堿酚醛樹脂砂混砂機流量控制系統(tǒng)的性能優(yōu)化分析

姜 濤 曹春江 郭吉杰 王 勇

(中國第二重型機械集團公司，四川618013)

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設 計

堿酚醛樹脂砂混砂機流量控制系統(tǒng)的性能優(yōu)化分析

姜 濤 曹春江 郭吉杰 王 勇

(中國第二重型機械集團公司，四川618013)

通過采用橢圓齒輪流量計，重新設計優(yōu)化電氣控制程序，實現(xiàn)液料系統(tǒng)(樹脂、固化劑)運行狀態(tài)實時監(jiān)控和自動糾偏功能，提升了設備運行的穩(wěn)定性和可靠性，較好地保障了型砂質量，取得了堿酚醛樹脂砂混砂機流量控制系統(tǒng)的突破。

堿酚醛樹脂砂；混砂機；監(jiān)控；糾偏

二重集團鑄鋼車間造型生產(chǎn)線使用的混砂機是國產(chǎn)第一代鑄造混砂設備，隨著用戶對產(chǎn)品質量和交貨期的要求越來越嚴格，設備經(jīng)過多年的使用，各項性能指標均有不同程度的下降，尤其設備的液料控制系統(tǒng)無流量檢測和PID控制，對液料流量的監(jiān)控全憑抽樣測量和職工的工作責任心，液料加入量不足或未加入的情況時有發(fā)生，液量系統(tǒng)的不穩(wěn)定因素對產(chǎn)品質量、成本、交貨期均有較大的影響。因此，在混砂機液料系統(tǒng)安裝流量檢測裝置，實現(xiàn)流量動態(tài)監(jiān)測，并且自動糾偏，是多年來迫切希望解決的問題。

1 國內堿酚醛樹脂砂混砂機應用情況

據(jù)調研，國內幾大重機鑄造混砂設備均未采用流量儀，從相關單位鑄造混砂設備的流量儀使用情況看，由于固化劑的流量過小，流量儀使用效果不理想，基本棄用。部分公司雖然在流量計的研發(fā)上付出了極大心血和成本，并且建立了專門的試驗平臺，但是目前主要是通過采購國外品牌的流量計進行改裝，并在廠內調試，目前尚無實際成功案例。

2 堿酚醛樹脂砂混砂機流量控制系統(tǒng)運用

2.1 混砂機流量儀計量失敗的原因分析

2.1.1 堿酚醛樹脂混砂液加入量參數(shù)

如果要實現(xiàn)對混砂機液料流量的控制，首先應解決液料流量的計量問題。要解決液料流量的計量問題。因此要先計算混砂機需求的液料量。堿酚醛樹脂混砂液料加入量參數(shù)：

60 t混砂機的樹脂加入量:60000×1.8%=1080 kg/h=0.3 kg/s；

樹脂密度：1.15 g/cm3～1.3 g/cm3；

固化劑的密度：1.1 g/cm3～1.2 g/cm3；

樹脂流量：300/(1.15～1.3)=(260～230)cm3/s=(0.26～0.23)L/s;

固化劑=快脂+慢脂；

固化劑的加入總流量=樹脂流量×23%=(0.060～0.053)L/s；

根據(jù)車間現(xiàn)有固化劑配比，在慢脂加入量占固化劑總量的90%，快脂加入量占固化劑總量的10%時, 此時快脂的流量是設備使用配比的最小流量，最小流量值為Vmin=(0.053～0.060) L/s×10%=(0.0053～0.0060)L/s。在快脂使用最低流量時的液料量只有0.006 L/s，要想檢測這樣小的流量值難度非常大。

2.1.2 流量計的種類與分析

目前國內外用于液體計量的流量計主要有壓差流量計、電磁流量計、轉子流量計、超聲波流量計等。由于混砂機的液料管路內無壓差，首先排除了壓差流量計。超聲波流量計主要用于大管徑、大流量的計量，且超聲波流量計的控制方式極其復雜，投入成本過高，因此不選用。

