大量程的沖擊功測量方法研究

蔣冰華　韋　瑜　馬　銘　湯　力　李木華

(三峽大學 電氣與新能源學院， 湖北 宜昌　443002)

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大量程的沖擊功測量方法研究

蔣冰華韋瑜馬銘湯力李木華

(三峽大學 電氣與新能源學院， 湖北 宜昌443002)

對現有沖擊功測量方法進行了研究，提出了一種改進的大量程沖擊功測量的方法，并構建了物理測量裝置，建立了合理的數學模型．最后用ANSYS有限元軟件對模型進行沖擊受力分析，驗證結果表明，提出的改進方法能很好地將大力轉化成小力，該數學模型應用于大量程沖擊功測量是可行的．

沖擊功；測量裝置；ANSYS

隨著高爐煉鐵技術的進步，自動化程度的提高和勞動生產率提高，隨之而來的開鐵口機的能力也必須相應提高以滿足工藝需求．在工業上直接衡量開鐵口機能力的指標是沖擊力的大小，在高爐煉鐵技術中，開鐵口機的沖擊力的大小對整個系統的影響是多方面的，主要有以下幾點：1)鐵口能否被打開；2)鉆釬的利用率；3)開口口徑的大小對泥泡的要求．4)沖擊力的大小對高爐的壽命也是有影響的．

當前的釬桿的出廠測試都是機械化的反復敲打，根據擊穿時間的長短來判斷強度的好壞，此方法周期長，噪音大，效率低．現有沖擊功測量方法沒有適用于大量程的，為此沖擊測試標準化就不能很好地制定．本文試圖對現有沖擊功測量方法進行研究，然后給出應用在大量程上的實用方法，為日后沖擊功測量裝置的制造和標準的制定給出技術上的指導．

1　現有沖擊功測量方法對比分析

目前，國內外現有沖擊器沖擊功的測試方法很零散，研究人員都是根據沖擊器的特點研制出不同測試方法，各測試方法的適用性也不同，歸納起來主要有：觸點法、電磁法、應力波法、位移法及沖擊力法．

觸點法是在破壞裝置的基礎上進行的，每次都需要更換觸頭，而且只能獲得活塞在打擊點的沖擊速度，不能全面獲得活塞在整個運動周期內的運動狀態，不能通過此法對沖擊機構的性能作全面的分析[1]．電磁法的時間很短，速度的變化很大，對傳感器靈敏度要求比較高．位移傳感器法是使用位移傳感器測試潛孔沖擊器沖擊功的方法，實驗證明該方法測試效率高，適用于工業測試[2]．

沖擊力法是通過壓力產生電信號，其結果是簡化了測試工序，且能準確地反映沖擊器的工作情況，因而是最直接的一種測量方式，其缺點是受傳感器選擇的制約[3]．對上述沖擊功測量方法的對比分析可知，沖擊力法和位移法適用性較強，但由于測試裝置和性能參數的限制，都只能應用于小量程的沖擊力試驗中．

2　改進的沖擊功計算方法

針對上述不足，本文將直接沖擊力法和位移法兩種方法進行結合，提出了一種全新的測試裝置，并給出了相應的測量方法．

2.1原理介紹

由于沖擊力很大，以往的測量方法對測量設備的保護和測量的可行性都不能保證，為此，這里的改進方法選擇的是一種間接測量的方式，把大力轉化成小力，再對小力進行處理和研究．最終得到了位移與沖擊力的函數關系，從而可以很方便地地計算沖擊功的大小．模型如圖1所示．

圖1　位移法的沖擊功測量模型

在該模型中，擋板是一個立方體的籠型結構，通過4根彈性元件分別與其中一面的4個頂點連接將受力裝置固定在墻體，籠型里面用水平兩根彈性元件懸掛一個標準物塊，并與地面無接觸，水平彈性元件也連接在擋板上，初始時刻，彈簧處于原長，當有外力作用時，擋板水平移動，非接觸式位移傳感器1和2分別測受力籠型和標準塊在受力過程中就有位移量X1、X2[4]．通過采集卡采集傳感器的數據．

