多工位液化石油氣鋼瓶水壓試驗(yàn)流水線研究*

黃燁翔，史偉民，向 忠

(浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

中國(guó)是世界前三的鋼瓶生產(chǎn)和使用國(guó)，2015年液化石油氣供應(yīng)量超過(guò)3 000萬(wàn)噸[1]，全國(guó)市場(chǎng)保有量超3億瓶。液化石油氣鋼瓶在整個(gè)LPG行業(yè)的發(fā)展中起到了舉足輕重的作用。按照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程規(guī)定[2-3]，液化石油氣鋼瓶制造和服役期間需通過(guò)水壓耐壓試驗(yàn)才允許使用[4]。

國(guó)外水壓試驗(yàn)多用外測(cè)法，近年也有新技術(shù)如電測(cè)法、圖像處理、激光測(cè)距。這些技術(shù)雖然精度高，但普遍工位極少、步驟繁瑣、工時(shí)較長(zhǎng)，僅適用于小規(guī)模生產(chǎn)和定期檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)[5]。我國(guó)的鋼瓶水壓試驗(yàn)裝置相對(duì)國(guó)外起步較晚[6]，目前已有報(bào)道的水壓耐壓試驗(yàn)多采用單工位測(cè)試，設(shè)備效率與自動(dòng)化程度低，且系統(tǒng)中鋼瓶編碼需要人工記錄，易出錯(cuò)，各流程環(huán)節(jié)中轉(zhuǎn)都需要人力搬抬，勞動(dòng)強(qiáng)度大[7-9]，無(wú)法滿足大規(guī)模的檢驗(yàn)需求。

本文將提出應(yīng)用計(jì)算機(jī)檢測(cè)、自動(dòng)化控制、視覺(jué)識(shí)別技術(shù)的多工位水壓耐壓試驗(yàn)流水線。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

流水線主要由上位機(jī)控制系統(tǒng)、讀碼進(jìn)瓶線、水壓試驗(yàn)小車、出瓶流水線構(gòu)成。

總流水線俯視圖如圖1所示。

圖1 總流水線俯視圖1—進(jìn)瓶線；2—攝像頭；3—鋼瓶；4—工作臺(tái)；5—水壓試驗(yàn)小車；6—出瓶線

整套流水線核心為上位機(jī)控制系統(tǒng)。工控機(jī)負(fù)責(zé)過(guò)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄和邏輯控制；工控機(jī)內(nèi)的研華PCI-1712卡讀取傳感器數(shù)據(jù)并根據(jù)控制邏輯要求輸出控制信號(hào)，操作相關(guān)氣缸、電機(jī)、閥門以達(dá)效果；攝像頭拍攝鋼瓶號(hào)碼圖像用于編碼識(shí)別，并用以太網(wǎng)和工控機(jī)進(jìn)行通信。

總控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 總控制結(jié)構(gòu)圖

2 流水線設(shè)計(jì)

2.1 注水桿設(shè)計(jì)

為了保證瓶體在承受液化石油氣巨大壓力時(shí)不會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)，本研究在檢測(cè)時(shí)使用高于瓶體標(biāo)準(zhǔn)壓力的水壓進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程分為注水、升壓、保壓、泄壓、排水5個(gè)步驟。這5個(gè)步驟由注水桿機(jī)構(gòu)完成。

注水桿機(jī)構(gòu)采用內(nèi)外管嵌套結(jié)構(gòu)，內(nèi)管為液口，插入到瓶底，外管為氣口壓在瓶口處。外圈有密閉環(huán)，水壓試驗(yàn)時(shí)用液壓機(jī)構(gòu)將整個(gè)注水桿壓緊在瓶口，防止壓力泄漏。壓緊時(shí)如圖3所示。

圖3 注水桿圖

由于注水桿工作時(shí)在豎直方向上下移動(dòng)，液口和氣口分別用軟管連接至主管路。主管路上設(shè)置5個(gè)閥門，分別控制加水、加壓、泄壓排水、加氣、排氣5種動(dòng)作。

