大量程的冲击功测量方法研究

蒋冰华　韦　瑜　马　铭　汤　力　李木华

(三峡大学 电气与新能源学院， 湖北 宜昌　443002)



大量程的冲击功测量方法研究

蒋冰华韦瑜马铭汤力李木华

(三峡大学 电气与新能源学院， 湖北 宜昌443002)

对现有冲击功测量方法进行了研究，提出了一种改进的大量程冲击功测量的方法，并构建了物理测量装置，建立了合理的数学模型．最后用ANSYS有限元软件对模型进行冲击受力分析，验证结果表明，提出的改进方法能很好地将大力转化成小力，该数学模型应用于大量程冲击功测量是可行的．

冲击功；测量装置；ANSYS

随着高炉炼铁技术的进步，自动化程度的提高和劳动生产率提高，随之而来的开铁口机的能力也必须相应提高以满足工艺需求．在工业上直接衡量开铁口机能力的指标是冲击力的大小，在高炉炼铁技术中，开铁口机的冲击力的大小对整个系统的影响是多方面的，主要有以下几点：1)铁口能否被打开；2)钻钎的利用率；3)开口口径的大小对泥泡的要求．4)冲击力的大小对高炉的寿命也是有影响的．

当前的钎杆的出厂测试都是机械化的反复敲打，根据击穿时间的长短来判断强度的好坏，此方法周期长，噪音大，效率低．现有冲击功测量方法没有适用于大量程的，为此冲击测试标准化就不能很好地制定．本文试图对现有冲击功测量方法进行研究，然后给出应用在大量程上的实用方法，为日后冲击功测量装置的制造和标准的制定给出技术上的指导．

1　现有冲击功测量方法对比分析

目前，国内外现有冲击器冲击功的测试方法很零散，研究人员都是根据冲击器的特点研制出不同测试方法，各测试方法的适用性也不同，归纳起来主要有：触点法、电磁法、应力波法、位移法及冲击力法．

触点法是在破坏装置的基础上进行的，每次都需要更换触头，而且只能获得活塞在打击点的冲击速度，不能全面获得活塞在整个运动周期内的运动状态，不能通过此法对冲击机构的性能作全面的分析[1]．电磁法的时间很短，速度的变化很大，对传感器灵敏度要求比较高．位移传感器法是使用位移传感器测试潜孔冲击器冲击功的方法，实验证明该方法测试效率高，适用于工业测试[2]．

冲击力法是通过压力产生电信号，其结果是简化了测试工序，且能准确地反映冲击器的工作情况，因而是最直接的一种测量方式，其缺点是受传感器选择的制约[3]．对上述冲击功测量方法的对比分析可知，冲击力法和位移法适用性较强，但由于测试装置和性能参数的限制，都只能应用于小量程的冲击力试验中．

2　改进的冲击功计算方法

针对上述不足，本文将直接冲击力法和位移法两种方法进行结合，提出了一种全新的测试装置，并给出了相应的测量方法．

2.1原理介绍

由于冲击力很大，以往的测量方法对测量设备的保护和测量的可行性都不能保证，为此，这里的改进方法选择的是一种间接测量的方式，把大力转化成小力，再对小力进行处理和研究．最终得到了位移与冲击力的函数关系，从而可以很方便地地计算冲击功的大小．模型如图1所示．

图1　位移法的冲击功测量模型

在该模型中，挡板是一个立方体的笼型结构，通过4根弹性元件分别与其中一面的4个顶点连接将受力装置固定在墙体，笼型里面用水平两根弹性元件悬挂一个标准物块，并与地面无接触，水平弹性元件也连接在挡板上，初始时刻，弹簧处于原长，当有外力作用时，挡板水平移动，非接触式位移传感器1和2分别测受力笼型和标准块在受力过程中就有位移量X1、X2[4]．通过采集卡采集传感器的数据．

根据牛顿第二定律列方程为：

(1)

(2)

将式(2)代入式(1)中得：

(3)

式中，k1，k2为弹性系数，M为笼形钢板质量，m为标准块的质量，F(t)为液压动力源．

2.2实现方法

选择非接触式位移传感器测量X1，X2；对内部悬挂质量块的形状没有限制，只需要已知其质量即可；只需要考虑水平方向的受力情况，所以弹簧选择水平悬挂方式；其中的难点是弹簧的刚度系数的确定，很显然，弹簧在压缩过程中刚度系数是变化的，这里选择非线性空气弹簧研究．

目前非线性螺旋弹簧的特性主要通过改变弹簧中径、弹簧簧丝直径和弹簧螺旋角等方法来实现[5]．在弹簧压缩变形过程中，簧丝相互靠近产生接触时开始传递相互间的接触力．选择实体Solid 45号八节点四面体单元对弹簧进行离散化，采用 Conta178接触单元对弹簧簧丝的接触关系进行模拟，接触单元在弹簧簧丝相互靠近产生接触时开始传递相互间的接触力，未接触时则不传递力．通过有限元分析，得到了其3D网格划分后的模型如图2所示．

图2　螺旋弹簧的网格划分

这里对一个典型的非线性螺旋弹簧进行了计算分析．针对特定弹簧，可以利用有限元建模很方便地得到其刚度系数．弹簧的基本参数为： 簧丝直径d=4；弹簧螺距t=dz/2.5；弹簧圈数n=10；弹簧中径dz=c·d；旋绕比c=8(弹簧指数)．弹簧指数愈小，其刚度愈大，弹簧愈硬，弹簧内外侧的应力相差愈大，材料利用率低．计算所得弹簧弹性特性曲线如图3所示．

