CN215677531U - 快开门疲劳试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种快开门疲劳试验装置，装置包括：步进电机，具有一驱动轴，驱动轴能够沿设定方向运动以抵接快开门的设定位置，并施加作用力；力传感模块，用于采集作用力的数据并输出一力信号；控制系统，包括相互连接的CPU模块、模拟量输入模块及位控模块，位控模块用于产生驱动步进电机的脉冲信号及转向信号，CPU模块用于确定脉冲数、脉冲频率及转向并发送给位控模块，模拟量输入模块与力传感模块连接以接收力信号，当力信号对应的作用力达到设定值时，模拟量输入模块通过CPU模块向位控模块发送信号，位控模块控制步进电机停止运行。本实用新型提供的快开门疲劳试验装置能够对快开门上应力集中的部位进行疲劳试验，提高疲劳试验的可靠性。

Description

快开门疲劳试验装置

技术领域

本实用新型涉及快开门式压力容器技术领域，尤其涉及一种快开门疲劳试验装置。

背景技术

快开门式压力容器是指将盖旋转某一角度或锁紧件移动一定距离,就可完成启闭的压力容器。由于不需要逐个拧紧或松开紧固螺栓，快开门式压力容器的启闭时间很短,物料装卸相当方便，因而在频繁间歇操作场合获得广泛应用。例如医院和实验室的消毒锅、高压氧舱；建材工业中硅酸盐制品的蒸压釜；化工工业中橡胶制品的硫化罐；食品工业中罐头制品的灭菌罐、食品高压杀菌釜；建材工业中的木材干馏罐、枕木防腐罐；纺织工业中的染色机、蒸煮罐等。

随着科学技术的发展,对快开门式压力容器也提出了更高的要求。由于快开门式压力容器在使用过程中快开门会承受周期性变化的交变载荷作用，产生交变应力集中，应力集中的部位易发生疲劳裂纹并导致疲劳破坏，从而导致压力容器泄露。因此，对快开门的疲劳性能评估具有重要的意义。

以往通常采用在压力容器内人工循环加压的方法来推算快开门的寿命，操作难度大，且无法准确对应力集中的部位进行有效的疲劳试验，评估结果应用价值不高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种快开门疲劳试验装置，能够快捷、简便以及准确的对快开门上应力集中的部位进行疲劳试验，提高疲劳试验的精度和可靠性。

为了达到上述目的，本实用新型提供了一种快开门疲劳试验装置，用于对快开门式压力容器的快开门的疲劳性能进行测试，包括：

步进电机，具有一驱动轴，所述驱动轴能够沿设定方向运动以抵接所述快开门的设定位置，并向所述设定位置施加作用力；

力传感模块，设置于所述驱动轴的远端，所述力传感模块用于采集所述作用力的数据并输出一力信号；

控制系统，包括相互连接的CPU模块、模拟量输入模块及位控模块，所述位控模块用于产生驱动所述步进电机的脉冲信号和转向信号，所述CPU模块用于确定所述脉冲信号的脉冲数、脉冲频率及所述步进电机的转向并发送给所述位控模块，所述模拟量输入模块与所述力传感模块连接以接收所述力信号，当所述力信号对应的作用力达到设定值时，所述模拟量输入模块通过所述CPU模块向所述位控模块发送信号，所述位控模块控制所述步进电机停止运行。

可选的，所述快开门疲劳试验装置还包括电机驱动器，所述位控模块通过所述电机驱动器与所述步进电机连接，所述电机驱动器用于将所述位控模块产生的脉冲信号和转向信号加以放大以驱动所述步进电机，进而驱动所述驱动轴沿所述设定方向运动。