根據牛頓第二定律列方程為：

(1)

(2)

將式(2)代入式(1)中得：

(3)

式中，k1，k2為彈性系數，M為籠形鋼板質量，m為標準塊的質量，F(t)為液壓動力源．

2.2實現方法

選擇非接觸式位移傳感器測量X1，X2；對內部懸掛質量塊的形狀沒有限制，只需要已知其質量即可；只需要考慮水平方向的受力情況，所以彈簧選擇水平懸掛方式；其中的難點是彈簧的剛度系數的確定，很顯然，彈簧在壓縮過程中剛度系數是變化的，這里選擇非線性空氣彈簧研究．

目前非線性螺旋彈簧的特性主要通過改變彈簧中徑、彈簧簧絲直徑和彈簧螺旋角等方法來實現[5]．在彈簧壓縮變形過程中，簧絲相互靠近產生接觸時開始傳遞相互間的接觸力．選擇實體Solid 45號八節點四面體單元對彈簧進行離散化，采用 Conta178接觸單元對彈簧簧絲的接觸關系進行模擬，接觸單元在彈簧簧絲相互靠近產生接觸時開始傳遞相互間的接觸力，未接觸時則不傳遞力．通過有限元分析，得到了其3D網格劃分后的模型如圖2所示．

圖2　螺旋彈簧的網格劃分

這里對一個典型的非線性螺旋彈簧進行了計算分析．針對特定彈簧，可以利用有限元建模很方便地得到其剛度系數．彈簧的基本參數為： 簧絲直徑d=4；彈簧螺距t=dz/2.5；彈簧圈數n=10；彈簧中徑dz=c·d；旋繞比c=8(彈簧指數)．彈簧指數愈小，其剛度愈大，彈簧愈硬，彈簧內外側的應力相差愈大，材料利用率低．計算所得彈簧彈性特性曲線如圖3所示．

圖3　非線性螺旋彈簧的非線性曲線

圖3中非線性螺旋彈簧的非線性特征表現得很明顯，在載荷較小的前段，曲線表現得比較平緩，即彈簧剛度隨載荷增加有所增大，但增幅不大，雖然有一定的非線性特征，但彈簧線性特征較強；隨著載荷的繼續增加，曲線急劇上升，曲率變化明顯，這表明彈簧剛度大幅增大，非線性特征就表現得很突出了．在工程應用時，可以認為一定范圍沖擊力時，彈簧剛度為一個定值，為后面裝置的仿真提出了依據．

經上所述，技術難題都能一一克服，現在只需要對裝置的合理性進行驗證．

3　模型仿真驗證

針對上述的測量模型，這里利用ANSYS非線性動力學分析軟件，用有限元法對沖擊裝置進行仿真建模，從而分析研究物塊承受的沖擊特性．在一定范圍的沖擊載荷，為了方便建模，認為彈簧為線性的[6-9]．假設力為已知，求小物塊的位移曲線，以此驗證該裝置是否能反應沖擊力的特性．

首先定義3種單元類型，在材料屬性的確定上，考慮到沖擊速度較低，可認為整個沖擊過程中各部分僅產生彈性變形，所以計算時采用的材料本構關系為線彈性本構關系．裝置內部懸掛的彈簧單元選擇combin14，質量小塊選擇mass21，籠型剛體選擇SOLID186有8個節點，每個節點包括在X，Y，Z三個方向上的位移、速度和加速度等狀態量．這種低階單元運算速度快，計算精度高；創建關鍵點生成外面的剛體，創建兩個節點，由節點生成線，然后賦予combin的屬性直接生成里面彈簧質量單元．

