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1、聚氨酯膨胀力检测装置的设计与研制何高清;李旻I程瑞;何小通2（I.合肥工业大学机械工程学院，安徽省合肥230009；2.合肥工业大学化工学院，安徽省合肥230009）摘要：在高速或重载铁路线上，路基达到破坏强度前，可能出现不容许的过大变形。为弥补路基产生的沉降量，恢第路基正常高度，保证铁路正常使用。工程上使用高聚物注浆技术将聚第酯注入地基之中，通过聚第酯高聚物膨胀达到抬升路基的目的。但是，在高聚物注浆材料注浆的设计施工工程中有许多问题需要探究和讨论，尤其是膨胀力与时间的关系，膨胀力与密度之间的关系。本文基于聚氨酯的膨胀特性，提出了一种聚氨酯膨胀力检测的总体方案，根据系统的总体方案以及实际检测要
2、求，研制出样机并进行相关试验。关键词,聚氨酯；膨胀力：P1.C：自动化检测中图分类号，TH23文献标识码：ADesignandmanufactureofatestingdeviceforexpansionforceofpo1.yurethaneHEGao-qing1,1.iminCHENGRui1,HEXiao-tong2(1.Co1.1.egeofMechanica1.Engineering,HefeiUniversityofTedmo1.ogytHefeiofAn1.udProvince230009：2.Chemica1.EngineeringInstitute,HefeiUniversi
3、tyofTechno1.ogy,HefeiofAnhuiProvince230009)Abstract：Inhighspeedorheavy1.oadrai1.way1.ine,beforethesubgradereachesthedamagestrength,theexcessivedeformationmaynotbea1.1.owed.Inordertomakeupthesett1.ementofthesubgrade,restorethenorma1.heightofthesubgrade,andensurethenorma1.useoftheengineering,po1.ymerg
4、routingtechno1.ogyisusedtoinjectpo1.yurethaneintothefoundation,andthepurposeof1.iftingthesubgradethroughtheexpansionofpo1.yurethanepo1.ymersiser,therearemanyprob1.emstobeexp1.oredanddiscussedinthedesignandconstructionofgroutingmateria1.sforpo1.ymergrouting,especia1.1.ythere1.ationshipbetweenexpansio
5、nforceandtime,andthere1.ationshipbetweenexpansionforceandontheexpansioncharacteristicsofpo1.yurethane,agenera1.schemeofpo1.yurethaneexpansionforcedetectionisputforward.Accordingtotheovera1.1.schemeofthesystemandtheactua1.testingrequirements,aprototypeisdeve1.opedandre1.atedexperimentsarecarriedout.K
6、eywords：po1.yurethane;Expansiveforce；P1.C;Automaticdetection1引言聚氨酯是指分子链中含有多个氨酯键的聚合物的总称。聚氨酯在20世纪30年代由德国化学家0.Bayer发明以来，半个多世纪以来迅速用于制造泡沫塑料、建筑、路基修复等各行各业f,2尤其在路基修复行业，相比于传统的补打预应力桩、粉煤灰填方等技术，高聚物注浆技术具有轻质、强度高、防水、安全等众多优点，因此高聚物注浆技术在路基修复行业中的应用越来越广泛。高聚物注浆技术中采用的聚氨酯高聚物是由装在不同密封容器中两种液体组分加热后，按照一定的混合比例在一定压力作用下，在注浆管道的出口处