可选的，所述快开门疲劳试验装置还包括第一电源模块及第二电源模块，所述第一电源模块用于给所述控制系统供电，所述第二电源模块用于给所述电机驱动器供电。

可选的，所述控制系统还包括信号放大模块，所述信号放大模块连接所述力传感模块与所述模拟量输入模块，以将所述力传感模块发送的力信号放大后发送给所述模拟量输入模块。

可选的，所述CPU模块还包括延时单元，当所述作用力达到所述设定值时，所述延时单元向所述位控模块发送信号，所述位控模块控制所述步进电机停止运行设定时间。

可选的，所述快开门疲劳试验装置还包括与所述CPU模块连接的人机交互模块，所述人机交互模块用于输入所述设定值并发送给所述CPU模块，所述CPU模块将所述设定值转化为所述脉冲信号的脉冲数及脉冲频率并发送给所述位控模块，所述CPU模块将所述力信号转化为数据后反馈给所述人机交互模块。

可选的，所述快开门疲劳试验装置还包括工作台，所述工作台用于固定所述快开门。

可选的，所述工作台上设置有与所述CPU模块连接的启动按钮及停止按钮，所述启动按钮及所述停止按钮用于向所述CPU模块发送命令，以控制快开门疲劳试验的启动和停止。

可选的，所述设定位置为所述快开门的应力集中部位。

本实用新型提供了一种快开门疲劳试验装置，通过CPU模块和位控模块控制驱动轴的运动，力传感模块反馈所述驱动轴对所述快开门的作用力，模拟量输入模块将所述作用力与设定值进行比对并通过CPU模块进行自适应调整，形成了作用力的闭环控制，当所述作用力达到设定值时，所述位控模块控制所述步进电机停止运行，使得所述驱动轴在设定时间内保持对所述快开门的作用力，然后根据快开门设定位置处的形变量即可有效的对快开门的疲劳性能进行测试和评估。整个装置结构简单，能够快捷、方便以及准确的对应力集中的部位进行疲劳试验，提高疲劳试验的精度和可靠性。

附图说明

本领域的普通技术人员将会理解，提供的附图用于更好地理解本实用新型，而不对本实用新型的范围构成任何限定。其中：

图1为本实用新型实施例提供的快开门疲劳试验装置的示意图；

图2为本实用新型实施例提供的快开门疲劳试验装置的控制框图；

图3为本实用新型实施例提供的快开门疲劳试验方法的流程图；

附图中：

1-快开门；2-步进电机；3-驱动轴；4-力传感模块；5-CPU模块；6-模拟量输入模块；7-位控模块；8-电机驱动器；9-第一电源模块；10-第二电源模块；11-信号放大模块；12-工控机；13-显示器；14-工作台；15-启动按钮；16-停止按钮。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。

如在本实用新型中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，除非内容另外明确指出外。如在本实用新型中所使用的，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外。如在本实用新型中所使用的，术语“若干”通常是以包括“至少一个”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外。如在本实用新型中所使用的，术语“至少两个”通常是以包括“两个或两个以上”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者至少两个该特征。

请参照图1-图2，图1为本实用新型实施例提供的快开门疲劳试验装置的示意图，图2为本实用新型实施例提供的快开门疲劳试验装置的控制框图。本实施例提供了一种快开门疲劳试验装置，用于对快开门式压力容器的快开门1的疲劳性能进行测试，包括：

步进电机2，具有一驱动轴3，所述驱动轴3能够沿设定方向运动以抵接所述快开门1的设定位置，并向所述设定位置施加作用力；

力传感模块4，设置于所述驱动轴3的远端，所述力传感模块4用于采集所述作用力的数据并输出一力信号；

控制系统，包括相互连接的CPU模块5、模拟量输入模块6及位控模块7，所述位控模块7用于产生驱动所述步进电机2的脉冲信号及转向信号，所述CPU模块5用于确定所述脉冲信号的脉冲数、脉冲频率及所述步进电机2的转向并发送给所述位控模块7，所述模拟量输入模块6与所述力传感模块4连接以接收所述力信号，当所述力信号对应的作用力达到设定值时，所述模拟量输入模块6通过所述CPU模块5向所述位控模块7发送信号，所述位控模块7控制所述步进电机2停止运行。

