（机械电子工程专业论文）液压机立柱的应力监测系统研制及其附加应力规律研究.pdf

原创性声明 ilyullilillillll9iliiilllliiiiiliiiiiilllliiit462 1 5 肌y 19 1 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名：日期：2 qff 年上月- 生日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：纽导师签名：作者签名_ 墓垒垒l 导师签名：日期：垄卫年月上日 摘要 摘要 立柱为液压机主要受力部件，起着支撑液压机本体以及为活动横 梁导向的作用，由于加工偏载效应、活动横梁横向偏摆运动、液压系 统冲击等复合作用，将引起立柱局部瞬态附加应力明显偏大，影响液 压机本体结构安全。由于液压机现场环境恶劣，早期立柱应力检测系 统均未运行多久即失效，目前国内没有长期可靠运行的液压机立柱应 力监测系统。 本文以3 0 0 m n 模锻液压机为研究对象，主要对上一代电涡流式立 柱应力检测系统进行了实验测试分析，总结其失效的主要原因，在此 基础上，提出了一种数字式液压机立柱应力在线监测方案，并完成了 系统总体方案、结构、电气以及软件的设计；系统通过检测立柱受载 时的微变形来计算立柱承受的应力，采用数字式微位移传感器为检测 核心元件，所有传感器通过一条r s 4 8 5 总线相连，实现了应力信号的 数字化采集与传输，提高了系统的抗干扰能力；基于现场总线技术实 现与3 0 0 m n 液压机操作系统融合，实现了立柱应力的实时监测、数据 归档以及传感器状态监测等功能；使用l s d y n a 软件对3 0 0 m n 模锻液 压机进行了有限元接触分析，得出不同模间距下活动横梁偏移对立柱 附加应力的影响规律，采用数据拟合的方法得出了立柱附加应力估算 公式，可实现立柱附加应力的实时估算，具有工程应用价值；对系统 记录的数据进行了分析，验证了附加应力计算公式，得出了3 0 0 m n 模 锻液压机立柱应力变化规律。 系统自2 0 0 9 年底成功在3 0 0 m n 模锻液压机上试运行，系统试运 行一年多来未出现任何故障，具有较高的可靠性，实现了液压机立柱 应力长期可靠监测。所提出的附加应力估算公式可实现立柱附加应力 的实时估算，为液压机应力预警提供了技术支撑，对液压机力学规律 的进一步研究奠定了基础，为大型液压机的设计提供借鉴和参考。 关键词：液压机，立柱，应力监测，附加应力 中南人学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h em a i nf o r c ec o m p o n e n t so ft h eh y d r a u l i cp r e s s ，t h ec o l u m n s s u p p o r tt h eb o d yo fh y d r a u l i cp r e s sa n dg u i d ef o rt h em o v i n gb e a m t h e c o m b i n e de f f e c t so fp r o c e s s i n gp a r t i a ll o a d i n g ，h o r i z o n t a ld e f l e c t i o no f t h em o v i n gb e a ma n dt h ei m p a c to ft h eh y d r a u l i cs y s t e mw o u l dc a u s e c o l u m n s l o c a lt r a n s i e n ta d d i t i o n a ls t r e s ss i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e da n d a f f e c tt h es a f e t yo ft h eb o d ys t r u c t u r e t h ee a r l yc o l u m ns t r e s sd e t e c t i o n s y s t e m sw e r ea l lf a i l e db yr u n n i n go n l yas h o t t i m eb e c a u s eo f t h eh o s t i l e s i t ee n v i r o n m e n to ft h eh y d r a u l i cp r e s s a tp r e