汪小名， 戢 敏， 樊學(xué)良

(成都大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 四川 成都 610106)

基于PLC的螺栓加載測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汪小名， 戢 敏， 樊學(xué)良

(成都大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 四川 成都 610106)

以螺栓加載測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)為研究平臺(tái)，介紹一種基于PLC的螺栓加載測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，給出了螺栓加載平臺(tái)示意圖、交替加載示意圖、沖擊加載示意圖和PLC功能流程圖.該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作效率和安全性較高，并且其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單有利于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定.

螺栓加載測(cè)試平臺(tái)；交替加載；沖擊加載；PLC自動(dòng)控制

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)機(jī)械的控制從繼電器時(shí)代進(jìn)入可編程式邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)軟件控制的快速發(fā)展階段[1-5].針對(duì)螺栓加載測(cè)試平臺(tái)的研究，有助于設(shè)計(jì)制造出符合現(xiàn)代生產(chǎn)要求的高質(zhì)量螺栓，防止螺栓某些連接部分在裝配時(shí)出現(xiàn)擰緊、縮頸和屈服問題[6].對(duì)此，本研究設(shè)計(jì)出了一款專門用于螺栓強(qiáng)度測(cè)試的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)采用基于PLC的螺栓加載測(cè)試控制系統(tǒng)，利用液壓系統(tǒng)提供測(cè)試動(dòng)力，提高了自動(dòng)化的監(jiān)控能力.

1 功能分析及設(shè)計(jì)要求

單個(gè)普通螺栓的抗拉壓承載力設(shè)計(jì)值表達(dá)式為，

(1)

根據(jù)式(1)可計(jì)算出如下測(cè)試要求：測(cè)試螺栓的偏航制動(dòng)和偏航阻尼制動(dòng)交變載荷，要求加載次數(shù)為20 000次；載荷變化從0到偏航制動(dòng)交替沖擊加載，要求加載1 000次；要求以壓力傳感器4～20 mA模擬信號(hào)設(shè)定的輸出值來控制閥門動(dòng)作；設(shè)定值可調(diào)整，系統(tǒng)壓力為160 bar.測(cè)試高載壓力為140 bar(對(duì)應(yīng)偏航制動(dòng)力217.6 kN)，低載壓力為35 bar(對(duì)應(yīng)偏航阻尼制動(dòng)力54.4 kN).若被測(cè)螺栓斷裂，則由安全保護(hù)開關(guān)發(fā)訊、設(shè)備停止測(cè)試并報(bào)警，同時(shí)應(yīng)具備油溫過高保護(hù)功能(溫度開關(guān)提供)，油泵電機(jī)過電流保護(hù)功能.測(cè)試平臺(tái)功能故障，如電磁閥、繼電器失效保護(hù)功能，通過油缸的拉壓傳感器(4～20 mA信號(hào))來實(shí)現(xiàn).

根據(jù)以上設(shè)計(jì)參數(shù)及控制要求，本研究設(shè)計(jì)出螺栓加載測(cè)試平臺(tái)如圖1所示.

圖1螺栓加載測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)示意圖

在圖1所示的該加載測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)中，測(cè)試油站模塊中油箱的容量為20 L，油泵電機(jī)型號(hào)為Y802-2，功率為1.1 kW，齒輪泵的泵油效率為1.8 L/min，配有吸油過濾器、回油過濾器、空濾器、測(cè)壓接頭，三位兩通電磁閥型號(hào)為K23JSD-L25/T，壓力表測(cè)壓上限為250 bar，單向閥型號(hào)為CVFF；在功能閥模塊中，3個(gè)電磁閥均為二位二通電磁閥，型號(hào)為AB-GAB，其中的測(cè)壓接頭3負(fù)責(zé)測(cè)試中壓力的變化檢測(cè).系統(tǒng)壓力設(shè)計(jì)值為測(cè)試油站模塊中的溢流閥溢流壓力160 bar，功能閥模塊中的蓄能器蓄能壓力值由壓力傳感器檢測(cè)，功能閥模塊中設(shè)計(jì)的最高載荷為減壓閥的最高壓力載荷140 bar，系統(tǒng)的低壓載荷設(shè)計(jì)值為背壓閥的最高壓力值35 bar.

