白振華 韓 祥 陳 波 穆 巖 張生輝

(陜西元豐紡織技術(shù)研究有限公司，陜西西安，710038)

1 研發(fā)背景

隨著科技的發(fā)展和紡織工業(yè)的進(jìn)步，紡織品種類不斷增多，其應(yīng)用范圍從人們的日常生活擴(kuò)展到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸、軍事、衛(wèi)生等諸多領(lǐng)域。與此同時，由于大部分紡織品不具備隔熱性而引起的潛在威脅也進(jìn)一步增大。如何減少紡織品隔熱危險性，減少人們生命財產(chǎn)的損失，已引起全世界的關(guān)注和重視。近年來，世界各國紛紛開展紡織品隔熱技術(shù)的研究，并制定了相應(yīng)的紡織品隔熱性能測試方法、隔熱制品標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用法規(guī)等。我國對紡織品的隔熱性能也進(jìn)行了大量研究，制定了一系列相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)與方法。

目前國內(nèi)隔熱防護(hù)服的標(biāo)準(zhǔn)有GB 8965.2—2009《焊接防護(hù)服》和GB/T 17599—1998《抗熔融金屬沖擊性能的測定》。這兩個標(biāo)準(zhǔn)都是針對焊接生產(chǎn)過程制定，適用于各種防熔融金屬飛濺物灼傷人體的織物和復(fù)合織物的防護(hù)性能。其測試原理為：使用焊接槍將焊絲條熔化，其滴落物引起織物背部量熱計溫度上升40℃時，測量其滴落的熔融金屬滴的數(shù)量。這種測試方法的試驗強(qiáng)度較低，適用于金屬焊接的工作場合，針對此類標(biāo)準(zhǔn)研制的測試儀器技術(shù)已經(jīng)成熟，且市場上生產(chǎn)銷售品類較多，而適用于金屬冶煉的工作場合的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)目前國內(nèi)暫時沒有，也沒有相關(guān)的檢測儀器。

針對熔融金屬防護(hù)的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 9185—2007《防護(hù)服裝-材料耐熔融金屬飛濺的評估》，測試原理為：測試過程中，適量的熔融金屬濺射到一定角度放置的樣品上[1]，將一個PVC薄膜覆在樣品背面與之接觸，通過記錄濺射后PVC薄膜的變化來評價損壞情況；根據(jù)測試結(jié)果，使用更大或更小的金屬量進(jìn)行重復(fù)試驗，直至PVC薄膜損壞程度最小。這種測試方法的試驗強(qiáng)度明顯較高，適用于金屬冶煉等生產(chǎn)場合，這種測試儀器目前僅有德國WAZUA生產(chǎn)。

由于我國隔熱防護(hù)服和隔熱面料對歐盟各國的出口不斷增長，按照國外標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行隔熱防護(hù)服的檢測就成了必需。然而由于相應(yīng)檢測儀器的不普遍、不完善，誤差大、自動化程度低或委托檢驗時間、費用等問題，給外貿(mào)企業(yè)帶來了不小的阻礙。我單位承擔(dān)的2018國家重點研發(fā)計劃項目——熔融金屬飛濺防護(hù)新材料的技術(shù)研究與開發(fā)(課題編號：2018YFC0810305)，正是為彌補我國在此領(lǐng)域的短板，包含了紡織面料的研發(fā)、金屬熔珠飛濺的標(biāo)準(zhǔn)和配套測試儀器。面料的研發(fā)保證了金屬冶煉工人的人身安全，標(biāo)準(zhǔn)的制定為金屬冶煉企業(yè)防護(hù)服的檢測提供了依據(jù)，儀器的研制則為防護(hù)服的檢測提供了必要的檢測手段。

我們根據(jù)國家項目要求的金屬鋁飛濺和金屬鐵飛濺標(biāo)準(zhǔn)，同時依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 9185—2007《防護(hù)服裝-材料耐熔融金屬飛濺的評估》，進(jìn)行鋁、鐵、銅、低碳鋼和冰晶石的熔融飛濺試驗，為廣大外貿(mào)出口企業(yè)提供性價比高的檢測儀器。設(shè)計開發(fā)的防護(hù)服金屬熔珠飛濺測試儀器，集成創(chuàng)新應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)，采用HMI工業(yè)人機(jī)界面、PLC程序控制、步進(jìn)電機(jī)控制單元、高頻爐和高性能雙色紅外測溫儀核心部件。經(jīng)過在國內(nèi)檢測機(jī)構(gòu)使用，性能指標(biāo)達(dá)到要求。

