智能化型砂性能测控系统的研制

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1、智能化型砂性能测控系统的研制张立光李彤吴浚郊（清华大学机械工程系，北京100084）刘升迁（青岛天恒机械有限公司，山东省平度市266721）    摘要本文介绍了一套智能化型砂性能在线检测与控制系统的设计原理及其工业现场应用。实践证明，该系统能够准确地测量型砂的紧实率、湿压强度，并能够将型砂的紧实率波动控制在±3％的范围之内，使型砂质量保持稳定，应用效果良好。关键词型砂；紧实率；在线检测；质量控制    Abstract:Agreensandon-linetestandcontrolsystemhasbeendevelopedforfoundrysandprepar

2、ationplants.Itisusedtotestthepropertiesofthemouldingsandon-lineandtocontroltheactualsandcompactabilitywithinthepresetproduction-adaptedtolerancezonebycontrollingthewateradditions.Itsapplicationinfoundryshopshasachievedwonderfulresults.    目前，粘土砂湿型铸造依然是全世界应用最广泛的铸造方法。在粘土砂湿型铸造生产过程中，型砂的性能对

3、铸件质量、废品率有着极大的影响，据资料统计，铸造车间的废品有45－55%可归因于型砂的成分变化和质量波动。日益加剧的市场竞争要求现代化的铸造企业必需生产出质量更好、可靠性更高、壁厚更薄、价格更低的近终形铸件，要想实现这一目标，必须严格控制型砂质量。    计算机技术和自动控制技术引进到铸造生产线上，大幅度提高了铸造车间的机械化和自动化程度。各种高效造型生产线的应用，大大提高了造型效率，要求混砂机的混砂效率相应地提高，对型砂性能、质量也提出了更加严格的要求。    国内一些大中型机械、汽车企业的铸造车间，已经引进了一系列先进的造型生产线，但大部分没有引进配套的质量管理

4、系统，型砂性能检测和物料补加量的计算仍然主要依靠人工凭经验进行，无法满足现代化生产的要求，迫切需要一套有效实的时计算机集成监控系统。    在此前提之下，清华大学与青岛天泰机械有限公司合作开发了C1812智能化型砂性能测控系统，并在华源莱动内燃机有限公司铸造分厂（以下简称“莱动厂”）进行了一年多的生产验证。    1.智能化型砂性能测控系统的设计原理现代化的高效造型线要求砂处理工部提供性能、质量稳定的型砂，目前型砂质量控制发展趋势是将组分控制的思想和在线检测、控制技术相结合，从砂系统总量平衡出发确定物料的补加量。由于生产过程的不确定性以及参数检测的偏差，常需根据每一

5、碾砂的检测数据修正系统的物料补加值，开发实时、在线的型砂性能检测与控制系统就成了实现组分稳定控制的关键。    对于粘土砂而言，型砂中的水分是影响型砂性能和质量的最重要的因素之一。紧实率是表示型砂中粘土与调匀水的比例是否适当并且适宜于造型的一种综合性指标，与水分有关，与其它成分也有着间接的联系。一般认为：紧实率反映型砂的可紧实性、韧性和对水分的敏感性，即反映了型砂的调性程度，是最重要的指标之一。实践证明，通过检测紧实率，可以调整加水量；把紧实率控制在一定的范围，即可保证水分的相对稳定，同时使型砂获得一定的湿压强度、韧性和流动性等最佳综合性能。    在死粘土含量及紧

6、实率一定的情况下，湿压强度可以作为反映型砂有效膨润土的含量指标，因此紧实率和湿压强度是最具有代表性的型砂性能指标。Volkmann通过多年的型砂试验证明，若紧实率和湿压强度值在规定的范围内，其有效粘土含量一定比较合适；随水分变化的湿压强度的测量值可以指示出粘土泥分的大小。他认为需要经常检测的性能只有三个：湿压强度、水分、紧实率。    基于上述研究，清华大学与青岛天泰机械有限公司结合国内铸造厂家的砂处理系统的实际情况，从结构简单、实用可靠的角度出发，合作研制了一套实用的“C1812智能化型砂性能测控系统”，能够在线检测型砂的紧实率、湿压强度和型砂温度与环境温度的差值

7、，并根据紧实率和水分的关系实时控制混砂机内水的补加量，从而将型砂紧实率控制在工艺规范要求的范围之内，保证型砂质量的基本稳定，满足后续工序的需要。    2.智能化型砂性能测控系统的设计框架    智能化型砂性能测控系统作为一套在线检测与控制系统，其工作环境粉尘大、干扰多，条件十分恶劣，所以整套系统采用由一台PC总线的工业控制计算机作为上位机，用可编程序控制器（PLC）作为下位机，加上以压缩空气为动力源的执行机构。图1所示为本系统的整体设计框架。图1智能化型砂性能测控系统整体框架    工业PC具有一定的抗干扰能力，具有防尘、防强电、防电磁、防热等特点，完全能够应