軋制力傳感器的強(qiáng)度驗(yàn)算和安裝研究

張懷鎖

(上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院有限公司，上海 200233)

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)熱軋帶鋼連軋機(jī)組生產(chǎn)線使用的軋制力傳感器有兩種，分別是ABB公司生產(chǎn)的磁彈性式軋制力傳感器和KELK公司生產(chǎn)的電阻應(yīng)變式軋制力傳感器。軋制力傳感器俗稱(chēng)“壓頭”。新建成軋線在線壓頭的使用壽命普遍較長(zhǎng)，但隨著設(shè)備的老化在線使用，周期不斷縮短，非正常下線也逐漸增加。下線損壞的壓頭主要是出現(xiàn)導(dǎo)磁體散片、受力面局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，固定夾板雙頭螺栓被拉伸甚至斷裂、導(dǎo)磁體被徹底壓斷導(dǎo)致直接報(bào)廢的嚴(yán)重情況。

本文主要介紹磁彈性軋制力傳感器壓頭，對(duì)壓頭的強(qiáng)度及固定夾板雙頭螺栓的強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算，提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案和措施，并對(duì)壓頭的機(jī)械安裝結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行了探討。

1 壓頭的結(jié)構(gòu)安裝類(lèi)型

壓頭三種結(jié)構(gòu)安裝形式如圖1所示。①安裝在壓下螺母與牌坊之間的環(huán)形壓頭；②安裝在上支撐輥軸承座與壓下螺絲(或液壓缸)之間的盤(pán)形壓頭；③安裝在下支撐輥軸承座與牌坊之間的矩形壓頭。其中，安裝在下支撐輥軸承座與牌坊之間的矩形壓頭因其測(cè)量軋制力最為直接和準(zhǔn)確，因此應(yīng)用也最為廣泛。

圖1 壓頭三種結(jié)構(gòu)安裝形式Fig.1 Three kinds of structural installation of pressure head

2 磁彈性軋制力傳感器基本工作原理

磁彈性軋制力傳感器是一種無(wú)源傳感器。它利用鐵磁材料的磁彈性效應(yīng)。磁彈性軋制力傳感器的核心部分是導(dǎo)磁體(也稱(chēng)“壓磁元件”)，它是用鐵磁材料薄片粘貼疊成的元件，類(lèi)似于變壓器的鐵芯，它感受力并利用壓磁效應(yīng)把力參數(shù)變量轉(zhuǎn)換成磁參數(shù)的變化。作為導(dǎo)磁體的材料，導(dǎo)磁體一般為硅鋼片、坡莫合金等。磁彈性傳感器工作原理如圖2所示。

圖2 磁彈性傳感器工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of magnetoelastic sensor

3 矩形壓頭強(qiáng)度計(jì)算

3.1 壓磁元件強(qiáng)度計(jì)算

壓頭受到下述外力的作用：因軋輥引起材料變形而產(chǎn)生的軋制力；因調(diào)節(jié)軋輥開(kāi)口變壓下裝置球面上推軸承內(nèi)的摩擦力扭矩。根據(jù)安裝方式的不同，壓頭受力情況也不同。當(dāng)壓頭安裝在壓下螺絲下面時(shí)，壓頭承受到軋制力和扭矩的作用；當(dāng)壓頭安裝在下支承輥承座的下面時(shí)，壓頭只承受軋制力的作用。由此可見(jiàn)，無(wú)論采用何種安裝方式，壓頭總是受壓，

假定軋制力達(dá)到某一臨界值PKP沖片失去穩(wěn)定性而彎曲，壓磁元件產(chǎn)生永久變形而不能繼續(xù)用。沖片的穩(wěn)定性由動(dòng)力法決定。

在穩(wěn)定位置狀態(tài)下，所有內(nèi)外力的功都是負(fù)值。

即：

A-(U1+U2)≤0

(1)

式中：A為作用在壓磁元件上的軋制力所作的功；U1為沖片的彈性能；U2為夾緊導(dǎo)磁體的雙頭螺栓的彈性能的軋制力(外力)作用于沖片上的功。

(2)

