專利名稱：恒壓自控多類型封頭邊緣應力自動測試實驗裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種應力測試實驗裝置，尤其是一種能進行恒壓自控多類型封頭邊緣應力自動測試的實驗裝置。
背景技術：
封頭是壓力容器上的一個主要零部件，封頭與筒體通過焊接相連，從而構成一個封閉的能夠承受壓力的容器。根據(jù)不同的需要，可以生產(chǎn)不同形狀的封頭。但由于封頭結構的特殊性，特別是與筒體相連部分應力分布的復雜性，使得在實際生產(chǎn)過程中，主要使用標準橢圓封頭、球形封頭、錐形封頭(過渡段)、平板封頭和碟形封頭。對于將要從事壓力容器設計、制造、維修和管理的過程裝備與控制工程專業(yè)學生或工程技術人員，必須要對不同封頭類型與筒體相連部分的應力分布規(guī)律進行了解和掌握，恒壓自控多類型封頭邊緣應力自動測試實驗裝置正是基于這個目的而開發(fā)和研制的，其主要用途是給學生或工程技術人員作實驗，通過這個實驗，一方面使學生了解和掌握了封頭邊緣應力的分布規(guī)律，另一方面也使學生掌握了應力測試的方法和手段。
目前，這種類型的實驗裝置但都由學校自行研制，并且是非常簡便的，因此都沒有申請專利。其結構可有二種類型，一種是在筒體的一端焊上需要測試的封頭，另一種是在筒體兩端焊上兩個需要測試的不同類型封頭，其加壓的過程可采用手動，也可采用機動，其壓力都是通過看壓力儀表的值來確定。這樣做的后果是1、由于在加壓過程中，泵的沖擊作用，使得最后穩(wěn)定的壓力值要小于用戶停止加壓時的壓力值，壓力值不能達到用戶所要求的給定值；2、測試的壓力值不能任意給定。同時，壓力容器的保壓和卸載過程都是采用人工關閉閥門的方法進行，在加壓到保壓的過程中，由于關閉閥門的滯后性，又使得壓力值可能再次下降。從而使學生在測試過程中，壓力值是一個變量，所得到的結果與計算結果可能相差較大，從而失去了科學檢測的嚴謹性和數(shù)據(jù)結果的準確性。
在這類實驗裝置上作實驗，學生將會花費大量的時間來調(diào)整加壓時的壓力值，從而也就減小了學生花費在對數(shù)據(jù)結果的判別、誤差的分析以及對實驗過程、方法和手段的了解上的時間，有時甚至會引起學生對實驗過程的誤解。而且現(xiàn)有的封頭邊緣應力測試實驗平臺，缺乏計算機應用技術和控制技術，僅為一臺簡便的、由封頭和筒體連接的壓力容器。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種能夠測試出在任意壓力下多種類型封頭邊緣應力的分布，而且能對壓力值進行自動調(diào)整的恒壓自控多類型封頭邊緣應力自動測試實驗裝置。
本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是它包括固定在支座上平蓋封頭、錐形封頭、球形封頭和橢圓形封頭，它由壓力控制系統(tǒng)、油路控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三部分構成，整個系統(tǒng)由一個控制平臺操作，固定在支座上平蓋封頭、錐形封頭、球形封頭和橢圓形封頭上分別設置有封頭壓力表5、排空管2和與控制平臺相接的壓力傳感器13，與貯油箱12相連通的油路經(jīng)過油泵10和換向電磁閥15后分別與平蓋封頭、錐形封頭、球形封頭和橢圓形封頭內(nèi)的油腔相連通，油路的另一分支經(jīng)溢流閥的進油口P和溢流閥的回油口O與油箱相連，換向電磁閥的回油口O又與油箱相連，通口B被堵住。封頭上的壓力傳感器與控制平臺上的PID調(diào)節(jié)器相連，反饋信號傳送到控制平臺上的變頻器，變頻器的另一端與電動機11相連控制油泵10的輸出量。粘貼在封頭過渡段表面上的應變片18與預調(diào)平衡箱相連，預調(diào)平衡箱連接兩條分支，一條分支與靜態(tài)電阻應變儀相連，另一分支經(jīng)A/D卡與計算機相連。
