新型測量軋制法向力和摩擦力的傳感器

張高亮，薛 哲，高朝波，張 申

(中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

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新型測量軋制法向力和摩擦力的傳感器

張高亮，薛 哲，高朝波，張 申

(中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

為了提高軋制精度，更好的控制帶材板形，了解軋制力和摩擦力沿輥面的分布，本文研究和設計了測量輥料間法向力和摩擦力的應變式傳感器。新設計的傳感器在單輥軋機上軋制試驗結(jié)果表明，這種設計可靠性和精度高，對研究軋制機理、控制和提高軋制質(zhì)量和速度等有很大幫助，應用前景廣闊。

應變式傳感器；軋制法向力；軋制摩擦力

0 前言

金屬帶材高精度軋制是軋制技術(shù)研究的重要內(nèi)容，目前我國在高精度軋制技術(shù)方面與國際先進水平差距較大，主要體現(xiàn)在軋制產(chǎn)品尺寸精度、表面平整度、光潔度、表面缺陷等方面，其主要原因除來料品質(zhì)、軋制理論水平外，輥料間軋制法向力和軋制摩擦力的測量與控制也是主要因素之一[1-2]。

如圖1所示，因為來料缺陷、軋輥變形及潤滑不均等因素造成的軋制產(chǎn)品有皺褶。由軋制法向力不均勻造成的缺陷及大小如圖2所示。軋輥和軋料的實際變形很不均勻，在軋制完成后，這種不均勻應力會釋放，引起帶材皺褶。因此目前階段，實際測量輥料間實際軋制法向力和摩擦力對充實軋制理論、建立軋制模型和保證產(chǎn)品質(zhì)量非常重要，從技術(shù)上會發(fā)展出非平直輥、異形輥、非均勻潤滑等軋制技術(shù)。

圖1 帶材軋制過程中的皺褶

圖2 軋輥軋料軋制法向力不均勻程度示意圖

1 現(xiàn)有測量方法

1.1 銷式傳感器

1933年，文獻[3]在軋輥徑向打孔安裝一個銷，銷頭突出軋輥0.01 mm。銷后端通過壓電陶瓷輸出電壓計算軋制力。試驗證明了軋制力從中心向帶材兩邊方向逐漸降低。1957年，文獻[4]使用兩個銷式傳感器首次分別測量軋制摩擦力和壓力，如圖3所示，摩擦力測量傳感器銷與輥徑向有一個傾斜角度。該試驗還發(fā)現(xiàn)了輥料間摩擦系數(shù)和摩擦力是變化的，并非傳統(tǒng)理論中假設的恒定值[5-10]。

圖3 徑/斜向銷式傳感器測量軋制法向力和軋制摩擦力

銷式傳感器測量軋制力和摩擦力的方法，要求傳感器和輥的剛度一致，否則會影響測量的準確性，而且摩擦力是經(jīng)法向力計算推導得出，不夠準確。

1.2 懸臂梁式傳感器

為了改進銷式傳感器的不足，1972年，文獻[11]采用懸臂梁傳感器測量軋輥間隙處的法向力。這種設計可以分離法向壓力和彎曲，實現(xiàn)直接測量軋制法向力和摩擦力的目的，本文稱為第一代懸臂梁式傳感器，如圖4所示。這種方法測量出的摩擦力具有明顯不準確的地方。

圖4 懸臂梁傳感器

為了改進這種摩擦力測量的誤差，1982年，文獻[12-13]對懸臂梁傳感器進行了演變設計和試驗，如圖5所示，在非傳感部分增加墊片，使得傳感部分不接觸軋輥，測量位置遠離邊界區(qū)域。這種方法測量的摩擦力換算為軋輥扭矩與軋輥實際輸入扭矩誤差很大，如圖6所示，推測原因可能是傳感器固定塊的變形導致應變片也產(chǎn)生了輸出，與軋輥受載產(chǎn)生的應變混在了一起。

1986年，文獻[14]提出了改進的懸臂梁傳感器。如圖7所示，傳感器和固定塊的間隙增加，應變片的位置也提高到傳感器高度的2/3處，以消除邊緣和應力集中效應。

此傳感器測量誤差如圖8所示，可以看出誤差有所減小，但仍然偏大，當軋料減薄率在26%時，扭矩誤差約2倍。經(jīng)推測原因是傳感器的間隙較大，軋料擠入間隙，造成誤差。

圖6 第二代懸臂梁傳感器測量的軋制法向力和摩擦力誤差

圖8 第三代懸臂梁式傳感器軋制法向力和摩擦力傳感器的測量誤差

2 錐形銷式傳感器測量軋制法向力和摩擦力

分析以上國外傳感器結(jié)構(gòu)不難發(fā)現(xiàn)，這些傳感器在設計中，保證傳感器銷頭與軋輥表面齊平，希望傳感器銷頭上的軋制力和摩擦力不受摩擦等阻礙從而傳遞到傳感器上，所以銷頭周圍留有間隙而被擠入軋料，導致傳感器銷頭被卡，使得測量結(jié)果誤差較大。把柱形銷頭換成錐形銷頭，就可實現(xiàn)把間隙減到最小并不對銷頭形成阻礙。