式中：b為沖片寬度；a為沖片長(zhǎng)度；q為沖片單位長(zhǎng)上的載荷；δmn為沖片變形；n為沖片寬度方向上沖片的彈性能。

(3)

(4)

式中：Pj為作用于雙頭螺栓上的力；K為沖片數(shù)。

近似地假定，在沖片變形量為δmn時(shí)，夾緊導(dǎo)磁體的雙頭螺栓的變形量與之相等。

(5)

式中：L為雙頭螺栓的長(zhǎng)度；E1為雙頭螺栓材料的彈性的模量；S為雙頭螺栓的橫截面積。

消去式(4)和式(5)中的Pj，則得：

(6)

將A、U1和U2值代入式(1)，則得：

今取沖片失去穩(wěn)定性時(shí)的臨界應(yīng)力為：

(7)

經(jīng)變換后，由式(7)可得：

(8)

式中：h為沖片厚度。

由式(8)得出最小值。此時(shí)：

(9)

當(dāng)m=1和n=1時(shí)，即沖片在長(zhǎng)度和寬度方向按同一半波彎曲JKP的值最小。設(shè)有夾板和夾緊雙頭螺栓，就能限制沖片寬度方向的彎曲，因此可取n=0。而臨界應(yīng)為：

(10)

墊板與壓磁元件之間無(wú)間隙時(shí)，臨界應(yīng)力為：

(11)

式中：S1為墊板的橫截面積；E2為墊板材料彈性模量。

按式(11)計(jì)算得到臨界應(yīng)力要略小于實(shí)際臨界應(yīng)力。

3.2 雙頭螺栓的強(qiáng)度計(jì)算

一般來(lái)說(shuō)，沖片總有一定的曲率，須用雙頭螺栓預(yù)先夾緊導(dǎo)磁體中以消除。為此，有必要檢驗(yàn)雙頭螺栓的強(qiáng)度。

當(dāng)求破壞力或應(yīng)力時(shí)，假定雙頭螺栓內(nèi)拉應(yīng)力等于屈服極限時(shí)，壓磁元件開(kāi)始破壞。

雙頭螺栓夾緊時(shí)的變形量：

(12)

按虎克定律、軋制力引起壓磁元件的變形量為：

(13)

式中：P為軋制力；S3為導(dǎo)磁體的面積。

如果只有軋制力的作用，則壓磁元件雙頭螺栓方向上的變形量為：

ΔL2=rΔa

(14)

式中：r為泊松系數(shù)。

當(dāng)雙頭螺栓內(nèi)的應(yīng)力等于屈服極限時(shí)，壓磁元件被破壞，可用下式表示：

(15)

式中:δS為雙頭螺栓屈服極限。

將式(12)和式(14)的ΔL1和ΔL2值代入式(15)，得臨界力Pjk為：

(16)

而臨界應(yīng)力為：

(17)

雙頭螺栓的夾緊力，可用求夾緊力矩的關(guān)系式求得：

(18)

式中：dn為雙頭螺栓螺紋的平均直徑；α為螺紋；β為螺紋摩擦角。

壓頭在軋機(jī)上使用時(shí)，一年內(nèi)要經(jīng)受十萬(wàn)次或更多的變荷載，因此，有必要檢驗(yàn)雙頭螺栓的疲勞強(qiáng)度。

雙頭螺栓按非對(duì)稱(chēng)循環(huán)受荷時(shí)，最小應(yīng)力δmin等于夾緊螺栓的應(yīng)力δe，最大應(yīng)力等于δe和δi之和。

(19)

振幅安全系數(shù)：

(20)

最大應(yīng)力的安全系數(shù)：

(21)