使用電磁流量計的前提是被測液體必須導電，不能低于閾值(即下限值)。電導率低于閾值會產(chǎn)生測量誤差導致不能使用，超過閾值即使變化也可以測量，且示值誤差變化不大。樹脂、固化劑的快脂和慢脂有微弱的導電性，其導電性在閾值范圍，由于快脂和慢脂的流量很小，電磁流量計在檢測時信號時有時無，無法實現(xiàn)有效測量和監(jiān)控。另外，樹脂和固化劑的強腐蝕性是電磁流量計無法克服的一道難題。

轉子流量計(又稱轉輪流量計)，屬于容積式流量計，在流量儀表中是精度較高的一類。它是利用機械測量元件把流體連續(xù)不斷地分割成單個已知的體積部分，根據(jù)計量室逐次、重復地充滿和排放該體積部分流體的次數(shù)來測量流量體積總量。我們嘗試選用了GF、圖爾克、ABB等國際知名品牌的轉子流量計，在使用中經(jīng)常出現(xiàn)齒輪卡死，不耐腐蝕，小流量時精度不夠，穩(wěn)定性差等問題，無法滿足生產(chǎn)使用條件。

因此，要解決混砂機的計量問題，必須先解決以下三個問題：

(1)解決流量計的耐腐蝕性問題。

(2)解決流量計的小流量計量精度問題。

(3)解決使用壽命問題。

2.2 流量計選型

通過對樹脂、固化劑的成分進行化驗、分析，根據(jù)樹脂、固化劑的特性，最終選擇了橢圓齒輪流量計進行試驗。

2.3 橢圓齒輪容積式流量儀工作原理

橢圓齒輪流量計由流量變送器和計數(shù)機構組成。變送器由裝有一對橢圓齒輪轉子的計量室和密封聯(lián)軸器組成。計數(shù)機構包含減速機構、調節(jié)機構、計數(shù)器、發(fā)訊器。計量室內由一對橢圓齒輪與蓋板構成初月形空腔，作為流量的計量單位。橢圓齒輪靠流量計進出口壓力差推動而旋轉，從而不斷地將液體經(jīng)初月形空腔計量后送至出口處，每轉流過的液體是初月形空腔的四倍，由密封聯(lián)軸器將橢圓齒輪轉動的總數(shù)以及旋轉的快慢傳遞給計數(shù)機構或發(fā)訊器，便可知道通過管道中液體總量和瞬時流量。流量計顯示儀表具有顯示總流量、瞬時流量、日期和回零功能。

橢圓齒輪流量計流量誤差與壓力損失曲線如圖1所示。流量計的基本誤差為：

E=(Vm-V)/V×100%。

式中，E是流量計誤差；Vm是流量計測得值；V是實際值。

1—樹脂 2—慢脂 3—快脂

圖1 橢圓齒輪流量計流量誤差

與壓力損失曲線圖

Figure 1 Curves of flow error and pressure loss

of elliptical gear flowmeter

2.4 橢圓齒輪容積式流量計的電氣控制設計

電氣控制方式是根據(jù)流量計測量的液料流量與理論流量之間進行比較的PID循環(huán)來控制液料系統(tǒng)的流量。系統(tǒng)啟動后，PLC輸出信號啟動變頻器，變頻器帶動電機旋轉，電機帶動液料泵運轉，液料從泵中抽出后由流量計進行監(jiān)測稱量，稱量的數(shù)據(jù)由PLC計算出來，我們稱之為稱量值。電氣控制圖如圖2所示。PLC通過比較理論值與稱量值之間的偏差，自動調節(jié)變頻器的頻率，控制電機轉速，從而控制液料的流量。當流量計檢測流量小于理論值時，則由變頻器提高頻率，調整電機運行轉速來提高液料流量，直至與理論值相同(偏差在5%以內)，變頻器在恒定頻率下控制電機勻速運轉。當流量計檢測流量大于理論值時，則由變頻器降低運行頻率，控制電機，降低轉速，直至稱量值與理論值相同(偏差在5%以內)。當PLC通過2 min的自動糾偏仍未能達到稱量值與理論值相同(偏差在5%以內)，系統(tǒng)自動報警并停止運行。

3 實施效果與評估

3.1 實時運行誤差分析

流量控制實際運行數(shù)據(jù)如圖3所示。

誤差計算為：

樹脂誤差E=(16.67-16.66)/16.66×100%=0.06%

表1 樹脂流量測試數(shù)據(jù)(kg)

