一種新型大型水壓機(jī)立柱應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)?

陳 暉, 譚建平, 龔金利, 劉石梅

(1.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 長沙,410083) (2.長沙礦冶研究院 長沙,410083)

引 言

大型水壓機(jī)的安全可靠性至關(guān)重要。水壓機(jī)立柱是水壓機(jī)的主要支撐件和受力件,相對(duì)于水壓機(jī)其他部件,立柱為細(xì)長桿結(jié)構(gòu),是整個(gè)水壓機(jī)設(shè)備的最薄弱環(huán)節(jié)[1]。在水壓機(jī)的鍛壓生產(chǎn)過程中,特別是在水壓機(jī)橫梁傾斜或承受偏心載荷的情況下,立柱受力狀態(tài)極為復(fù)雜[2]。為了充分發(fā)揮水壓機(jī)的潛力,使水壓機(jī)安全可靠地運(yùn)行,有必要對(duì)立柱建立應(yīng)力監(jiān)測(cè)及報(bào)警裝置。郁宏[3]采用電阻應(yīng)變片,通過全橋、半橋外補(bǔ)償兩種測(cè)試方式,對(duì)某 125 MN自由鍛造液壓機(jī)立柱進(jìn)行了應(yīng)力測(cè)試與分析,得出了立柱的受力情況。左虹[4]在1 250 T水壓機(jī)立柱距下橫梁上端面 250 mm處貼 4片應(yīng)變片,利用動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀,通過光線示波器,得出了立柱的應(yīng)力曲線。黃明輝[5]采用電渦流傳感器對(duì)100 MN模鍛水壓機(jī)立柱應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試,建立了 100 MN多向模鍛液壓機(jī)的應(yīng)力監(jiān)測(cè)及保護(hù)系統(tǒng)。以上傳統(tǒng)方法存在以下兩個(gè)方面的不足:a.由于水壓機(jī)現(xiàn)場(chǎng)潮濕,工作環(huán)境惡劣,長時(shí)間工作時(shí)其檢測(cè)元件——應(yīng)變片的粘貼質(zhì)量難以保證,致使使用一段時(shí)間后,應(yīng)變片出現(xiàn)粘貼不牢甚至脫落的現(xiàn)象,而應(yīng)變片的重貼和維護(hù)須在停機(jī)狀態(tài)進(jìn)行,嚴(yán)重妨礙了生產(chǎn);b.測(cè)試傳輸信號(hào)為模擬信號(hào),由于設(shè)備龐大,信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn),現(xiàn)場(chǎng)干擾嚴(yán)重,信號(hào)在輸送過程中容易受到外界和通訊系統(tǒng)內(nèi)部的各種噪聲干擾,從而導(dǎo)致應(yīng)力測(cè)試信號(hào)不準(zhǔn)確。為實(shí)現(xiàn)水壓機(jī)惡劣環(huán)境下立柱應(yīng)力的高可靠性測(cè)試,有必要采用新型的應(yīng)力測(cè)試手段。目前國內(nèi)外學(xué)者在非接觸數(shù)字測(cè)量方面進(jìn)行了較為深入的研究和應(yīng)用[6-11],筆者借鑒這一思想,考慮大型水壓機(jī)特殊的工作環(huán)境,提出了一種新型的非接觸數(shù)字式水壓機(jī)立柱應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)原理及構(gòu)成

1.1 檢測(cè)原理

在水壓機(jī)鍛壓生產(chǎn)過程中,特別是在活動(dòng)橫梁傾斜或承受偏心載荷等情況下,立柱除受拉伸應(yīng)力外,往往還承受活動(dòng)橫梁對(duì)立柱的側(cè)向推力,其所受總應(yīng)力為拉伸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的疊加,而在靠近固定橫梁基座的立柱根部,其所受總應(yīng)力最大[12]。為了監(jiān)測(cè)水壓機(jī)工作時(shí)立柱的最大危險(xiǎn)應(yīng)力,將應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置在水壓機(jī)各立柱的根部,每根立柱周圍取4個(gè)測(cè)點(diǎn),整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)共設(shè) 16個(gè)測(cè)點(diǎn)。該系統(tǒng)基于“測(cè)位式”應(yīng)力檢測(cè)思想,通過高精度微位移傳感器測(cè)量立柱受力時(shí)的微變形間接得到立柱應(yīng)力值。測(cè)試裝置如圖 1所示,微位移傳感器通過安裝支架固定于水壓機(jī)立柱。安裝支架中,上支架和下支架焊接于液壓機(jī)立柱表面,液壓機(jī)工作時(shí)立柱受力產(chǎn)生拉伸微變形,產(chǎn)生應(yīng)力為e,則有應(yīng)變