s e n t ，t h e r eh a s n tb e e na n y l o n g - t e r ma n d r e l i a b l ec o l u m n s s t r e s sm o n i t o r i n gs y s t e mo ft h eh y d r a u l i c p r e s si nt h ec o u n t r y i nt h i sp a p e r ，t h e30 0 m nd i ef o r g i n gh y d r a u l i cp r e s sw a sc h o u s e da s t h er e s e a r c ho b j e c t t h ee x p e r i m e n to fe d d y c u r r e n tc o l u m n s s t r e s s d e t e c t i n gs y s t e mw a st e s t e dt oi d e n t i f yt h em a i nf a i l u r er e a s o n so ft h e p r e v i o u sg e n e r a t i o n a n do nt h i sb a s i s ，ap r o g r a mo fd i g i t a lh y d r a u l i c c o l u m n s s t r e s so n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mw a sp r o p o s e d t h eo v e r a l l s y s t e mp l a n ，s t r u c t u r a ld e s i g n ，e l e c t r i c a ls y s t e md e s i g na n ds o f t w a r e d e s i g nw e r ea l lb e e nc o m p l e t e d t h es y s t e mc a l c u l a t e dt h ec o l u m n ss t r e s s b yd e t e c t i n gt h em i c r o - d e f o r m a t i o no ft h ec o l u m nw h e nl o a d e d t h e d i g i t a lm i c r o - d i s p l a c e m e n ts e n s o r sw e r eu s e da st h ec o r ec o m p o n e n t s ， a n da l ls e n s o r sw e r ec o n n e c t e dt oar s 4 8 5b u s ，s ob o t ht h es i g n a l a c q u i s i t i o n a n dt r a n s m i s s i o nw e r e d i g i t i z i n g ，w h i c hi m p r o v e d t h e c a p a c i t yo fa n t i - j a m m i n go ft h es y s t e m b a s e do nt h ef i l e d b u s ，t h e c o l u m n s s t r e s sm o n i t o r i n gs y s t e mi n t e g r a t e dw i t ht h e3 0 0 m nd i e f o r g i n gh y d r a u l i cp r e s so p e r a t i n gs y s t e m ，h a dt h ef u n c t i o n so f r e a l t i m e c o l u m n s s t r e s sm o n i t o r i n g ，d a t a a r c h i v i n g ，a n d s e n s o rc o n d i t i o n m o n i t o r i n g t h ef i n i t ee l e m e n tc o n t a c ta n a l y s i so f30 0 m nd i ef o r g i n g h y d r a u l i cp r e s s w a sd i db yl s d y n at o a n a l y