymantalnych dla cinie zasilania: p0=0,5 MPa (a) p0=0,6 MPa (b).
automation 2009
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
5. ZAKOCZENIE
Znajomo przebiegu procesu zagszczania mas formierskich, w szczególnoci znajomo
stopnia zagszczenia i zmian wartoci nacisków w dowolnej objtoci formy, umoliwia
sterowanie tym procesem poprzez odpowiedni dobór konstrukcji i parametrów pracy
formierek do dynamicznego zagszczania mas formierskich. W pracy przedstawiono metod
pomiaru nacisków w orodkach rozdrobnionych takich jak np. masy formierskie. Do
pomiarów nacisków w orodkach rozdrobnionych mona wykorzysta piezoelektryczny
czujnik cinie wyposaony w element poredniczcy. Zaprezentowany specjalny adaptor
cieczowy spenia to zadanie, umoliwiajc bezinercyjny pomiar bezkierunkowego cinienia
wewntrz orodka rozdrobnionego. Wyniki pomiarów nacisków potwierdzaj suszno
zastosowania czujników piezoelektrycznych wraz z cieczowym adaptorem do pomiarów
nacisków w dynamicznie zagszczanej masie formierskiej. Badanie przebiegów zmian
nacisków w masach formierskich moe suy do weryfikacji przestrzennego modelu
matematycznego procesu dynamicznego zagszczania mas formierskich oraz do okrelania
wytrzymaoci masy formierskiej.
6. LITERATURA
[1] T. Mikulczyski, M. Bogdan, S. Ciskowski, . Dworzak: Mechanism of impulse
compacting of moulding sands. Archives of Foundry Engineering. 2008 vol. 8, spec. iss.
1.
[2] M. Ganczarek, S. Ciskowski, T. Mikulczyski: 3D model of impulse compaction of
moulding sands model. Archives of Foundry Engineering. 2008 vol. 7, iss. 1.
[3] T. Mikulczyski, S. Ciskowski, M. Ganczarek, D. Nowak, . Dworzak: Modelling of
rheological properties of selected disintegrated media. Archives of Metallurgy and
Materials. 2007 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. 2006 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, 2006.
[6] M. Ganczarek: Model matematyczny impulsowego zagszczania mas formierskich, Praca
doktorska, Raporty ITMiA PWr, Ser. PRE Nr. 3, Wrocaw, 2003.
automation 2009
731