塑料檢查井試驗載荷平臺設計與研究

謝 麗

（昆明鐵道職業技術學院，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設施之一。傳統檢查井為磚砌或混泥土結構，浪費人工和材料，污染大，施工周期長；塑料檢查井具有成本低、材料可循環利用、壽命長、不受環境影響等優點。目前，我國各級政府已經出臺了禁止使用傳統磚砌檢查井，優先采用塑料檢查井的政策。塑料檢查井替代傳統磚砌檢查井是一項開發、節約、替代、推廣、循環利用和治理污染的先進技術。由于塑料檢查井埋于地下，地面及土體的動、靜荷載讓塑料檢查井會發生變形，不僅縮短產品的使用壽命，而且降低產品的質量，所以必須保證塑料檢查井力學性能達到國家規范要求。

根據生產企業質量控制需求，受昆明某塑膠有限公司的委托，設計一套能完成塑料檢查井物理力學性能（包括軸向力、徑向力和剪切力）檢測的試驗平臺，滿足企業自身的生產及檢測要求。本項目將研究塑料檢查井載荷試驗平臺的機械、液壓和控制系統部分。

1 載荷試驗平臺結構組成

該載荷試驗平臺設計為雙梁四柱的機械結構，機體為固定的框架式[1]，機架上方包括兩個液壓缸：大液壓缸即加載液壓缸，檢測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軌槽中，可以手動進行位置的調整，滿足不同產品的承口部位剪切試驗，塑料檢查井試件采用手動放置在工作臺上。

整個液壓系統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，電機帶動液壓泵，控制各個液壓元件，集中放置。右邊操作臺包括電氣柜和計算機，電氣柜主要安裝電氣系統的動力元件，電機的斷路器、接觸器、繼電器、接線端子排等以及可編程邏輯控制器；計算機操作臺安裝有個人電腦，實現人機界面對話，系統所有試驗的進行都是在右邊的操作臺完成，獨立的計算機+可編程邏輯控制器操作平臺，方便操作控制。

2 載荷試驗平臺液壓系統設計

2.1 液壓系統控制要求

（1）液壓系統動作要求。整個液壓系統需要完成“快進—工進—保壓—快退”4 個步驟，開始工作時，液壓執行機構快進，快速接近試件；接觸到試件時，壓力增大，速度減小，進入到工進狀態，液壓執行機構根據設定的壓力值施壓；到達每個設定的壓力值時，執行機構停止不動，保壓一段時間；當完成試驗任務后，液壓執行機構快速退回原位，提高效率，為下次工作做好準備。

（2）施力控制要求。在工進狀態時試驗平臺需要對塑料檢查井軸向、徑向、和管道接口處剪切方向分別施加壓力。本系統采用應力（力）閉環控制，建立力直接反饋系統，利用比例閥和壓力傳感器，調節施力裝置的工作狀態。當進行軸向力、徑向力試驗時，施力過程分為3 個壓力階段，根據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%進行加載。在剪切力試驗時，根據試件的尺寸確定出最大荷載壓力，大液壓缸先施加10%的預緊力，夾緊試件后，小液壓缸也按照最大壓力的50%、75%和100%進行壓力等級加載。

（3）變形量控制要求。利用位移傳感器檢測位移量，設定試驗最大變形量，并記錄每個壓力等級下的變形量。在檢測軸向力和徑向力試驗時，設置最大變形量為原內徑尺寸的30%；在檢測剪切力試驗時，設置最大變形量為原內徑尺寸的10%，超過最大變形量，停機，產品質量不達標。記錄每個壓力等級下的位移量，比較位移量與最大變形量的關系。如果變形量小于設定值，則增加試驗壓力，通過位移量來控制試驗的進程。

2.2 液壓施力閉環控制

本液壓系統采用電液比例溢流閥構建的壓力閉環控制。塑料檢查井被壓后的變形量通過壓力傳感器檢測后記錄在計算機中，位移量作為壓力閉環中的一個參考量，而試驗機在工作過程中壓力的變化比較大，整個加壓過程分級控制，壓力信號是系統的一個主要控制量。通過改變比例溢流閥輸入電信號的大小來調節其壓力[2]。位移量的變化是否達到最大設定值，作為是否增加試驗壓力的依據，因而可從位移控制來控制試驗的壓力。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。本系統采用位移的變化與力的變化結合起來，確定壓力目標值后，根據其變化率，適時調整施力裝置的工作狀態，讓系統達到施力控制的目標[3]。

2.3 試驗平臺液壓控制系統設計

綜合考慮，試驗臺設一個液壓站、兩個液壓缸。同時在大、小兩個液壓缸系統中配有T1、T3 兩個壓力傳感器，分別顯示大液壓缸和小液壓缸的工作時的初始壓力、二次壓力和三次壓力，而T2、T4 兩個位移傳感器，則記錄下每個壓力值下檢查井的位移量，實時監控試驗臺的運行狀況。為保護兩個液壓缸的執行裝置快速回位時，不發生安全事故，設置SQ1、SQ2 兩個限位開關，執行裝置碰到限位開關時，馬上停止動作，當整個系統壓力過載時，壓力繼電器發出信號，設備停機。試驗臺中計算機數據采集系統是通過回路中的傳感器提供信號。

