孫淑君 徐宏海 衛(wèi)建平

摘 要：針對(duì)預(yù)應(yīng)力啟停式飛剪機(jī)機(jī)的結(jié)構(gòu)與傳動(dòng)原理，采用應(yīng)變式測(cè)力技術(shù)，構(gòu)建了基于“PC+DASP2006工程版軟件”的測(cè)試平臺(tái)，對(duì)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(shí)測(cè)，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域特征、頻域特征及相關(guān)性分析，研究結(jié)果對(duì)確定飛剪機(jī)裝配時(shí)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(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：剪切力;剪切力矩;預(yù)緊力;綜合測(cè)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(jì)變得十分簡(jiǎn)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(jiǎn)單、工作穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，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(jì)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(duì)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(duì)飛剪機(jī)的剪切力、剪切力矩和螺栓預(yù)緊力進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)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(cè)量原理

飛剪機(jī)力參數(shù)測(cè)試采用電阻應(yīng)變測(cè)量原理，以“PC+DASP2006工程版軟件”為平臺(tái)，通過(guò)應(yīng)變儀對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行調(diào)整放大，經(jīng)INV306多路動(dòng)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(cè)試的主要內(nèi)容包括模擬剪切時(shí)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(gè)測(cè)試工作分為三個(gè)階段：測(cè)試準(zhǔn)備、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(cè)力電橋的貼片與組橋、防護(hù)，利用微機(jī)控制拉壓試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行電橋特性標(biāo)定。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試階段主要包括扭矩測(cè)量電橋的貼片、組橋，簡(jiǎn)易滑環(huán)的現(xiàn)場(chǎng)制作;測(cè)力螺栓的安裝與預(yù)緊力施加;測(cè)試儀器設(shè)備的布置、被測(cè)信號(hào)的調(diào)試;根據(jù)測(cè)試方案，進(jìn)行模擬剪切下的綜合測(cè)試。數(shù)據(jù)處理與分析主要是對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行離線處理分析，包括時(shí)頻域特征和相關(guān)性分析。

3 測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)加工與安裝調(diào)試

3.1 螺栓測(cè)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(duì)稱180分別粘貼薄式電阻應(yīng)變片，組成全橋方式測(cè)量電橋。被測(cè)信號(hào)由YD-28A數(shù)字應(yīng)變儀進(jìn)行放大，在壓力機(jī)上，通過(guò)逐級(jí)加載，對(duì)測(cè)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(cè)量裝置的制作

飛剪機(jī)的扭矩測(cè)量需在現(xiàn)場(chǎng)貼片、安裝信號(hào)傳輸裝置。測(cè)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(cè)試儀器現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試

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

3.4 預(yù)緊螺栓的預(yù)載施加

為了對(duì)預(yù)緊螺栓施加已知預(yù)載，在連接測(cè)試系統(tǒng)后，通過(guò)在線監(jiān)測(cè)進(jìn)行預(yù)載施加，圖3是剪機(jī)連接螺栓的布置編號(hào)。

[圖3 ?被測(cè)螺栓的布置及編號(hào)][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(duì)剪臂施加已知載荷的方法，實(shí)測(cè)各被測(cè)螺栓的受力情況，以便為確定剪切力提供參考。（圖4）

4 測(cè)試方法與結(jié)果分析

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

[表1 ?模擬剪切試驗(yàn)方案]

4.1 時(shí)域測(cè)試波形與結(jié)果

對(duì)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(jì)算機(jī)輔助測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)緊螺栓受力及傳動(dòng)扭矩的在線測(cè)試。

表2為?77試件剪切時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)整個(gè)剪切過(guò)程進(jìn)行5次同瞬時(shí)的數(shù)據(jù)采集。表中的瞬時(shí)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(shí)測(cè)波形。圖中的信號(hào)從通道2～通道5分別為1號(hào)～4號(hào)位置飛剪機(jī)連接螺栓的受力信號(hào)，第6通道的信號(hào)為輸入軸扭矩信號(hào)。

[表2 ?飛剪機(jī)綜合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)]

