塑料檢查井試驗(yàn)載荷平臺(tái)設(shè)計(jì)與研究

謝 麗

（昆明鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南昆明 650217）

0 引言

檢查井俗稱“窨井”，是在地下管線位置上每隔一定距離修建的豎井，是城市道路地下基礎(chǔ)設(shè)施之一。傳統(tǒng)檢查井為磚砌或混泥土結(jié)構(gòu)，浪費(fèi)人工和材料，污染大，施工周期長(zhǎng)；塑料檢查井具有成本低、材料可循環(huán)利用、壽命長(zhǎng)、不受環(huán)境影響等優(yōu)點(diǎn)。目前，我國各級(jí)政府已經(jīng)出臺(tái)了禁止使用傳統(tǒng)磚砌檢查井，優(yōu)先采用塑料檢查井的政策。塑料檢查井替代傳統(tǒng)磚砌檢查井是一項(xiàng)開發(fā)、節(jié)約、替代、推廣、循環(huán)利用和治理污染的先進(jìn)技術(shù)。由于塑料檢查井埋于地下，地面及土體的動(dòng)、靜荷載讓塑料檢查井會(huì)發(fā)生變形，不僅縮短產(chǎn)品的使用壽命，而且降低產(chǎn)品的質(zhì)量，所以必須保證塑料檢查井力學(xué)性能達(dá)到國家規(guī)范要求。

根據(jù)生產(chǎn)企業(yè)質(zhì)量控制需求，受昆明某塑膠有限公司的委托，設(shè)計(jì)一套能完成塑料檢查井物理力學(xué)性能（包括軸向力、徑向力和剪切力）檢測(cè)的試驗(yàn)平臺(tái)，滿足企業(yè)自身的生產(chǎn)及檢測(cè)要求。本項(xiàng)目將研究塑料檢查井載荷試驗(yàn)平臺(tái)的機(jī)械、液壓和控制系統(tǒng)部分。

1 載荷試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)組成

該載荷試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)為雙梁四柱的機(jī)械結(jié)構(gòu)，機(jī)體為固定的框架式[1]，機(jī)架上方包括兩個(gè)液壓缸：大液壓缸即加載液壓缸，檢測(cè)塑料檢查井的軸向壓力和徑向壓力；小液壓缸為剪切液壓缸，檢測(cè)塑料檢查井井座與連接管道的剪切壓力，剪切液壓缸懸掛在矩形導(dǎo)軌槽中，可以手動(dòng)進(jìn)行位置的調(diào)整，滿足不同產(chǎn)品的承口部位剪切試驗(yàn)，塑料檢查井試件采用手動(dòng)放置在工作臺(tái)上。

整個(gè)液壓系統(tǒng)放在左邊的操作柜里面，采用封閉式的液壓柜，減少液壓油泄漏的污染，電機(jī)帶動(dòng)液壓泵，控制各個(gè)液壓元件，集中放置。右邊操作臺(tái)包括電氣柜和計(jì)算機(jī)，電氣柜主要安裝電氣系統(tǒng)的動(dòng)力元件，電機(jī)的斷路器、接觸器、繼電器、接線端子排等以及可編程邏輯控制器；計(jì)算機(jī)操作臺(tái)安裝有個(gè)人電腦，實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面對(duì)話，系統(tǒng)所有試驗(yàn)的進(jìn)行都是在右邊的操作臺(tái)完成，獨(dú)立的計(jì)算機(jī)+可編程邏輯控制器操作平臺(tái)，方便操作控制。

2 載荷試驗(yàn)平臺(tái)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 液壓系統(tǒng)控制要求