通过CPU模块5和位控模块7控制驱动轴3的运动，力传感模块4反馈所述驱动轴3对所述快开门1的作用力，模拟量输入模块6将所述反馈的作用力与预先输入的设定值进行比对并通过CPU模块5进行自适应调整，形成了作用力的闭环控制，当所述作用力达到设定值时，所述位控模块7控制所述步进电机2停止运行，使得所述驱动轴3在设定时间内保持对所述快开门1的作用力，然后根据快开门1设定位置处的形变量即可有效的对快开门1的疲劳性能进行测试和评估。

应当理解的是，本申请中提及的“连接”并非是机械连接，而是通信连接，所述通信连接包括有线通信连接和无线通信连接。

具体的，所述快开门1为快开门式压力容器的快速开门旋转盖，通过将盖旋转某一角度或锁紧件移动一定距离,就可完成压力容器的启闭。所述快开门式压力容器在使用过程中快开门1会承受周期性变化的交变载荷作用，产生交变应力集中，应力集中的部位易发生疲劳裂纹并导致疲劳破坏，从而导致压力容器泄露。故本实施例中，所述设定位置即为所述快开门1的应力集中部位。所述应力集中部位可根据实际使用过程中快开门1的各处的形变量、裂纹等情况进行判断，通常为快开门1的边缘部分。

请继续参照图1，所述快开门疲劳试验装置还包括电机驱动器8，所述位控模块7通过所述电机驱动器8与所述步进电机2连接，所述电机驱动器8用于将所述位控模块7产生的脉冲信号及转向信号加以放大以驱动所述步进电机2，进而驱动所述驱动轴3沿所述设定方向运动。

本实施例中，所述步进电机2选用常州海顿的87H4C系列，该电机是海顿最强动力的直线步进电机，可提供高达500磅(227kg)的力，采用贯通轴式输出，所述驱动轴3贯穿电机作线性运动。所述步进电机2作为所述快开门疲劳试验装置的一种运动控制执行机构，它通过接受输入脉冲频率和脉冲数的改变来调节驱动轴3的运动速度和位移量。所述步进电机2的转速与脉冲信号的脉冲频率成正比，通过控制所述脉冲频率，可以对所述驱动轴3精确调速，通过控制脉冲的个数，可以对驱动轴3精确定位。当然，所述步进电机2还可以采用固定轴式或外部驱动式步进电机，本申请对此不作任何限制。

本实施例中，所述电机驱动器8选用DCM8055。DCM8055驱动器是一款高性能细分斩波驱动器，尺寸小巧，适合空间较小的应用场合，便于和其它电元件集成，适用于两相步进电机大输出电流5/2.8A。DCM8055驱动器由于使用了先进的双极性直流斩波技术和高性能细分技术，相比传统技术的L/R驱动器输出功率更高，速度更快。

较佳的，当所述驱动轴3未接触所述快开门1时(即空行程时)，通过提高所述脉冲信号的频率以使所述驱动轴3以较快的速度运动，当所述驱动轴3与所述快开门1抵接时，可通过降低脉冲信号的频率，让所述驱动轴3以较慢的速度冲击所述快开门1，防止速度过快冲击造成过载。所述驱动轴3的位移量越大，对所述设定位置处的作用力将越大，引起的形变量也越大，故当所述力传感模块4发送力信号对应的作用力达到设定值时，所述位控模块7控制所述步进电机2停止运行来保持所述驱动轴3对所述设定位置处的作用力，以更好地模拟出所述快开门1的应力集中部位受到疲劳破坏的情况，提高疲劳试验的精度和可靠性。

进一步的，所述快开门疲劳试验装置还包括第一电源模块9及第二电源模块10，所述第一电源模块9用于给所述控制系统供电，所述第二电源模块10用于给所述电机驱动器8供电。

本实施例中，所述第一电源模块9可采用明纬24V、150W输出的开关电源，主要用于给所述控制系统供电。所述第二电源模块10可采用明纬48V、350W输出的开关电源，用于给所述电机驱动器8供电，以保证所述步进电机2有足够的力输出。

