新型金屬管件水檢法檢測裝置的設(shè)計(jì)

韋煒

(西安文理學(xué)院，陜西西安710065)

氣密性檢測也稱泄漏檢測，主要用于測試被測件的氣密性狀態(tài)。作為密封性產(chǎn)品的一個重要性能指標(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、氦氣測試法、紅外成像等氣密性檢測方法被越來越多地使用到密封裝置氣密性檢測中。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)水檢法檢測費(fèi)時費(fèi)力，操作繁瑣。文中設(shè)計(jì)的檢測裝置能夠很好地解決這些問題，提高檢測效率。

1 水檢法檢測方案

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

圖1 水檢法檢測結(jié)構(gòu)原理圖

將被測管件放入工作臺，關(guān)閉閥1、2，打開閥3，向氣缸2 充入高壓氣體推動擋板夾緊管件;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300～1 500 mm 長度范圍管件進(jìn)行檢測。通?？諝鈮嚎s機(jī)輸出壓力為0.7～1.25 MPa，選0.75 MPa 壓力對管件充氣，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 氣動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1)氣動回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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

(2)系統(tǒng)動作過程

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

圖2 氣動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

②裝夾被測管件。轉(zhuǎn)動兩位五通閥19，使進(jìn)氣腔P與工作腔B相通，工作腔A通過C腔排氣。此時氣缸15 前進(jìn)，壓緊被測管件。

③水箱上升。轉(zhuǎn)動兩位五通閥11，使進(jìn)氣腔P與工作腔B相通，工作腔A通過C腔排氣。此時氣缸12 前進(jìn)，推動水箱上升，將管件完全浸入水中。

④給被測管件內(nèi)通入壓縮空氣。待水面平穩(wěn)，轉(zhuǎn)動二位四通換向閥18，使進(jìn)氣腔P與工作腔B相通，此時給被測管件通入壓縮空氣，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。此時氣缸12 返回，推動水箱下降。

⑥被測管件內(nèi)壓縮空氣排出。轉(zhuǎn)動二位四通閥18，使其工作腔B通過C腔排氣，排出壓縮空氣。

⑦取下被測管件。轉(zhuǎn)動兩位五通閥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。

該裝置氣缸動態(tài)參數(shù)要求一般且工作頻率低，基本上是勻速運(yùn)動，故取η=0.8，管件最大壓力Fmax=13.24 kN，氣缸對管件起夾緊作用，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，δ=1.5 mm;當(dāng)選用45 鋼時，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號的無縫管，則氣缸外徑:D0=D+2δ=176 mm。

④活塞行程

通?；钊谐蘈為(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]?；钊麠U內(nèi)徑通?？扇/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[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)型號為:V-0.1/10。

3 結(jié)束語

與傳統(tǒng)水檢法相比，該檢測裝置具有準(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)對氣動閥體進(jìn)行控制，將使該裝置由手動控制變?yōu)樽詣涌刂疲M(jìn)一步提高檢測效率。

【1】《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》編委會.氣壓傳動與控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

【2】《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》聯(lián)合編寫組.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1976.

【3】何國松.最新鋼管鑄鐵管制造工藝技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)及管件、管件應(yīng)用技術(shù)手冊[M].長春:吉林電子出版社，2004.

【4】SMC(中國)有限公司.現(xiàn)代實(shí)用氣動技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

【5】CHEN P，CHUA P S K，LIM G H.A Study of Hydraulic Seal Integrity[J].Mechanical Systems and Signal Processing，2005，21(2):1115－1126.

【6】彭光正，紀(jì)春華，葛楠.氣密性檢測技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].機(jī)床與液壓，2008，36(11):172－174.

【7】韓秀杰.一種容器氣密性檢測裝置的設(shè)計(jì)[J].液壓與氣動，2004(11):46－47.