大量程的沖擊功測(cè)量方法研究

蔣冰華　韋　瑜　馬　銘　湯　力　李木華

(三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院， 湖北 宜昌　443002)

?

大量程的沖擊功測(cè)量方法研究

蔣冰華韋瑜馬銘湯力李木華

(三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院， 湖北 宜昌443002)

對(duì)現(xiàn)有沖擊功測(cè)量方法進(jìn)行了研究，提出了一種改進(jìn)的大量程沖擊功測(cè)量的方法，并構(gòu)建了物理測(cè)量裝置，建立了合理的數(shù)學(xué)模型．最后用ANSYS有限元軟件對(duì)模型進(jìn)行沖擊受力分析，驗(yàn)證結(jié)果表明，提出的改進(jìn)方法能很好地將大力轉(zhuǎn)化成小力，該數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于大量程沖擊功測(cè)量是可行的．

沖擊功；測(cè)量裝置；ANSYS

隨著高爐煉鐵技術(shù)的進(jìn)步，自動(dòng)化程度的提高和勞動(dòng)生產(chǎn)率提高，隨之而來(lái)的開(kāi)鐵口機(jī)的能力也必須相應(yīng)提高以滿足工藝需求．在工業(yè)上直接衡量開(kāi)鐵口機(jī)能力的指標(biāo)是沖擊力的大小，在高爐煉鐵技術(shù)中，開(kāi)鐵口機(jī)的沖擊力的大小對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響是多方面的，主要有以下幾點(diǎn)：1)鐵口能否被打開(kāi)；2)鉆釬的利用率；3)開(kāi)口口徑的大小對(duì)泥泡的要求．4)沖擊力的大小對(duì)高爐的壽命也是有影響的．

當(dāng)前的釬桿的出廠測(cè)試都是機(jī)械化的反復(fù)敲打，根據(jù)擊穿時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)判斷強(qiáng)度的好壞，此方法周期長(zhǎng)，噪音大，效率低．現(xiàn)有沖擊功測(cè)量方法沒(méi)有適用于大量程的，為此沖擊測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)化就不能很好地制定．本文試圖對(duì)現(xiàn)有沖擊功測(cè)量方法進(jìn)行研究，然后給出應(yīng)用在大量程上的實(shí)用方法，為日后沖擊功測(cè)量裝置的制造和標(biāo)準(zhǔn)的制定給出技術(shù)上的指導(dǎo)．

1　現(xiàn)有沖擊功測(cè)量方法對(duì)比分析

目前，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有沖擊器沖擊功的測(cè)試方法很零散，研究人員都是根據(jù)沖擊器的特點(diǎn)研制出不同測(cè)試方法，各測(cè)試方法的適用性也不同，歸納起來(lái)主要有：觸點(diǎn)法、電磁法、應(yīng)力波法、位移法及沖擊力法．

觸點(diǎn)法是在破壞裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，每次都需要更換觸頭，而且只能獲得活塞在打擊點(diǎn)的沖擊速度，不能全面獲得活塞在整個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，不能通過(guò)此法對(duì)沖擊機(jī)構(gòu)的性能作全面的分析[1]．電磁法的時(shí)間很短，速度的變化很大，對(duì)傳感器靈敏度要求比較高．位移傳感器法是使用位移傳感器測(cè)試潛孔沖擊器沖擊功的方法，實(shí)驗(yàn)證明該方法測(cè)試效率高，適用于工業(yè)測(cè)試[2]．

沖擊力法是通過(guò)壓力產(chǎn)生電信號(hào)，其結(jié)果是簡(jiǎn)化了測(cè)試工序，且能準(zhǔn)確地反映沖擊器的工作情況，因而是最直接的一種測(cè)量方式，其缺點(diǎn)是受傳感器選擇的制約[3]．對(duì)上述沖擊功測(cè)量方法的對(duì)比分析可知，沖擊力法和位移法適用性較強(qiáng)，但由于測(cè)試裝置和性能參數(shù)的限制，都只能應(yīng)用于小量程的沖擊力試驗(yàn)中．

