高溫和沖擊作用下結構負載測試方法研究及應用

滑廣軍 ，吳運新，唐宏賓，雷新軍

(1. 中南大學 機電工程學院，湖南 長沙，410083；2. 湖南工業(yè)大學 包裝與材料工程學院，湖南 株洲，412008；3. 三一重工股份有限公司，湖南 長沙，410005)

在溫度場、力場等多物理場耦合作用下工作的設備實際受力狀態(tài)對于設備正常運行、健康維護及改造起著十分重要的作用，但其實際負荷往往難以準確獲取，因此，如何準確確定設備在溫度場、力場耦合作用下的受力一直是工程技術人員關心的問題[1]。本文作者以某條鋼剪切機剪刃為對象，討論了在高溫、沖擊作用下復雜結構動態(tài)載荷的測試及數據處理的技術方法。該剪切機是方坯軋線的重要設備，已使用近20年，一直在高溫、沖擊、重載條件下運行，多處結構曾出現開裂、變形等，影響了安全生產。該設備原設計最大剪切力為 1.89 kN，主要剪切普碳鋼和低合金鋼，隨著條鋼產品市場的不斷拓展和高性能高級別鋼種生產的需求，目前軋制的鋼種已超過設備原設計范圍，因此，需要通過剪切力的測試準確把握該設備在實際工作狀態(tài)下的負荷。負載測試最直接的方法是利用力傳感器測試，但大量程的力傳感器往往體積和質量較大，在設備上很少會有充足的安裝空間，即使有安裝空間，力傳感器也會改變原結構的特性，影響測試精度，并對設備安裝造成影響。因此，考慮利用設備本身在受載后的應變反推設備的載荷，即利用應變測試的方法間接測試載荷。這需要采取一系列的技術手段，包括選擇應變敏感部位安裝傳感器，將結構傳感器化，對結構應變與載荷的關系進行標定(一般是常溫靜載標定，因為在實驗室很難把現場的溫度場及沖擊載荷復現)。通過結構的沖擊響應特性分析及應變計的溫度特性修正，分析標定環(huán)境與實際工作環(huán)境不同造成的系統(tǒng)誤差等[2-3]。

1 結構的改造方案

改造前后剪刃的約束及受力簡圖見圖 1。剪切機有上、下結構相同2個剪刃，工作時熱鋼坯通過上、下2個剪刃的V形口，上、下剪刃交錯運動將鋼坯剪斷。剪切力分布作用到剪刃的V形口(圖1對剪切力的分布進行了簡化)，剪刃下部及外側面受到刀架的約束作用?？紤]對剪刃進行結構改造，并通過標定建立剪刃局部應變與剪切力的數學關系，然后在實際工況下測試剪刃應變進而求出剪切力。改造方法是在剪刃與刀架接觸的面上銑0.5 mm深、寬256 mm的槽，釋放刀架對剪刃側面約束；在剪刃的下面銑5 mm深，寬256 mm的槽，釋放刀架對剪刃底部的約束，并為粘貼應變計提供所需的空間。改造以后改變了剪刃的受力狀態(tài)，使得剪刃近似為簡支結構。應變測點選在剪刃下面中間部位，應變計采用自補償高溫應變計，按照電測原理在選定的位置粘貼2片電阻應變計，組成半 橋[4]。安裝了應變計的剪刃結構相當于非標傳感器，要通過標定確定載荷與測點應變的關系。

圖1 改造前后剪刃的約束及受力簡圖(單位：mm)Fig.1 Constraints and force diagram of blade before and after reconstruction

2 結構的標定

剪刃結構在安裝應變計后起到力傳感器的作用。由于測試時獲得的是應變量，為建立測試應變數據與剪切力的關系，對安裝了應變計的剪刃利用壓力機進行靜態(tài)標定，測試儀器使用東華電測的DH5937動態(tài)應變儀進行，儀器動態(tài)應變測試精度為(3±0.5%)με。同步記錄壓力機壓力及測點應變量，標定溫度為室溫(20 ℃)。利用標定的數據，求取應變和剪切力的回歸曲線方程見式(1)，對應的靜態(tài)標定曲線如圖2所示。可見：剪刃所受載荷與測點應變線性關系為：

圖2 靜態(tài)標定曲線Fig.2 Static calibration curve

式中：y為剪切施加的標定剪切力；ε為標定時剪切結構測試應變。

3 結構的沖擊響應分析

剪切機工作時的載荷為動態(tài)沖擊載荷，靜態(tài)標定建立的應變與載荷的關系能否在該動態(tài)沖擊載荷工況適用，需要對結構的沖擊響應特性進行分析[5-7]。利用ANSYS軟件建立該剪刃結構的有限元模型并求出剪刃第1階彎曲模態(tài)如圖3所示。該階模態(tài)所對應的固有頻率為2 848 Hz。在前期測試中，測得剪刃剪切力作用時間約為50 ms，其所對應的激勵頻率為20 Hz，遠遠低于激振力方向所對應的第1階固有頻率[8-9]。假設沖擊載荷為正弦半波激勵：

則在正弦半波激勵下對剛度為 k的系統(tǒng)的響應為：

式中：p0為激勵的幅值；k為系統(tǒng)剛度；p0/k為將 p0靜止作用在系統(tǒng)上的位移；ω為激勵頻率；ω為系統(tǒng)固有頻率； β = ω /ω。

