膨脹節(jié)試驗(yàn)用驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)

朱慶南，王一寧，翟菲菲，緱斌麗

(1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇南京 210036)

(2.南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇南京 210037)

根據(jù)TSGD7002－2006《壓力管道元件型式試驗(yàn)規(guī)則》的要求，所有膨脹節(jié)制造企業(yè)在領(lǐng)取制造許可證時(shí)，需對(duì)膨脹節(jié)進(jìn)行型式試驗(yàn)。膨脹節(jié)的型式試驗(yàn)主要項(xiàng)目包括膨脹節(jié)的軸向位移疲勞試驗(yàn)、剛度測(cè)試、耐壓試驗(yàn)、波形檢測(cè)等。另外 GB/T12777和EJMA等國(guó)內(nèi)外膨脹節(jié)標(biāo)準(zhǔn)中也對(duì)上述試驗(yàn)提出了要求。通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)、制造的膨脹節(jié)是否存在不能滿(mǎn)足安全性能的缺陷。隨著膨脹節(jié)在化工、冶金、核能等部門(mén)被廣泛地使用，對(duì)膨脹節(jié)的性能指標(biāo)要求也更加嚴(yán)格，這就使膨脹節(jié)的檢測(cè)裝置顯得尤為重要［1－3］。

膨脹節(jié)疲勞試驗(yàn)時(shí)的檢測(cè)裝置通常包括對(duì)膨脹節(jié)進(jìn)行裝夾定位的機(jī)械裝夾裝置和驅(qū)動(dòng)膨脹節(jié)軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置。驅(qū)動(dòng)裝置根據(jù)機(jī)械裝夾裝置的不同會(huì)有不同樣式，但是目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)裝置只能適用于固定尺寸的膨脹節(jié)的驅(qū)動(dòng)。

為了解決目前市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)裝置適用性單一的問(wèn)題，本文介紹了一種能夠驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)件往復(fù)運(yùn)動(dòng)、運(yùn)行平穩(wěn)、調(diào)速方便、適用于不同尺寸膨脹節(jié)試驗(yàn)要求的驅(qū)動(dòng)裝置。

1 驅(qū)動(dòng)裝置的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)裝置的總體方案為:通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋升降機(jī)調(diào)節(jié)連接翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的位置，可以滿(mǎn)足不同膨脹節(jié)的試驗(yàn)要求，實(shí)現(xiàn)膨脹節(jié)試驗(yàn)件的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)裝置包括架體、若干個(gè)連接法蘭機(jī)構(gòu)、壓緊機(jī)構(gòu)和第一動(dòng)力機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)連接板示意圖如圖1所示［4－5］。

圖1 驅(qū)動(dòng)連接板示意圖

該膨脹節(jié)試驗(yàn)用驅(qū)動(dòng)裝置包括架體、4個(gè)連接法蘭機(jī)構(gòu)、壓緊機(jī)構(gòu)第一動(dòng)力機(jī)構(gòu)和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。

架體包括驅(qū)動(dòng)連接板和翻轉(zhuǎn)蓋板，翻轉(zhuǎn)蓋板的一端通過(guò)銷(xiāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接于驅(qū)動(dòng)連接板臂部的自由端上。

4個(gè)連接法蘭機(jī)構(gòu)沿所述架體的周向均勻排布，其中1個(gè)連接法蘭機(jī)構(gòu)設(shè)于所述翻轉(zhuǎn)蓋板上，另3個(gè)連接法蘭機(jī)構(gòu)設(shè)于驅(qū)動(dòng)連接板上，每個(gè)連接法蘭機(jī)構(gòu)包括沿架體徑向滑動(dòng)其他方向止動(dòng)的滑塊和驅(qū)動(dòng)滑塊滑動(dòng)的第二動(dòng)力機(jī)構(gòu)。第二動(dòng)力機(jī)構(gòu)包括電機(jī)和螺旋升降機(jī)，電機(jī)通過(guò)螺旋升降機(jī)驅(qū)動(dòng)滑塊沿架體徑向滑動(dòng)。

