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基于电阻应变计的卷板机液压系统应变监测技术

发布时间：2018/6/4

　　目前用于卷板机液压系统状态监澜的参数中油液压力信号是最直接、最易获得的。基于电阻应变计的液压系统应变监渊技术通过粘贴在管路上的应变片(即电阻应变计)的应变反映系统油液压力变化情况。
　　1．管路应变片粘贴方式
　　管路应变片的粘贴方式主要与液压管路的压力分布有关，如图1所示为卷板机液压管的剖面图，A和锄分别为管壁所受的内压和外压。在管路受力分析中往往只考虑内压的作用，而外压常常禳忽略不计，其管壁单元体受力分析如图1所示。
　　

　　图1液压管的断面图2管壁单元体受力分析　图3液压管路应变片粘贴方式
　　根据轴对称性，作用于单元体柱面nd上的径向应力仃，和作用于径向面动上的周向应力，都只是r的函数，与目无关，而且单元体周围四个面上剪力作用为零，所以crr和0"0都是主应力。
　　因此，根据卷板机实际应用中主应力方向已知的平面应力测量方法，管路应变片粘贴时只需要沿主应力方向贴两个应变片，同时采取温度补偿措施即可，粘贴方式如图3所示。
　　2．试验条件
　　卷板机液压系统在运行时，会产生多种动态信号。为了研究液压系统典型工况的特点、形成机理以及动态信号间的相互关系，按照卷板机液压系统的常见模式以及运行特点设计了如图4所示的试验系统。
　　

　　图2试验系统原理
　　试验系统采用双回路供油方式：柱塞泵1供油方式和齿轮泵2供油方式。液压泵出口压力由电磁溢流阀6—1和6—2调节，通过电磁换向阀8可以控制马达9换向，比侧溢流阀10可以给系统模拟加载。因此，在该试验系统中可以实现或模拟液压系统工作时的多种常见工况，满足了液压系统应变监测技术的研究与应用。
　　根据系统油液流离，管路应变片的布置如匿⑥为温度补偿片，且补偿：片布置在回油管路上。
　　

　　图3试验系统管路应变片布置
　　3．管路对压力信号的影响分析
　　管路在卷板机液压系统中不仅起着连接液压泵与控制阀、控制阀与执行器的作用，还具有传递系统能量的功能。因此，当液压管路发生弯曲或改变方向时，由于油液分子间的内摩擦、油液和管壁之间的外摩擦，使得部分压力能转换为热能，致使油液压力损失。
　　为了分析卷板机油液通过不同弯曲管路时的压力变化，选取图5中的①②点、③④点、⑤⑥点和⑥⑦点为对象。在图3所示试验系统中构建齿轮泵工作回路，搭建基于电阻应变计的检测线路，采集系统压力在0～12MPa变化时，油液经过这4组点之间的管路时压力、压差的变化。提取每增加1MPa时压差信号的均值。最后将压力、压差按最小二乘法进行线性拟合，压力一压差曲线如图3所示。
　　当卷板机油液通过⑥⑦点之间的180。平角布管时，系统的压力一压差曲线在拟合前后变化最小，线性度最好，且随着系统压力升高线性拟合程度最优，因此管路压力损失最小；虽然油液通过①②点之图的1800圆弧布管时压差在系统压力升高过程中有些波动，但其线性拟合程度还是比较好的，管路压力损失略小于180。平角布臂；根明显，当卷板机油液通过③④点之问的90。圆弧布管和⑤⑥点之问的90。直角布管时，系统的压力一压差曲线在拟合前后波动最大，线性度最差，因此管路压力损失也最大。所以，在设计液压系统时，管路设计应尽可能减少弯管数量，或增大弯曲半径以减少压力损失；在选取应变监测点时，应优先选取主油路上的测点进行监测。
　　4．信号检测桥路选择分析
　　基于电阻应变计的卷板机液压系统压力信号检测一般采用电桥来完成。通常采用的电桥电路有单臂工作有补偿的半桥接法、双臂工作有补偿的半桥接法和四臂工作的全桥接法，如图5—34所示。
　　依据上述三种电桥接法，分别进行了系统压力在21VlPa时的冲击试验。试验时动态电阻应变仪选择滤波器上限频率lkHz，增益1000，半榜供桥直流电压6V，全桥供桥直流电压12V，并设定数据采集与分析系统采样频率为2560Hz。量种电桥接法下压力僖号时域变化如图5—35所示。
　　