7、两种液体相遇发生剧烈的化学皮应。反应过程中形成温度较高的流塑状的混合体,在注浆压力和材料反应体积膨胀的作用下不断的填充路面结构层中的空隙、周围土体中的孔隙和压密土体，并能将基层或路基中的积水沿裂缝或尚未注浆的管道挤出，起到加固结构层后土体的作用也在注浆前需要对聚氨酯的膨胀性能进行检测，以计算注浆量，控制路基抬升的高度。但是国内外对聚氨酯膨胀性能的研究很少，已经的检测设备效率低、精度低。故研究开发聚氨酯膨胀力检测设备对发展注浆技术具有重要意义。因此根据行业需求,基于聚氨酯的膨胀特性,设计并研发一台以P1.C为控制核心，能实现聚氨酯膨胀力检测的设备。2整体方案在查阅相关资料可知，高聚物聚氨酯具有良
8、好的膨胀性，其自由膨胀比可达20:1,实验装置需要具有就够的强度承受较高的膨胀力。同时，实验装置需具有良好的密封性，以避免测量结果造成较大的误差。本文设计的聚氨酯膨胀力检测装置的功能要求为：将给定体积的聚氨酯迅速均匀的注入专用的封闭容器（气缸）中，等待一定时间，聚氨酯在封闭容器中膨胀推动活塞杆运动挤压压力传感器，当反应停止时，触摸屏的示数即为其给定体积聚氨酯的膨胀力大小。在设计聚氨酯膨胀力检测装置时应首先从其功能的实现和装置在工作中遇到的问题来考虑整体布局与工作布局方式，整体方案如图1,本设计以气缸为实验容器，用P1.C控制伺服电机运转，通过滚珠丝杠的连接带动气缸工作，通过气缸上面的进气孔注入
9、单位体积的泡沫，待泡沫反应完全后，由压力传感器读出聚氨酯膨胀力的大小。图1整体方案图Fig.1.Overa1.1.p1.andiagram本装置加入光栅尺组成全闭环控制，能提高控制精度。比如伺服电机驱动丝杠带动滑板移动,滑板在遇到大的阻力是会产生位移变形，这时伺服电机的编码器检测不到，需要增加光栅尺检测这个变位量？，其具体机械结构如图2。2458911121413671。13TT图2机械结构图Fig.2Mechanica1.structurediagram1-挡板，2-注浆孔，3-反应容器，4-U形板，5-支架，6-压力传感器，7-位置传感器，8-圆柱体，9-纵向导轨，10-丝杆，11-轴承座
10、，12-联轴器，13-伺服电机，14-减速机3控制系统硬件设计控制系统的硬件部分主要由压力传感器、减速机、伺服电机、P1.C、光栅尺、正负限位开关、触摸屏等组成。P1.C的输入点包括：一个急停开关、模拟量输入信号。P1.C输出点包括：一个运行指示灯输出功能、一个故障指示灯输出功能。该装置的控制系统硬件设计如图3,通过电源转换模块为P1.C,四个通讯拓展模块以及触摸屏提供24V电源。伺服电机、减速机外接220V电源。压力传感器与P1.C的通讯拓展模块1相连接，二者采用RS485的通讯方式进行点对点数据交换；光栅尺与P1.C的通讯拓展模块2连接，二者采用RS485的通讯方式进行点对点数据交换巴限位
11、开关与P1.C的通讯拓展模块4相连接，二者采用RS485的通讯方式进行点对点数据交换；触摸屏则采用Proftbus-DP的方式与P1.C的通讯拓展模块3相连接。图3控制系统硬件图Fig.3Contro1.systemhardwarediagram4控制系统软件设计控制系统软件的设计主要分为两个方面，即触摸屏软件和P1.C程序的设计。4.1触摸屏软件采用POB-HM1.触摸屏设计软件，所设计的人机界面如图4所示。力1.1.1.功1.期幅回QO:图4触摸屏界面图Fig.4Touchscreeninterfacediagram在主界面中，可以通过设置按钮对注浆的体积进行设定，实际的注浆体积和压力示数
