電阻應(yīng)變計(jì)在軋機(jī)伺服液壓缸測試中的應(yīng)用

尹丹，陳新元，鄧江洪，李鵬，李濤

(武漢科技大學(xué)機(jī)械自動化學(xué)院，湖北武漢430081)

在現(xiàn)代冶金企業(yè)中，軋機(jī)伺服液壓缸是軋機(jī)液壓AGC 系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，需要定期進(jìn)行檢修，以保證產(chǎn)品質(zhì)量和節(jié)約生產(chǎn)成本。液壓AGC 測試系統(tǒng)可以有效地對伺服液壓缸性能進(jìn)行試驗(yàn)，近年來得到了廣泛的應(yīng)用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

軋機(jī)用大型伺服液壓缸具有軋制力大、行程短、頻率響應(yīng)高等特點(diǎn)，我國現(xiàn)有AGC 測試系統(tǒng)尚不能完全滿足其試驗(yàn)要求［1－3］。為此，文中在原某型液壓AGC 測試系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過間接測量伺服液壓缸活塞桿位移，研究測試伺服液壓缸性能參數(shù)的新方法。

1 原測試系統(tǒng)的構(gòu)成與瓶頸

原液壓AGC 測試系統(tǒng)主要由伺服缸、電液伺服閥、位移傳感器、壓塊、伺服放大器、動態(tài)測試儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、CAT 系統(tǒng)、加載油源、閉式機(jī)架等組成。

該測試系統(tǒng)可以試驗(yàn)0.01 ～20 Hz 的伺服液壓缸動態(tài)性能，但實(shí)際使用時(shí)由于下述兩方面原因，僅能完成0.01 ～10 Hz 的伺服液壓缸動態(tài)性能試驗(yàn)。

一方面，因?yàn)橐簤篈GC 測試系統(tǒng)需要測試各種型式的伺服油缸，位移傳感器是通過磁力表架吸附在伺服缸體上的，具有通用性。這種緊固方式既便于安裝與拆卸，又不會損壞伺服油缸，但在伺服油缸高頻振動時(shí)變得很不牢固，振動產(chǎn)生的干擾信號使位移傳感器輸出信號嚴(yán)重失真，無法準(zhǔn)確反映伺服油缸的活塞桿位移。

另一方面，位移傳感器靈敏度有限，試驗(yàn)時(shí)由于干擾信號強(qiáng)烈，為獲得有效的位移信號，須增大伺服缸的振幅，使其振幅達(dá)到毫米級，而伺服液壓缸實(shí)際工作時(shí)的振幅是微米級。由于軋機(jī)伺服油缸的缸徑一般很大，要模擬伺服油缸高頻振動的工況，在毫米級振幅測試時(shí)需要功率很大的油源和大流量的電液伺服閥才能滿足試驗(yàn)條件，極大地增加了測試系統(tǒng)的成本，又使得模擬加載與伺服油缸實(shí)際工況偏差較大。

2 改進(jìn)方案與仿真

2.1 新方案原理

軋機(jī)AGC 測試系統(tǒng)的基本構(gòu)成是閉式機(jī)架+加載伺服缸。在模擬加載過程中，閉式機(jī)架在彈性變形范圍內(nèi)隨伺服液壓缸活塞桿位移發(fā)生變形。這種變形是相對固定的，而機(jī)架的變形又和其應(yīng)變是唯一對應(yīng)關(guān)系［4］，所以可以通過測量機(jī)架的應(yīng)變間接測量伺服液壓缸活塞桿伸出量。

閉式機(jī)架的變形較復(fù)雜，無法用簡單的物理模型進(jìn)行計(jì)算。文中采用ANSYS 對機(jī)架進(jìn)行有限元分析，找出機(jī)架應(yīng)變與機(jī)架變形的關(guān)系，分析得出可供實(shí)驗(yàn)的應(yīng)變測點(diǎn)，進(jìn)而得出機(jī)架應(yīng)變和伺服液壓缸活塞位移的關(guān)系。

2.2 機(jī)架的有限元分析

機(jī)架具有對稱性，采用1/2 模型進(jìn)行有限元分析。該模型使用六面體單元SOLID45，實(shí)體模型和網(wǎng)格劃分在其他軟件中完成，總共劃分了16 016 個(gè)單元，19 209 個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。機(jī)架材料為ZG270-500(35 號鑄鋼)，屈服極限δS=270 MPa，彈性模量E=200 GPa，泊松比μ=0.3。

圖1 機(jī)架有限元網(wǎng)格劃分

機(jī)架通過底座上4 個(gè)螺栓孔固定在地面上，在有限元模型中施加適當(dāng)約束，然后分別在上梁下表面和下梁上表面中央位置施加環(huán)形區(qū)域的均布載荷［5－6］。經(jīng)計(jì)算，機(jī)架的等效應(yīng)變云圖如圖2所示，等效位移云圖如圖3所示。

