技术领域
[0001] 本
发明涉及一种测量锻造力的方法，尤其是涉及一种在线测量飞轮蓄能螺旋压力机锻造力的方法。
背景技术
[0002] 传统的在线测量飞轮蓄能螺旋压力机锻造力的方法大多采用应变测量系统，利用元件的弹性
变形测量螺旋压力机的锻造力。传统的测量方法具有下列
缺陷：需要附加的应变测量系统，不易克服锻造时偏心
载荷造成的测量误差，锻造时恶劣的工作环境容易干扰测量，应变测量系统的寿命有限。
发明内容
[0003] 本发明的目的就是为了克服上述
现有技术存在的缺陷而提供一种测量方法简单、可靠性好、使用寿命长，还能避免偏心荷所造成的测量误差的在线测量飞轮蓄能螺旋压力机锻造力的方法。
[0004] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种在线测量飞轮蓄能螺旋压力机锻造力的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
[0005] 1)固定连接在螺旋压力机飞轮旋
转轴上的转速
传感器采集飞轮
角速度，并将采集的信息输送给控制计算机；
[0006] 2)控制计算机对信息进行处理，并将得出成形力储存在
存储器中；
[0007] 3)控制计算机选择出最大的成形力，所述的最大的成形力即为所要测量的锻造力，并将结果显示在计算机屏幕上。
[0008] 所述的控制计算机对信息进行处理具体为通过公式
[0009]
[0010]
[0011]
[0012] 公式中β表示
能量折减系数、C表示螺旋压力机总
刚度、J0表示螺旋压力机运动系统的当量
转动惯量、ti表示采集时间点、ωi表示ti时刻的飞轮角速度、h表示螺杆导程、Pi表示ti时刻的成形力、m表示作直线运动的滑
块总成的
质量、J表示作旋转运动的飞轮总成的转动惯量；
[0013] 计算得出成形力。
[0014] 所述的能量折减系数和螺旋压力机总刚度通过以下方法获得：
[0015] 21)从打击能量与圆环压缩率的关系曲线中选取两点，并根据所述选取点对应的打击能量调节螺旋压力机打击能量；
[0016] 22)控制螺旋压力机打击圆环，并测出打击前飞轮转速、圆环变形后的外径和高度；
[0017] 23)依次通过不同
摩擦系数下变形圆环外径和高度的关系曲线、不同摩擦系数下打击能量与圆环变形后高度的关系曲线以及不同摩擦系数下锻造力和圆环变形后高度的关系曲线得到所述点所对应的锻造变形能和锻造力；
[0018] 24)通过方程
[0019]
[0020] 解出能量折减系数和螺旋压力机总刚度。
[0021] 所述的打击能量与圆环压缩率的关系曲线、不同摩擦系数下变形圆环外径和高度的关系曲线、不同摩擦系数下打击能量与圆环变形后高度的关系曲线、不同摩擦系数下锻造力和圆环变形后高度的关系曲线均为利用塑性有限元
软件根据圆环所得出的曲线图。
[0022] 所述的圆环为金属材料制成的圆环。
[0023] 所述的选取的两点分别为圆环压缩比为50％和60％时所对应的点。
[0024] 所述的t0时刻的初始成形力P0等于0。
[0025] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0026] 1、本发明利用螺旋压力机的力能关系进行锻造力的在线测量，无需昂贵的应变测量系统。
[0027] 2、由于不再使用应变片作为检测局部弹性变形的传感元件，本发明避免了偏心载荷造成的测量误差。
[0028] 3、本发明能够适应锻造现场环境，测量系统的可靠性和使用寿命得到提升。
附图说明
[0030] 图2是为63000kN螺旋压力机设计摩擦系数m＝0.2时打击能量与圆环压缩率的关系曲线图；
[0031] 图3是为63000kN螺旋压力机设计不同摩擦系数下变形圆环外径和高度的关系曲线图；
[0032] 图4是为63000kN螺旋压力机设计不同摩擦系数下打击能量与圆环变形后高度的关系曲线图；
