100t·m 大型對(duì)擊錘打擊能量測(cè)量

鮑宏偉

（中國第二重型機(jī)械集團(tuán)德陽萬航模鍛有限責(zé)任公司，四川 德陽618000）

100t·m 對(duì)擊錘，最大打擊能1MJ，相當(dāng)于4 萬噸壓機(jī)的能量，有亞洲第一錘的美譽(yù)。從1982 年投產(chǎn)以來，已使用30 余年。在大型壓機(jī)上線前，為國家航空工業(yè)提供大量鈦合金、高溫合金等優(yōu)質(zhì)鍛件。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，100t·m 對(duì)擊錘打擊能量從未做過具體測(cè)量。由于打擊能量不確定，造成同一產(chǎn)品在100t·m 對(duì)擊錘上生產(chǎn)時(shí)鍛造火次不一致，尤其是在生產(chǎn)高壓渦輪盤等對(duì)打擊能量要求高的產(chǎn)品時(shí)，可能會(huì)造成產(chǎn)品質(zhì)量問題。

100t·m 對(duì)擊錘作為萬航模鍛的主打設(shè)備，每年承擔(dān)3～4 億元產(chǎn)值的鍛件。而對(duì)于設(shè)備主要參數(shù)打擊能量卻沒有數(shù)據(jù)上的監(jiān)控。面對(duì)各主機(jī)廠用戶提出的數(shù)據(jù)化支撐需求，缺乏實(shí)際數(shù)據(jù)依據(jù)則十分被動(dòng)。隨著現(xiàn)代管理水平和要求的提升，打擊能量必須做到數(shù)據(jù)化和測(cè)量可控化。

1 測(cè)量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

100t·m 對(duì)擊錘現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，測(cè)量難度大。①傳統(tǒng)依靠傳感器進(jìn)行測(cè)量，因100t·m 對(duì)擊錘振動(dòng)大，如果連續(xù)沖擊可能損壞或震掉傳感器，導(dǎo)致測(cè)試失敗；②錘頭溫度150℃以上，水蒸氣溫度達(dá)到180℃，需定制高溫型傳感器；③因錘頭上有高溫水蒸氣和冷凝水，需要對(duì)傳感器和線路進(jìn)行防水處理。傳感器測(cè)量范圍0～10m/s。需要對(duì)測(cè)量儀器和線路進(jìn)行防水處理。另外，儀器需要連接線路，在設(shè)備運(yùn)行過程中，鍛錘擺動(dòng)，可能出現(xiàn)攪在一起或拉斷的問題，風(fēng)險(xiǎn)分析較高；④由于100t·m 對(duì)擊錘屬于低速運(yùn)動(dòng)，在0～5m/s 之間，而鍛錘在接觸一瞬間即進(jìn)行分開動(dòng)作，如何準(zhǔn)確捕捉鍛造瞬間最大打擊能量，難度非常大。

2 確定打擊能量測(cè)量方案

通過了解，目前有使用工業(yè)相機(jī)進(jìn)行測(cè)速的案例，并且綿陽空氣動(dòng)力研究所進(jìn)行過低速風(fēng)動(dòng)的測(cè)定。因此，利用工業(yè)相機(jī)進(jìn)行打擊能量數(shù)據(jù)化測(cè)定。通過三維成像技術(shù)，利用兩個(gè)高速相機(jī)對(duì)100t·m 對(duì)擊錘下落過程進(jìn)行圖像采集。圖像數(shù)據(jù)傳送至計(jì)算機(jī)后，由軟件對(duì)圖像進(jìn)行提取特征、三維重構(gòu)和速度計(jì)算等處理，得出100t·m 對(duì)擊錘的最大速度，最終確定打擊能量。

由于100t·m 對(duì)擊錘工況存有發(fā)光紅件和蒸汽煙塵可能影響測(cè)量結(jié)果，實(shí)際單點(diǎn)測(cè)量誤差高度方向約為±0.9mm，擬使用4000 幀/s 的速度進(jìn)行拍攝，2s 拍攝采集8000 張圖像。另外，因設(shè)備振動(dòng)大，使用專用減震裝置安裝在工業(yè)相機(jī)底部，防止因振動(dòng)出現(xiàn)測(cè)量誤差。

經(jīng)評(píng)估利用圖像采集提取和三維重構(gòu)技術(shù)，受現(xiàn)場(chǎng)震動(dòng)影響較小，測(cè)量結(jié)果更為可靠。

同時(shí)，確定必須具備兩個(gè)條件方使測(cè)量結(jié)果更為準(zhǔn)確：①尋找大功率（1000W）直流光源；②測(cè)量時(shí),對(duì)擊錘所加工的產(chǎn)品為使用脫膜材料較少的產(chǎn)品。為此，選擇光源為LED 直流射燈（1000W），至12 時(shí)采集兩組有效數(shù)據(jù)。如圖1 所示。

圖1 相機(jī)測(cè)量并采集圖像數(shù)據(jù)

根據(jù)標(biāo)記點(diǎn)的三維坐標(biāo)隨時(shí)間變換的離散數(shù)據(jù)，擬合標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)與時(shí)間關(guān)系的曲線，然后對(duì)擬合曲線求導(dǎo)，計(jì)算各時(shí)刻鍛錘的速度。為了提高速度計(jì)算精度，在設(shè)備布置10 個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，計(jì)算數(shù)據(jù)取平均值。如圖2 所示。