3 載荷試驗平臺計算機控制系統設計

（1）試驗平臺控制系統硬件設計。試驗臺的控制系統由上位機參數設定與顯示（LabVIEW 界面）、PLC 可編程邏輯控制器（三菱）、放大環節與信號轉換（A/D、D/A 轉換器）、動力執行機構（液壓缸）、信號反饋環節（壓力、位移傳感器）等組成，其結構框圖如圖1 所示。當液壓系統的幾個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時檢測并傳遞給信號采集設備如：A/D 轉換、D/A 轉換，把信號從模擬量轉換為數字量后寫入到控制器中，通過控制器編制好的程序處理后，把信號經過D/A 轉換后控制溢流閥的開口量；而開關量信號直接輸入控制器，程序處理后控制器直接控制各個電磁閥的通斷，把壓力值和變形量實時記錄在計算機中保存、分析和打印。

圖1 電氣控制結構

（2）控制系統設計。選定三菱FX2N-32MR 的基本單元，由于本系統主要是數字量傳輸，只有5 個模擬量信號，三菱PLC自帶的特殊擴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，設定CH1、CH2、CH3、CH4 為模擬量通道，根據傳感器的選型，4 個采集信號的輸入通道為電壓輸入，范圍為-10～+10 V；根據比例溢流閥的選型，一個控制量輸出通道為電流輸出，范圍為4～20 mA，按照相應的接線方式將模塊與PLC 連接，并根據相應的緩沖寄存器分配編程實現對模擬量的讀寫[4]。三菱PLC編程軟件采用GX Developer，控制程序包括數據采集與輸出、油缸的運動控制、油缸壓力閉環控制（壓力模式）等：①數據采集與輸出是利用PLC 中FROM 和TO 命令調用轉換器中的信息，實現數據信號進入控制器，同時，通過控制器把控制信號傳送到液壓元件；②加載油缸和剪切油缸的運動采用功能指令編程，通過控制電磁換向閥的通斷、比例溢流閥閥口開啟的大小，來控制液壓系統中的壓力、流量。通過分層控制，子程序的編寫和調用，實現各功能塊的任務，此部分是PLC 控制的核心部分，程序的開發，需要通過反復調試；③油缸壓力閉環控制可以利用PLC 自帶的PID 控制模塊，可以在程序中直接調用PID 運算程序，這些參數隨壓力控制對象的要求而定，通過對4 個參數的整定，實現對壓力閉環的過程優化控制。

（3）利用LabVIEW 的試驗平臺測試界面設計。使用Lab－VIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）軟件設計的塑料檢查井載荷試驗平臺控制系統，在整個試驗過程中都能對壓力、位移參數進行實時顯示和監控。測試系統如果進入運行狀態，“數據采集”模塊便開始啟動，把采集到的數據先進行保存，然后讀取和處理；設置“數據處理”模塊，通過對壓力值和變形量數據的處理，轉變成各種曲線，為產品性能的分析提供數據；該試驗平臺中需要提供塑料檢查井產品合格資料或者不合格產品的試驗數據，所以要“數據保存”功能；在測試結束后，需要對保存的數據進行讀取和回放，設置了“數據讀取”模塊，按下停止按鈕“數據采集”過程結束。在前面板圖中設有兩個指示燈，因為在試驗時人很難判斷塑料檢查井是否破裂或者達到最大的變形量，一旦出現某些參數值超標，會造成設備的損壞甚至造成生產事故，因此要有預警和報警機制，在緊急情況到來時系統能夠按照用戶的指令作出相應的操作（圖2）。系統以紅燈閃爍提示塑料檢查井破裂壓潰進行報警，以黃燈閃爍作為預值報警，此時記錄壓力和位移數據并完成暫?；蜿P機操作。

圖2 控制系統前面板

要實現前面板設定的功能，后臺會自動生成一個對應的編程控件，通過雙擊前面板控件可以與后面板對應上，然后通過連線實現，后面板就可以編寫圖形程序，后臺編程可以采用整體編程也可以分成多個子程序進行編程[5]。

4 結束語

根據某塑膠有限公司的委托，在滿足國家標準的前提下，研究與設計了一臺塑料檢查井載荷試驗臺，能檢測該企業的37 種產品規格以及產品的力學性能指標。這臺檢測設備不僅能為企業節約外出送檢的時間、節約外出送檢的費用，大大節約人力和財力，還可以用于各種產品的耐外載荷測試（如包裝物的堆碼試驗等），能實現一機多用，具有很好的經濟價值。

本課題的設計與研究，為產品試驗、產品出廠檢驗、質檢等環節提供基礎，具有廣闊的市場空間和一定的社會效益。