多功能張緊裝置設計與試驗分析

王文軍，徐培民

多功能張緊裝置設計與試驗分析

王文軍1，徐培民2

（1.廣西科技大學鹿山學院，廣西 柳州 545000；2.安徽工業(yè)大學機械學院，安徽 馬鞍山 243002）

為實驗室的帶鋼抖動試驗裝置設計了一款具有張緊、張力檢測及糾偏的多功能張緊裝置。包括結構設計，傳感器選型與標定，裝置的安裝與調(diào)試，系統(tǒng)的張力分析。由LMS動態(tài)測試與分析系統(tǒng)對張緊裝置進行數(shù)據(jù)采集。試驗結果表明：該裝置基本實現(xiàn)了預設功能，可為帶鋼抖動試驗裝置提供額定的張力，測試動態(tài)張力，并防止銅帶跑偏。在與張力的動態(tài)測試中發(fā)現(xiàn)，輥子轉頻在力傳感器頻譜圖上表現(xiàn)明顯。當電機轉速＝120 r/min、張力＝17.41 N時，整個裝置會出現(xiàn)比較明顯的共振現(xiàn)象。其中采集到的各組動態(tài)張力是研究模型銅帶抖動規(guī)律的基礎數(shù)據(jù)之一。

試驗裝置；張緊裝置；張力；LMS動態(tài)測試與分析系統(tǒng)

在連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)線上，氣刀處帶鋼的大幅抖動是影響鍍膜質量的主要因素。實驗室模型試驗便成為研究工業(yè)現(xiàn)場復雜問題的有效手段。以某條熱鍍鋅線為研究對象，根據(jù)相似理論研制出一套帶鋼抖動試驗裝置。其中張緊裝置是帶鋼抖動試驗裝置的一個重要模塊之一。張緊裝置在帶傳動領域已經(jīng)得到廣泛研究和應用[1-4]?；谝陨涎芯?，針對于在實驗室的帶鋼抖動試驗裝置，運動的銅帶需要一定張力保證與主動輥之間不打滑，這樣才能正常運轉，所以需要設計一個張緊裝置，以使銅帶產(chǎn)生一定張力；銅帶運行過程中，由于銅帶兩端輥子的平行度誤差，導致張力沿帶橫截面分布不勻、進而使帶跑偏，因此還需一個糾偏裝置；由于需要給銅帶施加準確的張力值，故須有測力系統(tǒng)；基于上述三個要求，本文研制一種兼具張緊、測力和微糾偏功能的新型張緊裝置。

1 張緊裝置設計

1.1 張緊裝置結構設計

如圖1所示，張緊裝置是抖動試驗裝置的子模塊。

圖1 抖動試驗裝置示意圖

抖動試驗裝置主要由一個鋼結構、四個轉向輥和張緊裝置組成。四個轉向輥分布在鋼結構的四個角，電機驅動左下角的轉向輥，也叫主動輥，環(huán)形銅帶繞在四個轉向輥之上，張緊裝置在下面兩個轉向輥中間。張緊裝置主要是由張緊輪、軸承及軸承座、力傳感器、滑塊、導槽、頂桿和底座組成。張緊輪兩端的軸承座分別安裝在兩個壓力傳感器之上，壓力傳感器安裝在滑塊之上，滑塊置于鉛垂向導槽內(nèi)，其高度可由頂桿調(diào)節(jié)，固定在滑塊上的力傳感器和張緊輪隨之升降。四個轉向輥子的直徑＝75 mm，張緊輪直徑＝60 mm。

張緊輪材料選擇鋁合金，滑塊和導槽的材料選擇強度和硬度都比較好的45#鋼。張緊輪上下運動時要保證平穩(wěn)和精確，導塊和導槽的接觸面機加工精度要求達到6級。表面粗糙度為0.6mm，底面和側面的垂直度為0.01 mm[5]?；瑝K上下面的平行度為0.01 mm?；瑝K的寬度（張緊輪軸向）比導槽的槽寬小6 mm，這是因為張緊裝置有微調(diào)跑偏的功能。用SolidWorks對張緊裝置的零件進行繪圖，并對零件進行裝配，檢查設計的合理性，如圖2所示。

