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直壓式鋼桶密封性能自動化檢測裝置的設計
文/唐瑞
摘要：為了實現鋼桶密封性能的安全檢測，設計了一款基于直壓法原理的自動化鋼桶密封性能檢測裝置。該裝置主要由氣路系統、機械輔助裝置及控制交互系統組成，通過實時對比密封鋼桶內壓力變化值，完成承壓能力較小的密封鋼桶自動化檢測。同時，基于方便、快捷的設計理念，該裝置采用一鍵式檢測思想進行設計，通過機械輔助裝置實現待檢測鋼桶的自動化裝夾與密封準備，并利用電氣比例閥與氣體流量控制器的自動控制功能控制充氣壓力與充氣速度，實現充放氣過程穩定可控。
關鍵詞：鋼桶；安全檢測；密封性能；直壓法
密封性能檢測作為密封容器性能檢測的重要環節，在保障產品質量方面有著極其重要的作用。對于有密封性能要求的工業產品，如果在實際使用過程中產品的密封性能沒有達到設計要求，將直接影響產品的可靠性與安全性。
直壓法檢測簡便易行且經濟性較好，已經廣泛應用于容器密封性能檢測裝置中，但目前采用的直壓法檢測裝置往往采用單一的截止閥或電氣比例閥來控制充放氣過程，對于有較高充氣壓力要求的低耐壓產品，其最終的充氣壓力難以保證、充氣安全性較差。
為此，本文提出了一種采用電氣比例閥與氣體流量控制器串聯的氣路控制結構，并設計 了一套自動化密封性能檢測裝置，實現了低耐壓鋼桶密封性能的一鍵式檢測，有效地提高了其檢測效率與安全性。
1 鋼桶密封性能自動化檢測裝置
鋼桶密封性能自動化檢測裝置主要由氣路系統、機械輔助裝置及控制交互系統組成，如圖1所示，可實現鋼桶密封性能的一鍵式檢測。同時從實用性、美觀性的角度出發，將整個測試裝置集成在小車式測試平臺上，操作面板只設置啟動按鈕與急停按鈕，通過預設程序實現鋼桶密封性能自動化檢測，最后將測試數據進行存儲，并通過指示燈顯示檢測結果，對操作人員的操作能力要求較低，有效減小了由于操作人員不同導致的測試結果差異。該裝置主要用于承壓能力較小的密封鋼桶檢測，因此測試氣壓與充氣流量需嚴格控制，防止因壓力與流量過大導致密封鋼桶發生不可逆轉的損壞。同時，為減少檢測過程的準備時間，裝置采用自動化裝夾機構，通過鋼桶自動化夾緊、移動以及密封動作實現鋼桶的檢測前準備，縮短待檢測鋼桶檢測準備時間。
2 鋼桶密封性能檢測原理
直壓法測量泄漏量是通過將氣體凈化、調壓以后直接充入被測容器中，當容器內壓力達到設定壓力時斷開壓力源，保壓后待容器內部壓力穩定，開始檢測被測容器內部壓力隨時間的變化量，然后根據壓力值與泄漏量函數關系計算出單位時間的氣體泄漏量，通過與產品工藝要求的允許值比對，從而判定待檢測容器的密封性能。
根據理想氣體狀態方程可知：
PV=nRT（1）
式中：P為理想氣體的壓強；V為理想氣體的體積；n為氣體物質的量；R為理想氣體常數；T為理想氣體的熱力學溫度。
圖1 鋼桶密封性能自動化檢測裝置三維示意圖
同時，根據玻義耳定律，當n、T一定時V、P成反比。假設氣體熱力學溫度恒定，建立壓力值與泄露量的函數關系式為：
P1·V=P2·V+P0·V泄漏 （2）
m=V泄漏/T (3)
式中：P1為被測鋼桶的初始壓力，MPa；P2為被測鋼桶測試時刻的壓力，MPa；P0為環境氣壓，MPa；V泄露為泄露到環境中的氣體體積，L；V為被測鋼桶內部當量容積，L；m為單位時間氣體泄露量，L/s；T為檢測間隔時間，s。
本文根據直壓法測量原理與自動化控制需求，建立如圖2所示的檢測裝置氣動原理圖。
圖2 系統氣路圖
可以看出，本裝置氣路主要由快插接頭（與工房氣源進行連接）、空氣過濾器、減壓閥、電氣比例閥、氣體流量控制器、電磁控制閥、執行氣缸以及氣體壓力傳感器等組成。
整個系統氣路主要分為兩部分：檢測氣路與執行氣路。為保證檢測時充入待檢測筒體的氣體的純凈度，檢測氣路增加了氣體油霧分離器，實現輸入氣體的再凈化。
該系統的測試周期分為恒流量勻速充氣期、恒壓充氣期、保壓測試期以及排氣期，測試流程如圖3所示。