请继续参照图1-图2，所述快开门疲劳试验装置包括力传感模块4，设置于所述驱动轴3的远端，所述力传感模块4用于采集所述作用力的数据并输出一力信号。

本实施例中，所述力传感模块4选用Inteface公司的WMC-250力传感器，WMC-250力传感器的信号为在±20mV输出。所述WMC-250力传感器固定在步进电机2的驱动轴3上，用于采集所述作用力的数据并输出一力信号给所述模拟量输入模块6，当所述驱动轴3持续运动时，所述力信号为变化的电信号。

较佳的，所述控制系统还包括信号放大模块11，所述信号放大模块11连接所述力传感模块4与所述模拟量输入模块6，以将所述力传感模块4发送的力信号放大后发送给所述模拟量输入模块6。

本实施例中，所述信号放大模块11选用Inteface公司的Model 500放大器，通过Model 500放大器对力信号进行放大，能够将力传感模块4的微弱型号±20mV输出放大成±10V的电压信号发送给模拟量输入模块6。

请继续参照图1-图2，控制系统包括相互连接的CPU模块5、模拟量输入模块6及位控模块7，所述位控模块7用于产生驱动所述步进电机2的脉冲信号及转向信号，所述CPU模块5用于确定所述脉冲信号的脉冲数、脉冲频率及所述步进电机2的转向并发送给所述位控模块7，所述模拟量输入模块6与所述力传感模块4连接以接收所述力信号，当所述力信号对应的作用力达到设定值时，所述模拟量输入模块6通过所述CPU模块5向所述位控模块7发送信号，所述位控模块7控制所述步进电机2停止运行。

本实施例中，所述控制系统为PLC，采用PLC编程器和组态软件控制不同的试验要求，可通过写入所述步进电机2的转向、脉冲数及脉冲频率等参数，对所述驱动轴3的速度和位移量进行控制。

所述CPU模块5作为控制系统的主控单元，选用S7-200 PLC系列的CPU221，带有数字量输入点6点，数字量输出点4点。

所述模拟量输入模块6选用EM 231，输入范围选择0-10V。

所述位控模块7选用EM253。EM253位控模块是S7-200PLC的特殊功能模块，它能够产生脉冲串，用于控制步进电机2的速度和位移量。

本实施例中，所述模拟量输入模块6与所述位控模块7通过扩展的I/O总线通讯与CPU模块5通讯，所述位控模块7带有8个数字输入，在I/O组态中作为智能模块。

较佳的，所述CPU模块5还包括延时单元，当所述作用力达到所述设定值时，所述延时单元向所述位控模块7发送信号，所述位控模块7控制所述步进电机2停止运行设定时间，以保持所述驱动轴3对所述设定位置处的作用力，以更好地模拟出所述快开门1的应力集中部位受到的疲劳破坏情况，提高测试的精度和可靠性。

请继续参照图1-图2，所述快开门疲劳试验装置还包括与所述CPU模块5连接的人机交互模块，所述人机交互模块用于输入所述设定值并发送给所述CPU模块5，所述CPU模块5通过一系列工程量运算后，将所述设定值转化为所述脉冲信号的脉冲数及脉冲频率并发送给所述位控模块7，所述CPU模块5将所述力信号转化为数据后反馈给所述人机交互模块。

本实施例中，所述人机交互模块包括工控机12及显示器13，所述工控机12采用研华IPC-611工控机，该工控机为紧凑型槽机架式机箱，深度为348mm，支持ATX主板。

所述显示器13采用22寸液晶显示器，用于提供清晰、友好的人机界面，生动形象地反映试验中的实时数据。

在进行疲劳试验过程中，所述驱动轴3的位移量、速度及试验次数等参数需要经常设定，为了方便现场人员操作，可将所述人机交互模块作为上位机，所述控制系统作为下位机。

所述上位机的主要功能有：

1)数据管理功能：即生成快开门疲劳试验中作用力的实时动态图，给管理人员提供清晰、友善的人机界面，生动形象地反映力传感器的实时数据，完成报警、历史数据、历史趋势曲线的存储、显示和查询。生成各类试验报表，可通过打印机定时打印。

