陳慧霞，張志義，劉冠宇，王振羽，欒鳳亮

(1.北華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林 132021；2.北華大學(xué)工程訓(xùn)練中心，吉林 吉林 132021)

高濃度磨漿機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)距對(duì)提高工作效率，增強(qiáng)磨漿安全性具有重要意義.目前，國(guó)內(nèi)外主要采用控制主電機(jī)總電流(即磨漿功率)、停機(jī)時(shí)校零位和運(yùn)行時(shí)控制進(jìn)退盤(pán)輔電機(jī)位移等調(diào)控磨盤(pán)間隙的手段[1].但受漿料、磨片磨損等眾多因素影響，測(cè)量結(jié)果有延遲且存在誤差.電渦流位移傳感器可長(zhǎng)期可靠工作，因靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、非接觸測(cè)量[2-5]、響應(yīng)速度快、不受油水等介質(zhì)影響，被廣泛應(yīng)用于大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸位移、軸振動(dòng)、軸轉(zhuǎn)速等長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中.因此，可以應(yīng)用于高濃度磨漿機(jī)動(dòng)、定磨片工作間隙的實(shí)時(shí)測(cè)量.榮鋒等[6]設(shè)計(jì)了一種基于新型橋式結(jié)構(gòu)硬件電路的電渦流位移傳感器，但沒(méi)有應(yīng)用在實(shí)際工作環(huán)境中；程家軍[7]采用電渦流位移傳感器實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)微小間隙和動(dòng)態(tài)位移響應(yīng)的精確測(cè)量，但對(duì)測(cè)量環(huán)境的要求較高；張輝等[8]首次將電渦流位移傳感器應(yīng)用在盤(pán)式磨漿機(jī)齒盤(pán)的動(dòng)態(tài)位移測(cè)量中，但沒(méi)有探討磨片的磨損對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)環(huán)境的模擬也不夠完善.本文基于電渦流位移傳感器電渦流效應(yīng)工作原理，利用其能夠適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的特點(diǎn)，對(duì)高濃度磨漿機(jī)動(dòng)、定磨片的工作間隙進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，盡可能準(zhǔn)確搭建工作環(huán)境模型，使試驗(yàn)結(jié)果更加精確有效.

1 高濃度磨漿機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 高濃度磨漿機(jī)結(jié)構(gòu)

化學(xué)機(jī)械漿高濃度磨漿機(jī)主要由磨室、主軸、前軸承盒、液壓油缸、后軸承盒、齒輪聯(lián)軸器、密封箱、機(jī)架以及液壓站、換熱器、操作柜、水冷系統(tǒng)和間隙測(cè)量顯示裝置等組成.作為高濃度磨漿機(jī)主要工作區(qū)域的磨室，由1個(gè)可軸向移動(dòng)的轉(zhuǎn)子盤(pán)和1個(gè)固定的定子盤(pán)組成.圖1為磨漿機(jī)磨室裝配切面圖，其中，動(dòng)、定盤(pán)上分別安裝了12塊30°可拆卸磨片單元，拼接成兩個(gè)圓盤(pán).磨片單元形狀及參數(shù)見(jiàn)圖2，其表面齒牙和齒槽交替分布.磨室可承受1.2 MPa壓力.磨室體材質(zhì)采用不銹鋼1Cr13整體鑄造.磨盤(pán)直徑不小于1 220 mm，磨盤(pán)轉(zhuǎn)速為1 450 r/min.

圖1磨室裝配Fig.1Assembly drawing of grinding chamber圖2磨片單元Fig.2Grinding plate unit

1.2 工作原理

將預(yù)先處理好的木片等物料由喂料器強(qiáng)制送入磨室，在動(dòng)盤(pán)和靜盤(pán)組成的磨區(qū)內(nèi)，物料在磨片與纖維、纖維與纖維之間的相互摩擦作用下[9-10]被離解成纖維，由出料口排出磨室.在工作過(guò)程中，磨區(qū)內(nèi)動(dòng)、定磨片在外力作用下磨損嚴(yán)重，因此，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯得尤為必要.非接觸式電渦流位移傳感器可以嵌入定磨盤(pán)內(nèi)部，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量磨漿機(jī)工作間隙，而目前國(guó)內(nèi)外在相關(guān)領(lǐng)域的研究較少.

