孫淑君 徐宏海 衛(wèi)建平

摘 要：針對預(yù)應(yīng)力啟停式飛剪機(jī)機(jī)的結(jié)構(gòu)與傳動原理，采用應(yīng)變式測力技術(shù)，構(gòu)建了基于“PC+DASP2006工程版軟件”的測試平臺，對空載和模擬剪切條件下飛剪機(jī)的剪切力矩、預(yù)緊螺栓力等參數(shù)進(jìn)行實測，并對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行時域特征、頻域特征及相關(guān)性分析，研究結(jié)果對確定飛剪機(jī)裝配時的預(yù)緊螺栓預(yù)緊力大小、控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化及設(shè)備潛能開發(fā)，具有重要的實際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：剪切力;剪切力矩;預(yù)緊力;綜合測試

1 概述

飛剪機(jī)是軋鋼生產(chǎn)線上的重要設(shè)備之一，隨著電機(jī)技術(shù)特別是交流變頻技術(shù)、大型伺服電機(jī)制造及控制技術(shù)的發(fā)快速展，使飛剪機(jī)復(fù)雜的機(jī)構(gòu)設(shè)計變得十分簡潔[1-6]。

預(yù)應(yīng)力啟停式飛剪機(jī)具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定可靠等特點，在軋鋼生產(chǎn)線上應(yīng)用廣泛。剪切力、剪切力矩和預(yù)應(yīng)力螺栓的預(yù)緊力等是飛剪機(jī)設(shè)計開發(fā)、安全生產(chǎn)、潛力挖掘及控制參數(shù)優(yōu)化的重要參數(shù)。本文針對某公司開發(fā)的預(yù)應(yīng)力啟停式棒材飛剪機(jī)樣機(jī)，對飛剪機(jī)的剪切力、剪切力矩和螺栓預(yù)緊力進(jìn)行測試，并對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行時域、頻域及相關(guān)性分析，為飛剪機(jī)樣機(jī)的生產(chǎn)應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。

2 飛剪機(jī)力參數(shù)的測量原理

飛剪機(jī)力參數(shù)測試采用電阻應(yīng)變測量原理，以“PC+DASP2006工程版軟件”為平臺，通過應(yīng)變儀對被測信號進(jìn)行調(diào)整放大，經(jīng)INV306多路動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行采集，然后由DASP2006軟件進(jìn)行離線分析處理。

測試的主要內(nèi)容包括模擬剪切時飛剪的剪切力、剪切力矩（輸入轉(zhuǎn)矩）及預(yù)緊螺栓載荷。整個測試工作分為三個階段：測試準(zhǔn)備、現(xiàn)場測試及數(shù)據(jù)處理與分析。

在準(zhǔn)備工作階段主要是機(jī)架預(yù)應(yīng)力螺栓測力電橋的貼片與組橋、防護(hù)，利用微機(jī)控制拉壓試驗機(jī)進(jìn)行電橋特性標(biāo)定?，F(xiàn)場測試階段主要包括扭矩測量電橋的貼片、組橋，簡易滑環(huán)的現(xiàn)場制作;測力螺栓的安裝與預(yù)緊力施加;測試儀器設(shè)備的布置、被測信號的調(diào)試;根據(jù)測試方案，進(jìn)行模擬剪切下的綜合測試。數(shù)據(jù)處理與分析主要是對被測信號進(jìn)行離線處理分析，包括時頻域特征和相關(guān)性分析。

3 測試裝置的設(shè)計加工與安裝調(diào)試

3.1 螺栓測力電橋的制作與標(biāo)定

飛剪機(jī)預(yù)緊螺栓有2種規(guī)格：M42和M64共8根，主要承受拉力，螺栓外側(cè)表面光桿段對稱180分別粘貼薄式電阻應(yīng)變片，組成全橋方式測量電橋。被測信號由YD-28A數(shù)字應(yīng)變儀進(jìn)行放大，在壓力機(jī)上，通過逐級加載，對測力電橋輸出特性進(jìn)行標(biāo)定，確定載荷與電橋輸出的關(guān)系。

3.2 扭矩測量裝置的制作

飛剪機(jī)的扭矩測量需在現(xiàn)場貼片、安裝信號傳輸裝置。測量扭矩的應(yīng)變片粘貼在齒形聯(lián)軸器上，滑環(huán)安裝在減速機(jī)的輸入軸上，如圖1所示。

3.3 測試儀器現(xiàn)場調(diào)試

被測信號經(jīng)YD-28A電阻應(yīng)變儀平衡、放大后，通過32通道同步信號采集儀，由DASP采集系統(tǒng)進(jìn)行在線測試與數(shù)據(jù)存儲，測試儀器及現(xiàn)場見圖2所示。

