（检测技术与自动化装置专业论文）人造板压机压板的变形检测与控制方法研究.pdf

摘要 近年来，为了节约资源，我国已将大力发展人造板工业、建立完善的人造板 工业体系作为可持续发展的重要目标。而人造板压机就是生产人造板的关键设 备，其性能的提高与完善将直接影响人造板的生产质量。本文以人造扳压机压板 的变形检测为工程背景，进行了应变测试系统的设计和现场试验研究。针对人造 板压机在压制小幅面、薄板材过程中，热压板弹性变形的情况进行了科学试验和 理论探讨，并研制出一款用于人造板压机压板位移检测的新型传感器。 本文首次将应变电测技术应用于人造板压机压板的变形检测，获得了压板在 复杂应力作用下产生应变的大小；利用等效悬臂梁模型实现了从压板应变到位移 的转换；运用m a t l a b6 1 多项式拟合函数绘出了上、下压板在复杂应力下的变 形规律图。研究表明：高压下，上、下压板闻变形呈波浪状，且在不同方向上， 波浪起伏不一致。在放置板材的区域内，变形相对较小，而在压板空压区域内， 变形较大；在油缸对应位置下，变形较大，缸间变形较小。通过对同一方向上不 同压力下的应变测试，得到了油缸压力变化与压板变形之间的规律，分析发现， 压力与位移之间呈非线性关系。对高压下压机压板的变形特性进行科学的评价， 在此基础上提出了控制油缸压力的新方法，并将这种方法推荐给了华翔木业有限 公司。 作者在成功对人造板压机压板实现应变电测及研究分析的基础上，研制出一 款新型位移传感器。标定结果表明，该器件不仅体积小，而且性能强，性价比高。 通过运行m a t l a b 6 1 的多元回归分析函数，给出了位移传感器的特性方程，使 得利用此传感器实现精确、迅速测试位移的微小变化成为可能。利用该新型位移 传感器，作者探索了高温、高压下测试压板变形的最佳方案。 关键词：人造板压机；应变；测试；控制方法；位移传感器 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，c h i n ah a sb e e na l r e a d yd e v e l o p ! n gw o o d b a s e dp a n e li n d u s t r y ， a n de s t a b l i s h e ds o u n d l yaw o o d b a s e dp a n e li n d u s t r i a ls y s t e mt os a v er e s o u r c e s a n d w o o d b a s e dp a n e l p r e s si s t h ec a p i t a le q u i p m e n to ft h ew o o d b a s e d p a n e l ；i t s p e r f o r m a n c ew i l ld i r e c t l ya f f e c tt h eq u a l i t yo fw o o d b a s e dp a n e lp r o d u c t i o n t h i s p a p e rr e g a r d st h ed e f o r m a t i o nd e t e c t i o no ft h ep r e s s i n gp a n e l a s e n g i n e e r i n g b a c k g r o u n d ，d e s i g n sat e s ts y s t e ma n ds t u d i e si to nt h es p o t d u r i n gt h ep r o c e s so f s u p p r e s s i n gs m a l ls i z ea n dt h i np a n e l ，w ec a r r yo nr e s e a r c ha n da n a l y s i st ot h e d e f o r m a t i o no ft h eh o t p r e s s i n gp a n e l w ed e s i g na n e wd i s p l a c e m e n ts e n s o rw h i c hi s u s e dt ot e s tt h ed e f o r m a t i o n t h ep a p e rf i r s tu t i l i z e se l e c t r i cm e a s u r e m e n tt e c h n i q u eo fs t r a i ng a u g et ot e s t t h ed e f o r m a t i o no ft h ep r e s s i n gp a n e l ，a n dh a so b t a i n e dt h ep a n e ls t r a i nu n d e rt h e c o m p l i c a t e ds t r e s s w eu s et h ee q u i v a l e n tm o d e lo fc a n t i l e v e rb e a mt