Разработка конструкции стенда по проведению испытаний на герметичность запорной и распределительной арматуры

На втором этапе проектирования определяется необходимость переналадки проектируемого устройства, которая должна предусматривать: возможность системы управления функционировать с учетом различного времени испытания изделий под  давлением; перенастройку контрольно-измерительного блока на различные допустимые величины утечки пробного газа, а также на различные уровни испытательного давления. Затем следует осуществить выбор  способа контроля и средств его  реализации [4, 5]. Предварительно технические  условия на проведение контроля герметичности  должны быть рассмотрены при анализе  технического задания. Здесь, как правило, предпочтение следует отдавать типовым, широкопредельным контрольно-измерительным  устройствам. Но в отдельных случаях  рекомендуется разработка специального контрольного блока, который в полной мере соответствует требованиям  проектируемого автомата или полуавтомата, например, по требованию к переналаживаемости устройств, диапазону испытательного давления [6, 7].

На третьем  этапе проектирования выбирается уровень  автоматизации и переналаживаемости всего устройства.

К автоматам  для испытания на герметичность  относятся устройства, которые осуществляют весь процесс контроля герметичности, включая разбраковку, загрузку–разгрузку изделий без участия оператора [8, 9].

К автоматизированным устройствам (полуавтоматам) для контроля герметичности относятся устройства, в работе которых участвует оператор. Он может осуществлять, например, загрузку–разгрузку испытуемого изделия, разбраковку  на «Годные» и «Брак» по информации контрольно-измерительного блока, снабженного  автоматическим регистрирующим элементом. При этом общее управление устройством, включая привод транспортного приспособления, зажим–разжим (фиксация), уплотнение изделия, выдержка времени контроля и другие функции осуществляются автоматически. Перспективные схемы автоматизации  контроля герметичности по манометрическому методу рассмотрены в [4, 5].

После оценки уровня автоматизации следующей  важной задачей является выбор и  анализ компоновочной схемы, которую  следует вычертить в масштабе. Она позволяет рационально скомпоновать все устройства проектируемого оборудования. Здесь особое внимание следует уделить  выбору позиции загрузки–разгрузки изделия, траектории перемещения загрузочного оборудования. Проблемы связаны с  тем, что загружаемые изделия (объекты  испытания), как правило, имеют сложную  пространственную конфигурацию, поэтому  трудно ориентируются, захватываются  и удерживаются. Из-за этого требуется  создание специального ориентирующего и загрузочно-разгрузочного оборудования, что не всегда приемлемо по экономическим  причинам, поэтому ручная загрузка может оказаться рациональным решением. Как адекватное решение вопроса  рекомендуется рассматривать применение промышленных манипуляторов и роботов.

Следующим важным этапом проектирования является выбор системы управления и синтез схемы управления. Здесь следует  придерживаться рекомендаций и методик  разработки систем управления технологическим  оборудованием, приведенных в литературе [10].

Выбор схемы  подготовки воздуха является достаточно простым, так как хорошо технически проработан. Но недооценка важности этого  вопроса может привести к повышенной загрязненности сжатого воздуха (механическими  примесями, водой или маслом), используемого в качестве пробного газа, что серьезно повлияет на точность контроля и надежность работы оборудования в целом. Требования к воздуху, используемому в пневматических контрольно-измерительных устройствах, изложены в ГОСТ 11662–80 «Воздух для питания пневматических приборов и средств автоматизации». При этом класс загрязненности должен быть не ниже второго по ГОСТ 17433–80. При выборе схемы подачи испытательного давления следует учитывать обязательную его стабилизацию с высокой точностью, необходимость подключения к поворотному тактовому столу или другому перемещающемуся оборудованию, а также одновременное питание большого количества блоков контроля.

На завершающем  этапе осуществляется экспертная оценка проекта автоматизированного устройства для контроля герметичности. Здесь  целесообразно давать оценку проекту  коллегиально, по определенным критериям, с привлечением специалистов подразделения, где предполагается внедрение разрабатываемого устройства. Затем проводится экономическая  оценка проекта. На основании сделанных  заключений принимаются окончательные  решения о дальнейшей разработке рабочей документации, создании и  внедрении автоматического или  автоматизированного устройства для  контроля герметичности по данному  проекту.