圖3 鋼桶密封性能自動化檢測裝置測試流程圖
恒流量勻速充氣期：電氣比例閥（壓力）保持最大開度，氣體流量控制器實時控制充氣流量，以均勻充氣流量完成恒流量勻速充氣期。
恒壓充氣期：當鋼桶內壓力接近測試初始壓力后，電氣比例閥（壓力）根據壓力反饋將出口壓力調整至工藝要求的鋼桶檢測初始壓力，氣體流量控制器保持最大開度，從而保證鋼桶內最終的充氣壓力安全到達工藝要求的檢測初始壓力。
保壓測試期：恒壓充氣期結束以后，關閉截止閥K1，開始計量讀取鋼桶內氣壓隨時間的變化值。如果產品存在泄露點則鋼桶內氣壓將會不斷減小，到達判定時間以后，通過泄漏量計算公式計算氣體泄露量?與設計指標進行比對，最終對其合格性進行判定。
排氣期：當測試完成以后，通過打開截止閥K2，將鋼桶內的氣體排出，然后由執行機構將鋼桶送出，完成檢測過程。
通過上述氣路系統設計，該裝置不僅能夠實現密封腔體的充氣、保壓以及排氣過程可控，同時能夠實現鋼桶密封性能檢測過程的自動化裝夾，減少工裝準備時間，大幅度提升鋼桶密封性能檢測效率。
3 O型密封圈靜力學仿真分析
為了實現密封性能檢測過程中待檢鋼桶端面的有效密封，本文基于ANSYS Workbench軟件對端面O型密封圈受力情況進行靜力學仿真分析，從而選取合適的密封機構執行氣缸。
本文選用的O型密封圈內徑300mm、線徑5.3mm，材料為氯丁橡膠。由于橡膠材料具有超彈性能，屬非線性材料，本文選用Mooney-Rivlin 超彈本構模型，橡膠材料的不可壓縮參數為1.212×10-9Pa-1。由于O型密封圈具有圓周對稱性，為減小計算量，提升計算精度，在實際分析中采用二維軸對稱模型，圖4為O型密封圈等效應力圖。
圖4 O型密封圈等效應力圖
由于密封性能檢測過程中，鋼桶內部最大壓強為50kPa，端蓋受壓面積為70685.83mm2，故鋼桶內部受力為3534.29N。根據ANSYS Workbench反力求解，當O型密封圈壓縮1mm時需要472.82N的壓縮力。因此，為保證待檢鋼桶端面的有效密封，密封端蓋的推力至少需要4007.1N，當安全因數取1.5時氣缸推力需不小于6010.67N。考慮工房內最小供氣氣壓為0.5MPa，同時根據氣缸輸出推力計算，應選取缸徑為125mm的氣缸作為密封機構執行氣缸。
4 系統硬件及軟件設計
密封性能檢測設備作為測試儀器，盡管其操作簡單，但是如果出現誤操作，則很容易使測試結果受到影響，甚至直接損壞設備。另外，對于批量化的檢測工作，檢測參數往往是固化的，而過多的操作功能與按鍵反而降低了設備的使用性能。因此，本裝置采用一鍵式的設計思想，對裝置的硬件系統進行設計，不僅能從根源上杜絕誤操作，而且也大大降低了裝置的使用門檻。
該系統框圖如圖5所示，主要由嵌入式觸摸控制屏（TPC1162Hi）、PLC可編程邏輯控制器（CP1E-N40DR-D）、傳感器、電磁閥、氣體流量控制器、電氣比例閥（壓力）以及輸入輸出設備組成。其中，嵌入式觸摸控制屏作為上位機實現人機交互設備與主控制設備，通過RS232/RS485分別連接氣體流量控制器、壓力型電氣比例閥和PLC可編程控制器，PLC可編程邏輯控制器實現對于傳感器、按鈕、指示燈和電磁閥的信號采集與控制，實現鋼桶的裝夾、傳送、密封及密封性能檢測操作。
圖5 硬件系統框圖
5 結論
鋼桶密封性能檢測工序主要分為待檢部件準備階段、充氣階段、保壓階段、結果判讀與數據記錄階段以及儀器恢復階段。傳統的檢測方式采用手動密封，極大地限制了生產效率的提升。通過實驗驗證，采用該自動化檢測側裝置后大幅度減少了鋼桶密封性能檢測的準備與恢復時間，鋼桶密封性能檢測效率提升62.5%，同時充放氣過程更加穩定，檢測初始氣壓誤差小于0.5%，保證了該鋼桶密封性能檢測過程的安全可靠。
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