圖2 多功能張緊裝置SolidWroks三維圖

1.2 力傳感器選型

抖動試驗裝置設計的銅帶工作狀態(tài)額定張力o＝14.51 N[6]，結合傳感器市場的情況，選量程為50 N、由北京某公司生產(chǎn)的應變式力傳感器。其技術指標如表1所示。

表1 CH-600D/BS-102型力傳感器技術指標

1.3 力傳感器標定

新的力傳感器需對其技術性能進行全面標定，以保證量值的準確傳遞，主要是標定力傳感器的線性度及靈敏度。使用力傳感器標定的基本方法來進行標定[7]。標定所用的設備有： LMS采集箱、三個不同質量的標準砝碼、計算機。靈敏度表示傳感器的輸入量增量D與由它引起的輸出量增量D之間的函數(shù)關系，更確切地說，靈敏度度等于傳感器輸出增量與被測量增量之比，它是傳感器在穩(wěn)態(tài)輸出輸入特性曲線上各點的斜率，表達式為：

式中：為曲線各點斜率；()為曲線方程。

型號L1330力傳感器的標定數(shù)據(jù)如表2所示，L1331力傳感器的如表3所示。在Matlab里分別對表2和表3數(shù)據(jù)進行擬合[8]，得兩個傳感器的位移特性曲線如圖3所示。

表2 L1330力傳感器的標定數(shù)據(jù)

表3 L1331力傳感器的標定數(shù)據(jù)

從圖3可見，兩個力傳感器都有一定的零漂，但是線性度都很好，到達測試要求；L1330力傳感器的靈敏度為100.3 mV·N-1，L1331力傳感器的靈敏度為98.9 mV·N-1。

1.4 張緊裝置組裝與調(diào)試

張緊裝置與整個帶鋼抖動試驗裝置的安裝同步進行。因為張緊輪軸承座底下就是力傳感器，量程非常小，容易被壓壞，安裝時要格外小心。當試驗裝置安裝好后，要對其進行初調(diào)試，保證銅帶正常運轉。銅帶運行3圈后，若有明顯跑偏發(fā)生，則同步微調(diào)張緊輪兩端滑塊的頂桿，進行微度糾偏。安裝好的張緊裝置如圖4所示。

圖3 力傳感器特性曲線

圖4 多功能張緊裝置安裝圖

1.5 張緊裝置受力分析

張緊輪的軸承摩擦力矩是影響張力測試精度的主要因素之一，所以首先采用實驗方法求出張緊輪在純滾動下的摩擦力。

實驗是根據(jù)理論力學中的動量矩定理來指導的[9]。把兩端裝有軸承的張緊輪裝在一個木架子上，并調(diào)整其水平度，然后固定。將兩個配重（1＞2）分別連接在銅帶的兩端，然后掛在張緊輪上。由于兩配重有質量差，所以配重從靜止開始在某個高度以加速度勻加速運動，如圖4所示。

R.張緊輪大半徑，mm；r.張緊輪小半徑，mm；m1、m2.配重，kg；h.高度，mm；a.加速度，m·s-2

系統(tǒng)的運動示意圖如圖5所示，取系統(tǒng)為研究對象，系統(tǒng)對軸的動量矩為：

式中：為角速度，rad·s-1；為轉動慣量，kg·m2；為張緊輪大半徑，mm。

式中：為角加速度，rad·s-2；M為力矩，N·m；為重力加速度，m·s-2。

張緊輪的轉動慣量為：

式中：輪為的張緊輪質量kg；輪為的張緊輪質量kg。

張緊輪的材料為鋁合金，密度＝2800 kg/m3，＝30，＝10，所以＝0.001001。兩端滾動軸承的半徑為＝16。配重1和配重2質量分別為0.71和0.475。用實驗方法測出，由＝/得出輥子的角加速度。通過式（3）就可以求出M，張緊輪的摩擦力設為F（單位：N），從而得出摩擦力F＝M/。

接下來做實驗求加速度，調(diào)節(jié)配重1和配重2的為800，使配重做加速度運動，并同時計時，當配重1著地時，計時停止，記下時間。重復以上方法，分別調(diào)為850、900、950、1000、1050，數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 高度與時間的關系

