蔣冰華　韋　瑜　馬　銘　湯　力　李木華

(三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院， 湖北 宜昌　443002)

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大量程的沖擊功測量方法研究

蔣冰華韋瑜馬銘湯力李木華

(三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院， 湖北 宜昌443002)

對現(xiàn)有沖擊功測量方法進行了研究，提出了一種改進的大量程沖擊功測量的方法，并構(gòu)建了物理測量裝置，建立了合理的數(shù)學(xué)模型．最后用ANSYS有限元軟件對模型進行沖擊受力分析，驗證結(jié)果表明，提出的改進方法能很好地將大力轉(zhuǎn)化成小力，該數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于大量程沖擊功測量是可行的．

沖擊功；測量裝置；ANSYS

隨著高爐煉鐵技術(shù)的進步，自動化程度的提高和勞動生產(chǎn)率提高，隨之而來的開鐵口機的能力也必須相應(yīng)提高以滿足工藝需求．在工業(yè)上直接衡量開鐵口機能力的指標(biāo)是沖擊力的大小，在高爐煉鐵技術(shù)中，開鐵口機的沖擊力的大小對整個系統(tǒng)的影響是多方面的，主要有以下幾點：1)鐵口能否被打開；2)鉆釬的利用率；3)開口口徑的大小對泥泡的要求．4)沖擊力的大小對高爐的壽命也是有影響的．

當(dāng)前的釬桿的出廠測試都是機械化的反復(fù)敲打，根據(jù)擊穿時間的長短來判斷強度的好壞，此方法周期長，噪音大，效率低．現(xiàn)有沖擊功測量方法沒有適用于大量程的，為此沖擊測試標(biāo)準(zhǔn)化就不能很好地制定．本文試圖對現(xiàn)有沖擊功測量方法進行研究，然后給出應(yīng)用在大量程上的實用方法，為日后沖擊功測量裝置的制造和標(biāo)準(zhǔn)的制定給出技術(shù)上的指導(dǎo)．

1　現(xiàn)有沖擊功測量方法對比分析

目前，國內(nèi)外現(xiàn)有沖擊器沖擊功的測試方法很零散，研究人員都是根據(jù)沖擊器的特點研制出不同測試方法，各測試方法的適用性也不同，歸納起來主要有：觸點法、電磁法、應(yīng)力波法、位移法及沖擊力法．

觸點法是在破壞裝置的基礎(chǔ)上進行的，每次都需要更換觸頭，而且只能獲得活塞在打擊點的沖擊速度，不能全面獲得活塞在整個運動周期內(nèi)的運動狀態(tài)，不能通過此法對沖擊機構(gòu)的性能作全面的分析[1]．電磁法的時間很短，速度的變化很大，對傳感器靈敏度要求比較高．位移傳感器法是使用位移傳感器測試潛孔沖擊器沖擊功的方法，實驗證明該方法測試效率高，適用于工業(yè)測試[2]．

沖擊力法是通過壓力產(chǎn)生電信號，其結(jié)果是簡化了測試工序，且能準(zhǔn)確地反映沖擊器的工作情況，因而是最直接的一種測量方式，其缺點是受傳感器選擇的制約[3]．對上述沖擊功測量方法的對比分析可知，沖擊力法和位移法適用性較強，但由于測試裝置和性能參數(shù)的限制，都只能應(yīng)用于小量程的沖擊力試驗中．

2　改進的沖擊功計算方法

針對上述不足，本文將直接沖擊力法和位移法兩種方法進行結(jié)合，提出了一種全新的測試裝置，并給出了相應(yīng)的測量方法．

2.1原理介紹

由于沖擊力很大，以往的測量方法對測量設(shè)備的保護和測量的可行性都不能保證，為此，這里的改進方法選擇的是一種間接測量的方式，把大力轉(zhuǎn)化成小力，再對小力進行處理和研究．最終得到了位移與沖擊力的函數(shù)關(guān)系，從而可以很方便地地計算沖擊功的大?。Ｐ腿鐖D1所示．

圖1　位移法的沖擊功測量模型

在該模型中，擋板是一個立方體的籠型結(jié)構(gòu)，通過4根彈性元件分別與其中一面的4個頂點連接將受力裝置固定在墻體，籠型里面用水平兩根彈性元件懸掛一個標(biāo)準(zhǔn)物塊，并與地面無接觸，水平彈性元件也連接在擋板上，初始時刻，彈簧處于原長，當(dāng)有外力作用時，擋板水平移動，非接觸式位移傳感器1和2分別測受力籠型和標(biāo)準(zhǔn)塊在受力過程中就有位移量X1、X2[4]．通過采集卡采集傳感器的數(shù)據(jù)．