z et h ei n f l u e n c e o n c o l u m n s a d d i t i o n a ls t r e s sw i t hd i f f e r e n tm o d es p a c i n gc a u s e db yt h e h o r i z o n t a lo f f s e to fm o v i n gb e a m c o l u m n s a d d i t i o n a ls t r e s se s t i m a t i o n f o r m u l aw a sc o n c l u d e du s i n gt h em e t h o do fd a t af i t t i n g ，w h i c hc a n e s t i m a t et h ec o l u m n s a d d i t i o n a ls t r e s sr e a l - t i m e i th a st h ee n g i n e e r i n g i i v a l u e t h ed a t ar e c o r d e db yt h e s y s t e mw a sa n a l y z e dt ov e r i f yt h e c o l u m n s a d d i t i o n a ls t r e s se s t i m a t i o nf o r m u l a t h ec h a n g er u l eo f30 0 m n d i ef o r g i n gh y d r a u l i c p r e s sc o l u m n s s t r e s sw a ss u m m e du p t h ec o l u m n s s t r e s so n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mh a sb e e nt r i a lr a no n t h e3 0 0 m nd i ef o r g i n gh y d r a u l i cp r e s ss i n c et h ee n do f t h ey e a r2 0 0 9 t h e r eh a sn o ta n yb r e a k d o w nd u r i n gt h es y s t e mo p e r a t i o nt i m e ，s ot h e s y s t e mh a sh i g hr e l i a b i l i t y ，i tc a nr e a l i z el o n g t e r mr e l i a b l em o n i t o r i n go f t h ec o l u m n s s t r e s so f h y d r a u l i cp r e s s t h ee s t i m a t i o nf o r m u l ap r o p o s e d c a ne s t i m a t et h ec o l u m n s a d d i t i o n a ls t r e s sr e a l t i m e ，w h i c h p r o v i d ed t e c h n i c a l s u p p o rf o re a r l yw a r n i n go fh y d r a u l i cp r e s s s t r e s s t h e r e s e a r c ho ft h i sp a p e rl a i dt h ef o u n d a t i o no f h y d r a u l i cp r e s s m e c h a n i c a l l a w sf o rf u r t h e rr e s e a r c ha n dp r o v i d e dr e f e r e n c ef o rt h ed e s i g no f h u g e h y d r a u l i cp r e s s k e yw o r d s ：h y d r a u l i c p r e s s ； a d d i t i o n a ls t r e s s i i i c o l u m n ； s t r e s s m o n i t o r i n g ； 中南人学硕f ：学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 课题来源与研究意义1 1 2 应力检测技术现状2 1 2 1 电阻应变式应力检测技术。