一種新型大型水壓機立柱應(yīng)力測試系統(tǒng)?

陳 暉, 譚建平, 龔金利, 劉石梅

(1.中南大學(xué)機電工程學(xué)院 長沙,410083) (2.長沙礦冶研究院 長沙,410083)

引 言

大型水壓機的安全可靠性至關(guān)重要。水壓機立柱是水壓機的主要支撐件和受力件,相對于水壓機其他部件,立柱為細(xì)長桿結(jié)構(gòu),是整個水壓機設(shè)備的最薄弱環(huán)節(jié)[1]。在水壓機的鍛壓生產(chǎn)過程中,特別是在水壓機橫梁傾斜或承受偏心載荷的情況下,立柱受力狀態(tài)極為復(fù)雜[2]。為了充分發(fā)揮水壓機的潛力,使水壓機安全可靠地運行,有必要對立柱建立應(yīng)力監(jiān)測及報警裝置。郁宏[3]采用電阻應(yīng)變片,通過全橋、半橋外補償兩種測試方式,對某 125 MN自由鍛造液壓機立柱進(jìn)行了應(yīng)力測試與分析,得出了立柱的受力情況。左虹[4]在1 250 T水壓機立柱距下橫梁上端面 250 mm處貼 4片應(yīng)變片,利用動態(tài)應(yīng)變儀,通過光線示波器,得出了立柱的應(yīng)力曲線。黃明輝[5]采用電渦流傳感器對100 MN模鍛水壓機立柱應(yīng)力進(jìn)行測試,建立了 100 MN多向模鍛液壓機的應(yīng)力監(jiān)測及保護(hù)系統(tǒng)。以上傳統(tǒng)方法存在以下兩個方面的不足:a.由于水壓機現(xiàn)場潮濕,工作環(huán)境惡劣,長時間工作時其檢測元件——應(yīng)變片的粘貼質(zhì)量難以保證,致使使用一段時間后,應(yīng)變片出現(xiàn)粘貼不牢甚至脫落的現(xiàn)象,而應(yīng)變片的重貼和維護(hù)須在停機狀態(tài)進(jìn)行,嚴(yán)重妨礙了生產(chǎn);b.測試傳輸信號為模擬信號,由于設(shè)備龐大,信號傳輸距離遠(yuǎn),現(xiàn)場干擾嚴(yán)重,信號在輸送過程中容易受到外界和通訊系統(tǒng)內(nèi)部的各種噪聲干擾,從而導(dǎo)致應(yīng)力測試信號不準(zhǔn)確。為實現(xiàn)水壓機惡劣環(huán)境下立柱應(yīng)力的高可靠性測試,有必要采用新型的應(yīng)力測試手段。目前國內(nèi)外學(xué)者在非接觸數(shù)字測量方面進(jìn)行了較為深入的研究和應(yīng)用[6-11],筆者借鑒這一思想,考慮大型水壓機特殊的工作環(huán)境,提出了一種新型的非接觸數(shù)字式水壓機立柱應(yīng)力測試系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)原理及構(gòu)成

1.1 檢測原理

在水壓機鍛壓生產(chǎn)過程中,特別是在活動橫梁傾斜或承受偏心載荷等情況下,立柱除受拉伸應(yīng)力外,往往還承受活動橫梁對立柱的側(cè)向推力,其所受總應(yīng)力為拉伸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的疊加,而在靠近固定橫梁基座的立柱根部,其所受總應(yīng)力最大[12]。為了監(jiān)測水壓機工作時立柱的最大危險應(yīng)力,將應(yīng)力測點布置在水壓機各立柱的根部,每根立柱周圍取4個測點,整個測試系統(tǒng)共設(shè) 16個測點。該系統(tǒng)基于“測位式”應(yīng)力檢測思想,通過高精度微位移傳感器測量立柱受力時的微變形間接得到立柱應(yīng)力值。測試裝置如圖 1所示,微位移傳感器通過安裝支架固定于水壓機立柱。安裝支架中,上支架和下支架焊接于液壓機立柱表面,液壓機工作時立柱受力產(chǎn)生拉伸微變形,產(chǎn)生應(yīng)力為e,則有應(yīng)變