管路和閥門設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 氣液管道閥門設(shè)計(jì)圖

當(dāng)瓶體進(jìn)入水壓試驗(yàn)工位，系統(tǒng)將注水桿壓入瓶?jī)?nèi)。開(kāi)啟加水閥和排氣排水閥，向瓶體內(nèi)注水，注滿后關(guān)閉加水閥和排氣排水閥，打開(kāi)加壓閥，進(jìn)行升壓操作。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，液化石油氣鋼瓶水壓耐壓試驗(yàn)壓力為額定工作壓力的1.5倍，且升壓速率以試驗(yàn)壓力的3%每秒上升[10]。瓶體壓力由壓力傳感器檢測(cè)并通過(guò)研華PCI模擬量模塊輸入，與程序設(shè)定的上限值實(shí)時(shí)比對(duì)，到達(dá)指定壓力后關(guān)閉加壓閥，進(jìn)入保壓過(guò)程。在升壓和保壓階段密切注意瓶體是否有畸變或破裂。在程序設(shè)計(jì)中，若讀取壓力值低于設(shè)定值5%即觸發(fā)壓力泄漏報(bào)警信號(hào)。保壓時(shí)間到后打開(kāi)泄壓排水閥，將水排出降低壓力。最后開(kāi)啟加氣吹掃閥，用壓縮空氣將水全部排出完成水壓試驗(yàn)。

水壓試驗(yàn)各步驟閥門開(kāi)閉如表1所示。

表1 各步驟閥門開(kāi)閉表

瓶體壓力P-T曲線如圖5所示。

圖5 水壓過(guò)程瓶體壓力P-T曲線

鋼瓶瓶口直徑固定，因此限制了氣液管道的口徑大小，管道如圖6所示。

圖6 進(jìn)出管機(jī)械圖

為提高測(cè)試效率，盡可能加大進(jìn)液和出液速率。本研究根據(jù)內(nèi)外液管縫隙理論模型，進(jìn)行理論推導(dǎo)和設(shè)計(jì)。進(jìn)出管隙理論模型圖如圖7所示。

圖7 進(jìn)出管隙理論模型圖

當(dāng)即兩管同心時(shí)，管隙為h=(D-d)/2。根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦公式有:

(1)

式中:τ—單位面積內(nèi)摩擦力；μ—?jiǎng)恿φ承韵禂?shù)(由流體本身性質(zhì)決定)；du/dy—速度梯度。

在間隙中取一個(gè)微元體dxdy，則其受力平衡方程如下：

pdy+(τ+dτ)dx=(p+dp)dy+τdx

(2)

將式(1)代入式(2)后得出：

(3)

積分后利用邊界條件得出：

(4)

(5)

同理當(dāng)內(nèi)外圓不同心時(shí)，可推導(dǎo)出流量公式為：

(6)

式中：e—內(nèi)外圓圓心偏心量，e=h1-h2；ε—相對(duì)偏心率，ε=e/h。

從兩個(gè)公式比對(duì)可知，在內(nèi)外管直徑不變的情況下，如果相對(duì)偏心率最大值ε=1時(shí)，是同心圓(ε=0)縫隙流量的2.5倍。所以改用偏心圓方案可以在不影響內(nèi)外管物理尺寸的情況下得到更大的出液量，提高生產(chǎn)效率。

2.2 水壓試驗(yàn)小車設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步提高檢驗(yàn)效率且不影響?yīng)毩⒐の坏倪\(yùn)行，本研究設(shè)計(jì)了一臺(tái)多工位且具有自動(dòng)往復(fù)功能的小車。小車運(yùn)動(dòng)圖如圖8所示。

圖8 小車運(yùn)動(dòng)圖

啟動(dòng)時(shí)，小車從軌道右端向左移動(dòng)，檢測(cè)1號(hào)位是否有瓶，若無(wú)瓶則推入待檢鋼瓶，同時(shí)檢測(cè)3號(hào)位是否有做完水壓試驗(yàn)的鋼瓶，若有則推出鋼瓶。小車?yán)^續(xù)向左移動(dòng)到2號(hào)位時(shí)檢測(cè)2號(hào)和4號(hào)位進(jìn)行同樣操作。以此類推，如圖8(a)、8(b)所示。直到小車行進(jìn)到最左側(cè)時(shí)，12號(hào)位進(jìn)瓶完成，如圖8(c)所示。此時(shí)小車向右倒車，直至1號(hào)位對(duì)應(yīng)到出瓶線口，等待1號(hào)位鋼瓶做完水壓試驗(yàn)將瓶推出，小車?yán)^續(xù)向左，重復(fù)之前步驟，如圖8(d)所示，如此往復(fù)直至停止。