本實用新型的有益效果是，克服了現(xiàn)有封頭邊緣應力測試實驗教學平臺的不足，它不僅能夠測試出在任意壓力下多種類型封頭邊緣應力的分布，不會出現(xiàn)由于換向所帶來的壓力波動，測試壓力恒定，測試數(shù)據(jù)結果可靠；而且其壓力值的調(diào)整將實現(xiàn)自動化；加壓和卸載過程的轉換采用了電磁閥，減少了人工操作的時間，換向速度快，結構簡單；所得到的實驗數(shù)據(jù)可以直接在計算機屏幕上顯示，并且可以與理論計算結果進行比較，其測試數(shù)據(jù)可以用圖形、列表直接輸出、顯示和打印。使學生更容易了解和掌握封頭邊緣應力的分布規(guī)律，了解應力測試、分析和計算的手段和方法。
以下結合附圖對本實用新型進一步說明。


圖1是本實用新型的結構原理圖。
圖2是本實用新型的油路控制系統(tǒng)圖。
圖3是本實用新型的壓力控制系統(tǒng)圖。
圖4是本實用新型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖。
圖5是本實用新型的控制操作臺面板設置圖。
圖中1.橢圓形封頭結構，2.排空管，3.球形封頭結構，4.控制操作臺，5.封頭壓力表，6.排污接管，7.平封頭結構，8.錐形封頭結構，9.油管，10.油泵，11.電動機，12.貯油箱，13.壓力傳感器，14.溢流閥，15.轉向電磁閥，16.管路壓力表，17.油箱放空管，18.應變片，19.閥門，20.支座。
具體實施方式
將平蓋封頭和錐形封頭設置為一組、球形封頭和橢圓形封頭分為另一組，并將它們均固定在支座上，整個系統(tǒng)由一個控制平臺操作，它包括一個壓力控制系統(tǒng)、一個油路控制系統(tǒng)、一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和微機。在控制平臺的面板上有電源開關，電磁閥的控制開關，壓力表用于顯示油路中的壓力，變頻器顯示屏用于顯示變頻器參數(shù)和電動機的轉數(shù)，PID控制儀表和微機的屏幕。在沒有加壓的情況下，在每個封頭的適當位置貼上電阻應變片，并將應變片接入到平衡箱，將電阻調(diào)平衡。每個封頭結構均設置有壓力表接口、進油或排油口、排空接口、壓力傳感器接口和排污口，其中壓力表接口所接壓力表將直接顯示封頭內(nèi)的實際壓力值，壓力傳感器接口所接的壓力傳感器能夠將封頭內(nèi)的實際壓力送入到PID控制器，并將實際壓力值與用戶給定的壓力值進行比較，所產(chǎn)生的偏差信號送到變頻器，通過變頻器生成的信號控制電動機，從而改變油泵的輸出油量，以達到改變封頭內(nèi)壓力的變化，當封頭內(nèi)的壓力值達到用戶所給定的值時，用戶可以將控制開關轉換到保壓狀態(tài)，這時可以用靜態(tài)電阻應變儀測量所加壓封頭表面上的應力值，或者將靜態(tài)電阻平衡箱出來的信號送入到A/D轉換卡，直接將測量數(shù)據(jù)送入到計算機進行處理并顯示。當一組數(shù)據(jù)測試完成后，重新調(diào)整PID控制儀表的參數(shù)，將控制開關轉向加壓狀態(tài)，重新給封頭結構加壓，繼續(xù)進行第二組數(shù)據(jù)的測試，如此循環(huán)下去。當數(shù)據(jù)測試完成后，將控制開關轉向卸載狀態(tài)，關閉電動機，在卸載完成后，將控制開頭轉到零位。
壓力控制系統(tǒng)主要用于控制封頭內(nèi)的壓力值，它由壓力傳感器、PID控制儀表、變頻器、電動機、油泵等組成，它解決了封頭內(nèi)壓力值的任意設定，使用戶可以隨意控制封頭內(nèi)的壓力值。由于采用了PID控制調(diào)節(jié)，封頭內(nèi)的壓力值將會自動達到平衡狀態(tài)，封頭結構內(nèi)壓力值的波動問題得到解決，并減少了人工在調(diào)整恒定壓力值時的時間。