另設(shè)有至少2個(gè)用于支撐驅(qū)動(dòng)連接板往復(fù)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，每個(gè)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)包括連接部和滾動(dòng)部，連接部固接于所述驅(qū)動(dòng)連接板的底部，連接部與滾動(dòng)部之間的距離可調(diào)節(jié)，滾動(dòng)部的底部設(shè)有滾輪。驅(qū)動(dòng)連接板使用油缸實(shí)現(xiàn)膨脹節(jié)試驗(yàn)件的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，推力大、體積小、運(yùn)行平穩(wěn)、調(diào)速方便。通過(guò)油缸將連接法蘭機(jī)構(gòu)的滑塊壓緊在架體上，解決了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中因?yàn)檫B接法蘭機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)連接板之間存在間隙而引起的連接法蘭機(jī)構(gòu)的晃動(dòng)問(wèn)題。通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋升降機(jī)調(diào)節(jié)連接翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的位置，可以滿(mǎn)足不同膨脹節(jié)的試驗(yàn)要求。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)連接板結(jié)構(gòu)圖

1.1 動(dòng)力模塊

圖2 中，4為第一動(dòng)力機(jī)構(gòu)，其能夠驅(qū)動(dòng)翻轉(zhuǎn)蓋板旋轉(zhuǎn)，使翻轉(zhuǎn)蓋板蓋住U型槽的開(kāi)口;6為第二動(dòng)力機(jī)構(gòu)，其能夠驅(qū)動(dòng)滑塊滑動(dòng)。

1.2 翻轉(zhuǎn)模塊

翻轉(zhuǎn)蓋板一端通過(guò)銷(xiāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接驅(qū)動(dòng)連接板的臂部的自由端上;設(shè)于驅(qū)動(dòng)連接板自由端上的油缸為第一動(dòng)力機(jī)構(gòu)，其動(dòng)力輸出軸與所述翻轉(zhuǎn)蓋板自由端形成的連接塊固定連接，能夠驅(qū)動(dòng)翻轉(zhuǎn)蓋板旋轉(zhuǎn)，使翻轉(zhuǎn)蓋板蓋住U型槽的開(kāi)口，壓緊機(jī)構(gòu)能夠?qū)⒎D(zhuǎn)蓋板定位于驅(qū)動(dòng)連接板上［6］。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的位置可以通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋升降機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以對(duì)不同尺寸的膨脹節(jié)進(jìn)行試驗(yàn)。翻轉(zhuǎn)狀態(tài)如圖3所示。

1.3 壓緊模塊

圖3 翻轉(zhuǎn)模塊工作示意圖

壓緊機(jī)構(gòu)包括螺母、旋轉(zhuǎn)柱、壓緊板、套筒和油缸，套筒的下端與油缸固定連接，壓緊板設(shè)于旋轉(zhuǎn)柱上，固定在螺母和套筒之間，且壓緊板與旋轉(zhuǎn)柱通過(guò)鍵連接。翻轉(zhuǎn)蓋板的另一端設(shè)于壓緊板與驅(qū)動(dòng)連接板的另一臂部的自由端之間。這樣，旋轉(zhuǎn)柱通過(guò)缸在套筒內(nèi)做垂直運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，可通過(guò)鍵連接帶動(dòng)壓緊板作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而將翻轉(zhuǎn)蓋板的另一端壓緊定位于驅(qū)動(dòng)連接板的另一臂部的自由端上，使其與驅(qū)動(dòng)連接板的U型槽圍成一定位膨脹節(jié)試驗(yàn)件的環(huán)形。通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋升降機(jī)調(diào)節(jié)連接翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的位置，可以滿(mǎn)足不同膨脹節(jié)的試驗(yàn)要求，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 壓緊模塊結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 滑動(dòng)模塊