2 1 2 2 光纤光栅式应力检测技术3 1 2 3 振弦式应力检测技术3 1 2 4 超声波应力检测技术一4 1 2 5 磁力效应应力检测技术4 1 3 液压机立柱应力检测技术现状及发展趋势5 1 3 1 应变片式立柱应力检测方式5 1 3 2 电涡流式立柱应力检测方式：6 1 3 3 其它立柱应力检测方法简介7 1 3 4 液压机立柱应力检测技术发展趋势8 1 4 液压机立柱附加应力研究现状9 1 4 1 传统力学方法9 1 4 2 现代c a e 方法9 1 5 本文研究内容1 0 第二章立柱应力监测系统方案1 2 2 13 0 0 m n 模锻液压机简介一1 2 2 1 1 本体结构1 2 2 1 2 液压机工作原理及现场环境1 3 2 2 电涡流式立柱应力检测系统失效原因分析1 4 2 2 1 系统介绍14 2 2 2 系统性能实验研究1 4 2 2 3 系统失效主要原因1 8 2 3 方案与选择2 0 2 3 1 系统基本要求2 0 2 3 2 非接触式立柱应力监测方案2 0 2 3 3 接触式立柱应力监测系统方案2 1 2 3 4 接触式立柱应力监测方案性能测试2 2 i v 中南人学硕i ：学位论文目录 2 3 5 方案比较与确定2 3 2 4 本章小结2 4 第三章立柱应力监测系统硬件设计2 5 3 1 总体方案设计2 5 3 1 1 检测原理2 5 3 1 2 系统组成2 6 3 1 3 元件选型2 7 3 1 4 精度分析2 9 3 2 机械结构设计2 9 3 2 1 传感器布置及现场走线2 9 3 2 2 传感器探头安装支架设计3 0 3 2 3 传感器底座安装接线盒设计3l 3 3 电气系统设计。3 2 3 3 1 总线网络配置3 2 3 3 23 群从站配置3 2 3 3 3 传感器电气原理3 4 3 3 4 电气控制柜设计3 5 3 4 本章小结3 5 第四章系统数据通讯与软件实现3 6 4 1 网络通讯3 6 4 1 1 总线网络配置3 6 4 1 2 主站p l c 与3 群从站之间的通讯。3 6 4 1 - 3 上位机与p l c 的通讯3 7 4 2s 7 2 0 0 p l c 与r s 2 3 2 i m 通讯3 8 4 2 1r s 2 3 2 i m 与p l c 的通信原理一3 8 4 2 2r s 2 3 2 i m 通讯模块的初始化3 8 4 2 3 传感器数据的读取3 9 4 3p l c 程序设计3 9 4 3 1 主程序流程总图3 9 4 3 2 应力报警程序设计4 0 4 3 3 程序循环控制策略4 l 4 4 监控系统设计4 2 4 4 1 实时监测界面4 2 4 4 2 历史数据查询4 3 v 中南人学硕仁学位论文目录 4 4 3 参数设定界面4 3 4 5 本章小结4 4 第五章立柱附加应力规律研究4 5 5 1 仿真模型及附加应力影响因素分析4 5 5 1 1 实体模型4 5 5 1 2 有限元模型4 6 5 1 3 接触算法4 7 5 1 4 附加应力影响因素分析4 7 5 2 活动横梁纵向偏移对立柱附加应力影响规律一4 8 5 2 1 仿真分析过程4 8 5 2 2 仿真结果分析4 8 5 2 3 纵向偏移规律4 9 5 - 3 活动横梁横向偏移对立柱附加应力影响规律5 0 5 3 1 仿真分析过程5 0 5 3 2 仿真结果分析5 0 5 3 3 横向偏移规律5l 5 4 不同模间距下活动横梁偏移对立柱附加应力影响规律5 2 5 5 立柱附加应力估算公式一5 3 5 6 本章小结一5 3 第六章工业现场测试研究5 4 6 1 检测系统简介5 4 6 2 立柱附加应力公式验证5 5 6 2 1 实验测试数据5 5 6 2 2 数据分析5 6 6 2 3 工程应用价值5 7 6 3 立柱应力规律实验数据分析。5 8 6 3 1 活动横梁较小偏移下立柱受力规律5 8 6 3 2 活动横梁偏移对立柱应力的影响规律5 9 6 3 3 活动横梁扭转对立柱应力的影响规律6 l 6 4 本章小结6 3 第七章总结与展望6 4 7 1 全文总结。6 4 7 2 展望。6 5 参考文献6 6 v i 中南人学硕二 ：学位论文 日录 致谢7 0 攻读硕士期间主要研究成果7 l v 中南人学硕l j 学位论文第一章绪论 1 1 课题来源与研究意义 第一章绪论 本论文“液压机立柱的应力监测系统研制及其附加应力规律研究”来源于国 家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 资助项目“3 0 0 m n 模锻液压机状态监测与 故障诊断研究 ( 项目编号：2 0 0 7 a a 0 4 2 4 1 7 ) 。