圖形各部分材料屬性參數見表1．

表1　模型材料參數

該模型中的擋板籠型體和里面標準物塊都是剛性材料，所以選擇了同樣的材料參數．

再進行網格劃分，為了劃分更加準確，進行了幾何切割，6刀后，一個整體被切成了各自獨立的14個體．首先對所有的線進行劃分，設置單元尺寸為0.04 m．再采用八節點六面體單元進行所有體的劃分，其具體網格化應力圖形如圖4所示．從圖4中可以看出網格劃分比較細，整個模型網格計算結果共包括9 579個單元，48 029個節點．

圖4　劃分網格后的整體應力云圖

最后進行加載求解，后處理．定義結構分析類型為瞬態分析，施加正弦力．最后在timehist postpro中，定義變量ux-2，選擇加載荷的節點2，進行繪圖設置后，進入graph variable，得到如圖5和圖6所示的響應曲線．

圖5　2號節點的位移響應曲線

圖6　2號節點的位移響應曲線

圖5是載荷步為15步，載荷子步為8時，節點2的位移響應曲線；圖6是載荷步為20，載荷子步為10時，節點2的位移響應曲線．從兩幅圖可以看出，響應曲線大致呈現正弦走向，與施加的正弦沖擊力是對應的，從而將大的沖擊力轉化成小的沖擊力．從圖中也可以得出適當增加載荷步和載荷子步可以使曲線更加光滑，結果更準確．

4　結　論

本文通過對沖擊功測量方法進行研究，揭示了大力轉化成小力思想在新的測試裝置中的應用價值，通過ANSYS有限元軟件中分析了該方法的可行性，從而為大量程沖擊功測量提供了有效的研究方法．該測量方法將在液壓開口機釬桿的性能測量方面有很大的應用前景，基于其內部存在的這種規律，通過匹配標準塊，日后還可以做成一系列的產品，能方便測試人員選擇適合他們產品的需求，大大縮短了生產周期，為后續的沖擊功裝置的實現奠定理論基礎．

[1]黃志強，宋嘉寧．沖擊器性能測試方法研究現狀與發展[J]．鑿巖機械氣動工具，2008，132(4)：1-5．

[2]賈如磊，王建祖，李權．基于位移傳感器的沖擊器沖擊功測試方法研究[J]．自動化與儀器儀表，2012(4)：11-14．

[3]錢華，陸敏恂．大型氣動穿孔機沖擊功的測試方法研究[J]．同濟大學學報：自然科學版，2006，10(34)：1374-1377．

[4]姚寶珍，張亞，李世中，等．微傳感器放大電路設計[J]．四川兵工學報，2010，31(1)：107-109．

[5]張策，馬力，王皎．非線性螺旋彈簧特性的有限元分析[D]．武漢：武漢理工大學，2005：3-4．

[6]劉海濤．電錘沖擊功測試方法研究[J]．電動工具，2012(3)：10-13．

[7]劉衛群，繆協興．利用ANSYS程序分析軟巖沖擊礦壓及廣義應力(應變)率準則[J]．巖石力學與工程學報，2002，21(1)：29-33．

[8]鐘飛，史青錄．基于ANSYS Workbench的挖掘機式沖擊器工作裝置模態分析[J]．機械研究與應用，2012，108(4)：37-39，42．

[9]王俊峰．碰撞沖擊力的數值計算與測試方法研究[D]．上海：上海交通大學，2007．

[責任編輯張莉]

Research on Method for Measuring Impact Energy in a Wide Range Measurement

Jiang BinghuaWei YuMa MingTang LiLi Muhua

(College of Electrical Engineering & Renewable Energy, China Three Gorges Univ.，Yichang 443002, China)

The method for measuring impact energy is studied. A new method for improving the measurement of a large range of impact energy is presented. Finally, by using the finite element software ANSYS to model shock stress analysis，the verification results show that the proposed method can be a very good will vigorously into a small force, the mathematical model applied to measure impact energy in a wide range measurement is feasible.

impact energy；measuring device；ANSYS

2015-12-04

蔣冰華(1961-)，男，教授，碩士生導師，主要研究方向為現代檢測與控制技術．E-mail：351126617@qq.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.04.020

TP206+.1

A

1672-948X(2016)04-0097-04