基于PLC的螺栓加載測試平臺系統設計

汪小名， 戢 敏， 樊學良

(成都大學 機械工程學院， 四川 成都 610106)

基于PLC的螺栓加載測試平臺系統設計

汪小名， 戢 敏， 樊學良

(成都大學 機械工程學院， 四川 成都 610106)

以螺栓加載測試平臺系統為研究平臺，介紹一種基于PLC的螺栓加載測試平臺系統的設計思路，給出了螺栓加載平臺示意圖、交替加載示意圖、沖擊加載示意圖和PLC功能流程圖.該系統設計的工作效率和安全性較高，并且其結構設計簡單有利于整個系統的穩定.

螺栓加載測試平臺；交替加載；沖擊加載；PLC自動控制

0 引 言

隨著科學技術的快速發展，傳統機械的控制從繼電器時代進入可編程式邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)軟件控制的快速發展階段[1-5].針對螺栓加載測試平臺的研究，有助于設計制造出符合現代生產要求的高質量螺栓，防止螺栓某些連接部分在裝配時出現擰緊、縮頸和屈服問題[6].對此，本研究設計出了一款專門用于螺栓強度測試的實驗平臺，該平臺采用基于PLC的螺栓加載測試控制系統，利用液壓系統提供測試動力，提高了自動化的監控能力.

1 功能分析及設計要求

單個普通螺栓的抗拉壓承載力設計值表達式為，

(1)

根據式(1)可計算出如下測試要求：測試螺栓的偏航制動和偏航阻尼制動交變載荷，要求加載次數為20 000次；載荷變化從0到偏航制動交替沖擊加載，要求加載1 000次；要求以壓力傳感器4～20 mA模擬信號設定的輸出值來控制閥門動作；設定值可調整，系統壓力為160 bar.測試高載壓力為140 bar(對應偏航制動力217.6 kN)，低載壓力為35 bar(對應偏航阻尼制動力54.4 kN).若被測螺栓斷裂，則由安全保護開關發訊、設備停止測試并報警，同時應具備油溫過高保護功能(溫度開關提供)，油泵電機過電流保護功能.測試平臺功能故障，如電磁閥、繼電器失效保護功能，通過油缸的拉壓傳感器(4～20 mA信號)來實現.

根據以上設計參數及控制要求，本研究設計出螺栓加載測試平臺如圖1所示.

圖1螺栓加載測試平臺系統示意圖

在圖1所示的該加載測試平臺系統中，測試油站模塊中油箱的容量為20 L，油泵電機型號為Y802-2，功率為1.1 kW，齒輪泵的泵油效率為1.8 L/min，配有吸油過濾器、回油過濾器、空濾器、測壓接頭，三位兩通電磁閥型號為K23JSD-L25/T，壓力表測壓上限為250 bar，單向閥型號為CVFF；在功能閥模塊中，3個電磁閥均為二位二通電磁閥，型號為AB-GAB，其中的測壓接頭3負責測試中壓力的變化檢測.系統壓力設計值為測試油站模塊中的溢流閥溢流壓力160 bar，功能閥模塊中的蓄能器蓄能壓力值由壓力傳感器檢測，功能閥模塊中設計的最高載荷為減壓閥的最高壓力載荷140 bar，系統的低壓載荷設計值為背壓閥的最高壓力值35 bar.

2 測試流程

本螺栓加載測試平臺系統運行時，所有電磁閥均處于斷電狀態，加載油缸活塞桿處于最左端，被測螺栓安裝在加載油缸活塞桿端口處與推桿固定，螺栓另一端固定在獨立的機架上.

2.1 系統啟動測試

2.1.1 程序1啟動測試.

程序1的邏輯流程如圖2所示.按下設備啟動按鈕，選擇程序1模式(偏航制動、偏航阻尼制動載荷交替加載)，設備啟動，電機通電，設備按以下順序運行：

圖2程序1邏輯流程圖

1)電磁閥DT1與DT3通電，其余電磁閥處于關閉狀態，此時蓄能器處于充壓狀態.

2)當壓力傳感器檢測到蓄能器達到工作狀態的壓力值測試高載壓力140 bar(對應偏航制動力217.6 kN)時，開始加高載，電磁閥DT4開啟，其余電磁閥均處于關閉狀態，此狀態維持2 s的時間.

