董偉偉 徐維普

(麥格思維特 ( 上 海)流體工程有限公司) (上海特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院)

氣瓶疲勞試驗(yàn)設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)研究＊

董偉偉＊＊徐維普

(麥格思維特 ( 上 海)流體工程有限公司) (上海特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院)

介紹了研制的氣瓶疲勞試驗(yàn)設(shè)備原理及構(gòu)成,并對(duì)設(shè)備的設(shè)計(jì)及自動(dòng)控制方面進(jìn)行了比較詳細(xì)的探討。

氣瓶疲勞 自動(dòng)控制 仿真

氣瓶是一種使用廣泛的特種設(shè)備,我國目前的氣瓶擁有量超過 1.3億只,每年的產(chǎn)量達(dá)到 2000萬只以上,占到了世界的一半以上。由于氣瓶與人民的日常生產(chǎn)生活密切相關(guān),因此很容易發(fā)生事故。為了對(duì)氣瓶的使用性能進(jìn)行衡量,就需要通過各種檢測(cè)項(xiàng)目對(duì)氣瓶的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。氣瓶疲勞試驗(yàn)是對(duì)氣瓶的使用壽命和使用性能進(jìn)行衡量的一個(gè)重要的檢測(cè)項(xiàng)目。按照 GB/T 9252—2001《氣瓶疲勞試驗(yàn)方法》的要求,需要對(duì)新研制投入生產(chǎn),或者需要進(jìn)行型式試驗(yàn)的同一規(guī)格種類的 3只氣瓶在疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行疲勞測(cè)試。試驗(yàn)裝置由加壓泵、換向閥、控制機(jī)構(gòu)、壓力控制記錄儀表、壓力循環(huán)記錄裝置、安全裝置、輸送介質(zhì)的管道、溫度測(cè)量控制裝置及輔助設(shè)備等組成。

目前,我國超過 40家的氣瓶制造企業(yè)都至少有 1臺(tái)以上的氣瓶疲勞測(cè)試設(shè)備。在型式試驗(yàn)機(jī)構(gòu),也有 7套氣瓶疲勞測(cè)試設(shè)備。這些設(shè)備由于都不是定型產(chǎn)品,因此在自動(dòng)化程度上差別很大。本文介紹的是一臺(tái)自動(dòng)化程度很高、使用的配件比較合理的氣瓶疲勞測(cè)試設(shè)備。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

主機(jī)功能結(jié)構(gòu):該機(jī)是纏繞天然氣瓶研發(fā)、生產(chǎn)的必備測(cè)試設(shè)備,主要用于纏繞天然氣瓶的環(huán)境溫度、壓力疲勞等性能測(cè)試。該試驗(yàn)臺(tái)由主機(jī)、液壓伺服力脈沖系統(tǒng)、環(huán)境溫度控制系統(tǒng)及微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)等組成。

該設(shè)備滿足標(biāo)準(zhǔn) GB/T 9252-2001的要求。技術(shù)特點(diǎn):

(1)方案采用著名的Moog流量型比例伺服閥控制壓力循環(huán),可以實(shí)現(xiàn)多種壓力波形的控制,控制頻率可以可靠控滿足 1Hz使用要求,保壓時(shí)間可靠調(diào)節(jié);

(2)采用進(jìn)口壓力補(bǔ)償型變量柱塞泵驅(qū)動(dòng),泵只輸出系統(tǒng)所需要的排量和壓力,變量泵系統(tǒng)的最大功率處的最大效率約為定量泵最大功率處的效率的兩倍,相比定量泵系統(tǒng)功率損失小,系統(tǒng)發(fā)熱小,有效延長系統(tǒng)元件的使用壽命;

(3)采用德國Maximator公司的直線往復(fù)式伺服增壓缸作為壓力循環(huán)執(zhí)行器,剛度大,響應(yīng)速度快;同時(shí)增壓缸內(nèi)置位移傳感器,檢測(cè)活塞行程位置,避免由于活塞的滿行程造成循環(huán)壓力的斷點(diǎn),保證了壓力波形的連續(xù)性;

