利用液體傳遞壓強的原理構建液壓測力傳感器, 它主要由儲液缸、承載液體、變送器和荷載分散板 4個部分組成。 儲液缸內的液體將承受的荷載轉換成液體壓強, 變送器測量出液體壓強, 并直接轉換成力值顯示。 文中對液壓測力傳感器的結構設計和制作工藝進行了描述, 在此基礎上對它的力值傳感、溫度影響、疲勞性能和長效靜態性能等進行了試驗研究。 研究結果表明:液壓測力傳感器的傳感器的傳感性能良好, 受溫度影響小, 疲勞試驗前后能滿足測量要求, 并適用于預應
力錨索索力長期測量。
錨索結構施工過程中常需要測力傳感器進行施工監控。安裝于錨具螺母下的測力傳感器, 經常被采用, 其主要類型有電阻應變式測力傳感器和振弦式測力傳感器。它們的結構原理都是在彈性體上安裝敏感元件, 利用彈性元件的變形測量出
受壓荷載。該類傳感器的彈性體一般都比較高, 為了能夠保證足夠的準確度, 高度一般為直徑的1.5 倍。傳感器具有較高的高度, 一方面需要較大幅度增加錨索長度, 易造成結構受力不利的影響, 另一方面容易引起偏載, 造成較大的測量誤差。應變式測力傳感器一般采用粘結膠使應變片與彈性體同步變形。由于膠自身存在蠕變和易受潮的原因, 該類測力傳感器不適用于長期測量。振弦式測力傳感器, 每測量一次的時間達3 s, 屬于靜態測量, 不能實現動態測量。該方法同樣也會存在因偏載造成測量不夠準確的問題。近期, 國外出現了一種新型液壓測
力傳感器, 它由2 塊剛性板焊成一個整體的環形柔性薄膜盒——— 儲液缸, 內部充填無氣體的液體, 形成真空, 而盒的旁邊則又是連接一個機械壓力表或濺射薄膜壓力變送器, 盒的軸向剛度非常小, 可忽略不計, 因此利用每個測力傳感器所提供的標定數據可很容易地將讀數轉換成所量測的荷載。文中主要研制該類液壓測力傳感器, 并對其傳感性能進行試驗研究。
1 傳感器的受力模擬與制作工藝
1.1 液壓測力傳感器組成
傳感器的傳感器體由儲液缸、承載液體、液壓變送器和荷載分散板4個部分組成, 見圖1, 為了保護液壓變送器, 一般裝有變送器保護罩。內含承載液體的儲液缸,用于承受結構荷載, 并將荷載信號轉換成液體的壓強。為了減少溫度影響, 液腔的體積盡可能小。變送器的作用是將帶有荷載信息的液壓信號轉化成電信號。荷載分散板的作用是將錨索錨具上螺母的受力均勻地傳遞給彈性體儲液缸。儲液缸的材料采用可焊性好、強度高、物理性能穩定以及具有良好的機械加工和熱處理性能的Q345 材料制造。承載液體, 采用綜合性能好的DC200號硅油。變送器采用濺射薄膜液壓變送器。
圖1 液壓測力傳感器結構圖
1.2 傳感體的受載數值模擬
為了分析傳感器的傳感體在受荷情況下的整體和局部受力情況, 并對結構進行優化。采用有限元軟件ANSYS對其進行受荷模擬分析。儲液缸采用8節點三維實體單元SOLID45模擬, 液體的壓強用等效荷載模擬。加載工況采用從0力值到
120%量程荷載等量分級加載, 每級荷載增量為20%量程荷載。結構優化計算過程中, 使120%量程荷載工況下, 彈性體受力達到屈服。由此校核結構強度情況并優化結構。
1.3 傳感器的制作工藝
傳感器的制作工藝主要包括機械零件加工、防腐處理和灌油組裝3部分。首先對儲液缸、荷載分散板和變送器保護罩進行機械加工, 之后將儲液缸的上板和下板焊接形成可密封的儲液腔, 儲液腔上有對稱兩孔與外面相通。儲液缸的焊縫需要檢測, 待檢測合格后, 對荷載分散板、儲液缸和保護罩進行表面防腐處理。傳感器制作比較重要的一道工序是組裝灌油工藝, 需要先將硅油靜置一段時間排除融入其中的氣體, 然后將儲液缸內腔抽成真空。抽真空過程中, 將儲液缸垂直放置使2個孔處于豎直線的正上和正下方, 從上方孔道抽真空從下方孔道往空腔內灌油, 待灌滿油后安裝螺堵和變送器以堵塞孔道, 形成密封液腔。下方灌油時, 研制了一套專用的擠壓灌油裝置。
2 傳感器性能試驗研究
2.1 力值傳感試驗
為了研究液壓測力傳感器的力值傳感性能, 在某試驗室的500 T壓力試驗機上進行了力值加載試驗, 測試及加載過程參照《標準測力儀檢定規程》(JJG 144 -2007)。對傳感器先預加載滿量程3次, 然后至少分6級進行重復加載試驗, 每次加載的負荷保持時間為30 s～ 1 min.每次加載被卸載之后, 等待回零至少30 s.對4 000 kN液壓傳感器(CLY400 -154H)進行重復加載試驗, 力標準傳感器采用0.3 級5 000 kN標準測力儀EHB-5000, 數據采集儀采用2000標準負荷儀。3次加載過程的力值傳感曲線見圖2。試驗結果表明, 傳感器的靈敏度為333.4 kN/mA, 線性度為1.7%, 最大重復性誤差為0.04%。電流的最大偏差為0.012, 力值最大不確定度為1.0%。
