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(材料科学与工程专业论文)轧机轧制过程轧制压力的确定及应力应变分析.pdf.pdf 免费下载
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重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 轧钢生产是将钢锭或钢坯轧制成钢材的生产环节。用轧制方法生产钢材,具 有生产率高、品种多、生产过程连续性强、易于实现机械化自动化等优点。因此, 它比锻造、挤压、拉拔等工艺得到更广泛地应用。轧钢机是轧钢生产过程主要的 同时也是最重要的生产设备。轧机牌坊和轧辊的弹性变形直接影响到产品的最终 断面形状和尺寸精度,对轧机牌坊和轧辊弹性变形的分析,可为设备结构的优化 设计和制定优化的轧制工艺制度提供理论依据;轧辊和轧机机架是轧制力的主要 承载体,其强度是否满足要求直接关系到设备的安全生产。 本文针对攀钢集团四川长城特殊钢有限责任公司第四分厂由8 2 5 初轧机,以 5 9 t 大钢锭方坯尺寸7 5 0 x 7 5 0 m m 轧制至坯料尺寸2 8 0 x 2 8 0 m m 的轧制工艺和生产 设备为研究对象,对其轧制时测量的工艺参数数据进行了收集、整理、分析。详 细阐述了轧制力测试技术理论,探讨了在大钢锭的轧制中轧制压力实测和工程计 算方法,并校核了轧辊的辊身和辊颈的强度以及轧机机架的强度,对该厂轧制大 钢锭进行了可行性分析。 本文结合有限元法基础理论,运用a n s y s 大型通用有限元分析软件,对轧 制该工艺时轧辊和机架( 牌坊) 的弹性变形进行了有限元模拟,对变形过程中轧 辊和机架( 牌坊) 的应力应变分布及危险断面进行了分析讨论。运用有限元法建 立模型,可以方便、有效,直观地预测和计算轧辊和机架的弹性变形及应力分布, 可以预测轧辊及机架( 牌坊) 在产生变形时各部位的受力状况,便于找出轧辊和 机架的薄弱环节,为今后轧辊和机架结构的优化设计提供理论依据。 本文综合运用实测法、工程计算法及有限元法对轧机的轧制力和应力应变进 行了确定和分析,充分发挥了各自的特点,得到了满意的结果。为这三种方法在 工程上的综合运用提供了思路。 关键词:轧制压力,弹性变形,轧辊强度,机架强度 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t s t e e lr o l l i n gp r o d u c t i o ni st h ep r o d u c t i o nn e c kt h a tm a k et h eb l o o ms t e e li n t os t e e l p r o d u c t s m a k i n gs t e e lp r o d u c t sw i t hr o l l i n gm e t h o dh a sl o t so fm e r i t , h i 曲p r o d u c t i o n 毗m a s sk i n d s ,c o n t i n u o u sp r o d u c t i o np r o c e s s ,e a s i l yr e a c hm e c h a n i c a la u t o m a 6 6 c p r o d u c t i o ne t c s o i th a sm o r ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o nt h a nf o r g i n g , p r e s s i n g , d r a w i n g e t c r o l l i n gm i l l si st h em e r l la n dm o s ti m p o r t a n te q u i p m e n ti ns t e e lr o l l i n gp r o c e s s t h ee l a s t i cd e f o r m a t i o no f t h es t a n dh o u s i n ga n dr o u e ri sd i r e c t l ye f f e c to f ft h es h a p eo f f i n a l l yc r o s s s e c t i o na n dt h ed i m e n s i o n a la c c u r a c y , 8 0a n a l y s i n gt h ee l a s t i cd e f o r m a t i o n o ft h es t a l l dh o u s i n ga n dr o l l e rc a np r o v i d 鹪t h er e l i a b l et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o r o p t i m u md e s i g no fe q u i p m e n ta