(4)液壓動(dòng)力系統(tǒng)與電氣控制分離,分別做在不同的控制柜內(nèi),避免電氣元件在惡劣復(fù)雜環(huán)境下工作。

1.2 工作原理

液壓傳動(dòng)與電液伺服控制系統(tǒng)的工作原理。

微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)控制原理:試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)作指令由微機(jī)發(fā)出,通過 D/A接口進(jìn)入伺服閥控制器進(jìn)行信號(hào)放大和調(diào)節(jié);輸出電流信號(hào),使液壓缸活塞按要求的方向和速度運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生要求的壓力波形,并分別通過與液壓缸相連的位移傳感器、壓力變送器、溫度傳感器,將檢測(cè)到的信號(hào)通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)理,進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡的三路 A/D中,計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)處理得到要求的壓力循環(huán)曲線。由于系統(tǒng)采用壓力反饋控制,因此壓力信號(hào)通過適當(dāng)?shù)奶幚磙D(zhuǎn)化為調(diào)整指令發(fā)送到伺服控制器。

系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖如圖 1所示。

圖1 系統(tǒng)控制框圖

液壓驅(qū)動(dòng)原理:液壓系統(tǒng)原理和液壓驅(qū)動(dòng)原理見圖 2和圖 3。系統(tǒng)主要由低壓驅(qū)動(dòng)部分、增壓脈沖部分、工件測(cè)試部分以及測(cè)量控制系統(tǒng)等組成。低壓驅(qū)動(dòng)部分,兩臺(tái)變量泵閥外合流,滿足系統(tǒng)所需要的大流量要求。高壓油過濾器保證供給伺服閥油液有足夠的清潔度 (5μ)。出口單向閥,防止脈沖油回灌泵體,影響泵的使用壽命。高壓溢流 -卸荷閥,設(shè)定系統(tǒng)的安全工作壓力,并在不工作的時(shí)候通過電磁換向閥卸荷。

圖2 液壓系統(tǒng)原理

圖3 液壓驅(qū)動(dòng)原理

主要元件為柱塞泵,進(jìn)口日本油研 A系列泵。其特點(diǎn)為高效,在 16 MPa、1800 r/min時(shí),效率為 98%;低噪音:57.3 db;節(jié)能:效率高,壓力切斷特性;低熱:功率損失小,產(chǎn)生熱量少;排量:128 L/min;壓力:28 MPa;轉(zhuǎn)速:最大轉(zhuǎn)速1800 r/min,最小轉(zhuǎn)速 600 r/min;補(bǔ)償類型:壓力補(bǔ)償,隨負(fù)載變化,只輸出負(fù)載要求流量。電機(jī)功率為 55 kW,轉(zhuǎn)速 1500 r/min。過濾器過濾精度:5μ。高壓溢流閥設(shè)定壓力 25 MPa,額定壓力 350 MPa。

增壓脈沖部分,如圖 4所示。比例伺服閥控制增壓缸往復(fù)運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生要求的壓力波形。壓力油回路及回油回路的蓄能器起穩(wěn)壓吸收脈沖的作用。位移傳感器監(jiān)測(cè)增壓缸活塞的行程,確?；钊谌谐痰?20%～80%之間運(yùn)動(dòng)。增壓泵保證活塞到達(dá)全量程的 80%時(shí)自動(dòng)回位,并能保證高壓出口壓力。節(jié)流閥調(diào)節(jié)活塞回程速度,以調(diào)整活塞回程時(shí)對(duì)系統(tǒng)壓力的干擾。兩個(gè)壓力變送器分別傳遞閥控信號(hào)以及微機(jī)采集的壓力波形輸出信號(hào),冷卻油循環(huán)回路確保增壓缸的油溫在最佳理想實(shí)用點(diǎn)。