水壓試驗(yàn)小車正視圖如圖9所示。水壓試驗(yàn)小車總共12個(gè)工位，每個(gè)工位配備獨(dú)立的控制面板、閥門和壓力表。小車下方裝有異步電機(jī)，通過(guò)改變電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制小車在軌道上進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。小車兩側(cè)設(shè)置循環(huán)水箱，每個(gè)工位配備水泵和配套管路，左右水箱連通，平衡兩側(cè)液位，使打壓水量更為穩(wěn)定。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求[10]，水箱每日更換室內(nèi)水槽敞口放置8 h的潔凈淡水，水溫大于5 ℃且與室溫之差小于5 ℃。

2.3 讀碼進(jìn)瓶線設(shè)計(jì)

該方案使用同心大小頭傳送滾軸，使大小軸上瓶體橫向受力不平衡而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，并利用鋼瓶護(hù)罩缺口和導(dǎo)向軌限制鋼瓶的轉(zhuǎn)動(dòng)空間以達(dá)到定位的效果，增加導(dǎo)向軌長(zhǎng)度及調(diào)節(jié)導(dǎo)向軌距離可提高定位效果，保證圖像設(shè)備精確取碼。

圖9 水壓試驗(yàn)小車正視圖1—壓力表；2—注水桿；3—出水箱；4—連通器；5—控制面板；6—進(jìn)水箱；7—加水閥；8—加壓閥；9—泄壓排水閥；10—加氣吹掃閥；11—排氣、水閥；12—壓力表

讀碼進(jìn)瓶線俯視圖如圖10所示。

圖10 讀碼進(jìn)瓶線俯視圖1—同心大小軸；2—定位導(dǎo)向軌；3—距離調(diào)節(jié)螺紋；4—鋼瓶；5—攝像頭

旋轉(zhuǎn)定位后攝像頭進(jìn)行拍照讀碼。由于鋼瓶存在個(gè)體差異，較難辨認(rèn)[11]，用人工讀碼并記錄工作量巨大，也容易產(chǎn)生誤差，無(wú)法大規(guī)模檢測(cè)。該設(shè)備采用2.5D工業(yè)攝像頭進(jìn)行凹凸信息捕捉，精準(zhǔn)讀取每個(gè)鋼印數(shù)字。同時(shí)在程序中也有雙重保險(xiǎn)措施，連續(xù)識(shí)別兩次讀碼相同后才將數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)庫(kù)，若多次讀取失敗將進(jìn)行人為修復(fù)。

流程圖如圖11所示。

圖11 水壓試驗(yàn)流程圖

3 工控機(jī)軟件設(shè)計(jì)

該設(shè)備的上位機(jī)以Win7系統(tǒng)為操作平臺(tái)，研華工控機(jī)為硬件，基于VB.NET開(kāi)發(fā)的控制邏輯和監(jiān)控界面。主界面如圖12所示。

圖12 軟件界面

其主要內(nèi)容有：(1)用戶信息的登陸和參數(shù)配置；(2)端口參數(shù)配置；(3)流水線運(yùn)行控制；(4)各工位相關(guān)狀態(tài)監(jiān)控顯示；(5)待進(jìn)瓶編碼顯示；(6)記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)生成報(bào)表。

每個(gè)工位模塊中，步驟狀態(tài)顯示由程序控制切換。鋼瓶實(shí)時(shí)壓力和升壓速率由PCI板讀取，顯示在測(cè)試參數(shù)部分。工業(yè)攝像頭讀取鋼瓶編碼先在界面中部的待檢編號(hào)欄上顯示，等鋼瓶入試驗(yàn)位置時(shí)寫(xiě)入工位氣瓶編號(hào)欄。為方便監(jiān)檢部門對(duì)制造與定檢過(guò)程的測(cè)試數(shù)據(jù)抽查，并對(duì)其真實(shí)性作出評(píng)估，測(cè)試軟件中自動(dòng)記錄了單次測(cè)試過(guò)程中試驗(yàn)開(kāi)始與結(jié)束的時(shí)間，以圖12中工位1開(kāi)始時(shí)間為例“20170506161048”表示2017年05月06日16點(diǎn)10分48秒開(kāi)始進(jìn)行水壓試驗(yàn)。當(dāng)前試驗(yàn)尚未結(jié)束時(shí)，結(jié)束時(shí)間會(huì)仍顯示前一瓶結(jié)束時(shí)間。

