专利名称：铸造用湿型粘土砂质量参数快速分析方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及现代铸造中湿型粘土砂有效粘土含量和含水量的测试方法，还涉及湿型粘土砂有效粘土含量和含水量及透气性和综合强度等多项质量参数的检测装置。
背景技术：
湿型粘土砂是当今铸造界使用最多的造型材料，有效粘土含量及含水量是影响型砂性能的重要因素。目前，由于缺少快速检测手段，型砂有效粘土含量无法在线测得，直接影响了湿型粘土砂质量的优化控制。国内外一直普遍采用亚甲基兰滴定法直接测定型砂有效粘土含量或采用紧实率方法等间接表征有效粘土含量。前者由于测试周期长、测试程序复杂而只能用作实验室条件下的分析方法，后者由于影响因素过多而不能获得满意测试结果。
发明内容
为了克服已有的粘土砂检测方法测试周期长、测试程序复杂的缺陷，提供一种铸造用湿型粘土砂质量参数快速分析方法及装置。本发明通过下述方案实现一种铸造用湿型粘土砂质量参数快速分析方法，它通过下述步骤完成一、制取所测粘土砂的样块；二、在样块中通以交流电并测出此样块的交流导电能力；三、在样块中通以直流电并测出此样块的初始直流导电能力和直流导电能力变化率；四、测量样块的温度和样块的紧实率；五、把测量所得的样块的交流导电能力、初始直流导电能力、直流导电能力变化率、温度和紧实率的值输入计算机数据库，该数据库是以样块的交流导电能力、初始直流导电能力、直流导电能力变化率、温度和紧实率为输入变量，以样块的有效粘土含量和含水量为输出变量的人工神经网络数学模型。本发明的方法与现有技术比较，具有如下主要优点(1)与亚甲基兰滴定法测定型砂有效粘土含量相比，本发明的方法具有测试速度快、易于实现在线检测的优点。目前，铸造界普遍采用亚甲基兰滴定法在实验室条件下测定型砂有效粘土含量，因操作过程复杂、测试周期长而无法用于在线检测。应用本发明可在瞬间获得电信号测试结果，直接送入电测系统即可实现在线监测。(2)与紧实率法测定型砂有效粘土含量相比，本发明的方法具有测试准确度高的优点。由于没有快速测定型砂有效粘土含量的直接方法，紧实率方法曾被许多工厂用来间接测定粘土含量。事实上，紧实率确实与粘土含量有对应关系，但死粘土的影响不易被消除，因而测试准确性受到很大影响。本发明以与有效粘土含量直接相关的导电特性为信息参数，测试结果是有效粘土含量的直接表征，具有较高的准确度。
本发明还提供了一种铸造用湿型粘土砂质量参数快速分析装置。它包括机构框架1、筛砂电机2、筛砂筒3、筛网12、漏斗4、两根漏斗连杆5、辅助筒6、纵向底层导轨7、样筒底板8、小车9、小车轮9-1、上样筒支架11、上样筒13、下样筒14、横向滑动导轨15、滚动体17、底板气缸18、样筒气缸19、小车移动气缸20、压实气缸21、位移传感器22、二号压力传感器16、称重传感器26和强度检测气缸27。辅助筒6的内壁上固定有左砂位电极6-1和右砂位电极6-2，下样筒14的内表面上设置有温度传感器14-1、左弧型电极14-2和右弧型电极14-3，左弧型电极14-2与右弧型电极14-3相对设置。纵向底层导轨7设置在机构框架1的底部，连接在小车9底部的小车轮9-1滚动在纵向底层导轨7中，横向滑动导轨15固定在小车9的上表面上，样筒底板8滑动在横向滑动导轨15中，上样筒支架11的下端固定在横向滑动导轨15上，上样筒支架11的上端固定有上样筒13，样筒底板8的表面上沿横向并列开有大退砂孔8-1和小退砂孔8-2，下样筒14搁置在样筒底板8的上表面，沿横向滑动导轨15的方向设置的样筒气缸19的活塞杆的端部固定在下样筒14的外表面，沿横向滑动导轨15的方向设置的底板气缸18的活塞杆的端部固定在样筒底板8的端部，滚动体17设置在样筒底板8与小车9之间，为样筒底板8提供支撑，透气性检测气缸