or e a l i z et h e c o n v e r s i o nf r o ms t r a i nt od i s p l a c e m e n t w eu t i l i z em a t l a b6 1 p o l y n o m i a l f u n c t i o nt od r a wo u tt h ed e f o r m a t i o nr u l eu n d e rt h ec o m p l i c a t e ds t r e s s r e s e a r c h s h o w st h a tu n d e rt h el a r g el o a d ，t h ed e f o r m a t i o na m o n gt h ep r e s s i n gp a n e lt a k e st h e w a v ef o r m ，a n di nd i f f e r e n td i r e c t i o n s ，t h ew a v eu n d u l a t e si n c o n s i s t e n t l y i nt h ea r e a t h a tp u t st h ep a n e l ，d e f o r m a t i o ni sr e l a t i v e l ys m a l lb u to b v i o u s c o r r e s p o n d i n gt ot h e p o s i t i o n i nt h ec y l i n d e r ，i t a p p e a r sb i g e l a s t i cd e f o r m a t i o n i na d d i t i o n ，t h e d e f o r m a t i o ni ss m a l l i nt h es a m ed i r e c t i o n ，w et e s tt h es t r a i nu n d e rd i f f e r e n t p r e s s u r e t h e n ，w e h a v er e c e i v e dt h el a wb e t w e e n c y l i n d e rp r e s s u r e a n d d i s p l a c e m e n to fp r e s s i n gp a n e l t h er e s u l ts h o w st h a tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r e s s a n dd i s p l a c e m e n ti sn o n l i n e a r w ee v a l u a t ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r e s s p a n e lu n d e rh i g hp r e s s o nt h i sb a s i s ，w eh a v ep u tf o r w a r dt h en e wm e t h o du s e dt o c o n t r o lt h ec y l i n d e rp r e s s u r ea n dr e c o m m e n d e di tt ot h ew o o d w o r k i n gm a c h i n e r y c o ，l t d t h ea u t h o rd e s i g n san e w d i s p l a c e m e n ts e n s o rb a s e da b o v e m e n t i o n e dr e s e a r c h c a l i b r a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e v i c ei ss m a l l ，i t sp e r f o r m a n c ei ss t r o n g ，a n dt h e c o s tp e r f o r m a n c er a t i oi sh i g h w eh a v eg o t t e nh o l do ft h ec h a r a c t e r i s t i ce q u a t i o nf o r t h ed i s p l a c e m e n ts e n s o rb yr u n n i n gm u l t i p l er e g r e s s i o na n a l y s i sf u n c t i o n s i tc a n r e a l i z em e a s u r i n ga c c u r a t e l ya n dr a p i d l y t h ea u t h o rh a se x p l o r e dt h eb e s tp r o j e c t w h i c hi su s e dt ot