100t·m 大型對擊錘打擊能量測量

鮑宏偉

（中國第二重型機械集團德陽萬航模鍛有限責任公司，四川 德陽618000）

100t·m 對擊錘，最大打擊能1MJ，相當于4 萬噸壓機的能量，有亞洲第一錘的美譽。從1982 年投產(chǎn)以來，已使用30 余年。在大型壓機上線前，為國家航空工業(yè)提供大量鈦合金、高溫合金等優(yōu)質(zhì)鍛件。

在實際生產(chǎn)過程中，100t·m 對擊錘打擊能量從未做過具體測量。由于打擊能量不確定，造成同一產(chǎn)品在100t·m 對擊錘上生產(chǎn)時鍛造火次不一致，尤其是在生產(chǎn)高壓渦輪盤等對打擊能量要求高的產(chǎn)品時，可能會造成產(chǎn)品質(zhì)量問題。

100t·m 對擊錘作為萬航模鍛的主打設(shè)備，每年承擔3～4 億元產(chǎn)值的鍛件。而對于設(shè)備主要參數(shù)打擊能量卻沒有數(shù)據(jù)上的監(jiān)控。面對各主機廠用戶提出的數(shù)據(jù)化支撐需求，缺乏實際數(shù)據(jù)依據(jù)則十分被動。隨著現(xiàn)代管理水平和要求的提升，打擊能量必須做到數(shù)據(jù)化和測量可控化。

1 測量風險評估

100t·m 對擊錘現(xiàn)場環(huán)境惡劣，測量難度大。①傳統(tǒng)依靠傳感器進行測量，因100t·m 對擊錘振動大，如果連續(xù)沖擊可能損壞或震掉傳感器，導致測試失敗；②錘頭溫度150℃以上，水蒸氣溫度達到180℃，需定制高溫型傳感器；③因錘頭上有高溫水蒸氣和冷凝水，需要對傳感器和線路進行防水處理。傳感器測量范圍0～10m/s。需要對測量儀器和線路進行防水處理。另外，儀器需要連接線路，在設(shè)備運行過程中，鍛錘擺動，可能出現(xiàn)攪在一起或拉斷的問題，風險分析較高；④由于100t·m 對擊錘屬于低速運動，在0～5m/s 之間，而鍛錘在接觸一瞬間即進行分開動作，如何準確捕捉鍛造瞬間最大打擊能量，難度非常大。

2 確定打擊能量測量方案

通過了解，目前有使用工業(yè)相機進行測速的案例，并且綿陽空氣動力研究所進行過低速風動的測定。因此，利用工業(yè)相機進行打擊能量數(shù)據(jù)化測定。通過三維成像技術(shù)，利用兩個高速相機對100t·m 對擊錘下落過程進行圖像采集。圖像數(shù)據(jù)傳送至計算機后，由軟件對圖像進行提取特征、三維重構(gòu)和速度計算等處理，得出100t·m 對擊錘的最大速度，最終確定打擊能量。

由于100t·m 對擊錘工況存有發(fā)光紅件和蒸汽煙塵可能影響測量結(jié)果，實際單點測量誤差高度方向約為±0.9mm，擬使用4000 幀/s 的速度進行拍攝，2s 拍攝采集8000 張圖像。另外，因設(shè)備振動大，使用專用減震裝置安裝在工業(yè)相機底部，防止因振動出現(xiàn)測量誤差。

經(jīng)評估利用圖像采集提取和三維重構(gòu)技術(shù)，受現(xiàn)場震動影響較小，測量結(jié)果更為可靠。

同時，確定必須具備兩個條件方使測量結(jié)果更為準確：①尋找大功率（1000W）直流光源；②測量時,對擊錘所加工的產(chǎn)品為使用脫膜材料較少的產(chǎn)品。為此，選擇光源為LED 直流射燈（1000W），至12 時采集兩組有效數(shù)據(jù)。如圖1 所示。

圖1 相機測量并采集圖像數(shù)據(jù)

根據(jù)標記點的三維坐標隨時間變換的離散數(shù)據(jù)，擬合標記點坐標與時間關(guān)系的曲線，然后對擬合曲線求導，計算各時刻鍛錘的速度。為了提高速度計算精度，在設(shè)備布置10 個標記點，計算數(shù)據(jù)取平均值。如圖2 所示。