　　(a)半桥单臂 (b)半桥双臂 (c)双桥
　　图4压力信号检测电轿电路
　　

　　　　　时间(ms)(a)半桥单臂　　　　　　　　　　　时间(ms)(b)半轿墩臂　　　　　　　　　　　时间(ms)(c)四臂全桥
　　　　　图5基种电桥接法下压力信号时域变化图
　　由5图可知：半桥双臂桥路下所检测的压力信号明显优于半桥单臂桥路，四臂全桥桥路下的检测信号相对较差。这是因为试验时根据管路应变片粘贴方式，所构建的半桥单臂和半桥双臂有补偿桥路是用来检测液压管路单点压力波动信号的，而四臂全桥桥路下所检测的压力信号为液压管路上②③两点压差的变化信号。所以，在基于电阻应变计监测液压系统单点压力波动时应尽量选择半桥双臂接法。
　　5．应变监测信号选择分析
　　卷板机液压系统动态压力信号中蕴含着反映液压设备运行状态的许多有用信息，通常以油液压力脉动的形式表现出来，也可通过监测油液压差信号来反映。为了弄清在工程实际中基于电阻应变计的压力、压差信号哪一种反映的系统运行状态的信息比较丰富，进行了卷板机液压管路单点压力波动和两点压差信号在液压系统正常状态下的对比分析试验。
　　1)单点压力波动信号检测试验
　　根据上述分析，试验构建齿轮泵工作回路，选取⑦⑩点搭建半桥双臂有补偿桥路，检测卷板机液压系统单点压力波动，其信号频谱如图5—36所示。
　　

　　U.0 500.00 1000.00Hz
　　图6单点压力波动信号频谱
　　图中，250Hz、500Hz、750Hz对应频率点存在不同程度频谱分量，它们分别代表齿轮泵泵油频率(250H引的1、2、3次谐波分量；在250Hz泵油频率范围内包含有丰富的频率成分，其中25Hz、75Hz、125Hz为电动机轴频1、3、5次谐波分量，50Hz、100Hz、150Hz、200Hz为电流频率1、2、3、4次谐波分量。
　　2)两点压差信号检测试验
　　两点压差信号检测试验分为：齿轮泵单独工作和柱塞泵单独工作。根据试验要求，基于电阻应交计的⑥⑦点之间的压差在两种回路分别工作时的频谱如图5—37和图5—38所示。
　　图7齿轮泵单独王作对两点压差信号频谱图
　　

　　图8柱塞泵单独工作时商点压釜信号频谱图
　　当齿轮泵单独王作对，所监测到卷板机液压系统两点压差信号与图5—36比较：在250"一500Hz之间，压差信号的频谱增了350Hz、370Hz、400Hz、450Hz和467Hz频谱分最。两且还发现：压差信号期醅善在250Hz，电流频率谐波分量表现得比较突出，电动机轴凝谐波分量表现得比较微弱，而且电动机轴频都以电流频率的边频形式来反映系统的压力变化。
　　当柱塞泵单独工作时，频谱图中175Hz、350Hz、525Hz均存在不同程度的频谱分量，这是因为柱塞泵驱动电动机转速-1500r/min，转频，-25Hz，且所选柱塞泵柱塞数c-7，所以175Hz为柱塞泵泵油频率，350Hz、525Hz为其2、3倍频；在1000Hz频率范圈之内，电动机轴频25H霉的1、3、5等次谐波分量和电流频率50Hz的1、2、3等次谐波分量均存在；柱塞泵单独工作时所监测的两点压差信号的频域信息，不但比齿轮泵单独工作时所监测的流体压力波动的频域信息和两点压差的频域信息丰富得多，而且在卷板机电动机轴频和电流频率的各个频率点上表现得都比较突出。
　　

　 SOOJ00 1000.00Hz(a)相距100m
　　

　　根据以上分析，并结合图5—38中压力、压差信号时域波形的差异，可综合考虑在基于电阻应变计对所监测液压系统油液压力、压差信号进行频域分析时，应选择压差信号的频谱图进行分析。
　　3)不同距离的雨点压差信号对比试验
　　试验选取图2中相距lOcm的②③点和相距22．5cm的⑥⑦点为研究对象，监测卷板机液压管路两点压差信号的变化，压差信号频谱图如图9所示。
　　尽管检测莲差信号时两点之间的距离有所不同，但所监测卷板机液压系统两点压差信号的频域信息却是相同的。而且还发现，不同距离两点的压差信号频谱在250Hz以内频率成分具有相同的变化规律：电流频率

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基于电阻应变计的卷板机液压系统应变监测技术