圖4 增壓脈沖部分

比例伺服閥:選用美國 Moog公司產(chǎn)的 D662型二級(jí)伺服比例閥。該閥采用射流管技術(shù),具有以下特點(diǎn):超大流量閥體流道設(shè)計(jì);減小主閥芯的驅(qū)動(dòng)面積帶,改善動(dòng)態(tài)響應(yīng),使得較小的先導(dǎo)級(jí)流量也能驅(qū)動(dòng)閥芯快速運(yùn)動(dòng);由于采用二級(jí)先導(dǎo)閥,在要求較小輸入信號(hào)且有高分辨和高響應(yīng)的系統(tǒng)使用;頻寬寬m型max50 Hz,可以用在系統(tǒng)頻率 10 Hz以下的系統(tǒng)當(dāng)中;技術(shù)參數(shù):流量 250 L/min,壓力 28 MPa。

伺服增壓缸選用Maximator上海設(shè)計(jì)制造的增壓缸。Maximator增壓缸參數(shù):排量 2800 ccm;壓力比 1∶2.56;最大輸出壓力 60 MPa;驅(qū)動(dòng)壓力泵壓力 25 MPa;溫度范圍 -55°C～150°C;介質(zhì):液壓油、水、氣、乳化液等;過濾精度:10μ。

設(shè)備技術(shù)特點(diǎn):排量大,達(dá) 2800ccm;強(qiáng)度大,滿足高工作壓力和高頻沖擊壓力下的強(qiáng)度要求;內(nèi)置位移傳感器,防止活塞滿行程時(shí)產(chǎn)生壓力斷點(diǎn),保證壓力曲線的連續(xù)性;內(nèi)置冷卻 (熱)油循環(huán)系統(tǒng),保證伺服缸在最佳溫度工作點(diǎn)工作(65°C);優(yōu)良的導(dǎo)向性能,滿足高頻下的重載、偏載要求;低摩擦低泄漏,使用壽命長;工件測(cè)試部分,提供方便不同規(guī)格氣瓶安裝的夾具等;溫度控制部分,該部分主要由驅(qū)動(dòng)介質(zhì)溫度控制三個(gè)部分組成。驅(qū)動(dòng)介質(zhì)溫控單元;冷卻介質(zhì)為循環(huán)水,循環(huán)水溫度 <20°C。油的循環(huán)通過一電機(jī)帶動(dòng)的電動(dòng)泵提供,兩個(gè)水冷卻器分別冷卻比例閥回油路產(chǎn)生的熱油,以及增壓缸的發(fā)熱部分。

2 主要性能指標(biāo)

該設(shè)備的測(cè)試氣瓶容積:最大容積 200 L;介質(zhì):46#液壓油;介質(zhì)溫度:室溫～65℃;測(cè)試壓力范圍:0～60 MPa,精度 3%;波形:梯形波 (正弦波,三角波可選);頻率:測(cè)試容積 50 L時(shí)為1Hz,測(cè)試容積 100 L時(shí)為 0.5Hz以下;精度 ±0.1 H;z循環(huán)次數(shù):5000×(10～15)年;壓力表精度:0.4級(jí),1.0級(jí);安全閥設(shè)定壓力:25 MPa;增壓壓力比:1∶2.5;噪聲:79 db;供電電源:220 V/50 Hz,125 kW;三路輸出接口 (可同時(shí)做三個(gè)氣瓶的疲勞試驗(yàn));控制方式:標(biāo)準(zhǔn) PC,閉環(huán)控制;濕度范圍:10%～99%,濕度均勻性小于等于2%;冷卻循環(huán)水入口溫度 20℃。冷卻循環(huán)系統(tǒng)原理如圖 5所示。

圖5 冷卻循環(huán)系統(tǒng)原理

3 試驗(yàn)裝置要求

(1)試驗(yàn)裝置具有調(diào)節(jié)和控制循環(huán)壓力、循環(huán)頻率、保壓時(shí)間以及持續(xù)壓力循環(huán)的功能;

(2)試驗(yàn)裝置能自動(dòng)記錄循環(huán)次數(shù),并能控制試驗(yàn)介質(zhì)的溫度;

(3)試驗(yàn)系統(tǒng)的空氣能完全排出;