n di n s t i t u t i n go p t i m u mr o l l i n gm i l lp r a c t i v e , t h em i l l f r a m e w o r ka n dr o l l e ri st h em a i ns u p p o r t i n gb o d yo ft h ed r a u g h tp r e s s u r e ,a n di ti s i m p o r t a n tc o n t e n to f s a r yi np r o d u c t i o nt h a tw e a t h e r i t ss t r e n g t hm e e tt h ec h a l l e n g e 啦sp a p e ra i ma tt h e 巾8 2 5b l o o m i n gm i l lo ft h e4 4p r i m a r yr o l l i n g f a c t o r yo f p a n g a n gg r o u ps i c h u a uc h a n g c h e n gs p e c i a ls t e e ll i m i t e dl i a b i l i t yc o m p a n y t a k ei t t h a tm h i n gb i gs q u a r eb i l l e t ( 7 5 0 x 7 5 0 m m ) i n t ot h es m a l lo n e ( 2 8 0 x 2 8 0 m 哟a ss u r v e y o b j e c t c o l l e c t e d , p r o c e s s c da n da n a l y z e dt h em e a s u r e dt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e ri n r o l l i n gp r o c e s s o u t l i n e st h et h e o r ya b o u tm u i n g t e s tt e c h n o l o g yi nd e t a i l s ,a p p r o a 6 h e d t h em e t h o dt oc a l c u l a t et h er o l l i n gf o r c ea n dc h o c k c dt h es t r e n g t ho ft h em i l e ra n d f r a m e w o r k a n a l y z e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h eb i gs t e e li n g o tr o l l i n gw i t ht h e 由8 2 5 b l o o m i n gm i l l t h ep a p e rc o m b i n ef i n i t ee l e m e n tm e t h o db a s a lt h e o r y , w i t ht h el a r g e - s c a l eg e n e r a l f e ma n a l y s i ss o r w a r ea n s y s ,s i m l l l a t e dt h ee l a s t i cd e f o r m a t i o no ff r a m e w o r k ( m i l l h o u s i n g ) a n dr o l l e r , d i s c u s s e dt h es t r e s s s t r a i nd i s t r i b u t i o na n dd a n g e r o u ss e c t i o n c r e a t i n gm o d e lw i t hf e m , c a l ld i v i n ea n dc a l c u l a t et h ee l a s t i cd e f o r m a t i o na n ds t r e s s d i s t r i b u t i o no ft h er o l l e ra n df i n m e w o r kc o n v e n i e n c l y , e f f e c t l ya n dv i s u a l l y , c a nd i v i n e e a c hr r e as t r e s so ft h er o l l e ra n df i a m e w o r k , a n de a s i l yf i n dt h ew e a kl i n ko ft h em i l l , s u p p l yr e f e r e n c ef o rt h eo p f i m u nd e s i g no f t h em i l e ra n df i - a m e w o