電渦流位移傳感器在磨漿機動定磨片工作間隙測量中的性能

陳慧霞，張志義，劉冠宇，王振羽，欒鳳亮

(1.北華大學機械工程學院，吉林 吉林 132021；2.北華大學工程訓練中心，吉林 吉林 132021)

高濃度磨漿機實時測距對提高工作效率，增強磨漿安全性具有重要意義.目前，國內(nèi)外主要采用控制主電機總電流(即磨漿功率)、停機時校零位和運行時控制進退盤輔電機位移等調(diào)控磨盤間隙的手段[1].但受漿料、磨片磨損等眾多因素影響，測量結(jié)果有延遲且存在誤差.電渦流位移傳感器可長期可靠工作，因靈敏度高、抗干擾能力強、非接觸測量[2-5]、響應速度快、不受油水等介質(zhì)影響，被廣泛應用于大型旋轉(zhuǎn)機械的軸位移、軸振動、軸轉(zhuǎn)速等長期實時監(jiān)測中.因此，可以應用于高濃度磨漿機動、定磨片工作間隙的實時測量.榮鋒等[6]設(shè)計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，但沒有應用在實際工作環(huán)境中；程家軍[7]采用電渦流位移傳感器實現(xiàn)了靜態(tài)微小間隙和動態(tài)位移響應的精確測量，但對測量環(huán)境的要求較高；張輝等[8]首次將電渦流位移傳感器應用在盤式磨漿機齒盤的動態(tài)位移測量中，但沒有探討磨片的磨損對試驗結(jié)果的影響，試驗環(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工作原理，利用其能夠適應復雜環(huán)境的特點，對高濃度磨漿機動、定磨片的工作間隙進行實時測量，盡可能準確搭建工作環(huán)境模型，使試驗結(jié)果更加精確有效.

1 高濃度磨漿機結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 高濃度磨漿機結(jié)構(gòu)

化學機械漿高濃度磨漿機主要由磨室、主軸、前軸承盒、液壓油缸、后軸承盒、齒輪聯(lián)軸器、密封箱、機架以及液壓站、換熱器、操作柜、水冷系統(tǒng)和間隙測量顯示裝置等組成.作為高濃度磨漿機主要工作區(qū)域的磨室，由1個可軸向移動的轉(zhuǎn)子盤和1個固定的定子盤組成.圖1為磨漿機磨室裝配切面圖，其中，動、定盤上分別安裝了12塊30°可拆卸磨片單元，拼接成兩個圓盤.磨片單元形狀及參數(shù)見圖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.磨盤直徑不小于1 220 mm，磨盤轉(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

將預先處理好的木片等物料由喂料器強制送入磨室，在動盤和靜盤組成的磨區(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.在工作過程中，磨區(qū)內(nèi)動、定磨片在外力作用下磨損嚴重，因此，對其進行實時監(jiān)測顯得尤為必要.非接觸式電渦流位移傳感器可以嵌入定磨盤內(nèi)部，實時準確地測量磨漿機工作間隙，而目前國內(nèi)外在相關(guān)領(lǐng)域的研究較少.

2 試驗原理與方法

2.1 高濃度磨漿機模型搭建

為滿足試驗要求，需搭建高濃度磨漿機模型，盡可能還原磨漿機在工作環(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的齒盤來模擬動磨盤(圖3)，并準備鐵套筒(圖4)和加水隔離套(圖5)模擬另一個靜磨盤及加工材料.其中，對鐵套筒進行加工是為了更精確地模擬定磨盤齒牙和齒槽的分布情況，并與未加工鐵套筒形成對比.

本試驗在CAK6136V/750數(shù)控車床的基礎(chǔ)上進行模型搭建，通過車床主軸帶動動磨盤轉(zhuǎn)動，將傳感器固定在刀臺上，通過手動搖桿控制與動磨盤的距離.搭建好的試驗平臺見圖6，工作局部見圖7.

圖3研究用齒盤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試驗平臺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的電感式測量傳感元件[11].電渦流需要在可導電的材料內(nèi)才可以形成.給傳感器探頭內(nèi)線圈導入一個交變電流，會在探頭線圈周圍形成一個磁場.根據(jù)法拉第電磁感應定律，該磁場會在空氣中產(chǎn)生感應電場，此時將一個金屬導體靠近探頭線圈，感應電場會在金屬導體中產(chǎn)生感應電流，也即電渦流.電渦流產(chǎn)生渦流磁場，根據(jù)楞次定律，電渦流的磁場方向與線圈磁場方向正好相反，而這將改變探頭內(nèi)線圈的阻抗，這個阻抗的變化與線圈到被測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)，計算出對應的距離.