23、强度检测气缸27、筛砂电机2和压实气缸21的上端都固定在机构框架1的上端，强度检测气缸27和压实气缸21的活塞杆都指向下方，二号压力传感器16设置在压实气缸21的活塞杆与缸体之间，以检测活塞杆向下的压力，称重传感器26设置在强度检测气缸27的活塞杆中，以检测强度检测气缸27向下的压力，位移传感器22设置在压实气缸21的侧面，以检测压实气缸21的活塞杆的位移，筛砂电机2的输出轴下端固定有筛砂桨2-1，筛砂桨2-1伸入在筛砂筒3中，筛砂筒3固定在机构框架1上，筛砂筒3的下方依次设置筛网12和漏斗4，筛网12覆盖并固定在漏斗4的上口，筛网12的一侧铰接在筛砂筒3的下端，两根漏斗连杆5的上端都铰接在筛网12的另一侧，两根漏斗连杆5的下端都铰接在上样筒支架11上。漏斗4的下口与固定在机构框架1上的辅助筒6的上口相对应。抗拉、抗压、抗剪强度是湿型粘土砂的重要性能指标，以往三项指标要通过制取三种不同标准砂样，分三次测试方能获得。本发明提出的装置可利用测定型砂有效粘土含量和含水量所用砂样，在如附图6所示的快速自动制样与测试机构的综合强度工位一次完成测试。装有标准砂样的下样筒14被推至第四工位后(见图14和图15)，强度检测气缸27驱动称重传感器26和活塞杆下降，在活塞杆贯入标准砂样的进程中，称重传感器26可实时感受活塞杆顶出砂柱所受的阻力变化，顶出砂柱全过程的受力曲线由数据采集与处理单元实时纪录。由于顶出砂柱要克服砂粒或砂团之间的粘结力，此种粘结力与砂样的抗拉、抗压和抗剪强度直接相关，因此通过分析受力曲线可以实现型砂抗拉、抗压和抗剪强度即综合强度的表征。传统的杠杆式或液压式万能强度试验仪测定砂样的抗拉、抗压、抗剪强度需要采用三锤制样机分别制备3个标准砂样，进行3次测量，因操作过程复杂而无法用于在线检测。其它型砂强度自动测定装置虽可自动制样，但无法解决分次测试问题。本发明以一个参数表征砂样的综合强度，并与其它测试项目共用同一个标准砂样，从而大大简化了测试步骤，提高了测试速度，可实现在线监测。
图1是本发明实施方式一中型砂的交直流导电特性测定原理图，图2至图5是各种参数条件下型砂的导电能力的曲线图，图6是本发明实施方式二的结构示意图，图7是实施方式二中辅助筒6、上样筒13和下样筒14的结构示意图，图8是实施方式二中本装置在工位1时图6的B向视图，图9是图8的侧视图，图10是实施方式二中本装置在工位2时图6的B向视图，图11是图10的侧视图，图12是实施方式二中本装置在工位3时图6的B向视图，图13是图12的侧视图，图14是实施方式二中本装置在工位4时图6的B向视图，图15是图14的侧视图，图16是实施方式二中本装置在工位5时图6的B向视图，图17是图16的侧视图，图18是本发明实施方式一中人工神经网络拓扑结构示意图，图19是实施方式三的结构示意图。
具体实施例方式
具体实施方式
一下面结合图1至图5和图18具体说明本实施方式。本发明通过下述方案实现一种铸造用湿型粘土砂质量参数快速分析方法，它通过下述步骤完成一、制取所测粘土砂的样块；二、在样块中通以交流电并测出此样块的交流导电能力；三、在样块中通以直流电并测出此样块的初始直流导电能力和直流导电能力变化率；四、测量样块的温度和样块的紧实率；五、把测量所得的样块的交流导电能力、初始直流导电能力、直流导电能力变化率、温度和紧实率值输入计算机数据库，该数据库是以样块的交流导电能力、初始直流导电能力、直流导电能力变化率、温度和紧实率为输入变量，以样块的有效粘土含量和含水量为输出变量的人工神经网络数学模型对标准砂样先后两次实施交流电源和直流电源激励，利用测得的砂样交流导电能力、初始直流导电能力、直流导电能力变化率以及在制样过程中获得的其它信息参数求解有效粘土含量及含水量的新方法，可在几秒钟时间内获得测试结果。