王文軍，徐培民

多功能張緊裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)分析

王文軍1，徐培民2

（1.廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院，廣西 柳州 545000；2.安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002）

為實(shí)驗(yàn)室的帶鋼抖動(dòng)試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)了一款具有張緊、張力檢測(cè)及糾偏的多功能張緊裝置。包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，傳感器選型與標(biāo)定，裝置的安裝與調(diào)試，系統(tǒng)的張力分析。由LMS動(dòng)態(tài)測(cè)試與分析系統(tǒng)對(duì)張緊裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。試驗(yàn)結(jié)果表明：該裝置基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)設(shè)功能，可為帶鋼抖動(dòng)試驗(yàn)裝置提供額定的張力，測(cè)試動(dòng)態(tài)張力，并防止銅帶跑偏。在與張力的動(dòng)態(tài)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，輥?zhàn)愚D(zhuǎn)頻在力傳感器頻譜圖上表現(xiàn)明顯。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速＝120 r/min、張力＝17.41 N時(shí)，整個(gè)裝置會(huì)出現(xiàn)比較明顯的共振現(xiàn)象。其中采集到的各組動(dòng)態(tài)張力是研究模型銅帶抖動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一。

試驗(yàn)裝置；張緊裝置；張力；LMS動(dòng)態(tài)測(cè)試與分析系統(tǒng)

在連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)線上，氣刀處帶鋼的大幅抖動(dòng)是影響鍍膜質(zhì)量的主要因素。實(shí)驗(yàn)室模型試驗(yàn)便成為研究工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜問題的有效手段。以某條熱鍍鋅線為研究對(duì)象，根據(jù)相似理論研制出一套帶鋼抖動(dòng)試驗(yàn)裝置。其中張緊裝置是帶鋼抖動(dòng)試驗(yàn)裝置的一個(gè)重要模塊之一。張緊裝置在帶傳動(dòng)領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛研究和應(yīng)用[1-4]。基于以上研究，針對(duì)于在實(shí)驗(yàn)室的帶鋼抖動(dòng)試驗(yàn)裝置，運(yùn)動(dòng)的銅帶需要一定張力保證與主動(dòng)輥之間不打滑，這樣才能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)張緊裝置，以使銅帶產(chǎn)生一定張力；銅帶運(yùn)行過程中，由于銅帶兩端輥?zhàn)拥钠叫卸日`差，導(dǎo)致張力沿帶橫截面分布不勻、進(jìn)而使帶跑偏，因此還需一個(gè)糾偏裝置；由于需要給銅帶施加準(zhǔn)確的張力值，故須有測(cè)力系統(tǒng)；基于上述三個(gè)要求，本文研制一種兼具張緊、測(cè)力和微糾偏功能的新型張緊裝置。

1 張緊裝置設(shè)計(jì)

1.1 張緊裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，張緊裝置是抖動(dòng)試驗(yàn)裝置的子模塊。

圖1 抖動(dòng)試驗(yàn)裝置示意圖

抖動(dòng)試驗(yàn)裝置主要由一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)、四個(gè)轉(zhuǎn)向輥和張緊裝置組成。四個(gè)轉(zhuǎn)向輥分布在鋼結(jié)構(gòu)的四個(gè)角，電機(jī)驅(qū)動(dòng)左下角的轉(zhuǎn)向輥，也叫主動(dòng)輥，環(huán)形銅帶繞在四個(gè)轉(zhuǎn)向輥之上，張緊裝置在下面兩個(gè)轉(zhuǎn)向輥中間。張緊裝置主要是由張緊輪、軸承及軸承座、力傳感器、滑塊、導(dǎo)槽、頂桿和底座組成。張緊輪兩端的軸承座分別安裝在兩個(gè)壓力傳感器之上，壓力傳感器安裝在滑塊之上，滑塊置于鉛垂向?qū)Р蹆?nèi)，其高度可由頂桿調(diào)節(jié)，固定在滑塊上的力傳感器和張緊輪隨之升降。四個(gè)轉(zhuǎn)向輥?zhàn)拥闹睆剑?5 mm，張緊輪直徑＝60 mm。