Table 1 Resin flow test data(kg)

砂檔理論值實際稱量值稱量讀數(shù)123456.666.668.338.336.666.726.728.48.46.726.716.718.358.366.71

表2 慢脂和快脂流量測試數(shù)據(jù)(kg)

Table 2 Flow test data of slow resin and fast resin(kg)

慢脂快脂理論值實際稱量值稱量讀數(shù)理論值實際稱量值稱量讀數(shù)1-11-21-31-41-52-12-22-32-42-53-13-23-33-43-54-14-24-34-44-55-15-25-35-45-51.231.070.920.770.461.531.381.230.920.621.911.721.531.150.761.911.721.531.150.761.531.381.230.920.621.241.10.960.780.51.541.381.240.920.661.921.721.541.140.81.921.721.541.140.81.541.381.240.920.661.231.090.950.770.481.541.381.230.920.641.911.721.531.140.781.911.721.531.140.791.541.381.230.910.640.3060.460.620.771.0700.150.30.620.9200.190.380.761.1500.190.380.761.1500.150.30.620.920.320.460.620.781.0800.160.30.640.9200.20.380.761.1600.20.380.761.1600.160.30.640.920.310.450.620.771.070.000.150.290.630.920.000.190.380.761.150.000.190.380.761.150.000.150.290.630.92

慢脂誤差E=(3.07-3.06)/3.06×100%=0.3%

快脂誤差E=(0.8-0.76)/0.76×100%=5%

經(jīng)過計算，流量計在小流量時的誤差達到了5%，基本可滿足造型生產(chǎn)的需要。

3.2 測試數(shù)據(jù)比較

樹脂流量測試數(shù)據(jù)見表1。慢脂和快脂流量測試數(shù)據(jù)見表2。

從抽樣數(shù)據(jù)看，液料的實際稱量值(用磅秤隨機任意時段取樣)與流量計的監(jiān)測計量值偏差在0.01 kg/min以內。

圖2 電氣控制圖

Figure 2 Electric control chart

圖3 流量控制實際運行數(shù)據(jù)圖

Figure 3 The chart of flow control actual operation data

表3 混砂機型砂強度實驗測試數(shù)據(jù)

Table 3 Test data of molding sand strength for sand mixer

序號砂檔24h強度/MPa1234567892233345550.18,0.17,0.15,0.17,0.19,0.180.24,0.23,0.24,0.26,0.220.34,0.39,0.35,0.44,0.420.41,0.44,0.39,0.35,0.480.38,0.41,0.38,0.47,0.43,0.420.41,0.42,0.45,0.48,0.45,0.430.54,0.57,0.59,0.7,0.68,0.630.61,.062,0.56,0.63,0.64,0.70.65,0.73,0.69,0.63,0.57,0.69

3.3 型砂強度分析

混砂機型砂強度分析見表3。

從各檔位的型砂強度取樣數(shù)據(jù)來看，型砂強度比較均勻?；焐皺C的穩(wěn)定性和可靠性進一步增強。

4 結論

混砂機橢圓齒輪流量計的成功應用，改進了對混砂機液料流量的監(jiān)控和測量，保證了液量系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高了型砂質量。雖然流量計的使用壽命還需要繼續(xù)驗證，但是我們在原來沒有任何檢測辦法的基礎上前進了一大步。從設備改進、成本管理、質量提升、效率提高等方面將會有巨大的改善和提高。

編輯 陳秀娟

Analysis on Performance Optimization of Flow Control System of Alkaline Phenolic Resin Sand Mixer

Jiang Tao, Cao Chunjiang, Guo Jijie, Wang Yong

By adopting the elliptical gear flowmeter, and designing and optimizing the electrical control procedures again, the operation state of liquid material system (resin and curing agent) can be monitored at real time and can be corrected automatically, which enhance the operation stability and reliability of equipment, and guarantee the quality of molding sand, and make the flow control system of alkaline phenolic resin sand mixer achieve breakthrough.

alkaline phenolic resin sand；sand mixer； monitoring; correcting

2016—09—01

TG231.2

B