湿型粘土砂主要由石英砂、粘土和水等组分构成。型砂中的水以三种形式存在，一部分被粘土吸附形成具有粘结力的粘结水，一部分进入粘土层之间成为层间水，其余部分则以自由水形式存在于砂粒之间。粘土及水中的电解质在外电场作用下将发生电离，离解出的离子一部分被粘结水及粘土所吸附，另一部分则游离于自由水中。粘土砂中水分越大，自由水就越多，游离于自由水中的离子相对于被粘结水所吸附的离子数就越多，使离子在电场作用下移向电极的阻力越小，宏观上表现为砂样的电阻值越小，反之则砂样电阻值越大。说明湿型粘土砂以离子导电为主，其导电能力受含水量及有效粘土含量等因素综合影响。理论和实验研究表明，湿型粘土砂在恒定电场作用下将发生严重的极化现象，其表现是砂样导电能力随电场作用时间而变化，这是因为在恒定电场作用下，型砂中的正负离子向着与其方向相反的电极运动，并在电极表面上不断积累，其结果是逐渐建立起与外加电场方向相反的附加电场，削弱了外加电场的强度，宏观上表现为砂样导电能力不断降低。显然，导电能力降低的幅度和速度与型砂中的离子数量直接相关，即型砂含水量及有效粘土含量均对极化程度有重要影响，这也是从前人们采用直流电阻法测定型砂含水量结果不准确的根本原因。能否利用极化作用的不利影响实现型砂有效粘土含量的快速测定是本发明最早的思想火花。为了研究型砂导电特性与其组分的关系，采用以附图1为基本原理的装置进行了大量实验研究工作。采用恒压制样装置制取具有固定紧实度和几何尺寸的标准砂样，按先通交流电后通直流电的顺序对砂样实施电场激励，用与砂样串联的标准电阻Ro上的电压降表示砂样的导电能力。砂样交、直流导电能力与其含水量、有效粘土含量及温度之间的关系如图2至图5中所示。由图中曲线不难看出，有效粘土含量及含水量对交流激励源和直流激励源的敏感程度具有较大差异，利用若干导电特性参数就能求得有效粘土含量及含水量。
如图18所示本发明建立了一个由5个输入节点、10个隐含节点、2个输出节点构成的人工神经网络模型。5个输入节点分别为交流导电能力、初始直流导电能力、直流导电能力变化率、砂样紧实率和砂样温度。通过大量实验获得有关型砂交流导电能力、初始直流导电能力、直流导电能力变化率、砂样紧实率、温度、型砂有效粘土含量及含水量(有效粘土含量用亚甲基兰滴定法测定，含水量用烘干法测定)的数据样本，采用所获得的数据样本对人工神经网络进行训练，直至网络收敛在设定的误差范围内，即说明完成了模型建立工作。此后，只要通过快速制样机构制取标准砂样、测定相关信息参数并输入人工神经网络，即可瞬间得到被测型砂的有效粘土含量及含水量。
本设计的人工神经网络程序是使用MATLAB6.5版本中的神经网络工具箱NN TOOLBOX4.0.2所提供的工具函数——newff、train和sim来实现的。其过程可分为如下四个步骤①原始数据样本的输入将预先测试好的40个标准砂样的输入节点信息参数数据写成矩阵形式，命名为inputdata。inputdata是一个5行40列的矩阵，每行对应一个输入节点，每列对应一个标准砂样。然后将用传统方法测试得到的这40个标准砂样的输出节点数据(有效粘土含量及含水量)写成矩阵形式，命名为outputdata。outputdata是一个2行40列的矩阵，每行对应一个输出节点，每列对应一个标准砂样。
②建立网络模型调用工具函数newff建立神经网络，命名为net，调用格式为net＝newff(minmax(inputdata)，[102]，{‘tansig’‘purelin’}，‘trainlm’)；其中minmax为MATLAB的函数，minmax(inputdata)的功能是求inputdata矩阵每行中的最小值和最大值。[102]设定了隐含层的节点个数为10个，输出层节点个数为2个。
