带滑动摩擦阻力液压千斤顶系统力值校准的试验研究.pdf

带滑动摩擦阻力液压千斤顶系统力值 校准的试验研究 邢怀念金立强张小鹏刘增利李达孙凯 、 李书卉 大连理工大学工程力学 系 大连1 1 6 0 2 3 摘要由于密封防泄漏的需要，液压千斤顶缸体间通常设置密封装置。在千斤顶缸体行进过程中，密封 装置会对缸体产生一定的滑动摩擦阻力。千斤顶的输出力值通常通过测量输入液压值确定，而滑动摩擦阻力会 影响输入液压值与输出力值的关系。千斤顶系统的传统力值校准方式是在刚性框架内进行 ，这种校准方式很难 体现出摩擦阻力的影响。文中提出一种新的千斤顶系统力值校准方式 ，增设可大变形垫块和视频监控录制读数 系统，可有效反映滑动摩擦阻力对力值校准的影响，同时显著减小人工读数偏差，具有较高的实用参考价值。 关键词液压千斤顶 ；力值校准 ；滑动摩擦阻力 ；试验研究 中图分类号 T H 2 1 1 T B 9 3 1 T U 7 3 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 5 1 2 0 0 9 70 4 A b s t r a c t C o n s i d e r i n g t h e r e q u i r e me n t o n l e a k a g e p r o o f ， t h e s e a l i n g d e v i c e i s s e t i n t h e h y d r a u l i c j a c k c y l i n d e r ．D u r i n g t h e m o v e m e n t o f t h e j a c k c y l i n d e r ， t h e s e a l i n g d e v i c e w i l l c a u s e c e r t a i n s l i d i n g f ri c t i o n r e s i s t a n c e t o t h e c y l i n d e r ．O u t p u t f o r c e v a l u e o f t h e j a c k i s u s u a l l y d e t e r m i r i e d b y me a s u ri n g the i n p u t h y d r a u l i c v a l u e ． T h e s l i d i n g f r i c t i o n r e s i s t a n c e w i l l a f f e c t t h e r e l a t i o n b e t we e n t h e i n p u t h y d r a u l i c v a l u e a n d o u t p u t f o r c e v alu e ． T h e t r a d i t i o n a l me t h o d t o c a l i b r a t e t h e f o r c e v a l u e o f t h e j a c k s y s t e m i s p e rf o r m e d w i t h i n t h e ri g i d j o i n t s t e e l fl a me ， a n d s u c h m e t h o d c a n h a r d l y r e f l e c t t h e e f f e c t o f t h e f r i c t i o n a l r e s i s t a n c e ．T h e p a p e r p u t s f o r w a r d a n e w m e t h o d t o c a l i b r a t e t h e f o r c e - v a l u e o f t h e j a c k s y s t e m， w h i c h a d d s v a r i a b l e s i z e d e f o rma t i o n c u s h i o n b l o c k a n d v i d e o m o n i t o r i n g r e c o r d i n g a n d r e Mi n g s y s t e m ．