预应力框架大型液压机拉杆预紧力非缓解测量研究.pdf

第 4 6 卷 第 2 2期 2 0 1 0 年1 1月 机械工程学报 J OURNAL OF M ECHANI CAL ENGI NEERI NG Vo 1 46 NO V． N O． 22 2 0 1 0 DoI l 0 ． 39 01 ／ J M E． 2 0 1 0． 2 2． 0 7 0 预应力框架大型液压机拉杆预紧力 非缓解测量研究 唐景林 李志明 马丽霞 万远钢 。 1 ．燕山大学机械工程学院秦皇岛0 6 6 0 0 4 ；2 ．燕山大学信息科学与工程学院秦皇岛0 6 6 0 0 4 ； 3 ．武汉重工铸锻有限责任公司 武汉4 3 0 0 8 4 摘要为解决预应 力框架大型液压机的预 紧状态检验 问题 ， 通过 学分析得到在 拉杆端部进 步施加拉 的过程中拽杆相对 抟力的变化规律 ，即拉杆相对拉力随拉杆端部所施加拉力的增加近 似呈折线变化 ，并且螺母的连接刚度影响折 线转折点 附近 的过渡 曲线形态 。 据此提 出⋯种拉杆预 紧力的非缓解测量原理，同时从理论 卜 证 明拉杆预紧力测量精度对应变 片贴 片方 向的 不敏感性。基于 NI 公司的虚拟仪器平台 L a b V I E W 开发了专用测试系统。用物理模型试验对非缓解测量原理和测试系统进 行试验柃验 ，试验结果证实测量 原理的正确性和测试系统的可行性 。研究T作为_人型液压机预紧状态 的检测提供实现手段 ， 也为人型液压机整体性的故障诊断提供所 必需 的条件。 关键词预应力 液压机 预紧 非缓解测量虚拟仪器 中图分类号 T G 3 1 5 ．4 Re s e a r c h O n NO n ． r e l e a s e M e a s u r e me n t o f Pr e t e ns i o n Fo r c e o f t h e Ti e Ro d i n Pr e ． s t r e s s e d Fr a me Hy d r a u l i c Pr e s s ● T ANG J i ng l i n LI Zh i mi n g MA Li x i a WAN Yu a n g a n g 1 ． Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g C o l l e g e ， Y a n s h a n U n i v e r s i t y , Qi n h u a n g d a o 0 6 6 0 0 4 ； 2 ． S c h o o l o f I n f o r ma t i o n S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， Y a n s h a n U n i v e r s i t y , Qi n h u a n g d a o 0 6 6 0 0 4 ； 3 ． Wu h a n H e a v y I n d u s t r y C a s t i n g F o r g i n g C o ． ． L t d ． ． Wu h a n 4 3 0 0 8 4 Ab s t r a c t I n o r d e r t o g e t a s o l u t i o n f o r i n s p e c t i n g t h e p r e t i g h t e n i n g s t a t e o f p r e s t r e s s e d fla me h e a v y h y d r a u l i c p r e s s ， t h e c h a n g e l a w o f t h e t e n s i o n f o r c e i n t h e t i e r o d wi t h t h e p u l l i n g f o r c e a t t h e e n d o f t h e t i e r o d ， wh i c h s h o ws t h a t t h e t e n s i o n f o r c e c u r v e i s n e a r l y a t wo s e g me n t b r o k e n l i n e wi t h a c u rv e d t r a n s i t i o n c a u s e d b y t h e i n s u f fi c i e n t c o n n e c t i o n s t i f f n e s s o f n u t ，i s o b t a i