[0033] 图5是为63000kN螺旋压力机设计不同摩擦系数下锻造力和圆环变形后高度的关系曲线图。
具体实施方式
[0034] 下面结合附图和具体
实施例对本发明进行详细说明。
[0035] 实施例
[0036] 首先进行
硬件配置：将测量飞轮旋转状态的
转速传感器固定连接在螺旋压力机飞轮
旋转轴上，转速传感器输出飞轮转速
信号至控制螺旋压力机的计算机。
[0037] 然后制作圆环标定件：圆环标定件采用10
钢，根据螺旋压力机公称压力和打击能量设计的圆环外径为210mm、内径为140mm、高度为70mm。圆环标定件数量2个。
[0038] 接着利用塑性有限元DEFORM软件根据圆环标定件制作下列曲线图：①如图1所示的摩擦系数m＝0.2时打击能量与圆环压缩率的关系曲线，②如图2所示的不同摩擦系数下变形圆环外径和高度的关系曲线，③如图3所示的不同摩擦系数下打击能量与圆环变形后高度的关系曲线，④如图4所示的不同摩擦系数下锻造力和圆环变形后高度的关系曲线。
[0039] 由于螺杆导程h＝420mm，作直线运动的滑块总成的质量m＝46000kg，作旋转运2
动的飞轮总成的转动惯量J＝60557kg·m。根据公式 计算螺旋压力机运
2
动系统的当量转动惯量J0＝61379kg·m。
[0040] 锻造力标定：
[0041] 从图1打击能量与圆环压缩率的关系曲线中选取圆环压缩率为50％时的打击能量E1＝850kJ，将螺旋压力机打击能量调整至850kJ附近的打击能量等级800kJ，从转速传感器测得打击前飞轮转速ω1＝5.1rad/s，打击圆环后测得圆环变形后的外径D1＝251.39mm以及高度h1＝38.75mm，根据D1和h1从图2确定摩擦系数为0.3，根据摩擦系数
0.3和h1＝38.75mm从图3得到相对应的锻造变形能Ed1＝490.86kJ，根据摩擦系数0.3和h1＝38.75mm从图4得到相对应的锻造力P1＝26.03MN。
[0042] 从图1打击能量与圆环压缩率的关系曲线中选取圆环压缩率为60％时的打击能量E2＝1170kJ，将螺旋压力机打击能量调整至1170kJ附近的打击能量等级1200kJ，从转速传感器测得打击前飞轮转速6.3rad/s，打击圆环后测得圆环变形后的外径D2＝269.4mm以及高度h2＝30.75mm，根据D2和h2从图2确定摩擦系数为0.3，根据摩擦系数0.3和h2＝30.75mm从图3得到相对应的锻造变形能Ed2＝733.45kJ，根据摩擦系数0.3和h2＝30.75mm从图4得到相对应的锻造力P2＝35.49MN。
[0043] 将相关数据填入下列联立方程，求解得到能量折减系数β＝0.67和螺旋压力机总刚度C＝7241N/m。
[0044]
[0045] 锻造力的测量：锻造时从转速传感器得到不同时间点ti时的飞轮角速度ωi，根据公式
[0046] 递推计算得到锻造过程中不同时间点的成形力，其中最大的成形力即为所要测量的锻造力。公式中 锻造开始即t0时刻初始成形力P0＝0。
[0047] 递推计算从滑块下降开始，至滑块回程结束。最后，螺旋压力机的控制计算机中将锻造力计算结果显示于计算机屏幕。
[0048] 其中公式
[0049] 和
[0050]
[0051] 的推导过程如下：
[0052] 目前，螺旋压力机主要靠在打击时释放飞轮储蓄的能量实现
模锻工艺。设螺旋压力机飞轮储蓄的能量为一定值E0，对于计算机控制的现代螺旋压力机，E0的大小是可调的。消耗的能量由三部分组成：螺旋压力机工作时主要由螺旋副产生的摩擦消耗一部分能量Em，模锻件变形吸收的变形能量Ed，剩余的能量转化为螺旋压力机的弹性变形能Et。
[0053] 能量之间的关系为
[0054] E0+Em+Ed+Et＝0 (1)
[0055] 一般认为，摩擦消耗能量Em＝(β-1)E0。β称为飞轮能量折减系数，与主螺旋副、踵块的结构参数以及润滑状况相关〔1〕。