图3　非线性螺旋弹簧的非线性曲线

图3中非线性螺旋弹簧的非线性特征表现得很明显，在载荷较小的前段，曲线表现得比较平缓，即弹簧刚度随载荷增加有所增大，但增幅不大，虽然有一定的非线性特征，但弹簧线性特征较强；随着载荷的继续增加，曲线急剧上升，曲率变化明显，这表明弹簧刚度大幅增大，非线性特征就表现得很突出了．在工程应用时，可以认为一定范围冲击力时，弹簧刚度为一个定值，为后面装置的仿真提出了依据．

经上所述，技术难题都能一一克服，现在只需要对装置的合理性进行验证．

3　模型仿真验证

针对上述的测量模型，这里利用ANSYS非线性动力学分析软件，用有限元法对冲击装置进行仿真建模，从而分析研究物块承受的冲击特性．在一定范围的冲击载荷，为了方便建模，认为弹簧为线性的[6-9]．假设力为已知，求小物块的位移曲线，以此验证该装置是否能反应冲击力的特性．

首先定义3种单元类型，在材料属性的确定上，考虑到冲击速度较低，可认为整个冲击过程中各部分仅产生弹性变形，所以计算时采用的材料本构关系为线弹性本构关系．装置内部悬挂的弹簧单元选择combin14，质量小块选择mass21，笼型刚体选择SOLID186有8个节点，每个节点包括在X，Y，Z三个方向上的位移、速度和加速度等状态量．这种低阶单元运算速度快，计算精度高；创建关键点生成外面的刚体，创建两个节点，由节点生成线，然后赋予combin的属性直接生成里面弹簧质量单元．

图形各部分材料属性参数见表1．

表1　模型材料参数

该模型中的挡板笼型体和里面标准物块都是刚性材料，所以选择了同样的材料参数．

再进行网格划分，为了划分更加准确，进行了几何切割，6刀后，一个整体被切成了各自独立的14个体．首先对所有的线进行划分，设置单元尺寸为0.04 m．再采用八节点六面体单元进行所有体的划分，其具体网格化应力图形如图4所示．从图4中可以看出网格划分比较细，整个模型网格计算结果共包括9 579个单元，48 029个节点．

图4　划分网格后的整体应力云图

最后进行加载求解，后处理．定义结构分析类型为瞬态分析，施加正弦力．最后在timehist postpro中，定义变量ux-2，选择加载荷的节点2，进行绘图设置后，进入graph variable，得到如图5和图6所示的响应曲线．

图5　2号节点的位移响应曲线

图6　2号节点的位移响应曲线

图5是载荷步为15步，载荷子步为8时，节点2的位移响应曲线；图6是载荷步为20，载荷子步为10时，节点2的位移响应曲线．从两幅图可以看出，响应曲线大致呈现正弦走向，与施加的正弦冲击力是对应的，从而将大的冲击力转化成小的冲击力．从图中也可以得出适当增加载荷步和载荷子步可以使曲线更加光滑，结果更准确．

4　结　论

本文通过对冲击功测量方法进行研究，揭示了大力转化成小力思想在新的测试装置中的应用价值，通过ANSYS有限元软件中分析了该方法的可行性，从而为大量程冲击功测量提供了有效的研究方法．该测量方法将在液压开口机钎杆的性能测量方面有很大的应用前景，基于其内部存在的这种规律，通过匹配标准块，日后还可以做成一系列的产品，能方便测试人员选择适合他们产品的需求，大大缩短了生产周期，为后续的冲击功装置的实现奠定理论基础．

[1]黄志强，宋嘉宁．冲击器性能测试方法研究现状与发展[J]．凿岩机械气动工具，2008，132(4)：1-5．

[2]贾如磊，王建祖，李权．基于位移传感器的冲击器冲击功测试方法研究[J]．自动化与仪器仪表，2012(4)：11-14．

[3]钱华，陆敏恂．大型气动穿孔机冲击功的测试方法研究[J]．同济大学学报：自然科学版，2006，10(34)：1374-1377．

[4]姚宝珍，张亚，李世中，等．微传感器放大电路设计[J]．四川兵工学报，2010，31(1)：107-109．

[5]张策，马力，王皎．非线性螺旋弹簧特性的有限元分析[D]．武汉：武汉理工大学，2005：3-4．

[6]刘海涛．电锤冲击功测试方法研究[J]．电动工具，2012(3)：10-13．

[7]刘卫群，缪协兴．利用ANSYS程序分析软岩冲击矿压及广义应力(应变)率准则[J]．岩石力学与工程学报，2002，21(1)：29-33．

[8]钟飞，史青录．基于ANSYS Workbench的挖掘机式冲击器工作装置模态分析[J]．机械研究与应用，2012，108(4)：37-39，42．

[9]王俊峰．碰撞冲击力的数值计算与测试方法研究[D]．上海：上海交通大学，2007．

[责任编辑张莉]

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

蒋冰华(1961-)，男，教授，硕士生导师，主要研究方向为现代检测与控制技术．E-mail：351126617@qq.com

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

TP206+.1

A

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