T h e n e w m e t h o d c a n e f f e c t i v e l y r e fl e c t t h e e f f e c t o f s l i d i n g f r i c t i o n a l r e s i s t a n c e o n c a l i b r a t i o n o f t h e f o r c e v a l u e ，s i g n i fi c a n t l y r e d u c e t h e d e v i a t i o n o f ma n u a l r e a d i n g ，a n d p r o v i d e r e f e r e n c e t o p r a c t i c a l u s e ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c j a c k ； f o r c e c a l i b r a t i o n ； s l i d i n g f ri c t i o n a l r e s i s t a n c e ； t e s t s t u a y 0 引言 液压千斤顶是一种采用柱 塞或液压缸 作为刚 性顶举件 的千斤顶 ，是实际工程 中普遍 采用 的加 载装置之一。液压 千斤顶 的工作原理 为帕斯卡定 律 ，即以液体为媒介传导压力 。为防止液体泄漏 ， 液压千斤顶工作活塞与外壳 之间通常采用密封装 置进行密封 。当千斤顶 的工作柱塞或 液压缸运动 时，密封装 置会 与工作柱塞或液压缸保 持紧密接 触 ，以防止液体 出现泄漏 。密封装置 一般与千斤 顶 的外壳 固定在一起 ，这就会对工作 柱塞或液压 缸的运动产生一定的滑动摩擦阻力。 液压千斤 顶工作系统 一般 由液压千 斤顶 、压 力泵 、管 路 、液 压指 示 器组 成。其工 作 原理 为 压力泵为千斤顶 提供 液体 ，千斤顶对施 力体施加 作用力 ，通过 与千 斤顶连通的液压指示器 如压 起重运输机械 2 0 1 5 1 2 力表等 直接或间接指示所施加 的输 出力值。 液压千斤顶工作系统一般用 于各类试验装 置 或工程结构 的力值控制。力值 控制过程往往是一 个动态过程 ，即在柱 塞或液压缸运动过程 中进行 加载。此时，液压千斤顶提供 的力 不是全部作用 于试验装置或工程结构上 ，有一部分用 于克 服滑 动摩擦阻力 。 1 传统力值校准方式及存在的问题 为保证液压 千斤顶力 值控制 的准确可靠 ，使 用前需要 对液 压千斤 顶工作 系统进 行标 定校准 。 目前 国内对液压千斤顶力值 的校准采用 J J G 6 2 1 2 0 1 2规定的方法 J 。 液压千斤顶输入液压值 与输 出力值之 间的关 系一般采用校准方程来表示 。所谓校准方程是 根 据有 限次数 的定度数据所建立 的液压千斤顶输入 ．．． 9 7 ．．． 压力值与输 出标准力值 间的关 系，一般为一次或 二次曲线。 J J G 6 2 1 --2 0 1 2规定 了校 准方 程 的测量 方 法 ， 采用框架式或串接式 仅适用于穿心式 进行校 准 ，校准点应力均 布，采用人工 目测读数 记录方 式 ，一般不少于 5个测点 ，用最小二乘 法确定输 出标准力值与输入液压值间的关系校准方程 ] 。 传统的框架式或串接式校准系统 的刚度很大 ， 在校准过程中系统变形很小。传统校准方 式存在 如下问题 1 未能充分体现滑动摩擦阻力对校准结果的 影响 液压千斤顶输 出力值 的校 准一般是在 图 1所 示的刚性框架 内进行 。框架系统 刚性 很大 ，在 液 压千斤顶的最大校准力作用下 ，框架系统变形 很 小 ，导致加力校准过程 中千斤 顶柱塞或液压缸 的 位移很小 ，无 明显运动。柱塞或液压 缸与密封装 置的滑动摩擦 阻力不 能充 分体现 出来 。因此 ，校 准结果不能充分体现滑动摩擦阻力 。其 校准结果 不能真实反 映柱 塞或液压缸处于 明显运动状态 时 液压千斤顶 的输 出力值的原因是运动 的柱塞或液 压缸需要克服滑动摩擦阻力完成工作 。