[0056]
[0057] 式中θ为螺旋副的螺旋升角，φ为螺旋副的当量摩擦角，f为摩擦系数，r为踵片半径。
[0058] 因此，式(1)简化为
[0059] βE0+Ed+Et＝0 (3)
[0060] 设P为螺旋压力机的打击力，h为螺杆
螺纹的导程，ω为飞轮角速度，则模锻件变形能
[0061]
[0062] 螺旋压力机的弹性变形能
[0063]
[0064] 式中C为螺旋压力机总刚度，可用下式计算〔2〕。
[0065]
[0066] kc为刚度系数，Pg为螺旋压力机公称压力。
[0067] 当模锻件变形能较小时，打击力增大。螺旋压力机冷击时，模锻件变形能为0，打击力会达到相当大的程度。为保证设备的安全，有必要对螺旋压力机的压力实现监控。此外，对压力的监控也有利于改进模锻工艺，延长锻模寿命。
[0068] 螺旋压力机储蓄能量
[0069]
[0070] 式中J0为飞轮当量转动惯量，ω为飞轮角速度。
[0071]
[0072] m为作直线运动的滑块总成部分的质量，J为作旋转运动的飞轮总成部分的转动惯量。
[0073] 根据公式(3)，在时间微分段有
[0074]
[0075] 对于产生锻造载荷的某一时刻ti，有近似表达式
[0076]
[0077] 即
[0078]
[0079] 设
[0080]
[0081] 从式(11)解得
[0082]
[0083] 因为Pi＞0，所以式(12)中根号前取+，即
[0084]
[0085] 式中β、C和J0都可通过计算得到，其中当量转动惯量J0可以根据螺旋压力机三维CAD模型得到比较精确的数值，飞轮能量折减系数β和螺旋压力机总刚度C从公式计算得到的结果与实际状况存在一定的偏差。将其作为待定参数通过标定技术进行确定，可以得的更好的效果。ti、ti-1、ωi、ωi-1都可以在测量飞轮旋转状况变化的过程中利用转速传感器获得，锻造力初始值P0为0，通过公式(12)递推计算得到各个时间段的锻造力Pi。
[0086] 锻造力的标定：无论是利用应变片测量锻造力，还是利用力能关系测量锻造力，都离不开锻造力的标定问题。对于小型锻造设备，锻造力的标定比较简单，一般采用一个标准的
压力传感器输出精准的压力，用该压力数值对检测的压力实行标定。但是对于大型锻造设备，很难找到合适的标准压力传感器，进行锻造力的标定需要采用其他方法。圆环镦粗法是一种有效的标定方法。圆环镦粗法采用DEFORM有限元软件分析圆环镦粗，得到圆环变形与力能之间的关系用于锻造力的标定。
[0087] 对于运动部分储蓄能量2000kJ，公称压力为63000kN的螺旋压力机，采用10钢制圆环，圆环外径为210mm，内径为140mm，高为70mm。根据DEFORM有限元计算结果可以绘制图2、图3、图4和图5所示曲线。图2曲线描述了摩擦系数m＝0.2条件下螺旋压力机打击能量与圆环压缩率的关系。图3曲线表示不同摩擦系数下变形圆环外径和高度的关系。图4曲线描述了不同摩擦系数条件下螺旋压力机打击能量与圆环变形后高度的关系。图5曲线表示不同摩擦系数下锻造力和高圆环度的关系。如从图2中选取圆环压缩率为49％和61％，对应的打击能量为800kJ和1200kJ。将螺旋压力机打击能量分别调整至800kJ和
1200kJ附近，打击圆环后分别测得圆环变形后的外径D1和D2以及高度h1和h2，根据圆环外径和高度从图3确定摩擦系数，根据摩擦系数和圆环高度从图4得到相对应的锻造变形能Ed1和Ed2，根据摩擦系数和圆环高度从图5得到相对应的锻造力P1和P2。锻造打击前螺旋压力机飞轮转速分别为ω1和ω2，对应的储蓄能量为
[0088]
[0089]
[0090] 对应于锻造力P1和P2的弹性变形能分别为
[0091]
[0092]
[0093] 将上述参数代入公式(3)，有
[0094]
[0095] 从联立方程(14)中求出能量折减系数β和螺旋压力机总刚度C。