至少有2個(gè)用于支撐所述驅(qū)動(dòng)連接板往復(fù)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，如圖2中7所示，每個(gè)所述導(dǎo)向機(jī)構(gòu)包括連接部和滾動(dòng)部，連接部固接于驅(qū)動(dòng)連接板的底部，連接部與滾動(dòng)部之間的距離可調(diào)節(jié)，滾動(dòng)部的底部設(shè)有滾輪。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)用于支撐架體作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，安裝于架體的驅(qū)動(dòng)連接板下方，采用滾動(dòng)摩擦設(shè)計(jì)以減少摩擦阻力，連接部與滾動(dòng)部之間的距離可調(diào)節(jié)，具體實(shí)施時(shí)，連接部和滾動(dòng)部之間通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓連接，這樣可通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓來(lái)調(diào)節(jié)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的高度以便于裝配、調(diào)節(jié)與拆卸，具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 滑動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)示意圖

2 驅(qū)動(dòng)裝置的工作原理和特點(diǎn)

2.1 驅(qū)動(dòng)裝置的工作原理

驅(qū)動(dòng)連接板的底部與相對(duì)的兩臂部圍成U型槽，U型的驅(qū)動(dòng)連接板與翻轉(zhuǎn)蓋板配合，試驗(yàn)時(shí)，翻轉(zhuǎn)蓋板位于打開(kāi)狀態(tài)，方便將膨脹節(jié)試驗(yàn)件吊裝入驅(qū)動(dòng)連接板的U型槽內(nèi);然后通過(guò)第一動(dòng)力機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)翻轉(zhuǎn)蓋板旋轉(zhuǎn)，使翻轉(zhuǎn)蓋板蓋住U型槽的開(kāi)口，即圍成一環(huán)狀定位結(jié)構(gòu)，翻轉(zhuǎn)蓋板再通過(guò)壓緊機(jī)構(gòu)壓緊定位于驅(qū)動(dòng)連接板上，該環(huán)狀定位結(jié)構(gòu)即可將膨脹節(jié)定位在U型槽內(nèi);最后通過(guò)若干個(gè)連接法蘭機(jī)構(gòu)的第二動(dòng)力機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)其滑塊沿架體徑向滑動(dòng)(朝向膨脹節(jié)試驗(yàn)件滑動(dòng))，即可將膨脹節(jié)試驗(yàn)件夾緊，這樣通過(guò)調(diào)節(jié)滑塊距離架體中心的位置，可滿(mǎn)足不同口徑膨脹節(jié)的試驗(yàn)需求。

2.2 驅(qū)動(dòng)裝置的工作特點(diǎn)

驅(qū)動(dòng)裝置的優(yōu)點(diǎn)是:

1)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕;

2)理論上換向沖擊小、振動(dòng)小、運(yùn)行平穩(wěn);

3)控制方便、調(diào)速方便、安全可靠;

4)能夠滿(mǎn)足不同尺寸膨脹節(jié)的試驗(yàn)要求。

對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置的基本要求是:

1)驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)具有良好的啟動(dòng)性能，具有大的啟動(dòng)力矩以使輸送機(jī)能夠有載啟動(dòng);

2)在油缸驅(qū)動(dòng)情況下，應(yīng)避免驅(qū)動(dòng)裝置過(guò)載;

3)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊小，最好能使電動(dòng)機(jī)無(wú)載啟動(dòng);

4)驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)具有良好的可控性，能夠控制啟動(dòng)、停機(jī)時(shí)的速度和加速度;

5)裝備采用可編程邏輯控制器(PLC)，具有自監(jiān)控和自診斷功能。

3 驅(qū)動(dòng)裝置的軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)控制系統(tǒng)的功能:

1)下位機(jī)通過(guò)PLC能夠與上位機(jī)安裝的組態(tài)監(jiān)控軟件組態(tài)王進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，實(shí)現(xiàn)整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程的控制和狀態(tài)檢測(cè)，并向上位機(jī)實(shí)時(shí)傳送試驗(yàn)數(shù)據(jù)信息，執(zhí)行上位機(jī)發(fā)出的對(duì)各功能模塊的控制指令，組態(tài)王監(jiān)控界面如圖6所示。

2)通過(guò)實(shí)時(shí)采集推拉力傳感器輸出的4～20mA電流信號(hào)得到油缸在不同滑動(dòng)位移處的推拉力。

3)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的緊急故障進(jìn)行聲光報(bào)警，提示試驗(yàn)人員及時(shí)進(jìn)行處理，排除故障。