（1）液壓系統(tǒng)動(dòng)作要求。整個(gè)液壓系統(tǒng)需要完成“快進(jìn)—工進(jìn)—保壓—快退”4 個(gè)步驟，開始工作時(shí)，液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)快進(jìn)，快速接近試件；接觸到試件時(shí)，壓力增大，速度減小，進(jìn)入到工進(jìn)狀態(tài)，液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)設(shè)定的壓力值施壓；到達(dá)每個(gè)設(shè)定的壓力值時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)停止不動(dòng)，保壓一段時(shí)間；當(dāng)完成試驗(yàn)任務(wù)后，液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)快速退回原位，提高效率，為下次工作做好準(zhǔn)備。

（2）施力控制要求。在工進(jìn)狀態(tài)時(shí)試驗(yàn)平臺(tái)需要對(duì)塑料檢查井軸向、徑向、和管道接口處剪切方向分別施加壓力。本系統(tǒng)采用應(yīng)力（力）閉環(huán)控制，建立力直接反饋系統(tǒng)，利用比例閥和壓力傳感器，調(diào)節(jié)施力裝置的工作狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)行軸向力、徑向力試驗(yàn)時(shí)，施力過程分為3 個(gè)壓力階段，根據(jù)試件的尺寸確定出最大荷載壓力，分別按照最大壓力的50%、75%和100%進(jìn)行加載。在剪切力試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)試件的尺寸確定出最大荷載壓力，大液壓缸先施加10%的預(yù)緊力，夾緊試件后，小液壓缸也按照最大壓力的50%、75%和100%進(jìn)行壓力等級(jí)加載。

（3）變形量控制要求。利用位移傳感器檢測(cè)位移量，設(shè)定試驗(yàn)最大變形量，并記錄每個(gè)壓力等級(jí)下的變形量。在檢測(cè)軸向力和徑向力試驗(yàn)時(shí)，設(shè)置最大變形量為原內(nèi)徑尺寸的30%；在檢測(cè)剪切力試驗(yàn)時(shí)，設(shè)置最大變形量為原內(nèi)徑尺寸的10%，超過最大變形量，停機(jī)，產(chǎn)品質(zhì)量不達(dá)標(biāo)。記錄每個(gè)壓力等級(jí)下的位移量，比較位移量與最大變形量的關(guān)系。如果變形量小于設(shè)定值，則增加試驗(yàn)壓力，通過位移量來控制試驗(yàn)的進(jìn)程。

2.2 液壓施力閉環(huán)控制

本液壓系統(tǒng)采用電液比例溢流閥構(gòu)建的壓力閉環(huán)控制。塑料檢查井被壓后的變形量通過壓力傳感器檢測(cè)后記錄在計(jì)算機(jī)中，位移量作為壓力閉環(huán)中的一個(gè)參考量，而試驗(yàn)機(jī)在工作過程中壓力的變化比較大，整個(gè)加壓過程分級(jí)控制，壓力信號(hào)是系統(tǒng)的一個(gè)主要控制量。通過改變比例溢流閥輸入電信號(hào)的大小來調(diào)節(jié)其壓力[2]。位移量的變化是否達(dá)到最大設(shè)定值，作為是否增加試驗(yàn)壓力的依據(jù)，因而可從位移控制來控制試驗(yàn)的壓力。另外，液壓缸活塞的伸出量，可以引起施力的變化，所以試驗(yàn)的加載壓力控制可以為：液壓油缸壓力的施力控制和位移變化的施力控制。本系統(tǒng)采用位移的變化與力的變化結(jié)合起來，確定壓力目標(biāo)值后，根據(jù)其變化率，適時(shí)調(diào)整施力裝置的工作狀態(tài)，讓系統(tǒng)達(dá)到施力控制的目標(biāo)[3]。