根據(jù)牛頓第二定律列方程為：

(1)

(2)

將式(2)代入式(1)中得：

(3)

式中，k1，k2為彈性系數(shù)，M為籠形鋼板質(zhì)量，m為標(biāo)準(zhǔn)塊的質(zhì)量，F(xiàn)(t)為液壓動力源．

2.2實現(xiàn)方法

選擇非接觸式位移傳感器測量X1，X2；對內(nèi)部懸掛質(zhì)量塊的形狀沒有限制，只需要已知其質(zhì)量即可；只需要考慮水平方向的受力情況，所以彈簧選擇水平懸掛方式；其中的難點是彈簧的剛度系數(shù)的確定，很顯然，彈簧在壓縮過程中剛度系數(shù)是變化的，這里選擇非線性空氣彈簧研究．

目前非線性螺旋彈簧的特性主要通過改變彈簧中徑、彈簧簧絲直徑和彈簧螺旋角等方法來實現(xiàn)[5]．在彈簧壓縮變形過程中，簧絲相互靠近產(chǎn)生接觸時開始傳遞相互間的接觸力．選擇實體Solid 45號八節(jié)點四面體單元對彈簧進行離散化，采用 Conta178接觸單元對彈簧簧絲的接觸關(guān)系進行模擬，接觸單元在彈簧簧絲相互靠近產(chǎn)生接觸時開始傳遞相互間的接觸力，未接觸時則不傳遞力．通過有限元分析，得到了其3D網(wǎng)格劃分后的模型如圖2所示．

圖2　螺旋彈簧的網(wǎng)格劃分

這里對一個典型的非線性螺旋彈簧進行了計算分析．針對特定彈簧，可以利用有限元建模很方便地得到其剛度系數(shù)．彈簧的基本參數(shù)為： 簧絲直徑d=4；彈簧螺距t=dz/2.5；彈簧圈數(shù)n=10；彈簧中徑dz=c·d；旋繞比c=8(彈簧指數(shù))．彈簧指數(shù)愈小，其剛度愈大，彈簧愈硬，彈簧內(nèi)外側(cè)的應(yīng)力相差愈大，材料利用率低．計算所得彈簧彈性特性曲線如圖3所示．

圖3　非線性螺旋彈簧的非線性曲線

圖3中非線性螺旋彈簧的非線性特征表現(xiàn)得很明顯，在載荷較小的前段，曲線表現(xiàn)得比較平緩，即彈簧剛度隨載荷增加有所增大，但增幅不大，雖然有一定的非線性特征，但彈簧線性特征較強；隨著載荷的繼續(xù)增加，曲線急劇上升，曲率變化明顯，這表明彈簧剛度大幅增大，非線性特征就表現(xiàn)得很突出了．在工程應(yīng)用時，可以認為一定范圍沖擊力時，彈簧剛度為一個定值，為后面裝置的仿真提出了依據(jù)．

經(jīng)上所述，技術(shù)難題都能一一克服，現(xiàn)在只需要對裝置的合理性進行驗證．

3　模型仿真驗證

針對上述的測量模型，這里利用ANSYS非線性動力學(xué)分析軟件，用有限元法對沖擊裝置進行仿真建模，從而分析研究物塊承受的沖擊特性．在一定范圍的沖擊載荷，為了方便建模，認為彈簧為線性的[6-9]．假設(shè)力為已知，求小物塊的位移曲線，以此驗證該裝置是否能反應(yīng)沖擊力的特性．

首先定義3種單元類型，在材料屬性的確定上，考慮到?jīng)_擊速度較低，可認為整個沖擊過程中各部分僅產(chǎn)生彈性變形，所以計算時采用的材料本構(gòu)關(guān)系為線彈性本構(gòu)關(guān)系．裝置內(nèi)部懸掛的彈簧單元選擇combin14，質(zhì)量小塊選擇mass21，籠型剛體選擇SOLID186有8個節(jié)點，每個節(jié)點包括在X，Y，Z三個方向上的位移、速度和加速度等狀態(tài)量．這種低階單元運算速度快，計算精度高；創(chuàng)建關(guān)鍵點生成外面的剛體，創(chuàng)建兩個節(jié)點，由節(jié)點生成線，然后賦予combin的屬性直接生成里面彈簧質(zhì)量單元．