该项目主要包括立柱应力状态监 测、活动横梁偏摆监测、水路系统液压冲击、关键部件接触力学分析、故障诊断 与预警等。本论文的主要工作为3 0 0 m n 模锻液压机立柱应力监测系统的设计及 液压机立柱附加应力规律研究。 西南铝业集团装备的3 0 0 m n 模锻液压机( 如图1 1 所示) 是目前我国最大 的模锻液压机【1 1 ，它主要用来生产一般设备难以生产的大型构件，它对国家的重 型机械制造业特别是国防工业的技术水平与生产起着极其关键的作用，是一个国 家工业化程度以及国防实力的重要标志。 图1 - 13 0 0 m n 模锻液压机 中南人学硕i ：学位论文 第一章绪论 在实际生产中，3 0 0 m n 模锻液压机的载荷状况是非常复杂的，其主框架系 统是一个多约束系统，工作时在巨大载荷作用下，其复杂结构的接触非线性、超 静定、连接与运动副间隙等因素产生载荷奇异传递和巨大的附加内力，直接影响 大型构件受力状况。在没有立柱应力监测系统的情况下，只能靠严格遵守操作规 程和认真控制偏心距的手段，保证水压机的正常工作，而一旦这些人为的控制失 败、应力载荷过大，就可能使水压机承受严重的偏心载荷。立柱在偏心载荷作用 下的弯曲应力大大超过纯中心载荷下的拉伸应力，使其处于极为不利的工作情 况。据资料1 2 1 显示，该水压机曾因应力监测报警不到位而出现过下横梁裂缝、立 柱啃伤、活动横梁动态偏移过大等情况，严重威胁到水压机本体的安全。3 0 0 m n 模锻液压机主要生产国防、军工产品，为“国宝级”设备，一旦损坏，将对国家 将造成不可挽回的损失。 以前曾经研制过液压机立柱应力保护系统，最初为应变片式，后来改为涡电 流式，但都未运行多久即失效，无法实现水压机立柱应力监测及报警。总之，目 前国内尚无可长期稳定可靠运行的液压机立柱应力实时在线监测系统。国防军工 事工业的飞速发展，对液压机的安全性、可靠性提出了更加苛刻的要求。因此， 为了保证3 0 0 m n 模锻液压机更安全可靠地运行，并充分发挥设备的潜能，研发 一套长期稳定可靠的液压机立柱应力在线监测系统意义重大。 液压机本体一般由上横梁、下横梁、活动横梁以及立柱等结构组成。液压机 的立柱起着支撑本体并为活动横梁导向的作用，承受着液压机巨大的工作载荷， 在正常的工作情况下，立柱所承受的载荷是在设计允许的范围内，但是，一旦操 作失误或者液压机的同步系统出现故障，或者偏心加载及活动横梁倾斜都将对立 柱产生较大的侧推力，立柱承受巨大附加应力，与工作载荷叠加后容易超过立柱 所能承受的极限值，立柱将会出现断裂等严重事故，据文献报道，2 0 0 0 吨水压 机1 3 】、2 5 0 0 吨水压机 4 1 、6 0 0 0 吨水压机1 5 1 、8 0 0 0 吨水压机f 6 】等均出现过立柱断裂 的严重事故，给企业造成了重大的经济损失。 液压机立柱附加应力影响因素复杂，难以直接测量，对其附加应力的预警缺 乏必要的监测手段，而立柱的断裂等往往是由于附加应力过大而造成的，因此， 对立柱附加应力规律的研究可以更有效的揭示液压机力学规律，实现立柱应力的 预警，对保护液压机的安全具有重要的意义。 1 2 应力检测技术现状 1 2 1 电阻应变式应力检测技术 电阻应变片在工程结构应力测量技术中至今仍是应用最广泛的应力测量技 术【7 1 。电阻应变式传感器以电阻应变片作为传感元件，检测构件受力后由于测点 2 中南人学硕1 ：学位论文第一章绪论 发生应变，应变片也随之变形而使应变片的电阻发生变化，再由专用仪器测得应 变片的电阻变化大小，并转换为测点的应变值。 这种传感器技术相当成熟，使用非常的方便，应用也相当广泛。侯林峰1 8 j 对大跨度预应力框架梁进行了应力测试；李昌辉一1 对翻车机进车端在翻转过程中 进行了应力测试，与仿真结果对比分析后确定了改造方案；陈中【i u l 分别从静载 和动载两个方面对桥式起重机金属结构进行了应力检测。 1 2 2 光纤光栅式应力检测技术 光纤光栅传感器( f i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o r ) 是光纤传感器的一种，通过外 界物理量对光纤布拉格( b r a g g ) 波长进行调制来获取物理信息，是一种调制波 长型的光纤传感器，利用紫外光在光纤内写入的光栅反射或透射布喇格波长光谱 来实现被测物体应变变化的测量。 应变和温度的变化对光纤光栅产生的扰动都将导致b r a g g 波长的移动，通过 检测b r a g g 波长的位移即可测量出外界温度和应力的变化1 ，通过温度补偿i 1 2 i 等方法即可克服温度与应变的交叉敏感问题1 1 3 1 。 