張緊輪材料選擇鋁合金，滑塊和導(dǎo)槽的材料選擇強(qiáng)度和硬度都比較好的45#鋼。張緊輪上下運(yùn)動(dòng)時(shí)要保證平穩(wěn)和精確，導(dǎo)塊和導(dǎo)槽的接觸面機(jī)加工精度要求達(dá)到6級(jí)。表面粗糙度為0.6mm，底面和側(cè)面的垂直度為0.01 mm[5]?；瑝K上下面的平行度為0.01 mm?；瑝K的寬度（張緊輪軸向）比導(dǎo)槽的槽寬小6 mm，這是因?yàn)閺埦o裝置有微調(diào)跑偏的功能。用SolidWorks對(duì)張緊裝置的零件進(jìn)行繪圖，并對(duì)零件進(jìn)行裝配，檢查設(shè)計(jì)的合理性，如圖2所示。

圖2 多功能張緊裝置SolidWroks三維圖

1.2 力傳感器選型

抖動(dòng)試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)的銅帶工作狀態(tài)額定張力o＝14.51 N[6]，結(jié)合傳感器市場(chǎng)的情況，選量程為50 N、由北京某公司生產(chǎn)的應(yīng)變式力傳感器。其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 CH-600D/BS-102型力傳感器技術(shù)指標(biāo)

1.3 力傳感器標(biāo)定

新的力傳感器需對(duì)其技術(shù)性能進(jìn)行全面標(biāo)定，以保證量值的準(zhǔn)確傳遞，主要是標(biāo)定力傳感器的線性度及靈敏度。使用力傳感器標(biāo)定的基本方法來進(jìn)行標(biāo)定[7]。標(biāo)定所用的設(shè)備有： LMS采集箱、三個(gè)不同質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)砝碼、計(jì)算機(jī)。靈敏度表示傳感器的輸入量增量D與由它引起的輸出量增量D之間的函數(shù)關(guān)系，更確切地說，靈敏度度等于傳感器輸出增量與被測(cè)量增量之比，它是傳感器在穩(wěn)態(tài)輸出輸入特性曲線上各點(diǎn)的斜率，表達(dá)式為：

式中：為曲線各點(diǎn)斜率；()為曲線方程。

型號(hào)L1330力傳感器的標(biāo)定數(shù)據(jù)如表2所示，L1331力傳感器的如表3所示。在Matlab里分別對(duì)表2和表3數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合[8]，得兩個(gè)傳感器的位移特性曲線如圖3所示。

表2 L1330力傳感器的標(biāo)定數(shù)據(jù)

表3 L1331力傳感器的標(biāo)定數(shù)據(jù)

從圖3可見，兩個(gè)力傳感器都有一定的零漂，但是線性度都很好，到達(dá)測(cè)試要求；L1330力傳感器的靈敏度為100.3 mV·N-1，L1331力傳感器的靈敏度為98.9 mV·N-1。

1.4 張緊裝置組裝與調(diào)試

張緊裝置與整個(gè)帶鋼抖動(dòng)試驗(yàn)裝置的安裝同步進(jìn)行。因?yàn)閺埦o輪軸承座底下就是力傳感器，量程非常小，容易被壓壞，安裝時(shí)要格外小心。當(dāng)試驗(yàn)裝置安裝好后，要對(duì)其進(jìn)行初調(diào)試，保證銅帶正常運(yùn)轉(zhuǎn)。銅帶運(yùn)行3圈后，若有明顯跑偏發(fā)生，則同步微調(diào)張緊輪兩端滑塊的頂桿，進(jìn)行微度糾偏。安裝好的張緊裝置如圖4所示。

圖3 力傳感器特性曲線

圖4 多功能張緊裝置安裝圖

1.5 張緊裝置受力分析

張緊輪的軸承摩擦力矩是影響張力測(cè)試精度的主要因素之一，所以首先采用實(shí)驗(yàn)方法求出張緊輪在純滾動(dòng)下的摩擦力。

實(shí)驗(yàn)是根據(jù)理論力學(xué)中的動(dòng)量矩定理來指導(dǎo)的[9]。把兩端裝有軸承的張緊輪裝在一個(gè)木架子上，并調(diào)整其水平度，然后固定。將兩個(gè)配重（1＞2）分別連接在銅帶的兩端，然后掛在張緊輪上。由于兩配重有質(zhì)量差，所以配重從靜止開始在某個(gè)高度以加速度勻加速運(yùn)動(dòng)，如圖4所示。

R.張緊輪大半徑，mm；r.張緊輪小半徑，mm；m1、m2.配重，kg；h.高度，mm；a.加速度，m·s-2

系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)示意圖如圖5所示，取系統(tǒng)為研究對(duì)象，系統(tǒng)對(duì)軸的動(dòng)量矩為：

式中：為角速度，rad·s-1；為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；為張緊輪大半徑，mm。