2　改進(jìn)的沖擊功計(jì)算方法

針對(duì)上述不足，本文將直接沖擊力法和位移法兩種方法進(jìn)行結(jié)合，提出了一種全新的測(cè)試裝置，并給出了相應(yīng)的測(cè)量方法．

2.1原理介紹

由于沖擊力很大，以往的測(cè)量方法對(duì)測(cè)量設(shè)備的保護(hù)和測(cè)量的可行性都不能保證，為此，這里的改進(jìn)方法選擇的是一種間接測(cè)量的方式，把大力轉(zhuǎn)化成小力，再對(duì)小力進(jìn)行處理和研究．最終得到了位移與沖擊力的函數(shù)關(guān)系，從而可以很方便地地計(jì)算沖擊功的大?。Ｐ腿鐖D1所示．

圖1　位移法的沖擊功測(cè)量模型

在該模型中，擋板是一個(gè)立方體的籠型結(jié)構(gòu)，通過(guò)4根彈性元件分別與其中一面的4個(gè)頂點(diǎn)連接將受力裝置固定在墻體，籠型里面用水平兩根彈性元件懸掛一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物塊，并與地面無(wú)接觸，水平彈性元件也連接在擋板上，初始時(shí)刻，彈簧處于原長(zhǎng)，當(dāng)有外力作用時(shí)，擋板水平移動(dòng)，非接觸式位移傳感器1和2分別測(cè)受力籠型和標(biāo)準(zhǔn)塊在受力過(guò)程中就有位移量X1、X2[4]．通過(guò)采集卡采集傳感器的數(shù)據(jù)．

根據(jù)牛頓第二定律列方程為：

(1)

(2)

將式(2)代入式(1)中得：

(3)

式中，k1，k2為彈性系數(shù)，M為籠形鋼板質(zhì)量，m為標(biāo)準(zhǔn)塊的質(zhì)量，F(xiàn)(t)為液壓動(dòng)力源．

2.2實(shí)現(xiàn)方法

選擇非接觸式位移傳感器測(cè)量X1，X2；對(duì)內(nèi)部懸掛質(zhì)量塊的形狀沒(méi)有限制，只需要已知其質(zhì)量即可；只需要考慮水平方向的受力情況，所以彈簧選擇水平懸掛方式；其中的難點(diǎn)是彈簧的剛度系數(shù)的確定，很顯然，彈簧在壓縮過(guò)程中剛度系數(shù)是變化的，這里選擇非線性空氣彈簧研究．

目前非線性螺旋彈簧的特性主要通過(guò)改變彈簧中徑、彈簧簧絲直徑和彈簧螺旋角等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)[5]．在彈簧壓縮變形過(guò)程中，簧絲相互靠近產(chǎn)生接觸時(shí)開(kāi)始傳遞相互間的接觸力．選擇實(shí)體Solid 45號(hào)八節(jié)點(diǎn)四面體單元對(duì)彈簧進(jìn)行離散化，采用 Conta178接觸單元對(duì)彈簧簧絲的接觸關(guān)系進(jìn)行模擬，接觸單元在彈簧簧絲相互靠近產(chǎn)生接觸時(shí)開(kāi)始傳遞相互間的接觸力，未接觸時(shí)則不傳遞力．通過(guò)有限元分析，得到了其3D網(wǎng)格劃分后的模型如圖2所示．

圖2　螺旋彈簧的網(wǎng)格劃分

這里對(duì)一個(gè)典型的非線性螺旋彈簧進(jìn)行了計(jì)算分析．針對(duì)特定彈簧，可以利用有限元建模很方便地得到其剛度系數(shù)．彈簧的基本參數(shù)為： 簧絲直徑d=4；彈簧螺距t=dz/2.5；彈簧圈數(shù)n=10；彈簧中徑dz=c·d；旋繞比c=8(彈簧指數(shù))．彈簧指數(shù)愈小，其剛度愈大，彈簧愈硬，彈簧內(nèi)外側(cè)的應(yīng)力相差愈大，材料利用率低．計(jì)算所得彈簧彈性特性曲線如圖3所示．