(4)加壓泵具有良好的密封性能和平穩(wěn)的升壓速率,其流量可以調(diào)節(jié)并滿足壓力循環(huán)頻率的需要和保持各壓力循環(huán)波形基本一致;

(5)系統(tǒng)在高壓和低壓下都可以控制 (如從工作壓力泄放到 3 MPa,再升壓到工作壓力);

(6)試驗(yàn)裝置有超壓停機(jī)和安全延時(shí)報(bào)警的措施,當(dāng)超壓至循環(huán)壓力上限的 2%時(shí)能自動(dòng)停機(jī),當(dāng)受試氣瓶泄漏時(shí)能夠給出信號(hào)并自動(dòng)停機(jī);

(7)試驗(yàn)設(shè)備設(shè)有介質(zhì)冷卻系統(tǒng),保證系統(tǒng)介質(zhì)溫度在規(guī)定的溫度范圍內(nèi);

(8)高低溫實(shí)驗(yàn)室滿足最大 100 L/min的油循環(huán),不影響試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度精度;

(9)提供一只能對(duì)氣瓶灌油的油罐,油罐內(nèi)有 400 L以上的可以滿足 -60°C試驗(yàn)用的不可燃介質(zhì),并可以在試驗(yàn)結(jié)束后將氣瓶?jī)?nèi)的油重新回收存放在油罐內(nèi);

(10)操作系統(tǒng)外型美觀大方,采用計(jì)算機(jī)控制,數(shù)據(jù)可以進(jìn)行收集;

(11)試驗(yàn)設(shè)備具備適當(dāng)?shù)陌踩O(shè)施,保證試驗(yàn)人員的安全。

4 控制面板

控制面板示意圖如圖 6所示。面板上包括一個(gè)報(bào)警燈,一個(gè)急停按鈕,一個(gè)電源指示燈,一個(gè)故障顯示指示燈和一個(gè)參數(shù)設(shè)置觸摸顯示屏。

圖6 控制面板

系統(tǒng)操作步驟:首先開機(jī)登陸到主界面,從主界面可以看到系統(tǒng)共有五個(gè)控制按鈕:登陸界面、退出界面、歷史記錄、參數(shù)設(shè)置、報(bào)警清除和退出系統(tǒng)。登陸系統(tǒng)后,進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置面板。在這里可作如下設(shè)定。

疲勞次數(shù):總共需要測(cè)試多少次;

設(shè)定壓力:想要測(cè)試的壓力值;

脈沖頻率:用戶需要多快時(shí)間完成一個(gè)周期;

油箱介質(zhì)溫度:滿足測(cè)試工件所需的介質(zhì)溫度;

設(shè)定試驗(yàn)時(shí)間 (脈沖次數(shù))到后自動(dòng)停機(jī);

故障顯示:試驗(yàn)中油路爆裂或泄漏、油溫超出設(shè)定值、壓力超出設(shè)定值試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)停機(jī)保護(hù)并報(bào)警。

5 結(jié)論

本氣瓶疲勞試驗(yàn)設(shè)備采用液壓加載方式并使用增壓缸的加壓形式使系統(tǒng)的額定壓力達(dá)到 70 MPa,同時(shí)系統(tǒng)采用液氣式蓄能器進(jìn)行能量回收,加壓時(shí)由液氣蓄能器及液壓泵聯(lián)合向氣瓶供油,既利用了上次循環(huán)回收的壓力油又可快速地向氣瓶充油。測(cè)控系統(tǒng)是基于 VB6.0和 PLC開發(fā)的,能很好地完成對(duì)測(cè)試臺(tái)的自動(dòng)控制,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)顯示及數(shù)據(jù)的保存與報(bào)表的生成,提高疲勞試驗(yàn)的效率與精度,并使系統(tǒng)的裝機(jī)容量下降,這對(duì)企業(yè)節(jié)能降耗有較大好處。該設(shè)計(jì)達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

＊上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)基金資助項(xiàng)目,項(xiàng)目編號(hào):50235030,50005024。

＊＊董偉偉,男,1975年生,助理工程師。上海市,200062。

2009-11-04)