2 測試原理

測試過程中，適量的熔融金屬濺射到一定角度放置的樣品上，將一個PVC薄膜覆在樣品背面與之接觸。通過記錄濺射后PVC薄膜的變化來評價損壞情況。根據(jù)測試結(jié)果，使用更大或更小的金屬量進(jìn)行重復(fù)試驗，直至PVC薄膜損壞程度最小。

3 設(shè)計思路

根據(jù)項目提出的技術(shù)要求結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)要求，規(guī)劃設(shè)計思路，梳理出實現(xiàn)儀器功能的核心裝置。通過人機(jī)操作界面選擇需要熔融物質(zhì)的類型，自動調(diào)節(jié)該物質(zhì)需要的加熱溫度、澆注速度、澆注角度、澆注高度和試樣角度，同時配合加熱裝置、測溫裝置和澆注旋轉(zhuǎn)裝置實現(xiàn)試驗過程自動化，并應(yīng)用無線通訊技術(shù)。通訊將人機(jī)界面的設(shè)定值發(fā)送給加熱控制器和步進(jìn)電機(jī)控制器，用模擬量信號完成對各參數(shù)的設(shè)定，同時將測溫裝置和步進(jìn)編碼器的信號反饋給人機(jī)界面進(jìn)行優(yōu)化運算，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。測溫裝置使用高性能雙色紅外測溫儀，保證各種熔融金屬測溫的準(zhǔn)確性。澆注旋轉(zhuǎn)裝置和試樣調(diào)整裝置應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)實現(xiàn)精準(zhǔn)控制，保證澆注過程平穩(wěn)準(zhǔn)確，澆注高度和試樣角度定位準(zhǔn)確。上述設(shè)計思路，實現(xiàn)了儀器的全自動化工作，降低了操作人員的操作難度，同時讓操作人員遠(yuǎn)離熱源，保證安全，有效地提升了試驗工作效率。

4 系統(tǒng)構(gòu)成

防護(hù)服熔融金屬飛濺試驗儀由加熱裝置、測溫裝置、澆注旋轉(zhuǎn)裝置和HMI人機(jī)界面系統(tǒng)組成。

4.1 加熱裝置

熔化金屬的容器為高純石墨坩堝，其特點是本身具有導(dǎo)磁性，能夠承受電磁感應(yīng)，最大容量為190 mL，5種熔融物質(zhì)的最低溫度820 ℃，最高溫度1 650 ℃。針對小容量金屬熔化的加熱裝置有兩種，一種是馬弗爐，一種是高頻爐。馬弗爐熔化物質(zhì)的原理是溫度熱傳遞，常見的馬弗爐為箱式結(jié)構(gòu)，加熱單元有電爐絲、硅碳棒和硅鉬棒，將需熔化的物質(zhì)放入加熱箱內(nèi)，加熱單元將箱內(nèi)加熱至指定溫度，利用熱傳遞原理熔化物質(zhì)。馬弗爐的特點是結(jié)構(gòu)簡單，可同時熔化多組物質(zhì)，缺點是熔化物質(zhì)速度慢，功率恒定，加熱單元屬易耗品，體積較大。高頻爐熔化物質(zhì)的原理是高頻電流流向紫銅管繞制而成的感應(yīng)圈狀加熱線圈，產(chǎn)生交變電磁場，將需要加熱的物料放于感應(yīng)圈中，電磁感應(yīng)在物料中產(chǎn)生渦流，受電阻作用而使電能轉(zhuǎn)化為熱能，最終使物料溫度上升，實現(xiàn)物質(zhì)熔化。高頻爐的特點是熔化物質(zhì)速度快，功率可調(diào)，無易耗品，體積小易于集成，缺點是只能加熱導(dǎo)磁物質(zhì)[2]。需要加熱熔化的5種物質(zhì)分別是：鋁、銅、鐵、低碳鋼和冰晶石，其中冰晶石屬礦物質(zhì)不具有導(dǎo)磁性，但石墨坩堝本身具有導(dǎo)磁性。