③网络训练调用工具函数train来训练神经网络，调用格式为net.trainParam.goal＝0.01net＝train(net，inputdata，outputdata，[ ]，[ ])；其中net.trainParam.goal为设置网络训练的结束误差，此处设为1％。将已建立的神经网络net训练修正后仍存储于原来的变量net中。
④应用得到的神经网络进行有效粘土含量及含水量的求解将被测砂样的5个测量数据交流导电能力、初始直流导电能力、直流导电能力变化率、砂样紧实率和温度值写成矩阵形式，命名为testinput。testinput是一个5行1列的矩阵。调用工具函数sim来求解神经网络的输出值，调用格式为testoutput＝sim(net，testinput)；其中testoutput为求得的网络输出值，它是一个2行1列的矩阵，2个元素分别为有效粘土含量及含水量。
当使用大量的样本数据训练得到了网络模型net后，以后的测量仅需要重复步骤④即可求得有效粘土含量及含水量，因此求解速度很快。
具体实施方式
二下面结合图6至图16和图19具体说明本实施方式。
本实施方式由由机构框架1、筛砂电机2、筛砂筒3、筛网12、漏斗4、两根漏斗连杆5、辅助筒6、纵向底层导轨7、样筒底板8、小车9、小车轮9-1、上样筒支架11、上样筒13、下样筒14、横向滑动导轨15、滚动体17、底板气缸18、样筒气缸19、小车移动气缸20、压实气缸21、位移传感器22、透气性检测气缸23、透气检测装置29、一号压力传感器24、二号压力传感器16、称重传感器26、强度检测气缸27组成。辅助筒6的内壁上固定有左砂位电极6-1和右砂位电极6-2，下样筒14的内表面上设置有温度传感器14-1、左弧型电极14-2和右弧型电极14-3，左弧型电极14-2与右弧型电极14-3相对设置。纵向底层导轨7设置在机构框架1的底部，连接在小车9底部的小车轮9-1滚动在纵向底层导轨7中，横向滑动导轨15固定在小车9的上表面，样筒底板8滑动在横向滑动导轨15中，上样筒支架11的下端固定在横向滑动导轨15上，上样筒支架11的上端固定有上样筒13，样筒底板8的表面上沿横向并列开有大退砂孔8-1和小退砂孔8-2，下样筒14搁置在样筒底板8的上表面，沿横向滑动导轨15的方向设置的样筒气缸19的活塞杆的端部固定在下样筒14的外表面，沿横向滑动导轨15的方向设置的底板气缸18的活塞杆的端部固定在样筒底板8的端部，滚动体17设置在样筒底板8与小车9之间，样筒底板8提供支撑，透气性检测气缸23、强度检测气缸27、筛砂电机2和压实气缸21的上端都固定在机构框架1的上端，透气性检测气缸23、强度检测气缸27和压实气缸21的活塞杆都指向下方，二号压力传感器16设置在压实气缸21的活塞杆与缸体之间，检测活塞杆向下的压力，称重传感器26设置在强度检测气缸27的活塞杆中，检测强度检测气缸27向下的压力，位移传感器22设置在压实气缸21的侧面，检测压实气缸21的活塞杆的位移，筛砂电机2的输出轴下端固定有筛砂桨2-1，筛砂桨2-1伸入在筛砂筒3中，筛砂筒3固定在机构框架1上，筛砂筒3的下方依次设置筛网12和漏斗4，筛网12覆盖并固定在漏斗4的上口，筛网12的一侧铰接在筛砂筒3的下端，两根漏斗连杆5的上端都铰接在筛网12的另一侧，两根漏斗连杆5的下端都铰接在上样筒支架11上。漏斗4的下口与固定在机构框架1上的辅助筒6的上口相对应。如图19所示透气检测装置29由进气管29-1、气体封闭段29-2和弹簧29-3组成，进气管29-1连通一号压力传感器24，进气管29-1连通气体封闭段29-2的内腔，透气性检测气缸23活塞杆的下端通过弹簧29-3固定在气体封闭段29-2的上顶部，气体封闭段29-2的底端边缘上固定有密封橡胶圈29-4，气体封闭段29-2的外径小于下样筒14的内径。为防止活塞杆伸出时气体封闭段23-2与砂样表面接触时有倾斜，在活塞杆中段串接一段弹簧29-3。由进气管29-1吹入空气，通过一号压力传感器24就能测出型砂的透气性。称重传感器26是蚌埠市力达测控仪器有限公司生产的MCL-Z型拉压式称重传感器，量程30Kg，电源电压12V DC，输出信号4--20mA，精度0.1％。