校准状态 的负载效率 与柱 塞或液压缸处于 明显运动状态 时 的负载效率差别较大。 2 人工 目测读数误差较大 液压千斤顶压力指示表 读数和标准输 出力值 读数能否有效对应是直接关 系校准方 程准确度 的 关键因素之一 。 目前 ，一般 采用人工 目测读 数记 录，这种方式 不能复原 ，其 读数偏 差很大 ，尤其 读数处于较快变化时。这是因为在校准过程中，液 压千斤顶压力指示表和标准测力计指示表的指针均 处于运动变化状态 ，仅靠眼睛观察来保证两个指示 表在同一时刻的示值读数对应一致难度较大。 2改进 的力值 校准方式 基于以上分 析，对于依靠柱 塞或液压缸 的运 动来加载 的液压千斤顶 ，对 其传统力值校准方式 进行适 当的改进是必要 的，改进 的力值校准方 式 如图 1所示 。主要体现在两个方 面，一是增设 可 大变形 的弹性垫块 ，二是增设视频监控录制系统。 1 可大变形弹性垫块的设置 液压千斤顶 实际工作 时，柱塞或液压缸 处于 一 98 1 ．液压千斤顶2 ．刚性垫块 A 3 ．标准测力计 4 ． 大变形 弹性垫块5 ．刚性框架6 ． 摄像 头 A 7 ．标准测力计指示 表9 ． 管路9 ．刚性 垫块 B 1 0 ．液压千斤顶指示表1 1 ．摄像头 B 1 2 ． 通讯线路 l 3 ．电子计算机显示屏 1 4 ． 摄像头 A显示屏 1 5 ．摄像头 B显示屏1 6 ． 压力泵 图 1 改进 的液压千斤 顶校 准系统示 意图 运动状态且需要克 服滑动摩擦阻力。在校 准过程 中 ，大变形弹性垫块可 随力值的增加 而增大变形 ， 且处于持续变形状态 ，以确保柱塞或液压缸 始终 处于运动状态 ，即柱塞或液压缸始终处 于克服滑 动摩擦 阻力 的运行 状态。这样 ，校准 的结果 就会 消除滑动摩擦阻力 的影 响，进而得到柱 塞或液压 缸处于运动状态下的校准方程 。 在校准过程 中，可大变 形弹性垫 块既要保 持 大变形又要保持一定承载力 ，这就要求大变形 弹 性垫块保持一定的刚度 。大变形弹性垫块在最大 校准力 F 下 的允许最大弹性变形量要大于液压千 斤顶 的最大行程 日。 可大变形弹性垫块 的刚度 K C F ／ H 式中c为大于 1的系数 。 可大变形弹性垫块可采用弹簧等大变形弹性 元件制成 。 2 视频监控录制读数系统的设置 视频监控 录制读数 系统 可 同时 同步录制不 同 仪表的变化情况并 生成视频文件 ，通过视 频 回放 找到不同仪表在 相同时刻的对 应读数 ，从 而减小 人工 目测读数的偏差。 视频监控 录制读数 系统 由两个或 多个 高清摄 像头和计算机采集 显示 系统组成。其 中一个摄像 头对准标准测力计 的指示仪表 ，另外一 个摄像头 对准液压千斤顶 的指示仪 表。这两个摄像 头显示 的画面同时显示 在同一计算机屏幕上 ，采用摄像 起重运输机械 2 0 1 5 1 2 录制工具对这两个摄像 头 的视频画面进行 同步录 制 ，将整个校准过程 中指 示表的变化拍摄成 视频 文件 。校准结束后 ，回放该视 频文件 ，可在 任何 时刻截取 画面 ，读取标 准测力计指示表 与液 压千 斤顶指示表的一一对应的读数 。 在液压千斤顶 校准过程 中，若柱塞 或液压缸 运行速度过快 ，人 工很难准确读 数。视频 监控录 制读数系统可 以在校准结束后 以慢速 回放 的形式 读数 ，且回放过程可 以在任 意位置停止 ，在静止 画面上读数 ，可 大大减少 读数偏差 。另外 ，可利 用辅助读图软件读数 ，使读数更加准确。 3案例分析 在实验室 ，选取 Y D C一1 5 0 0型穿心式 液压千 斤顶进行力 值校准试 验。该 千斤顶 的参数如 表 1 所示 。 表 1 液压千斤顶参数 额定油压 5 0 外形 ,／ 2 7 0 X 3 3 8 ／ MP a ／ mm xra m 额定 载荷／ k N l 5 0 0 最大行程／ mm 2 0 0 张拉缸面积／ m m 3 0 2 5 7 回程油压／ MP a 1 O 密封 圈材料 聚氨酯 质 量／k g 9 1 该校准试验 加载方式为框架 式。采用准确 度 等级 为 1级 的压力表 显示液压 千斤顶 的压力值 。 