e s te l a s t i cd e f o r m a t i o no ft h ep r e s s i n gp a n e lu n d e rt h eh i g h t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e k e n w o r d s ：w o o d - b a s e dp a n e lp r e s s ；( n o r m a l ) s t r a i n ；t e s t ；c o n t r o lm e t h o d ； d i s p l a c e m e n ts e n s o r 本学位论文知识产权声明 本学位论文是在导师( 指导小组) 的指导下，由本人独立完成。 文中所引用他人的研究成果均已注明出处。对本论文研究有所帮助的 人士在致谢中均已说明。 基于本学位论文研究所获得的研究成果的知识产权属于南京林 业大学。对本学位论文，南京林业大学有权进行交流、公开和使用。 研究生签名：译妊孥豸 导师签名：用折 日期：唧。6 a 弓 致谢 本篇硕士学位论文是在导师周克宁副教授的悉心指导下完成的。 从论文的选题、构思和方案的确定，到论文的完成都得到了导师的悉 心指点导师渊博的专业知识、严谨地治学态度、敬业创新的工作作 风给我以深刻的教诲与启迪。在我攻读硕士学位期间，导师对我的学 习、工作、生活等方面也给予了无微不至的关怀和照顾，谨此，向导 是致以最诚挚的感谢! 在课题研究期间，得到了测控技术实验室的刘军老师、力学实验 室陈虞平老师、华翔木业总经理须小字、高级工程师李光鹏、周宏平 副教授、陈勇副教授等和我同窗、好友以及舍友的大力支持和帮助， 在此表示最诚挚的谢意! 最后，衷心感谢我的父母在我人生道路上的鼓励、关怀和鼎力相 助。在此向他们表示最特另0 最真诚地感谢! 我将在你们的关爱中继续 前行! 陈芳芳 2 0 0 6 0 4 1 绪论 1 1 选题背景及意义 1 1 1 人造板发展概况 随着经济的发展和人口的增加，全球对木材的需求在不断增长。依赖天然林 原木作为原料的时代已经成为过去，必须愈来愈多的依靠人工林来解决工业用材 的需求，同时不断开发新产品、新工艺来提高原料的利用率，扩大其利用范围。 人造板就是高效利用木材资源的主要方式【l 】，它是采用新的技术手段将木材 或其他植物纤维( 例如甘蔗杆) 的组成单元进行重新排列和组合，使制品达到或 超过实体木材所具备的性能。产品主要包括，刨花板、纤维板，胶合板等【2 l 。目 前，它们已被广泛应用于工农业、建筑业、家具业、交通运输业以及国防建设等 重要领域。据国家林业局预测，仅我国三年后对人造板的需求量就要达到千万立 方米。生产这些人造板的重要设备之一就是人造板压机。 1 1 2 人造板压机 ( 1 ) 概述 人造板压机是人造板工业中的重要设备，它不仅可用来加工胶合板、纤维板 和刨花板等各种人造板，还可加工层积塑料板、纸芯蜂窝板以及在人造扳基材上 进行二次加工的装饰贴面板等。在家具制造中也常用它来压制成型零件及弯曲木 的加工。 俗话说：“工欲善其事，必先利其器”。压机的生产能力直接制约着企业的生 产规模，其技术性能直接影响产品质量的优劣，因此压机的设计或选用无论是对 其生产厂家还是其购买商家来说都是十分重要的。 压机一般用油作为加压介质，压板的加热通常采用热油或饱和蒸汽。按照发 展史，压机可分为多层压机、单层压机和连续压机。 多层压机 最早在人造板行业中出现的是多层压机，它虽然是借鉴并根据纺织工业上使 用的压机改造而来，却已具有现代多层压机的雏形。主要由装卸板系统、加热装 置、压机闭合开启装置等组成。 发展至今，多层压机已在人造板工业中占据支配地位。它的工作过程一般如 下：当压机主机温度达到设定值，多层物品或模型制品由输送装置输入主机后， 活动梁在油缸作用下将下顶层热压板顶起，使所有热压板闭合，在高温及一定压 力下将物品用粘合剂或模塑压制成一个整体，然后通过自动输送装置送入下一道 工序。 单层压机 继多层压机之后，出现了人造板单层压机，它只使用一条循环的钢带，就可 以将铺装好的板坯牵引送至压机进行热压，热压完成后板坯再被送出压机。钢带 的使用减少了下压板与板坯的直接接触，避免了压板受到湿热蒸汽而腐蚀，从而 提高了热压板的使用寿命。 与多层压机相比，单层压机省去了压机装板、卸板装置，缩短了辅助热压时 间，在一定程度上提高了劳动生产率。加上整机结构简单，易于操作，且不受压 机开档的限制，在理论上是可以生产任意规格厚度的产品的。 连续压机 连续压机，顾名思义是一种能够连续化生产的压机。它是在有效长度上以固 定的压力和温度曲线对板坯进行加热加压；并有效捧除热压时板坯中产生的水蒸 汽。压制出的板材不仅可以锯出多种幅面的，且板厚也可控制在2 4 0 m m 之间。 虽然这种人造板机械是近2 0 年来才兴起的，但它却有效克服了前两种间歇 式压机( 单层压机、多层压机) 生产的产品厚度偏差大，原材料消耗高，能耗大， 砂光余量大等缺陷，在促进人造板工艺技术、生产线相关设备以及控制技术的发 展中引领了世界潮流。 1 1 3 国内人造板压机技术 我国人造板机械业的发展经历了一个从无到有，从小到大，从测绘仿制到技 术引进，从单机的设计到生产线的开发的全过程。 