電阻應變計在軋機伺服液壓缸測試中的應用

尹丹，陳新元，鄧江洪，李鵬，李濤

(武漢科技大學機械自動化學院，湖北武漢430081)

在現代冶金企業中，軋機伺服液壓缸是軋機液壓AGC 系統中的關鍵設備，需要定期進行檢修，以保證產品質量和節約生產成本。液壓AGC 測試系統可以有效地對伺服液壓缸性能進行試驗，近年來得到了廣泛的應用，取得了顯著的經濟效益。

軋機用大型伺服液壓缸具有軋制力大、行程短、頻率響應高等特點，我國現有AGC 測試系統尚不能完全滿足其試驗要求［1－3］。為此，文中在原某型液壓AGC 測試系統基礎上，通過間接測量伺服液壓缸活塞桿位移，研究測試伺服液壓缸性能參數的新方法。

1 原測試系統的構成與瓶頸

原液壓AGC 測試系統主要由伺服缸、電液伺服閥、位移傳感器、壓塊、伺服放大器、動態測試儀、數據采集系統、CAT 系統、加載油源、閉式機架等組成。

該測試系統可以試驗0.01 ～20 Hz 的伺服液壓缸動態性能，但實際使用時由于下述兩方面原因，僅能完成0.01 ～10 Hz 的伺服液壓缸動態性能試驗。

一方面，因為液壓AGC 測試系統需要測試各種型式的伺服油缸，位移傳感器是通過磁力表架吸附在伺服缸體上的，具有通用性。這種緊固方式既便于安裝與拆卸，又不會損壞伺服油缸，但在伺服油缸高頻振動時變得很不牢固，振動產生的干擾信號使位移傳感器輸出信號嚴重失真，無法準確反映伺服油缸的活塞桿位移。

另一方面，位移傳感器靈敏度有限，試驗時由于干擾信號強烈，為獲得有效的位移信號，須增大伺服缸的振幅，使其振幅達到毫米級，而伺服液壓缸實際工作時的振幅是微米級。由于軋機伺服油缸的缸徑一般很大，要模擬伺服油缸高頻振動的工況，在毫米級振幅測試時需要功率很大的油源和大流量的電液伺服閥才能滿足試驗條件，極大地增加了測試系統的成本，又使得模擬加載與伺服油缸實際工況偏差較大。

2 改進方案與仿真

2.1 新方案原理

軋機AGC 測試系統的基本構成是閉式機架+加載伺服缸。在模擬加載過程中，閉式機架在彈性變形范圍內隨伺服液壓缸活塞桿位移發生變形。這種變形是相對固定的，而機架的變形又和其應變是唯一對應關系［4］，所以可以通過測量機架的應變間接測量伺服液壓缸活塞桿伸出量。

閉式機架的變形較復雜，無法用簡單的物理模型進行計算。文中采用ANSYS 對機架進行有限元分析，找出機架應變與機架變形的關系，分析得出可供實驗的應變測點，進而得出機架應變和伺服液壓缸活塞位移的關系。

2.2 機架的有限元分析

機架具有對稱性，采用1/2 模型進行有限元分析。該模型使用六面體單元SOLID45，實體模型和網格劃分在其他軟件中完成，總共劃分了16 016 個單元，19 209 個節點，如圖1所示。機架材料為ZG270-500(35 號鑄鋼)，屈服極限δS=270 MPa，彈性模量E=200 GPa，泊松比μ=0.3。

圖1 機架有限元網格劃分

機架通過底座上4 個螺栓孔固定在地面上，在有限元模型中施加適當約束，然后分別在上梁下表面和下梁上表面中央位置施加環形區域的均布載荷［5－6］。經計算，機架的等效應變云圖如圖2所示，等效位移云圖如圖3所示。

圖2 機架應變云圖

圖3 機架位移云圖

由圖2 可以看出:機架應變較大的地方出現在上、下梁中部和立柱靠近上、下梁的內外側。由圖3可以看出:機架變形最大的是上、下梁中間。作者認為，機架變形最大的上梁與下梁中間節點的位移差與伺服液壓缸活塞桿位移相同，將其作為位移測點。選取應變明顯、應變片粘貼方便、位于立柱靠近上梁的內外側表面中點作為應變測點。位移測點和應變測點的位置分布如圖4所示。