圖3　非線性螺旋彈簧的非線性曲線

圖3中非線性螺旋彈簧的非線性特征表現(xiàn)得很明顯，在載荷較小的前段，曲線表現(xiàn)得比較平緩，即彈簧剛度隨載荷增加有所增大，但增幅不大，雖然有一定的非線性特征，但彈簧線性特征較強(qiáng)；隨著載荷的繼續(xù)增加，曲線急劇上升，曲率變化明顯，這表明彈簧剛度大幅增大，非線性特征就表現(xiàn)得很突出了．在工程應(yīng)用時(shí)，可以認(rèn)為一定范圍沖擊力時(shí)，彈簧剛度為一個(gè)定值，為后面裝置的仿真提出了依據(jù)．

經(jīng)上所述，技術(shù)難題都能一一克服，現(xiàn)在只需要對(duì)裝置的合理性進(jìn)行驗(yàn)證．

3　模型仿真驗(yàn)證

針對(duì)上述的測(cè)量模型，這里利用ANSYS非線性動(dòng)力學(xué)分析軟件，用有限元法對(duì)沖擊裝置進(jìn)行仿真建模，從而分析研究物塊承受的沖擊特性．在一定范圍的沖擊載荷，為了方便建模，認(rèn)為彈簧為線性的[6-9]．假設(shè)力為已知，求小物塊的位移曲線，以此驗(yàn)證該裝置是否能反應(yīng)沖擊力的特性．

首先定義3種單元類型，在材料屬性的確定上，考慮到?jīng)_擊速度較低，可認(rèn)為整個(gè)沖擊過(guò)程中各部分僅產(chǎn)生彈性變形，所以計(jì)算時(shí)采用的材料本構(gòu)關(guān)系為線彈性本構(gòu)關(guān)系．裝置內(nèi)部懸掛的彈簧單元選擇combin14，質(zhì)量小塊選擇mass21，籠型剛體選擇SOLID186有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)包括在X，Y，Z三個(gè)方向上的位移、速度和加速度等狀態(tài)量．這種低階單元運(yùn)算速度快，計(jì)算精度高；創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)生成外面的剛體，創(chuàng)建兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，由節(jié)點(diǎn)生成線，然后賦予combin的屬性直接生成里面彈簧質(zhì)量單元．

圖形各部分材料屬性參數(shù)見(jiàn)表1．

表1　模型材料參數(shù)

該模型中的擋板籠型體和里面標(biāo)準(zhǔn)物塊都是剛性材料，所以選擇了同樣的材料參數(shù)．

再進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了劃分更加準(zhǔn)確，進(jìn)行了幾何切割，6刀后，一個(gè)整體被切成了各自獨(dú)立的14個(gè)體．首先對(duì)所有的線進(jìn)行劃分，設(shè)置單元尺寸為0.04 m．再采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元進(jìn)行所有體的劃分，其具體網(wǎng)格化應(yīng)力圖形如圖4所示．從圖4中可以看出網(wǎng)格劃分比較細(xì)，整個(gè)模型網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果共包括9 579個(gè)單元，48 029個(gè)節(jié)點(diǎn)．

圖4　劃分網(wǎng)格后的整體應(yīng)力云圖

最后進(jìn)行加載求解，后處理．定義結(jié)構(gòu)分析類型為瞬態(tài)分析，施加正弦力．最后在timehist postpro中，定義變量ux-2，選擇加載荷的節(jié)點(diǎn)2，進(jìn)行繪圖設(shè)置后，進(jìn)入graph variable，得到如圖5和圖6所示的響應(yīng)曲線．

