緊急切斷閥自動關(guān)閉系統(tǒng)檢測試驗平臺的設(shè)計開發(fā)

武建華 何小三

WU Jian-hua et al

1.陸軍裝甲兵學(xué)院演訓(xùn)中心 北京 100072 2.漢陽專用汽車研究所 湖北武漢 430070

1 前言

我國是危險化學(xué)品的生產(chǎn)和使用大國，由于產(chǎn)銷分離、生產(chǎn)區(qū)域相對集中，這些危險物品中的大部分均要依托道路進行運輸。隨著經(jīng)濟建設(shè)和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，各行業(yè)各領(lǐng)域?qū)ξｋU化學(xué)品的需求逐步增大，危險化學(xué)品運輸車輛的保有量也在持續(xù)增加，存在較大的安全風(fēng)險。GB7258-2017《機動車運行安全技術(shù)條件》標準要求“裝有緊急切斷裝置的罐式危險貨物運輸車輛，在設(shè)計和制造上應(yīng)保證運輸液體危險貨物的車輛行駛速度大于5 km/h時緊急切斷閥能自動關(guān)閉，或在發(fā)動機起動時能通過一個明顯的信號裝置（例如：聲或光信號）提示駕駛?cè)诵枰P(guān)閉緊急切斷閥?！贬槍@一標準規(guī)定，相關(guān)企業(yè)研發(fā)了可獨立于車輛本身的緊急切斷閥自動關(guān)閉系統(tǒng)，為對相應(yīng)的產(chǎn)品性能進行試驗測試，本文介紹了測試緊急切斷閥自動關(guān)閉系統(tǒng)功能的檢測試驗平臺。

2 緊急切斷閥介紹

緊急切斷閥通常被稱為海底閥，安裝于罐式車輛罐體底部，用于連通或隔離罐體與外部管路，閥體上設(shè)有切斷槽，在其受到猛烈的外力作用后，閥體將沿著切斷槽斷開，在不影響罐體密封的情況下實現(xiàn)車底管路與罐體分離，從而有效防止罐體內(nèi)液體的泄漏，保證運輸?shù)陌踩枪捃囘M行底部裝卸的一個關(guān)鍵部件。緊急切斷閥主要由閥體、閥瓣、壓蓋、彈簧、閥桿、剪切槽、氣室等構(gòu)成，其典型結(jié)構(gòu)見圖1。

壓縮空氣通過進氣口進入到氣室中，推動活塞向上運動，通過閥桿克服彈簧的作用力，打開閥瓣實現(xiàn)上下連通，液體通過緊急切斷閥、管路后最終流出；氣室放氣后，在彈簧的作用下，閥瓣閉合，緊急切斷閥關(guān)閉。閥體上有一環(huán)形的剪切槽，當管道遭受外力撞擊時，閥體沿剪切槽整體撕裂，閥瓣在彈簧的作用下仍然處于關(guān)閉狀態(tài)；當處于開啟位置的閥門，周圍環(huán)境溫度升高至70±5℃時，易熔塞熔化，氣室壓縮氣體排放，緊急切斷閥關(guān)閉，罐內(nèi)液體不會泄漏，從而避免發(fā)生重大事故。

3 方案設(shè)計

3.1 技術(shù)原理

緊急切斷閥自動關(guān)閉系統(tǒng)的控制對象為緊急切斷閥，其核心指標為安裝在車輛上的緊急切斷閥的運動速度和啟閉狀態(tài)，為此需要設(shè)計一個試驗臺架，該臺架能夠模擬車輛帶動緊急切斷閥運動，同時獲取上述兩個指標信息并進行關(guān)聯(lián)，最終判斷緊急切斷閥系統(tǒng)在速度大于5 km/h時是否能夠自動關(guān)閉。為此有兩種技術(shù)方案：

a. 直接檢測的方法，通過運動載體帶動緊急切斷閥從0開始運動，并最終保持在5 km/h，檢測緊急切斷閥是否關(guān)閉；

b.通過運動載體帶動緊急切斷閥從0開始運動，實時檢測緊急切斷閥的運動速度和啟閉狀態(tài)，捕捉緊急切斷閥關(guān)閉時的運動速度，通過關(guān)閉速度判定是否滿足要求。

第一種方案簡單直接，可以通過目測直接判定緊急切斷閥的狀態(tài)；第二種方案可以在滿足試驗要求的前提下，獲取緊急切斷閥的關(guān)閉速度，可對自動關(guān)閉系統(tǒng)的性能作出定量分析，因此采用第二種方案，具體的工作原理如圖2所示。

