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)督檢驗技術(shù)研究院)

氣瓶疲勞試驗設(shè)備自動化技術(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)督檢驗技術(shù)研究院)

介紹了研制的氣瓶疲勞試驗設(shè)備原理及構(gòu)成,并對設(shè)備的設(shè)計及自動控制方面進行了比較詳細的探討。

氣瓶疲勞 自動控制 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。為了對氣瓶的使用性能進行衡量,就需要通過各種檢測項目對氣瓶的性能進行評價。氣瓶疲勞試驗是對氣瓶的使用壽命和使用性能進行衡量的一個重要的檢測項目。按照 GB/T 9252—2001《氣瓶疲勞試驗方法》的要求,需要對新研制投入生產(chǎn),或者需要進行型式試驗的同一規(guī)格種類的 3只氣瓶在疲勞試驗機上進行疲勞測試。試驗裝置由加壓泵、換向閥、控制機構(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臺以上的氣瓶疲勞測試設(shè)備。在型式試驗機構(gòu),也有 7套氣瓶疲勞測試設(shè)備。這些設(shè)備由于都不是定型產(chǎn)品,因此在自動化程度上差別很大。本文介紹的是一臺自動化程度很高、使用的配件比較合理的氣瓶疲勞測試設(shè)備。

1 結(jié)構(gòu)特點及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)特點

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

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

(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,保壓時間可靠調(diào)節(jié);

(2)采用進口壓力補償型變量柱塞泵驅(qū)動,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;同時增壓缸內(nèi)置位移傳感器,檢測活塞行程位置,避免由于活塞的滿行程造成循環(huán)壓力的斷點,保證了壓力波形的連續(xù)性;

(4)液壓動力系統(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

液壓傳動與電液伺服控制系統(tǒng)的工作原理。

微機測控系統(tǒng)控制原理:試驗臺動作指令由微機發(fā)出,通過 D/A接口進入伺服閥控制器進行信號放大和調(diào)節(jié);輸出電流信號,使液壓缸活塞按要求的方向和速度運動,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,將檢測到的信號通過適當?shù)恼{(diào)理,進入數(shù)據(jù)采集卡的三路 A/D中,計算機通過數(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,因此壓力信號通過適當?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)動原理:液壓系統(tǒng)原理和液壓驅(qū)動原理見圖 2和圖 3。系統(tǒng)主要由低壓驅(qū)動部分、增壓脈沖部分、工件測試部分以及測量控制系統(tǒng)等組成。低壓驅(qū)動部分,兩臺變量泵閥外合流,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)動原理

主要元件為柱塞泵,進口日本油研 A系列泵。其特點為高效,在 16 MPa、1800 r/min時,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;補償類型:壓力補償,隨負載變化,只輸出負載要求流量。電機功率為 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)運動,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)測增壓缸活塞的行程,確?；钊谌谐痰?20%～80%之間運動。增壓泵保證活塞到達全量程的 80%時自動回位,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)整活塞回程時對系統(tǒng)壓力的干擾。兩個壓力變送器分別傳遞閥控信號以及微機采集的壓力波形輸出信號,冷卻油循環(huán)回路確保增壓缸的油溫在最佳理想實用點。

圖4 增壓脈沖部分

比例伺服閥:選用美國 Moog公司產(chǎn)的 D662型二級伺服比例閥。該閥采用射流管技術(shù),具有以下特點:超大流量閥體流道設(shè)計;減小主閥芯的驅(qū)動面積帶,改善動態(tài)響應(yīng),使得較小的先導(dǎo)級流量也能驅(qū)動閥芯快速運動;由于采用二級先導(dǎo)閥,在要求較小輸入信號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:排量大,達 2800ccm;強度大,滿足高工作壓力和高頻沖擊壓力下的強度要求;內(nèi)置位移傳感器,防止活塞滿行程時產(chǎn)生壓力斷點,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)動介質(zhì)溫度控制三個部分組成。驅(qū)動介質(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)通過一電機帶動的電動泵提供,兩個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

該設(shè)備的測試氣瓶容積: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:測試容積 50 L時為1Hz,測試容積 100 L時為 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,1.0級;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 (可同時做三個氣瓶的疲勞試驗);控制方式:標準 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 試驗裝置要求

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

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

(3)試驗系統(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)試驗裝置有超壓停機和安全延時報警的措施,當超壓至循環(huán)壓力上限的 2%時能自動停機,當受試氣瓶泄漏時能夠給出信號并自動停機;

(7)試驗設(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)高低溫實驗室滿足最大 100 L/min的油循環(huán),不影響試驗箱內(nèi)的溫度精度;

(9)提供一只能對氣瓶灌油的油罐,油罐內(nèi)有 400 L以上的可以滿足 -60°C試驗用的不可燃介質(zhì),并可以在試驗結(jié)束后將氣瓶內(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,采用計算機控制,數(shù)據(jù)可以進行收集;

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

4 控制面板

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

圖6 控制面板

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

疲勞次數(shù):總共需要測試多少次;

設(shè)定壓力:想要測試的壓力值;

脈沖頻率:用戶需要多快時間完成一個周期;

油箱介質(zhì)溫度:滿足測試工件所需的介質(zhì)溫度;

設(shè)定試驗時間 (脈沖次數(shù))到后自動停機;

故障顯示:試驗中油路爆裂或泄漏、油溫超出設(shè)定值、壓力超出設(shè)定值試驗臺自動停機保護并報警。

5 結(jié)論

本氣瓶疲勞試驗設(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)的額定壓力達到 70 MPa,同時系統(tǒng)采用液氣式蓄能器進行能量回收,加壓時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。測控系統(tǒng)是基于 VB6.0和 PLC開發(fā)的,能很好地完成對測試臺的自動控制,實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、實時顯示及數(shù)據(jù)的保存與報表的生成,提高疲勞試驗的效率與精度,并使系統(tǒng)的裝機容量下降,這對企業(yè)節(jié)能降耗有較大好處。該設(shè)計達到了國際先進水平。

＊上海市科學技術(shù)委員會基金資助項目,項目編號:50235030,50005024。

＊＊董偉偉,男,1975年生,助理工程師。上海市,200062。

2009-11-04)