一種新型大型水壓機立柱應力測試系統?

陳 暉, 譚建平, 龔金利, 劉石梅

(1.中南大學機電工程學院 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,立柱為細長桿結構,是整個水壓機設備的最薄弱環節[1]。在水壓機的鍛壓生產過程中,特別是在水壓機橫梁傾斜或承受偏心載荷的情況下,立柱受力狀態極為復雜[2]。為了充分發揮水壓機的潛力,使水壓機安全可靠地運行,有必要對立柱建立應力監測及報警裝置。郁宏[3]采用電阻應變片,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行了應力測試與分析,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片應變片,利用動態應變儀,通過光線示波器,得出了立柱的應力曲線。黃明輝[5]采用電渦流傳感器對100 MN模鍛水壓機立柱應力進行測試,建立了 100 MN多向模鍛液壓機的應力監測及保護系統。以上傳統方法存在以下兩個方面的不足:a.由于水壓機現場潮濕,工作環境惡劣,長時間工作時其檢測元件——應變片的粘貼質量難以保證,致使使用一段時間后,應變片出現粘貼不牢甚至脫落的現象,而應變片的重貼和維護須在停機狀態進行,嚴重妨礙了生產;b.測試傳輸信號為模擬信號,由于設備龐大,信號傳輸距離遠,現場干擾嚴重,信號在輸送過程中容易受到外界和通訊系統內部的各種噪聲干擾,從而導致應力測試信號不準確。為實現水壓機惡劣環境下立柱應力的高可靠性測試,有必要采用新型的應力測試手段。目前國內外學者在非接觸數字測量方面進行了較為深入的研究和應用[6-11],筆者借鑒這一思想,考慮大型水壓機特殊的工作環境,提出了一種新型的非接觸數字式水壓機立柱應力測試系統。

1 系統原理及構成

1.1 檢測原理

在水壓機鍛壓生產過程中,特別是在活動橫梁傾斜或承受偏心載荷等情況下,立柱除受拉伸應力外,往往還承受活動橫梁對立柱的側向推力,其所受總應力為拉伸應力和彎曲應力的疊加,而在靠近固定橫梁基座的立柱根部,其所受總應力最大[12]。為了監測水壓機工作時立柱的最大危險應力,將應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,整個測試系統共設 16個測點。該系統基于“測位式”應力檢測思想,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生拉伸微變形,產生應力為e,則有應變

圖1 測位型立柱應力監測原理圖

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,可以得到立柱應力e與傳感器所測位移Δ W之間的關系

則可通過測量立柱微變形求得立柱的應力值。

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,當被測體金屬導體靠近探頭時,將在金屬表面產生渦流效應,渦流效應引起探頭線圈等效阻抗的變化,并由內部電路將其轉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系,從而可實現由機械位移線性轉換成輸出電壓的變化。

圖2 非接觸微位移測量原理

1.2 數字化實現

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

圖3 Profibus信號轉換原理圖

1.3 系統構成

系統構成如圖 4所示,它由傳感器、Profibus數字轉換模塊、可編程控制器結合上位機的兩級監測系統組成?？删幊炭刂破魍瓿蓱y試系統的信號采集、信號轉換和應力超限報警判斷等功能,上位計算機監控系統完成立柱應力狀態監測、數據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。

圖4 測試系統結構框圖

2 試驗測試

2.1 試驗目的和儀器

試驗目的是測試系統的精度、線性度以及系統在大型水壓機特殊環境下的適應能力。儀器有:ZAGA電渦流傳感器(量程 2 mm)、西門子 S7300PLC,PC機、Profibus總線轉換模塊、1 m和 50 m兩種不同長度的 Profibus工業現場總線、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profibus轉換模塊轉換成12位數字信號(范圍為0～4 095,其中0對應于位移傳感器輸出0 mm,4 095對應于位移傳感器滿量程輸出2 mm),測試信號通過profibus工業現場總線傳送到 PLC和上位機系統中,上位機通過西門子 WinCC軟件以 10 Hz的速率采集存儲測試數據。對數據進行分析,繪制不同測試條件下的傳感器輸出特性曲線,測試系統的各項性能。

