余尚江,萬葉青,陳晉央,郭士旭,周會娟,黃劉宏

(1.總參工程兵科研三所,河南 洛陽　471023;2.中國汽車工業(yè)工程有限公司,天津　300113)

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打擊力測試傳感器設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

余尚江1,萬葉青2,陳晉央1,郭士旭1,周會娟1,黃劉宏1

(1.總參工程兵科研三所,河南 洛陽471023;2.中國汽車工業(yè)工程有限公司,天津300113)

摘要:為解決鍛錘打擊力測試難題,文章采用孔輻剪切應(yīng)變式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù),研制出用于打擊力測試的傳感器樣機(jī);系統(tǒng)地介紹了傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原理及主要特性,對傳感器進(jìn)行了校準(zhǔn)及碰撞試驗(yàn)臺上的跌落沖擊實(shí)測試驗(yàn)。結(jié)果表明,傳感器具有較高的測試精度和良好的動力特性,能夠?qū)崿F(xiàn)打擊力動態(tài)負(fù)荷的有效測量,不僅能用于鍛錘設(shè)備的打擊力測試,也可作為鍛錘打擊力檢驗(yàn)工具或用于鍛錘控制裝置以提高鍛打精度。

關(guān)鍵詞:打擊力;鍛錘;孔輻式;力傳感器;靜態(tài)校準(zhǔn);沖擊試驗(yàn)

0引言

鍛錘等鍛壓機(jī)械是機(jī)械加工中應(yīng)用廣泛的一種重要設(shè)備,具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、操作方便、造價(jià)低廉、工藝適應(yīng)性強(qiáng)、生產(chǎn)效率高等許多優(yōu)點(diǎn),在國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門中發(fā)揮重要作用。由于鍛錘是一種沖擊成形設(shè)備,其在工作過程中,錘頭接觸到工件后速度瞬間(千分之幾秒)降至零,從而產(chǎn)生很大的打擊力,但也會引起很大的振動和噪聲,使鍛錘的各主要零部件承受沖擊載荷,并有振動傳向基礎(chǔ)和周圍環(huán)境。因此,開展鍛錘的打擊過程中打擊能量和打擊力的分析和測試是鍛錘整機(jī)設(shè)計(jì)及性能分析、鍛錘零部件強(qiáng)度校核的基礎(chǔ),對于提高鍛錘打擊效率及鍛件加工質(zhì)量以及開展鍛錘基礎(chǔ)隔振和周圍振動環(huán)境分析等都具有重要作用。

打擊力及打擊能量是鍛錘設(shè)備的核心性能參數(shù),也是鍛壓生產(chǎn)中的重要工藝參數(shù),直接影響鍛件成型的質(zhì)量、設(shè)備使用壽命、環(huán)境的振動和噪音污染。目前對打擊過程中的測試主要以打擊能量測試為主,其中基于銅柱鐓粗法[1]的打擊能量測試方法已發(fā)展得較為成熟,但此方法不能得到打擊過程的時(shí)程曲線。由于打擊過程中作用時(shí)間短、打擊力巨大,給直接測試帶來了困難,因此打擊力的測試以間接測試為主,包括加速度法、沖量法、機(jī)架應(yīng)力檢測法等[2-4]。采用力傳感器的打擊力直接測試法具有準(zhǔn)確、真實(shí)、直觀、高效等優(yōu)點(diǎn),是打擊力測試需要重點(diǎn)發(fā)展的方法[5]。本文嘗試采用力傳感器法測量打擊力,主要介紹打擊力傳感器設(shè)計(jì)及已開展的試驗(yàn)研究情況。

1打擊力傳感器設(shè)計(jì)

1.1傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

常用的測力傳感器從力-電轉(zhuǎn)換原理上主要分為壓電式力傳感器、電阻應(yīng)變式力傳感器等。其中,壓電式力傳感器具有動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn),但其量程范圍受壓電敏感元件的限制,最大可測力范圍不能滿足鍛錘打擊力測試的需求;電阻應(yīng)變式力傳感器是利用傳感器材料受力變形后的應(yīng)變來實(shí)現(xiàn)力的測量,可采用不同的傳感器結(jié)構(gòu)形式來實(shí)現(xiàn)不同的量程設(shè)計(jì)。本文選用電阻應(yīng)變式原理設(shè)計(jì)打擊力傳感器。

