姜 涛 曹春江 郭吉杰 王 勇

(中国第二重型机械集团公司，四川618013)



设 计

碱酚醛树脂砂混砂机流量控制系统的性能优化分析

姜 涛 曹春江 郭吉杰 王 勇

(中国第二重型机械集团公司，四川618013)

通过采用椭圆齿轮流量计，重新设计优化电气控制程序，实现液料系统(树脂、固化剂)运行状态实时监控和自动纠偏功能，提升了设备运行的稳定性和可靠性，较好地保障了型砂质量，取得了碱酚醛树脂砂混砂机流量控制系统的突破。

碱酚醛树脂砂；混砂机；监控；纠偏

二重集团铸钢车间造型生产线使用的混砂机是国产第一代铸造混砂设备，随着用户对产品质量和交货期的要求越来越严格，设备经过多年的使用，各项性能指标均有不同程度的下降，尤其设备的液料控制系统无流量检测和PID控制，对液料流量的监控全凭抽样测量和职工的工作责任心，液料加入量不足或未加入的情况时有发生，液量系统的不稳定因素对产品质量、成本、交货期均有较大的影响。因此，在混砂机液料系统安装流量检测装置，实现流量动态监测，并且自动纠偏，是多年来迫切希望解决的问题。

1 国内碱酚醛树脂砂混砂机应用情况

据调研，国内几大重机铸造混砂设备均未采用流量仪，从相关单位铸造混砂设备的流量仪使用情况看，由于固化剂的流量过小，流量仪使用效果不理想，基本弃用。部分公司虽然在流量计的研发上付出了极大心血和成本，并且建立了专门的试验平台，但是目前主要是通过采购国外品牌的流量计进行改装，并在厂内调试，目前尚无实际成功案例。

2 碱酚醛树脂砂混砂机流量控制系统运用

2.1 混砂机流量仪计量失败的原因分析

2.1.1 碱酚醛树脂混砂液加入量参数

如果要实现对混砂机液料流量的控制，首先应解决液料流量的计量问题。要解决液料流量的计量问题。因此要先计算混砂机需求的液料量。碱酚醛树脂混砂液料加入量参数：

60 t混砂机的树脂加入量:60000×1.8%=1080 kg/h=0.3 kg/s；

树脂密度：1.15 g/cm3～1.3 g/cm3；

固化剂的密度：1.1 g/cm3～1.2 g/cm3；

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

固化剂=快脂+慢脂；

固化剂的加入总流量=树脂流量×23%=(0.060～0.053)L/s；

根据车间现有固化剂配比，在慢脂加入量占固化剂总量的90%，快脂加入量占固化剂总量的10%时, 此时快脂的流量是设备使用配比的最小流量，最小流量值为Vmin=(0.053～0.060) L/s×10%=(0.0053～0.0060)L/s。在快脂使用最低流量时的液料量只有0.006 L/s，要想检测这样小的流量值难度非常大。

2.1.2 流量计的种类与分析

目前国内外用于液体计量的流量计主要有压差流量计、电磁流量计、转子流量计、超声波流量计等。由于混砂机的液料管路内无压差，首先排除了压差流量计。超声波流量计主要用于大管径、大流量的计量，且超声波流量计的控制方式极其复杂，投入成本过高，因此不选用。

使用电磁流量计的前提是被测液体必须导电，不能低于阈值(即下限值)。电导率低于阈值会产生测量误差导致不能使用，超过阈值即使变化也可以测量，且示值误差变化不大。树脂、固化剂的快脂和慢脂有微弱的导电性，其导电性在阈值范围，由于快脂和慢脂的流量很小，电磁流量计在检测时信号时有时无，无法实现有效测量和监控。另外，树脂和固化剂的强腐蚀性是电磁流量计无法克服的一道难题。

转子流量计(又称转轮流量计)，属于容积式流量计，在流量仪表中是精度较高的一类。它是利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分，根据计量室逐次、重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流量体积总量。我们尝试选用了GF、图尔克、ABB等国际知名品牌的转子流量计，在使用中经常出现齿轮卡死，不耐腐蚀，小流量时精度不够，稳定性差等问题，无法满足生产使用条件。