圖2 CLY400 -154H傳感器力值傳感曲線
2.2 溫度影響試驗
為了研究液壓傳感器的零點溫漂情況, 在HS025恒定濕熱試驗箱內進行升溫試驗。5 000 kN液壓傳感器(CLY500 -240H), 自由放置在恒溫箱內, 溫度從室溫28 ℃升溫到50 ℃,每級溫度取5 ℃, 為了使傳感器內部溫度達到均衡, 每級溫度恒溫4 h之后再讀數, 該傳感器電流變化的最大值范圍為13 mA, 此時傳感器的零點漂移量為0.35 %FS.為研究傳感器在受荷情況下受溫度影響情況, 將2 000 kN液壓傳感器(CLY200 -125H)安裝于錨具靜載試驗臺架上, 傳感器位于拉索端部的錨具螺母下。含傳感器的端部采用保溫桶密封罩住, 保溫桶與自制的自動恒溫裝置(見圖3)相連, 保溫桶內放置可實現顯示和反饋控制的溫度傳感器。不同力值和溫度的加載試驗, 溫度從室溫31 ℃升溫到50 ℃, 每級溫度取5 ℃, 變化。同級溫度下, 恒溫1 h使傳感器溫度恒定后, 荷載由50 kN開始, 加載至200 kN, 然后每級加載200 kN, 逐級加載至2 000 kN, 每級荷載均持荷5 min, 連續加載3次。不同溫
度和不同力值下的電流力值曲線如圖4所示。試驗結果表明從31 ～ 50 ℃, 同級荷載不同溫度下的最大均方差為0.052 mA,偏差0.68%FS.由上述試驗結果可知, 液壓測力傳感器受溫度影響不大。
2.3 疲勞性能試驗
為檢驗液壓傳感器的疲勞性能情況, 在實體拉索做疲勞試驗的過程中, 同時安裝液壓傳感器進行試驗, 在300T疲勞試驗機進行。對一臺CLY300 -224H液壓傳感器進行2 ×106 次加載的疲勞試驗, 力值在2 170 ～ 2 581 kN內波動。疲勞試驗前后, 采用同一標準傳感器和同一臺數據采集儀表, 對傳感器進行加載試驗。測試結果表明, 經過2 ×106 次疲勞試驗后, 傳感器的測量誤差在3%FS以內。
2.4 長期性能試驗
為了研究傳感器的長效測試性能, 在某試驗室的混凝土臺座上, 安裝CLY200 -215H傳感器和M15 -27錨具, 并加載讓其長期承受1 500 kN左右作用。在同根錨索的兩端, 分別安裝了一個液壓傳感器。在傳感器安裝前的2008年3月12日對傳感器進行了標定, 2009年2月4日將傳感器從試驗臺架上拆卸下來, 并對傳感器進行了測試, 2個傳感器經過接近1年時間受荷作用后, 電流最大變化量0.447 mA, 此時變化相對偏差為1.3%FS。
2.5 偏心受載試驗
傳感器用于錨索索力測量時, 它們之間的安裝屬于配合安裝, 傳感器與錨具的螺母之間往往存在一定的偏心。為了研究偏心受載對傳感器測試性能的影響, 在5 000 kN液壓萬能試驗機上對2 000 kN的CLY200 -125H型液壓傳感器進行分級重
復加卸載試驗, 試驗荷載從200 kN逐級加載至2 000 kN, 每級荷載200 kN, 每級加載均持荷5 min, 連續加載3次。標準傳感器采用0.3級標準測力儀, 最大偏心量分別取2 mm和5 mm.其中2 mm偏心受載與對中受載情況對比, 電流值最大變化量為0.016 mA, 偏差最大為0.2% FS;5 mm偏心受載與對中受載情況對比, 電流值最大變化量為0.049 mA, 偏差最大為0.3%FS.試驗結果表明, 偏心受載對測量精度影響不大。
3 結束語
基于液體傳遞壓強比較均勻的原理, 研制了液壓測力傳感器, 并進行了多方面的傳感性能試驗, 可得出如下結論:
(1)傳感器的傳感線性度和重復性比較好, 測量精度較高。
(2)傳感器的零點和受荷情況下, 受溫度影響較小。
(3)在接近一年的長期靜態試驗過程中, 2 000 kN的CLY200 -215H型傳感器的相對偏差為1.3% FS, 3 000 kN的CLY300 -224H型傳感器, 在200萬次脈沖疲勞試驗前后的最大偏差為2.7%.
(4)2 000 kN的CLY200 -125H型液壓傳感器, 2 mm偏心受載情況下, 最大偏差為0.2%FS, 5 mm偏心受載最大偏差為0.3%FS.結果表明, 偏心受載對測量精度影響不大。
總之, 液壓傳感器的高度較小、傳載較均勻。對傳感器進行荷載傳感、溫度影響、疲勞試驗、長期靜載、偏心受載等方面試驗研究, 結果表明液壓傳感器測試性能良好。
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