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
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]:
Ui i T i C Ci p F x k x k p G G (1) gdzie: Ci
p - nacisk cakowity w i-tej warstwie masy formierskiej,
G
C
k - wspóczynnik sprystoci masy formierskiej,
G
T
k - wspóczynnik lepkoci formierskiej,
Ui
p - nacisk w i-tej warstwie, bdcy efektem zagszczania masy formierskiej,
i
x - 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
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.
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].
ekspery-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.