Необходимо  отметить, что по многим вопросам проектирование автоматических устройств для контроля герметичности сходно с проектированием  автоматического оборудования для  линейных измерений, размерной сортировки, сборки и т. п. [10]. Однако имеются  и определенные особенности, которые рассмотрены в литературе.

На основании  приведенных рекомендаций были разработаны  оригинальные конструкции автоматизированных стендов для контроля герметичности  газовой аппаратуры, которые защищены патентами [11,12]. Кроме того, рассмотренный  алгоритм может служить основой  для разработки программы, позволяющей  автоматизировать проектирование соответствующего оборудования для контроля герметичности.

2.2 Схемы и принцип работы  устройств по контролю герметичности  манометрическим методом.

При изготовлении газовой трубопроводной арматуры для  промышленной и бытовой техники  завершающим этапом ее производства является контроль параметра «герметичность», который заключается в обнаружении  недопустимых утечек газа при работе этих устройств. К газовой трубопроводной арматуре относятся клапаны, вентили, краны газовых плит и др. Исключение утечек газа при функционировании трубопроводной арматуры повышает надежность, экономичность, безопасность и экологическую чистоту  как производственной, так и бытовой  газовой техники.

Однако  контроль герметичности трубопроводной арматуры низкого давления обусловлен рядом проблем, связанных как  с трудоемкостью процесса контроля, так и конструктивными особенностями  этих изделий. Так при контроле на герметичность кранов бытовой газовой  плиты величина испытательного давления ограничена 0,015 МПа [3]. Данное условие  контроля объясняется тем, что при  более высоком испытательном  давлении разрушается вязкое графитовое уплотнение, разделяющее рабочие  полости крана. Контроль герметичности  известными средствами при таком  низком испытательном давлении не гарантируют  требуемой точности и производительности.

Решение этих проблем в условиях крупносерийного  производства газовой трубопроводной арматуры возможно за счет выбора рационального  способа контроля герметичности  и автоматизации процесса контроля. Анализ особенностей контроля герметичности  трубопроводной арматуры низкого давления, например, для бытовой газовой  техники с точки зрения точности и возможности автоматизации  испытаний, позволил выделить две перспективные  схемы, реализующие манометрический  метод контроля. Данный метод заключается  в создании обусловленной требованиями контроля величины испытательного давления в полости контролируемого изделия  с последующим сравнением величины давления в начале и в конце  испытаний. Показателем негерметичности  изделия является изменение испытательного давления на определенную величину в течение установленного условиями контроля промежутка времени. Как показали исследования этот метод целесообразно применять при контроле герметичности изделий с рабочими объемами не более 0,5 л, так как при увеличении объема испытуемой камеры значительно увеличивается время контроля [32].

Одна  из принципиальных схем устройства контроля герметичности по падению испытательного давления приведена на рис. 1. Воздух от источника давления через фильтр 1 и стабилизатор 2, посредством которого и по манометру 3 устанавливается  требуемое входное давление 0,14 МПа, подается к входному штуцеру пневмотумблера 4. С выхода пневмотумблера 4 воздух одновременно поступает в измерительную  линию устройства и мембранную камеру 15 зажимного приспособления 11. Измерительная  линия устройства построена по принципу равновесного моста с эталонной  и измерительной  цепями.

Эталонная цепь состоит из последовательно  соединенных нерегулируемого пневмосопротивления 7 и регулируемого пневмосопротивления 8, которые образуют дроссельный  делитель (показан пунктиром). Измерительная  цепь образована нерегулируемым пневмосопротивлением 9 и контролируемым краном 13. В эталонную  и измерительную цепи сжатый воздух поступает под испытательным  давлением 0, 015 МПа, которое устанавливается  задатчиком 5. В диагональ измерительного моста включен элемент сравнения 6, выход которого соединен с пневматическим индикатором 14. Питание элемента сравнения 6 производится сжатым воздухом под  давлением 0,14 МПа. С помощью регулируемого  пневмосопротивления 8 и эталонной  цепи задается допустимая величина утечки. Давление из дроссельного делителя подводится в нижнюю глухую камеру элемента сравнения 6. Верхняя глухая камера этого элемента соединена с каналом между  пневмосопротивлением 9 и контролируемым краном 13. После установки контролируемого  крана 13 и его зажима в приспособлении 11 в измерительной цепи установится  давление, пропорциональное величине утечки воздуха через контролируемый кран 13.

