電測(cè)法在壓力機(jī)噸位標(biāo)定中的應(yīng)用

趙曉龍

噸位負(fù)荷計(jì)是機(jī)械壓力機(jī)顯示沖壓噸位的唯一指示設(shè)備，在生產(chǎn)過程中起著非常重要的作用。下面介紹一種標(biāo)定負(fù)荷計(jì)的方法及氣液式帶電控聯(lián)鎖過載保護(hù)裝置的設(shè)定方法。

1 工作原理

本動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的一次儀表為壓力傳感器，二次儀表為Liberty數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器直接與計(jì)算機(jī)相連（見圖1）。

圖1 動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)組成

1.1 橋式電路

本文采用等臂直流電橋，8個(gè)應(yīng)變片的分布在中間位置對(duì)稱的四個(gè)方向（見圖2、圖3）[1]。

因?yàn)檫x用的電橋?yàn)闃虮垭娮鑂1+R3=R2+R4=R6+R8=R5+R7=2R的等臂電橋。在電橋的一個(gè)對(duì)角線ab接入電源電壓Uab，再由另外一個(gè)對(duì)角線cd輸出不平衡電壓Ucd。因此將ab兩端稱為電源端，cd兩端稱為測(cè)量端。當(dāng)四個(gè)橋臂電阻滿足條件：）時(shí)，cd兩端電位相等，Ucd=0，電橋平衡。而當(dāng)其中一個(gè)電阻發(fā)生改變時(shí)，平衡條件就被破壞，c、d之間將出現(xiàn)電位差Ucd。因此，Ucd的大小可以用來度量橋臂電阻的改變，并進(jìn)一步計(jì)算出橋臂應(yīng)變的大小。

圖2 傳感器應(yīng)變片分布圖

圖3 線路連接圖

式中，Uab—電波電壓（mV）；Ucd—輸出不平衡電壓 （mV）；R1、R2…R8—電阻 （Ω）。

設(shè)Ri=R+ΔRi，并且每個(gè)橋臂上的兩個(gè)應(yīng)變片變化量相等，帶入上式，一般情況下，由于ΔR很小，即R?ΔR，略去上式中的高階微量，并利用再由 ε2=ε6=ε，ε1=ε5=-με 得到：

上式表明：

（1） 當(dāng)R>>ΔRi時(shí)，輸出電壓Ucd與應(yīng)變成線性關(guān)系；

（2）若相鄰兩橋臂的應(yīng)變極性一致，即同為拉應(yīng)變或壓應(yīng)變時(shí)，輸出電壓為兩者之差；若相鄰兩橋臂的極性不同，即一為拉應(yīng)變，另一為壓應(yīng)變，到輸出電壓為兩者之和；

（3）若相對(duì)兩橋臂應(yīng)變的極性一致，輸出電壓為兩者之和；相對(duì)橋臂應(yīng)變的極性不同時(shí)，輸出電壓為兩者之差[1,2]。

1.2 測(cè)試電路的優(yōu)點(diǎn)

測(cè)試電路的溫度自補(bǔ)償 本測(cè)量線路采用全橋溫度自補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ總€(gè)應(yīng)變片包含一個(gè)軸向電阻柵，一個(gè)橫向電阻柵，軸向電阻柵感受軸向應(yīng)變；橫向電阻柵上不感受軸向應(yīng)變。因此，當(dāng)八個(gè)應(yīng)變片同時(shí)處于一個(gè)溫度場(chǎng)中，由溫度變化引起的橋臂應(yīng)變電阻變化對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的影響可以相互抵消，從而起到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔肹3,4]。

消除彎曲應(yīng)力 假設(shè)傳感器向A點(diǎn)方向產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象，則R1受到壓縮，電阻減小ΔR，同時(shí)R3會(huì)受到拉伸，電阻增加ΔR，所以橋臂R=R1-ΔR+R3+ΔR，電阻值沒有發(fā)生變化，從而達(dá)到消除彎曲應(yīng)力的目的。由于傳感器在4個(gè)方向的應(yīng)變片為對(duì)稱分布，所以在向其它方向彎曲時(shí)，也可以達(dá)到同樣的效果。

提高信噪比 由于采用全橋測(cè)量線路，每個(gè)橋臂用兩個(gè)電阻片串聯(lián)，使整個(gè)電橋的輸入電阻提高1倍，在數(shù)據(jù)采集器過載保護(hù)電流一定的情況下，可以提高1倍的激勵(lì)電壓Uab，從而將得到的數(shù)據(jù)信號(hào)增大1倍，而雜波干擾信號(hào)沒有增大，經(jīng)儀器濾波放大后，信噪比提高1倍。

1.3 干擾源及抑制措施

（1） 干擾源分析

電磁干擾 應(yīng)變片的信號(hào)在通過測(cè)量導(dǎo)線輸入應(yīng)變儀時(shí)的數(shù)值非常微小，電橋輸出電壓通常為毫伏級(jí)，有時(shí)甚至只有若干微伏。因此當(dāng)外界電磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)受到電磁干擾。

靜電干擾 當(dāng)應(yīng)變片的測(cè)量導(dǎo)線和干擾源之間存在漏電容C時(shí)，就可能在測(cè)量導(dǎo)線中產(chǎn)生靜電干擾。

地電壓、地電流的干擾 由于本系統(tǒng)采用的Liberty數(shù)據(jù)采集器為交流式電源，為保證操作人員安全，儀器外殼要接通大地。但在某些工廠里，相隔幾米的地電位差會(huì)高達(dá)幾伏；某些地區(qū)的地電位還會(huì)發(fā)生波動(dòng)。此外在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，如果發(fā)生雷電、電力線開閉、電源事故、負(fù)載變化時(shí)還會(huì)產(chǎn)生地電流[1,5]。