机构在初始状态时，所有汽缸的活塞均处于回缩状态。测试开始后，机构先移动到工位1进行加砂，小车9、样筒底板8、上样筒13、下样筒14、筛网12和漏斗4的位置及底板气缸18、样筒气缸19的状态如图8和图9所示。启动筛砂电机2并把被测型砂装入筛砂筒3，筛过的型砂经漏斗4均匀落入正下方的下样筒14、上样筒13和辅助筒6。当型砂装满两筒后，安装在辅助筒6内壁的两个砂位电极将导通并发出信号，筛砂电机2停止，接砂过程结束。小车9前移，机构处于工位2，如图10和图11所示，底板气缸18、样筒气缸19的状态不变，筛网12和漏斗4由于被漏斗连杆5拉动而处于张开的位置，放掉筛砂筒3内余砂。此时下样筒14和上样筒13位于压实气缸21的正下方，压实气缸21的活塞杆伸出并带动位移传感器22同步下移，采用二号压力传感器16监视压实力，达到设定值时停止压实，读取位移传感器22的输出信号用以计算紧实率。活塞杆退回，标准砂样制作完成。然后按先交流后直流的顺序通过下样筒14内壁上的左弧型电极14-2和右弧型电极14-3向标准砂样提供电源激励，分别测量砂样的交流导电能力、初始直流导电能力、直流导电能力变化率及砂样温度等参数。样筒气缸19拉动下样筒14回缩，机构处于工位3进行透气性的测量，各部件状态如图12和图13所示。此时下样筒14位于透气性检测气缸23的正下方，透气检测装置29的气体封闭段29-2压到砂样的上表面，气体由进气管29-1进入砂样，由四周溢出，根据一号压力传感器24监测的气压计算出砂样的透气性。测量结束后，透气性检测气缸23回缩。然后，小车9后移，机构处于工位4进行综合强度的测量，各部件状态如图14和图15所示。此时下样筒14位于强度检测气缸27的正下方，强度检测气缸27的活塞杆伸出，将砂样由小退砂孔16挤出。根据称重传感器26的输出计算出砂样的综合强度。最后，机构移动到工位5进行退样，各部件状态如图16和图17所示。此时底板气缸18回缩，大退砂孔12位于下样筒14的正下方，压实气缸21的活塞杆再次伸出将砂样推出样筒，并在样筒中反复运动几次完成刷筒动作后回缩，至此即告一次测试结束。
权利要求
1.一种铸造用湿型粘土砂质量参数快速分析方法，其特征在于它包括下述步骤一、制取所测粘土砂的样块；二、在样块中通以交流电并测出此样块的交流导电能力；三、在样块中通以直流电并测出此样块中的初始直流导电能力和直流导电能力变化率；四、测量样块的温度和样块的紧实率；五、把测量所得的样块的交流导电能力、初始直流导电能力、直流导电能力的变化率、温度和紧实率值输入计算机数据库，该数据库是以样块的交流导电能力、初始直流导电能力、直流导电能力变化率、温度和紧实率为输入变量，该数据库是以样块的交流导电能力、初始直流导电能力、直流导电能力变化率、温度和紧实率为输入变量以样块的有效粘土含量和含水量为输出变量的人工神经网络数学模型。以样块的有效粘土含量和含水量为输出变量的人工神经网络数学模型。