雙頭螺栓的安全系數(shù)，應(yīng)在下述范圍內(nèi)：na=2.5～4；n=1.25～2.5。

3.3 雙頭螺栓在實(shí)際應(yīng)用中的強(qiáng)度驗(yàn)算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的使用情況以及損壞的現(xiàn)象，有必要對(duì)進(jìn)口矩形壓頭兩側(cè)固定夾板的8根雙頭螺栓的強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。以寶鋼2050熱軋廠進(jìn)口ABB公司PFVL-101V-25 MN壓頭進(jìn)行驗(yàn)算，其他量程規(guī)格的大力值軋制力壓頭雙頭螺栓強(qiáng)度驗(yàn)算可按相同方法進(jìn)行驗(yàn)算。

寶鋼進(jìn)口ABB公司PFVL-101V-25 MN的磁彈性壓頭機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 磁彈性壓頭機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Mechanical structure diagram of magnetoelastic indenter

為了消除磁彈性沖片的曲率，導(dǎo)磁體兩邊加固定夾板并采用雙頭螺栓預(yù)先夾緊導(dǎo)磁體，而且?jiàn)A緊力約為測(cè)量范圍上限值的1%～3%。除此之外，在使用中，導(dǎo)磁體受到軋制力作用時(shí)雙頭螺栓還要產(chǎn)生變形。因此，必須對(duì)雙頭螺栓的強(qiáng)度進(jìn)行檢驗(yàn)。

①雙頭螺栓的夾緊力P1為：

P1=(1%～3%)F

(22)

將夾緊力取2.35%、測(cè)量范圍上限值取F=25 MN代入式(1)，得：

P1=0.0235×25=0.587 5(MN)

因此，每根雙頭螺栓的夾緊力為：

②雙頭螺栓因?qū)Т朋w受軋制力作用而受到的拉力P2，在導(dǎo)磁體的彈性模量相等，且其值E=200 GPa的條件下，可求得雙頭螺栓受到的拉力為：

(23)

將泊桑系數(shù)μ=0.3、H=74 mm、B=250 mm和F=25 MN代入上式，得：

P2=0.657 12(MN)

因此，每根雙頭螺栓受的拉力為：

③每根雙頭螺栓受的總拉力。

由以上所述，每根雙頭螺栓受的總拉力為:

PΣ(σ)=P11+P21=0.046 875+0.082 14=0.129 015(MN)

由于采用M8雙頭螺栓，所以每根雙頭螺栓能受的總拉力為:

由此可見(jiàn)，采用8根雙頭螺栓是不安全的。為了保證安全，必需增加雙頭螺栓的數(shù)量，而且至少要增加20根，即雙頭螺栓的總數(shù)應(yīng)為28根。此時(shí)每根雙頭螺栓受的總拉應(yīng)力為:

3.273 4(MPa)<235 MPa

根據(jù)壓頭損壞下線的情況有兩種。

①軋制力壓頭導(dǎo)磁體彈性體因受力面承載不均勻載荷，造成局部應(yīng)力集中現(xiàn)象導(dǎo)致磁彈性沖片散片損壞，夾板固定螺栓因受到的拉應(yīng)力超過(guò)其極限應(yīng)力導(dǎo)致8根雙頭螺栓部分或全部斷裂。這種情況符合驗(yàn)算結(jié)果。

②壓頭出現(xiàn)導(dǎo)磁體散片，且雙頭螺栓未斷裂的現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)仔細(xì)檢查和分析，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是出廠時(shí)8根雙頭螺栓沒(méi)有按照規(guī)定的預(yù)緊力夾緊夾板，導(dǎo)致導(dǎo)磁體壓磁元件受力狀態(tài)分部不均勻，產(chǎn)生了局部應(yīng)力過(guò)于集中導(dǎo)致散片，而雙頭螺栓并沒(méi)有斷裂。

4 有關(guān)壓頭的機(jī)械安裝問(wèn)題

4.1 壓頭的表面硬度和彈性變形量

壓頭受力面的硬度約為HRC40。理論上，在額定載荷下壓頭在高度方向上，彈性變形小于0.05 mm。

4.2 壓頭的機(jī)械安裝與使用壽命的關(guān)系

壓頭的輸出信號(hào)是由n個(gè)小的力敏感元件的輸出信號(hào)之和疊加后的總輸出。為了使各個(gè)力敏感元件的輸出信號(hào)之和真實(shí)反映實(shí)際施加的載荷，加在壓頭上的載荷必須均勻地分布在壓頭的受力面。