圖1 測位型立柱應(yīng)力監(jiān)測原理圖

立柱表面上兩固定支架之間的距離為L,則兩支架在應(yīng)力e作用下的相對變形為

同時,被測體與傳感器探頭之間的相對位移Δ W幾乎與ΔL等量,可以得到立柱應(yīng)力e與傳感器所測位移Δ W之間的關(guān)系

則可通過測量立柱微變形求得立柱的應(yīng)力值。

測試元件采用電渦流微位移傳感器,其原理如圖 2所示,該微位移傳感器主要由被測金屬、探頭和高頻振蕩器等組成。工作時,高頻振蕩器給探頭中的線圈提供激勵電流,當(dāng)被測體金屬導(dǎo)體靠近探頭時,將在金屬表面產(chǎn)生渦流效應(yīng),渦流效應(yīng)引起探頭線圈等效阻抗的變化,并由內(nèi)部電路將其轉(zhuǎn)換成輸出電壓的變化,輸出電壓的變化與探頭到被測體之間的距離成線性關(guān)系,從而可實現(xiàn)由機械位移線性轉(zhuǎn)換成輸出電壓的變化。

圖2 非接觸微位移測量原理

1.2 數(shù)字化實現(xiàn)

應(yīng)力檢測信號的數(shù)字化由 Profibus總線轉(zhuǎn)換模塊和Profibus工業(yè)現(xiàn)場總線實現(xiàn)。Profius信號轉(zhuǎn)換原理如圖 3所示,電渦流微位移傳感器輸出的模擬信號經(jīng)放大器、光電隔離器、A/D轉(zhuǎn)換芯片、Profibus轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成可通過 Profibus工業(yè)現(xiàn)場總線傳輸?shù)?12位數(shù)字信號 (0～ 4 095),最后由Profibus工業(yè)現(xiàn)場總線完成信號的數(shù)字化傳輸。

圖3 Profibus信號轉(zhuǎn)換原理圖

1.3 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)構(gòu)成如圖 4所示,它由傳感器、Profibus數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊、可編程控制器結(jié)合上位機的兩級監(jiān)測系統(tǒng)組成?？删幊炭刂破魍瓿蓱?yīng)力測試系統(tǒng)的信號采集、信號轉(zhuǎn)換和應(yīng)力超限報警判斷等功能,上位計算機監(jiān)控系統(tǒng)完成立柱應(yīng)力狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)記錄和報表打印等功能,上、下位機之間的通訊通過Profibus總線實現(xiàn)。

圖4 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 試驗測試

2.1 試驗?zāi)康暮蛢x器

試驗?zāi)康氖菧y試系統(tǒng)的精度、線性度以及系統(tǒng)在大型水壓機特殊環(huán)境下的適應(yīng)能力。儀器有:ZAGA電渦流傳感器(量程 2 mm)、西門子 S7300PLC,PC機、Profibus總線轉(zhuǎn)換模塊、1 m和 50 m兩種不同長度的 Profibus工業(yè)現(xiàn)場總線、表面光滑的Q235、不銹鋼 1Cr5Mo被測體金屬、表面銹蝕的Q235被測體金屬、電壓源、電磁鐵和磁場強度測試儀 HT100等。

2.2 測試原理

測試原理見圖5,利用試驗臺中的測微頭調(diào)整被測體與傳感器探頭之間的距離,以模擬水壓機工作時的立柱微變形。傳感器檢測的位移信號經(jīng)profibus轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字信號(范圍為0～4 095,其中0對應(yīng)于位移傳感器輸出0 mm,4 095對應(yīng)于位移傳感器滿量程輸出2 mm),測試信號通過profibus工業(yè)現(xiàn)場總線傳送到 PLC和上位機系統(tǒng)中,上位機通過西門子 WinCC軟件以 10 Hz的速率采集存儲測試數(shù)據(jù)。對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,繪制不同測試條件下的傳感器輸出特性曲線,測試系統(tǒng)的各項性能。

