基于PLC控制的高壓管接頭組合體振動(疲勞) /壓力脈沖試驗(yàn)設(shè)備

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(1. 東華大學(xué) 機(jī)械學(xué)院， 上?！?01620； 2. 寧波星箭航天機(jī)械有限公司， 浙江 寧波　315512)

引言

某新型40 MPa管接頭組合體研制中，要求按《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》(簡稱“規(guī)范”)的規(guī)定進(jìn)行振動(疲勞)/壓力脈沖聯(lián)合試驗(yàn)。

為了滿足試驗(yàn)需求，專門設(shè)計了PLC控制的高壓管接頭組合體振動(疲勞)/壓力脈沖試驗(yàn)設(shè)備。

1　規(guī)范的要求

規(guī)范第三篇第二章附錄3《機(jī)械接頭的型式認(rèn)可》規(guī)定，對應(yīng)用于管段剛性連接的管接頭組合體，為確定管接頭組合體承受疲勞和壓力脈沖的能力，應(yīng)按下列要求進(jìn)行試驗(yàn)：

振動頻率為20～50 Hz，循環(huán)周期不少于107的振動試驗(yàn)，應(yīng)無泄漏和損壞。

脈沖壓力從0至接頭設(shè)計壓力的1.5倍，頻率為30～100周/min，循環(huán)次數(shù)應(yīng)不少于105，應(yīng)無泄漏和損壞。

振動試驗(yàn)和壓力脈沖試驗(yàn)同時進(jìn)行。

2　試驗(yàn)方法

2.1　試驗(yàn)方法

(1) 管接頭組合體由管接頭樣件和相配合的管段組成。管接頭樣件連接的管段長度L至少應(yīng)為管徑的5倍；

(2) 管接頭樣件分別與兩段管段焊接，其中一端剛性地固定，另一端安裝振動源，如圖1、圖2所示；

(3) 接頭組合體注滿水，并排氣；

(4) 按要求的振動頻率、振幅、脈沖壓力和循環(huán)次數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。

圖1　試驗(yàn)裝置和樣件安裝示意圖

圖2　試驗(yàn)管接頭連接

2.2　被試管接頭組合體的振幅

被試管接頭組合體的振幅與試驗(yàn)時管段的長度、外徑和材料的物理特性相關(guān)，見公式(1)。振動源的位移需滿足試驗(yàn)振幅要求。

計算公式：

A=2SL2/3ED

(1)

式中，A—— 單振幅，mm

L—— 管段1長度，mm

S—— 基于0.25屈服應(yīng)力的許用彎曲應(yīng)力，N/mm2

E—— 管材的彈性模數(shù)，N/mm2

D—— 管子外徑，mm

被試管接頭的材料為雙相不銹鋼，公稱通徑最小DN15；最大DN32，按公式(1)計算單振幅，見表1。

表1　管接頭組合體振動試驗(yàn)的單振幅

2.3　規(guī)范要求的壓力脈沖圖

規(guī)范要求的壓力脈沖圖如圖3所示。

圖3　《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》的壓力脈沖圖

3　試驗(yàn)系統(tǒng)搭建

3.1　實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程的難點(diǎn)

被試管接頭樣件公稱通徑為DN15、DN20、DN32，工作壓力為40 MPa。

按規(guī)范要求的壓力脈沖圖，脈沖壓力需以周期的10%快速升至60 MPa，急速降至40 MPa并保持，最后以周期時間的5%快速降至0。

分析可知，就算以規(guī)范規(guī)定的最低脈沖頻率30周/min進(jìn)行試驗(yàn)，壓力從0升至60 MPa的時間僅有0.2 s；從60 MPa降至40 MPa和從40 MPa降至0的時間均為0.1 s。

因此，實(shí)現(xiàn)振動(疲勞)/壓力脈沖試驗(yàn)的難點(diǎn)主要是脈沖加壓設(shè)備的快速響應(yīng)。加壓泵、控制閥以及系統(tǒng)集成后的響應(yīng)是脈沖加壓設(shè)備能否實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能的關(guān)鍵。

對于壓力較低的管接頭，規(guī)范要求的壓力脈沖曲線是可實(shí)現(xiàn)的；但對于大口徑的高壓管接頭組合體，響應(yīng)難以實(shí)現(xiàn)。經(jīng)協(xié)商，確定試驗(yàn)按規(guī)范規(guī)定的最低脈沖頻率30周/min；壓力脈沖按圖4所示曲線。