圖1 測(cè)位型立柱應(yīng)力監(jiān)測(cè)原理圖

立柱表面上兩固定支架之間的距離為L,則兩支架在應(yīng)力e作用下的相對(duì)變形為

同時(shí),被測(cè)體與傳感器探頭之間的相對(duì)位移Δ W幾乎與ΔL等量,可以得到立柱應(yīng)力e與傳感器所測(cè)位移Δ W之間的關(guān)系

則可通過測(cè)量立柱微變形求得立柱的應(yīng)力值。

測(cè)試元件采用電渦流微位移傳感器,其原理如圖 2所示,該微位移傳感器主要由被測(cè)金屬、探頭和高頻振蕩器等組成。工作時(shí),高頻振蕩器給探頭中的線圈提供激勵(lì)電流,當(dāng)被測(cè)體金屬導(dǎo)體靠近探頭時(shí),將在金屬表面產(chǎn)生渦流效應(yīng),渦流效應(yīng)引起探頭線圈等效阻抗的變化,并由內(nèi)部電路將其轉(zhuǎn)換成輸出電壓的變化,輸出電壓的變化與探頭到被測(cè)體之間的距離成線性關(guān)系,從而可實(shí)現(xiàn)由機(jī)械位移線性轉(zhuǎn)換成輸出電壓的變化。

圖2 非接觸微位移測(cè)量原理

1.2 數(shù)字化實(shí)現(xiàn)

應(yīng)力檢測(cè)信號(hào)的數(shù)字化由 Profibus總線轉(zhuǎn)換模塊和Profibus工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)。Profius信號(hào)轉(zhuǎn)換原理如圖 3所示,電渦流微位移傳感器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)放大器、光電隔離器、A/D轉(zhuǎn)換芯片、Profibus轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成可通過 Profibus工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸?shù)?12位數(shù)字信號(hào) (0～ 4 095),最后由Profibus工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線完成信號(hào)的數(shù)字化傳輸。

圖3 Profibus信號(hào)轉(zhuǎn)換原理圖

1.3 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)構(gòu)成如圖 4所示,它由傳感器、Profibus數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊、可編程控制器結(jié)合上位機(jī)的兩級(jí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。可編程控制器完成應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)的信號(hào)采集、信號(hào)轉(zhuǎn)換和應(yīng)力超限報(bào)警判斷等功能,上位計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)完成立柱應(yīng)力狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)記錄和報(bào)表打印等功能,上、下位機(jī)之間的通訊通過Profibus總線實(shí)現(xiàn)。

圖4 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 試驗(yàn)測(cè)試

2.1 試驗(yàn)?zāi)康暮蛢x器

試驗(yàn)?zāi)康氖菧y(cè)試系統(tǒng)的精度、線性度以及系統(tǒng)在大型水壓機(jī)特殊環(huán)境下的適應(yīng)能力。儀器有:ZAGA電渦流傳感器(量程 2 mm)、西門子 S7300PLC,PC機(jī)、Profibus總線轉(zhuǎn)換模塊、1 m和 50 m兩種不同長度的 Profibus工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線、表面光滑的Q235、不銹鋼 1Cr5Mo被測(cè)體金屬、表面銹蝕的Q235被測(cè)體金屬、電壓源、電磁鐵和磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)試儀 HT100等。

2.2 測(cè)試原理

測(cè)試原理見圖5,利用試驗(yàn)臺(tái)中的測(cè)微頭調(diào)整被測(cè)體與傳感器探頭之間的距離,以模擬水壓機(jī)工作時(shí)的立柱微變形。傳感器檢測(cè)的位移信號(hào)經(jīng)profibus轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字信號(hào)(范圍為0～4 095,其中0對(duì)應(yīng)于位移傳感器輸出0 mm,4 095對(duì)應(yīng)于位移傳感器滿量程輸出2 mm),測(cè)試信號(hào)通過profibus工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線傳送到 PLC和上位機(jī)系統(tǒng)中,上位機(jī)通過西門子 WinCC軟件以 10 Hz的速率采集存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,繪制不同測(cè)試條件下的傳感器輸出特性曲線,測(cè)試系統(tǒng)的各項(xiàng)性能。