2 測(cè)試流程

本螺栓加載測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，所有電磁閥均處于斷電狀態(tài)，加載油缸活塞桿處于最左端，被測(cè)螺栓安裝在加載油缸活塞桿端口處與推桿固定，螺栓另一端固定在獨(dú)立的機(jī)架上.

2.1 系統(tǒng)啟動(dòng)測(cè)試

2.1.1 程序1啟動(dòng)測(cè)試.

程序1的邏輯流程如圖2所示.按下設(shè)備啟動(dòng)按鈕，選擇程序1模式(偏航制動(dòng)、偏航阻尼制動(dòng)載荷交替加載)，設(shè)備啟動(dòng)，電機(jī)通電，設(shè)備按以下順序運(yùn)行：

圖2程序1邏輯流程圖

1)電磁閥DT1與DT3通電，其余電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)蓄能器處于充壓狀態(tài).

2)當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)到蓄能器達(dá)到工作狀態(tài)的壓力值測(cè)試高載壓力140 bar(對(duì)應(yīng)偏航制動(dòng)力217.6 kN)時(shí)，開始加高載，電磁閥DT4開啟，其余電磁閥均處于關(guān)閉狀態(tài)，此狀態(tài)維持2 s的時(shí)間.

3)當(dāng)2 s過后，系統(tǒng)開始加低載，電磁閥DT5通電，其余電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)，此狀態(tài)維持2 s的時(shí)間，然后高低載荷反復(fù)交替進(jìn)行.

4)當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)到蓄能器壓力值低于工作狀態(tài)的壓力值35 bar(對(duì)應(yīng)偏航阻尼制動(dòng)力54.4 kN)，蓄能器開始再次充壓，此時(shí)返回步驟1)，完成后再按步驟2)、3)高低載荷反復(fù)交替進(jìn)行.此為一個(gè)完整的測(cè)試循環(huán)，當(dāng)循環(huán)加載次數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)值20 000次后，測(cè)試完畢，電磁閥DT2、DT3、DT4通電，其余斷電，加載油缸退回.

2.1.2 按程序2啟動(dòng)測(cè)試.

程序2的邏輯流程如圖3所示.按下設(shè)備啟動(dòng)按鈕，選擇程序2模式(載荷從0到偏航制動(dòng)交替沖擊加載)，設(shè)備啟動(dòng)，電機(jī)通電，設(shè)備按以下順序運(yùn)行：

圖3程序2邏輯流程圖

電機(jī)啟動(dòng)后，電磁閥DT1、DT3、DT4通電，其余斷電，系統(tǒng)直接從0到偏航制動(dòng)，加高載，維持2 s，電磁閥DT2、DT3、DT4通電，其余斷電，油缸退回，然后又加高載，如此反復(fù)運(yùn)行，直到測(cè)試次數(shù)達(dá)到1 000次，測(cè)試完畢，油缸退回.

2.2 停止或報(bào)警

按下停止按鈕后，系統(tǒng)不會(huì)立即停止運(yùn)行，而是完成當(dāng)前運(yùn)行周期剩余步驟后才會(huì)停止，加載油缸退回.當(dāng)被測(cè)螺栓在測(cè)試過程中發(fā)生斷裂、系統(tǒng)發(fā)生故障或者按下急停按鈕時(shí)，報(bào)警燈開始閃爍，系統(tǒng)立即停止運(yùn)行.

3 程序設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)上述測(cè)試功能，本研究編制了如下PLC控制流程圖，具體如圖4、圖5所示.