2.一种铸造用湿型粘土砂质量参数快速分析装置，它包括机构框架(1)、其特征在于它还包括筛砂电机(2)、筛砂筒(3)、筛网(12)、漏斗(4)、两根漏斗连杆(5)、辅助筒(6)、纵向底层导轨(7)、样筒底板(8)、小车(9)、小车轮(9-1)、上样筒支架(11)、上样筒(13)、下样筒(14)、横向滑动导轨(15)、滚动体(17)、底板气缸(18)、样筒气缸(19)、小车移动气缸(20)、压实气缸(21)、位移传感器(22)、二号压力传感器(16)、称重传感器(26)和强度检测气缸(27)；辅助筒(6)的内壁上固定有左砂位电极(6-1)和右砂位电极(6-2)，下样筒(14)的内表面上设置有温度传感器(14-1)、左弧型电极(14-2)和右弧型电极(14-3)，左弧型电极(14-2)与右弧型电极(14-3)相对设置，纵向底层导轨(7)设置在机构框架(1)的底部，连接在小车(9)底部的小车轮(9-1)滚动在纵向底层导轨(7)中，横向滑动导轨(15)固定在小车(9)的上表面，样筒底板(8)滑动在横向滑动导轨(15)中，上样筒支架(11)的下端固定在横向滑动导轨(15)上，上样筒支架(11)的上端固定有上样筒(13)，样筒底板(8)的表面上沿横向并列开有大退砂孔(8-1)和小退砂孔(8-2)，下样筒(14)搁置在样筒底板(8)的上表面，沿横向滑动导轨(15)的方向设置的样筒气缸(19)的活塞杆的端部固定在下样筒(14)的外表面，沿横向滑动导轨(15)的方向设置的底板气缸(18)的活塞杆的端部固定在样筒底板(8)的端部，滚动体(17)设置在样筒底板(8)与小车(9)之间，透气性检测气缸(23)、强度检测气缸(27)、筛砂电机(2)和压实气缸(21)的上端都固定在机构框架(1)的上端，强度检测气缸(27)和压实气缸(21)的活塞杆都指向下方，二号压力传感器(16)设置在压实气缸(21)的活塞杆与缸体之间，称重传感器(26)设置在强度检测气缸(27)的活塞杆中，位移传感器(22)设置在压实气缸(21)的侧面，筛砂电机(2)的输出轴下端固定有筛砂桨(2-1)，筛砂桨(2-1)伸入在筛砂筒(3)中，筛砂筒(3)固定在机构框架(1)上，筛砂筒(3)的下方依次设置筛网(12)和漏斗(4)，筛网(12)覆盖并固定在漏斗(4)的上口，筛网(12)的一侧铰接在筛砂筒(3)的下端，两根漏斗连杆(5)的上端都铰接在筛网(12)的另一侧，两根漏斗连杆(5)的下端都铰接在上样筒支架(11)上，漏斗(4)的下口与固定在机构框架(1)上的辅助筒(6)的上口相对应。
3.根据权利要求2所述的铸造用湿型粘土砂质量参数快速分析装置，其特征在于它还包括透气性检测气缸(23)、透气检测装置(29)和一号压力传感器(24)，透气性检测气缸(23)的上端固定在机构框架(1)的上端，透气性检测气缸(23)的活塞杆指向下方，透气检测装置(29)由进气管(29-1)、气体封闭段(29-2)和弹簧(29-3)组成，进气管(29-1)连通一号压力传感器(24)，进气管(29-1)连通气体封闭段(29-2)的内腔，透气性检测气缸(23)活塞杆的下端通过弹簧(29-3)固定在气体封闭段(29-2)的上顶部，气体封闭段(29-2)的底端边缘上固定有密封橡胶圈(29-4)，气体封闭段(29-2)的外径小于下样筒(14)的内径。
全文摘要
铸造用湿型粘土砂质量参数快速分析方法及装置。本发明涉及湿型粘土砂有效粘土含量和含水量及透气性和综合强度的检测方法和装置。方法是对标准砂样先后两次实施交流电源和直流电源激励，利用测得的砂样交流导电能力、初始直流导电能力、直流导电能力变化率以及在制样过程中获得的其它信息参数求解有效粘土含量及含水量，可在几秒钟时间内获得测试结果。装置是装有标准砂样的下样筒(14)被推至第四工位后，强度检测气缸(27)驱动称重传感器(26)和活塞杆下降，在活塞杆贯入标准砂样的进程中，称重传感器(26)可实时感受活塞杆顶出砂柱所受的阻力变化，本发明以一个参数表征砂样的综合强度，并与其它测试项目共用同一个标准砂样，提高了测试速度。
文档编号G01N33/38GK1601278SQ20041004396
公开日2005年3月30日 申请日期2004年10月22日 优先权日2004年10月22日
发明者李大勇, 董静薇, 石德全, 张宇彤, 高继伟 申请人:哈尔滨理工大学