（2） 抑制干擾措施

首先，應(yīng)將測(cè)量導(dǎo)線扭絞扎成麻花辨狀，以減少干擾磁通的耦合面結(jié)，并使每一絞的感應(yīng)電流與下一絞的感應(yīng)電流相反以相互抵消。此外，在扭絞線外面采用金屬屏蔽套以防止靜電干擾。在此基礎(chǔ)上，盡可能縮短測(cè)量導(dǎo)線長度，增大測(cè)量導(dǎo)線與干擾源距離，或改變測(cè)量導(dǎo)線方向，使其與電力線垂直布置以減小電磁干擾和靜電干擾。采用電源供電時(shí)信號(hào)電路必須一點(diǎn)接地，如采用電池供電，則將屏蔽套接儀器外殼但不接地以抑制地電壓、地電流干擾。

2 負(fù)荷計(jì)標(biāo)定

（1）工具準(zhǔn)備及布置

壓力機(jī)加載所需工具包括：Liberty數(shù)據(jù)采集器，拉壓力傳感器，加載架，隔板墊鐵4件，鋁板每臺(tái)4件，調(diào)整墊片。

在加載臺(tái)上面依次擺放大片薄鐵板、加載架、拉壓力傳感器、墊鐵、調(diào)整墊片及保護(hù)鋁板。4個(gè)傳感器分別對(duì)應(yīng)負(fù)荷計(jì)的4個(gè)通道，同時(shí)防止偏載（見圖4）。

（2） 初始設(shè)置

打開負(fù)荷計(jì)調(diào)節(jié)開關(guān)，先調(diào)零點(diǎn)，設(shè)置負(fù)荷計(jì)初始增益，初始值設(shè)置成50，使負(fù)荷計(jì)顯示數(shù)值和Liberty數(shù)據(jù)采集器所顯示數(shù)值相近。外部凸輪信號(hào)設(shè)置為 90°～210°。

圖4 傳感器位置圖

（3） 加載順序

緩慢向下調(diào)節(jié)滑塊的封閉高度，在滑塊到達(dá)下死點(diǎn)，傳感器剛有數(shù)據(jù)顯示后通過調(diào)整墊片進(jìn)行初步調(diào)平。然后緩慢加載，先每一次向下調(diào)節(jié)1 mm，在總噸位100～200 t時(shí)，再次精確調(diào)平，確保4點(diǎn)受力均勻。繼續(xù)加載至滿負(fù)荷70%～90%，精確調(diào)節(jié)負(fù)荷計(jì)增益，使負(fù)荷計(jì)顯示數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)采集器顯示數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)。繼續(xù)加載，當(dāng)達(dá)到滿負(fù)荷110%時(shí)候停止。

3 過載保護(hù)系統(tǒng)設(shè)定

液壓保護(hù)系統(tǒng)原理是指隨著壓力機(jī)沖壓壓力不斷升高，液壓缸內(nèi)的油壓也隨之升高，當(dāng)油壓產(chǎn)生的壓力大于調(diào)節(jié)風(fēng)壓產(chǎn)生的壓力時(shí)，保護(hù)閥中的活塞及保護(hù)閥上面的頂針開始動(dòng)作，缸內(nèi)油壓降低，同時(shí)上面的限位開關(guān)發(fā)出停車信號(hào)，通過電氣控制壓力機(jī)停車。液壓保護(hù)系統(tǒng)是通過調(diào)節(jié)托起保護(hù)閥頂針的風(fēng)壓設(shè)定缸內(nèi)油壓能夠達(dá)到的最大壓強(qiáng)，從而達(dá)到保護(hù)壓力機(jī)的目的（見圖5）。

圖5 氣液壓保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

在過負(fù)荷試驗(yàn)中，當(dāng)壓力機(jī)壓力達(dá)到滿負(fù)荷時(shí)的100%，缸內(nèi)油壓將達(dá)到最大值，此時(shí)，慢慢向下調(diào)節(jié)托起保護(hù)閥頂針的風(fēng)壓，使壓力機(jī)過載停車，然后向上微調(diào)壓下量，使沖壓壓力稍微降低，如壓機(jī)仍能正常工作，則再往下調(diào)節(jié)壓下量，如壓機(jī)停車，說明風(fēng)壓已調(diào)節(jié)合適，擰緊備緊螺母，過載保護(hù)閥設(shè)置完畢。

4 標(biāo)定效果

通過對(duì)某2000 t壓力機(jī)負(fù)荷計(jì)的標(biāo)定數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，在大噸位沖壓下，各傳感器和壓下量有很好的線性關(guān)系，能夠滿足標(biāo)定負(fù)荷計(jì)所需要的精度和線性度。在總壓下量為10．37 mm時(shí)，壓力機(jī)達(dá)到滿負(fù)荷時(shí)的108%，滿足100%～110%的設(shè)計(jì)要求。當(dāng)保護(hù)氣壓設(shè)置為0．36 MPa時(shí)，能使壓力機(jī)在達(dá)到滿負(fù)荷后過載停車（見表1）。

表1 標(biāo)定過程數(shù)據(jù)表

5 結(jié)語

本方案采用筆記本電腦和Liberty數(shù)據(jù)采集器代替光線示波器，測(cè)量精確度更高，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)據(jù)處理方便。

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