压力表最小分度值为 1 M P a ，最大量程为 6 0 MP a 。 采用准确度等级为 0 ． 3级的标准测力仪显示输出力 值 。校准过程分两种工况进行 ，分别为传 统校准 方式和改进 的校准方式。分别测 量 3次 ，取其平 均值进行分析 ，具体试验结果如表 2所示。 表 2 校准试验结果 传统的校准方式 改进的校准方式 标准测力仪读数 刚性垫块 、人工 目测读数 可变形垫块、视频监控录制读数 X ／ k N 压力表读数 压力表读数 第 1次 第 2次 第 3次 平均 第 1次 第 2次 第 3次 平均 3 0 0 9 ． 2 9 ． 6 9 ． 2 9 ． 3 1 O ． 2 1 0 ． 3 1 O ． 3 l 0 ． 3 6 o 0 1 8 ． 4 l 8 ． 2 1 8 ． 4 1 8 ． 3 l 9 ． 2 l 9 ． 2 l 9 ． 3 1 9 ． 3 9 0 0 2 7 ． 6 2 7 ． 2 2 7 ． 2 2 7 ． 3 2 8 ． 2 2 8 ． 2 2 8 ． 2 2 8 ． 2 1 2 0 0 3 6 ． 5 3 6 ． 1 3 6 ． 4 3 6 ． 3 3 7 ． 2 3 7 ． 3 3 7 ． 3 3 7 ． 3 1 5 0 o 4 5 ． 2 4 5 ． 0 4 5 ． 2 4 5 ． 1 4 6 ． 2 4 6 ． 2 4 6 ． 2 4 6 ． 2 校准方程 y l 0 ． 0 2 9 8 7 X 0 ． 3 8 0 0 ． 0 2 9 9 3 X十 1 ． 3 2 0 由表 2可知 ，相 同的输 出力值 下 ，改进校 准方式下的压力表读数 y 2 极差最大值为 0 ． 1 MP a ， 最大值误差为 3 ． 2 ％；而传统校准方式下的压力表 读数 极 差 最大值 为 0 ． 4 MP a ，最 大值 误差 为 0 ． 9 7 ％。由此 可见 ，采用 视频监控 录制读数 方式 的结果离散度 比人工 目测读数方式小。 对 比表 2中两个 校准方程 可 以发现 ，相 同输 出力值 下 ，传统校准方式下的压力表读数 】 ， ．比 改进校准方式下的读数 y 2 小。其原 因是 采用可 大变形垫块后 ，液压 千斤顶的柱塞或液压 缸在校 准过程 中处于 明显持续 的运 动状态 ，需要损 失部 分液压来克服滑动摩擦 阻力 ，进而在相 同液压下 起重运输机械 2 0 1 5 1 2 输出力值偏小。 4 结论 试验表明 ，当液压千斤 顶 的柱塞 或液压缸 在 液压作用下处于 明显移动状态 时，缸体间密封装 置会对 柱塞或 液压缸 产生 明显 的滑动摩擦 阻力 。 此时，采用刚性装置确定输入压力与输出力值间 的校准方程具有一定 的偏差 ，这主要是 因为校 准 过程 中柱塞或液压缸在液压作用下没有处于明显 移动状态所致。 在传统刚性框架 校准 系统 的基础上 ，增设 可 大变形垫块 ，使液压千斤顶的柱塞或液压缸在校 一 9 9 基于神经网络的起重机运行可靠性状态监测 禹建丽 周瑞芳 1郑州航 空工业管理学院 郑州4 5 0 0 4 6 2中原工学院 郑 州4 5 0 0 0 7 摘 要利用 B P神经网络研究起重机运行可靠性状态监测，建立塔式起重机运行状态在线监测的神经网络 模型，并对模型的稳定性进行实验研究。结果表明，神经网络模型可以对塔式起重机的运行状态进行准确的判 断，对故障进行有效预测，为提高起重机运行的可靠性和安全性提供有效的技术支撑。 关键词塔式起重机；B P神经网络 ；状态监测 ；模型 中图分类号 T H 2 1 3 ． 3 T P 2 7 7 文献标识码 A 文章编 号1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 5 1 2～ 0 1 0 0 0 6 Ab s t r a c tBP n e ur a l n e t wo r k i s us e d t o s t ud y t he s t a t u s mo n i t o rin g o n c r a ne o pe r a t i o n r e l i a bi l i t y ．