圖4　40 MPa管接頭試驗(yàn)壓力脈沖曲線

3.2　試驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建

實(shí)現(xiàn)振動(疲勞)/壓力脈沖試驗(yàn)所需設(shè)備包括脈沖加壓設(shè)備、振動源和裝夾工裝。

根據(jù)試驗(yàn)過程的振動參數(shù)，以已有的振動臺作為振動源；研制脈沖加壓設(shè)備和裝夾工裝。

3.3　振動臺技術(shù)參數(shù)的符合性

選用振動臺的主要技術(shù)參數(shù)為：

額定激振力：正弦、隨機(jī)振動20000 N；沖擊40000 N

使用頻率范圍：5～3000 Hz

最大空載加速度：1000 m/s2

最大速度：2 m/s

最大位移：51 mm

因此，振動臺的使用頻率范圍和位移均可滿足管接頭組合體試驗(yàn)的要求。

3.4　試驗(yàn)專用工裝

試驗(yàn)專用工裝用于被試管接頭組合體的裝夾、固定，滿足一端管段剛性固定；另一端管段傳遞振動臺振動的要求，見圖1。

3.5　脈沖加壓試驗(yàn)臺

1) 工作原理

脈沖加壓設(shè)備工作原理見圖5。

圖5　脈沖加壓設(shè)備原理圖

脈沖加壓設(shè)備以氣驅(qū)液泵作為壓力源；PLC控制高壓快速電磁閥加、卸壓實(shí)現(xiàn)壓力脈沖功能，流程如圖6所示。

圖6　脈沖加壓控制界面

通過增壓泵輸出壓力與驅(qū)動氣壓力的特定關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型，PLC通過比例閥調(diào)節(jié)驅(qū)動壓力，達(dá)到所需的試驗(yàn)水壓。試驗(yàn)過程增壓泵始終保持工作狀態(tài)，試驗(yàn)管接頭升壓到試驗(yàn)壓力后延時1 s，電磁閥D2打開卸壓；壓力降至0時，D2關(guān)閉，進(jìn)入下一循環(huán)。

試驗(yàn)時，設(shè)定試驗(yàn)壓力和脈沖次數(shù)，打開F1、F4向管接頭組合體注水，同時打開F3排氣。注水結(jié)束關(guān)閉F1、F3，打開F2；然后啟動系統(tǒng)按設(shè)定程序工作，電磁閥D2有序持續(xù)啟閉實(shí)現(xiàn)脈沖加壓。出現(xiàn)超壓時，電磁閥D1關(guān)閉，切斷驅(qū)動氣，保證試驗(yàn)安全。

2) 快速響應(yīng)的實(shí)現(xiàn)

(1) 試驗(yàn)過程氣驅(qū)液泵保持持續(xù)工作狀態(tài)，以快速響應(yīng)電磁閥的有序啟閉實(shí)現(xiàn)持續(xù)壓力脈沖循環(huán)；

(2) 選用某公司生產(chǎn)的DN8，PN60二位二通快速響應(yīng)高壓電磁閥，響應(yīng)時間約為30 ms；

(3) 卸放電磁閥前串聯(lián)節(jié)流閥，卸放響應(yīng)時間可調(diào)。

3.6　應(yīng)用情況

1) 試驗(yàn)過程脈沖頻率的符合性

分別進(jìn)行了工作壓力為40 MPa的DN15、DN20、DN32管接頭的振動/脈沖壓力試驗(yàn)。試驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)DN15管接頭的脈沖壓力曲線與預(yù)定的壓力脈沖曲線相符，但隨著管接頭公稱通徑的加大，脈沖周期時間發(fā)生滯后，且隨管徑增加而增加，DN32管接頭脈沖加壓周期達(dá)2.3 s，脈沖頻率偏離規(guī)范要求。

2) 原因分析

管接頭組合體加壓過程在壓力作用下管體膨脹和水壓縮產(chǎn)生的容積變化即需要注入的水量。注入的水量與加壓壓力、管徑及組合體長度(容積)相關(guān)。壓力越高，容積越大，需要注入的水量越大，而增壓泵的壓力、流量是確定的，因此加壓到同樣的壓力時，容積大的組合體循環(huán)周期時間將變長(主要是升壓過程時間增加)。

3) 解決措施

在試驗(yàn)壓力狀態(tài)下，組合體容積變化時要保持脈沖頻率達(dá)到規(guī)定要求，需要采取補(bǔ)償措施。在一個周期內(nèi)，卸壓時間可調(diào)整節(jié)流閥的開度適度改變。

因此，升壓過程組合體的受壓膨脹和水壓縮體積變小是影響循環(huán)周期的主要因素，導(dǎo)致所需補(bǔ)水量增加，循環(huán)周期時間增大。若保持循環(huán)頻率不變，只有減少穩(wěn)壓時間來補(bǔ)償。

壓力容器加壓過程的容積變化和水的體積變化遵循薄膜理論和廣義虎克定律，利用上述理論建立補(bǔ)水量與管徑、管長、壓力之間的關(guān)系，結(jié)合增壓泵的排量等參數(shù)，在PLC程序中建立數(shù)學(xué)模型，計算隨管接頭組合體容積、壓力變化而產(chǎn)生的升壓時間增量，并在壓力穩(wěn)定時間段內(nèi)減去相應(yīng)時間，從而保證脈沖頻率符合規(guī)范要求。

4　結(jié)論

結(jié)合40 MPa高壓管接頭組合體研制過程的振動(疲勞)/脈沖壓力試驗(yàn)需求，研制了PLC控制的，試驗(yàn)過程氣驅(qū)高壓液泵持續(xù)工作，快速電磁閥加、卸壓實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)的脈沖加壓設(shè)備，結(jié)合利用標(biāo)準(zhǔn)振動試驗(yàn)臺，搭建了試驗(yàn)系統(tǒng)。應(yīng)用過程發(fā)現(xiàn)隨著管接頭組合體管徑和長度增加而產(chǎn)生脈沖頻率滯后的現(xiàn)象。分析認(rèn)為問題產(chǎn)生的原因是管徑增加導(dǎo)致所需補(bǔ)充的水量增加，應(yīng)用薄膜理論和廣義胡克定律的原理，在PLC程序中建立算法，縮短壓力穩(wěn)定時間，從而保證脈沖頻率符合規(guī)范要求。

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