圖2 檢測試驗平臺工作原理圖

3.2 緊急切斷閥啟閉狀態(tài)檢測

檢測緊急切斷閥閥桿的位置狀態(tài)是最直接的檢測方式，可以考慮在合適位置安裝位移傳感器、壓力傳感器、振動傳感器等，但結(jié)合緊急切斷閥的結(jié)構(gòu)特征，直接安裝傳感器的難度較大，還存在數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的問題。市場現(xiàn)有產(chǎn)品中，基本都是通過關(guān)閉緊急切斷閥的供氣氣源實現(xiàn)閥門的自動關(guān)閉功能?；谶@一實際情況和試驗室的工作環(huán)境，考慮利用對供氣管路壓縮氣體壓力的檢測實現(xiàn)閥的啟閉狀態(tài)的實時檢測，當壓力傳感器檢測到供氣壓力由正常狀態(tài)突然減小時，則緊急切斷閥關(guān)閉。具體原理如圖3所示，在緊急切斷閥氣室入口管路附近連接一個三通接頭，接頭一端連接壓力傳感器。

圖3 緊急切斷閥啟閉狀態(tài)檢測原理圖

3.3 平臺方案

平臺需要采集運動載體的速度信息和緊急切斷閥的啟閉狀態(tài)，為了保證數(shù)據(jù)結(jié)果的可靠性和準確性，就必需要求試驗平臺滿足以下要求：a. 數(shù)據(jù)采集實時、準確，數(shù)據(jù)傳輸可靠，對外界的抗干擾能力強；b. 傳動機構(gòu)運行平穩(wěn)、連續(xù)，無抖動；c. 運動載體能夠?qū)⒕o急切斷閥牢固固定，便于安裝和更換。

基于上述考慮，平臺具體結(jié)構(gòu)如圖4所示，平臺主要由機架、電控系統(tǒng)、運動平臺、伺服電機等組成。為了保證運動的平穩(wěn)，安裝的方便可靠，且避免在運動過程中抖動、卡滯等，采用齒輪齒條的傳動方式實現(xiàn)運動平臺的運動。

圖4 檢測平臺結(jié)構(gòu)簡圖

運動平臺用于安裝緊急切斷閥，上面的安裝板預(yù)留有用于固定安裝緊急切斷閥的通孔，運動載體底下固定有滑塊，滑塊可沿安裝在機架上的導(dǎo)軌做直線運動。運動平臺由安裝在其上的伺服電機提供動力，電機端部安裝有齒輪，齒輪與機架上的齒條嚙合實現(xiàn)運動平臺的平穩(wěn)運動。控制系統(tǒng)通過控制伺服電機實現(xiàn)運動平臺按照相應(yīng)的指令進行運動；通過對伺服電機轉(zhuǎn)速的采集，經(jīng)過換算后獲取運動平臺的速度。

機架上安裝有導(dǎo)線槽，用于引導(dǎo)電纜和氣管，兩端安裝有限位開關(guān)，當運動平臺到達指定位置時，能夠及時停住，避免超出行程；機架由可拼裝鋁型材結(jié)構(gòu)組成，滿足平臺對機架長度的要求。

4 平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 運動平臺軌跡規(guī)劃

運動平臺作為整個檢測試驗平臺的關(guān)鍵核心部分，其運動的平穩(wěn)性異常重要。結(jié)合臺架設(shè)計，將整個試驗平臺機架的長度控制在15 m以內(nèi)，并在兩頭留出一定的安裝空間和安全緩沖區(qū)域。運動平臺運動過程設(shè)計如下：伺服電機帶動運動平臺從0開始加速，到設(shè)定速度后穩(wěn)定，然后減速直至最終停穩(wěn)下來，運動的速度時間曲線如圖5所示。

圖5 運動速度時間曲線簡圖

考慮到后續(xù)標準的修訂及實際使用中的不確定性，將最大速度和工作距離設(shè)定為輸入量，可依據(jù)實際情況進行輸入設(shè)定，其余量為系統(tǒng)固有和計算分配。

設(shè)定臺架實際使用長度為L（m）,一般設(shè)置為10～12 m；設(shè)定的最高速度為v（1m/s），通常為1.528～1.806 m/s對應(yīng)5.5～6.5 km/h，則有：

式中，a1為加速區(qū)間0～t1時的加速度大小，m/s2；a2為減速區(qū)間t2～ t3時 的加速度大小，m/s2；t1為平臺勻速運動的時間，s。

當試驗完成后，通過控制系統(tǒng)給出的復(fù)位指令，運動平臺可在電機的驅(qū)動下回到初始位置。

4.2 傳動系統(tǒng)設(shè)計

傳動系統(tǒng)主要包括伺服電機、運動平臺、齒輪齒條結(jié)構(gòu)。其中，伺服電機的選用需要充分考慮其轉(zhuǎn)速、扭矩及負載慣量是否滿足要求，為此可將平臺的運動的模型簡化為圖6進行核算。