根據(jù)這兩種加熱裝置的原理和特點，結(jié)合5種熔融物質(zhì)、坩堝的材質(zhì)，考慮系統(tǒng)集成實現(xiàn)聯(lián)動控制，確定選擇高頻爐作為加熱裝置。高頻爐的功率調(diào)節(jié)核心部件為大功率IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)，原理如圖1所示。

圖1 IGBT原理圖

其構(gòu)成是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大；MOSFET驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。由IGBT與FWD(續(xù)流二極管芯片)通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導(dǎo)體產(chǎn)品，封裝后的IGBT模塊直接應(yīng)用于高頻爐。高頻爐功率調(diào)節(jié)原理為利用模擬量控制IGBT基極的電壓，調(diào)整導(dǎo)通系數(shù)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的，調(diào)節(jié)電壓為0 V～+10 V,對應(yīng)功率量程0～100%;PLC控制器模擬量輸出范圍-10 V～+10 V，對應(yīng)控制值-2 000～+2 000。人機(jī)界面利用通訊將功率控制值發(fā)送至PLC，PLC控制IGBT基極電壓調(diào)節(jié)實現(xiàn)對高頻爐功率調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)換算機(jī)制如表1所示。

表1 調(diào)節(jié)換算機(jī)制

高頻爐功率/%調(diào)節(jié)電壓/VPLC控制值30.060.090.03.006.009.00 6001 2001 800

4.2 測溫裝置

標(biāo)準(zhǔn)要求測量溫度最低760 ℃，最高1 650 ℃，精度±10 ℃。測溫裝置大致分為直接接觸式和非接觸式兩種，且都能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的測量范圍和精度。直接接觸式手提式熔煉測溫儀配合熱電偶，直接放入被測金屬溶液中測溫，熱電偶為一次性使用，每測一次溫就更換一個熱電偶，其特點是溫度顯示迅速，精度高，可直接測量各種物質(zhì)。非接觸式測溫裝置按測溫原理分為單色紅外線測溫儀和雙色紅外測溫儀。單色紅外測溫儀測量熔融物質(zhì)只適用于同一種物體，且會受到加熱煙塵的影響。雙色紅外測溫儀采用比色測溫原理直接測量目標(biāo)的溫度，抗煙霧、水蒸氣和灰塵能力強(qiáng)，帶有溫度顯示和信號輸出，既適合于測量，又適合于閉環(huán)控制。

綜上分析選用高性能雙色紅外測溫儀較為合適，溫度的采集信號通過工業(yè)通訊協(xié)議RS-485實現(xiàn)，RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了總線接口的電氣特性標(biāo)準(zhǔn)即對于2個邏輯狀態(tài)的定義：正電平在+2 V～+6 V之間，表示一個邏輯狀態(tài)；負(fù)電平在-2 V～-6 V之間，則表示另一個邏輯狀態(tài)；數(shù)字信號采用差分傳輸方式，能夠有效減少噪聲信號的干擾。

4.3 澆注旋轉(zhuǎn)裝置

標(biāo)準(zhǔn)要求澆注時坩堝旋轉(zhuǎn)要以恒定角速度旋轉(zhuǎn)且轉(zhuǎn)速可調(diào)。熔融金屬的澆注：坩堝恒定的速度(36±2.5)°/s；熔融冰晶石的澆注：坩堝恒定旋轉(zhuǎn)速度為(18±1.5)°/s，且要求運動平穩(wěn)、定位準(zhǔn)確、精度高。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的，同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速精度較高，運動平穩(wěn)，步距角一般為3.6°、1.8°、0.72°、0.36°，適用于小功率小扭矩的環(huán)境；伺服電機(jī)驅(qū)動是通過控制脈沖時間的長短控制轉(zhuǎn)動角度，運動精度高，步距角為0.036°，適用于大功率大扭矩。綜上分析選擇步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)作為澆注旋轉(zhuǎn)裝置的動力[3]。需要計算以下幾個重要參數(shù)。