r ki nf u t u r e t h ep a p e rl yu s em e a s u r e dm e t h o d , e n g i n e e r i n gc a l c u l a t i o nm e t h o d ,a n df e m m e t h o dt oc o n f ma n da n a l y z ed r a u g h tp r e s s u r ea n ds t r e s s s t r a i n f u l l ye x e r te a c hm e r i t , g a i n e dc o n t e n tr e s u l t s u p p l e di d e a rf o rt h es y n t h e t i c a lu s i n go f t h e t h r e em e t h o d k e y w o r d s :d r a u g h tp r e s s u r e ,e l a s t i cd e f o r m a t i o n ,r o l l e rm e n g t h ,f r a m e w o r ks t r e n g t h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得重废太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名:摇询托军 签字日期:2 石年j j 月l 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废盍堂有关保留、使用学位论文的 规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ,在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名: 缰币禅 导师签名: 马主筝 签字日期:j d d 舞1 1 月j ,日 签字日期:a 弼年f f 月r 日 重庆大学硕士学位论文l 绪论 1 绪论 1 1 轧机的发展概况 轧钢生产是将钢锭或钢坯轧制成钢材的生产环节【l 】用轧制方法生产钢材,具 有生产率高、品种多、生产过程连续性强、易于实现机械化自动化等优点。因此, 它比锻造、挤压、拉拔等工艺得到更广泛地应用。目前,约有9 0 的钢都是经过 轧制成材的。有色金属成材,主要也用轧制方法。 为满足国民经济各部门的需要,除轧制生产一般产品外,还生产建筑、造船、 汽车、石油化工、矿山、国防用的专用钢材轧钢生产的成品,根据钢材断面形 状,主要分成三大类:钢板、钢管和型钢( 包括线材) 。 轧钢机械或轧钢设备主要指完成由原料到成品整个轧钢工艺过程中使用的机 械设备。一般包括轧钢机及一系列辅助设备组成的若干个机组通常把使轧件产 生塑性变形的机器称为轧钢机。轧钢机由工作机座、传动装置( 接轴、齿轮座、减 速机、联轴器) 及主电机组成这一机器系统称主机列,也称轧钢车间主要设备。 主机列的类型和特征标志着整个轧钢车间的类型及特点。除轧钢机以外的各种设 备,统称轧钢车问辅助设备。辅助设备数量大、种类多、随着车间机械化程度的 提高,辅助设备的重量所占的比例就愈大。 轧钢机按用途可分为开坯轧机、型钢轧机、板带轧机、钢管轧机和特殊轧机( 如 横轧机、轮箍轧机等) 。 1 1 1 初轧机 8 0 年代建设的初轧机具有以下特点q 万能式板坯初轧机得到迅速发展,6 0 年代后新建的初轧机6 0 是万能式板 坯轧机,这种轧机带有立辊,可以减少轧件翻钢道次,轧制时间比方坯板坯 初轧机减少3 9 ; 内重型化方向发展,轧制钢锭重量达4 5 7 0 万吨,最高年产量达5 0 0 6 0 0 万吨; 提高自动化程度,从均热炉到板坯精整均已实现自动控制; 提高钢坯质量,改进精整工序,采用大吨位板坯剪切机( 剪切力可达4 0 m 1 , 4 - ) 及在线火焰清理机。 1 1 2 热轧宽带钢轧机 热轧宽带钢轧机生产的热轧板卷,不仅可以供薄板和中板直接使用,还可以 作为下道工序冷轧、焊管、冷弯型钢的原料。带钢热连轧机自5 0 年代起,在世界 范围内已成为带钢生产的主要形式。目前世界上1 0 0 0 m m 以上的热连轧机和带卷 重庆大学硕士学位论文1 绪论 轧机有2 0 0 余套。 带钢热连轧机具有轧制速度高、产量高、自动化程度高的特点,轧制速度5 0 年代为1 0 - - 1 2 m s ,7 0 年代已达1 8 - - 3 0 m s 。产品规格也由生产厚度为2 8 m m 、宽 度小于2 0 0 0 r a m 的成卷带钢,扩大到生产厚度1 2 - 2 0 r a m 、宽度2 5 0 0 r a m 的带钢。 带卷重量的加大和作业率的提高,使现有的带钢热连轧机年产量达3 5 0 - - 6 0 0 万t , 最大卷重也由1 5 t 增加到7 0 t 。坯料尺寸及重量加大,要求设置更多的工作机座, 过去的粗轧机组和精轧机组的工作机座分别为2 - - 4 架和5 巧架,现已分别增加到 4 “架和7 碣架,轧机尺寸也相应增加。 