電阻應(yīng)變式力傳感器[6]的結(jié)構(gòu)形式多樣,常用的大量程的力傳感器的結(jié)構(gòu)主要是柱式、圓筒式等,其具有結(jié)構(gòu)簡單、方便加工等優(yōu)點(diǎn),但為保證傳感器的性能,這類傳感器的高度要大于直徑的2倍,因此傳感器的高度較大。鍛錘打擊力測試時(shí),受錘頭與砧座之間的空間限制,傳感器的高度不能太大,因此柱式、圓筒式力傳感器結(jié)構(gòu)不適合鍛錘打擊力測試。同時(shí)鍛錘打擊力屬于快速變化的動態(tài)負(fù)荷,需要選擇更適合于動態(tài)力測試的傳感器結(jié)構(gòu)形式。本文采用了一種孔輻剪切應(yīng)變式傳感器結(jié)構(gòu),下面介紹其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理及特點(diǎn)。

孔輻式傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示,其彈性元件由輪轂、8個(gè)孔輻和輪箍組成,兩相鄰?fù)椎慕唤舆呅纬煽纵?整個(gè)彈性元件由一塊材料整體加工而成。

圖1　孔輻式傳感器的結(jié)構(gòu)圖

外加載荷作用于輪轂的頂部和輪箍的底部,在輪箍和輪轂間的孔輻上受到純剪切力,通過測量該力來間接測量載荷。8個(gè)孔輻的輻條是敏感梁,敏感梁的立體圖和俯視圖如圖2所示。

圖2　孔輻敏感梁示意圖

將每對輻條看成是一根兩端固定的梁,設(shè)P為加在傳感器上的激勵力,則每個(gè)單梁所受力為P/8,對于矩形截面的孔輻梁,剪應(yīng)力呈拋物線形分布,與中性面成45°方向的剪應(yīng)力最大,其剪應(yīng)變[7]為:

(1)

其中,h為梁的高度;Bx為x處梁的寬度;μ為傳感器材料的泊松比;E為傳感器材料的彈性模量。

在x=R,y=0處,ε45°最大,則有:

(2)

所以(R,0)點(diǎn)為最佳貼片位置。如圖2所示,應(yīng)變片貼在y=x+R-h/2直線位置上。

設(shè)ε45°|y=x+R-h/2=εy,應(yīng)變片兩端點(diǎn)處的x軸坐標(biāo)分別為x1、x2,則應(yīng)變片感受的平均應(yīng)變?yōu)?

(3)

傳感器的靈敏度為:

(4)

其中,K為與應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)及應(yīng)變片的數(shù)量和組橋方式有關(guān)的參數(shù)。

孔輻梁中與中性面成45°方向的最大剪應(yīng)力為:

(5)

設(shè)計(jì)時(shí)要求τmax≤[τ]=0.75[σ],[σ]=1/3σs。其中,[τ]為傳感器材料的許用剪應(yīng)力;[σ]為許用應(yīng)力;σs是材料的屈服極限。

1.2孔輻式傳感器特點(diǎn)分析

孔輻剪切應(yīng)變式傳感器結(jié)構(gòu)具有如下特點(diǎn):

(1)敏感梁截面積一定時(shí),傳感器靈敏度e與敏感梁的寬度B、高度h成反比,即e∝1/Bh。因此可以通過適當(dāng)增大h值,相應(yīng)地減小B值來提高傳感器的剛度。

(2)傳感器靈敏度e與傳感器的敏感梁長度L無關(guān),而L與傳感器的剛度成反比,因而可以通過盡量減小L值來提高傳感器的剛度。

(3)孔輻剪切應(yīng)變式傳感器由于采用了8孔對稱式結(jié)構(gòu),受力分布更均勻,每個(gè)梁2個(gè)側(cè)面各貼1片應(yīng)變片,8個(gè)梁互相補(bǔ)償,使傳感器增強(qiáng)了抗側(cè)向能力,從而提高了傳感器的精度。

由此可見,孔輻剪切應(yīng)變式傳感器可以設(shè)計(jì)得剛度更大,這樣可提高傳感器的固有頻率,更適合于動態(tài)負(fù)荷的測量,同時(shí)傳感器的結(jié)構(gòu)使其具有自補(bǔ)償?shù)墓δ?可制作高精度的傳感器。

