應變計伺服液壓缸測試方法研究

涂福泉　胡良智

摘要：針對原有軋機伺服液壓缸高頻動態響應測試系統的不足，提出一種基于應變計的新型測試方法。運用ANSYS有限元軟件得到機架表面適用于實驗的應變測點，并利用現有軋機伺服液壓缸實驗設備，制定合理的實驗方法和流程，進行液壓缸測試實驗。結果表明：應變一位移曲線和載荷一位移曲線均呈很好的線性關系，重復性好，可以滿足現有軋機伺服液壓缸高頻動態響應測試系統的要求。

關鍵詞：伺服液壓缸；應變計；應變測點；高頻動態響應測試

文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2015）01-0013-03

0引言

軋機伺服液壓缸是軋機液壓AGC系統中的關鍵元件，具有軋制力大、行程短、頻率響應高、結構復雜、測試難度大等特點。當前國內對軋機伺服液壓缸性能的測試主要采用普通液壓缸測試方法，但僅能滿足于液壓缸的靜態性能測試，無法滿足其動態性能的測試，特別是高頻軋機用大型伺服液壓缸的動態性能測試；因此，深入開展高頻液壓缸動態性能測試技術研究對提高我國軋機伺服液壓缸測試技術有重大意義。

目前軋機伺服液壓缸測試系統要求試驗0.01～20Hz的伺服液壓缸動態性能，但是現有的實驗僅能完成0.01～10Hz的伺服液壓缸動態性能試驗；因此，改進試驗方法成為學者們研究的重點內容。文獻指出應變計具有測量精度高、滯后小、抗干擾能力強等特點，已經在冶金、航天、機械等許多領域廣泛應用?；诖?，本文提出采用電阻應變計替換傳統的伺服液壓缸測試系統中位移傳感器的新方法。

1基于應變計的測試方法原理

現有的軋機伺服液壓缸測試系統主要存在以下兩個不足：1）通過磁力表架吸附在液壓缸活塞桿上的位移傳感器因為伺服液壓缸高頻振動變得不牢靠，從而使得位移傳感器輸出信號嚴重失真；2）伺服液壓缸振幅為微米級，加之強烈的干擾信號，現有的位移傳感器難以跟蹤獲得有效的位移信號，因此實際試驗時，需要模擬伺服液壓缸高頻振動的狀況，使其振幅為毫米級，在毫米級振幅下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，這極大地增加了測試系統的成本，又使得模擬加載與伺服液壓缸實際工況偏差較大。

因此，制約試驗頻響提高的主要原因是位移傳感器的靈敏度和干擾信號的強度。本文研究的軋機伺服液壓缸測試系統使用的是進口高準確度位移傳感器，繼續提高傳感器靈敏度和抗干擾能力的空間不大。而測試過程中的干擾信號是由伺服液壓缸自身高頻振動而產生的，也沒有辦法消除。所以，要想在不改變實驗系統主要設備的情況下使該系統能試驗油缸更高的響應頻率，可以放棄位移傳感器，改用其他方式（比如應變計）來測量油缸活塞桿位移。

軋機伺服液壓缸測試系統的基本構成是閉式加載機架和伺服液壓缸。在模擬加載過程中，閉式機架在彈性形變范圍內隨伺服液壓缸活塞桿位移發生形變。這種形變是相對固定的，而機架的形變又和其應變是唯一對應關系，所以可通過測量機架的應變間接測量伺服液壓缸活塞桿位移。

2位移測點確定方法

實驗室采用的是分片式閉式機架，由于分片機架的形變和應力變化存在非線性，選用主機架作為研究對象。閉式機架的形變較復雜，本文采用ANSYS對機架進行有限元分析，找出機架應變與機架形變的關系，如圖1、圖2所示。

由圖1可以看出，主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2可以看出，機架變形最大的是上、下梁中間。可以認為，機架形變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。由分片式機架系統的組成可知，主機架厚度方向的外表面均與片機架接觸，其應變無法測量；主機架上橫梁上、下面均和墊塊接觸，其應變也無法測量。因此，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3所示。