4.2 時(shí)域特征分析

由圖5波形圖可知：

①飛剪機(jī)四根螺栓在動(dòng)態(tài)剪切過(guò)程中，受力狀態(tài)明顯不同，其中1號(hào)螺栓在剪切時(shí)的載荷呈沖擊脈沖載荷特征，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行時(shí)變參數(shù)的分析結(jié)果可得到進(jìn)一步證明。②從實(shí)測(cè)波形圖不難看出在飛剪機(jī)從啟動(dòng)、剪切、制動(dòng)整個(gè)動(dòng)作過(guò)程中，2～4號(hào)螺栓信號(hào)呈低頻脈動(dòng)載荷特征。③從4根螺栓的剪切時(shí)的載荷大小來(lái)看，1號(hào)和2號(hào)螺栓的載荷峰值要遠(yuǎn)大于3號(hào)和4號(hào)螺栓的載荷變化水平，在剪切直徑為77mm試件時(shí)，1號(hào)螺栓的最大峰值約為23kN（呈單向拉伸載荷），2號(hào)螺栓最大脈動(dòng)載荷的峰值約為32.5 kN（雙向脈動(dòng)峰峰值）。④傳動(dòng)軸扭矩的載荷特征與1號(hào)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(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析的基礎(chǔ)上，對(duì)螺栓載荷信號(hào)和扭矩信號(hào)進(jìn)行頻域分析，有如下結(jié)果：①在剪切時(shí)，傳動(dòng)軸扭矩信號(hào)（通道6）的頻率成份為2Hz的低頻脈沖載荷。②1號(hào)螺栓的實(shí)測(cè)信號(hào)的頻譜圖與傳動(dòng)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(lái)看，2號(hào)～4號(hào)螺栓除承擔(dān)剪切時(shí)的低頻沖擊載荷，在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，特別是起動(dòng)與制動(dòng)段，還承受150Hz的交變載荷，相比之下，2號(hào)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(hào)～4號(hào)螺栓的實(shí)測(cè)信號(hào)的頻率成份有兩部分組成，一種是低頻2Hz的脈沖信號(hào)，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(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)分析，得出以下結(jié)論：①傳動(dòng)軸扭矩信號(hào)與1號(hào)螺栓的信號(hào)呈正相關(guān)，在剪切時(shí)的脈沖載荷信號(hào)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(shí)。②2號(hào)螺栓與4號(hào)螺栓的信號(hào)具有互相關(guān)性，但在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷變化，瞬時(shí)互相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.9以上。③1號(hào)螺栓與2號(hào)螺栓的實(shí)測(cè)信號(hào)在剪切時(shí)的互相關(guān)分析，結(jié)果表明2者相關(guān)性一般。④2號(hào)和3號(hào)螺栓的實(shí)測(cè)信號(hào)相關(guān)性分析，相關(guān)程度一般。

4.5 螺栓受力分析

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

[圖6 ?試件規(guī)格對(duì)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(hào)和2號(hào)）的載荷水平明顯高于輸入軸側(cè)的M42螺栓（3號(hào)和4號(hào)）的載荷水平。②1號(hào)和2號(hào)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(hào)和4號(hào)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(jì)算

4.6.1 根據(jù)實(shí)測(cè)扭矩推算剪切力

圖7是模擬剪切時(shí)不同工藝條件下，扭矩的實(shí)測(cè)直方圖，從圖中可以看出：①在試件斷面較小時(shí)，剪切速度對(duì)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(shí)。②剪切斷面對(duì)扭矩的影響較大，特別是大斷面時(shí)，扭矩增大明顯。

圖7 ?傳動(dòng)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(zhǎng)，該值隨剪切過(guò)程而變化。根據(jù)最大實(shí)測(cè)扭矩，通過(guò)計(jì)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(shí)測(cè)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(dòng)力矩，0.5m/s，1m/s無(wú)空載力矩?cái)?shù)據(jù);②末行括弧數(shù)值為以1.2m/s剪切?77時(shí)，扣除空載力矩后推算的剪切力;③因?yàn)榧羟羞^(guò)程有轉(zhuǎn)速降，故按公式計(jì)算的△θ稍偏大一點(diǎn)， 即剪切力臂Lmax稍偏小一點(diǎn)，因此根據(jù)扭矩推算的剪切力會(huì)略微偏大一點(diǎn)。

4.6.2 根據(jù)螺栓在線加載標(biāo)定推算剪切力

在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)千斤頂在剪臂上施加已知載荷（模擬剪切力），測(cè)試1～4號(hào)螺栓的信號(hào)變化，然后按壓力機(jī)標(biāo)定時(shí)的數(shù)據(jù)得出螺栓受力。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明在剪臂處加已知模擬載荷，剪機(jī)傳動(dòng)側(cè)的3號(hào)和4號(hào)螺栓與已知載荷的關(guān)系不穩(wěn)定，而1號(hào)螺栓和2號(hào)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(hào)螺栓的實(shí)測(cè)載荷推算剪切力的大小。根據(jù)1號(hào)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(duì)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(guò)與單位剪切力的經(jīng)驗(yàn)值對(duì)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(shí)測(cè)載荷推算剪切力偏小的原因，主要是螺栓的多點(diǎn)約束條件與剪切時(shí)的沖擊載荷特征，各測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)存在相位差（延時(shí)效應(yīng)），動(dòng)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(shí)測(cè)扭矩推算剪切力，在高速時(shí)，應(yīng)考慮空載動(dòng)態(tài)力矩的影響，推算值比實(shí)際值要偏大些。

5 結(jié)論

①飛剪機(jī)在整個(gè)模擬剪切過(guò)程中，傳動(dòng)軸扭矩信號(hào)的載荷特征呈脈沖載荷特征，1號(hào)螺栓的信號(hào)特征與扭矩信號(hào)具有很好的互相關(guān)性，相關(guān)程度高。

②飛剪機(jī)2號(hào)～4號(hào)連接螺栓的載荷在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中呈脈動(dòng)信號(hào)特征，特別是在剪機(jī)起動(dòng)與制動(dòng)過(guò)程中脈動(dòng)特征明顯。4條螺栓的載荷響應(yīng)特征具有對(duì)角線關(guān)系，尤為明顯的是2號(hào)螺栓與對(duì)角線的4號(hào)螺栓的振動(dòng)周期信號(hào)同步，倆信號(hào)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(shí)，傳動(dòng)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(guò)程中， 1、2號(hào)螺栓載荷幅度明顯高于3、4號(hào)螺栓。在770°C模擬剪切（77mm試件時(shí)，1號(hào)螺栓受沖擊脈沖載荷最大值約為23 kN;2號(hào)螺栓受脈動(dòng)沖擊載荷，最大脈動(dòng)幅度約為32kN。

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

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