2 試驗(yàn)原理與方法

2.1 高濃度磨漿機(jī)模型搭建

為滿(mǎn)足試驗(yàn)要求，需搭建高濃度磨漿機(jī)模型，盡可能還原磨漿機(jī)在工作環(huán)境下的狀態(tài).

磨片單元之間的間隙為0.20～0.30 mm，總間隙為0.84～1.20 mm.拼接成的磨盤(pán)直徑不小于1 220 mm，磨片材質(zhì)是高鉻耐磨合金.將磨片單元加工成直徑為φ95 mm的齒盤(pán)來(lái)模擬動(dòng)磨盤(pán)(圖3)，并準(zhǔn)備鐵套筒(圖4)和加水隔離套(圖5)模擬另一個(gè)靜磨盤(pán)及加工材料.其中，對(duì)鐵套筒進(jìn)行加工是為了更精確地模擬定磨盤(pán)齒牙和齒槽的分布情況，并與未加工鐵套筒形成對(duì)比.

本試驗(yàn)在CAK6136V/750數(shù)控車(chē)床的基礎(chǔ)上進(jìn)行模型搭建，通過(guò)車(chē)床主軸帶動(dòng)動(dòng)磨盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，將傳感器固定在刀臺(tái)上，通過(guò)手動(dòng)搖桿控制與動(dòng)磨盤(pán)的距離.搭建好的試驗(yàn)平臺(tái)見(jiàn)圖6，工作局部見(jiàn)圖7.

圖3研究用齒盤(pán)Fig.3Tooth disc for research圖412mm鐵套筒Fig.412mm iron sleeve圖510mm加水隔離套Fig.510mm water isolation sleeve圖6試驗(yàn)平臺(tái)Fig.6Experimental platform圖7工作局部 Fig.7Work part

2.2 電渦流位移傳感器的確定

電渦流位移傳感器是一種基于電渦流效應(yīng)的電感式測(cè)量傳感元件[11].電渦流需要在可導(dǎo)電的材料內(nèi)才可以形成.給傳感器探頭內(nèi)線圈導(dǎo)入一個(gè)交變電流，會(huì)在探頭線圈周?chē)纬梢粋€(gè)磁場(chǎng).根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，該磁場(chǎng)會(huì)在空氣中產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)，此時(shí)將一個(gè)金屬導(dǎo)體靠近探頭線圈，感應(yīng)電場(chǎng)會(huì)在金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，也即電渦流.電渦流產(chǎn)生渦流磁場(chǎng)，根據(jù)楞次定律，電渦流的磁場(chǎng)方向與線圈磁場(chǎng)方向正好相反，而這將改變探頭內(nèi)線圈的阻抗，這個(gè)阻抗的變化與線圈到被測(cè)物體之間的距離直接相關(guān).傳感器探頭連接到控制器后，控制器可以從探頭內(nèi)獲得電壓的變化量，并以此為依據(jù)，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的距離.

傳感器線圈直徑越小，靈敏度越高，但線性范圍越窄，可覆蓋的被測(cè)金屬材料區(qū)域也就越小[8].考慮到磨片單元表面齒牙、齒槽的分布結(jié)構(gòu)會(huì)削弱一部分電渦流效應(yīng)，加上模型搭建時(shí)用到的鐵套筒和加水隔離套具有一定厚度，以及安裝因素，最終選擇電渦流傳感器的量程為50 mm，直徑為60 mm.本試驗(yàn)最終采用φ60的Q8050電渦流傳感器，其原理見(jiàn)圖8.