圖形各部分材料屬性參數(shù)見表1．

表1　模型材料參數(shù)

該模型中的擋板籠型體和里面標(biāo)準(zhǔn)物塊都是剛性材料，所以選擇了同樣的材料參數(shù)．

再進行網(wǎng)格劃分，為了劃分更加準(zhǔn)確，進行了幾何切割，6刀后，一個整體被切成了各自獨立的14個體．首先對所有的線進行劃分，設(shè)置單元尺寸為0.04 m．再采用八節(jié)點六面體單元進行所有體的劃分，其具體網(wǎng)格化應(yīng)力圖形如圖4所示．從圖4中可以看出網(wǎng)格劃分比較細，整個模型網(wǎng)格計算結(jié)果共包括9 579個單元，48 029個節(jié)點．

圖4　劃分網(wǎng)格后的整體應(yīng)力云圖

最后進行加載求解，后處理．定義結(jié)構(gòu)分析類型為瞬態(tài)分析，施加正弦力．最后在timehist postpro中，定義變量ux-2，選擇加載荷的節(jié)點2，進行繪圖設(shè)置后，進入graph variable，得到如圖5和圖6所示的響應(yīng)曲線．

圖5　2號節(jié)點的位移響應(yīng)曲線

圖6　2號節(jié)點的位移響應(yīng)曲線

圖5是載荷步為15步，載荷子步為8時，節(jié)點2的位移響應(yīng)曲線；圖6是載荷步為20，載荷子步為10時，節(jié)點2的位移響應(yīng)曲線．從兩幅圖可以看出，響應(yīng)曲線大致呈現(xiàn)正弦走向，與施加的正弦沖擊力是對應(yīng)的，從而將大的沖擊力轉(zhuǎn)化成小的沖擊力．從圖中也可以得出適當(dāng)增加載荷步和載荷子步可以使曲線更加光滑，結(jié)果更準(zhǔn)確．

4　結(jié)　論

本文通過對沖擊功測量方法進行研究，揭示了大力轉(zhuǎn)化成小力思想在新的測試裝置中的應(yīng)用價值，通過ANSYS有限元軟件中分析了該方法的可行性，從而為大量程沖擊功測量提供了有效的研究方法．該測量方法將在液壓開口機釬桿的性能測量方面有很大的應(yīng)用前景，基于其內(nèi)部存在的這種規(guī)律，通過匹配標(biāo)準(zhǔn)塊，日后還可以做成一系列的產(chǎn)品，能方便測試人員選擇適合他們產(chǎn)品的需求，大大縮短了生產(chǎn)周期，為后續(xù)的沖擊功裝置的實現(xiàn)奠定理論基礎(chǔ)．

[1]黃志強，宋嘉寧．沖擊器性能測試方法研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J]．鑿巖機械氣動工具，2008，132(4)：1-5．

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[3]錢華，陸敏恂．大型氣動穿孔機沖擊功的測試方法研究[J]．同濟大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2006，10(34)：1374-1377．

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[5]張策，馬力，王皎．非線性螺旋彈簧特性的有限元分析[D]．武漢：武漢理工大學(xué)，2005：3-4．

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[9]王俊峰．碰撞沖擊力的數(shù)值計算與測試方法研究[D]．上海：上海交通大學(xué)，2007．

[責(zé)任編輯張莉]

Research on Method for Measuring Impact Energy in a Wide Range Measurement

Jiang BinghuaWei YuMa MingTang LiLi Muhua

(College of Electrical Engineering & Renewable Energy, China Three Gorges Univ.，Yichang 443002, China)

The method for measuring impact energy is studied. A new method for improving the measurement of a large range of impact energy is presented. Finally, by using the finite element software ANSYS to model shock stress analysis，the verification results show that the proposed method can be a very good will vigorously into a small force, the mathematical model applied to measure impact energy in a wide range measurement is feasible.

impact energy；measuring device；ANSYS

2015-12-04

蔣冰華(1961-)，男，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為現(xiàn)代檢測與控制技術(shù)．E-mail：351126617@qq.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.04.020

TP206+.1

A

1672-948X(2016)04-0097-04