油路控制系統(tǒng)主要用于給封頭加壓和卸載，它由油箱、油泵、電動機、溢流閥、換向電磁閥和管路系統(tǒng)組成。加壓、保壓和卸載過程的轉換都采用換向電磁閥來操作，換向過程操作簡單明了，換向速度快，減少了使用閥門操作換向的時間和難度。同時換向過程操作是發(fā)生在封頭結構內(nèi)的壓力值達到穩(wěn)定時進行，這時管路內(nèi)的流量基本上接近為零，采用換向電磁閥的快速換向，封頭內(nèi)的壓力值由于換向所產(chǎn)生的壓力波動也為零。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要采集封頭邊緣應力的數(shù)據(jù)信號，它由應變片、靜態(tài)電阻平衡箱、靜態(tài)電阻應變儀、A/D卡、數(shù)據(jù)采集軟件、數(shù)據(jù)信號線、微機接口等組成，其原理是由于應變片內(nèi)的電阻絲在外力的作用下發(fā)生變化，從而引起電阻阻值的變化，流過應變片的電流也會相應地發(fā)生變化，將變化的電流信號送入到靜態(tài)電阻應變儀就可得到由于外力作用所產(chǎn)生的應變值，再通過轉換計算就可以得到所測量應變片的應力值。或者是將靜態(tài)電阻平衡箱出來的信號送到A/D卡，將模擬信號轉換為數(shù)字信號后，通過數(shù)據(jù)采集軟件，在微機屏幕上顯示出來。
在圖1中，將平蓋封頭7和錐形封頭8設置為一組、球形封頭3和橢圓形封頭1分為另一組，并將它們均固定在支座20上，整個系統(tǒng)由一個控制平臺操作，所有的信號線和油路都要進入到控制操作臺。同時油箱12、電動機11、溢流閥14和油泵10也固定其中一個支座上20，這樣可以使結構更加緊密，減少占地面積。
在圖5中，管路壓力表16、換向電磁閥15、PID控制儀表、換向電磁閥15的控制開關、電源開關、變頻器的顯示屏、計算機等都安裝在控制操作臺上。
在圖4中的壓力表5指示為零時，在球形封頭3過渡段處貼上應變片18，然后將信號線與應變片18通過焊接相連，又將信號線的另一端連接預調(diào)平衡箱的接線柱上，對每個應變片進行平衡調(diào)節(jié)，使每個應變片在平衡箱上的顯示都為零。
在圖2中，調(diào)整溢流閥14的壓力值。
在圖5中，打開總電源開關，在PID控制儀表上設定一個壓力值，并相應地設置PID的各項參數(shù)值。將控制開頭轉向加壓位置，即將圖2中的換向電磁閥15向右移動，使其轉向加壓位置。打開電動機11開關，使其帶動油泵10開始轉動，給要測試的球形封頭3結構系統(tǒng)加壓。
在圖3中，隨著球形封頭3內(nèi)壓力的增加，PID控制儀表內(nèi)產(chǎn)生的偏差信號將越來越小，偏差信號送入到變頻器，變頻器所輸出的信號也會越來越弱，從而引起電動機11的轉數(shù)越來越小，油泵10所輸出到油管9中的油量也慢慢地接近為零。當球形封頭3上的壓力表5指針指向用戶給定的壓力值并保持不變時，將圖5中的控制開關撥向保壓狀態(tài)，即將圖2中的換向電磁閥15回到零位，使其處于中間位置，并關閉電動機電源開關。
在圖4中，打開靜態(tài)電阻應變儀，旋轉按鈕到每個應變片18，從靜態(tài)電阻應變儀的顯示屏上讀出應變值，再利用虎克定律，即可得到每個應變片上的應力值，通過作圖就可得到球形封頭3過渡段的應力分布規(guī)律?；蛘邔㈩A調(diào)平衡箱出來的信號線與A/D卡相連，通過A/D卡將模擬信號轉變?yōu)閿?shù)字信號，送入到計算機，啟動計算機上的數(shù)據(jù)處理軟件，檢測數(shù)字信號，并將所檢測到的信號在計算機屏幕上顯示出來，也可將檢測數(shù)據(jù)保存在計算機硬盤上，供以后輸出和查閱使用。