圖8Q8050原理Fig.8Q8050 principle

2.3 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)主要探究動(dòng)磨片轉(zhuǎn)速、磨片磨損程度以及在傳感器上依次添加定磨片(即本試驗(yàn)中的鐵套筒)和加水隔離套時(shí)，輸入位移x與輸出電壓U的關(guān)系.其中，輸入位移x的取值為1～50 mm，間隔為1 mm.輸出電壓U由傳感器的輸出端連接到數(shù)顯萬(wàn)用表上顯示讀數(shù)，精確度為1 mV.1個(gè)輸入值測(cè)量3次，取平均值作為輸出值，以提高輸出結(jié)果的準(zhǔn)確性.根據(jù)已有的設(shè)備條件及試驗(yàn)基礎(chǔ)，這里只討論定磨片的磨損情況，將磨損量分為無(wú)定磨片、定磨片未磨損、定磨片磨損3 mm、定磨片磨損6 mm、定磨片加工5種情況.

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 動(dòng)磨片轉(zhuǎn)速對(duì)位移-電壓曲線的影響

由于高濃度磨漿機(jī)的最大轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，因此，用CAK6136V/750數(shù)控車(chē)床將動(dòng)磨片的轉(zhuǎn)速控制在0～1 000 r/min，間隔為200 r/min.將試驗(yàn)分為2組：第1組無(wú)加水隔離套，第2組為有加水隔離套.用origin2017軟件繪制傳感器輸入、輸出特性曲線，見(jiàn)圖9、10.

圖9無(wú)加水隔離套時(shí)速度對(duì)位移-電壓曲線的影響Fig.9Effect of speed on displacement voltage curve without water isolation sleeve

圖10有加水隔離套時(shí)速度對(duì)位移-電壓曲線的影響Fig.10Effect of speed on displacement voltage curve with water added isolation sleeve

由圖9、10可知：無(wú)論有、無(wú)加水隔離套、定磨片，不論定磨片的磨損程度如何，動(dòng)磨片轉(zhuǎn)速對(duì)位移-電壓曲線基本無(wú)影響.等效到高濃度磨漿機(jī)實(shí)際工作情況，即動(dòng)磨盤(pán)的轉(zhuǎn)速快慢不影響電渦流位移傳感器的在線輸出結(jié)果.

3.2 定磨片磨損程度對(duì)位移-電壓曲線的影響

在實(shí)際工作環(huán)境下，動(dòng)磨盤(pán)在長(zhǎng)期轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中不斷與定磨盤(pán)發(fā)生擠壓、碾磨，動(dòng)、定磨盤(pán)免不了出現(xiàn)磨損，因此，有必要探究磨片磨損情況對(duì)位移-電壓特性曲線的影響.由前文動(dòng)磨片轉(zhuǎn)速試驗(yàn)結(jié)果可知，轉(zhuǎn)速基本不影響輸入、輸出特性曲線，故可只對(duì)轉(zhuǎn)速為0的情況進(jìn)行分析，同樣分成有、無(wú)加水隔離套兩組，曲線見(jiàn)圖11.

圖11定磨片磨損程度對(duì)位移-電壓曲線的影響Fig.11Effect of wear degree of fixed grinding plate on displacement voltage curve

由圖11可知：曲線從上到下依次是無(wú)定磨片、定磨片加工、定磨片磨損6 mm、定磨片磨損3 mm、定磨片未磨損，當(dāng)只有動(dòng)磨片沒(méi)有定磨片時(shí)，電渦流效應(yīng)最強(qiáng)；當(dāng)有定磨片時(shí)，形成了一個(gè)有斜面坡度的圓環(huán)，抑制了一部分電渦流效應(yīng)，導(dǎo)致輸出信號(hào)減弱，隨著定磨片磨損程度由低到高，對(duì)電渦流效應(yīng)的抑制作用也逐漸減弱，即輸出電壓信號(hào)最大值依次增加.并且，有定磨片的輸出最大值約為沒(méi)有定磨片的1/2，反映了定磨片的存在對(duì)輸出結(jié)果的影響較大，在實(shí)際測(cè)量中應(yīng)當(dāng)注意這一點(diǎn).