若令t1=π/ω，α=t/t1，將其帶入式(2)和(3)可得：

則在正弦半波激勵下單自由度系統(tǒng)的響應為：

本 例 中 ， β=1/142.4 ， 1/(1-β2)≈1.000 05 ，βsin(πα/β)≤0.007，因此，式(5)可以近似為：

由公式(6)可知：響應由高頻與低頻合成，并且高頻成分對響應的影響較小，特別是當α在0.5附近取值時，高頻成分對總響應的影響為-0.7%～0.7%，這時的系統(tǒng)響應與系統(tǒng)激勵同步變化。因此，可以得出結論：當本結構受到的沖擊激勵的脈沖時間遠遠大于結構的固有周期時(或激勵頻率遠小于結構固有頻率時)，結構能夠迅速響應，響應與激勵同步，同時，系統(tǒng)最大響應與靜態(tài)載荷p0作用下的最大響應相等，這時的沖擊載荷只是感官上的沖擊載荷，仍然可以按照靜態(tài)載荷進行分析[10-12]。因此，可以利用靜態(tài)標定數據和對沖擊載荷作用下測試的應變數據進行分析。

圖3 剪刃第一階彎曲模態(tài)Fig.3 First-order bending mode of blade

4 應變信號測試及溫度修正

4.1 應變信號測試

為提高測試精度，測試前檢查測試系統(tǒng)并且預熱0.5 h，條鋼剪切機開機后先剪切約20 min，使得剪刃及刀架溫度達到平衡狀態(tài)后開始測試。在測試剪刃應變的同時利用紅外溫度測試儀測試剪切時條鋼的溫度，用點溫儀測試應變測點的溫度。10條鋼坯的剪切力應變見圖4。每條鋼坯剪4次，連續(xù)的4個峰值為對1條鋼坯進行的4次剪切，剪切力應變測試數據逐漸增加，這是隨著鋼坯溫度降低，鋼坯強度略有增加造成的。

圖4 連續(xù)10條方坯剪切應變曲線Fig.4 Shear strain curves of ten billets

選擇某鋼種所對應的2種斷面規(guī)格為142 mm×142 mm和100 mm×100 mm的鋼坯剪切應變峰值及剪切溫度進行分析，結果見表1。表1中的測試應變是按照常溫下的靈敏度系數所得的測試值，未考慮高溫下熱輸出的影響。實際上，隨著溫度的變化，應變計會產生熱輸出，靈敏度也會變化，因此，為了獲得更準確的應變數據，需利用該應變計的熱輸出和靈敏度溫度系數曲線進行修正[13-15]。

表1 某鋼種方坯測試應變和修正應變Table 1 Test and amendment strain of some steel billet

4.2 應變測試數據的修正

本次測試采用的高溫自補償應變計的電阻為 350 Ω，在20 ℃時靈敏度系數為2.05±1%。廠家提供的該應變計的熱輸出和靈敏度修正系數曲線見圖 5。熱補償曲線的擬合曲線為：

其中，εt表示熱輸出應變；t為溫度，℃。

圖5 熱輸出應變和靈敏度修正系數曲線Fig.5 Heat output strain and sensitivity correction coefficient curves

廠家提供的標稱靈敏度系數(2.05±1%)在20 ℃時測出，隨著溫度的增加，靈敏度系數會有所降低，變化是呈線性的，溫度每升高10 ℃，靈敏度系數會減小0.16%。這條直線的方程為：

其中：K 為標稱靈敏度系數(K＝2.05)；K′為修正后的靈敏度系數。

利用紅外點溫儀對剪刃上應變計粘貼部位溫度的測試結果表明，條鋼剪切機剪切20 min后剪刃應變計粘貼部位的溫度達到平衡，為85 ℃。將t=85代入式(7)和(8)，可得熱輸出和靈敏度系數分別為：εt=1.46(με)，K′=2.03。則結構實際應變?yōu)椋?/p>

式中：εm為結構應變；εi為測試應變；εt為熱輸出；K為常溫下應變計靈敏度系數；Kt為溫度為t時應變計靈敏度系數。

由表1可知：直接測試的應變數據偏保守，修正過的應變比測試應變略有增加，主要是高溫下靈敏度系數變化引起的。利用表1中修正的應變及標定回歸曲線(1)，可計算與應變峰值對應的剪切力(見表 1)，可知實測剪刃的最大剪切力1.81 kN，接近設備的原設計最大剪切力1.89 kN。考慮到分析數據是建立在有限測試工況條件下進行的，可以認為設備的負荷已達到設計能力。因此，若需要剪切更大斷面規(guī)格鋼坯、更高強度鋼種，則需要對設備進行改造或更嚴格的控制剪切溫度。

5 結論

(1) 對于在沖擊負荷下工作的剪刃結構，當沖擊激勵對應的激勵頻率遠小于結構固有頻率時，結構能夠迅速對激勵響應，結構總響應中與結構固有頻率有關的響應部分對總的沖擊響應影響小于0.7%，這時靜態(tài)標定結果能夠用于確定結構應變與沖擊負荷的關系。

(2) 高溫環(huán)境進行結構應變測試，對測試數據進行了應變計熱輸出及靈敏度系數的修正，利用修正過的應變數據和常溫標定結果能夠更準確地確定高溫環(huán)境下結構的載荷。

(3) 對于復雜環(huán)境下工作的設備或構件的力學測試，為了保證測試方案的科學性及測試數據的可靠性，需要有針對性地對測試系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)采取力學分析、仿真技術及修正等處理。

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