謝 麗

（昆明鐵道職業(yè)技術(shù)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(chǔ)設施之一。傳統(tǒng)檢查井為磚砌或混泥土結(jié)構(gòu)，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(huán)利用、壽命長、不受環(huán)境影響等優(yōu)點。目前，我國各級政府已經(jīng)出臺了禁止使用傳統(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)磚砌檢查井是一項開發(fā)、節(jié)約、替代、推廣、循環(huán)利用和治理污染的先進技術(shù)。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(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性能達到國家規(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(yè)自身的生產(chǎn)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(tǒng)部分。

1 載荷試驗平臺結(jié)構(gòu)組成

該載荷試驗平臺設計為雙梁四柱的機械結(jié)構(gòu)，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(diào)整，滿足不同產(chǎn)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(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(tǒng)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(xiàn)人機界面對話，系統(tǒng)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(tǒng)設計

2.1 液壓系統(tǒng)控制要求

（1）液壓系統(tǒng)動作要求。整個液壓系統(tǒng)需要完成“快進—工進—保壓—快退”4 個步驟，開始工作時，液壓執(zhí)行機構(gòu)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(tài)，液壓執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)設定的壓力值施壓；到達每個設定的壓力值時，執(zhí)行機構(gòu)停止不動，保壓一段時間；當完成試驗任務后，液壓執(zhí)行機構(gòu)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(tài)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(tǒng)采用應力（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(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%進行加載。在剪切力試驗時，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(nèi)徑尺寸的30%；在檢測剪切力試驗時，設置最大變形量為原內(nèi)徑尺寸的10%，超過最大變形量，停機，產(chǎn)品質(zhì)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(guān)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(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后記錄在計算機中，位移量作為壓力閉環(huán)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(tǒng)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(diào)節(jié)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(jù)，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(tǒng)采用位移的變化與力的變化結(jié)合起來，確定壓力目標值后，根據(jù)其變化率，適時調(diào)整施力裝置的工作狀態(tài)，讓系統(tǒng)達到施力控制的目標[3]。

2.3 試驗平臺液壓控制系統(tǒng)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(tǒng)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(jiān)控試驗臺的運行狀況。為保護兩個液壓缸的執(zhí)行裝置快速回位時，不發(fā)生安全事故，設置SQ1、SQ2 兩個限位開關(guān)，執(zhí)行裝置碰到限位開關(guān)時，馬上停止動作，當整個系統(tǒng)壓力過載時，壓力繼電器發(fā)出信號，設備停機。試驗臺中計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(tǒng)設計

（1）試驗平臺控制系統(tǒng)硬件設計。試驗臺的控制系統(tǒng)由上位機參數(shù)設定與顯示（LabVIEW 界面）、PLC 可編程邏輯控制器（三菱）、放大環(huán)節(jié)與信號轉(zhuǎn)換（A/D、D/A 轉(zhuǎn)換器）、動力執(zhí)行機構(gòu)（液壓缸）、信號反饋環(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。當液壓系統(tǒng)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(zhuǎn)換、D/A 轉(zhuǎn)換，把信號從模擬量轉(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(jié)構(gòu)

（2）控制系統(tǒng)設計。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(jù)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(jù)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(jù)相應的緩沖寄存器分配編程實現(xiàn)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(shù)據(jù)采集與輸出、油缸的運動控制、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，實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(tǒng)中的壓力、流量。通過分層控制，子程序的編寫和調(diào)用，實現(xiàn)各功能塊的任務，此部分是PLC 控制的核心部分，程序的開發(fā)，需要通過反復調(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 運算程序，這些參數(shù)隨壓力控制對象的要求而定，通過對4 個參數(shù)的整定，實現(xiàn)對壓力閉環(huán)的過程優(yōu)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(tǒng)，在整個試驗過程中都能對壓力、位移參數(shù)進行實時顯示和監(jiān)控。測試系統(tǒng)如果進入運行狀態(tài)，“數(shù)據(jù)采集”模塊便開始啟動，把采集到的數(shù)據(jù)先進行保存，然后讀取和處理；設置“數(shù)據(jù)處理”模塊，通過對壓力值和變形量數(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)；該試驗平臺中需要提供塑料檢查井產(chǎn)品合格資料或者不合格產(chǎn)品的試驗數(shù)據(jù)，所以要“數(shù)據(jù)保存”功能；在測試結(jié)束后，需要對保存的數(shù)據(jù)進行讀取和回放，設置了“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(xiàn)某些參數(shù)值超標，會造成設備的損壞甚至造成生產(chǎn)事故，因此要有預警和報警機制，在緊急情況到來時系統(tǒng)能夠按照用戶的指令作出相應的操作（圖2）。系統(tǒng)以紅燈閃爍提示塑料檢查井破裂壓潰進行報警，以黃燈閃爍作為預值報警，此時記錄壓力和位移數(shù)據(jù)并完成暫?；蜿P(guān)機操作。

圖2 控制系統(tǒng)前面板

要實現(xiàn)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(xiàn)，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(jié)束語

根據(jù)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(yè)的37 種產(chǎn)品規(guī)格以及產(chǎn)品的力學性能指標。這臺檢測設備不僅能為企業(yè)節(jié)約外出送檢的時間、節(jié)約外出送檢的費用，大大節(jié)約人力和財力，還可以用于各種產(chǎn)品的耐外載荷測試（如包裝物的堆碼試驗等），能實現(xiàn)一機多用，具有很好的經(jīng)濟價值。

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