式中：為角加速度，rad·s-2；M為力矩，N·m；為重力加速度，m·s-2。

張緊輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

式中：輪為的張緊輪質(zhì)量kg；輪為的張緊輪質(zhì)量kg。

張緊輪的材料為鋁合金，密度＝2800 kg/m3，＝30，＝10，所以＝0.001001。兩端滾動(dòng)軸承的半徑為＝16。配重1和配重2質(zhì)量分別為0.71和0.475。用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)出，由＝/得出輥?zhàn)拥慕羌铀俣取Ｍㄟ^式（3）就可以求出M，張緊輪的摩擦力設(shè)為F（單位：N），從而得出摩擦力F＝M/。

接下來做實(shí)驗(yàn)求加速度，調(diào)節(jié)配重1和配重2的為800，使配重做加速度運(yùn)動(dòng)，并同時(shí)計(jì)時(shí)，當(dāng)配重1著地時(shí)，計(jì)時(shí)停止，記下時(shí)間。重復(fù)以上方法，分別調(diào)為850、900、950、1000、1050，數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 高度與時(shí)間的關(guān)系

（注：時(shí)間已經(jīng)去掉最大值和最小值）

根據(jù)＝2/2計(jì)算各高度的加速度，如表5所示。

表5 各高度的加速度統(tǒng)計(jì)表

在帶傳動(dòng)中，張力分析是必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，抖動(dòng)試驗(yàn)裝置銅帶環(huán)各段張力之間的關(guān)系計(jì)算是關(guān)鍵[10-11]。本文對(duì)張緊裝置進(jìn)行了受力分析，由張緊的銅帶、張緊輪和軸承座組成的平面力系如圖5所示。

張力與垂直方向的夾角為，取坐標(biāo)系如圖6所示，列平面任意力系的平衡方程如下：

式中：8為張緊輪左端銅帶張力，N；7為張緊輪右端銅帶張力，N；F為張緊輪水平受力，N；F為張緊輪水平受力，N；為張緊輪的質(zhì)量，kg；為銅帶與張緊輪中心豎直方向的夾角，rad。

圖6 張緊輪受力圖

張緊輪摩擦力F＝M/，其中通過試驗(yàn)已測(cè)出力矩M＝0.0765，＝30 mm，由此得：

由式（5）和式（8）得，F＝2.04sin；可以看出側(cè)向受力是很小的，而且壓力傳感器具有只對(duì)作用在測(cè)量輥的合力沿垂直于安裝面方向上的分解力產(chǎn)生信號(hào)。

由式（6）和式（8）得：

其中張緊系統(tǒng)自重＝16.32 N，F就是力傳感器所測(cè)量豎直方向上的分力值。

由于力傳感器有零漂，所以力傳感器在計(jì)算機(jī)里顯示的力并不等于F。兩個(gè)傳感器的零漂值分別是1330＝4.27 N和1331＝3.70 N；在銅帶沒有張力時(shí)（空載），兩個(gè)力傳感器讀數(shù)值在LMS采集系統(tǒng)顯示分別為1330＝12.72 N和1331＝11.40 N，如圖7所示。

為方便試驗(yàn)，準(zhǔn)確的銅帶張力計(jì)算如下：

式中：F1330表示型號(hào)為1330的力傳感器顯示值；F1331表示型號(hào)為1331的力傳感器顯示值。

2 試驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

2.1 與張力有關(guān)的靜態(tài)測(cè)試

當(dāng)試驗(yàn)裝置靜止時(shí)，調(diào)節(jié)張緊裝置的頂桿，給銅帶施加張力，使工作段銅帶張力接近8＝12.47 N（工作張力）。實(shí)測(cè)力傳感器的值如圖8所示，張力與垂直方向的夾角為≈63.0°。由式（10）得8＝12.59 N。

圖8 張力時(shí)間歷程（一）

2.2 與張力有關(guān)的動(dòng)態(tài)測(cè)試

試驗(yàn)裝置中，銅帶的尺寸為60 mm×0.2 mm，電機(jī)轉(zhuǎn)速＝120 r/min，則銅帶的速度＝π/60＝0.471 m/s（工作速度）。通過調(diào)節(jié)張緊裝置，給定不同張力，測(cè)試運(yùn)動(dòng)中力傳感器的圖譜及產(chǎn)生的各種現(xiàn)象。