由于壓頭在額定載荷下的彈性變形量小于0.05 mm，因此裝配附件的受力面的平面度必須達(dá)到一定的精度等級(jí)。

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，將公差要求分為以下兩種。

①第一種公差要求為不出現(xiàn)零點(diǎn)變化的安裝方法，稱(chēng)之為最高要求。

②第二種公差要求為有零點(diǎn)變化而其他特征不變化的安裝方法，稱(chēng)之最低要求。

壓頭的使用壽命在很大程度上取決于平面度公差精度等級(jí)。

4.3 壓頭安裝的基本原則

4.3.1 均壓板厚度尺寸的定義

均壓塊(或板)按45°法則確定，按照壓頭導(dǎo)磁體受力面寬度方向的一半作為均壓板的高度。壓頭均壓載荷下有關(guān)尺寸的定義如圖4所示。圖4中：a為壓頭寬度的一半；b為壓頭和軸承座之間均壓板的高度。

圖4 壓頭均壓載荷下有關(guān)尺寸的定義圖Fig.4 Definition of relevant dimensions under uniform pressure of indenter

4.3.2 均壓板厚度和應(yīng)力的分布

壓頭均壓板厚度對(duì)載荷應(yīng)力的影響如圖5所示。

圖5 壓頭均壓板厚度對(duì)載荷應(yīng)力的影響圖Fig.5 Influence of the thickness of indenter equalizing plate on load stress

不同數(shù)量、相同厚度的均壓板的力分布變化如圖6所示。從圖6可見(jiàn)，隨著均壓板數(shù)量的增加，力的分布大幅度產(chǎn)生變化，越來(lái)越不均勻。

圖6 不同數(shù)量、相同厚度的均壓板的力分布變化圖Fig.6 Force distribution and change using different number and thickness of equalizing plate

4.3.3 矩形壓頭的安裝各組件的要求

矩形壓頭的安裝各組件的要求如下。

①弧形板的硬度,不只是表面硬度，而必須要整體達(dá)到HB500。

②上下墊板的硬度，不只是表面硬度，而必須要整體達(dá)到HB350-400。

③弧形板的硬度應(yīng)該足夠的高，這樣才能保證弧形板不會(huì)變形，且能夠自由搖擺。

4.3.4 配合面的硬度和壓頭過(guò)渡移動(dòng)的防止措施

配合面表面硬度最好為HB300，材料屈服強(qiáng)度≥500 MPa。

由于軋機(jī)牌坊和軋輥軸承座中的一般澆注材料沒(méi)有這樣高的強(qiáng)度，因此，可以在壓頭和支承面之間放一塊厚度最小為15 mm的合適金屬板，以防表面劃傷。但是，當(dāng)壓頭放在這種表面上時(shí)，為了限制它的過(guò)渡側(cè)向運(yùn)動(dòng)，需在各個(gè)方向留有1.5mm的間隙。

4.4 壓頭裝在下支承輥軸承座下面的注意事項(xiàng)

4.4.1 壓頭長(zhǎng)度

壓頭長(zhǎng)度示意圖如圖7所示。

圖7 壓頭長(zhǎng)度示意圖Fig.7 Schematic diagram of indenter length

由圖7可知，在軋制方向由于水平力產(chǎn)生非均勻載荷分布，且這些力的數(shù)值相當(dāng)大。為了確保充分的載荷分布，壓頭應(yīng)可能長(zhǎng)一些，至少要和傳力板(均壓板)一樣長(zhǎng)。

4.4.2 傳力板應(yīng)滿足的要求

圖8 傳力板應(yīng)滿足的要求示意圖Fig.8 Schematic diagram of requirements to be met by force transfer plate

當(dāng)裝置中已有一個(gè)弧形負(fù)荷傳遞區(qū)域的傳力板時(shí)，為了獲得良好的固定受力點(diǎn)(線接觸)，與傳力板直接配合的平板需有足夠強(qiáng)度，以免變形。與此同時(shí)，為了使傳力板能均勻地壓置在配合板上，傳力板的均勻厚度公差需在0.025～0.05 mm之內(nèi)。