The n e u r a l ne t wo r k mo d e l i s d e v e l o p e d f o r o n l i n e mo n i t o ri n g o f c r a n e o p e r a t i o n r e l i a b i l i t y，w i t h t e s t s t u d y o n s t a b i l i t y o f t h e mo d e 1 ．T h e r e s u h s h o w s t h a t t h e n e u r a l n e t w o r k mo d e l c a n p r e c i s e d e t e r mi n e t h e o p e r a t i n g s t a t u s o f t h e t o w e r c r a n e a n d e f f e c t i v e l y p r e d i c t f a u l t ，p r o v i d i n g t e c h n i c a l s u p p o r t t o r e l i a b l e a n d s a f e o p e r a t i o n o f t h e c r a n e ． Ke ywo r dsc r a n e；BP n e ur a l n e t wo r k；s t a t us mo ni t o r i n g；mo d e l 0 引言 起重机作 为工业 生产 中的大型机械设备 ，其 单机的工作 范围、起 重能力及监控水平不 断向大 型化和 自动化方 向发展 。由于起重机 自身结构 和 工作特点 ，决定 了它是一种蕴藏较大危 险因素的 施工机械。保 证起 重设 备 的可靠性 工作、监测起 重机运行状态 、对起重 机的故 障进行诊断 ， 成为起重机研究领域 的重点 内容之一。人工神 经 网络技术由于其具有较好的非线性映射 、自主学 习以及泛化 能力 ，可应用 于解决复杂 系统特别是 非线性系统 的建模 问题 。罗跃纲 等利用 神经 网络 综合诊断起 重机筒形支柱 的损伤 ，韩 军利用神 经网络技术 诊断桥式起重机轴承故 障 J ，尚敬强 等利用神经网络进行塔式起重机 以下简称塔机 的故障诊断 ，均得 到了较好 的应用效果 。本 文 用神经网络方法建立塔机 可靠性运行状态 的在线 监测模 型，并对模型 的稳 定性进行实验研 究。结 果表明 ，B P神经 网络模型可以对塔机的运 行状态 进行准确的判断，对故障进行有效 的预测 ，从 而 河南省 自然科学基金项 目资助 1 4 2 1 0 2 2 1 0 0 7 7，1 4 2 1 0 2 2 1 0 1 0 5 、郑州市科技攻关项 目资助 1 3 1 P P T G G 4 1 8 2 准 过程 中处 于 明显 移 动 状 态 ，此 时 获 得 的校 准方 程能有效消除密封装置所引起 的滑动摩擦 阻力 的 影响。 采用视频监控录制读数 系统记 录压力表 和标 准测力仪 的读数 ，代替人工 目测方式读 数 ，可显 著减小读 数误差 ，提 高读数 的准确度。另外 ，回 放录制的视频还可 以实现校 准过程 的溯源 ，这是 人工 目测读数方式无法实现的。 参 考文献 [ 1 ]曹传剑 ，逯振 国，宋慧 ，等 ．多级 液压 千斤顶 的设 计 [ J ] ． 起重运输机械，2 0 1 4 1 1 3 2 ，3 3 ． 一 l 0 O 一 [ 2 ] 国家质量监 督检验 检疫总 局 ． J J G 6 2 1 2 0 1 2 液压 千 斤顶检定规程[ S ] ． 北京中国计量出版社，2 0 1 2 ． [ 3 ]黄仕源 ． J J G 6 2 1 --2 0 1 2 液压千斤顶检定规程 解读 [ J ] ． 中国计量，2 0 1 3 6 1 2 0 ，1 2 1 ． [ 4 ]万滔，李晓川，廖艳春 ．基于 E x c e l 的液压千斤顶检 定数据处理及结果判定 [ J ] ． 计量与测试技术，2 0 1 4 ， 41 1 035 ． 作 者 邢 怀念 地 址 大连理工大学工程力学系 邮 编 1 1 6 0 2 3 收稿 日期 2 0 1 50 61 9 起重运输机械 2 0 1 5 1 2