1 9 7 8 年，k 0 h i n l l 4 】制造出光纤光栅，1 9 8 9 年g m e l t z i l 等人实现了光纤 布拉格光栅的u v 激光侧面写入技术，光纤光栅的制作技术实现了突破性进展。 光纤光栅传感器目前主要应用在结构工程中，主要对大型桥梁、海上石油平台、 大坝等进行长期的应力检测f 1 6 】。1 9 9 3 年，pmn e l l e n t r 7 1 在b e d d i n g t o nt r a i l 大桥上 首次使用了光纤光栅进行应力测量并用此法对桥梁结构进行长期监测，共使用了 1 8 个光纤光栅传感器，安装在3 种不同类型的预应力筋的各个部位上。在该桥 的监测过程中，现场解调系统和计算机从光纤光栅传感器上获得并存储信息，并 通过电缆线与遥远的中央监测站相连，从而实现了对该桥的长期实时健康监测； 胡玉瑞1 1 8 1 对云南小磨高速公路东洋隧道布设了光纤b r a g g 光栅进行隧道应力监 测，多个光栅串接在一起形成分布式应力测量链。每条光路上安装一温度补偿传 感器来剔除温度对的影响，经过两年的连续监测依然稳定。 1 2 3 振弦式应力检测技术 振弦式应力传感器以拉紧的金属弦作为敏感元件的一种谐振式传感器。通过 检测频率的变化，即可测量出构件应力值。吴海彬等【1 9 1 提出了一种利用振弦法 测量大型构件应力的方法，在实验室对振弦式传感器进行了标定，最大误差不大 于5 ；胡华军等1 2 0 l 建立了传感器与混凝土体一体的有限元计算模型，得出传感 器的介人将改变混凝土应力分布，同时标定状态以及实际使用状态的约束条件不 同，也会引起应力测试推算值的误差；卢伟升等【2 i 】研究了温度对振弦式应变传 感器的影响规律，提出了其温度影响的修正实用公式，并采用此方法对益阳茅草 街大桥进行了测试；王星海等1 2 2 1 采用振弦式应变计对株洲建宁大桥主梁截面进 中南大学硕h 学位论文第一章绪论 行了应力监控。 1 2 4 超声波应力检测技术 超声波是一种频率高于2 0 0 0 0 赫兹机械波，能灵敏地反映事件内部的各种信 息。超声波可以测量构件的残余应力和实用应力，可以测试出表面应力和工作应 力。超声波具有使用灵活、无破坏的特点。经过多年的技术发展，超声波应力检 测手段得到了迅速的发展。 目前，超声波应力检测技术基于声弹性效应，以被测媒介本身作为敏感元件， 通过声速的变化来检测固体的应力。1 9 5 3 年h u g h e s 和k e l l y 2 3 】提出了各向同性 材料的声弹性理论f 2 引，建立超声波在材料中速度与应力之间的关系。实验1 2 5j 证 明，声速随应力的变化呈较理想的线性关系。因此，固体中声速【2 6 1 的变化能够 很好地反映其中的应力情况。超声波在固体中的传播速度会受到材料组织结构较 大的干扰，超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关。 1 9 8 2 年，冉启芳等口7 】用超声波方法对螺栓进行了应力测试，试验中对两种 不同的螺母位置进行了测量，并采用电测法进行对比；a d a mb a r t o s i e w i c z 等1 2 8 1 采用便携式超声波应力检测仪对火车车轮及钢轨进行了测试；路浩等口9 】利用超 声波对3 0 0k m h 高速列车车体进行了残余应力无损测量；孟立凡等例利用超声 波对无缝钢轨热应力进行看测试。 1 2 5 磁力效应应力检测技术 磁力效应是指强磁体在磁场作用下发生形变的现象。应力在铁磁类材料构 件中是一个重要的指标，为判定钢材结构的实际受力情况，验证设计结果的可靠 度与正确性，对一些重要的结构构件实施应力检测非常重要。铁磁材料的磁特性 变化容易检测并能实现在线实时检测，磁参量与材料的微观状态紧密，裂纹、内 应力或其他缺陷、对铁磁材料的内禀性质及磁化状态有一定影响，因此，利用铁 磁材料的磁力效应即可实现应力的无损检测刚。 铁磁性材料内部存在大小不等的磁畴，应力和外磁场可改变其大小，从而改 变物体的尺寸与磁力性能，这即为磁致伸缩效应1 3 3 】。磁致伸缩效应法是常见的 一种检测应力的方法，以内置线圈的探头对铁磁材料施加一交变磁场，线圈感应 电压、磁通量与材料的磁导率u 有关，在应力的作用下，铁磁材料的磁导率u 将发生变化，且其变化率与应力。成正比【3 4 i ，因此，通过测量线圈的感应电压 即可间接计算出铁磁材料的应力状态。 