目前，国内仍以生产多层压机为主，层数一般1 0 1 5 层( 最多4 0 层) ，幅 面以4 英尺和8 英尺为主。单机生产能力的提高主要依靠增加压机层数和增大热 压板的幅面来实现，且生产的成品板厚度不均易腐蚀，砂光余量大不稳定，还不 能满足人们对产品多规格的要求。 而多用于刨花板和纤维板生产上的单层压机，技术参数也不是很高，尤其体 现在板材厚度公差类的问题上。如何通过提高设备质量达到解决诸类问题的目的 无疑是我国木工机械领域的重要课题。 至于连续压机，其关键技术仍待提高，争取早日改变我国对连续压机的需求 长期依赖进口的被动局面。 1 1 4 国外人造板压机技术 国外人造板机械正向大型化、高速化、自动化和高新技术的广泛应用，扩大 原材料范围、提高其利用率和产品质量、节能和开发能源，以及注重环境保护等 方面发展。国际人造板机械行业的三大巨头公司一m e t s o 、d i e f f e n b a e h e r 和 s i e m p e l k a m p 正引领着世界潮流，他们生产的人造板机械成套设备，已占全世界 总生产能力的8 0 以上。 国外用于胶合板生产的多层热压机为4 0 6 0 层，美国最高达9 0 层，用于纤 维板生产的多层热压机的加工幅面宽度达2 4 4 0 m m ，长度达9 1 5 0 m m ，瑞典生产 2 的r l p 5 8 型大型热磨机的磨盘直径已达1 4 3 3 m m ，转速1 8 0 0 r r a i n ，电机功率高 达1 3 3 万k w ，日产量4 0 0 t 。单机和生产线正在完全向自动化方向发展p j 。如红 外、高频、超声波、同位素、激光、微电子、工业电视等高新科技，特别是电子 计算机的普遍应用，实现了自动检测、自动调节、自动控制、自动信号连锁、自 动保护和自动化管理，从而提高劳动生产率、设备利用率和产品质量。 近年来，国外新建的刨花板o s b ( o r i e n t e ds t r a n db o a r d ，定向刨花板) 及 m d f ( m e d i u md e n s i t yf i b e r b o a r d ，中密度纤维板，含h d f 、t h d f ) 生产线，单线 生产能力基本都在2 0 万m 3 ，年以上，几乎全部采用连续压机技术。世界上在线 运行的单线产量最大的m d f 生产线安装在德国k u n z 人造板公司，该线热磨机 由奥地利a n d r i t z 公司提供，主线设备由德国d i e f i e n b a c h e r 公司提供：设计产量 4 0 万m 3 年，连续压机总长4 6 7 8 m ，毛板宽度2 0 5 0 2 6 5 0 m m ，板厚规格2 4 0 r a m ，成品板密度6 0 09 5 0 k g m 。 1 2 课题来源 1 2 1 华翔公司简介 华翔木业机械有限公司坐落于苏州，是近年来新崛起的一家人造板设备生产 厂家，其生产压机的关键技术已达国内一流、国际先进水平。 公司主要从事人造板加工机械的研究开发、生产、销售及技术服务。主要产 品为各种型号的热压机( 包括中、低压短周期压贴生产线、高压力竹材及防火 板系列热压机、胶合板热压机、单板干燥热压机、非标准热压机) 、冷压机等， 产品销售遍布全国及海内外，包括东南亚的印尼( 著名的p t h a s k o j a y a a b a d i 及l y m a ng r o u p 等) 、马来西皿、巴基斯坦、菲律宾等国家，有良好的国际信誉。 公司先期开发的宽幅面短周期的单层热压机( 在国内尚属首家) 取得了一次性成 功，现已在吉林森工集团北京分公司正常使用数年多，得到了业内高度的评价， 为国内人造板机械飞速发展做出了突出贡献。 1 2 2 课题项目来源 由于华翔木业有限公司力求对其生产压机的关键技术更加精进，以使一套人 造板压机设备能适合不同生产需要，即压制任意规格板材( 尤其是小幅面的薄板 材) 时的原材料消耗、砂光余量、能耗等都尽量小，达到一机多用的目的，从而 更有利于扩大产品的国际市场，由此应运丽生了本课题。 1 3 课题研究的意义 由于我国人口众多，加上近年来人们对森林的过度采伐，目前，材林资源已 出现严重危机。为缓解木材供应不足的矛盾，大力发展人造板工业、建立完善的 人造板工业体系已成为我国可持续发展的首要目标。作为生产人造板的重要设备 一一人造板压机，将直接影响人造板的生产质量及原材料的利用率，因此，它的 性能的提高也就显得更加迫切与重要。 本课题主要针对目前单层人造板压机压制小幅面薄板材时，板材较大面积会 出现塑性变形的现象进行研究。利用应变电测和传感技术对压机压板进行测试、 分析，构建上、下压板受力产生变形的趋势图，根据趋势图结合压机的实际情况 给出较为合理的控制压板压力的方法以达到板材变形减小( 或使变形趋于一致) 的目的，为进一步提高人造板材的利用率，提升产品性价比而努力。考虑到设备 资金问题( 一套单层压机生产线至少也得上百万) ，课题将以华翔木业为基地， 进行实地试验研究。 本课题研究在国内尚属首次；通过文献检索，国外近年亦未发现有此项目研 究者。 1 4 研究的内容 ( 1 ) 对压板的机械结构进行分析，构建应变测试方案。 ( 2 ) 根据研究方案，实现高压下对人造板压机压板的应变测试，获得压板在复杂 应力下的应变值，并对试验的结果进行分析，为日后进一步研究测试提供试验依 据和参考。 ( 3 ) 构建弹性元件模型，研究如何应用现有的力学模型实现从应变到位移( 压板 变形的程度) 的转换计算，并用m a b l a b 6 1 的函数进行拟合，给出位移变化趋 势图，针对压板不同位置上的位移变化进行比较研究和分析。 ( 4 ) 对试验所得数据进行分析，给出控制压板压力、减小压板问变形的方法，并 推荐给华翔术业有限公司。 ( 5 ) 研制新型的测试仪器，拟定高温高压下对人造板压机压板位移变化的测试方 案，提供给日后致力于此的研究人员。 4 2 应变式电阻传感器 2 1 传感器的原理及组成框图 自动化测试领域通过传感器来实现测量。传感器一般处于测试系统的第一个 环节，用来把被测物理量转换为一个与其有确定对应关系的量。这个量可以是电 的、液压的、气动的或其他。 如果没有高保真高性能的传感器，就不会有信息的准确获得和精密检测，因 此，应用、研究和发展传感技术已成为信息化时代的必然要求。 2 1 1 组成框图及工作原理 ( 1 ) 定义与组成 图2 - l传瞄器组成框图 传感器由弹性元件、传感元件和其它辅助部件组成，如图2 1 所示。弹性元 件将直接感受到的被测量按照一定规律转变成有用非电量。该有用非电量再经传 感元件转换成电量。电量通过信号调节电路变为便于显示、记录、处理和控制的 信号。辅助电路包括交、直流供电系统。 ( 2 ) 分类 传感器的种类很多，用以检测的范围也颇为广泛。一般来看，按被测对象的 不同，可以分为温度、压力、位移、速度、加速度、流量等传感器 4 1 。按测量原 理的不同，又可分为结构型和物性型【5 1 。其中以结构型传感器目前应用的最为普 遍，它是根据传感器机械结构( 几何形状或尺寸) 的变化【6 】，将被测量转换成相 应电阻、电感、电容等量 】，从而实现对信号的传感。 本次课题使用的电阻应变式传感器就是一种结构型传感器，它可以将压机压 板在高压下的应变转变成电阻的变化，实现电阻应变传感。 2 1 2 电阻应变传惑器 目前，电阻应变传感器已被广泛应用于测量力、力矩，压力、加速度、重量 等参数引。它结构简单，耐高温、高压，测量糖度高、测量范围广，性能稳定。 应变计式传感器主要由弹性元件和作为传感元件的电阻应变计及其辅助电 路构成。弹性元件在被测量作用下产生与它成正比的应变，然后通过电阻应变计 组成的桥路进行测量。 ( 1 ) 弹性元件 加载时，弹性元件会因受力情况而改变其原来的大小或形状；卸载后能完全 恢复原貌，即变形为零。 弹性元件的选取与被测物理量有关，往往根据被测对象的性质、测量要求和 范围以及传感器的安装空间和工作环境来决定弹性元件的结构形式【9 1 。 弹性元件的特性，即其输入输出关系，理想情况下可用下式来表示： y = a n + a l x + 口，x 2 + a l x 3 + 【“i 】 ( 式2 1 ) 式中：z 输入量； y 输出量； a o ，a ，n ，a 与弹性元件有关的系数。 弹性元件所选用的材料要求具有较高的强度极限和弹性极限，较小的蠕变和 滞后，恒定的弹性模量以及良好的机加工、热处理性能。目前，弹性元件的材料 一般采用合金结构钢，如4 0 c r ，6 5 m n 等，而对于灵敏度要求较高和小量程的情 况，可以选用a l ，c u 与t i 的合金材料l 。另外，铌基合金和铍青铜q b e 2 、q b e l 9 ， 因为具有优良的弹性、较高的强度、较小的蠕变和滞后，又有抗磁、防腐蚀和良 好的焊接性能，也常常用于制作重要弹性元件。 ( 2 ) 电阻应变计 自1 9 3 8 年美加州理工学院的e s i m m o n s 与麻省理工学院a r u g e 等人研制 出纸基丝式电阻应变计开始，以粘贴式电阻应变计为核心的电阻应变式传感器已 经越来越多地被应用到实验固体力学( 实验应力分析) 和现代测试领域中【l 。 电阻应变计一般由敏感栅、基底、粘结剂、盖层、引线组成。根据敏感栅的 材料不同，可将电阻应变计分为金属电阻应变计和半导体电阻应变计【”】。本次 测试使用的是金属电阻应变计，下面就其原理及性能简单介绍如下。 当金属电阻应变计被牢固粘贴在被测试件表面上后，若试件受力变形，应变 计的敏感栅也随之变形，同时引起其电阻值的变化，此时可通过特殊测量仪器将 此电阻的变化转换成试件表面沿敏感栅轴线方向的应变，显示并输出。 由 牙：丛”可知，若导体的参数发生变化，根据泊松效应以及 一 4 金属材料电阻率的相对变化与其体积的关系可推导出： i d r = 【( 1 + 2 ) + c ( 1 2 ) 】占= 珞一 式中，r 电阻，q ： 泊松比，通常，o l a 0 5 ，铝和铜为o 3 3 ，铸铁为o 1 7 ； 6 c 布利奇曼常数，通常，1 1 3 c 1 1 5 ； 应变( 单位变形，通常，1 微应变= l 艚= 1 0 m m ) ，导体弹性区内的 应变与应力成正比，而塑性区内的变形是不可逆的，在撤销外力之后仍然存在应 变1 15 1 。 x 。应变灵敏系数，它反应电阻相对变化与应变之间的比例关系， 1 8 k s 3 6 。 