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高压气瓶疲劳试验系统的开发 |
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作者：刘玉虎 邢科礼 王祖林 蒋志军 |
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高压气瓶疲劳试验是指气瓶在试验装置中按照一定的循环波形以完成规定的压力循环次数的一种检测手段。这对于保证气瓶反复充装、长期可靠使用具有重要意义，是气瓶型式试验的一项重要内容。根据GB9252-2001《气瓶疲劳试验方法》，试验装置必须能够在规定的范围内调节和控制循环压力、循环频率以及通过控制装置连续进行压力循环的功能；同时为了使试验台方便使用，需要系统能够对气瓶内的压力、压力循环次数、温度等参数进行实时设置及监控，因此开发一套完善的测控系统是必要的。
1 疲劳试验系统原理
气瓶疲劳试验采用液压加载方式。系统要求的额定压力为50MPa，额定流量为50L/min。为此笔者采用液压加载方式，其系统原理如图1所示。此系统有如下特点：
(1)由于系统的试验压力高，在气瓶卸压过程中(高压从50MPa～0)能量会大量损失。为此本测试台采用液气式蓄能器13进行部分能量回收，其方法是：在气瓶卸压时，首先打开通往液气式蓄能器的油路通道(即阀7通电)，使部分高压油储存在液气式蓄能器13中，然后关闭液气式蓄能器13的油路通道，接着打开卸油通道(即阀8通电)使气瓶的剩余压力油卸荷，从而达到了回收能量的目的。
图1 系统原理图
(2)为了使系统的试验压力达到所规定的要求(额定压力50MPa)，常规的液压泵加压形式难以达到，为此本系统采用增压缸6进行加压以达到所要求的压力。
(3)为了实现系统所规定的试验频率(压力循环大于6次/min小于或等于12次/min)，试验台采用液气蓄能器13及液压泵1联合向气瓶供油，这样既利用了上次循环回收的压力油又可快速地向气瓶充油，使系统的装机容量下降，对企业节能降耗有较大好处。
2 测控系统的硬件结构
测控系统的硬件组成如下：上位机选用IPC进行过程监控、数据采集和处理；下位机选用三菱FXlN—PLC，测试系统的自动控制全部由PLC来完成；IPC与PLC的通讯采用专用通讯’模块FXlN-RS-232BD；PLC通过FX-4AD模块采集压力等信号。
3 压力波形控制
本系统属高压气瓶疲劳测试系统。试验开始时，先启动泵1进行初级压力加压，然后再启动泵2，初级压力通过增压缸达到要求的压力。气瓶疲劳试验的核心内容是对测试气瓶压力循环的控制与实现。一个压力循环过程由加压-上限保压-降压(包括能量回收)一下限保压组成。气瓶加压时，关闭阀8、9，打开阀7，蓄能器13(储存了上一循环回收的高压油)及增压缸先后向气瓶注油以实现气瓶的持续加压。在加压过程中，PLC通过FX-4AD模块采集气瓶压力并与设定的上限压力设定值进行对比，直到达到压力设定值P1，这时关闭阀7、8、9，停止加压，同时使加压油泵卸荷，气瓶开始进行保压。保压结束后，打开阀7，气瓶中的高压油通过阀7回收到蓄能器13中以进行能量回收。能量回收结束后，关闭阀7，打开阀8，气瓶进行卸压。卸压到下限压力设定值P。并进行下限保压。此时，一个循环周期完成，开始下一个周期的压力循环。
GB9252-2001《气瓶疲劳试验方法》中要求，压力波形循环曲线应为基本相同的近似正弦或梯形波，且具有上下保压时间相对应的上、下平台。在本系统中，上限压力设定值P1、上保压时间T1以及下保压时间T2都是在测控系统中设定的(设定方法见第4部分)。通过调节溢流阀15进行下限压力设定，调节比例泵2来调节系统流量以此控制压力的上升波形，调节节流阀14来控制压力下降波形。图2为现场试验的压力波形曲线，其波形曲线为近似梯形波，符合国标要求。
图2 计算机测控系统主界面
4 测控系统的设计
此疲劳试验系统是基于Windows2000操作平台，以VisualBasic 6.0为开发软件。测控系统的主界面如图2所示。主要功能有：
(1)试验参数的设置；
(2)系统的运行控制；
(3)压力波形的实时显示及试验数据存储；
(4)运行状况监测；
(5)试验报表生成。
4.1 参数设置及数据采集
疲劳测试台的监测和控制是直接通过PLC实现的。测控系统中的所有试验信息(包括系统运行控制实现、试验参数的设置、数据的采集以及系统运行状况的监视)，都是通过PLC与PC的通讯来接收或发送的。其中，设定的试验参数包括上限压力、上保压时间、下限压力、下保压时间和压力循环总次数。当设定完成之后，点击“写参数”可将控制参数写入到PLC中，PLC根据试验参数进行压力循环的控制。点击“读参数”可以将当前PLC中的试验参数上传到测控系统中，并显示到相应位置，以方便对当前参数的修改。
PLC根据压力信号对系统进行控制，同时通过通讯模块FXlN—RS-232BD上传到计算机。PLC上传的数据还包括循环次数以及系统运行的监控信息。系统接收到PLC的数据之后，进行相应的储存和显示，循环压力以波形曲线的形式实时显示到监控界面中。PLC根据压力的循环变化自动计数循环次数，当循环次数达到参数设置的次数时自动停机。
4.2 数据的保存与试验报表的生成
本测控系统具有全程跟踪压力循环并具有保存全程数据的能力。气瓶疲劳测试的压力循环次数较多，需要采集保存的数据量很大，测控系统使用DAO(Data Access Object)实现VB与Microsoft Access数据库的连接，将所有压力数据实时的储存到数据库中。采集数据之前，使用DAO动态地创建数据库。系统运行时，PC接收PLC上传的数据，实时显示压力波形曲线，同时将数据同步保存到创建的数据库中。为了方便查询任意阶段的压力循环状况，测控软件利用了DAO对数据库的查询功能，可以将任意时间段的压力波形曲线进行回放。
根据现场的试验要求，整个疲劳试验过程结束之后，需要生成试验报表，内容包括相关的试验信息(如：试验规格、试样名称、压力上下限、循环频率等)，以及试验起始、中间和最后3个阶段的循环压力波形曲线。VB6.0的报表功能有限，测试系统通过VB6.0与EXCEL连接，利用EXECL的强大报表功能来实现报表的制作。由于在整个疲劳试验过程中，对数据进行了实时保存，利用测控系统的数据回放功能，生成的试验报表可以任取3个试验阶段的压力曲线，如图3为现场试验生成的某一型号气瓶的试验报表。
图3 现场试验报表
5 结束语
本气瓶疲劳试验系统采用液压加载方式并使用增压缸的加压形式使系统的额定压力达到50MPa，同时系统采用液气式蓄能器进行能量回收，加压时由液气蓄能器及液压泵联合向气瓶供油，既利用了上次循环回收的压力油又可快速地向气瓶充油。测控系统是基于VB6.0和PLC开发的，很好地完成了对测试台的自动控制，实现了现场的数据采集、实时显示及数据的保存与报表的生成，提高了疲劳试验的效率与精度。本气瓶疲劳试验系统在现场运行可靠，完全满足试验要求。(end)
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(9/17/2009) |
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