澳洲t a s m a n i a 大学r l a n g m a n t 3 5 】早在上世纪8 0 年代初即利用磁力效应测 量火车轮的残余应力状态；东北大学陈耕野等【3 6 l 研究了q 2 3 5 b 钢管在轴向压力 作用下，应力与感应电动势的关系，试验结果表明：感应电动势随压应力的增大 而减小，应变随压应力的增大而增大，拟合结果均满足线性关系；长安大学熊二 4 中南人学硕f ：学位论文第一章绪论 刚3 7 1 提出了基于磁力耦合效应的铁磁材料应力无损检测法，通过检测材料的全 磁通量来检测出材料的应力状态。 1 3 液压机立柱应力检测技术现状及发展趋势 液压机的主框架系统是一个多约束系统，大惯量大行程快速运动可能引起超 调振荡，在巨大流量的液压机械系统中产生冲击，在液压机的锻压过程中，活动 横梁的偏摆将使立柱额外承受巨大的附加应力，而立柱是液压机的主要支撑件和 受力件，一旦立柱损坏，将对液压机本体造成重危害，因此，液压机立柱的应力 检测对确保液压机本体安全具有至关重要的作用。 然而，由于液压机工作环境恶劣，现场湿度大、温度波动大、电磁环境复杂 等原因，一般的检测方式均无法胜任如此恶劣的环境，虽多次研发立柱应力保护 系统，但均未运行多久即失效，目前，无长期可靠运行的液压机立柱应力检测系 统，液压机的安全只能通过现场工作人员严格遵守操作规程以及控制偏心距的手 段来实现，这给液压机的安全带来了极大的隐患。 从目前的文献资料来看，国内少见这方面的研究报道，缺乏系统而深入的研 究，国外对于巨型液压机的研究开发均作为技术秘密未予公开。 1 3 1 应变片式立柱应力检测方式 西南铝业( 集团) 有限责任公司在3 0 0 m n 模锻液压机设备建造之初即采用 电阻应变片法对立柱进行应力检测，采取的方式为在立柱表面直接粘贴应变片的 方式来检测立柱的应力。 应变片测试应力的方法技术成熟，是目前最常用的测试应力的方式，但由于 液压机工作现场环境恶劣，检测元件应变片的粘贴质量无法保证，致使使用 一段时间后，应变片出现粘贴不牢甚至脱落现象，而应变片的重贴和维护须在停 机状态下进行，严重妨碍生产进行，因而该系统失效后就一直未再使用。且应变 片的检测精度低，受温度等环境影响大，故此法稳定性低，不适宜作为长期应力 检测。 目前国内主要采用电测法对水压机进行临时的应力测试。姜永昌【3 8 l 采用电 测法对武汉塑料五厂2 5 0 吨四柱油压机立柱进行了应力检测，电阻应变片粘贴在 距立柱上下两端螺纹2 0 0 m m 处。每柱立柱选取4 个点，各相隔9 0 。，共计1 6 个测点，均为轴向贴片，采用电阻应变仪对立柱实现应力检测，建议在调整立柱 压紧螺母时采用电阻应变仪监视立柱情况；郁宏【3 9 l 对一重集团1 2 5 m n 自由锻造 液压机立柱进行了应力测试与分析，一次仪表选用直角电阻应变片和单向电阻应 变片，二次仪表选择p 2 0 r 2 5 预调平衡箱及y j 2 5 静态电阻应变仪，测点选择距 下横梁上螺帽7 0 0 m m 处立柱表面，采用了全桥和半桥外补偿两种方式，得出了 5 中南人学硕 ：学位论文第一章绪论 立柱的受力情况：立柱东面应力较大，西面应力相对较小，立柱所受的拉力不均， 在偏心锻造时将更加恶化，由于水压机在工作中的晃动将使应力集中现象更加严 重，容易造成立柱的断裂，并提出预紧立柱时应进行应力监测的建议；左虹等1 4 0 1 采用电测法对技术改造后的1 2 5 0 吨水压机立柱在不同工作频率下进行了动态应 力测试，在立柱距下横梁上表面2 5 0 m m 处粘贴4 片应变片，轴向横向各贴2 片 以便测出立柱内外侧的应力值，数据通过光线示波器记录输出曲线。 1 3 2 电涡流式立柱应力检测方式 西南铝业( 集团) 有限责任公司对3 0 0 m n 模锻液压机本体的安全性高度重 视，在2 0 0 0 年“三万吨模锻水压机生产线改造 项目中对其立柱应力检测系统 进行了改造，采用以电涡流传感器为检测核心的立柱应力检测系统。 图1 4 为电涡流式传感器的原理图，当传感器线圈通以交变电流i l 时，线圈 周围空间产生交变磁场h l ，金属导体中产生感应电涡流1 2 和交变磁场h 2 ，1 2 的 作用会反抗原磁场h l ，使传感器线圈等效阻抗发生改变，等效阻抗与被测体的 电阻率p 、磁导率u 、激磁电流频率( ) 、线圈与导体间的距离x 等有关。因此， 通过传感器线圈等效阻抗的变化即可测出线圈与导体之间的位移。 传癌器澈威电汽 一 6 中南人学硕i ：学位论文第一章绪论 图1 - 5 电涡流式立柱应力检测原理 在立柱表面固定两支架，支架一端固定被测体材料，另一端固定传感器探头， 两支架间距l = 3 0 0 m m ，通过计算，两支架在报警压力下的位移变化量为 0 1 4 6 m m ，电涡流传感器选择量程l m m ，在其精度范围内。