其中，电阻应变计最重要的工作特性参数为灵敏系数、横向效应系数和热输 出【- “。灵敏系数的误差大小决定应变计的质量优劣，它的准确性将直接影响测 量精度，所以测试中其值要大而稳定。横向效应系数也会影响测量精度，在复杂 应变场合需要考虑其影响并做出必要的修正。而温度的变化也会影响应变计电阻 值的变化，从而影响测量的准确性，需要采取必要的补偿措施以减小或消除温度 变化的影响。 2 2 传感器各部分材料的选取 2 2 1 弹性元件 考虑到热压机压板受力结构复杂，而其压板的材料为高弹性、高强度极限的 钢材，所以我们直接以上、下热压钢板( 弹性模量三= 2 1 x 1 0 5 m p a = 2 ，l 1 0 2 g p a ) 为此次测试的弹性元件。事实上，钢材由于具有很高的弯曲疲劳强度和耐蚀性， 良好的导电性、导热性、耐磨性、耐腐蚀性、且滞后小、弹性模量恒定以及良好 的机加工性能等优点，工程测试中作为弹性元件的例子已比比皆是。表2 1 给出 了钢材的主要性能及应用说明。 表2 - 1钢材的主要性能及应用说明 弹性模量线膨胀系数 材料名称 os m p aob m p a 相对体积质量 e g p ag g p a 8 1 0 一c 一1 不锈钢2 1 1 0 28 1 l o1 6 6 2 0 05 5 0 7 8 材料名称泊松比 屈服点m p a应用说明 不锈钢o 32 0 0 弹性稳定性好、高温工作 2 2 2 传感元件 ( 1 ) 电阻应变计 选择原因 应变计在使用时，应根据不同情况选择最佳性价比且与现场最匹配的型号。 具体需要遵循两个原则1 1 7 ) ，一是现场试验和应变计的应用条件，即应用精度、 环境条件，具体包括温度、湿度、环境恶劣状况、各类干扰、试件材料大小尺寸、 粘贴面积、曲率半径、安装条件等；二是试件或弹性体材料自身的状况，包括材 料线膨胀系数、弹性模量、结构、大概受力状况或应力分布状况等。 7 电阻应变计由于尺寸小、重量轻，安装粘贴的方便，因而一般不会对构件的 应力状态构成干扰，在测量结构或机械部件应变中较为常用。此次我们选择的电 阻应变计型号为b e l 2 0 5 a a ( 1 1 ) ，它由康铜箔制成，蒲式酚醛缩醛基底，全密 封结构。标称电阻为1 2 0 f 2 ，应变计栅长为5 m m ，适用于合金钢、马氏体不锈钢 和沉淀硬化型不锈钢。 由于此次试验是在6 0 以内、应变范围不大的场合下进行，为了与选用的 其他仪器的阻值相匹配，我们选择了该型号。试验证明，该产品柔韧性好，粘贴 方便，性能稳定，适用于应力分析。 特性 电阻应变计灵敏度高、应变量程大。常温下，其工作特性主要分为以下几点。 a 应变电阻值( r ) 应变电阻值是指室温条件下，应变计在未安装( 粘贴) 及未承受应力前所测 得的电阻值。一般以1 2 0 q 最为常用。 b 灵敏系数( k ) 应变计的灵敏系数主要是指安装完成后，其轴向受到单向应力时引起的电阻 值的相对变化与此时构件表面轴向应变之比【1 8 】。k 值及其误差大小都是衡量应 变计质量的重要标志。一般，在一定范围内，足是一个常数。 c 机械滞后( z ) 机械滞后是指在温度恒定时，对于已安装的应变计进行加载和卸载的操作， 同一机械应交下指示应变的差数。机械滞后主要由敏感栅、基底和粘合剂承受机 械应变引起。机械滞后会带来灵敏系数的误差，从而引起测试的精确度，所以应 积极避免。在实际应用中，往往通过多次重复加、卸载来减小机械滞后产生的误 差。 d 蠕变和零点漂移 已安装的应变计，在恒温恒载条件下，指示应变量随时间变化的特性称为蠕 变。而在恒温空载时，其指示应变量也会随时间的推移而变化，这种现象则称为 零点漂移。 蠕变和零漂均是越小越好，为达到这一目的，试验中我们减薄了胶层和基底 并使安装后的应变计充分固化。 e 应变极限 应变极限是指恒温时，应变计在输出线性的条件下，所能承受的最大应变值 ( 具体是指在其非线性误差达到1 0 时所测得的应变值) 。为了提高应变极限， 需选用强度较高的粘结剂和基底材料，并同样要求减低它们的厚度并使之充分固 化。 f 3 ) 性能、参数 b e l 2 0 一5 a a ( 1 1 ) 的主要技术指标如表2 2 所示。 8 表2 - 2b e l 2 0 5 a a ( 1 1 ) 主要技术指标 主要技术指标 电阻值( q ) 灵敏系数应变极限 基底尺寸( r a m l 疲劳寿命 b e l 2 0 5 a a r 1 9 8 士o 12 1 0 士l 2 5 3 0 x 2 61 0 m ( 1 1 ) 敏感栅使用温度绝缘电阻 主要技术指标适用枯结剂接线方式 尺寸( m m ) 范围( )( 型q ) b e l 2 0 5 a a h - 6 1 0 ，x 一6 0 2 镀银紫铜扁带 0 5 1 25 0 + 8 01 0 4 ( 1 1 ) ，5 0 2 0 0 5 x 0 3 3 0 m m 其中，可进行温度自补偿的材料的线膨胀系数为1 1 1 0 1 2 3 信号调节电路的选用 2 3 1 惠斯通电桥电路 作为传感元件的电阻应变计虽然可以将机械量的变化转换为电阻的变化，但 由于这种变化极其微小，用一般的电阻测量仪表很难直接检测出来。