n e d b y me c h a n i c s a n a l y s i s ． A me a s u r e me n t p r i n c i p l e f o r o b t a i n i n g t h e p r e t i g h t e n i n g f o r c e o f t h e t i e r o d wi t h o u t r e l e a s e o f t h e t i g h t e n i n g o f t i e r o d i s p r e s e n t e d a n d t h e i n s e n s i t i v i t y o f me a s u r e me n t p r e c i s i o n t O t h e s t i c k o n o r i e n t a t i o n o f t h e s t r a i n g a u g e i s t h e o r e t i c a l l y p r o v e d ． A me a s u r e me n t s y s t e m i s d e v e l o p e d o n t h e v i r t u a l i n s t r u me n t p l a t f o r m， La b VI E W , o f NI Co mp a n y ． E x p e r i me n t s a r e c a r rie d o u t t o v e r i f y t h e c o r r e c t n e s s o f t h e p r i n c i p l e a n d t h e f e a s i b i l i t y o f t h e s y s t e m b y u s i n g a p h y s i c a l mo d e 1 ．Th e r e s e a r c h p r o v i d e s a n i mp l e me n t a t i o n me a n s f o r e v a l u a t i n g t h e p r e s t r e s s s t a t u s o f t h e p r e t i g h t e n i n g s t a t e o f h e a v y h y d r a u l i c p r e s s i n s e r v i c e ， a s we l l a s t h e n e c e s s a r y c o n d i t i o n f o r ma l f u n c t i o n d i a g n o s i s o f t h e i n t e g r i ty o f h e a v y h y d r a u l i c p r e s s ． Ke y wo r d s P r e -- s t r e s s Hy d r a u l i c p r e s s P r e - t i g h t e n i n g f o r c e No n -- r e l e a s e me a s u r e me n t Vi r t u a l i n s t ru me n t 0 前言 现代大型液压机普遍采用预紧结构，如预应力 组合立柱， 分块式上、下横粱 以及钢丝缠绕机架等， 以便使机器整体刚度分配更趋合理和消除应力集 2 0 1 0 0 3 0 9收到初稿，2 0 1 0 0 6 0 1 收到修改稿 中[ 1 - 3 1 。用预应力拉杆对上、下横梁与立柱进行预紧 仍是液压机框架的主要预紧形式，拉杆所受的预紧 力则是主要的预紧控制参数。 目前，有关液压机预 紧的研究主要集中在满足机架整体性条件下的预紧 力大小的确定L 2 j 以及机器安装时多拉杆预紧的加载 方式上【 4 】 。初泰安【 6 ] 曾经系统地总结了各种螺栓预 紧力测量方法，这些方法均以电测法作为测试预紧 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 唐 景林等预应 力框 架大 型液压机拉杆预紧 力非缓解 测量研 究 7 l 力的信号获取手段，但这些方法只能用于拉杆预紧 过程中的预紧力测量 。事实上在机器运行 了一段时 间之后，由于预紧接触区局部塑性变形、螺母松动 以及摩擦缓解等原因， 可能使个别拉杆预紧力减小， 造成承载时机身整体性的下降，影响设备的使用寿 命并降低工件 的成形精度 ，因此需要对拉杆 的当前 预紧力进行检验。