圖5 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

2.3 結(jié)果與分析

1)精度及線性度。首先采用不銹鋼 1Cr5Mo作為被測(cè)體金屬對(duì)傳感器量程范圍進(jìn)行標(biāo)定測(cè)試,檢驗(yàn)其精度和線性度。圖6截取的為標(biāo)定數(shù)據(jù)中傳感器線性范圍內(nèi)的中間一小段,測(cè)試數(shù)據(jù)表明,傳感器檢測(cè)精度為1μ m左右,換算成應(yīng)力檢測(cè)精度為 0.5 M Pa(安裝支架距離L=300 mm),線性度 ＜1%。

2)被測(cè)體金屬材質(zhì)及外界磁場(chǎng)的影響。分別采用Q235和不銹鋼作為傳感器被測(cè)體金屬分不施加外界磁場(chǎng)和施加外界磁場(chǎng)兩種情況對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。外界磁場(chǎng)通過放置在傳感器探頭附近的電磁鐵產(chǎn)生,傳感器探頭處的磁感應(yīng)強(qiáng)度通過磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)試儀HT100測(cè)得。繪制不同測(cè)試條件下的傳感器輸出特性曲線。如圖7所示,不同材質(zhì)的傳感器被測(cè)體材料,其傳感器輸出特性曲線不同。在所測(cè)試兩種材料中,不銹鋼的輸出特性曲線斜率較 Q235大,靈敏度較Q235高,且傳感器初始輸出點(diǎn)較 Q235更靠近零點(diǎn)。加入外部強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí),兩種被測(cè)金屬的傳感器輸出特性曲線斜率均變小,傳感器檢測(cè)的靈敏度均有所降低,且傳感器初始輸出點(diǎn)都發(fā)生了右移。這是因?yàn)椴煌牧系拇判?yīng)和渦流效應(yīng)不同,且外部強(qiáng)磁場(chǎng)會(huì)影響電渦流效應(yīng),從而影響傳感器特性。

圖6 精度及線性度測(cè)試

圖7 被測(cè)體金屬材質(zhì)及外界磁場(chǎng)的影響

3)被測(cè)體金屬材料銹蝕的影響。考慮到水壓機(jī)現(xiàn)場(chǎng)潮濕惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境,有必要測(cè)試被測(cè)體金屬表面銹蝕對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的影響,故分別采用表面光滑和表面銹蝕的Q235材料作為傳感器被測(cè)體金屬對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。如圖8所示,被測(cè)體材料表面銹蝕時(shí),傳感器輸出特性曲線斜率變小,檢測(cè)靈敏度有所降低,傳感器初始輸出點(diǎn)發(fā)生了左移。探頭與被測(cè)體金屬距離越近,表面銹蝕帶來的精度影響越大。探頭與被測(cè)體金屬距離逐漸增大時(shí),表面銹蝕的影響逐漸減小。這是因?yàn)楸砻驿P蝕會(huì)使光滑的金屬表面變得粗糙,而傳感器特性與被測(cè)金屬表面的粗糙度有關(guān)。故實(shí)際應(yīng)用時(shí),傳感器被測(cè)體金屬建議采用不銹鋼等耐腐蝕材料。

4)傳輸距離及工作環(huán)境水、油污、粉塵的影響。在 300 MN模鍛水壓機(jī)工廠環(huán)境中測(cè)試1 m和50 m兩種不同長度的 Profibus信號(hào)傳輸總線電纜對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的影響,以測(cè)試檢測(cè)信號(hào)在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的遠(yuǎn)距離傳輸能力。在傳感器被測(cè)體金屬材料和傳感器探頭上涂抹水、油污和粉塵等,長時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)觀察記錄,測(cè)試工廠環(huán)境中的水、油污和粉塵對(duì)檢測(cè)元件的影響。測(cè)試結(jié)果如圖9所示,在 300 MN模鍛水壓機(jī)工廠環(huán)境中測(cè)試的1 m和50 m兩種不同長度的 Profibus信號(hào)傳輸總線,接收信號(hào)均與原信號(hào)相同。在傳感器被測(cè)體金屬材料和傳感器探頭上涂抹水、油污和粉塵等干擾后,檢測(cè)數(shù)據(jù)與無干擾情況下保持一致,證明系統(tǒng)具很強(qiáng)的抗環(huán)境干擾能力。