3.3 鐵套筒和水隔離套對(duì)位移-電壓曲線的影響

當(dāng)動(dòng)磨片轉(zhuǎn)速為0，定磨片磨損量不同時(shí)加鐵套筒和水隔離套對(duì)位移-電壓曲線的影響見(jiàn)圖12.由圖12可知：定磨片不同磨損情況下輸入、輸出特性曲線的分布大體一致，都是在相同位移量時(shí)，不加外部條件的輸出最大值最高，為10～12 V，而后兩種情況的輸出最大值減半，為4～6 V.除此之外，后兩種情況的曲線基本重合，可以推測(cè)加水隔離套對(duì)輸出結(jié)果幾乎沒(méi)有影響.反映在磨漿機(jī)工作情況下，即加工材料基本不影響電渦流位移傳感器的輸出值.

圖12定磨片不同磨損情況下鐵套筒和水隔離套對(duì)位移-電壓曲線的影響Fig.12Influence of iron sleeve and water isolation sleeve on displacement voltage curve under different wear conditions of fixed grinding plate

圖13定磨片不同磨損程度的輸出對(duì)比Fig.13Output comparison of different wear degrees of grindingplate

3.4 線性擬合及線性誤差

利用搭建好的試驗(yàn)平臺(tái)，針對(duì)磨片不同磨損情況，采用最小二乘法對(duì)輸入、輸出特性曲線進(jìn)行線性擬合.磨片不同磨損程度的輸出對(duì)比見(jiàn)圖13，不同磨損程度下x-U曲線線性擬合結(jié)果見(jiàn)圖14，擬合方程式的參數(shù)及相關(guān)系數(shù)R見(jiàn)表1.

考慮到工作間隙測(cè)量和安裝要求及其他因素的影響，最終確定擬合范圍為23.6～30.2 mm.由表1可知：相關(guān)系數(shù)R都大于0.99，定磨片不同磨損程度下的斜率I的平均值為0.035 23，其斜率與平均值之差ΔImax=0.005 34，ΔImin=0.000 08，相對(duì)差最大約為15.2%.由此可知，定磨片的磨損程度對(duì)電壓輸出結(jié)果有一定影響，可以根據(jù)輸出電壓的變化情況判斷定磨片的磨損情況，方便在線控制動(dòng)、定磨片之間的間隙，提高工作效率.

圖14定磨片不同磨損程度的線性擬合結(jié)果Fig.14Linear fitting results of different wear degrees

表1 擬合方程式參數(shù)及相關(guān)系數(shù)Tab.1 Parameters of fitting equation and correlation coefficient

4 結(jié) 論

本文將電渦流位移傳感器應(yīng)用在高濃度磨漿機(jī)工作間隙的測(cè)量當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)了微小位移的無(wú)接觸實(shí)時(shí)測(cè)量.完成了試驗(yàn)平臺(tái)搭建，可以更好地模擬磨漿機(jī)工作環(huán)境.探究了動(dòng)磨片轉(zhuǎn)速、磨片磨損程度以及在傳感器上依次添加定磨片和加水隔離套對(duì)輸入、輸出特性曲線的影響.結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在相同位移下，動(dòng)磨片轉(zhuǎn)速基本不改變輸出電壓的大??；定磨片磨損程度越大，輸出電壓越大，無(wú)定磨片時(shí)，輸出值最大，定磨片加工次之，且有定磨片的輸出是沒(méi)有定磨片的一半；不加外部條件的輸出最大值最高，在10～12 V，而加上外部條件后的輸出最大值減半，在4～6 V；加水隔離套對(duì)輸出值基本無(wú)影響.對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)的輸出結(jié)果進(jìn)行了線性擬合，得到的相關(guān)系數(shù)大于0.99，即傳感器測(cè)量結(jié)果可信度較高，可根據(jù)斜率的變化判斷磨片的磨損情況，實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)工作狀態(tài).

本文研究為高濃度磨漿機(jī)工作間隙的測(cè)量提供了理論依據(jù)，同時(shí)為電渦流位移傳感器的使用和發(fā)展提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)，但本文試驗(yàn)平臺(tái)的搭建還不夠嚴(yán)謹(jǐn)和完善，溫度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響也是值得探究的課題，后續(xù)將會(huì)繼續(xù)開(kāi)展研究.