特别是此次 压机压板在受载情况下产生的应变，比较小，要进行精确测量，必须经过专门的 处理，惠斯登电桥就是其中一种常用的微小电阻量的测量电路。 惠斯登电桥是英国发明家s h c h r i s t i e 于1 8 3 3 年提出的，由物理学家惠斯登 首先用来进行电阻的测量。这种桥式电路实际上是一种比较式测量电阻的仪器， 它通过被测电阻与标准电阻之间进行比较来获得精确的测量结果，测量范围为 1 0 n 1 0 5 q 。 惠斯登电桥的种类很多，此次我们主要使用的是直流电桥。直流电桥采用高 稳定的直流电源作为激励电源，且其输出量精度高，电桥平衡电路简单易实现， 因而在工程中应用广泛。 直流电桥的四个桥臂均为纯阻性元件，如图3 2 所示。工作时利用四个桥臂 中的一个或几个电阻值的变化去引起电桥输出电压的变化，从而进行相应的测 量。当电桥平衡时，有置r ，= r ：g 。，r ：上无电流，u o = 0 。 b a 图3 - 2 直流电桥 9 常用的电桥的连接形式有三种，分别是半桥单臂、半桥双臂和全桥。实践中， 通常使相邻桥臂的阻值相等，即r 。= 心= ，r ，= r 4 = r o 。本次研究中，我们主 要涉及了前两种电路，下面就针对这两种电路作简单介绍。 我们选r 。= r ：= r ，在半桥单臂电路中，单个桥臂阻值变化为衄，则此时输 出电压与输入电压成正比，而在输入电压与桥臂电阻值一定的情况下，它又同做 成单调线性关系。 d 玑z 兰竺u f l 9 】 在半桥双臂电路中，若双臂接入的电阻值变化也相同，其余条件同上，则电 桥输出电压为： u d = 筹u 2 3 2q j 2 3 型箱式直流单臂电桥 我们在电阻应变计进行粘贴前使用了q j 2 3 型箱式直流电桥测量其实际阻值 以便精确选取。 q j 2 3 型电桥是目前应用最为广泛的具有十进制比例臂的箱式电桥。电桥的 比较臂由四个可变电阻箱串联组成，其阻值调节范围为0 9 9 9 9 q ，最小步进值 达到l q 。 2 4 电阻应变计阻值的标定 利用q j 2 3 型箱式直流单臂电桥对电阻应变计阻值标定时，首先调零检流计， 接着根据被测阻值的大小选取比例转换开关的档位，并在档位两端连接被测电 阻。测量时，同时按下电源开关和检流计接通桥路开关，然后迅速松开，根据此 时指针的偏转方向调节桥臂的大小，直至电桥平衡，计算出平衡时可变电阻箱的 总阻值即为应变计的实际阻值。使用完毕后，将所有开关复位。电阻应变计的测 量值如上表2 - 2 所示。 2 5 小结 本章是根据传感器的构成原理及人造板压机的结构特性，确定了弹性元件的 材料和传感元件的型号，并对相应材料和元件的性能进行了说明和标定，为以后 构造不失真测试系统实现对压机压板应变的精确测试做好了准备。 1 0 3 测试系统的设计 工程实践中，我们往往会遇到测试系统的选择问题1 2 0 1 。这时，需要考虑多 方面的因素，如测量范围、被测物理量的变化特点、测量精度要求以及整套系统 的性能价格比等。而其中最重要的一个因素就是测试系统是否可以真实地反映被 测物理量的本质特性【2 l 】。 在此次人造板压机压板的变形检测试验中，我们所测试的物理量主要是：上、 下压板在不同条件不同应力( 复杂应力) 下所产生的应变量，本章主要介绍该应 变测试系统的设计。 3 1 测试系统的构成 测试系统一般由若干相互联系、相互作用的环节所组成，这些环节提供了由 被测对象到观测者的必要路径，一般包括传感器、信号调理、信号处理、信号显 示记录等部分f 2 ”。 3 1 1 方框图及各部分功能介绍 本次应变测试系统框图如图3 1 所示。 ， 电阻应变传感器直接作用于人造板压机压板。并将压板所受压力转换成便于 处理和传输的电量的形式输出。 。 静态数字应变仪包括信号调理及处理环节，用来对传感器输出的信号进行调 制、加工、解调、放大、滤波、分析、a d 、d a 转换等处理，并将处理的结果 数字显示，以供其观测和分析数据。 显示记豪 图3 - 1应变测试系统组成框图 以上两环节都必须严格遵循信号输出与输入量之间真实可信的关系。并尽 可能消除或降低可能影响测试结果准确性的各种干扰成分，以达到可靠测试的目 的。 3 2 测试系统的基本要求 理想条件下，测试系统的主要任务就是要利用测试的装置来精确复现被测物 理量，并能保证在时间上没有任何的延迟。若设测试系统的输入信号为x ( f ) ，它 所引起的输出为y ( f ) ，则x o ) 和y ( f ) 之间应该具有确定的、单一的输入输出关系， 即所谓的单向线性系统 2 3 1 。但因为实际中并不能达到如此理想化的境界。因而 只要它时域上能达到下面的关系，人们往往就认为它是可以实现不失真的精确测 试的【24 1 。 y ( t ) = 爿o x ( t t o ) 式中，4 、，。均为常数。它们所表现的含义是： ( 1 ) 幅值上，输出信号是输入信号的a 。倍； ( 2 ) 相位上，输出信号滞后于输入信号某一时值t 。 我们此次研究的被测量是稳定的物理量，需进行静态特性测试。静态特性是 在被测物理量处于稳定或缓慢变化的状态时，针对其输入输出关系进行测试从 而得到的一系列指标。 3 3 测试系统的选取 由于实际的测试系统有简单和复杂之分，它可以是一个简单的小仪表，也可 以是一个由多路传感器和庞大的数据采集系统组成的设备。