圖8 傳感器被測(cè)金屬表面銹蝕的影響

圖9 傳輸距離及環(huán)境污染的影響

5)環(huán)境溫度的影響。將檢測(cè)系統(tǒng)分別在 25°C,50°C,65°C環(huán)境溫度下進(jìn)行測(cè)試,傳感器輸出特性曲線如圖10所示。測(cè)試結(jié)果表明,環(huán)境溫度對(duì)檢測(cè)結(jié)果存在一定影響,環(huán)境溫度升高時(shí),傳感器輸出特性曲線斜率變大,靈敏度變高,且傳感器初始輸出點(diǎn)向左漂移,25°C和 65°C兩種溫度下測(cè)量數(shù)據(jù)的最大偏差為6.7%。

圖10 環(huán)境溫度的影響

3 工程應(yīng)用

將新型立柱應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用于 300 MN模鍛水壓機(jī)。為驗(yàn)證測(cè)試效果,在300 MN模鍛水壓機(jī)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行平整模具無偏載加壓(立柱只受拉伸力,不受側(cè)推附加應(yīng)力),通過上位機(jī)采集記錄立柱應(yīng)力數(shù)據(jù)曲線并與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比。

實(shí)際測(cè)量值為:水壓機(jī)以210 MN壓力無偏載連續(xù)3次加壓,結(jié)果如圖 11所示,加壓時(shí)水壓機(jī)立柱應(yīng)力e1約為 44 MPa。

圖11 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)立柱應(yīng)力曲線

理論計(jì)算值為:300 MN模鍛水壓機(jī)為 8柱 8缸結(jié)構(gòu),立柱為空心管結(jié)構(gòu),水壓機(jī)無偏載加壓時(shí)立柱只承受拉伸應(yīng)力

其中:P為水壓機(jī)公稱壓力;D為立柱外徑;d為立柱中心孔直徑。

將測(cè)試壓力P=210 MN,立柱外徑D=850 mm,立柱中心孔直徑d=200 mm,代入得立柱應(yīng)力值為e2=49 MPa。

實(shí)測(cè)值為e1=44 MPa,為理論計(jì)算值的 90%左右,實(shí)測(cè)值與理論值較吻合。此外,系統(tǒng)運(yùn)行近6個(gè)月來,傳感器工作穩(wěn)定,未出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

1)針對(duì)傳統(tǒng)的基于電阻應(yīng)變片應(yīng)力測(cè)試手段難以適應(yīng)水壓機(jī)潮濕、惡劣的現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境的問題,提出一種“測(cè)位型”非接觸式應(yīng)力測(cè)試方法,其系統(tǒng)構(gòu)成簡單,安裝維護(hù)方便。

2)針對(duì)水壓機(jī)檢測(cè)信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)、現(xiàn)場(chǎng)干擾嚴(yán)重等問題,基于Profibus數(shù)字通訊技術(shù),改傳統(tǒng)“模擬式”系統(tǒng)為“數(shù)字式”測(cè)試系統(tǒng),測(cè)試表明,該數(shù)字式系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)水壓機(jī)惡劣環(huán)境下的立柱應(yīng)力信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸。

3)該檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)精度較高,工作環(huán)境中的水、油污和粉塵等對(duì)檢測(cè)精度的影響很小,可忽略不計(jì),具有較強(qiáng)的抗環(huán)境干擾能力。

4)傳感器被測(cè)體材料表面銹蝕,外界強(qiáng)磁場(chǎng)及環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量精度有一定影響。實(shí)際應(yīng)用時(shí),傳感器被測(cè)體金屬建議采用不銹鋼等耐腐蝕材料,且應(yīng)盡量使檢測(cè)系統(tǒng)遠(yuǎn)離強(qiáng)磁場(chǎng)的作用范圍,或采取屏蔽措施使其產(chǎn)生的影響最小。環(huán)境溫度過高時(shí)還應(yīng)對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行溫度補(bǔ)償修正。

5)將新型應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用于 300 MN水壓機(jī),獲得了大量水壓機(jī)加壓立柱應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù),長時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)可靠運(yùn)行進(jìn)一步驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。

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