4)系統(tǒng)應(yīng)滿(mǎn)足連續(xù)試驗(yàn)的控制要求，并具有良好的可擴(kuò)展性。

驅(qū)動(dòng)連接板控制方案如圖7所示。

圖7 驅(qū)動(dòng)連接板控制方案

為滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需要，在電器系統(tǒng)的改造中，選用了可靠性高的西門(mén)子S7－200型可編程邏輯控制器作為控制核心，構(gòu)成控制系統(tǒng)。所采用的PLC的輸入/輸出有238個(gè)端子，工作電壓為直流24V。該控制器的特點(diǎn)是:輸入指令為電壓控制信號(hào)，輸入阻抗高，輸入電流小，控制信號(hào)功率小，損耗小，控制安全可靠，輸出阻抗低，可輸出大電流帶動(dòng)各個(gè)電磁閥線(xiàn)圈，負(fù)載能力強(qiáng)。輸出為大功率晶體管，為無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)。當(dāng)按鈕或其他指令元件輸入控制信號(hào)時(shí)，PLC對(duì)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別、編碼、存儲(chǔ)、信息處理，按照預(yù)先設(shè)定的程序，輸出所需要的功率信號(hào)，使電磁閥通電而動(dòng)作，并使不同的輸出指示燈亮起［7－8］。驅(qū)動(dòng)連接板控制流程圖如圖8所示。

3.1 位置反饋的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)位置反饋實(shí)現(xiàn)位置的閉環(huán)控制，以達(dá)到更高的控制精度。位置反饋裝置實(shí)現(xiàn)位置的檢測(cè)，本文采用閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)。一般閉環(huán)伺服系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩(電流)進(jìn)行反饋和閉環(huán)控制。

圖8 驅(qū)動(dòng)連接板控制流程圖

位置傳感器將直線(xiàn)或角度位移量轉(zhuǎn)換成模擬或數(shù)字電量，再通過(guò)信號(hào)處理電路或相應(yīng)的算法，形成與控制器輸入量相匹配的位置信號(hào)，然后根據(jù)位置偏差信號(hào)實(shí)施控制，最終消除偏差。

3.2 速度監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)

在驅(qū)動(dòng)連接板帶動(dòng)膨脹節(jié)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)速度對(duì)膨脹節(jié)的檢測(cè)性能會(huì)產(chǎn)生一定的影響，因此對(duì)于運(yùn)動(dòng)速度的要求是十分嚴(yán)格的。速度監(jiān)控環(huán)節(jié)包括速度計(jì)算、速度反饋、速度調(diào)節(jié)等步驟。

3.3 預(yù)警及報(bào)警的實(shí)現(xiàn)

警報(bào)指示燈可引起操作人員的注意。電控系統(tǒng)發(fā)生報(bào)警信號(hào)的同時(shí)，可使相應(yīng)的控制系統(tǒng)發(fā)生連鎖動(dòng)作，使系統(tǒng)停止工作從而得到保護(hù)。系統(tǒng)包括如下警報(bào)指示:移動(dòng)超過(guò)限位點(diǎn)、油位過(guò)高、油位過(guò)低、油壓高。系統(tǒng)通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)各種故障信號(hào)的采集，并進(jìn)行處理，輸出信號(hào)，使相應(yīng)的指示燈亮起。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了膨脹節(jié)試驗(yàn)用驅(qū)動(dòng)裝置的整體設(shè)計(jì)，它突破了現(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)裝置只能適用于固定尺寸的膨脹節(jié)的驅(qū)動(dòng)局限，可以驅(qū)動(dòng)不同尺寸膨脹節(jié)試驗(yàn)件往復(fù)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)行平穩(wěn)、調(diào)速方便，符合膨脹節(jié)的性能指標(biāo)的嚴(yán)格要求，在膨脹節(jié)的檢測(cè)裝置中將發(fā)揮巨大作用，給化工、冶金、核能等部門(mén)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

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