聚氨酯膨脹力檢測裝置的設(shè)計與研制

何高清 ，李 旻 ，程 瑞，何小通

（1.合肥工業(yè)大學 機械工程學院,安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學 化工學院，安徽 合肥 230009）

聚氨酯是指分子鏈中含有多個氨酯鍵的聚合物的總稱。聚氨酯在20世紀30年代由德國化學家O.Bayer發(fā)明，半個多世紀以來被迅速應(yīng)用于制造泡沫塑料、建筑、路基修復等各行業(yè)[1-2]。尤其在路基修復行業(yè)，相比于傳統(tǒng)的補打預應(yīng)力樁、粉煤灰填方等技術(shù)，高聚物注漿技術(shù)具有輕質(zhì)、強度高、防水、安全等眾多優(yōu)點[3]，因此高聚物注漿技術(shù)在路基修復行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。高聚物注漿技術(shù)中采用的聚氨酯高聚物是由裝在不同密封容器中兩種液體組分加熱后，按照一定的混合比例在一定壓力作用下，在注漿管道的出口處兩種液體相遇發(fā)生劇烈的化學皮應(yīng)。反應(yīng)過程中形成溫度較高的流塑狀的混合體，在注漿壓力和材料反應(yīng)體積膨脹的作用下不斷填充路面結(jié)構(gòu)層中的空隙、周圍土體中的孔隙和壓密土體，并能將基層或路基中的積水沿裂縫或尚未注漿的管道擠出，起到加固結(jié)構(gòu)層后土體的作用[4]。在注漿前需要對聚氨酯的膨脹性能進行檢測，以計算注漿量，控制路基抬升高度。但是國內(nèi)外對聚氨酯膨脹性能的研究很少，已有的檢測設(shè)備效率低、精度低。故研究開發(fā)聚氨酯膨脹力檢測設(shè)備對發(fā)展注漿技術(shù)具有重要意義。

因此根據(jù)行業(yè)需求，基于聚氨酯的膨脹特性，設(shè)計并研發(fā)一臺以PLC為控制核心，能實現(xiàn)聚氨酯膨脹力檢測的設(shè)備。

1 整體方案

查閱相關(guān)資料可知，高聚物聚氨酯具有良好的膨脹性，其自由膨脹比可達20:1，實驗裝置需要具有足夠的強度承受較高的膨脹力[5]。同時，實驗裝置需具有良好的密封性，以避免測量結(jié)果造成較大誤差。

本文設(shè)計的聚氨酯膨脹力檢測裝置的功能要求為：將給定體積的聚氨酯迅速均勻注入專用的封閉容器（氣缸）中，等待一定時間，聚氨酯在封閉容器中膨脹推動活塞桿運動擠壓壓力傳感器，當反應(yīng)停止時，觸摸屏的示數(shù)即為其給定體積聚氨酯的膨脹力大小。

在設(shè)計聚氨酯膨脹力檢測裝置時應(yīng)首先從其功能的實現(xiàn)和裝置在工作中遇到的問題來考慮整體布局與工作布局方式，整體方案如圖1所示，本設(shè)計以氣缸為實驗容器，用PLC控制伺服電機運轉(zhuǎn)，通過滾珠絲杠的連接帶動氣缸工作，通過氣缸上面的進氣孔注入單位體積的泡沫，待泡沫反應(yīng)完全后，由壓力傳感器讀出聚氨酯膨脹力的大小[6]。

本裝置加入光柵尺組成全閉環(huán)控制，能提高控制精度。比如伺服電機驅(qū)動絲杠帶動滑板移動，滑板在遇到大的阻力時會產(chǎn)生位移變形，這時伺服電機的編碼器檢測不到，需要增加光柵尺檢測該變位量[7]，其具體機械結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 機械結(jié)構(gòu)圖

1.擋板 2.注漿孔 3.反應(yīng)容器 4.U形板 5.支架 6.壓力傳感器7.位置傳感器 8.圓柱體 9.縱向?qū)к?10.絲桿 11.軸承座 12.聯(lián)軸器 13.伺服電機 14.減速機

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)的硬件部分主要由壓力傳感器、減速機、伺服電機、PLC、光柵尺、正負限位開關(guān)、觸摸屏等組成。PLC的輸入點包括：一個急停開關(guān)、模擬量輸入信號。PLC輸出點包括：一個運行指示燈輸出功能、一個故障指示燈輸出功能。

圖3 控制系統(tǒng)硬件圖

該裝置的控制系統(tǒng)硬件設(shè)計如圖3所示，通過電源轉(zhuǎn)換模塊為PLC、四個通訊拓展模塊以及觸摸屏提供24V電源。伺服電機、減速機外接220V電源。壓力傳感器與PLC的通訊拓展模塊1相連接，二者采用RS485的通訊方式進行點對點數(shù)據(jù)交換；光柵尺與PLC的通訊拓展模塊2連接，二者采用RS485通訊方式進行點對點數(shù)據(jù)交換[8]；限位開關(guān)與PLC的通訊拓展模塊4相連接，二者采用RS485的通訊方式進行點對點數(shù)據(jù)交換；觸摸屏則采用PROFIBUS-DP的方式與PLC的通訊拓展模塊3相連接。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計主要分為兩方面，即觸摸屏軟件設(shè)計和PLC程序設(shè)計[8]。