因此，要解决混砂机的计量问题，必须先解决以下三个问题：

(1)解决流量计的耐腐蚀性问题。

(2)解决流量计的小流量计量精度问题。

(3)解决使用寿命问题。

2.2 流量计选型

通过对树脂、固化剂的成分进行化验、分析，根据树脂、固化剂的特性，最终选择了椭圆齿轮流量计进行试验。

2.3 椭圆齿轮容积式流量仪工作原理

椭圆齿轮流量计由流量变送器和计数机构组成。变送器由装有一对椭圆齿轮转子的计量室和密封联轴器组成。计数机构包含减速机构、调节机构、计数器、发讯器。计量室内由一对椭圆齿轮与盖板构成初月形空腔，作为流量的计量单位。椭圆齿轮靠流量计进出口压力差推动而旋转，从而不断地将液体经初月形空腔计量后送至出口处，每转流过的液体是初月形空腔的四倍，由密封联轴器将椭圆齿轮转动的总数以及旋转的快慢传递给计数机构或发讯器，便可知道通过管道中液体总量和瞬时流量。流量计显示仪表具有显示总流量、瞬时流量、日期和回零功能。

椭圆齿轮流量计流量误差与压力损失曲线如图1所示。流量计的基本误差为：

E=(Vm-V)/V×100%。

式中，E是流量计误差；Vm是流量计测得值；V是实际值。

1—树脂 2—慢脂 3—快脂

图1 椭圆齿轮流量计流量误差

与压力损失曲线图

Figure 1 Curves of flow error and pressure loss

of elliptical gear flowmeter

2.4 椭圆齿轮容积式流量计的电气控制设计

电气控制方式是根据流量计测量的液料流量与理论流量之间进行比较的PID循环来控制液料系统的流量。系统启动后，PLC输出信号启动变频器，变频器带动电机旋转，电机带动液料泵运转，液料从泵中抽出后由流量计进行监测称量，称量的数据由PLC计算出来，我们称之为称量值。电气控制图如图2所示。PLC通过比较理论值与称量值之间的偏差，自动调节变频器的频率，控制电机转速，从而控制液料的流量。当流量计检测流量小于理论值时，则由变频器提高频率，调整电机运行转速来提高液料流量，直至与理论值相同(偏差在5%以内)，变频器在恒定频率下控制电机匀速运转。当流量计检测流量大于理论值时，则由变频器降低运行频率，控制电机，降低转速，直至称量值与理论值相同(偏差在5%以内)。当PLC通过2 min的自动纠偏仍未能达到称量值与理论值相同(偏差在5%以内)，系统自动报警并停止运行。

3 实施效果与评估

3.1 实时运行误差分析

流量控制实际运行数据如图3所示。

误差计算为：

树脂误差E=(16.67-16.66)/16.66×100%=0.06%

表1 树脂流量测试数据(kg)

Table 1 Resin flow test data(kg)

砂档理论值实际称量值称量读数123456.666.668.338.336.666.726.728.48.46.726.716.718.358.366.71

表2 慢脂和快脂流量测试数据(kg)

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

慢脂快脂理论值实际称量值称量读数理论值实际称量值称量读数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

慢脂误差E=(3.07-3.06)/3.06×100%=0.3%

快脂误差E=(0.8-0.76)/0.76×100%=5%

经过计算，流量计在小流量时的误差达到了5%，基本可满足造型生产的需要。

3.2 测试数据比较

树脂流量测试数据见表1。慢脂和快脂流量测试数据见表2。

从抽样数据看，液料的实际称量值(用磅秤随机任意时段取样)与流量计的监测计量值偏差在0.01 kg/min以内。

图2 电气控制图

Figure 2 Electric control chart

图3 流量控制实际运行数据图

Figure 3 The chart of flow control actual operation data

表3 混砂机型砂强度实验测试数据

Table 3 Test data of molding sand strength for sand mixer

序号砂档24h强度/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 型砂强度分析

混砂机型砂强度分析见表3。

从各档位的型砂强度取样数据来看，型砂强度比较均匀。混砂机的稳定性和可靠性进一步增强。

4 结论

混砂机椭圆齿轮流量计的成功应用，改进了对混砂机液料流量的监控和测量，保证了液量系统的稳定性，提高了型砂质量。虽然流量计的使用寿命还需要继续验证，但是我们在原来没有任何检测办法的基础上前进了一大步。从设备改进、成本管理、质量提升、效率提高等方面将会有巨大的改善和提高。

编辑 陈秀娟

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

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