新型金屬管件水檢法檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

韋煒

(西安文理學(xué)院，陜西西安710065)

氣密性檢測(cè)也稱泄漏檢測(cè)，主要用于測(cè)試被測(cè)件的氣密性狀態(tài)。作為密封性產(chǎn)品的一個(gè)重要性能指標(biāo)，氣密性是影響密封性產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。隨著電子技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展，差壓法、氦氣測(cè)試法、紅外成像等氣密性檢測(cè)方法被越來越多地使用到密封裝置氣密性檢測(cè)中。然而從技術(shù)門檻和成本上考慮，水檢法仍然被國內(nèi)外廣泛使用。但傳統(tǒng)水檢法檢測(cè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，操作繁瑣。文中設(shè)計(jì)的檢測(cè)裝置能夠很好地解決這些問題，提高檢測(cè)效率。

1 水檢法檢測(cè)方案

該檢測(cè)裝置主要由氣動(dòng)控制系統(tǒng)、水箱、管件裝夾部件以及被測(cè)管件組成，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1 水檢法檢測(cè)結(jié)構(gòu)原理圖

將被測(cè)管件放入工作臺(tái)，關(guān)閉閥1、2，打開閥3，向氣缸2 充入高壓氣體推動(dòng)擋板夾緊管件;關(guān)閉閥2、3，打開閥1，向氣缸1 充入高壓氣體推動(dòng)水箱上升，直至管件完全浸入水中;關(guān)閉閥1、3，打開閥2，向管件內(nèi)充入高壓氣體，觀察水中有無氣泡產(chǎn)生，從而判定管件是否合格。

2 裝置主要部件的設(shè)計(jì)

2.1 被測(cè)管件參數(shù)

管件常用通徑從4～1 420 mm 不等，該裝置適用于公稱通徑為20～150 mm的管件。由于管件氣密性主要受生產(chǎn)方式影響，長度影響不大，因而采用該裝置對(duì)300～1 500 mm 長度范圍管件進(jìn)行檢測(cè)。通常空氣壓縮機(jī)輸出壓力為0.7～1.25 MPa，選0.75 MPa 壓力對(duì)管件充氣，考慮傳輸損耗，壓縮機(jī)輸出壓力應(yīng)大于0.75 MPa。取pmax=0.75 MPa，管件最大壓力Fmax=pmax·Smax=13.24 kN。

2.2 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1)氣動(dòng)回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)要求和結(jié)構(gòu)要求，設(shè)計(jì)出氣動(dòng)回路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖，如圖2所示。

(2)系統(tǒng)動(dòng)作過程

①壓縮空氣。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)工作，將大氣壓力狀態(tài)的空氣進(jìn)行壓縮。

圖2 氣動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

②裝夾被測(cè)管件。轉(zhuǎn)動(dòng)兩位五通閥19，使進(jìn)氣腔P與工作腔B相通，工作腔A通過C腔排氣。此時(shí)氣缸15 前進(jìn)，壓緊被測(cè)管件。

③水箱上升。轉(zhuǎn)動(dòng)兩位五通閥11，使進(jìn)氣腔P與工作腔B相通，工作腔A通過C腔排氣。此時(shí)氣缸12 前進(jìn)，推動(dòng)水箱上升，將管件完全浸入水中。

④給被測(cè)管件內(nèi)通入壓縮空氣。待水面平穩(wěn)，轉(zhuǎn)動(dòng)二位四通換向閥18，使進(jìn)氣腔P與工作腔B相通，此時(shí)給被測(cè)管件通入壓縮空氣，觀察是否有氣泡產(chǎn)生。

⑤水箱返回到最低位置。轉(zhuǎn)動(dòng)兩位五通閥11，使進(jìn)氣腔P與工作腔A相通，工作腔B通過D腔排氣。此時(shí)氣缸12 返回，推動(dòng)水箱下降。

⑥被測(cè)管件內(nèi)壓縮空氣排出。轉(zhuǎn)動(dòng)二位四通閥18，使其工作腔B通過C腔排氣，排出壓縮空氣。

⑦取下被測(cè)管件。轉(zhuǎn)動(dòng)兩位五通閥19，使進(jìn)氣腔P與工作腔A相通，工作腔B通過D腔排氣，氣缸15 返回，松開被測(cè)管件。

2.3 氣缸的設(shè)計(jì)

(1)上部氣缸的設(shè)計(jì)

①活塞桿上輸出力和缸徑的計(jì)算

考慮設(shè)計(jì)要求及運(yùn)動(dòng)要求，選擇普通氣缸，采用軸向支座式安裝。計(jì)入載荷率后，根據(jù)活塞桿基本工作原理可知:

式中:F1為活塞桿的推力 (kN)，D為活塞直徑(mm)，p為氣缸工作壓力(MPa)，η為載荷率。

該裝置氣缸動(dòng)態(tài)參數(shù)要求一般且工作頻率低，基本上是勻速運(yùn)動(dòng)，故取η=0.8，管件最大壓力Fmax=13.24 kN，氣缸對(duì)管件起夾緊作用，故需:

由此可得:

取D=160 mm[1]。

活塞桿直徑d可按d/D=0.2～0.3 計(jì)算，取d/D=0.25，則d=0.25D=40 mm，故取活塞桿直徑d=40 mm[1]。

②活塞桿強(qiáng)度校核

③缸筒壁厚

通常，壁厚與內(nèi)徑之比δ/D≤1/10，所以通常可按薄壁筒公式計(jì)算。當(dāng)選用Q235A 鋼管時(shí)，δ=1.5 mm;當(dāng)選用45 鋼時(shí)，δ=0.9 mm。但考慮到機(jī)械加工，取壁厚δ=8 mm[1]，缸徑D=160 mm[1]，材料為45、Q235A號(hào)的無縫管，則氣缸外徑:D0=D+2δ=176 mm。

④活塞行程

通常活塞行程L為(0.5～5)D，這里取L=1.25D=200 mm。

⑤空氣消耗量

式中:p為操作壓力，取p=7.5 MPa。

(2)下部氣缸的設(shè)計(jì)

氣缸選擇類型同上。

①氣缸所承受負(fù)載和缸徑的計(jì)算

下部氣缸是用來推動(dòng)水箱上升，其承受負(fù)載:

式中:G1為水箱的重力，G2為水的重力。

根據(jù)被測(cè)管件的最大尺寸，試選水箱尺寸為:1 600 mm×320 mm×400 mm，壁厚σ=5 mm。水箱所用材料為Q235，其密度ρ=7.8 g/cm3[2]。水箱體積:V=9 194.5 cm3，故G1=703 N，水箱盛水體積:Vmax=1.792×108mm3，得水的重力:G2=1 756 N，故F=2.459 kN。

氣缸推動(dòng)水箱上升，故推力應(yīng)大于其負(fù)載，即F1≥F，將F1=2.459 kN、η=0.8、p=0.75 MPa 代入式(3)得D=72.3 mm，取D=80 mm[1]。活塞桿內(nèi)徑通常可取d/D=0.2～0.3，取d/D=0.3，則d=0.3D=24 mm，取d=25 mm[1]。

②活塞桿強(qiáng)度校核

按強(qiáng)度條件:d ＞2.7 mm，按縱向彎曲極限力:Fk=164.57 kN ＞F1，滿足條件。

③缸筒壁厚

當(dāng)D=80 mm，材料為45 鋼，取壁厚6 mm[1]，則氣缸的外徑D0=92 mm。

④活塞行程

L=3.75D=300 mm

⑤空氣消耗量

Q=12.058 L/min

2.4 方向控制閥的選取

(1)選擇控制元件

選擇氣控氣閥控制。選定氣缸供氣口接管螺紋為M22×1.5，初選閥體管道通徑為15 mm[1]，控制閥的型號(hào)[2]有兩位三通腳踏閥Q23R7A、兩位五通換向閥QSR5，快擰式直通式終端管接頭JSM-Z10。

(2)壓力損失計(jì)算

為使執(zhí)行元件正常工作，氣流總壓力損失必須滿足下式:

式中:∑Δpε2[1]為氣動(dòng)元、輔件的總壓力損失，KΔp為壓力損失簡化修正系數(shù)。∑Δ pε2為0.075 MPa，取KΔp=1.1，則KΔp∑Δpε2=0.082 5 ＜0.1 MPa，滿足條件。故選定管道直徑為φ15 mm。

2.5 空氣壓縮機(jī)的選取

根據(jù)計(jì)算壓縮機(jī)供氣量和供氣壓力，選擇壓力范圍廣、效率高、適應(yīng)性強(qiáng)的兩級(jí)往復(fù)式活塞壓縮機(jī)，額定排氣壓力p=1 MPa。由空氣壓縮機(jī)技術(shù)規(guī)格查得，選用空壓機(jī)型號(hào)為:V-0.1/10。

3 結(jié)束語

與傳統(tǒng)水檢法相比，該檢測(cè)裝置具有準(zhǔn)確可靠、操作簡單方便、設(shè)備投資費(fèi)用少、維護(hù)方便、管件的安裝簡單方便、采用組合夾具進(jìn)行裝夾、可以完成不同管徑的管件檢測(cè)等特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，若能利用現(xiàn)代控制手段(例如:PLC)對(duì)氣動(dòng)閥體進(jìn)行控制，將使該裝置由手動(dòng)控制變?yōu)樽詣?dòng)控制，進(jìn)一步提高檢測(cè)效率。

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