聚氨酯膨脹力檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)與研制

何高清 ，李 旻 ，程 瑞，何小通

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，安徽 合肥 230009）

聚氨酯是指分子鏈中含有多個(gè)氨酯鍵的聚合物的總稱。聚氨酯在20世紀(jì)30年代由德國化學(xué)家O.Bayer發(fā)明，半個(gè)多世紀(jì)以來被迅速應(yīng)用于制造泡沫塑料、建筑、路基修復(fù)等各行業(yè)[1-2]。尤其在路基修復(fù)行業(yè)，相比于傳統(tǒng)的補(bǔ)打預(yù)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(qiáng)度高、防水、安全等眾多優(yōu)點(diǎn)[3]，因此高聚物注漿技術(shù)在路基修復(fù)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(xué)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(duì)聚氨酯的膨脹性能進(jìn)行檢測(cè)，以計(jì)算注漿量，控制路基抬升高度。但是國內(nèi)外對(duì)聚氨酯膨脹性能的研究很少，已有的檢測(cè)設(shè)備效率低、精度低。故研究開發(fā)聚氨酯膨脹力檢測(cè)設(shè)備對(duì)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(jì)并研發(fā)一臺(tái)以PLC為控制核心，能實(shí)現(xiàn)聚氨酯膨脹力檢測(cè)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(dá)20:1，實(shí)驗(yàn)裝置需要具有足夠的強(qiáng)度承受較高的膨脹力[5]。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)裝置需具有良好的密封性，以避免測(cè)量結(jié)果造成較大誤差。

本文設(shè)計(jì)的聚氨酯膨脹力檢測(cè)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(shí)間，聚氨酯在封閉容器中膨脹推動(dòng)活塞桿運(yùn)動(dòng)擠壓壓力傳感器，當(dāng)反應(yīng)停止時(shí)，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(jì)聚氨酯膨脹力檢測(cè)裝置時(shí)應(yīng)首先從其功能的實(shí)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(jì)以氣缸為實(shí)驗(yàn)容器，用PLC控制伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過滾珠絲杠的連接帶動(dòng)氣缸工作，通過氣缸上面的進(jìn)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(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠帶動(dòng)滑板移動(dòng)，滑板在遇到大的阻力時(shí)會(huì)產(chǎn)生位移變形，這時(shí)伺服電機(jī)的編碼器檢測(cè)不到，需要增加光柵尺檢測(cè)該變位量[7]，其具體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 機(jī)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(jī) 14.減速機(jī)

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的硬件部分主要由壓力傳感器、減速機(jī)、伺服電機(jī)、PLC、光柵尺、正負(fù)限位開關(guān)、觸摸屏等組成。PLC的輸入點(diǎn)包括：一個(gè)急停開關(guān)、模擬量輸入信號(hào)。PLC輸出點(diǎn)包括：一個(gè)運(yùn)行指示燈輸出功能、一個(gè)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(jì)如圖3所示，通過電源轉(zhuǎn)換模塊為PLC、四個(gè)通訊拓展模塊以及觸摸屏提供24V電源。伺服電機(jī)、減速機(jī)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(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(jì)

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

3.1 觸摸屏軟件

采用POP-HMI觸摸屏設(shè)計(jì)軟件，所設(shè)計(jì)的人機(jī)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(duì)注漿的體積進(jìn)行設(shè)定，實(shí)際的注漿體積和壓力示數(shù)，會(huì)在觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示。當(dāng)沒有設(shè)定注漿體積的情況下，可以切換成手動(dòng)注漿，并且可以調(diào)節(jié)注漿的速度。當(dāng)設(shè)置自動(dòng)工作的時(shí)候，按下開始按鈕，則裝置進(jìn)行自動(dòng)注漿，當(dāng)漿液的體積達(dá)到預(yù)設(shè)體積的時(shí)候，裝置停止工作；當(dāng)設(shè)置手動(dòng)工作的時(shí)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(cè)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(shí)間與膨脹力之間的關(guān)系。

3.2 PLC程序設(shè)計(jì)

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(shí)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(shí)現(xiàn)聚氨酯膨脹力數(shù)值以模擬量的形式輸入到PLC中，實(shí)現(xiàn)壓力容器的膨脹力檢測(cè)。

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(jī)對(duì)其偏差進(jìn)行修復(fù)，最終使得實(shí)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(shí)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(dāng)滾珠絲杠達(dá)到正負(fù)限位時(shí)，滾珠絲杠能夠停止前進(jìn)。

根據(jù)硬件設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟件，具體軟件流程：系統(tǒng)上電，在人機(jī)界面中設(shè)定注漿體積、注漿速度以及選擇手動(dòng)/自動(dòng)控制之后開始檢測(cè)。壓力傳感器對(duì)聚氨酯膨脹力進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并將測(cè)量所得數(shù)據(jù)推送到觸摸屏上加以實(shí)時(shí)顯示，直至注漿體積達(dá)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(jī)及實(shí)驗(yàn)

4.1 樣機(jī)介紹

該裝置實(shí)物圖如圖6所示。在呈水平設(shè)置的檢測(cè)平臺(tái)上，一端為注漿筒，另一端為電機(jī)，物料容器的容器活塞桿在物料容器的前端伸出、朝向電機(jī)所在一端并沿檢測(cè)平臺(tái)的縱向布置；在電機(jī)與活塞桿之間設(shè)置絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)結(jié)構(gòu)，其中絲桿由電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(cè)容器活塞桿所受的拉壓力，利用位置傳感器檢測(cè)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(cè)，能適合多變?nèi)莘e膨脹力的檢測(cè)。在所述檢測(cè)平臺(tái)上設(shè)置縱向?qū)к?，并有滑塊與所述縱向?qū)л喕瑒?dòng)配合，設(shè)置一對(duì)支架對(duì)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(dòng)在所述縱向?qū)к壣汐@得導(dǎo)向。

圖6 樣機(jī)

4.2 試驗(yàn)

最大膨脹力是聚氨酯材料進(jìn)行路基修復(fù)的一個(gè)重要參數(shù)。每個(gè)試樣在膨脹過程結(jié)束時(shí),膨脹力都會(huì)達(dá)到一個(gè)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(duì)應(yīng)的最大膨脹力試驗(yàn)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(xué)公布的試驗(yàn)結(jié)果為最大膨脹力可達(dá)10MPa。本次試驗(yàn)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(yàn)表明，該裝置能很好地完成聚氨酯膨脹力檢測(cè)，可得到如下結(jié)論：

（1）該裝置能夠準(zhǔn)確、快速地對(duì)不同體積的聚氨酯進(jìn)行膨脹力檢測(cè)。

（2）通過試驗(yàn)，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(duì)應(yīng)最大膨脹力

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

圖7 最大膨脹力與密度的關(guān)系