2.1 錐形銷提高測量精度

傳感器銷頭和軋輥的間隙如圖9所示，軋料擠入間隙，影響測量精度。

圖9 傳感器銷和軋輥間的間隙

采用錐形銷式結(jié)構(gòu)，可有效防止被軋料的擠入。如圖10所示，因為不存在間隙，軋料不會被擠入；傳感器彈性元件的兩端為球面，大大減小了偏心加載的影響，安裝時無需嚴格對中。

圖10 錐形銷式傳感器

2.2 對埋式錐形提高可靠性

在以往雙埋入形銷式傳感器測量軋制力和摩擦力的方法中，一個傳感器徑向放置測量法向力，另一個成角度斜向放置，兩測量值聯(lián)立計算摩擦系數(shù)。因缺乏對稱性，兩測量結(jié)果缺乏互驗性?？紤]到兩個傳感器實際都受到法向力和摩擦力，是否可以采用斜向?qū)ΨQ放置兩個傳感器，實現(xiàn)測量結(jié)果的互驗， 如圖11所示，對稱放置兩個斜向銷式傳感器，每個傳感器受力關(guān)系如圖12所示。

圖11 對稱放置兩個斜向銷式傳感器

圖12 兩個傳感器受力關(guān)系

在軋制過程，傳感器頭面積A上受到的軋制摩擦力τ，軋制法向力Pc和每個傳感器上測量的力G1、G2的關(guān)系：

G1=Pccosθ+τAsinθ-μ0(|PcAsinθ-τAcosθ|)

(1)

G2=Pccosθ-τAsinθ-μ0(|PcAsinθ+τAcosθ|)

(2)

兩式相加

(3)

兩式相減

(4)

式中，μ0為傳感器銷與軋輥間的摩擦系數(shù)，軋料確定后是已知的。

從原理上講，采用對稱放置的兩個斜向銷式傳感器，達到測量結(jié)果互驗，提高可靠性是完全可以的，安裝和應用上也會更加方便。

2.3 對埋式錐形銷式傳感器的設計、安裝和標定

依照以上原理，設計的錐形銷式傳感器結(jié)構(gòu)和尺寸如圖13所示，加工采用45#鋼，表面淬火硬度HRC55，銷表面噴涂MOS2以減少摩擦。一端頭為球面減少偏載，另一端與安裝底座配合，中間筒體部分分別粘貼周向和軸向應變片。

圖13 傳感器彈性元件部分尺寸和結(jié)構(gòu)

應變片型號BF350-5AA，漢中精測電器有限責任公司生產(chǎn)(全封閉結(jié)構(gòu)，靈敏系數(shù)2.1，具有溫度自補償和蠕變自補償功能)。

傳感器安裝在軋輥上之后，要先進行標定：調(diào)整傳感器銷到正上方，把軋輥固定在壓力計平臺上，傳感器銷端頭放置鋼球，壓力計平臺壓下鋼球?qū)鞲衅鬟M行加載，記錄載荷和傳感器輸出的電壓關(guān)系圖，得出如圖14所示標定曲線。

圖14 兩傳感器標定結(jié)果

原理上來說，兩個傳感器的標定結(jié)果應該一致，因為實際操作中難免有誤差，使得標定結(jié)果有差異，但這不影響使用，實測數(shù)據(jù)會通過標定結(jié)果進行折算。

圖15和16分別是傳感器安裝示意圖和實際圖。先安裝軋輥和傳感器部件，采用磨削加工保證傳感器銷頭和軋輥面一致，再拆開，進行連線并把傳感器整體組裝進軋輥。

圖15 傳感器安裝示意圖

圖16 傳感器安裝實際圖

2.4 測量實驗、結(jié)果和分析

為了進行驗證，在雙輥鋁合金單機架軋機上試驗本次設計的軋制法向力和摩擦力傳感器。

軋輥直徑225 mm，長245 mm。下軋輥在75 mm處切割分開，加工銷、傳感器、螺、導線安裝孔和槽。將傳感器組件等經(jīng)螺栓連接組成傳感器軋輥，外圓精磨，再將兩瓣軋輥分開，取出傳感器組件，粘貼應變片并標定和密封。再組裝，用埋入方式引出傳感器導線，導線長度足夠在軋制試驗時纏繞和收放。

樣機可以提供最大1 500 kN的軋制力，最大軋制速度70 cm/min。試驗時最大采集速率250 K/S，主要采集軋制力、速度、電機電流等模擬量，每30個數(shù)據(jù)平均后進行記錄和處理。軋制試驗材料為LF6鋁合金， 3 mm×100 mm×2000 mm規(guī)格，沒有潤滑液。