2)控制功能：即在基于图形和中文按钮以控制方式进行实时控制。试验人员可以通过计算机的鼠标或键盘，启、停现场受控设备(如步进电机2)。当计算机将控制方式转为自动控制时，则控制系统就可根据各自的试验参数、设备工况自动完成对设备的启/停控制。

3)数据存储功能：即系统所监控的数据均可调用查询。数据功能主要包括实时数据库、历史数据库和转存备份。

所述下位机的主要功能有：

1)数据采集功能：利用计算机的特性，自动、连续地检测并记录显示出试验过程中各试验环节、各个时段的转速、压力等试验数据以及试验设备的运行工况等。

2)自动保护功能：PLC可编程控制器和监控计算机能自动连续地监测数据、试验设备运行情况，并进行综合分析，判断出试验过程中有可能发生的事故，完成自动报警和主动采取事故预处理措施，防止事故的发生和扩大，达到保护人身和设备的安全等。

3)自动操作和调节功能：试验台在处于自动控制的状态下，根据试验参数、设备工况和控制要求，按规定的时间周期、设定的逻辑顺序和设定的试验参数自动地启停设备、自动切换设备的交替运行和调节步进电机2的运行状态。

请继续参照图1，所述快开门疲劳试验装置还包括工作台14，所述工作台14用于固定所述快开门1。当然，本申请对于所述快开门1的固定方式不作任何限制，例如可以通过夹具对所述快开门1进行固定。

进一步的，所述工作台14上设置有与所述CPU模块5连接的启动按钮15及停止按钮16，所述启动按钮15及所述停止按钮16用于向所述CPU模块5发送命令，以控制快开门疲劳试验的启动和停止。

本实施例中，所述启动按钮15采用施耐德

绿色平头带灯按钮XB4BW33B5，它带有一个24V LED指示灯，1个常开和1个常闭触点。所述停止按钮13采用施耐德

红色平头带灯按钮XB4BW34B5，它带有一个24V LED指示灯，1个常开和1个常闭触点。

此外，请参照图3，并结合图1-图2，本实用新型还提供了一种快开门疲劳试验方法，可采用如上所述的快开门疲劳试验装置对快开门式压力容器的快开门1的疲劳性能进行测试，所述快开门疲劳试验方法包括以下步骤：

S1、设置步进电机2的转向及速度，使所述步进电机2的驱动轴3沿设定方向运动，当所述驱动轴3抵接所述快开门1的设定位置处时，降低所述驱动轴3的速度，并使所述驱动轴3沿设定方向继续运动并冲击所述快开门1；

S2、通过力传感模块4采集所述驱动轴3对所述快开门1的作用力，并将所述作用力与设定值比较，当所述作用力达到所述设定值时，控制所述步进电机2停止运行；

S3、设定时间后，设置所述步进电机2的转向和速度，使驱动轴3沿远离所述快开门1的方向原路返回，并采集所述设定位置处的形变量；

S4、循环上述步骤S1-S3，并根据所述设定位置处的形变量对所述快开门1的疲劳性能评估。

具体的，首先，执行步骤S1，通过所述人机交互模块输入所述步进电机2的转向(例如正转)及设定值并发送给所述CPU模块5，所述CPU模块5将所述设定值转化为所述脉冲信号的脉冲数及脉冲频率并发送给所述位控模块7，所述位控模块7控制所述步进电机2的运行。然后预先计算所述步进电机2的空行程，当到达空行程后，降低所述驱动轴3的速度，让所述驱动轴3以较慢的速度冲击快开门1。

然后执行步骤S2，通过力传感模块4采集所述驱动轴3对所述快开门1的作用力并向模拟量输入模块6发送力信号，当所述力信号对应的作用力达到设定值时，所述模拟量输入模块6通过所述CPU模块5向所述位控模块7发送信号，所述位控模块7控制所述步进电机2停止运行。

接着执行步骤S3，通过延时单元控制延时时间，设定时间后，再次通过所述人机交互模块写输入所述步进电机2的转向(例如反转)及设定值，使驱动轴3沿远离所述快开门1的方向原路返回，此时可采集所述设定位置处的形变量。