Рисунок 2.2. Схема устройства контроля герметичности по падению

испытательного  давления

Если  величина утечки меньше допустимой, то давление будет выше эталонного, и  сигнал на выходе элемента сравнения 6 будет отсутствовать, т.е. испытуемый кран 13 считается герметичным. В  случае, когда величина утечки превышает  допустимую, то давление станет меньше эталонного, что приведет к переключению элемента сравнения 6 и на его выходе появится высокое давление, о чем  будет сигнализировать пневматический индикатор 14. В этом случае испытуемый кран 13 считается негерметичным. Для  установки и уплотнения крана 13 в  контрольном устройстве применено  зажимное приспособление 11, содержащее закрепленный на мембране камеры 15 полый шток 10, по которому в полость контролируемого крана 13 поступает испытательное давление. При этом на шток 10 одета эластичная резиновая втулка 12. После подачи сжатого воздуха в мембранную камеру 15 шток 10 перемещается вниз. При этом резиновая втулка 12 сжимается и, увеличиваясь в диаметре, плотно прилегает к внутренней поверхности контролируемого крана 13, обеспечивая надежное уплотнение соединения на время испытания. Расфиксация проконтролируемого крана 13 и подготовка зажимного приспособления 11 для установки следующего крана осуществляется переключением пневмотумблера 4. Работу схемы данного устройства можно описать следующими уравнениями:

для объектов контроля с допустимой величиной  утечки испытательного газа, т.е. которые  считаются герметичными

                                                   ( 2.1)

для объектов контроля с утечкой испытательного газа превышающей допустимую, т.е. которые  считаются негерметичными

<                                                    (2.2)

где У –  суммарная утечка индикаторного  газа; t – время контроля; V– контролируемый на герметичность объем в объекте; – давление в измерительной цепи; – величина давления в эталонной цепи.

На рис. 2 приведена принципиальная схема  устройства контроля герметичности  изделий, имеющих две смежные  полости, между которыми возможна утечка газа. Устройство состоит из системы управления, которая содержит реле времени 1, триггер со счетным входом 2 и коммутирующую кнопку 3. При этом реле времени 1 подключено к электромагнитным приводам вентилей. 4 и 5, инверсный выход триггера 2 – к приводам клапанов 6 и 7, каналы которых соединены с датчиками давления 8 и 9, а также с полостями П1 и П2 контролируемого изделия 11. Выходы датчиков 8 и 9 подключены к отсчетному блоку 10. Устройство работает следующим образом. После выдачи входного сигнала кнопкой 3 на реле времени 1 открываются вентили 4 и 5. Этим обеспечивается подключение полости контролируемого изделия 11 через нормально открытый канал клапана 6 к источнику вакуума и полости П2 через нормально открытый канал клапана 7 – к источнику избыточного давления газа.

Рисунок 2.3. Схема с изменением направления перепада давления

в контролируемом изделии.

После того, как в полости П1 создастся  заданный требованиями контроля уровень вакуума (0,015 МПа), а в полости П2 – заданный уровень избыточного давления (0_,015 МПа), происходит срабатывание реле времени 1 и отключаются вентили 4 и 5. С этого момента начинается процесс контроля герметичности изделия 11. Результат контроля определяется по показаниям отсчетного блока 10, сравнивающего сигналы от датчика 8, контролирующего повышение давления в полости П1, и датчика 9, контролирующего понижение давления в полости П2. В случае обнаружения негерметичности испытание прекращается и изделие бракуется. Если датчики 8 и 9 не регистрируют нарушение герметичности изделия 11, то осуществляется второй этап испытания. Выдается повторный входной сигнал на реле времени 1 и триггер 2. При этом сигнал управления появится на инверсном выходе триггера 2 и переключит клапаны 6 и 7, а реле времени 1 повторно включит вентили 4 и 5. Полость П1 контролируемого изделия 11 окажется подсоединенной к источнику избыточного давления газа, а полость П2 – к источнику вакуума. На этом этапе испытаний в полости П1 контролируется понижение давления, а в полости П2 – повышение давления газа. Если датчики 8 и 9 не зарегистрируют негерметичность изделия 11 и на втором этапе испытаний, то оно считается годным.