3.1 觸摸屏軟件

采用POP-HMI觸摸屏設(shè)計軟件，所設(shè)計的人機界面如圖4所示。

圖4 觸摸屏界面圖

在主界面中，可以通過設(shè)置按鈕對注漿的體積進行設(shè)定，實際的注漿體積和壓力示數(shù)，會在觸摸屏上實時顯示。當沒有設(shè)定注漿體積的情況下，可以切換成手動注漿，并且可以調(diào)節(jié)注漿的速度。當設(shè)置自動工作的時候，按下開始按鈕，則裝置進行自動注漿，當漿液的體積達到預設(shè)體積的時候，裝置停止工作；當設(shè)置手動工作的時候，按住開始按鈕，則裝置持續(xù)注漿，松開開始按鈕，則裝置停止工作。注漿結(jié)束，待聚氨酯充分膨脹之后，壓力值穩(wěn)定即為測量數(shù)據(jù)。另外在反應(yīng)過程中，也可記錄數(shù)據(jù)，得到反應(yīng)時間與膨脹力之間的關(guān)系。

3.2 PLC程序設(shè)計

PLC程序采用模塊化思想來編寫，主要包括觸摸屏通訊模塊、壓力傳感器通訊模塊、光柵尺通訊模塊、限位開關(guān)通訊模塊[9]。

觸摸屏通訊模塊：實現(xiàn)觸摸屏與PLC的正常通訊及其數(shù)據(jù)的相互傳輸。

壓力傳感器通訊模塊：實現(xiàn)聚氨酯膨脹力數(shù)值以模擬量的形式輸入到PLC中，實現(xiàn)壓力容器的膨脹力檢測。

光柵尺通訊模塊：把滾珠絲杠的位置以模擬量的形式輸入到PLC中，伺服電機對其偏差進行修復，最終使得實際注漿體積無限接近于設(shè)定體積。

限位開關(guān)通訊模塊：實現(xiàn)限位開關(guān)與PLC的正常通訊及其數(shù)據(jù)的相互傳輸。當滾珠絲杠達到正負限位時，滾珠絲杠能夠停止前進。

根據(jù)硬件設(shè)計方案，設(shè)計相應(yīng)的軟件，具體軟件流程：系統(tǒng)上電，在人機界面中設(shè)定注漿體積、注漿速度以及選擇手動/自動控制之后開始檢測。壓力傳感器對聚氨酯膨脹力進行實時檢測，并將測量所得數(shù)據(jù)推送到觸摸屏上加以實時顯示，直至注漿體積達到設(shè)定值并反應(yīng)完全。具體軟件系統(tǒng)流程圖如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)流程圖

4 樣機及實驗

4.1 樣機介紹

該裝置實物圖如圖6所示。在呈水平設(shè)置的檢測平臺上，一端為注漿筒，另一端為電機，物料容器的容器活塞桿在物料容器的前端伸出、朝向電機所在一端并沿檢測平臺的縱向布置；在電機與活塞桿之間設(shè)置絲桿螺母傳動結(jié)構(gòu)，其中絲桿由電機驅(qū)動轉(zhuǎn)動，螺母固聯(lián)在圓筒體的一端，在圓筒體的另一端與容器活塞桿之間串聯(lián)設(shè)置壓力傳感器，并由壓力傳感器檢測容器活塞桿所受的拉壓力，利用位置傳感器檢測容器活塞桿的縱向位置。本發(fā)明用于聚氨酯定容定量的膨脹力檢測，能適合多變?nèi)莘e膨脹力的檢測。在所述檢測平臺上設(shè)置縱向?qū)к墸⒂谢瑝K與所述縱向?qū)л喕瑒优浜希O(shè)置一對支架對所述圓筒體在兩側(cè)以合抱的形式固定夾持，所述支架與滑塊固定連接，使圓筒體的縱向移動在所述縱向?qū)к壣汐@得導向。

圖6 樣機

4.2 試驗

最大膨脹力是聚氨酯材料進行路基修復的一個重要參數(shù)。每個試樣在膨脹過程結(jié)束時,膨脹力都會達到一個最大值。由于注漿容器的體積一定,所以最大膨脹力與注漿量有關(guān),即與凝固泡沫體的密度有關(guān),表1給出了不同凝固體密度與對應(yīng)的最大膨脹力試驗數(shù)值。試樣的最大膨脹力與試樣密度之間的關(guān)系曲線如圖7所示。意大利Padua大學公布的試驗結(jié)果為最大膨脹力可達10MPa。本次試驗中聚氨酯泡沫體最大密度為0.583g/cm3，最大膨脹力為3.17 MPa。

5 結(jié)論

通過大量試驗表明，該裝置能很好地完成聚氨酯膨脹力檢測，可得到如下結(jié)論：

（1）該裝置能夠準確、快速地對不同體積的聚氨酯進行膨脹力檢測。

（2）通過試驗，能夠得到聚氨酯泡沫體密度與最大膨脹力之間的關(guān)系，為工程上提供數(shù)據(jù)支持。

表1 泡沫體密度與對應(yīng)最大膨脹力

（3）本裝置所能測得的最大膨脹力僅為3.17MPa，與意大利Padua大學公布的試驗結(jié)果仍有較大差距，需要進一步改進。

圖7 最大膨脹力與密度的關(guān)系