（注：時間已經(jīng)去掉最大值和最小值）

根據(jù)＝2/2計算各高度的加速度，如表5所示。

表5 各高度的加速度統(tǒng)計表

在帶傳動中，張力分析是必不可少的一個環(huán)節(jié)，抖動試驗裝置銅帶環(huán)各段張力之間的關系計算是關鍵[10-11]。本文對張緊裝置進行了受力分析，由張緊的銅帶、張緊輪和軸承座組成的平面力系如圖5所示。

張力與垂直方向的夾角為，取坐標系如圖6所示，列平面任意力系的平衡方程如下：

式中：8為張緊輪左端銅帶張力，N；7為張緊輪右端銅帶張力，N；F為張緊輪水平受力，N；F為張緊輪水平受力，N；為張緊輪的質量，kg；為銅帶與張緊輪中心豎直方向的夾角，rad。

圖6 張緊輪受力圖

張緊輪摩擦力F＝M/，其中通過試驗已測出力矩M＝0.0765，＝30 mm，由此得：

由式（5）和式（8）得，F＝2.04sin；可以看出側向受力是很小的，而且壓力傳感器具有只對作用在測量輥的合力沿垂直于安裝面方向上的分解力產(chǎn)生信號。

由式（6）和式（8）得：

其中張緊系統(tǒng)自重＝16.32 N，F就是力傳感器所測量豎直方向上的分力值。

由于力傳感器有零漂，所以力傳感器在計算機里顯示的力并不等于F。兩個傳感器的零漂值分別是1330＝4.27 N和1331＝3.70 N；在銅帶沒有張力時（空載），兩個力傳感器讀數(shù)值在LMS采集系統(tǒng)顯示分別為1330＝12.72 N和1331＝11.40 N，如圖7所示。

為方便試驗，準確的銅帶張力計算如下：

式中：F1330表示型號為1330的力傳感器顯示值；F1331表示型號為1331的力傳感器顯示值。

2 試驗測試與結果分析

2.1 與張力有關的靜態(tài)測試

當試驗裝置靜止時，調(diào)節(jié)張緊裝置的頂桿，給銅帶施加張力，使工作段銅帶張力接近8＝12.47 N（工作張力）。實測力傳感器的值如圖8所示，張力與垂直方向的夾角為≈63.0°。由式（10）得8＝12.59 N。

圖8 張力時間歷程（一）

2.2 與張力有關的動態(tài)測試

試驗裝置中，銅帶的尺寸為60 mm×0.2 mm，電機轉速＝120 r/min，則銅帶的速度＝π/60＝0.471 m/s（工作速度）。通過調(diào)節(jié)張緊裝置，給定不同張力，測試運動中力傳感器的圖譜及產(chǎn)生的各種現(xiàn)象。

（1）工作張力條件下，在銅帶運行中，由于銅帶兩端輥子的平行度誤差和張緊裝置兩邊給定張力的誤差，在組裝調(diào)試后仍然會有微小跑偏情況，可以通過張緊裝置兩邊頂桿進行微度糾偏，最終力傳感器的張力值如圖9所示，從圖中可以看出銅帶的張力是波動的，但是總體還是比較平穩(wěn)的。張力波動值導入Matlab里求平均值，張力與垂直方向的夾角為≈62o,銅帶的平均張力由式（10）計算得8＝11.91 N。

電機轉速＝120 r/min時，四個轉向輥的直徑＝75 mm，張緊輪直徑＝60 mm，可求得四個大輥子轉頻f1＝2 Hz，張緊輥的轉頻f2＝2.5 Hz。通過測試，力傳感器頻譜圖如圖10所示。從圖中可以清晰地看到兩類輥子的轉頻，分別為2 Hz和2.5 Hz。

圖9 張力時間歷程（二）

（2）銅帶的速度不變，調(diào)節(jié)張緊裝置使張力增加，并通過張緊裝置兩邊的頂桿微調(diào)防止跑偏，最終力傳感器的張力值如圖11所示，從圖11中可以看出銅帶的張力波動比圖9要大一些，銅帶也出現(xiàn)比較嚴重的抖動現(xiàn)象，出現(xiàn)共振。張力波動值導入Matlab里求平均值，張力與垂直方向的夾角為≈61°，銅帶的平均張力由式（10）得8＝17.41。

