轧机伺服液压缸测试系统中活塞位移的应变转换方法研究.pdf

匐 蝈 轧机伺服液压缸测试系统中活塞 位移的应变转换方法研究 St udy on t he pi st on di spl acem ent m eas ur em ent m et hod of r ol l i ng m i l I ser vo- c yl i nder t est i ng s ys t em 杨钦翔，陈新元，丁先山 YANG Qi n ． x i a n g，CHEN Xi n - y u a n ，Dl NG Xi a n s h a n 武汉科技大学，武汉 4 3 0 0 8 1 摘要针对轧机伺服液压缸动态测试系统中被试缸活塞位移测量方法的不足 ，提出了位移一应变转换 的方法。通过有限元分析确定了闭式机架在受载拉伸变形时应变敏感部位的位置和应变一 位移 关系函数，设计了实验，对理论分析结果进行了验证。结果表明该方法能够有效解决轧机伺 服液压缸测试系统中被试缸活塞位移方便可靠检测的工程难题。 关键词伺服液压缸 ；位移检测；闭式机架；应变 中圈分类号 T H 1 3 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 -0 1 3 4 2 0 1 5 0 5 下 一 0 0 0 1 -0 3 D o i ；1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 - 0 1 3 4 ． 2 0 1 5 ． o 5 下 ． 0 1 0 引言 轧机伺服液压缸是板带轧机 的核心元件，其性能直 接影响板带材的质量 ，因此对其性能进行定期测试尤为 重要【 ” 。动态测试 时，通用做法是把轧机伺服缸放置于 闭式机架 内，活塞杆顶着机架上横梁 ，如图l 所示 ，在 电液伺服阀控制下产生正弦振动 ，外置位移传感器通过 磁力表架吸附在伺服缸上 ，对被试缸的活塞响应位移进 行检测。这种测试方式存在三个缺点第一，每次测试 都需要重新安装位移传感器，操作麻烦 ；第二 ，磁力表 架吸合力有限，在动态测试过程 中，传感器容易受振动 干扰，导致位移信号严重失真 ；第三 ，位移传感器 的行 程选择困难，行程太 小易被活塞杆推翻而脱落，行程太 大测量精度又难 以保证障 l 。本文提出在闭式机架上选定 的敏感点处永久性 的粘贴应变片，采集测试过程中机架 敏感点的应变，然后通过一定的映射关系，转换为被试 液压缸活塞杆的等效位移的测试方法，力求克服传统测 试系统中位移检测的不足 。 1 闭式机架应变敏感部位的选择和分析 轧机伺服液压缸测试 中，机架始终工作在弹性变形 范围内。由于被测试缸的规格不 同，试验中施加载荷和 载荷作用面积不同，机架上各点所受应力和应变也存在 差异，因此选取机架上对测试加载比较敏感，并且线性 度好的测点进行贴片监测 ，以便能比较简单地 映射转换 出被试缸活塞杆位移，这一点非常关键。为了找到合适 的敏感部位 ，本文利用有限元软件对测试过程 中机架受 载后产生应力的情况进行理论分析 ，根据应力数据找 出 机架上各点的应变与活塞位移的关系，并选出应变贴片 监测 的最佳点位 。 1闭式机架2 ．下垫块 3 ． 伺服液压缸；4 ．应变 片；5 ．上垫块 图1 闭式机架测试图 1 ． 1 闭式机架关键敏感部位的选择 对机 架 有 限元 分析 ，找 出机架 应 力分布 规 律 。 如图l 所示 ，本 实验机架宽 1 6 0 0 mm，高 1 1 6 0 mm，厚 2 0 0 m m。上、下垫块用于防止液压缸与机架直接接触而 损伤机 架，上 垫块面积为5 0 0 mm X 2 0 0 mm，下垫块面 收稿日期2 0 1 4 -1 2 0 5 基金项目湖北省 自然科学基金创新群体重大项 目高速重载装备关键液压件间隙密封技术基础研究 2 0 1 4 C F A 0 1 3 作者简介杨钦翔 1 9 8 9一，男，I l J I I X，硕士研究生，研究方向为机电一体化。 ’ 第3 7 卷第5 期2 0 1 5 0 5 下 [ 1 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 实验主要设备如图4 所示 伺服液压缸 ，活塞直径 5 0 0 mm，活塞杆直径4 0 0 mm，行程6 0 mm；美国MT S R HM1 0 0 磁致伸缩位移传感器； MO OG D 6 6 1 电液伺服 阀；日本D C 2 0 4 R a ． T ML 1 6 动态应变仪； 1 6 路A I ，2 路 A O的N I 采集卡。 