步進(jìn)電機(jī)扭矩計算。扭矩公式：T=m×g×r。式中：m為物體質(zhì)量，單位為kg，g為重力加速度，取9.8 m/s2，r為物體回轉(zhuǎn)半徑，單位為m。計算得：T=3.2×9.8×0.097=3.04(N·m)。根據(jù)選型需要，電機(jī)扭矩為實際使用扭矩的1倍，故選擇步進(jìn)電機(jī)扭矩為6 N·m以上。

(2)步進(jìn)電機(jī)步距角計算。步距角公式：β=(360°)/ZKm。式中：Z為轉(zhuǎn)子齒數(shù)(二相步進(jìn)電機(jī)為100)，K為通電系數(shù)(通常為2)，m為定子繞組相數(shù)。計算得：β= (360°)/(100×2×2)=0.9°。選擇步進(jìn)電機(jī)步距角不大于0.9°。

(3)脈沖輸出頻率計算。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器精度為0.9°/脈沖，旋轉(zhuǎn)36°需要36°/0.9°=40脈沖。滿足36°/s，需要40脈沖/s，故脈沖輸出頻率為40 Hz即可。

4.4 HMI人機(jī)界面系統(tǒng)

試驗需要熔化的物質(zhì)有5種，其中4種金屬1種礦物質(zhì)，每種物質(zhì)熔化的溫度、澆注溫度、澆注高度、澆注角度、旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)角度都不相同，在更換物質(zhì)時需要對各個參數(shù)進(jìn)行一一調(diào)整，很容易出現(xiàn)錯誤或調(diào)整不到位的情況，所以利用HMI人機(jī)界面開發(fā)專用操作軟件實現(xiàn)各個參數(shù)的自動調(diào)整，使實驗過程自動化，提高儀器的操作簡便性、安全性和穩(wěn)定性。從前期市場調(diào)研反饋，市場上銷售的儀器均沒有配備專用操作軟件實現(xiàn)自動化的操作，所以研發(fā)儀器配備HMI人機(jī)界面專用操作平臺具有創(chuàng)新性。HMI人機(jī)界面配合PLC邏輯控制器構(gòu)成系統(tǒng)控制中心，實現(xiàn)了儀器操作、參數(shù)設(shè)置和信號的采集處理，實現(xiàn)了可視化和全自動化。

4.5 信號傳輸?shù)目垢蓴_處理

抗干擾處理一直是所有應(yīng)用電子控制技術(shù)必備的系統(tǒng)，也是整體運行可靠的保障，具有至關(guān)重要的作用?？垢蓴_并不是針對某一個部位進(jìn)行的處理，而是對信號的發(fā)出、傳輸、接收的整個過程進(jìn)行處理，同時抗干擾系統(tǒng)也不是一成不變的，而是在具體使用過程中根據(jù)實際情況綜合考慮設(shè)計出來的。儀器中使用的模擬量信號包括PLC邏輯控制器模擬量輸入輸出端口、步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)控制器和雙色紅外測溫儀。具體技術(shù)措施：一是對儀器中能造成干擾的部件進(jìn)行分析，做好屏蔽處理措施，初步分析干擾源為旋轉(zhuǎn)電機(jī)、開關(guān)電源、交流220 V電源，如果使用高頻爐，高頻爐是最大的干擾源，針對這些部件設(shè)計金屬屏蔽罩。二是模擬量儀表布置和線路走向時，盡量遠(yuǎn)離干擾源，同時傳輸電線采用RVVP銅編織網(wǎng)屏蔽銅纜，通訊系統(tǒng)可靠接地。三是在模擬量的輸入和輸出點設(shè)計濾波電路，濾波電路一般由電抗元件組成，分為兩大類無源濾波和有源濾波，無源濾波又分為電容濾波、電感濾波和復(fù)式濾波，有源濾波為有源RC濾波。首先考慮使用無源濾波中常用的復(fù)式濾波，濾除某一次或多次諧波，且具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、運行可靠性較高等優(yōu)點。如果無源濾波效果不佳，再考慮使用有源RC濾波，與無源濾波相比，其具有高度可控性和快速響應(yīng)性，能補償各次諧波，可抑制閃邊、補償無功，有一機(jī)多能的特點，濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險，具有自適應(yīng)功能，可自動跟蹤補償變化著的諧波。通過以上技術(shù)措施，儀器可完美解決系統(tǒng)干擾問題。