圖10 力傳感器頻譜圖

圖11 張力時間歷程（三）

力傳感器頻譜如圖12所示，可以清晰地看到兩類輥子的轉頻，分別為2 Hz和2.5 Hz。

圖12 力傳感器頻譜圖（一）

（3）銅帶的速度不變，調(diào)節(jié)張緊裝置使張力繼續(xù)增加，并通過張緊裝置兩邊的頂桿微調(diào)防止跑遍，最終力傳感器的張力值如圖13所示，張力與垂直方向夾角為≈58°，銅帶的平均張力8＝32.42。

圖13 張力時間歷程（四）

力傳感器頻譜如圖14所示，從圖中可清晰地看到兩類輥子的轉頻，分別為2 Hz和2.5 Hz。

圖14 力傳感器頻譜圖（二）

3 結論

通過試驗證明：

（1）該張緊裝置可以給試驗裝置提供預定的張緊力；

（2）通過力傳感器可以測試靜態(tài)和動態(tài)的張緊力；

（3）通過微調(diào)張緊裝置的頂桿可以防止銅帶跑偏。

同時試驗裝置運行測試結果表明：輥子轉頻在力傳感器頻譜圖上顯示比較明顯，為研究試驗裝置的動態(tài)特性提供依據(jù)。

[1]帖榮俊，吳利群. 油田抽油機用帶傳動彈性張緊裝置的技術研究[J]. 機械傳動，2013，38（8）：72-74.

[2]王愛芳，劉訓濤，劉秀蓮，等. 帶式輸送機輸送帶的張緊力分析、計算及張緊裝置的選取[J]. 煤礦機械，2013，34（8）：176-178.

[3]程小平. 通用帶式輸送機自動張緊裝置的設計[J]. 煤礦機械，2017，38（6）：21-22.

[4]張亞軍. 一種新型皮帶張力計的研究和使用[J]. 機械，2018，45（11）：65-67.

[5]師建國，冷岳峰，程瑞. 機械制造技術基礎[M]. 北京：北京理工大學出版社，2016：258-297.

[6]王文軍，張學龍，朱紅發(fā)，等. 帶鋼抖動試驗裝置設計與分析[C].全國機械動力學學術大會，2011.

[7]王曉鵬. 傳感器與檢測技術[M]. 北京：北京理工大學出版社， 2016：105-113.

[8]丁潤偉，朱曉慧. Matlab基礎及應用[M]. 4版. 北京：機械工業(yè)出版社，2015：96-108.

[9]哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室. 理論力學（Ι）[M]. 北京：高等教育出版社，2002：259-279.

[10]W D Zhu，L J Teppo. Design and analysis of a scaled model of a high-rise，high-speed elevator[J]. Journal of Sound and Vibration，2003：708-729.

[11]W. D. Zhu，Y. Chen. Theoretical and experimental investigation of elevator cable dynamics and control[J]. Journal of Vibration and Acoustics，2006（128）：66-78.

Design and Testing Analysis of Multifunctional Tension Device

WANG Wenjun1，XU Peimin2

(1.Lushan College of Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou 545000,China; 2.School of Mechanical Engineering, Anhui University of Technology, Maanshan 243002, China)

A multifunctional device is designed for a testing device of steel sheets vibration in laboratory. The multifunctional device can offer tension to model sheets, measure the tension of model sheets and prevent running deviation. Including Structural design of tension device, Sensors selection and calibration, the device installation and debugging, system tension analysis. Test is carried out for LMS modal analysis system. The result of test show that the device basically realizes the preset function which can offer rated tension to model sheets, measure the tension of model sheets and prevent running deviation. In dynamic tests with tension, the frequency of rolls is obvious showed in the force sensor spectrum. When=120 r/min of motor speed and=17.41N of tension, the whole device appears obvious resonance phenomenon. The dynamic tension obtained is one of the basic data to study the rule of copper band vibration.

testing device；tension device；tension；LMS modal analysis system

TB123；TH132

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.06.012

1006－0316 (2020) 06－0074－07

2020－02－14

廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目（2019KY1104）

王文軍（1982－），男，廣西田陽人，碩士，工程師，主要研究方向為機械結構設計、機械振動與測試技術，E-mail：39628608@qq.com；

徐培民（1960－），男，陜西禮泉人，博士，教授，主要研究方向為非線性動力學、機械系統(tǒng)動力穩(wěn)定性等。