圖2 計(jì)算機(jī)對(duì)采集的圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)分析

3 100t·m 對(duì)擊錘錘頭速度測(cè)量具體步驟

3.1 檢測(cè)條件

如圖3 所示為PowerTrack 動(dòng)態(tài)三維變形測(cè)量系統(tǒng)。相機(jī)、鏡頭和其他具體參數(shù)如下：

相機(jī)分辨率/像素 1280×1024

像元大小/μm 10

圖3 測(cè)量系統(tǒng)

相機(jī)幀率/fps 4000

鏡頭焦距/mm 24

基線距離/m 1.6

測(cè)量距離/m 5.4

測(cè)量視場(chǎng)/m×m 3×2.4

3.2 檢測(cè)過程

3.2.1 標(biāo)定

在測(cè)量前，首先使用十字標(biāo)尺對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，拍攝24 幅不同姿態(tài)的十字標(biāo)尺（圖4）圖像，然后解算相機(jī)的內(nèi)外部參數(shù)，并以圖像逆向投影誤差表示標(biāo)定精度，其中相機(jī)標(biāo)定精度如表1 所示。最終解算出來相機(jī)標(biāo)定精度為0.035 像素，滿足檢測(cè)精度要求。

圖4 十字標(biāo)尺

表1 相機(jī)標(biāo)定精度

3.2.2 粘貼標(biāo)志點(diǎn)

如圖5 所示粘貼標(biāo)志點(diǎn)，根據(jù)作用不同，粘貼的標(biāo)志點(diǎn)可以分為2 類：

（1）參考點(diǎn)。由于鍛壓機(jī)工作狀態(tài)時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，對(duì)檢測(cè)精度有較大影響，因此需要消除振動(dòng)對(duì)檢測(cè)的影響。圖5 中第一類標(biāo)志點(diǎn)——參考點(diǎn)，粘貼在鍛壓機(jī)固定支座上。由于鍛壓機(jī)固定支座在鍛壓過程中可以認(rèn)為是靜止的，因此，可以通過支座上三個(gè)以上的參考點(diǎn)建立世界坐標(biāo)系，進(jìn)而消除振動(dòng)對(duì)測(cè)量精度的影響。

（2）測(cè)量點(diǎn)。圖5 中第二類標(biāo)志點(diǎn)——測(cè)量點(diǎn)，粘貼在鍛壓機(jī)擊錘上。擊錘的速度可以通過追蹤關(guān)鍵點(diǎn)的位移來計(jì)算。

3.2.3 采集圖像

圖5 標(biāo)志點(diǎn)分布

完成上述準(zhǔn)備工作后，調(diào)整光源的位置，確保相機(jī)能清晰捕捉標(biāo)志點(diǎn)，在鍛壓機(jī)連續(xù)打擊第15 錘之后，擊錘速度才能達(dá)到最大，然后開始采集圖像，記錄擊錘的打擊過程，測(cè)試過程中共記錄了2 次擊錘打擊過程。

3.2.4 結(jié)果分析

將采集的圖像導(dǎo)入PowerTrack 軟件進(jìn)行處理，解算出關(guān)鍵點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)，然后對(duì)空間點(diǎn)的位移進(jìn)行擬合，并對(duì)擬合曲線進(jìn)行求導(dǎo)，從而得到速度—時(shí)間曲線。

3.3 檢測(cè)結(jié)果

圖6 所示為第一組測(cè)試的測(cè)量數(shù)據(jù)和擬合數(shù)據(jù)圖，圖7 為第一組的速度—時(shí)間曲線圖。圖8、圖9 為第二組測(cè)試的結(jié)果曲線圖。最終得到三組圖像擊錘最大速度結(jié)果如表2 所示。

圖6 第一組P1 關(guān)鍵點(diǎn)s-t 曲線圖

圖7 第一組拍攝圖像計(jì)算的v-t 曲線圖

圖8 第二組P1 關(guān)鍵點(diǎn)s-t 曲線圖

圖9 第二組拍攝圖像計(jì)算的v-t 曲線

表2 擊錘最大速度

最終測(cè)得兩組數(shù)據(jù)，一組為2.922m/s，第二組為3.078m/s，說明書注：100t·m 對(duì)擊錘最大打擊速度為3m/s，名義打擊能量為1000000J。

對(duì)擊錘的規(guī)格用打擊能量表示，打擊能量等于上下錘頭對(duì)擊時(shí)的動(dòng)能之和。

對(duì)擊錘擊打前瞬間的總能量為

式中：v1——上錘頭打擊瞬間速度；

v2——下錘頭打擊瞬間速度；

m1——上運(yùn)動(dòng)部分質(zhì)量，m1＝115t；

m2——下運(yùn)動(dòng)部分質(zhì)量，m2＝115t。

因上、下錘頭連通同一個(gè)密封油缸，壓強(qiáng)相同，柱塞面積和質(zhì)量相同，因此確定V1=V2。

根據(jù)數(shù)據(jù)，確定鍛錘最大打擊能量Ed=1089519.66J

兩組數(shù)據(jù)平均打擊能量為En=1035699.66J,滿足打擊能量1000000J 的要求。

4 結(jié)束語

為監(jiān)控100t·m 對(duì)擊錘打擊能量的穩(wěn)定性，需要定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行打擊能量測(cè)量，保證設(shè)備良好運(yùn)行，為生產(chǎn)提供更加有力的保障。使用工業(yè)相機(jī)和成像技術(shù)測(cè)量打擊能量，在國內(nèi)尚屬首次，也為國內(nèi)同行業(yè)打擊能量測(cè)量開辟了新的方向。