該系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控并保存每個(gè)鋼瓶的水壓數(shù)據(jù)，當(dāng)保壓步驟中實(shí)際瓶體壓力低于設(shè)定值5%，則系統(tǒng)會(huì)判斷為鋼瓶無(wú)法保壓，程序自動(dòng)標(biāo)記不合格鋼瓶并記錄，同時(shí)對(duì)應(yīng)工位發(fā)出聲光報(bào)警，由測(cè)試員在對(duì)應(yīng)工位瓶體外側(cè)噴涂測(cè)試異常標(biāo)記。

4 應(yīng)用效果

該設(shè)計(jì)中多工位液化石油氣鋼瓶水壓試驗(yàn)流水線已實(shí)際應(yīng)用于工廠中。流水線現(xiàn)場(chǎng)圖如圖13所示。

圖13 流水線現(xiàn)場(chǎng)照

將該流水線和傳統(tǒng)流程的水壓試驗(yàn)線進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 自動(dòng)流水線和傳統(tǒng)方法效果對(duì)比

自動(dòng)流水線和傳統(tǒng)方法信息記錄對(duì)比如表3所示。

表3 自動(dòng)流水線和傳統(tǒng)方法信息記錄對(duì)比

由此可見(jiàn)：整套自動(dòng)化流水線能比傳統(tǒng)人工效率提升一倍多，工人數(shù)量縮減約60%，錯(cuò)誤發(fā)生率為傳統(tǒng)的十二分之一。

5 結(jié)束語(yǔ)

以多工位水壓試驗(yàn)設(shè)備為研究對(duì)象，本研究分析了其各部分組件的機(jī)械設(shè)計(jì)和工作原理，并基于Windows系統(tǒng)和VB.NET編程設(shè)計(jì)了友好靈活的控制界面。

實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果表明：相較傳統(tǒng)水壓試驗(yàn)裝置，該設(shè)備效率提升超100%，人員工作量減少近60%；同時(shí)，設(shè)備能夠適應(yīng)大批量的試驗(yàn)檢測(cè)，而出錯(cuò)率僅為4‰，完全可代替繁瑣易錯(cuò)的人工檢驗(yàn)方法。

參考文獻(xiàn)(References):

[1] NORTHROP R B. Introduction to instrumentation and measurements[J].CRCPress,1997,85(A7):3367-3375.

[2] TSG R0006-2014.氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].北京：國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢驗(yàn)疫總局，2014.

[3] GB8334-2011.液化石油氣鋼瓶定期檢驗(yàn)與評(píng)定[S].北京：國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢驗(yàn)疫總局，2011.

[4] 高靜敏.長(zhǎng)管氣瓶外測(cè)法水壓試驗(yàn)裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[D].邯鄲：河北工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，2013.

[5] 朱佳華.基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的車載氣瓶水壓試驗(yàn)研究[D].上海：華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,2011.

[6] 范俊明，袁克儉.氣瓶水壓試驗(yàn)方法的比較及應(yīng)用分析[J].壓力容器，2009，26(12):54-59.

[7] 楊 旭.氣瓶外測(cè)法水壓試驗(yàn)裝置故障診斷與分析[J].中國(guó)特種設(shè)備安全，2009,25(9):74-76.

[8] 黎玉萍，孟永彪，文洪江，等.應(yīng)變法在CNG氣瓶檢測(cè)中的應(yīng)用研究[J].當(dāng)代化工，2010,39(4):383-385.

[9] LI P, LEI M K, ZHU X P. Wear mechanism of AZ31 magnesium alloy irradiated by high-intensity pulsed ion beam[J].SurfaceandCoatingsTechnology,2010,204(14):2152-2158.

[10] GB/T 9251-2011.氣瓶水壓試驗(yàn)方法[S].北京：國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢驗(yàn)疫總局，2011.

[11] 李志敏，瞿偉健.呼吸器用復(fù)合氣瓶不同水壓試驗(yàn)方法的比較[J].中國(guó)特種設(shè)備安全，2013,29(6):33-36.