如果将拉杆预紧螺母松开，则可 以通过测量松开前后的拉杆轴 向应变差来获得预紧 力，但这种缓解测量方法实际上往往难 以实行，主 要原因如 F ① 各拉杆预紧力相互影响，因此必须 将正在使用的液压机的全部预紧螺母松开、测量后 再重新预紧，所需的工作量和技术风险对于企业来 说几乎是不可接受的； ② 这种方法是建立在通过测 量拉杆轴向应变来计算预紧力的基础上的，因此测 量结果的准确度直接受贴片的方 向及位置精度的影 响，而工业现场要实现这一点是非常困难的。例如 对于每根立柱内有几根拉杆的多拉杆立柱，在处于 内侧 的拉杆上实现精确贴片更是难 以做到。 2 0世纪 8 0年代末期国外提 出了超声波螺栓应力测量法，国 内也对其进行 了广泛的研 究 J ，这种 方法操作简 便，但必须事先用未预紧的螺栓对仪器进行标定， 以及根据螺栓的真实尺寸计算并输入形状 因子，这 对于单件生产的、并已经投入使用的大型液压机来 说，这一方法 尚难 以得到应用。 目前还没有一个可 行的办法既可以保持液压机预紧状态 ，又可以直接 测量拉杆预紧力。 本文以液压机预应力立柱为研究对象 ，分析了 预紧拉杆端部施加拉力时，在螺母与垫板间保持压 力接触和脱离接触两个阶段，拉杆 中部拉力随所施 加端部拉力的关系；提出了一种不必松开螺母的拉 杆预紧力非缓解测量法。该方法是在拉杆端部施加 拉力，同时测量该拉力和拉杆的应变，经回归处理 后获得拉杆预紧力 。这一方法大幅度地降低 了对应 变片的方 向要求，避丌了前述缓解测量法所遇到的 障碍 。 用美国 NI 的虚拟仪器软件 L a b VI E W 开发 了 相应的测量系统，以 3 8 0 0 t 双预应力立柱液压机为 原型制造了物理相似模型并进行 了实验室检验 。 1 拉杆预紧力测量原理 测量液压机某一根预紧拉杆的预紧力时，可以 将其余的相关部分，包括其他拉杆以及空心立柱、 上下梁等看作一个受压弹性体 ，因此可以用 图 l a 所示的单拉杆预紧结构来等效。 将 图 1 a中的组合立柱的某一横截面 以上的部 分作为隔离体，见图 l b ，设拉杆所承受的绝对拉力 为 F，当没有外载荷作用 时，F 等于待测的预紧力 。根据该隔离体的静力平衡条件，易知立柱、上 螺母所受的压力也是 ， 。 b 图 1 等效预 紧结构 在拉杆端部和 垫板上 同时分别 叠加 大小相等 的拉力和压力 ，上螺母承受的压力随 的增大 而减小。在上螺母压力 尚未完全释放阶段，拉杆、 上螺母和立柱受力情况如图 2所示。 a b 图 2 力学关系 设拉杆绝对拉力 ， 由 变为 ， ，上螺母 所受压力变为 ， ，空心立柱所受压力与拉杆拉 力在数值上相等，也为 ， l 。 、 3 分别为从 预紧力 计起的拉杆相对拉力和上螺母相对压力。 将拉杆和上螺母作为一个隔离体考虑，可得 3Fo l 其增量形式为 6 F 3 △ 一 】 1 增量基点是在上螺母压力尚未完全释放阶段的任意 一 个力平衡点。 设 、2 2 、 3 分别代表拉杆、立柱和上螺母的 轴向柔度 ，则得拉杆伸长增量、立柱压缩增量和上 螺母伸长增量 柱 廷 一 ～ 串 忡 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 2 机械工程学报 第 4 6卷第 2 2期 At , l Al 2 AF r l AI 3AFt 3 因拉杆变形增量与上螺母一 立柱 串联变 形增 量相等，有 。 AF , ， ～ ． 代入式f 1 ，得 2 几十 几十 几 式 2 给 出了上螺母压力 尚未完全释放阶段相对拉 力 随杆端拉力 的变化率。 上螺母压力完全释放后，根据拉杆的力平衡条 件得 FF o 3 ． 4 式 3 、 4 给 出了上螺母压力完全释放后，F和 l与 的关系。 根据式 2 ～ 4 可作出 1 一 曲线， 如图 3所示 。 R 积 ‘趁 d ／ c ，／ |l拉 杆 端 部 拉 力 ／ ／ r ⋯ ⋯ ～⋯‘ 3 拉杆 相 对 拉 力 与 拉 朴 端 部拉 力 的关 系 由图 3可 得 以 卜 几 点 。 f 1 如果螺母纵向刚度无穷大 ，即 3 0 ，则在 上螺母压力未完全释放阶段 △ 1 0 ，即施加杆端拉 力 时拉杆绝对拉力 F不变 ， 拉杆相对拉力按折线 ．b 一 6 变化。 2 如果将螺母视作线弹性体，即其轴 向刚度 为常数 ，则拉杆相对拉力按折线 口 一 b 一 b ． d变化。 3 如果考虑螺母刚度随着螺母压力载荷下降 而减小， 3 增大 ，△ l ／ 逐渐增大，拉杆相对拉 力曲线为相连接的上翘曲线与直线段 ⋯ c b d 。 4 当 达到某一值后 ，螺母压力完全释放， 即进入上螺母压力完全释放阶段 ，这时 l 沿经过 点 ， ， 0 、斜率为 4 5 。 