3)當2 s過后，系統開始加低載，電磁閥DT5通電，其余電磁閥處于關閉狀態，此狀態維持2 s的時間，然后高低載荷反復交替進行.

4)當壓力傳感器檢測到蓄能器壓力值低于工作狀態的壓力值35 bar(對應偏航阻尼制動力54.4 kN)，蓄能器開始再次充壓，此時返回步驟1)，完成后再按步驟2)、3)高低載荷反復交替進行.此為一個完整的測試循環，當循環加載次數達到設計值20 000次后，測試完畢，電磁閥DT2、DT3、DT4通電，其余斷電，加載油缸退回.

2.1.2 按程序2啟動測試.

程序2的邏輯流程如圖3所示.按下設備啟動按鈕，選擇程序2模式(載荷從0到偏航制動交替沖擊加載)，設備啟動，電機通電，設備按以下順序運行：

圖3程序2邏輯流程圖

電機啟動后，電磁閥DT1、DT3、DT4通電，其余斷電，系統直接從0到偏航制動，加高載，維持2 s，電磁閥DT2、DT3、DT4通電，其余斷電，油缸退回，然后又加高載，如此反復運行，直到測試次數達到1 000次，測試完畢，油缸退回.

2.2 停止或報警

按下停止按鈕后，系統不會立即停止運行，而是完成當前運行周期剩余步驟后才會停止，加載油缸退回.當被測螺栓在測試過程中發生斷裂、系統發生故障或者按下急停按鈕時，報警燈開始閃爍，系統立即停止運行.

3 程序設計

為了實現上述測試功能，本研究編制了如下PLC控制流程圖，具體如圖4、圖5所示.

圖4 螺栓加載測試平臺的PLC功能流程1

圖5螺栓加載測試平臺的PLC功能流程2

在整個測試平臺系統程序中，分為程序1與程序2兩個子程序.程序選擇按鈕為觸控屏對應的功能選擇按鈕，程序選擇按鈕對應程序1與程序2的切換.

圖4為程序1，對應偏航制動、偏航阻尼制動載荷交替加載程序，系統會在2個子循環系統中不斷循環運行，當系統運行達到20 000次后，系統跳出循環，加載缸退回，程序結束.當被測螺栓在測試過程中發生斷裂、系統發生故障或者按下急停按鈕時，報警燈開始閃爍，系統立即停止運行.

圖5為程序2，按下開始，程序只有1個循環，載荷從0到偏航制動交替沖擊加載，當系統測試次數達到1 000次后，油缸退回到極限位置，程序結束.同樣，當被測螺栓在測試過程中發生斷裂、系統發生故障或者按下急停按鈕時，報警燈開始閃爍，系統立即停止運行.

4 結 語

本研究闡述了螺栓加載測試平臺的系統設計，實現了測試過程中的無人化操作.本測試平臺采用了液壓系統與PLC自動控制相結合的方式，利用PLC自動控制的優點，比傳統的測試模式更為高效.測試過程也證明了本系統運行可靠、安全.

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[5]鄧文才.PLC網絡構建及計算機與PLC的通訊方法[J].裝備維修技術，2008，36(3)：26-31.

[6]蘇德利，劉文順，孫久艷.普通螺栓連接在復雜受力下的強度分析[J].河南城建學院學報，2011，20(4)：16-18.

Abstract:The bolt loading test platform system is used as the research platform.The paper introduces the design idea of a bolt loading test platform system based on PLC platform,and puts forward the bolt loading diagram,alternating loading diagram,shock loading diagram and PLC function flow chart.The working efficiency and security of this system design are higher,and its structure design is simple,which is beneficial to the stability of the whole system.

Keywords:bolt loading test platform;alternate loading;impact loading;PLC automatic control

DesignofBoltLoadingTestPlatformSystemBasedonPLC

WANGXiaoming，JIMin，FANGXueliang

(School of Mechanical Engineering, Chengdu University, Chengdu 610106, China)

TH131.3；TP273

A

1004-5422(2017)03-0293-03

2017-06-30.

成都大學校青年基金(2015XJZ01)資助項目.

汪小名(1991 — )， 男， 碩士研究生， 從事機械與電器控制技術研究.