3.4 預(yù)緊螺栓的預(yù)載施加

為了對預(yù)緊螺栓施加已知預(yù)載，在連接測試系統(tǒng)后，通過在線監(jiān)測進(jìn)行預(yù)載施加，圖3是剪機(jī)連接螺栓的布置編號。

[圖3 ?被測螺栓的布置及編號][圖4 ?模擬剪切力標(biāo)定]

為了獲得螺栓受力與剪切力的關(guān)系，在設(shè)備靜止?fàn)顟B(tài)，采用液壓千斤頂和壓力傳感器對剪臂施加已知載荷的方法，實測各被測螺栓的受力情況，以便為確定剪切力提供參考。（圖4）

4 測試方法與結(jié)果分析

經(jīng)現(xiàn)場測試準(zhǔn)備后，進(jìn)行模擬剪切試驗，共進(jìn)行9根14刀的模擬剪切試驗詳細(xì)方案見表1。

[表1 ?模擬剪切試驗方案]

4.1 時域測試波形與結(jié)果

對9根不同規(guī)格的試件，經(jīng)加溫后進(jìn)行模擬剪切，利用計算機(jī)輔助測試系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)緊螺栓受力及傳動扭矩的在線測試。

表2為?77試件剪切時的實測數(shù)據(jù)，對整個剪切過程進(jìn)行5次同瞬時的數(shù)據(jù)采集。表中的瞬時合力是4根螺栓受力的代數(shù)和，為后續(xù)的分析提供參考。圖5是載荷實測波形。圖中的信號從通道2～通道5分別為1號～4號位置飛剪機(jī)連接螺栓的受力信號，第6通道的信號為輸入軸扭矩信號。

[表2 ?飛剪機(jī)綜合實測數(shù)據(jù)]

4.2 時域特征分析

由圖5波形圖可知：

①飛剪機(jī)四根螺栓在動態(tài)剪切過程中，受力狀態(tài)明顯不同，其中1號螺栓在剪切時的載荷呈沖擊脈沖載荷特征，對該信號進(jìn)行時變參數(shù)的分析結(jié)果可得到進(jìn)一步證明。②從實測波形圖不難看出在飛剪機(jī)從啟動、剪切、制動整個動作過程中，2～4號螺栓信號呈低頻脈動載荷特征。③從4根螺栓的剪切時的載荷大小來看，1號和2號螺栓的載荷峰值要遠(yuǎn)大于3號和4號螺栓的載荷變化水平，在剪切直徑為77mm試件時，1號螺栓的最大峰值約為23kN（呈單向拉伸載荷），2號螺栓最大脈動載荷的峰值約為32.5 kN（雙向脈動峰峰值）。④傳動軸扭矩的載荷特征與1號螺栓的載荷特征相似，為沖擊脈沖載荷特征。

4.3 頻域特征分析

在對被測信號進(jìn)行時域分析的基礎(chǔ)上，對螺栓載荷信號和扭矩信號進(jìn)行頻域分析，有如下結(jié)果：①在剪切時，傳動軸扭矩信號（通道6）的頻率成份為2Hz的低頻脈沖載荷。②1號螺栓的實測信號的頻譜圖與傳動軸扭矩基本一致，其沖擊響應(yīng)的頻率成份為2Hz，屬于低頻沖擊載荷特征。③從頻域特征分析來看，2號～4號螺栓除承擔(dān)剪切時的低頻沖擊載荷，在整個運動過程中，特別是起動與制動段，還承受150Hz的交變載荷，相比之下，2號螺栓的載荷強(qiáng)度要大于其他兩條螺栓的載荷強(qiáng)度。④2號～4號螺栓的實測信號的頻率成份有兩部分組成，一種是低頻2Hz的脈沖信號，另外還含有150Hz的高頻成份。

4.4 相關(guān)性特征分析

利用軟件對被測信號進(jìn)行互相關(guān)分析，得出以下結(jié)論：①傳動軸扭矩信號與1號螺栓的信號呈正相關(guān)，在剪切時的脈沖載荷信號的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9以上，但二者具有約8ms左右的脈沖響應(yīng)延時。②2號螺栓與4號螺栓的信號具有互相關(guān)性，但在整個運動過程中不斷變化，瞬時互相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.9以上。③1號螺栓與2號螺栓的實測信號在剪切時的互相關(guān)分析，結(jié)果表明2者相關(guān)性一般。④2號和3號螺栓的實測信號相關(guān)性分析，相關(guān)程度一般。

4.5 螺栓受力分析

將實測結(jié)果按不同剪切條件進(jìn)行對比，繪制成直方圖，圖6為剪切速度為0.5m/s時，試件規(guī)格對螺栓受力峰值分布影響的直方圖。

[圖6 ?試件規(guī)格對螺栓受力峰值分布影響的直方圖]