2.3 試驗(yàn)平臺(tái)液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

綜合考慮，試驗(yàn)臺(tái)設(shè)一個(gè)液壓站、兩個(gè)液壓缸。同時(shí)在大、小兩個(gè)液壓缸系統(tǒng)中配有T1、T3 兩個(gè)壓力傳感器，分別顯示大液壓缸和小液壓缸的工作時(shí)的初始?jí)毫Α⒍螇毫腿螇毫?，而T2、T4 兩個(gè)位移傳感器，則記錄下每個(gè)壓力值下檢查井的位移量，實(shí)時(shí)監(jiān)控試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行狀況。為保護(hù)兩個(gè)液壓缸的執(zhí)行裝置快速回位時(shí)，不發(fā)生安全事故，設(shè)置SQ1、SQ2 兩個(gè)限位開關(guān)，執(zhí)行裝置碰到限位開關(guān)時(shí)，馬上停止動(dòng)作，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)壓力過載時(shí)，壓力繼電器發(fā)出信號(hào)，設(shè)備停機(jī)。試驗(yàn)臺(tái)中計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是通過回路中的傳感器提供信號(hào)。

3 載荷試驗(yàn)平臺(tái)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）試驗(yàn)平臺(tái)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。試驗(yàn)臺(tái)的控制系統(tǒng)由上位機(jī)參數(shù)設(shè)定與顯示（LabVIEW 界面）、PLC 可編程邏輯控制器（三菱）、放大環(huán)節(jié)與信號(hào)轉(zhuǎn)換（A/D、D/A 轉(zhuǎn)換器）、動(dòng)力執(zhí)行機(jī)構(gòu)（液壓缸）、信號(hào)反饋環(huán)節(jié)（壓力、位移傳感器）等組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。當(dāng)液壓系統(tǒng)的幾個(gè)壓力階段和塑料檢查井施壓后的變形量，被壓力傳感器和位移傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)并傳遞給信號(hào)采集設(shè)備如：A/D 轉(zhuǎn)換、D/A 轉(zhuǎn)換，把信號(hào)從模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后寫入到控制器中，通過控制器編制好的程序處理后，把信號(hào)經(jīng)過D/A 轉(zhuǎn)換后控制溢流閥的開口量；而開關(guān)量信號(hào)直接輸入控制器，程序處理后控制器直接控制各個(gè)電磁閥的通斷，把壓力值和變形量實(shí)時(shí)記錄在計(jì)算機(jī)中保存、分析和打印。

圖1 電氣控制結(jié)構(gòu)

（2）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。選定三菱FX2N-32MR 的基本單元，由于本系統(tǒng)主要是數(shù)字量傳輸，只有5 個(gè)模擬量信號(hào)，三菱PLC自帶的特殊擴(kuò)展模塊可以滿足要求，因此，選擇三菱四通道模擬量輸入模塊FX2N-4AD，和兩通道模擬量輸出模塊FX2N-2DA。其中，設(shè)定CH1、CH2、CH3、CH4 為模擬量通道，根據(jù)傳感器的選型，4 個(gè)采集信號(hào)的輸入通道為電壓輸入，范圍為-10～+10 V；根據(jù)比例溢流閥的選型，一個(gè)控制量輸出通道為電流輸出，范圍為4～20 mA，按照相應(yīng)的接線方式將模塊與PLC 連接，并根據(jù)相應(yīng)的緩沖寄存器分配編程實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量的讀寫[4]。三菱PLC編程軟件采用GX Developer，控制程序包括數(shù)據(jù)采集與輸出、油缸的運(yùn)動(dòng)控制、油缸壓力閉環(huán)控制（壓力模式）等：①數(shù)據(jù)采集與輸出是利用PLC 中FROM 和TO 命令調(diào)用轉(zhuǎn)換器中的信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)入控制器，同時(shí)，通過控制器把控制信號(hào)傳送到液壓元件；②加載油缸和剪切油缸的運(yùn)動(dòng)采用功能指令編程，通過控制電磁換向閥的通斷、比例溢流閥閥口開啟的大小，來控制液壓系統(tǒng)中的壓力、流量。通過分層控制，子程序的編寫和調(diào)用，實(shí)現(xiàn)各功能塊的任務(wù)，此部分是PLC 控制的核心部分，程序的開發(fā)，需要通過反復(fù)調(diào)試；③油缸壓力閉環(huán)控制可以利用PLC 自帶的PID 控制模塊，可以在程序中直接調(diào)用PID 運(yùn)算程序，這些參數(shù)隨壓力控制對(duì)象的要求而定，通過對(duì)4 個(gè)參數(shù)的整定，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力閉環(huán)的過程優(yōu)化控制。