（1）工作張力條件下，在銅帶運(yùn)行中，由于銅帶兩端輥?zhàn)拥钠叫卸日`差和張緊裝置兩邊給定張力的誤差，在組裝調(diào)試后仍然會(huì)有微小跑偏情況，可以通過張緊裝置兩邊頂桿進(jìn)行微度糾偏，最終力傳感器的張力值如圖9所示，從圖中可以看出銅帶的張力是波動(dòng)的，但是總體還是比較平穩(wěn)的。張力波動(dòng)值導(dǎo)入Matlab里求平均值，張力與垂直方向的夾角為≈62o,銅帶的平均張力由式（10）計(jì)算得8＝11.91 N。

電機(jī)轉(zhuǎn)速＝120 r/min時(shí)，四個(gè)轉(zhuǎn)向輥的直徑＝75 mm，張緊輪直徑＝60 mm，可求得四個(gè)大輥?zhàn)愚D(zhuǎn)頻f1＝2 Hz，張緊輥的轉(zhuǎn)頻f2＝2.5 Hz。通過測(cè)試，力傳感器頻譜圖如圖10所示。從圖中可以清晰地看到兩類輥?zhàn)拥霓D(zhuǎn)頻，分別為2 Hz和2.5 Hz。

圖9 張力時(shí)間歷程（二）

（2）銅帶的速度不變，調(diào)節(jié)張緊裝置使張力增加，并通過張緊裝置兩邊的頂桿微調(diào)防止跑偏，最終力傳感器的張力值如圖11所示，從圖11中可以看出銅帶的張力波動(dòng)比圖9要大一些，銅帶也出現(xiàn)比較嚴(yán)重的抖動(dòng)現(xiàn)象，出現(xiàn)共振。張力波動(dòng)值導(dǎo)入Matlab里求平均值，張力與垂直方向的夾角為≈61°，銅帶的平均張力由式（10）得8＝17.41。

圖10 力傳感器頻譜圖

圖11 張力時(shí)間歷程（三）

力傳感器頻譜如圖12所示，可以清晰地看到兩類輥?zhàn)拥霓D(zhuǎn)頻，分別為2 Hz和2.5 Hz。

圖12 力傳感器頻譜圖（一）

（3）銅帶的速度不變，調(diào)節(jié)張緊裝置使張力繼續(xù)增加，并通過張緊裝置兩邊的頂桿微調(diào)防止跑遍，最終力傳感器的張力值如圖13所示，張力與垂直方向夾角為≈58°，銅帶的平均張力8＝32.42。

圖13 張力時(shí)間歷程（四）

力傳感器頻譜如圖14所示，從圖中可清晰地看到兩類輥?zhàn)拥霓D(zhuǎn)頻，分別為2 Hz和2.5 Hz。

圖14 力傳感器頻譜圖（二）

3 結(jié)論

通過試驗(yàn)證明：

（1）該張緊裝置可以給試驗(yàn)裝置提供預(yù)定的張緊力；

（2）通過力傳感器可以測(cè)試靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的張緊力；

（3）通過微調(diào)張緊裝置的頂桿可以防止銅帶跑偏。

同時(shí)試驗(yàn)裝置運(yùn)行測(cè)試結(jié)果表明：輥?zhàn)愚D(zhuǎn)頻在力傳感器頻譜圖上顯示比較明顯，為研究試驗(yàn)裝置的動(dòng)態(tài)特性提供依據(jù)。

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Design and Testing Analysis of Multifunctional Tension Device

WANG Wenjun1，XU Peimin2

(1.Lushan College of Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou 545000,China; 2.School of Mechanical Engineering, Anhui University of Technology, Maanshan 243002, China)

A multifunctional device is designed for a testing device of steel sheets vibration in laboratory. The multifunctional device can offer tension to model sheets, measure the tension of model sheets and prevent running deviation. Including Structural design of tension device, Sensors selection and calibration, the device installation and debugging, system tension analysis. Test is carried out for LMS modal analysis system. The result of test show that the device basically realizes the preset function which can offer rated tension to model sheets, measure the tension of model sheets and prevent running deviation. In dynamic tests with tension, the frequency of rolls is obvious showed in the force sensor spectrum. When=120 r/min of motor speed and=17.41N of tension, the whole device appears obvious resonance phenomenon. The dynamic tension obtained is one of the basic data to study the rule of copper band vibration.

testing device；tension device；tension；LMS modal analysis system

TB123；TH132

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.06.012

1006－0316 (2020) 06－0074－07

2020－02－14

廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目（2019KY1104）

王文軍（1982－），男，廣西田陽人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械振動(dòng)與測(cè)試技術(shù)，E-mail：39628608@qq.com；

徐培民（1960－），男，陜西禮泉人，博士，教授，主要研究方向?yàn)榉蔷€性動(dòng)力學(xué)、機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力穩(wěn)定性等。