從圖中可以看出：①剪臂側(cè)兩根M64螺栓（1號和2號）的載荷水平明顯高于輸入軸側(cè)的M42螺栓（3號和4號）的載荷水平。②1號和2號螺栓的載荷水平隨剪切斷面的增大而增大，變化程度明顯。③3號和4號螺栓的受力大小受剪切斷面、剪切速度的影響不明顯。

4.6 剪切力分析與計算

4.6.1 根據(jù)實測扭矩推算剪切力

圖7是模擬剪切時不同工藝條件下，扭矩的實測直方圖，從圖中可以看出：①在試件斷面較小時，剪切速度對剪切扭矩大小有一定的影響，但影響程度要小于大斷面剪切時。②剪切斷面對扭矩的影響較大，特別是大斷面時，扭矩增大明顯。

圖7 ?傳動軸扭矩與試件斷面及剪切速度關(guān)系的直方圖

由剪刃幾何關(guān)系可知，剪刃刀尖位置到剪臂回轉(zhuǎn)中心的水平距離（剪切力臂）為L，該值隨剪切過程而變化。根據(jù)最大實測扭矩，通過計算其剪切力臂推算剪切力。據(jù)此，可以根據(jù)最大剪切力矩，推算最大剪切力，有：

（1）

根據(jù)（1）推算的最大剪切力的結(jié)果如表3所示。

表3 ?根據(jù)實測扭矩推算最大剪切力的結(jié)果

注：①剪切力矩中含有一定成份空載動力矩，0.5m/s，1m/s無空載力矩數(shù)據(jù);②末行括弧數(shù)值為以1.2m/s剪切?77時，扣除空載力矩后推算的剪切力;③因為剪切過程有轉(zhuǎn)速降，故按公式計算的△θ稍偏大一點， 即剪切力臂Lmax稍偏小一點，因此根據(jù)扭矩推算的剪切力會略微偏大一點。

4.6.2 根據(jù)螺栓在線加載標(biāo)定推算剪切力

在現(xiàn)場通過千斤頂在剪臂上施加已知載荷（模擬剪切力），測試1～4號螺栓的信號變化，然后按壓力機(jī)標(biāo)定時的數(shù)據(jù)得出螺栓受力。實測數(shù)據(jù)表明在剪臂處加已知模擬載荷，剪機(jī)傳動側(cè)的3號和4號螺栓與已知載荷的關(guān)系不穩(wěn)定，而1號螺栓和2號螺栓受力與模擬載荷基本呈線性關(guān)系。因此，可以利用1號螺栓的實測載荷推算剪切力的大小。根據(jù)1號螺栓的受力推算剪切力值如表4所示。

4.6.3 兩種方法推算剪切力的對比

比較兩種方法推算剪切力的結(jié)果，可以看出：①兩種方法的推算結(jié)果相差較大，通過與單位剪切力的經(jīng)驗值對比，按扭矩反推法得出的剪切力，更科學(xué)、合理些。②進(jìn)一步分析用螺栓實測載荷推算剪切力偏小的原因，主要是螺栓的多點約束條件與剪切時的沖擊載荷特征，各測點的響應(yīng)存在相位差（延時效應(yīng)），動態(tài)載荷與靜態(tài)模擬加載之間存在一定差別造成。③用實測扭矩推算剪切力，在高速時，應(yīng)考慮空載動態(tài)力矩的影響，推算值比實際值要偏大些。

5 結(jié)論

①飛剪機(jī)在整個模擬剪切過程中，傳動軸扭矩信號的載荷特征呈脈沖載荷特征，1號螺栓的信號特征與扭矩信號具有很好的互相關(guān)性，相關(guān)程度高。

②飛剪機(jī)2號～4號連接螺栓的載荷在整個運動過程中呈脈動信號特征，特別是在剪機(jī)起動與制動過程中脈動特征明顯。4條螺栓的載荷響應(yīng)特征具有對角線關(guān)系，尤為明顯的是2號螺栓與對角線的4號螺栓的振動周期信號同步，倆信號的相關(guān)程度較高。

③剪切力矩隨試件截面的增大而增大，在770°C以1.2m/s的速度模擬剪切（77mm試件時，傳動軸最大扭矩達(dá)到約104kN·m，其中最大空載剪切力矩約為6kN·m 。

④在剪切過程中， 1、2號螺栓載荷幅度明顯高于3、4號螺栓。在770°C模擬剪切（77mm試件時，1號螺栓受沖擊脈沖載荷最大值約為23 kN;2號螺栓受脈動沖擊載荷，最大脈動幅度約為32kN。

⑤根據(jù)實測扭矩推算剪切力，770°C模擬剪切?77mm試件時的最大剪切力約為864 kN，扣除動態(tài)空載力矩影響，最大剪切力816 kN。此值已超過剪機(jī)的設(shè)計水平，主要原因是試件溫度偏低造成的。

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