（3）利用LabVIEW 的試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試界面設(shè)計(jì)。使用Lab－VIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）軟件設(shè)計(jì)的塑料檢查井載荷試驗(yàn)平臺(tái)控制系統(tǒng)，在整個(gè)試驗(yàn)過程中都能對(duì)壓力、位移參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和監(jiān)控。測(cè)試系統(tǒng)如果進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，“數(shù)據(jù)采集”模塊便開始啟動(dòng)，把采集到的數(shù)據(jù)先進(jìn)行保存，然后讀取和處理；設(shè)置“數(shù)據(jù)處理”模塊，通過對(duì)壓力值和變形量數(shù)據(jù)的處理，轉(zhuǎn)變成各種曲線，為產(chǎn)品性能的分析提供數(shù)據(jù)；該試驗(yàn)平臺(tái)中需要提供塑料檢查井產(chǎn)品合格資料或者不合格產(chǎn)品的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，所以要“數(shù)據(jù)保存”功能；在測(cè)試結(jié)束后，需要對(duì)保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和回放，設(shè)置了“數(shù)據(jù)讀取”模塊，按下停止按鈕“數(shù)據(jù)采集”過程結(jié)束。在前面板圖中設(shè)有兩個(gè)指示燈，因?yàn)樵谠囼?yàn)時(shí)人很難判斷塑料檢查井是否破裂或者達(dá)到最大的變形量，一旦出現(xiàn)某些參數(shù)值超標(biāo)，會(huì)造成設(shè)備的損壞甚至造成生產(chǎn)事故，因此要有預(yù)警和報(bào)警機(jī)制，在緊急情況到來時(shí)系統(tǒng)能夠按照用戶的指令作出相應(yīng)的操作（圖2）。系統(tǒng)以紅燈閃爍提示塑料檢查井破裂壓潰進(jìn)行報(bào)警，以黃燈閃爍作為預(yù)值報(bào)警，此時(shí)記錄壓力和位移數(shù)據(jù)并完成暫?；蜿P(guān)機(jī)操作。

圖2 控制系統(tǒng)前面板

要實(shí)現(xiàn)前面板設(shè)定的功能，后臺(tái)會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)對(duì)應(yīng)的編程控件，通過雙擊前面板控件可以與后面板對(duì)應(yīng)上，然后通過連線實(shí)現(xiàn)，后面板就可以編寫圖形程序，后臺(tái)編程可以采用整體編程也可以分成多個(gè)子程序進(jìn)行編程[5]。

4 結(jié)束語

根據(jù)某塑膠有限公司的委托，在滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的前提下，研究與設(shè)計(jì)了一臺(tái)塑料檢查井載荷試驗(yàn)臺(tái)，能檢測(cè)該企業(yè)的37 種產(chǎn)品規(guī)格以及產(chǎn)品的力學(xué)性能指標(biāo)。這臺(tái)檢測(cè)設(shè)備不僅能為企業(yè)節(jié)約外出送檢的時(shí)間、節(jié)約外出送檢的費(fèi)用，大大節(jié)約人力和財(cái)力，還可以用于各種產(chǎn)品的耐外載荷測(cè)試（如包裝物的堆碼試驗(yàn)等），能實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，具有很好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

本課題的設(shè)計(jì)與研究，為產(chǎn)品試驗(yàn)、產(chǎn)品出廠檢驗(yàn)、質(zhì)檢等環(huán)節(jié)提供基礎(chǔ)，具有廣闊的市場(chǎng)空間和一定的社會(huì)效益。