如果弧形板在長(zhǎng)期使用中有很大的磨損，甚至弧面被腐蝕或被磨平，將會(huì)在傳力過(guò)程中對(duì)壓頭產(chǎn)生非常大的側(cè)向力，直接導(dǎo)致壓頭導(dǎo)磁體散片，嚴(yán)重的還會(huì)使壓頭固定夾板的雙頭螺栓斷裂。最極端的情況是將壓頭導(dǎo)磁體壓磁沖片全部壓斷。這種極端情況在維修過(guò)程中也是經(jīng)常發(fā)生。

4.5 壓頭安裝的前期準(zhǔn)備工作

壓頭安裝的前期準(zhǔn)備工作主要有以下四項(xiàng)。

①更換修復(fù)的壓頭前先確認(rèn)新修復(fù)壓頭的高度。

②平磨上、下均壓板。

③分別測(cè)量壓頭框架內(nèi)底板的實(shí)際高度及操作側(cè)和傳動(dòng)側(cè)軋機(jī)牌坊壓頭框架安裝面的水平高度。

④根據(jù)修復(fù)壓頭的高度、均壓板的高度、框架內(nèi)底板高度、操作側(cè)和傳動(dòng)側(cè)軋機(jī)牌坊壓頭框架安裝面的水平高度，經(jīng)過(guò)計(jì)算后確定加工調(diào)整板的高度。

以上四點(diǎn)是保證軋制線水平度和高度的重要措施。

4.6 壓頭安裝要特別注意的事項(xiàng)

壓頭安裝要特別注意以下事項(xiàng)。

①檢查框架內(nèi)底板的平面度是否達(dá)到要求，平面度要求0.05 mm。

②檢查上、下均壓板的平面度、粗糙度是否達(dá)到要求，平面度要求0.05 mm, 表面粗糙度要求Ra0.63。

③調(diào)整板的平面度是否達(dá)到要求，平面度要求0.05 mm。

4.7 調(diào)整板加工技術(shù)要求

調(diào)整板加工技術(shù)要求如下。

①材料牌號(hào)：TOOLOX40或TOOLOX44。

②整體硬度：HB390或HBW390。

③表面要求：平面度要求0.050 mm。

以上三點(diǎn)是壓頭長(zhǎng)期、安全、穩(wěn)定、可靠、精確工作的重要保證。由寶鋼股份公司2050熱軋廠的成功經(jīng)驗(yàn)可知這樣做是必要的，所以該廠對(duì)壓頭進(jìn)行維護(hù)，以進(jìn)入周期檢定和常規(guī)修復(fù)的良性循環(huán)。

5 結(jié)論

從壓頭的現(xiàn)場(chǎng)使用情況來(lái)看，延長(zhǎng)壓頭的在線使用壽命一方面通過(guò)對(duì)壓頭兩側(cè)夾板增加夾板固定雙頭螺栓的辦法提高壓頭強(qiáng)度，使其更好地長(zhǎng)期工作在安全區(qū)。另一方面壓頭損壞的原因是因?yàn)檐垯C(jī)機(jī)械設(shè)備的缺陷導(dǎo)致產(chǎn)生大的側(cè)向力，均壓板的硬度不夠或變形、經(jīng)長(zhǎng)期使用變平或腐蝕的弧形板以及不平整的墊板及硬度不夠的下底板等問(wèn)題是導(dǎo)致壓頭損壞的根本原因。因此，壓頭的機(jī)械安裝問(wèn)題同樣是保證壓頭不局部受力和大的側(cè)向力影響，使壓頭的受力面局部應(yīng)力集中而損壞壓頭。

本文的目的是減少技術(shù)大修，節(jié)約備件修復(fù)費(fèi)用和提高設(shè)備上機(jī)安全運(yùn)行時(shí)間，最大程度提高壓頭在線使用壽命。