將試驗采集的信號，采用公式(3)和(4)進行計算，得到此材料軋制法向力和摩擦系數(shù)分別如圖17和圖18所示。圖中可看出，兩傳感器測量軋制法向力結(jié)果接近，測量的摩擦力結(jié)果也基本對稱和接近，實現(xiàn)了軋制法向力摩擦力測量互相驗證的目的。

圖17 LF6鋁合金軋制法向力

圖18 LF6鋁合金軋制摩擦系數(shù)

3 結(jié)束語

準確測量輥料間軋制法向力和摩擦力對軋制機理的研究和軋制質(zhì)量的提高有很大幫助。本文提出和設計的測量輥料間的軋制法向力和摩擦力的應變式傳感器，通過對稱埋設在軋輥內(nèi)的斜向錐形銷式傳感器的方法，克服了以往傳感器銷與輥間隙因擠入軋料而影響使用和精度的弊端。設計的傳感器在樣機上的試驗結(jié)果表明，這種設計可靠性和精度高。

[1] 郭立偉，楊荃．全連續(xù)冷連軋機自動控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J]．冶金自動化，2006，113(02)：56-61．

[2] 李旭．提高冷連軋帶鋼厚度精度的策略研究與應用[D]．沈陽：東北大學，2008．

[3] Siebel E, Lueg W. Untersuchungen uber die Spannungsverteilung im Walzspalt[J]. Mitteilungen aus dem Kaiser Wilhelm Institut Eisenforschung,1933,15(01):1-14.

[4] Rooyen G, Bachofen W. Friction in cold rolling[J].Iron Steel Inst,1957,(06):235-244.

[5] Lenard J. Study of the predictive capabilities of mathematical models of flat rolling[A]. Proceedings of the

4th International Steel Rolling Conference[C]. France:1987.

[6] Lagergren J, Carlsson B, Andersen C. The friction hill double hump-measurements and modifications duringhot strip rolling simulation[A]. Proceedings of the ASME Conference on Engineering systems design and analysis[C]. New York:American Society of Mechanical Engineers.1996(03):181-188.

[7] Lagergren J. Friction evaluation in hot strip rolling by direct measurement in the roll gap of a model duo mill[J]. Processing Technol, 1997(07): 207-214.

[8] Siebel E, Lueg W. Investigation into the Distribution of Pressure at the Surface of the Materials in Contact with the Rolls[J]. Mitt.K.W.Inst Eisenf, 1944,(15):1-14.

[9] Rooten, Backofen W. Friction in Cold Rolling[J]. Journal of the Iron and steel Institute, 1957, 186(01): 235-244.

[10] Salehi, Firbank T, Lancaster P. An Experimental Determination of the Roll Pressure Distribution in Cold Rolling[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 1973(15):693-710

[11] Banerji A, Rice B. Experimental Determination of Normal Pressure and Friction Stress in the Roll Gap during Cold Rolling[J]. Annals of CIRP, 1972, 2 (01):53-53.

[12] Jeswiet, J. and Rice, W.B.The Design of Sensor for Measuring Normal Pressure and Friction Stress in the Roll Gap during Cold Rolling[J].Manufacturing Eng. Transactions, NAMRC-X, 1982(04):130-134.

[13] Britten D, and Jeswiet J. A Sensor for Measuring Normal forces with Through and Transverse Friction forces in the Roll Gap[J].Manufacturing Eng. Transactions, NAMRC-XIV, 1986(05).

[14] Britten, D. and JeswietJ. Affixing Strain Gauges to a Conical Surface[J]. Experimental Techniques, 1987, (03):24.

[15] H.Ford , F.Rllis and D.r.Bland.Cold Rolling with strip tension[G].part 1- A new approximate method of calculation and a comparison with Other Method. Journal of the Iron and Steel Institute.1951, 168:57-72.

[16] 劉鴻文．材料力學[M]．北京：高等教育出版社，2004．

Design of the strain gauge sensor for measurement ofrolling force and friction

ZHANG Gao-liang,XUE Zhe,GAO Zhao-bo,ZHANG Shen

(China National Heavy Machinery Research Institute Co.,Ltd.,Xi’an 710032,China)

This paper studied and designed the strain gauge sensor for the measurement of the normal force and the friction between the roller and the billet,in order to improve the precision of rolling and control strip shape,the distribution of rolling force and friction force along the roller was studied.The test about this sensor was been carried out on a single roller,which showed its reliability and high precision.This technology is of wide prospect of application and help to study the mechanism and to improve the quality and speed of rolling production.

strain gauge sensor;normal force;rolling friction

TP393

A

1001-196X(2017)05-0006-06

2017-01-16；

2017-03-25

張高亮(1985-)，男，工程師，主要研究方向自動控制。