圖6 平臺運動簡圖

假設(shè)運動平臺的總質(zhì)量為M（kg），則電機的最大工作扭矩T（Nm）可以簡化為：

式中,μ為摩擦系數(shù)；d為齒輪節(jié)圓直徑，單位mm；m為齒輪模數(shù)，單位mm；z為齒輪齒數(shù)。

電機最高轉(zhuǎn)速n（r/min）可通過下式計算：

電機的負載轉(zhuǎn)動慣量，可通過能量守恒定律進行簡化計算，不考慮機械效率的情況下有：

運動平臺的動能E1為：

電機相對于這部分的能量E2為：

依據(jù)能量守恒定律，則E1=E2，轉(zhuǎn)換到電機上的最大負載慣量J為：

式中，ω為電機轉(zhuǎn)速，rad/s。

結(jié)合實際情況，伺服電機選用模數(shù)為2 mm，齒數(shù)為40的標準齒輪。通過計算，選用某品牌伺服電機，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，額定功率0.75 kW，輸出扭矩2.39 Nm，滿足設(shè)計要求。

4.3 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)采用某品牌模塊作為控制核心，采用觸摸屏，三組獨立串口，支持與三種不同協(xié)議的控制器同時通訊。通過采集伺服電機編碼器的轉(zhuǎn)速信號進入PLC進行分析計算，實時換算成平臺的運動速度和位移，通過采集壓力傳感器傳輸信號實時判定緊急切斷閥的啟閉狀態(tài)，部分程序如下。

設(shè)備運行前先進行自檢，確認狀態(tài)正確后開始運行，程序如圖7所示。

圖7 控制主程序

設(shè)備正常運行后，伺服電機驅(qū)動平臺加速運動，如果實際的速度未達到比較速度（5 km/h）時，氣壓實際值突然小于壓力比較上限，則認為合格，反之則NG，并將數(shù)據(jù)顯示在上位機上。速度捕捉輸出程序如圖8所示。

圖8 速度捕捉輸出程序

控制系統(tǒng)的工作過程為：當緊急切斷閥自動關(guān)閉系統(tǒng)樣品安裝完畢后，在操作界面輸入相應(yīng)的參數(shù)，待系統(tǒng)自檢顯示一切正常并且對應(yīng)的指示燈亮?xí)r，手動開啟啟動按鈕進行試驗；試驗過程中實時顯示運動平臺運動的速度和位移，當滿足要求時系統(tǒng)自動顯示合格和關(guān)閉時的速度；不滿足要求則直接顯示N G，不合格。上位機軟件采用 EasyBuilder 編寫。

5 試驗測試

設(shè)備開發(fā)完成后，利用某公司提供的緊急切斷閥自動關(guān)閉系統(tǒng)對樣機進行試驗驗證。試驗時，先檢查直線導(dǎo)軌上面及末端有無異物和灰塵，并對導(dǎo)軌進行擦拭，查看氣源是否已經(jīng)接通，壓力是否滿足試驗要求；然后，安裝緊急切斷閥及相配套的控制器，并用螺栓固定安裝好，連接好相應(yīng)的供氣管路、控制管路和壓力傳感器管路；開啟電源，設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)，系統(tǒng)自檢完畢后對設(shè)備進行復(fù)位，確保設(shè)備停放在指定位置；開啟緊急切斷閥控制器電源，待一切正常后開始試驗。

試驗過程中，運動平臺帶動閥門及相應(yīng)的控制器平穩(wěn)運動，當閥門自動關(guān)閉后，顯示界面能夠及時顯示關(guān)閉時的速度，并顯示合格。測試三次，均能很好地達到設(shè)計要求，數(shù)據(jù)結(jié)果可信。試驗照片如圖9所示。

圖9 試驗平臺照片

6 結(jié)語

本文針對GB 7258-2017標準中運輸液體危險貨物的車輛行駛速度大于5 km/h時緊急切斷閥能自動關(guān)閉的相關(guān)要求，結(jié)合市場現(xiàn)有緊急切斷閥的結(jié)構(gòu)特性，設(shè)計開發(fā)了用于檢測相應(yīng)自動關(guān)閉系統(tǒng)功能的檢測平臺。利用該檢測平臺能夠獲取緊急切斷閥自動關(guān)閉時的速度，對自動關(guān)閉系統(tǒng)的性能進行判定。平臺開發(fā)制作完畢后，進行了實際測試，發(fā)現(xiàn)該裝置能夠滿足標準要求，達到設(shè)計目的。

a. 結(jié)合目前緊急切斷閥的結(jié)構(gòu)特性，提出了通過間接測量供氣壓力變化的方式來進行緊急切斷閥啟閉狀態(tài)檢測的方法，簡單可靠；

b. 采用齒輪齒條的傳動方式實現(xiàn)了運動平臺沿機架導(dǎo)軌平穩(wěn)的運動，保證了數(shù)據(jù)的可靠性；

c. 檢測平臺由主要PLC、伺服電機、壓力傳感器等組成，利用PLC控制將各種信號進行實時采集并對比分析，最終設(shè)計的檢測平臺經(jīng)過測試驗證能夠很好地滿足要求，在檢測是否滿足標準要求的情況下還可記錄緊急切斷閥自動關(guān)閉時的速度大小，為自動關(guān)閉系統(tǒng)的性能評價給出了量化指標。