圖5 試驗系統示意圖

2.3 結果與分析

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行標定測試,檢驗其精度和線性度。圖6截取的為標定數據中傳感器線性范圍內的中間一小段,測試數據表明,傳感器檢測精度為1μ m左右,換算成應力檢測精度為 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進行測試。外界磁場通過放置在傳感器探頭附近的電磁鐵產生,傳感器探頭處的磁感應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生了右移。這是因為不同材料的磁效應和渦流效應不同,且外部強磁場會影響電渦流效應,從而影響傳感器特性。

圖6 精度及線性度測試

圖7 被測體金屬材質及外界磁場的影響

3)被測體金屬材料銹蝕的影響?？紤]到水壓機現場潮濕惡劣的工業現場環境,有必要測試被測體金屬表面銹蝕對檢測系統的影響,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進行測試。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。故實際應用時,傳感器被測體金屬建議采用不銹鋼等耐腐蝕材料。

4)傳輸距離及工作環境水、油污、粉塵的影響。在 300 MN模鍛水壓機工廠環境中測試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的影響,以測試檢測信號在現場環境下的遠距離傳輸能力。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,長時間進行數據觀察記錄,測試工廠環境中的水、油污和粉塵對檢測元件的影響。測試結果如圖9所示,在 300 MN模鍛水壓機工廠環境中測試的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,檢測數據與無干擾情況下保持一致,證明系統具很強的抗環境干擾能力。

圖8 傳感器被測金屬表面銹蝕的影響

圖9 傳輸距離及環境污染的影響

5)環境溫度的影響。將檢測系統分別在 25°C,50°C,65°C環境溫度下進行測試,傳感器輸出特性曲線如圖10所示。測試結果表明,環境溫度對檢測結果存在一定影響,環境溫度升高時,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兩種溫度下測量數據的最大偏差為6.7%。

圖10 環境溫度的影響

3 工程應用

將新型立柱應力測試系統應用于 300 MN模鍛水壓機。為驗證測試效果,在300 MN模鍛水壓機現場進行平整模具無偏載加壓(立柱只受拉伸力,不受側推附加應力),通過上位機采集記錄立柱應力數據曲線并與理論計算值進行對比。

實際測量值為:水壓機以210 MN壓力無偏載連續3次加壓,結果如圖 11所示,加壓時水壓機立柱應力e1約為 44 MPa。

圖11 現場實測立柱應力曲線

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

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,系統運行近6個月來,傳感器工作穩定,未出現數據異常現象。

4 結 論

1)針對傳統的基于電阻應變片應力測試手段難以適應水壓機潮濕、惡劣的現場工作環境的問題,提出一種“測位型”非接觸式應力測試方法,其系統構成簡單,安裝維護方便。

2)針對水壓機檢測信號傳輸距離遠、現場干擾嚴重等問題,基于Profibus數字通訊技術,改傳統“模擬式”系統為“數字式”測試系統,測試表明,該數字式系統能夠實現水壓機惡劣環境下的立柱應力信號遠距離傳輸。

3)該檢測系統檢測精度較高,工作環境中的水、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,外界強磁場及環境溫度對測量精度有一定影響。實際應用時,傳感器被測體金屬建議采用不銹鋼等耐腐蝕材料,且應盡量使檢測系統遠離強磁場的作用范圍,或采取屏蔽措施使其產生的影響最小。環境溫度過高時還應對檢測結果進行溫度補償修正。

5)將新型應力測試系統應用于 300 MN水壓機,獲得了大量水壓機加壓立柱應力測試數據,長時間的現場可靠運行進一步驗證了系統的可行性。

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