圖2 計算機對采集的圖像進行數(shù)據(jù)分析

3 100t·m 對擊錘錘頭速度測量具體步驟

3.1 檢測條件

如圖3 所示為PowerTrack 動態(tài)三維變形測量系統(tǒng)。相機、鏡頭和其他具體參數(shù)如下：

相機分辨率/像素 1280×1024

像元大小/μm 10

圖3 測量系統(tǒng)

相機幀率/fps 4000

鏡頭焦距/mm 24

基線距離/m 1.6

測量距離/m 5.4

測量視場/m×m 3×2.4

3.2 檢測過程

3.2.1 標定

在測量前，首先使用十字標尺對測量系統(tǒng)進行標定，拍攝24 幅不同姿態(tài)的十字標尺（圖4）圖像，然后解算相機的內(nèi)外部參數(shù)，并以圖像逆向投影誤差表示標定精度，其中相機標定精度如表1 所示。最終解算出來相機標定精度為0.035 像素，滿足檢測精度要求。

圖4 十字標尺

表1 相機標定精度

3.2.2 粘貼標志點

如圖5 所示粘貼標志點，根據(jù)作用不同，粘貼的標志點可以分為2 類：

（1）參考點。由于鍛壓機工作狀態(tài)時會產(chǎn)生強烈的振動，對檢測精度有較大影響，因此需要消除振動對檢測的影響。圖5 中第一類標志點——參考點，粘貼在鍛壓機固定支座上。由于鍛壓機固定支座在鍛壓過程中可以認為是靜止的，因此，可以通過支座上三個以上的參考點建立世界坐標系，進而消除振動對測量精度的影響。

（2）測量點。圖5 中第二類標志點——測量點，粘貼在鍛壓機擊錘上。擊錘的速度可以通過追蹤關(guān)鍵點的位移來計算。

3.2.3 采集圖像

圖5 標志點分布

完成上述準備工作后，調(diào)整光源的位置，確保相機能清晰捕捉標志點，在鍛壓機連續(xù)打擊第15 錘之后，擊錘速度才能達到最大，然后開始采集圖像，記錄擊錘的打擊過程，測試過程中共記錄了2 次擊錘打擊過程。

3.2.4 結(jié)果分析

將采集的圖像導入PowerTrack 軟件進行處理，解算出關(guān)鍵點的三維空間坐標，然后對空間點的位移進行擬合，并對擬合曲線進行求導，從而得到速度—時間曲線。

3.3 檢測結(jié)果

圖6 所示為第一組測試的測量數(shù)據(jù)和擬合數(shù)據(jù)圖，圖7 為第一組的速度—時間曲線圖。圖8、圖9 為第二組測試的結(jié)果曲線圖。最終得到三組圖像擊錘最大速度結(jié)果如表2 所示。

圖6 第一組P1 關(guān)鍵點s-t 曲線圖

圖7 第一組拍攝圖像計算的v-t 曲線圖

圖8 第二組P1 關(guān)鍵點s-t 曲線圖

圖9 第二組拍攝圖像計算的v-t 曲線

表2 擊錘最大速度

最終測得兩組數(shù)據(jù)，一組為2.922m/s，第二組為3.078m/s，說明書注：100t·m 對擊錘最大打擊速度為3m/s，名義打擊能量為1000000J。

對擊錘的規(guī)格用打擊能量表示，打擊能量等于上下錘頭對擊時的動能之和。

對擊錘擊打前瞬間的總能量為

式中：v1——上錘頭打擊瞬間速度；

v2——下錘頭打擊瞬間速度；

m1——上運動部分質(zhì)量，m1＝115t；

m2——下運動部分質(zhì)量，m2＝115t。

因上、下錘頭連通同一個密封油缸，壓強相同，柱塞面積和質(zhì)量相同，因此確定V1=V2。

根據(jù)數(shù)據(jù)，確定鍛錘最大打擊能量Ed=1089519.66J

兩組數(shù)據(jù)平均打擊能量為En=1035699.66J,滿足打擊能量1000000J 的要求。

4 結(jié)束語

為監(jiān)控100t·m 對擊錘打擊能量的穩(wěn)定性，需要定期對設(shè)備進行打擊能量測量，保證設(shè)備良好運行，為生產(chǎn)提供更加有力的保障。使用工業(yè)相機和成像技術(shù)測量打擊能量，在國內(nèi)尚屬首次，也為國內(nèi)同行業(yè)打擊能量測量開辟了新的方向。