的线段 b - d上变化 。该直线在 横轴上的截距等于 ， 。 5 如果选取 l 和 为检测信号，使 从 零开始增大，一旦 i 进入斜率为 4 5 。 的直线段 ，则 可以通过该直线与横轴的交点测得测试前的拉杆预 嗓力 F 2 拉杆预紧力测量方法 产生拉杆端部拉力 的加力装置的原理如图 4 所示，一般预紧立柱液压机首次安装时都配有一个 类似的装置。 拉力架 力传感器 柱塞缸 拉力螺母 支座。 预紧螺母 垫板 拉杆 上横梁 应变片 立柱 图 4 拉杆端部加载装置 测量前，沿拉杆母线贴应变片，用于测量拉杆 轴 向应变 占 再通过式 5 获得 1 。 l ,9 r 1 E A 5 式 中， E， 分别为拉杆材料的弹性模量和拉杆的横 截面积 。 对于拉杆精确轴向贴片所遇到的困难 ，通过下 述分析得到解决。 在拉杆端部未加拉力时，沿拉杆接近轴向方向 贴应变片，应变片轴线与拉杆母线不完全重合 。应 变片感知的， 从测前预紧状态计起的应变 与拉杆 1的关系满足式【 l 0 ] F r I Ji} l 6 式中，k为拉杆拉力的折算系数，与拉杆尺寸 、材 料的力学性能，应变片参数，贴片方向有关。将式 6 代入式 4 得 l 直线方程 k r l 一 ， 7 该直线与 轴 的交点仍为 ， 。这说明本文所 提出的方法不仅免除了贴片必须严格平行于拉杆轴 线的要求，也不必对此应变通道进行标定，给现场 贴片与测量带来极大方便。 测量时，通过连续增加柱塞缸的液体压力，记 录 。 f 和 D 两条时间曲线，同时转换成 曲线 ，再通过人机交互确定该曲线上的，与缓解阶 段对应 的直线段，由该段与 轴的截距获得预紧 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 唐景林等 预应力框架火型液压机拉杆预紧力非缓解测量研究 7 3 力。这样做一方面减少了随机误差的影响， 量过程中的加载也较方便 。 3 测量系统 同时测 受力减小而下降 。 3 测量方法可行 ，测量精度满足要求。 表预紧力 ， 的测量结果 k N 测量系统 的框图如图 5所示。系统 中采用了美 国NI 公司的准动态应变仪 S C XI 1 5 2 0 和数据采集卡 6 0 6 2 E ，以 L a b VI E W 为测试软件平台。 图 5 测量系统框 图 设计了拉杆预紧物理模型，在材料试验机上利 用该测试系统进行 了测量方法的物理模拟检验。为 了减少试验工作量而又不失测量的准确性，测量前 沿拉杆轴 向只贴一个应变片，此片既用来给 出待测 预紧力的预置真值 ，也用来获得该预紧力测量值 。 测试过程如 ① 拉杆端部加拉力 ，拧紧螺母 ， 松丌端部拉力 ，读 出拉杆剩余拉力作为预紧力 的预置真值 ； ② 在预紧状态 卜 重新加端部拉力 ， 记 录该拉力 f 和拉杆拉力 f 两条时间曲线 ， 同时 生成 曲线 ；③ 对该曲线上与螺母压力完全释 放阶段 对应 的部分进 行 直线拟 合 ，测 出该 拟合 直线 与 轴平行线 ， 的截距，该截距就是预紧力的 测量值 。图 6给 出了l种预紧力条件 F的拉杆绝对 拉力一拉杆端部拉力 的实测 曲线。 Z E 辑 蔷 ．曩 辍 拉杆端部拉力 ／ k N 6 实测 侦紧段绝 对拉力～ 端郜拉力 _ 卜 表给 出了用本文所述 方法获得预紧力 的测 量及精度分析结果。从表中可以总结出如下结果。 1 对于不 同的预紧力，当拉杆端部拉力增大 超过一定值时，曲线并入同一条直线。 2 螺母的非线性连接 刚度确 实存在，并且随 预 置真 值 型 生 一 第一次 第 次 第 三 次 第四次 第五次 平均值 方筹 4 结论 1 通过理论分析提 出的非缓解预紧力测量原 理，为保持设备预紧状态下的预紧力测量奠定了理 论基 础 。 2 基于该测量原理建立的测量系统 以及物理 模型试验验证 了该测量方法的有效性。 3 该测量方法和测量系统操作方便 ，对测试 中应变片贴片位置精度要求不高，适合现场应用。 参考文献 [ 1 】林峰 ，颜 永年 ，吴任东 ，等．现代 重型模锻液压机 的 关键技术[ J 】 ．机械工程学报 ，2 0 0 6 ，4 2 3 9 - 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ma i l j l t a n g y s u ．e d u ． c r l 李志明，男，1 9 7 8 年出生，讲师。主要研究方向为计算机测控技术。 E - ma i D l iz m y s u e d u ． c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m