圖5 試驗系統(tǒng)示意圖

2.3 結(jié)果與分析

1)精度及線性度。首先采用不銹鋼 1Cr5Mo作為被測體金屬對傳感器量程范圍進(jìn)行標(biāo)定測試,檢驗其精度和線性度。圖6截取的為標(biāo)定數(shù)據(jù)中傳感器線性范圍內(nèi)的中間一小段,測試數(shù)據(jù)表明,傳感器檢測精度為1μ m左右,換算成應(yīng)力檢測精度為 0.5 M Pa(安裝支架距離L=300 mm),線性度 ＜1%。

2)被測體金屬材質(zhì)及外界磁場的影響。分別采用Q235和不銹鋼作為傳感器被測體金屬分不施加外界磁場和施加外界磁場兩種情況對系統(tǒng)進(jìn)行測試。外界磁場通過放置在傳感器探頭附近的電磁鐵產(chǎn)生,傳感器探頭處的磁感應(yīng)強度通過磁場強度測試儀HT100測得。繪制不同測試條件下的傳感器輸出特性曲線。如圖7所示,不同材質(zhì)的傳感器被測體材料,其傳感器輸出特性曲線不同。在所測試兩種材料中,不銹鋼的輸出特性曲線斜率較 Q235大,靈敏度較Q235高,且傳感器初始輸出點較 Q235更靠近零點。加入外部強磁場時,兩種被測金屬的傳感器輸出特性曲線斜率均變小,傳感器檢測的靈敏度均有所降低,且傳感器初始輸出點都發(fā)生了右移。這是因為不同材料的磁效應(yīng)和渦流效應(yīng)不同,且外部強磁場會影響電渦流效應(yīng),從而影響傳感器特性。

圖6 精度及線性度測試

圖7 被測體金屬材質(zhì)及外界磁場的影響

3)被測體金屬材料銹蝕的影響。考慮到水壓機現(xiàn)場潮濕惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境,有必要測試被測體金屬表面銹蝕對檢測系統(tǒng)的影響,故分別采用表面光滑和表面銹蝕的Q235材料作為傳感器被測體金屬對系統(tǒng)進(jìn)行測試。如圖8所示,被測體材料表面銹蝕時,傳感器輸出特性曲線斜率變小,檢測靈敏度有所降低,傳感器初始輸出點發(fā)生了左移。探頭與被測體金屬距離越近,表面銹蝕帶來的精度影響越大。探頭與被測體金屬距離逐漸增大時,表面銹蝕的影響逐漸減小。這是因為表面銹蝕會使光滑的金屬表面變得粗糙,而傳感器特性與被測金屬表面的粗糙度有關(guān)。故實際應(yīng)用時,傳感器被測體金屬建議采用不銹鋼等耐腐蝕材料。

4)傳輸距離及工作環(huán)境水、油污、粉塵的影響。在 300 MN模鍛水壓機工廠環(huán)境中測試1 m和50 m兩種不同長度的 Profibus信號傳輸總線電纜對測試系統(tǒng)的影響,以測試檢測信號在現(xiàn)場環(huán)境下的遠(yuǎn)距離傳輸能力。在傳感器被測體金屬材料和傳感器探頭上涂抹水、油污和粉塵等,長時間進(jìn)行數(shù)據(jù)觀察記錄,測試工廠環(huán)境中的水、油污和粉塵對檢測元件的影響。測試結(jié)果如圖9所示,在 300 MN模鍛水壓機工廠環(huán)境中測試的1 m和50 m兩種不同長度的 Profibus信號傳輸總線,接收信號均與原信號相同。在傳感器被測體金屬材料和傳感器探頭上涂抹水、油污和粉塵等干擾后,檢測數(shù)據(jù)與無干擾情況下保持一致,證明系統(tǒng)具很強的抗環(huán)境干擾能力。