通过测量立柱l 段 内的应变之和再通过应力应变之间的关系来求出应力值。 此方法投入使用初期效果不错，3 0 0 m n 模锻液压机也照搬此方法安装了立 柱应力检测与保护系统，但是投入使用没多久，系统即发生误报警等现象，严重 影响设备正常生产，最后不得不将其信号屏蔽，截至本项目实施前，该应力检测 与保护系统一直被关闭，3 0 0 m n 模锻液压机一直处于无立柱应力保护状态。 1 3 3 其它立柱应力检测方法简介 除了上述两种曾经实施过的应力检测方式，也有学者提出过一些方案： ( 1 ) 振弦式立柱应力检测系统【4 2 1 。图1 - 6 为振弦式立柱应力检测方案。 图1 6 振弦式立柱应力检测方案 振弦式应力检测法的应力是通过一定时间内的波数来确定，若钢弦的内应力 变化缓慢，检测系统输出的波形基本不变，可以比较准确的测量钢弦的频率，由 中南大学硕 ：学位论文第一章绪论 于液压机立柱受力波动大，故其精度难以保证，故其只适合用于测定桥梁等应力 变化缓慢的大型建筑物的应力。另外此方案结构比较复杂，不便于安装，日常维 护不变，故此方法目前只停留在方案阶段，未进行实践验证。 ( 2 ) 附着式立柱应力检测系统删。其原理仍然为目前工程中常用的电阻应 变片测量法，由于不允许在立柱表面直接粘贴应变片，故利用附着在立柱表面的 传感器间接测量立柱的变形和受力的大小。附着式立柱应力检测方案如图1 7 ： l 弹性元件( 弹簧钢片) 电阻应变片 立柱 固定支架 图l 一7 附着式立柱应力检测方案 立柱两固定支架之间的变形量通过固定支架几乎完全转移到弹性元件上，支 架的挠曲刚度远远大于弹性元件的轴向刚度，因此通过粘贴在弹性元件上的应变 片来测量其应变的大小。由于市场上附着式传感器种类和规格较少，因此需要单 独开发此类传感器，可靠性大大降低，且应变片本身可靠性不高，不适于长期应 力监测，故此方法也是停留在方案阶段，未见实际工程应用报道。 1 3 4 液压机立柱应力检测技术发展趋势 液压机工作载荷大，常由于活动横梁偏摆、加工偏差等对立柱产生较大的附 加应力，立柱为液压机薄弱环节，立柱应力监测系统对提高液压机本体安全具有 非常重要的作用。由于液压机本身结构的特点以及现场环境十分恶劣，要求立柱 应力监测系统能够适应现场恶劣的环境，对液压机进行实时可靠的应力监测并不 对液压机本体造成伤害，而目前各种检测方式检测的精度低，抗干扰能力差，可 靠性低，立柱应力监测系统的发展趋势为： ( 1 ) 高可靠性。液压机往往是企业中生产任务最重的设备之一，故对其应 力监测必须具有较高的可靠性，一旦安装应力监测系统，即能稳定的运行较长的 时间而不需要调整，更不能出现误报警等现象。 ( 2 ) 高精度。对立柱的应力进行监测，如果误差过大，往往会出现误报警 或者报警不到位等现象，将达不到应有的保护效果。 8 中南人学硕 ：学位论文第一章绪论 ( 3 ) 高抗干扰能力。液压机的工作环境恶劣，对传感元件、信号传输等都 必须具备较高的抗干扰能力，相对于水压机特殊的工作环境，必须具备抗电磁干 扰强，温度影响小，抗腐蚀能力强等能力。由于数字式网络具有较强的抗干扰能 力，因此数字化检测系统将是未来液压机立柱应力检测系统的发展大趋势。 ( 4 ) 智能化。由于计算机技术的迅猛发展，智能化已成为电子系统的发展 趋势l 私4 川，立柱应力监测系统不仅仅是对立柱应力的检测与保护，还需要将立 柱应力状态实时全方位动态的展示给操作人员，能对检测系统本身的故障进行智 能诊断，并将故障点及产生的原因显示给技术人员，以更好的对系统进行维护。 ( 5 ) 结构轻便。液压机立柱为其主要受力件，不允许对其本体造成伤害， 检测系统要求结构轻便，便于安装与调试，并不对立柱表面造成伤害。 1 4 液压机立柱附加应力研究现状 活动横梁是液压机主要活动部件，工作过程中巨大载荷的剧烈冲击、导向装 置的磨损、加工的偏心载荷等都将不可避免的引起活动横梁的水平偏移，对立柱 产生一个侧推力，使立柱承受附加应力，威胁液压机本体安全。 1 4 1 传统力学方法 国内外对液压机侧推力做过不少研究，早期研究主要集中在理论上，采用材 料力学、弹性力学等理论，对水压机进行理论力学的分析。俞新陆1 4 6 1 在其专著 中详细讨论了中小型液压机侧推力理论计算方法，但是对大型液压机侧推力的研 究不多，中南大学李范坤建立了3 0 0 m n 模锻液压机主体框架的力学模型f 4 刀，并 从运动变形干涉这一角度分析了侧推力的产生机制和变化规律1 4 引，指出侧推力 是由液压机机架受载后，立柱与动梁间运动变形干涉所产生的。立柱的弯曲、有 效导向间隙大小不适应及动梁的偏转等都将