根據(jù)對鍛錘打擊力的分析,鍛錘的最大打擊力與鍛錘落下部分的質(zhì)量有關(guān),對于模鍛錘,其最大打擊力通常按落下部分的質(zhì)量的1 000倍進(jìn)行估算,因此打擊力是很大的。本次試驗(yàn)主要是為了測試打擊力傳感器的性能和驗(yàn)證打擊力測試方案,打擊力傳感器的量程按1 000kN設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)加工完成后的傳感器實(shí)物如圖3所示。

圖3　力傳感器

1.3傳感器動力特性分析

對于孔輻式結(jié)構(gòu),利用理論分析確定傳感器的動態(tài)特性較為復(fù)雜,本文采用有限元方法對設(shè)計(jì)的傳感器樣機(jī)進(jìn)行了傳感器結(jié)構(gòu)振動模態(tài)等與傳感器動態(tài)特性相關(guān)的參數(shù)分析[8-9]。

利用ANSYS軟件進(jìn)行仿真分析,計(jì)算模型及網(wǎng)格剖分如圖4a 所示,采用solid95單元,模態(tài)分析和提取選用最常用的Block Lanczos方法。傳感器測量垂直方向的受力,分析得到的垂直向一階模態(tài)如圖4b所示,振動頻率為3 664.4 Hz,該頻率即為傳感器的一階固有頻率。

鍛錘打擊力通常為一單脈沖波形,持續(xù)時(shí)間為T,其絕大部分能量分布在0到f=1/2T的頻率范圍內(nèi),打擊力脈沖的持續(xù)時(shí)間一般在1～10 ms之間,即打擊力絕大部分能量在500 Hz的頻率范圍內(nèi),因此該傳感器的頻率響應(yīng)滿足要求。

圖4　有限元模型及振動模態(tài)

2傳感器靜態(tài)校準(zhǔn)

采用靜態(tài)校準(zhǔn)試驗(yàn)來確定傳感器的靜態(tài)性能指標(biāo)。校準(zhǔn)裝置如圖5所示,由液壓千斤頂出力,標(biāo)準(zhǔn)測力計(jì)給出作用于傳感器上的力值,傳感器的輸出經(jīng)專用調(diào)理放大器放大并轉(zhuǎn)換為電壓信號后由數(shù)字電壓表讀出并記錄。

圖5　力傳感器校準(zhǔn)裝置

傳感器的校準(zhǔn)曲線如圖6所示,由校準(zhǔn)數(shù)據(jù)及處理后結(jié)果可知,傳感器的線性度、遲滯、重復(fù)性等指標(biāo)均小于0.5%,傳感器的靜態(tài)精度優(yōu)于0.5級。

圖6　力傳感器校準(zhǔn)曲線

3打擊力測試試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)裝置、方法與試驗(yàn)結(jié)果

沖擊試驗(yàn)測試是在SY11氣壓驅(qū)動垂直沖擊碰撞試驗(yàn)臺上進(jìn)行的。試驗(yàn)裝置如圖7所示,裝置通過氣動方式提升落錘到預(yù)定高度后,落錘自由下落與傳感器碰撞。落錘質(zhì)量約為595 kg。沖擊試驗(yàn)時(shí)傳感器的輸出采用與靜態(tài)校準(zhǔn)時(shí)相同的調(diào)理放大器,放大后的電壓信號由瞬態(tài)信號分析儀采集后存儲。試驗(yàn)分3種情況:① 傳感器表面墊放厚度約3 mm的薄毛氈后打擊;② 傳感器表面墊放銅柱后打擊;③ 落錘直接打擊。

3種情況下傳感器測得的典型打擊力波形如圖8所示。從實(shí)測的波形可以看出,在傳感器表面墊放毛氈時(shí),傳感器響應(yīng)的波形光滑,通過銅柱和直接碰撞打擊傳感器的波形出現(xiàn)抖動,這是剛性碰撞產(chǎn)生的高頻分量。通過墊放銅柱打擊,本意是想模擬測量鍛錘打擊能量測試時(shí)的銅柱鐓粗法中的打擊力,但由于試驗(yàn)臺的落錘體積大,而銅柱的直徑較小(40 mm),打擊時(shí)接觸面積小,且打擊時(shí)的能量不夠,銅柱沒有發(fā)生塑性變形,導(dǎo)致的波形抖動加劇。利用銅柱鐓粗法實(shí)際測試時(shí)銅柱相當(dāng)于一種軟材料,塑性變形大,如采用傳感器測量銅柱下的打擊力,其波形應(yīng)與此不同。