12、，会在触摸屏上实时显示。当没有设定注浆体积的情况下，可以切换成手动注浆，并且可以调节注浆的速度。当设置自动工作的时候，按下开始按钮，则装置进行自动注浆，当浆液的体积达到预设体积的时候，装置停止工作；当设置手动工作的时候，按住开始按钮，则装置持续注浆，松开开始按钮，则装置停止工作。注浆结束，待聚氨酯充分膨胀之后，压力值稳定即为测量数据。另外在反应过程中，也可记录数据，得到反应时间与膨胀力之间的关系。4. 2P1.C的程序设计P1.C程序采用模块化的思想来编写，主要包括触摸屏通讯模块、压力传感器通讯模块、光栅尺通讯模块、限位开关通讯模块。触摸屏通讯模块：实现触摸屏与P1.C的正常通讯及其数据的相互
13、传输。压力传感器通讯模块：实现聚氨酯膨胀力数值以模拟量的形式输入到P1.C中，实现压力容器的膨胀力检测。光栅尺通讯模块：把滚珠丝杠的位置以模拟量的形式输入到P1.C中，伺服电机对其偏差进行修复，最终使得实际注浆体积无限接近于设定体积。限位开关通讯模块：实现限位开关与P1.C的正常通讯及其数据的相互传输。当滚珠丝杠达到正负限位时，滚珠丝杠能够停止前进。根据硬件设计方案，设计相应的软件，具体的软件流程：系统上电，在人机界面中设定注浆体积、注浆速度以及选择手动/自动控制之后开始检测。压力传感器对聚氨酯膨胀力进行实时检测,并将测量所得到的数据推送到触摸屏上加以实时显示，直至注浆体积达到设定值并反应完全
14、。具体的软件系统流程图如图5。图5控制系统流程图Fig.5F1.owchartofcontro1.system5样机及实验5. 1样机介绍该装置实物图，如图6。在呈水平设置的检测平台上，一端为注浆筒，另一端为电机，物料容器的容器活塞杆在物料容器的前端伸出、朝向电机所在一端并沿检测平台的纵向布置；在电机与活塞杆之间设置丝杆螺母传动结构，其中丝杆由电机驱动转动，螺母固联在圆筒体的一端，在圆筒体的另一端与容器活塞杆之间串联设置压力传感器，并由压力传感器检测容器活塞杆所受的拉压力，利用位置传感器检测容器活塞杆的纵向位置。本发明用于聚氨酯定容定量的膨胀力检测，能适合多变容积膨胀力的检测。在所述检测平台上
15、设置纵向导轨，并有滑块与所述纵向导轮滑动配合，设置对支架对所述圆筒体在两侧以合抱的形式固定夹持，所述支架与滑块固定连接，使圆筒体的纵向移动在所述纵向导轨上获得导向。图6样机Fig.6 ThePrototype5.2试验最大膨胀力是聚氨酯材料进行路基修复的一个重要的参数。每个试样在膨胀过程结束时,膨胀力都会达到一个最大值。由于注浆容器的体积一定,所以最大膨胀力与注浆量有关,即与凝固泡沫体的密度有关,表1给出了不同凝固体密度与对应的最大膨胀力试验数值。试样的最大膨胀力与试样密度之间的关系曲线如图7所示。意大利Padua大学公布的试验结果州是最大膨胀力可达IOMpao本次试验中聚氨酯泡沫体最大密度为
16、0.583gcm3,最大膨胀力为3.17MPa。1泡沫体密度与对应大*胀力Tab.1.Densityoffoambodyandcorrespondingmaximumexpansionforce序号泡沫体密度(gcm)最大膨胀力(MPa)10.2690.3120.2750.7930.2900.4040.2910.3350.3391.4760.3400.7870.3521.3280.4020.5890.4101.71100.4210.82110.4671.94120.4942.03130.5303.11140.5373.17(ed2v篌金 NS图7大膨胀力与密度的关系Fig.7 There1.a
17、tionshipbetweenthemaximumexpansionforceandthedensity6结论通过大量试验表明，该装置能很好地完成聚氨酯膨胀力检测，可得到如下结论：(1)该装置能够准备、快速地对不同体积的聚氨酯进行膨胀力检测。(2)通过试验,能够得到聚氨酯泡沫体密度与最大膨胀力之间的关系，为工程上提供数据支持。(3)本装置所能测得的最大膨胀力仅为3.17Mpa,与意大利Padua大学公布的试验结果仍有较大的差距，需要进一步改进。I参考文献11彭丽敏，尚会建，盖丽芳.聚氨酯工业现状与发展趋势U1.河北工业科技，2006.(Pcng1.i-min.SangHui-jian.Gai,
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