5 測試過程

調(diào)整澆注裝置的位置，使?jié)沧⒏叨葷M足規(guī)定的要求，調(diào)整試樣支架的角度，使試樣角度滿足規(guī)定的要求。按照被測試樣需要的溫度要求，將對應(yīng)的金屬材料稱重50 g或50 g的倍數(shù)放入坩堝，并將其熔化至略高于整個試驗期間保持熔融狀態(tài)的溫度。安裝一塊PVC薄膜，壓花面在上面，在足夠的張力下使其平整，然后將試樣放在PVC薄膜上，固定銷釘。確保試樣和PVC薄膜在整個區(qū)域內(nèi)接觸，并且試樣沒有折痕。使用可拆卸的坩堝支架小心地將坩堝放到澆注環(huán)上，讓熔融金屬冷卻至澆注溫度，然后操作澆注裝置，使坩堝以恒定的速度從水平面旋轉(zhuǎn)至少130°。澆注完成30 s后，取下試樣并檢查PVC薄膜是否有損壞跡象，記錄是否有熔融金屬凝固并黏附在試樣表面，待殘留在坩堝中的金屬充分固化后，將其刮掉并稱重，從熔化的初始金屬質(zhì)量中減去該殘余物，記錄為“金屬澆注質(zhì)量”。

6 應(yīng)用成效對比

基于PLC邏輯控制器、步進(jìn)電機(jī)控制單元、高頻爐、高性能雙色紅外測溫儀、HMI工業(yè)人機(jī)界面操作軟件設(shè)計開發(fā)的防護(hù)服熔融金屬飛濺試驗儀器，完全符合國家項目和ISO9185—2007《防護(hù)服裝-材料耐熔融金屬飛濺的評估》標(biāo)準(zhǔn)要求，能夠促進(jìn)我國熱防護(hù)面料的研發(fā)和生產(chǎn)，為打造功能性紡織品研發(fā)、生產(chǎn)和測試一體化市場提供可靠的技術(shù)手段。

(1)儀器使用HMI人機(jī)界面配合PLC程序控制器，實現(xiàn)儀器操作無線遠(yuǎn)程化、過程全自動化，保證了操作人員的安全，提高了儀器測試的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

(2)儀器使用步進(jìn)電機(jī)控制單元、高頻爐和高性能雙色紅外測溫儀作為核心部件，保證了各種金屬熔融溫度的準(zhǔn)確控制和高效熔化，澆注速度和角度的運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，試樣角度和高度的準(zhǔn)確定位。

(3)儀器配備了多種保護(hù)措施，過壓過流保護(hù)、過溫保護(hù)、冷卻水保護(hù)和整體防護(hù)罩，保證了試驗的安全性。

我國西部某檢測機(jī)構(gòu)使用防護(hù)服熔融金屬飛濺試驗儀與西班牙Textile Technological Institute(以下簡稱Aitex)檢測機(jī)構(gòu)的測試報告進(jìn)行對比，結(jié)果見表2。

表2 實驗結(jié)果對比

試樣編號使用質(zhì)量/gAitex 本儀器傾倒質(zhì)量/gAitex 本儀器PVC評定Aitex 本儀器結(jié)果Aitex 本儀器12345678910209208209207208210209207208207210208207209207207206209207205203201202200200202201203200201204202202203200201203201200200NoNoNoNoNoNoNoNoNoNoNoNoNoNoNoNoNoNoNoNoD2D2D2D2D2D2D2D2D2D2D2D2D2D2D2D2D2D2D2D2

由表2可以看出，該儀器的測試結(jié)果與西班牙Aitex測試報告結(jié)果一致。

7 結(jié)語

防護(hù)服熔融金屬飛濺試驗儀設(shè)計完全符合國家重點研發(fā)計劃項目和ISO9185—2007《防護(hù)服裝-材料耐熔融金屬飛濺的評估》標(biāo)準(zhǔn)要求。采用機(jī)電一體化技術(shù)通過程序控制，實現(xiàn)了熔融金屬飛濺測試過程的自動化，方便適用，性能穩(wěn)定，在保證了實驗結(jié)果準(zhǔn)確性的同時，降低了采購成本，為相關(guān)檢測機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)提供了高性價比選擇，為提高防護(hù)服阻燃面料的阻燃性能提供了可靠的檢測儀器。