圖5　2號(hào)節(jié)點(diǎn)的位移響應(yīng)曲線

圖6　2號(hào)節(jié)點(diǎn)的位移響應(yīng)曲線

圖5是載荷步為15步，載荷子步為8時(shí)，節(jié)點(diǎn)2的位移響應(yīng)曲線；圖6是載荷步為20，載荷子步為10時(shí)，節(jié)點(diǎn)2的位移響應(yīng)曲線．從兩幅圖可以看出，響應(yīng)曲線大致呈現(xiàn)正弦走向，與施加的正弦沖擊力是對(duì)應(yīng)的，從而將大的沖擊力轉(zhuǎn)化成小的沖擊力．從圖中也可以得出適當(dāng)增加載荷步和載荷子步可以使曲線更加光滑，結(jié)果更準(zhǔn)確．

4　結(jié)　論

本文通過(guò)對(duì)沖擊功測(cè)量方法進(jìn)行研究，揭示了大力轉(zhuǎn)化成小力思想在新的測(cè)試裝置中的應(yīng)用價(jià)值，通過(guò)ANSYS有限元軟件中分析了該方法的可行性，從而為大量程沖擊功測(cè)量提供了有效的研究方法．該測(cè)量方法將在液壓開(kāi)口機(jī)釬桿的性能測(cè)量方面有很大的應(yīng)用前景，基于其內(nèi)部存在的這種規(guī)律，通過(guò)匹配標(biāo)準(zhǔn)塊，日后還可以做成一系列的產(chǎn)品，能方便測(cè)試人員選擇適合他們產(chǎn)品的需求，大大縮短了生產(chǎn)周期，為后續(xù)的沖擊功裝置的實(shí)現(xiàn)奠定理論基礎(chǔ)．

[1]黃志強(qiáng)，宋嘉寧．沖擊器性能測(cè)試方法研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J]．鑿巖機(jī)械氣動(dòng)工具，2008，132(4)：1-5．

[2]賈如磊，王建祖，李權(quán)．基于位移傳感器的沖擊器沖擊功測(cè)試方法研究[J]．自動(dòng)化與儀器儀表，2012(4)：11-14．

[3]錢華，陸敏恂．大型氣動(dòng)穿孔機(jī)沖擊功的測(cè)試方法研究[J]．同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，10(34)：1374-1377．

[4]姚寶珍，張亞，李世中，等．微傳感器放大電路設(shè)計(jì)[J]．四川兵工學(xué)報(bào)，2010，31(1)：107-109．

[5]張策，馬力，王皎．非線性螺旋彈簧特性的有限元分析[D]．武漢：武漢理工大學(xué)，2005：3-4．

[6]劉海濤．電錘沖擊功測(cè)試方法研究[J]．電動(dòng)工具，2012(3)：10-13．

[7]劉衛(wèi)群，繆協(xié)興．利用ANSYS程序分析軟巖沖擊礦壓及廣義應(yīng)力(應(yīng)變)率準(zhǔn)則[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21(1)：29-33．

[8]鐘飛，史青錄．基于ANSYS Workbench的挖掘機(jī)式?jīng)_擊器工作裝置模態(tài)分析[J]．機(jī)械研究與應(yīng)用，2012，108(4)：37-39，42．

[9]王俊峰．碰撞沖擊力的數(shù)值計(jì)算與測(cè)試方法研究[D]．上海：上海交通大學(xué)，2007．

[責(zé)任編輯張莉]

Research on Method for Measuring Impact Energy in a Wide Range Measurement

Jiang BinghuaWei YuMa MingTang LiLi Muhua

(College of Electrical Engineering & Renewable Energy, China Three Gorges Univ.，Yichang 443002, China)

The method for measuring impact energy is studied. A new method for improving the measurement of a large range of impact energy is presented. Finally, by using the finite element software ANSYS to model shock stress analysis，the verification results show that the proposed method can be a very good will vigorously into a small force, the mathematical model applied to measure impact energy in a wide range measurement is feasible.

impact energy；measuring device；ANSYS

2015-12-04

蔣冰華(1961-)，男，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代檢測(cè)與控制技術(shù)．E-mail：351126617@qq.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.04.020

TP206+.1

A

1672-948X(2016)04-0097-04