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)會削弱一部分電渦流效應，加上模型搭建時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.本試驗最終采用φ60的Q8050電渦流傳感器，其原理見圖8.

圖8Q8050原理Fig.8Q8050 principle

2.3 試驗方案

本試驗主要探究動磨片轉(zhuǎn)速、磨片磨損程度以及在傳感器上依次添加定磨片(即本試驗中的鐵套筒)和加水隔離套時，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)顯萬用表上顯示讀數(shù)，精確度為1 mV.1個輸入值測量3次，取平均值作為輸出值，以提高輸出結(jié)果的準確性.根據(jù)已有的設(shè)備條件及試驗基礎(chǔ)，這里只討論定磨片的磨損情況，將磨損量分為無定磨片、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 試驗結(jié)果

3.1 動磨片轉(zhuǎn)速對位移-電壓曲線的影響

由于高濃度磨漿機的最大轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，因此，用CAK6136V/750數(shù)控車床將動磨片的轉(zhuǎn)速控制在0～1 000 r/min，間隔為200 r/min.將試驗分為2組：第1組無加水隔離套，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，見圖9、10.

圖9無加水隔離套時速度對位移-電壓曲線的影響Fig.9Effect of speed on displacement voltage curve without water isolation sleeve

圖10有加水隔離套時速度對位移-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：無論有、無加水隔離套、定磨片，不論定磨片的磨損程度如何，動磨片轉(zhuǎn)速對位移-電壓曲線基本無影響.等效到高濃度磨漿機實際工作情況，即動磨盤的轉(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 定磨片磨損程度對位移-電壓曲線的影響

在實際工作環(huán)境下，動磨盤在長期轉(zhuǎn)動過程中不斷與定磨盤發(fā)生擠壓、碾磨，動、定磨盤免不了出現(xiàn)磨損，因此，有必要探究磨片磨損情況對位移-電壓特性曲線的影響.由前文動磨片轉(zhuǎn)速試驗結(jié)果可知，轉(zhuǎn)速基本不影響輸入、輸出特性曲線，故可只對轉(zhuǎn)速為0的情況進行分析，同樣分成有、無加水隔離套兩組，曲線見圖11.

圖11定磨片磨損程度對位移-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，當只有動磨片沒有定磨片時，電渦流效應最強；當有定磨片時，形成了一個有斜面坡度的圓環(huán)，抑制了一部分電渦流效應，導致輸出信號減弱，隨著定磨片磨損程度由低到高，對電渦流效應的抑制作用也逐漸減弱，即輸出電壓信號最大值依次增加.并且，有定磨片的輸出最大值約為沒有定磨片的1/2，反映了定磨片的存在對輸出結(jié)果的影響較大，在實際測量中應當注意這一點.

3.3 鐵套筒和水隔離套對位移-電壓曲線的影響

當動磨片轉(zhuǎn)速為0，定磨片磨損量不同時加鐵套筒和水隔離套對位移-電壓曲線的影響見圖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，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，可以推測加水隔離套對輸出結(jié)果幾乎沒有影響.反映在磨漿機工作情況下，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

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

考慮到工作間隙測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，相對差最大約為15.2%.由此可知，定磨片的磨損程度對電壓輸出結(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、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用在高濃度磨漿機工作間隙的測量當中，實現(xiàn)了微小位移的無接觸實時測量.完成了試驗平臺搭建，可以更好地模擬磨漿機工作環(huán)境.探究了動磨片轉(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，無定磨片時，輸出值最大，定磨片加工次之，且有定磨片的輸出是沒有定磨片的一半；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；加水隔離套對輸出值基本無影響.對試驗平臺的輸出結(jié)果進行了線性擬合，得到的相關(guān)系數(shù)大于0.99，即傳感器測量結(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，實時監(jiān)控現(xiàn)場工作狀態(tài).

本文研究為高濃度磨漿機工作間隙的測量提供了理論依據(jù)，同時為電渦流位移傳感器的使用和發(fā)展提供了寶貴經(jīng)驗，但本文試驗平臺的搭建還不夠嚴謹和完善，溫度對試驗結(jié)果的影響也是值得探究的課題，后續(xù)將會繼續(xù)開展研究.