圖4 螺栓加載測(cè)試平臺(tái)的PLC功能流程1

圖5螺栓加載測(cè)試平臺(tái)的PLC功能流程2

在整個(gè)測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)程序中，分為程序1與程序2兩個(gè)子程序.程序選擇按鈕為觸控屏對(duì)應(yīng)的功能選擇按鈕，程序選擇按鈕對(duì)應(yīng)程序1與程序2的切換.

圖4為程序1，對(duì)應(yīng)偏航制動(dòng)、偏航阻尼制動(dòng)載荷交替加載程序，系統(tǒng)會(huì)在2個(gè)子循環(huán)系統(tǒng)中不斷循環(huán)運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行達(dá)到20 000次后，系統(tǒng)跳出循環(huán)，加載缸退回，程序結(jié)束.當(dāng)被測(cè)螺栓在測(cè)試過程中發(fā)生斷裂、系統(tǒng)發(fā)生故障或者按下急停按鈕時(shí)，報(bào)警燈開始閃爍，系統(tǒng)立即停止運(yùn)行.

圖5為程序2，按下開始，程序只有1個(gè)循環(huán)，載荷從0到偏航制動(dòng)交替沖擊加載，當(dāng)系統(tǒng)測(cè)試次數(shù)達(dá)到1 000次后，油缸退回到極限位置，程序結(jié)束.同樣，當(dāng)被測(cè)螺栓在測(cè)試過程中發(fā)生斷裂、系統(tǒng)發(fā)生故障或者按下急停按鈕時(shí)，報(bào)警燈開始閃爍，系統(tǒng)立即停止運(yùn)行.

4 結(jié) 語

本研究闡述了螺栓加載測(cè)試平臺(tái)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試過程中的無人化操作.本測(cè)試平臺(tái)采用了液壓系統(tǒng)與PLC自動(dòng)控制相結(jié)合的方式，利用PLC自動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)，比傳統(tǒng)的測(cè)試模式更為高效.測(cè)試過程也證明了本系統(tǒng)運(yùn)行可靠、安全.

[1]鄧高壽，潘宏俠.PLC在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域中的應(yīng)用及發(fā)展[J].機(jī)械管理開發(fā)，2006，21(3)：99-100，102.

[2]甘能.基于PLC控制技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用研究[J].電子技術(shù)與軟件工程,2015，4(6):159-160.

[3]李青云.PLC可編程序控制器的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)探析[J].中國科技信息，2010，22(16)：117-118.

[4]左潔.淺談PLC技術(shù)與繼電器控制系統(tǒng)的區(qū)別[J].福建質(zhì)量管理，2015，36(9)：155.

[5]鄧文才.PLC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及計(jì)算機(jī)與PLC的通訊方法[J].裝備維修技術(shù)，2008，36(3)：26-31.

[6]蘇德利，劉文順，孫久艷.普通螺栓連接在復(fù)雜受力下的強(qiáng)度分析[J].河南城建學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，20(4)：16-18.

Abstract:The bolt loading test platform system is used as the research platform.The paper introduces the design idea of a bolt loading test platform system based on PLC platform,and puts forward the bolt loading diagram,alternating loading diagram,shock loading diagram and PLC function flow chart.The working efficiency and security of this system design are higher,and its structure design is simple,which is beneficial to the stability of the whole system.

Keywords:bolt loading test platform;alternate loading;impact loading;PLC automatic control

DesignofBoltLoadingTestPlatformSystemBasedonPLC

WANGXiaoming，JIMin，F(xiàn)ANGXueliang

(School of Mechanical Engineering, Chengdu University, Chengdu 610106, China)

TH131.3；TP273

A

1004-5422(2017)03-0293-03

2017-06-30.

成都大學(xué)校青年基金(2015XJZ01)資助項(xiàng)目.

汪小名(1991 — )， 男， 碩士研究生， 從事機(jī)械與電器控制技術(shù)研究.