圖2 機(jī)架應(yīng)變云圖

圖3 機(jī)架位移云圖

由圖2 可以看出:機(jī)架應(yīng)變較大的地方出現(xiàn)在上、下梁中部和立柱靠近上、下梁的內(nèi)外側(cè)。由圖3可以看出:機(jī)架變形最大的是上、下梁中間。作者認(rèn)為，機(jī)架變形最大的上梁與下梁中間節(jié)點(diǎn)的位移差與伺服液壓缸活塞桿位移相同，將其作為位移測點(diǎn)。選取應(yīng)變明顯、應(yīng)變片粘貼方便、位于立柱靠近上梁的內(nèi)外側(cè)表面中點(diǎn)作為應(yīng)變測點(diǎn)。位移測點(diǎn)和應(yīng)變測點(diǎn)的位置分布如圖4所示。

圖4 機(jī)架測點(diǎn)位置分布

利用ANSYS 中的瞬態(tài)動力學(xué)分析模塊，在有限元模型中虛擬加載，得到兩個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)高度方向上應(yīng)變的絕對值之和與兩個(gè)位移測點(diǎn)高度方向上位移差的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 仿真應(yīng)變－位移曲線

從圖5 可以看出:仿真模型中應(yīng)變測點(diǎn)處的應(yīng)變與位移測點(diǎn)處的位移是線性相關(guān)的。

3 實(shí)驗(yàn)方案與結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由原軋機(jī)AGC 測試實(shí)驗(yàn)臺、電阻應(yīng)變片、靜態(tài)電阻應(yīng)變儀三部分組成。圖6 為其外觀圖，主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)見表1。

圖6 實(shí)驗(yàn)設(shè)備外觀

表1 主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備參數(shù)

實(shí)驗(yàn)采用箔式應(yīng)變片代替位移傳感器。與位移傳感器相比，箔式應(yīng)變片的主要優(yōu)點(diǎn)為:箔式片均為膠基，粘貼牢固，蠕變和機(jī)械滯后小;箔式片的靈敏度很高，且動態(tài)響應(yīng)特性好［7］。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用靜態(tài)逐點(diǎn)測量的方法測定閉式機(jī)架測點(diǎn)處應(yīng)變與伺服液壓缸活塞桿位移的關(guān)系。

機(jī)架的兩個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)各布置兩塊電阻應(yīng)變片，一塊橫片加一塊豎片，總共4 塊。4 塊電阻應(yīng)變片組成全橋測量電路，如圖7所示。全橋四臂接法可以提高測量靈敏度，其中只有兩塊豎片為工作應(yīng)變計(jì)，兩塊橫片起溫度補(bǔ)償作用。伺服缸的活塞桿位移由內(nèi)置位移感器輸出。

圖7 電橋線路

AGC 測試系統(tǒng)伺服液壓缸測試部分液壓原理圖如圖8所示。

圖8 液壓原理圖

實(shí)驗(yàn)時(shí)先調(diào)定伺服缸有桿腔背壓，無桿腔壓力從2 MPa 到20 MPa 之間每隔0.5 MPa 逐級調(diào)節(jié)，同時(shí)記錄有桿腔壓力、無桿腔壓力、位移、應(yīng)變4 項(xiàng)數(shù)據(jù)。重復(fù)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方案的可重復(fù)性。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:機(jī)架應(yīng)變測點(diǎn)處的應(yīng)變與伺服液壓缸活塞桿位移有良好的線性關(guān)系，且具有很好的重復(fù)性，與有限元分析得到的結(jié)果相符合。ANSYS 仿真的應(yīng)變－位移曲線與重復(fù)實(shí)驗(yàn)得到的應(yīng)變－位移曲線對比如圖9所示。

圖9 仿真曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線對比

由圖9 可以看出:實(shí)驗(yàn)曲線與仿真曲線存在一定的偏差，主要原因在于機(jī)架的有限元模型與機(jī)架實(shí)際結(jié)構(gòu)相比有所簡化。

4 結(jié)束語

利用電阻應(yīng)變計(jì)抗干擾強(qiáng)、動態(tài)響應(yīng)特性好、靈敏度高的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了間接測量伺服液壓缸位移的測試方案，并對機(jī)架模型進(jìn)行了有限元仿真，指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)際標(biāo)定了靜態(tài)時(shí)機(jī)架測點(diǎn)處應(yīng)變與伺服液壓缸活塞桿位移的關(guān)系，為開發(fā)新型軋機(jī)伺服液壓缸動態(tài)性能測試技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

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