完成這組數(shù)據(jù)測試后，在圖5中重新設置一個新的壓力值，重復上述的操作過程，又可得到一組測試數(shù)據(jù)，如此循環(huán)下去。
當數(shù)據(jù)測試完成后，在圖5中關閉電動機11和PID控制儀表的電源，將相應的控制開關撥向卸載狀態(tài)，即圖2中的換向電磁閥15向左移動，使其處于卸載狀態(tài)，球形封頭內(nèi)的機油將通過油路9又回到油箱12，當壓力表5的指針指向零時，表示卸載完成，將控制開關又撥向零位，即圖2的換向電磁閥15又回到零位狀態(tài)。
在圖1中可以看到，每個封頭結構系統(tǒng)的油管9上都有一個閥門19，其目的是可以允許用戶根據(jù)需要選擇封頭結構系統(tǒng)進行測試。
油管9上的安裝有壓力表16，其作用是通過顯示油路上的壓力，可以顯示出油路是否堵塞，以及封頭內(nèi)是否在加壓，總的來說，是出于安全考慮而設置的。
權利要求1.一種恒壓自控多類型封頭邊緣應力自動測試實驗裝置，它包括固定在支座上平蓋封頭、錐形封頭、球形封頭和橢圓形封頭，其特征是它由壓力控制系統(tǒng)、油路控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三部分構成，整個系統(tǒng)由一個控制平臺操作，固定在支座上平蓋封頭、錐形封頭、球形封頭和橢圓形封頭上分別設置有封頭壓力表(5)、排空管(2)和與控制平臺相接的壓力傳感器(13)，與貯油箱(12)相連通的油路經(jīng)過油泵(10)和換向電磁閥(15)后分別與平蓋封頭、錐形封頭、球形封頭和橢圓形封頭內(nèi)的油腔相連通，油路的另一分支經(jīng)溢流閥的進油口P和溢流閥的回油口0與油箱相連，換向電磁閥的回油口0又與油箱相連，通口B被堵住。
2.根據(jù)權利要求1所述的恒壓自控多類型封頭邊緣應力自動測試實驗裝置，其特征是封頭上的壓力傳感器與控制平臺上的PID調(diào)節(jié)器相連，反饋信號傳送到控制平臺上的變頻器，變頻器的另一端與電動機(11)相連控制油泵(10)的輸出量。
3.根據(jù)權利要求1所述的恒壓自控多類型封頭邊緣應力自動測試實驗裝置，其特征是粘貼在封頭過渡段表面上的應變片(18)與預調(diào)平衡箱相連，預調(diào)平衡箱連接兩條分支，一條分支與靜態(tài)電阻應變儀相連，另一分支經(jīng)A/D卡與計算機相連。
專利摘要一種恒壓自控多類型封頭邊緣應力自動測試實驗裝置。它主要是解決現(xiàn)在沒有壓力自動測試實驗裝置等問題。其技術方案要點是它包括固定在支座上平蓋封頭、錐形封頭、球形封頭和橢圓形封頭，它由控制平臺控制的壓力控制系統(tǒng)、油路控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三部分構成，固定在支座上封頭上分別設置有封頭壓力表、排空管和與控制平臺相接的壓力傳感器，與貯油箱相連通的油路經(jīng)過油泵和換向電磁閥后分別與封頭內(nèi)的油腔相連通。它能夠完成在任意壓力下的封頭過渡段的邊緣應力分布規(guī)律的測試，加壓、保壓和卸載換向操作簡單，換向速度快，無沖擊和滯后性，封頭內(nèi)的測試壓力穩(wěn)定，測試數(shù)據(jù)可以記錄，也可以直接用計算機來顯示和打印輸出，所有操作均可在控制操作臺上完成。
文檔編號G01L1/20GK2650091SQ0322676
公開日2004年10月20日 申請日期2003年1月10日 優(yōu)先權日2003年1月10日
發(fā)明者龔曙光, 謝桂蘭, 邱愛紅, 王亞, 張吳星 申請人:湘潭大學