圖7　沖擊碰撞試驗(yàn)臺

圖8　傳感器實(shí)測波形

3.2沖擊荷載分析

由于通過墊放銅柱打擊時(shí)傳感器的響應(yīng)與實(shí)際鍛錘打擊情況有差異,只對墊放毛氈和直接碰撞打擊時(shí)的波形進(jìn)行分析。

根據(jù)對跌落沖擊試驗(yàn)機(jī)的分析[10-12],其沖擊試驗(yàn)波形具有脈沖波形的特征,可采用(6)式的脈沖函數(shù)、(7)式的正矢函數(shù)進(jìn)行擬合。

(6)

(7)

其中,P0為波形基線偏移;A為脈沖峰值;t0為峰值處的時(shí)刻;p為與波形形狀相關(guān)的指數(shù)參數(shù);t1、t2為與脈沖寬度相關(guān)的參數(shù)。

采用2種函數(shù)擬合后的波形與原波形的比較如圖 9、圖10所示,可見2種擬合方法的效果接近,在實(shí)際應(yīng)用時(shí),可采用正矢函數(shù)來表示打擊脈沖波形。

圖9和圖10中擬合后的正矢脈沖函數(shù)分別為:

可見墊放毛氈和直接碰撞打擊時(shí)的主要打擊能量的頻率分別為359 Hz和417 Hz。直接打擊時(shí)會產(chǎn)生頻率較高的分量,但其能量較小,在鍛錘設(shè)備及基礎(chǔ)中的傳播過程中逐漸衰減。

圖9　墊放毛氈傳感器實(shí)測波形擬合

圖10　直接打擊傳感器實(shí)測波形擬合

4結(jié)束語

鍛錘的打擊力是鍛壓生產(chǎn)中的重要工藝參數(shù)。它的峰值和時(shí)變特征的測定,對研究鍛擊過程中金屬塑性成形的機(jī)理、制定合理的工藝規(guī)程、提高鍛件質(zhì)量及計(jì)算錘機(jī)主要零部件的強(qiáng)度都具有重要的理論和實(shí)際意義。利用力傳感器直接感應(yīng)錘頭落下時(shí)的打擊力是鍛錘打擊力測試的重要方法。本文采用孔輻剪切應(yīng)變式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種打擊力傳感器樣機(jī),校準(zhǔn)結(jié)果表明傳感器具有較高的精度,通過沖擊碰撞試驗(yàn)臺上的落錘打擊實(shí)測試驗(yàn),驗(yàn)證了傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)打擊力動態(tài)負(fù)荷的有效測量。同時(shí)本文還建立一種包括傳感器設(shè)計(jì)、制作、校驗(yàn)以及數(shù)據(jù)分析的鍛錘打擊力試驗(yàn)及測試技術(shù),為鍛錘設(shè)備的打擊力測試以及打擊力傳感器應(yīng)用于鍛錘控制裝置奠定了基礎(chǔ)。

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(責(zé)任編輯張淑艷)

Design and test of a load transducer for hitting power measurement

YU Shang-jiang1,WAN Ye-qing2,CHEN Jin-yang1,GUO Shi-xu1,ZHOU Hui-juan1,HUANG Liu-hong1

(1.The Third Engineer Scientific Research Institute of the Headquarters of the General Staff,Luoyang 471023,China;2.China Automotive Engineering Corporation,Tianjin 300113,China)

Abstract:A hole-spoke shear strain dynamic load transducer was designed in order to measure hitting power of forging hammer. The design principle of the transducer structure and the characteristic of the transducer were presented and the static calibration and impact measuring tests were taken to check the performance of the transducer. The test results indicate that the transducer has high precision and very favorable dynamic characteristic in measuring hitting power effectively. The transducer can be used as hitting power checkout facility or hammer control device to improve the precision of the forging hammer.

Key words:hitting power;forging hammer;hole-spoke type;load transducer;static calibration;impact test

收稿日期：2015-08-05；修回日期：2015-08-18

作者簡介：余尚江(1968-),男,河南商城人,博士,總參工程兵科研三所研究員.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.06.022

中圖分類號:TP212.9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-5060(2016)06-0828-05