圖4 機架測點位置分布

利用ANSYS 中的瞬態動力學分析模塊，在有限元模型中虛擬加載，得到兩個應變測點高度方向上應變的絕對值之和與兩個位移測點高度方向上位移差的關系，如圖5所示。

圖5 仿真應變－位移曲線

從圖5 可以看出:仿真模型中應變測點處的應變與位移測點處的位移是線性相關的。

3 實驗方案與結果

3.1 實驗設備

實驗系統主要由原軋機AGC 測試實驗臺、電阻應變片、靜態電阻應變儀三部分組成。圖6 為其外觀圖，主要設備技術參數見表1。

圖6 實驗設備外觀

表1 主要實驗設備參數

實驗采用箔式應變片代替位移傳感器。與位移傳感器相比，箔式應變片的主要優點為:箔式片均為膠基，粘貼牢固，蠕變和機械滯后小;箔式片的靈敏度很高，且動態響應特性好［7］。

3.2 實驗方法

采用靜態逐點測量的方法測定閉式機架測點處應變與伺服液壓缸活塞桿位移的關系。

機架的兩個應變測點各布置兩塊電阻應變片，一塊橫片加一塊豎片，總共4 塊。4 塊電阻應變片組成全橋測量電路，如圖7所示。全橋四臂接法可以提高測量靈敏度，其中只有兩塊豎片為工作應變計，兩塊橫片起溫度補償作用。伺服缸的活塞桿位移由內置位移感器輸出。

圖7 電橋線路

AGC 測試系統伺服液壓缸測試部分液壓原理圖如圖8所示。

圖8 液壓原理圖

實驗時先調定伺服缸有桿腔背壓，無桿腔壓力從2 MPa 到20 MPa 之間每隔0.5 MPa 逐級調節，同時記錄有桿腔壓力、無桿腔壓力、位移、應變4 項數據。重復實驗，驗證實驗方案的可重復性。

3.3 實驗結果

實驗結果表明:機架應變測點處的應變與伺服液壓缸活塞桿位移有良好的線性關系，且具有很好的重復性，與有限元分析得到的結果相符合。ANSYS 仿真的應變－位移曲線與重復實驗得到的應變－位移曲線對比如圖9所示。

圖9 仿真曲線與實驗數據曲線對比

由圖9 可以看出:實驗曲線與仿真曲線存在一定的偏差，主要原因在于機架的有限元模型與機架實際結構相比有所簡化。

4 結束語

利用電阻應變計抗干擾強、動態響應特性好、靈敏度高的特點，設計了間接測量伺服液壓缸位移的測試方案，并對機架模型進行了有限元仿真，指導實驗。實驗結果實際標定了靜態時機架測點處應變與伺服液壓缸活塞桿位移的關系，為開發新型軋機伺服液壓缸動態性能測試技術奠定了基礎。

【1】陳新元，蔡欽，湛從昌，等.液壓伺服液壓缸靜動態性能測試系統開發［J］.液壓與氣動，2008(12):77－79.

【2】曾良才，王曉東，黃富瑄，等.軋制伺服油缸試驗臺研究［J］.機床與液壓，2003(3):289－290，294.

【3】曾良才，吳海峰，陳奎生，等.軋機液壓厚度自動控制系統試驗技術及設備研究［J］.液壓與氣動，2003(4):5－7.

【4】劉鴻文.材料力學［M］.北京:人民教育出版社，1980.

【5】孫占剛，韓志凌，魏建芳，等.軋機閉式機架的有限元分析及優化設計［J］.冶金設備，2004(3):8－11.

【6】王春成，楊景鋒，王麗君，等.軋鋼機機架有限元分析及優化設計［J］.機械設計與制造，2009(11):61－62.

【7】陳瑞陽，毛智勇.機械工程檢測技術［M］.北京:高等教育出版社，2000.