电阻应变计在轧机伺服液压缸测试中的应用

尹丹，陈新元，邓江洪，李鹏，李涛

(武汉科技大学机械自动化学院，湖北武汉430081)

在现代冶金企业中，轧机伺服液压缸是轧机液压AGC 系统中的关键设备，需要定期进行检修，以保证产品质量和节约生产成本。液压AGC 测试系统可以有效地对伺服液压缸性能进行试验，近年来得到了广泛的应用，取得了显著的经济效益。

轧机用大型伺服液压缸具有轧制力大、行程短、频率响应高等特点，我国现有AGC 测试系统尚不能完全满足其试验要求［1－3］。为此，文中在原某型液压AGC 测试系统基础上，通过间接测量伺服液压缸活塞杆位移，研究测试伺服液压缸性能参数的新方法。

1 原测试系统的构成与瓶颈

原液压AGC 测试系统主要由伺服缸、电液伺服阀、位移传感器、压块、伺服放大器、动态测试仪、数据采集系统、CAT 系统、加载油源、闭式机架等组成。

该测试系统可以试验0.01 ～20 Hz 的伺服液压缸动态性能，但实际使用时由于下述两方面原因，仅能完成0.01 ～10 Hz 的伺服液压缸动态性能试验。

一方面，因为液压AGC 测试系统需要测试各种型式的伺服油缸，位移传感器是通过磁力表架吸附在伺服缸体上的，具有通用性。这种紧固方式既便于安装与拆卸，又不会损坏伺服油缸，但在伺服油缸高频振动时变得很不牢固，振动产生的干扰信号使位移传感器输出信号严重失真，无法准确反映伺服油缸的活塞杆位移。

另一方面，位移传感器灵敏度有限，试验时由于干扰信号强烈，为获得有效的位移信号，须增大伺服缸的振幅，使其振幅达到毫米级，而伺服液压缸实际工作时的振幅是微米级。由于轧机伺服油缸的缸径一般很大，要模拟伺服油缸高频振动的工况，在毫米级振幅测试时需要功率很大的油源和大流量的电液伺服阀才能满足试验条件，极大地增加了测试系统的成本，又使得模拟加载与伺服油缸实际工况偏差较大。

2 改进方案与仿真

2.1 新方案原理

轧机AGC 测试系统的基本构成是闭式机架+加载伺服缸。在模拟加载过程中，闭式机架在弹性变形范围内随伺服液压缸活塞杆位移发生变形。这种变形是相对固定的，而机架的变形又和其应变是唯一对应关系［4］，所以可以通过测量机架的应变间接测量伺服液压缸活塞杆伸出量。

闭式机架的变形较复杂，无法用简单的物理模型进行计算。文中采用ANSYS 对机架进行有限元分析，找出机架应变与机架变形的关系，分析得出可供实验的应变测点，进而得出机架应变和伺服液压缸活塞位移的关系。

2.2 机架的有限元分析

机架具有对称性，采用1/2 模型进行有限元分析。该模型使用六面体单元SOLID45，实体模型和网格划分在其他软件中完成，总共划分了16 016 个单元，19 209 个节点，如图1所示。机架材料为ZG270-500(35 号铸钢)，屈服极限δS=270 MPa，弹性模量E=200 GPa，泊松比μ=0.3。

图1 机架有限元网格划分

机架通过底座上4 个螺栓孔固定在地面上，在有限元模型中施加适当约束，然后分别在上梁下表面和下梁上表面中央位置施加环形区域的均布载荷［5－6］。经计算，机架的等效应变云图如图2所示，等效位移云图如图3所示。

图2 机架应变云图

图3 机架位移云图

由图2 可以看出:机架应变较大的地方出现在上、下梁中部和立柱靠近上、下梁的内外侧。由图3可以看出:机架变形最大的是上、下梁中间。作者认为，机架变形最大的上梁与下梁中间节点的位移差与伺服液压缸活塞杆位移相同，将其作为位移测点。选取应变明显、应变片粘贴方便、位于立柱靠近上梁的内外侧表面中点作为应变测点。位移测点和应变测点的位置分布如图4所示。

图4 机架测点位置分布

利用ANSYS 中的瞬态动力学分析模块，在有限元模型中虚拟加载，得到两个应变测点高度方向上应变的绝对值之和与两个位移测点高度方向上位移差的关系，如图5所示。

图5 仿真应变－位移曲线

从图5 可以看出:仿真模型中应变测点处的应变与位移测点处的位移是线性相关的。

3 实验方案与结果

3.1 实验设备

实验系统主要由原轧机AGC 测试实验台、电阻应变片、静态电阻应变仪三部分组成。图6 为其外观图，主要设备技术参数见表1。

图6 实验设备外观

表1 主要实验设备参数

实验采用箔式应变片代替位移传感器。与位移传感器相比，箔式应变片的主要优点为:箔式片均为胶基，粘贴牢固，蠕变和机械滞后小;箔式片的灵敏度很高，且动态响应特性好［7］。

3.2 实验方法

采用静态逐点测量的方法测定闭式机架测点处应变与伺服液压缸活塞杆位移的关系。

机架的两个应变测点各布置两块电阻应变片，一块横片加一块竖片，总共4 块。4 块电阻应变片组成全桥测量电路，如图7所示。全桥四臂接法可以提高测量灵敏度，其中只有两块竖片为工作应变计，两块横片起温度补偿作用。伺服缸的活塞杆位移由内置位移感器输出。

图7 电桥线路

AGC 测试系统伺服液压缸测试部分液压原理图如图8所示。

图8 液压原理图

实验时先调定伺服缸有杆腔背压，无杆腔压力从2 MPa 到20 MPa 之间每隔0.5 MPa 逐级调节，同时记录有杆腔压力、无杆腔压力、位移、应变4 项数据。重复实验，验证实验方案的可重复性。

3.3 实验结果

实验结果表明:机架应变测点处的应变与伺服液压缸活塞杆位移有良好的线性关系，且具有很好的重复性，与有限元分析得到的结果相符合。ANSYS 仿真的应变－位移曲线与重复实验得到的应变－位移曲线对比如图9所示。

图9 仿真曲线与实验数据曲线对比

由图9 可以看出:实验曲线与仿真曲线存在一定的偏差，主要原因在于机架的有限元模型与机架实际结构相比有所简化。

4 结束语

利用电阻应变计抗干扰强、动态响应特性好、灵敏度高的特点，设计了间接测量伺服液压缸位移的测试方案，并对机架模型进行了有限元仿真，指导实验。实验结果实际标定了静态时机架测点处应变与伺服液压缸活塞杆位移的关系，为开发新型轧机伺服液压缸动态性能测试技术奠定了基础。

【1】陈新元，蔡钦，湛从昌，等.液压伺服液压缸静动态性能测试系统开发［J］.液压与气动，2008(12):77－79.

【2】曾良才，王晓东，黄富瑄，等.轧制伺服油缸试验台研究［J］.机床与液压，2003(3):289－290，294.

【3】曾良才，吴海峰，陈奎生，等.轧机液压厚度自动控制系统试验技术及设备研究［J］.液压与气动，2003(4):5－7.

【4】刘鸿文.材料力学［M］.北京:人民教育出版社，1980.

【5】孙占刚，韩志凌，魏建芳，等.轧机闭式机架的有限元分析及优化设计［J］.冶金设备，2004(3):8－11.

【6】王春成，杨景锋，王丽君，等.轧钢机机架有限元分析及优化设计［J］.机械设计与制造，2009(11):61－62.

【7】陈瑞阳，毛智勇.机械工程检测技术［M］.北京:高等教育出版社，2000.