最后执行步骤S4，循环上述步骤S1-S3，多次试验后，根据所述设定位置处的形变量的变化情况对所述快开门1的疲劳性能评估。

综上，本实用新型实施例提供了一种快开门疲劳试验装置，通过CPU模块和位控模块控制驱动轴的运动，力传感模块反馈所述驱动轴对所述快开门的作用力，模拟量输入模块将所述作用力与设定值进行比对并通过CPU模块进行自适应调整，形成了作用力的闭环控制，当所述作用力达到设定值时，所述位控模块控制所述步进电机停止运行，使得所述驱动轴在设定时间内保持对所述快开门的作用力，然后根据快开门设定位置处的形变量即可有效的对快开门的疲劳性能进行测试和评估。整个装置结构简单，能够快捷、方便以及准确的对快开门上应力集中的部位进行疲劳试验，提高疲劳试验的精度和可靠性。

上述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不对本实用新型起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本实用新型的技术方案的范围内，对本实用新型揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本实用新型的技术方案的内容，仍属于本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种快开门疲劳试验装置，用于对快开门式压力容器的快开门的疲劳性能进行测试，其特征在于，包括：

步进电机，具有一驱动轴，所述驱动轴能够沿设定方向运动以抵接所述快开门的设定位置，并向所述设定位置施加作用力；

力传感模块，设置于所述驱动轴的远端，所述力传感模块用于采集所述作用力的数据并输出一力信号；

控制系统，包括相互连接的CPU模块、模拟量输入模块及位控模块，所述位控模块用于产生驱动所述步进电机的脉冲信号和转向信号，所述CPU模块用于确定所述脉冲信号的脉冲数、脉冲频率及步进电机的转向并发送给所述位控模块，所述模拟量输入模块与所述力传感模块连接以接收所述力信号，当所述力信号对应的作用力达到设定值时，所述模拟量输入模块通过所述CPU模块向所述位控模块发送信号，所述位控模块控制所述步进电机停止运行。

2.如权利要求1所述的快开门疲劳试验装置，其特征在于，所述快开门疲劳试验装置还包括电机驱动器，所述位控模块通过所述电机驱动器与所述步进电机连接，所述电机驱动器用于将所述位控模块产生的脉冲信号及转向信号加以放大以驱动所述步进电机，进而驱动所述驱动轴沿所述设定方向运动。

3.如权利要求2所述的快开门疲劳试验装置，其特征在于，所述快开门疲劳试验装置还包括第一电源模块及第二电源模块，所述第一电源模块用于给所述控制系统供电，所述第二电源模块用于给所述电机驱动器供电。

4.如权利要求1所述的快开门疲劳试验装置，其特征在于，所述控制系统还包括信号放大模块，所述信号放大模块连接所述力传感模块与所述模拟量输入模块，以将所述力传感模块发送的力信号放大后发送给所述模拟量输入模块。

5.如权利要求1所述的快开门疲劳试验装置，其特征在于，所述CPU模块还包括延时单元，当所述作用力达到所述设定值时，所述延时单元向所述位控模块发送信号，所述位控模块控制所述步进电机停止运行设定时间。

6.如权利要求1所述的快开门疲劳试验装置，其特征在于，所述快开门疲劳试验装置还包括与所述CPU模块连接的人机交互模块，所述人机交互模块用于输入所述设定值并发送给所述CPU模块，所述CPU模块将所述设定值转化为所述脉冲信号的脉冲数及脉冲频率并发送给所述位控模块，所述CPU模块将所述力信号转化为数据后反馈给所述人机交互模块。

7.如权利要求1所述的快开门疲劳试验装置，其特征在于，所述快开门疲劳试验装置还包括工作台，所述工作台用于固定所述快开门。

8.如权利要求7所述的快开门疲劳试验装置，其特征在于，所述工作台上设置有与所述CPU模块连接的启动按钮及停止按钮，所述启动按钮及所述停止按钮用于向所述CPU模块发送命令，以控制快开门疲劳试验的启动和停止。

9.如权利要求1所述的快开门疲劳试验装置，其特征在于，所述设定位置为所述快开门的应力集中部位。

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