在線性加載力的條件下，仿真模型中位移測點處的位移與應變測點處的應變呈線性關系，如圖4所示。

在頻率固定為20Hz的正弦力作用下，主機架位移測點和應變測點處位移與應變的關系，無法在ANSYS中直接得出，只能夠分別求得位移與時間的關系曲線和應變與時間的關系曲線。

3實驗液壓系統與實驗方案

實驗設備主要由原軋機伺服液壓缸測試臺、伺服液壓缸、電阻應變計和靜態電阻應變儀4部分組成。

伺服液壓缸參數為：

伺服液壓缸徑：500mm，桿徑：400mm，行程：60mm，工作壓力（無桿腔）：21MPa。

靜態應變儀參數為：

測量范圍：0～19999μs，分辨率：1μs/字，適用應變片阻值：60～1000Ω。

實驗僅使用了原伺服液壓缸測試系統的部分，其液壓系統原理圖如圖5所示。

實驗用到的液壓系統主要由兩臺柱塞泵、兩個電磁溢流閥、一臺MOOG伺服閥和—個減壓閥構成。由于實驗條件限制，實驗沒有完成伺服液壓缸輸入正弦加載力條件下機架應變與液壓缸活塞桿位移關系的測定。只完成了線性輸入條件下，機架測點處應變與液壓缸活塞桿位移關系的測定。實驗采用靜態逐級加壓的方式調節伺服液壓缸的加載力，從而控制伺服液壓缸活塞桿位移，實驗流程如下：

1）油泵1工作，調定三通比例減壓閥4，背壓約為1MPa，使伺服液壓缸有桿腔壓力保持恒定低壓。

2）電磁溢流閥2得電，手動調節系統壓力升至約2MPa的實驗初始壓力。

3）伺服閥3得到信號，壓力油進入伺服缸4無桿腔，活塞桿伸出，直至頂緊機架及壓塊。

4）記錄無桿腔壓力、有桿腔壓力、活塞桿位移、應變儀讀數4項數據。

5）調節電磁溢流閥2壓力逐級升高，每次約升高0.5MPa，然后記錄4項實驗數據。

6）系統壓力達到伺服缸4的工作壓力，停止升壓，記錄數據。

7）系統降壓到大約5MPa，給定伺服閥3反向信號，活塞桿縮回。

8）伺服缸5活塞桿與機架脫離接觸，系統卸荷，油泵1停止工作。

9）重復實驗，驗證實驗方案的可重復性。4實驗結果與對比

綜合分析實驗數據，可以看出，實驗結果的重復性很好，說明本文提出的這種測試方法可以長期有效地進行，具有可靠的穩定性。選取符合統計規律的一組實驗數據，得到ANSYS仿真的應變一位移曲線與實驗得到的應變一位移曲線對比，如圖6所示。

由圖7可以看出，實際分片式機架高度方向的總形變與伺服液壓缸提供的加載力呈很好的線性比例關系，這和有限元分析中施加的加載力與位移測點處高度方向形變量的關系吻合。另外，重復實驗得到的這種線性關系還充分說明機架在實驗過程中仍然處于彈性形變階段，機架應力集中的位置仍在材料的許用應力范圍內。

當然，圖6、圖7中的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，存在差異。從圖中可以明顯看出，兩組實驗數據曲線在初始階段線性化較低，其主要原因是在油液壓力較低的情況下，伺服液壓缸活塞桿、壓塊、墊塊、機架4個構件沒有壓緊，存在一定間隙。所以在采用本文提出的方法進行伺服液壓缸測試時，應該避開這個線性化程度低的伺服液壓缸位移區間。

5結束語

本文選定合適的應變測試設備，在伺服液壓缸對機架進行加載的過程中測定機架上所選應變測點處的應變。完成了伺服液壓缸輸入線性加載力時機架應變測點處應變與伺服液壓缸活塞桿位移關系的測定。實驗結果證明：基于應變計的軋機伺服液壓缸測試方法合理，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。