圖8 傳感器被測金屬表面銹蝕的影響

圖9 傳輸距離及環(huán)境污染的影響

5)環(huán)境溫度的影響。將檢測系統(tǒng)分別在 25°C,50°C,65°C環(huán)境溫度下進(jìn)行測試,傳感器輸出特性曲線如圖10所示。測試結(jié)果表明,環(huán)境溫度對檢測結(jié)果存在一定影響,環(huán)境溫度升高時,傳感器輸出特性曲線斜率變大,靈敏度變高,且傳感器初始輸出點向左漂移,25°C和 65°C兩種溫度下測量數(shù)據(jù)的最大偏差為6.7%。

圖10 環(huán)境溫度的影響

3 工程應(yīng)用

將新型立柱應(yīng)力測試系統(tǒng)應(yīng)用于 300 MN模鍛水壓機。為驗證測試效果,在300 MN模鍛水壓機現(xiàn)場進(jìn)行平整模具無偏載加壓(立柱只受拉伸力,不受側(cè)推附加應(yīng)力),通過上位機采集記錄立柱應(yīng)力數(shù)據(jù)曲線并與理論計算值進(jìn)行對比。

實際測量值為:水壓機以210 MN壓力無偏載連續(xù)3次加壓,結(jié)果如圖 11所示,加壓時水壓機立柱應(yīng)力e1約為 44 MPa。

圖11 現(xiàn)場實測立柱應(yīng)力曲線

理論計算值為:300 MN模鍛水壓機為 8柱 8缸結(jié)構(gòu),立柱為空心管結(jié)構(gòu),水壓機無偏載加壓時立柱只承受拉伸應(yīng)力

其中:P為水壓機公稱壓力;D為立柱外徑;d為立柱中心孔直徑。

將測試壓力P=210 MN,立柱外徑D=850 mm,立柱中心孔直徑d=200 mm,代入得立柱應(yīng)力值為e2=49 MPa。

實測值為e1=44 MPa,為理論計算值的 90%左右,實測值與理論值較吻合。此外,系統(tǒng)運行近6個月來,傳感器工作穩(wěn)定,未出現(xiàn)數(shù)據(jù)異?，F(xiàn)象。

4 結(jié) 論

1)針對傳統(tǒng)的基于電阻應(yīng)變片應(yīng)力測試手段難以適應(yīng)水壓機潮濕、惡劣的現(xiàn)場工作環(huán)境的問題,提出一種“測位型”非接觸式應(yīng)力測試方法,其系統(tǒng)構(gòu)成簡單,安裝維護(hù)方便。

2)針對水壓機檢測信號傳輸距離遠(yuǎn)、現(xiàn)場干擾嚴(yán)重等問題,基于Profibus數(shù)字通訊技術(shù),改傳統(tǒng)“模擬式”系統(tǒng)為“數(shù)字式”測試系統(tǒng),測試表明,該數(shù)字式系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)水壓機惡劣環(huán)境下的立柱應(yīng)力信號遠(yuǎn)距離傳輸。

3)該檢測系統(tǒng)檢測精度較高,工作環(huán)境中的水、油污和粉塵等對檢測精度的影響很小,可忽略不計,具有較強的抗環(huán)境干擾能力。

4)傳感器被測體材料表面銹蝕,外界強磁場及環(huán)境溫度對測量精度有一定影響。實際應(yīng)用時,傳感器被測體金屬建議采用不銹鋼等耐腐蝕材料,且應(yīng)盡量使檢測系統(tǒng)遠(yuǎn)離強磁場的作用范圍,或采取屏蔽措施使其產(chǎn)生的影響最小。環(huán)境溫度過高時還應(yīng)對檢測結(jié)果進(jìn)行溫度補償修正。

5)將新型應(yīng)力測試系統(tǒng)應(yīng)用于 300 MN水壓機,獲得了大量水壓機加壓立柱應(yīng)力測試數(shù)據(jù),長時間的現(xiàn)場可靠運行進(jìn)一步驗證了系統(tǒng)的可行性。

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