为 了验证有 限元分析推导 的位移一应 变函数 的正 确性 。如图1 所示应变片分为三组 工作片A、B 组成对 臂，与相应温补片组成全桥，对左立柱中间应交值进行 测量 ；一对十字布置的工作片C 组成对臂，与相应温补 应变片组成全桥 ，对上横梁中部的应变值进行测量；工 作片D、E 组成对臂 ，与相应温补片构成全桥 ，对 右立 柱中间的应变进行测量 。 静态测试过程 开机 ，调节液压缸无杆腔的压力到 2 MP a ，使活塞杆伸 出，接触并拉伸机架 ，逐渐增加缸 的无杆腔压力到1 5 MP a ，同时记录活塞位移量和对应监 测点的应变值 ，对数据进行分析 、处理，得到如图5 所 示测试 曲线 。 a 机槊左立柱敏感部位应变一 位 移曲线 b 机架右立 柱敏 感部位应变一 位移曲线 c 机粟上梗架敏感部位应变一 位移Ilt l 线 图5 机架关键敏感部 位应变一 位移曲线 图5 为机 架敏感 部位应 变 随缸活塞位 移变 化 的 曲 线，其中散点线为实验实测数据，细实线 为对实测数据 的拟合 曲线 。可以看 出液压缸活塞杆在伸 出2 0 ． 9 8 m m空 行程后接触到机架上横梁 ，对机架进行加载拉升，实验 测得三个敏感点的应变随缸活塞位移增大而增大 ，曲线 具有 良好 的线性度。机架左立柱敏感部位 ，右立柱敏感 部位和上横梁敏感部位应变 位移的拟合曲线函数分别为 E 1 2 4 ． 5 6 X一 2 5 8 2 ． 6 7 毛 1 2 2 ． 9 9 X一 2 5 7 7 ． 1 8 毛 3 5 2 ． 1 9 X一 7 4 0 2 ．4 9 除去实验 中空行程 的影响 ，对 比有 限元分析得 到 的立柱应变一缸位移公式 5 和实验得到的式 7 、式 8 以及有限元分析得到的上横梁应变一 缸位移式 6 和实验 得到式 9 可 以发现理论和实验得 到的函数式子基本一 致 。相较于有 限元分析得到 的式子 ，左边立柱误差 为 2 ． 6 2 ％，右边立柱误差为1 ． 3 3 ％，上横梁误差为2 ． 4 6 ％。 误差原因主要在于机架材料不均匀性、实际加载偏载、 应变片粘贴位置和测量误差等因素的影响 ，实际液压缸 静动态工程测试 中该误差量可 以接受，该方法简化 了测 试系统中位移传感器安装，避免了振动干扰 ，可靠性和 便捷性大大提高。 3 应变一位移等效转换方法的推广应用 轧机伺服液压缸测试系统中，关键敏感部位的应变 通过A ／ D采集 ，按所研究得到的函数关系进行处理，转 化 为被试缸 的活塞杆位移信号 ，再通过D ／ A转化为模拟 电压信号，对伺服阀和缸进行闭环控制，可完成大型伺 服液压缸的动态测试过程，测试系统构成如图6 所示 。 该方法避免了采用磁力表架安装外置位移传感器所带来 的困扰，克服 了传统测试系统中位移检测的不足 。 圈6 应变位 移等效方法在大型伺服缸动态测试 中的应用 4 结束语 通过理论分析和实验验证，确定了测试机架敏感点 的位置，并得到敏感部位的应变与被试缸活塞杆位移的 函数关系。在大型伺服液压缸试验 闭式机架敏感点粘贴 永久性应变片，通过对应变监测来获取被试缸活塞杆实 际位移的转换方法，彻底解决了现有大型轧机伺服缸测 试系统中位移测量方法的不足 ，可靠便捷 、实用性高。 参考文献 【 l 】 Yo s h i k a z u M ， T o s h i o I ． Mo d e r n i z a t i o n o f g a u g e c o n t r o l s y s t e m a t S u mi t o mo Wa k a y a ma 5 s t a n d c o l d mi l l [ J ] ． I r o n a n d S t e e l e n g i ne e r ， 1 9 9 9． [ 2 ]2 陈奎生，邓江洪， 曾良才， 陈新元， 湛从昌． 大型液压缸高频带载频 率特性测试装置及其测试方法[ P 】 ． C N 2 0 1 3 1 0 0 7 5 3 3 7 ． 4 ． 【 3 】 黄富宣． 大型H A G C 缸试验方法与技术研究【 D 】 ． 武汉 武汉科技 大学． 2 0 1 4 ． 第3 7 卷第5 期2 0 1 5 -0 5 下 [ 3 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m