因而，如何正确选择 测试系统是工程实践中的重要问题，我们应根据被测物理量的变化特点、测量范 围、精度要求、性价比等来正确选择测试系统。 3 3 1 被测物理量介绍 人造板压机是此次试验的对象，型号为h p z 7 1 0 2 6 b 。它采用大口径充液阎 ( 德国著名产品) 使压机闭合迅速，且加压时间短。配备蓄能器辅助加压，升压 迅速，因而板坯在无压时的受热时间极短。液压系统的阀及泵也采用德国著名产 品，油温升小，工作稳定、噪音低。热压板采用多路加热通道，其表面温度均匀， 温差士1 。上、下压板分别设定工作温度，并通过温控系统分别实现自动控制。 3 3 2h p z 7 1 0 2 6 b 热压机主要参数 参数指标如下表3 1 所示。 表3 1h p z 7 1 0 2 6 b 热压机主要参数指标 年产量工件规格工件厚度范围 公称总压力 3 2 0 0 0 0 0 m 。 2 4 4 0 x 3 0 5 0 m m3 4 0 m m2 6 0 0 0 k n 型号 油缸数量直径板坯单位面积压力总功率压缩空气耗量 1 6 中2 7 0 m m4 m p a1 7 0 k w1 1 m 3 r a i n 吸尘风量热消耗量装卸小车速度 5 3 0 0 m h5 0 x10 4 k e a l h9 0 m m i n k t 7 1 0 0 0 热压板规格 2 0 0 2 0 0 x 2 2 0 0 x 3 2 0 0 m m 3 3 3 亟待改进的技术问题 h p z 7 1 0 2 6 b 型单层热压机( 如图3 - 2 历示) 主要用于以高中密度板、刨花板 等为基材的强化木地板、家具板等的生产。它由机架、热压板、主油缸、加热管 道、电子尺、压力传感器等部件组成。 工作时，由上压板上的十六只油缸加压，使板坯表面极均匀地受力。油缸分 为四组，中间四只为主油缸，设置压力值为2 0 m p a ，其余外围十二只为辅缸，辅 缸压力值设置不一，这样通过主、辅缸的共同作用可以充分消除热压板的热应力 变形：也可以适应工件幅面变化的要求，使宽度在1 2 2 0 2 0 7 0 m m 、长度在2 4 4 0 3 0 5 0 m m 间的工件均可以在此压机上压制。 然而，生产中发现热压机会在压制小幅面的薄板材时，出现成品较严重的塑 性变形现象，使得生产成本增加，性价比下降。虽然华翔在压机位置控制采用了 电子尺，压力控制采用了压力传感器，使得这种变形对热压板而言几乎可以忽略 不计，但却不能避免薄材不变形。事实上，由于热压机油缸的离散分布，主、辅 缸间压力的不均( 而且在压制不同板材时油缸压力也无相应合适的控制方法) ， 确实会令薄板出现薄厚不均的变形，变形的出现增加了砂光量，带来了原材的浪 费，严重影响了产品的生产效率。如何有效改进这一技术问题就是我们此次研究 的主要目标。 图3 - 2h p z 7 1 0 2 6 b 型热压机 3 3 4 技术指标 h p z 7 1 0 2 6 b 型单层热压机工作精度指标如表3 2 所示。虽然该热压机的工作 精度指标已完全达到国家所规定的标准，但对于薄扳( 3 5 m m 厚) ，即使只有 0 4 m m 的均匀度误差( 受压后板材最大与最小厚度差) ，也使其变形度达到8 ， 因而必须通过科学的检测和试验，来有效控制压机压力，达到提高生产效率，减 少资源浪费的目的。 表3 2h p z 7 1 0 2 6 b 型单层热压机工作精度指标 热压板平面度公差热压板厚度公差热压板表面温度均匀度公差 ( m m )( m i l l )( ) 0 2 l0 ，31 5 加压厚度均匀度公差活动梁与固定梁台面平面度公差热压板表面粗糙度 ( i n m )( m m )( u m ) 0 4o ，2 13 2 3 4 传感器部分 3 4 1 电阻应变传感器 电阻应变传感器可以将机械位移转换成线性关系的电阻或电压输出，且其制 作工艺简单，属于接触式测量。整个装置使用方便，性价比高。试验时，我们将 在人造板压机上、下压板的表面进行均匀布测。传感器包括应变计、弹性元件( 热 压钢板) 以及一些附件。应变计电桥连接如图3 3 所示。 图中，r 3 为工作片，r 4 为温度补偿片。r l = r 2 = r 3 = r 4 时，输出电压为： ( ，。旦肪 4 b 图3 - 3电阻应变传痦器电桥连接 1 4 3 5 信号变换部分 3 5 1 变换原理及目的 传感器的输出由于信号种类、强度等方面的问题往往不能直接用于仪表的显 示、传输、数据处理和在线控制，因此，在采用这些信号之前，必须对信号的幅 值、驱动能力、传输特性、抗干扰能力等进行变换【2 ”。 信号变换环节主要包括电桥、信号放大、隔离、滤波、信号调制与解调。电 桥是用来将可变的电阻、电容、电感等参量转换为电压或电流信号输出的一种测 量电路，该电路结构简单，且精度、灵敏度高，可用作仪器测量电路。放大与隔 离电路既可以放大前级( 传感器) 输出信号的幅值和功率，又可以有效地降低其 受干扰的程度。滤波器则是用来选取信号中有意义的成分，同时衰减无用成分， 达到抗噪的目的。调制与解调是一对信号变换过程，在有效传输信号的同时也积 极避免了其传输中的失真。 3 5 2y j r 5 a 型静