1 1 3 冷轧宽带钢轧机 冷轧钢板及带钢近年来得到较大的发展冷连轧机末架出口速度可达 2 5 4 1 t m s 。为了提高产量,冷卷卷重已达6 0 t 。一套冷连轧机年产量可达2 5 0 万 t 。 在带钢冷连轧机上,广泛地采用液压弯辊装置或抽动工作辊装置来改善板形。 由于冷轧带钢厚度公差要求高,为增加轧机压下装置的响应速度,在冷轧机上采 用了全液压压下装置及厚度自动控制装置。对于高速、高产量的带钢冷连轧机, 实现了计算机控制。 应该指出,自1 9 7 9 年开始,出现了全连续冷连轧机。这种轧机只要第一次引 料穿带后,就可实现连续轧制。后续带卷的头部通过焊接机与前一带卷尾部焊接 在一起,轧成后用飞剪机分卷,并由两台卷取机交替卷取带钢。全连续冷连轧机 即使在换辊时,带钢依然停留在轧机内,换辊后可立即进行轧制。采用全连续冷 连轧机,可以提高生产率3 0 - 5 0 ,产品质量和收得率也都得到提高。冷连轧机普 遍应用了液压弯辊技术,设置板形仪及灵敏的液压系统,改善工艺冷润技术,特 别是研制出一批有效控制板形的新轧机,如h c 轧机、u c 轧机、c v c 轧机等。 1 1 4 钢管及线材轧机 工业发达国家,如美国、日本、德国等,都拥有大量的现代化热轧钢管设备, 其中主要是自动轧管机和周期式轧管机。近年来,管坯连铸有很大韵发展,逐步 取代了轧制管坯。由于对精密,薄壁、高强度特殊钢管的需要不断增长,促使冷 轧、冷拔钢管生产迅速发展,冷轧管机有周期式、多辊式、立式、行星式和连续 式等多种,其中以周期式冷轧管机应用最为普遍。 在工业应用上,要求线材盘圆重大,直径公差小,并具有良好和均匀的机械 性能。因此,线材轧机在高速、大盘重、高产量和高精度方面有较大发展。 1 2 轧钢机轧制压力 在轧制过程中,金属对轧辊作用力有两个:一是与接触表面相切的摩擦应力的 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 合力摩擦力;二是与轧辊和轧件接触表面相垂直的单位压力的合力正压 力。摩擦力与正压力在垂直轧制方向上的投影之和,即平行轧辊中心联线的垂直 力,通常称之为轧制压力。 轧制压力是轧机三大负荷参数( 轧制压力、轧制力矩和电机功率) 中最重要的一 个,一方面它直接决定了轧机零件的受载情况,另一方面也关系到其他两个参数 的大小 关于接触面积的数值,在大多数情况下,是比较容易确定的,因为它与轧辊和 轧件的几何尺寸有关。关于平均单位压力的确定,较为困难,因为它取决于许多 影响因素。 确定轧制压力在生产实践中有着重要的意义: 为了计算轧辊和轧机其它各个部件的强度,及校核和选择电动机负荷,正确 制定压下工艺规程,需要计算轧制压力。 钢板生产中为了实现板厚和板形的自动控制,需要计算轧制压力。 为了充分发挥轧机的生产潜力,提高轧机的生产率,以及利用计算机实现轧 制生产过程自动化,需要计算轧制压力 1 3 有限元模拟技术在轧制中的应用 有限元法的基本原理是将求解未知场变量的连续介质体划分为有限个单元, 单元用节点连接,每个单元内用插值函数表示场变量,插值函数由节点值确定, 单元之间的作用由节点传递,建立物理方程将全部单元的插值函数集合成整体 场变量的方程组,然后进行数值计算。在金属加工领域中应用的有限元法通常称 之为塑性有限元法。塑性有限元法是一种近似的计算方法,对于在塑性成型中复 杂的边界条件以及复杂的材料性质的结构,它可以通过足够细密的单元剖分来逼 近真实情况,具有很高的近似程度,随着计算机的广泛应用,这种方法被广泛应 用。目前,根据金属材料本构方程的不同,可将有限元模拟方法分为以下两类t 5 】。 弹塑性有限元法 弹塑性有限元法考虑了包括弹性变形的金属变形全过程。以p r a n d l t - m i s e s 本 构方程为基础。在分析金属成型问题时,不仅能按变形路径得到塑性区的发展状况, 工件中的应力、应变分布规律和几何形状的变化,而且还能有效地处理卸载问题, 计算残余应力。因此,弹塑性有限元法被用于弹性变形无法忽略的成型过程模拟。 但弹塑性有限元法要以增量方式加载,尤其在大变形弹塑性问题中,由于要采用 l a g r a n g e 或e u - l e r 描述法之一来描述有限元列式,所以需花费较长的计算时间, 效率较低。 3 重庆大学硕士学位论文i 绪论 刚塑性有限元法 刚塑性有限元法忽略了金属变形中的弹性效应,以速度场为基本量,形成有 限元列式。这种类型主要有刚塑性有限元法和刚粘塑性有限元法刚塑性有限元 法虽无法考虑弹性变形问题和残余应力问题,但计算程序大大简化。在弹性变形 较小甚至可以忽略时,采用刚塑性有限元法可达到较高的计算效率。 可将轧辊模拟为弹性体,将轧件模拟为弹塑性、多线性各向同性应变硬化材料 并符合矿伽s 鼯屈服准则,这对于热轧型钢过程的模拟比较适宜。借助商业 有限元软件a n s y s ,采用大变形弹塑性有限元法和六面体八节点等参元技术,有 限元网格的布局根据轧件的变形条件以及轧件断面不同部分的剧烈程度来确定。 根据对称性,可选取轧件的1 4 进行模拟分析,并用八节点六面体等参单元对轧件 进行离散以及有限元网格划分在对称面上施加位移对称约束,轧辊与轧件的接 触面采用面面接触等单元划分网格建立的有限元基本方程包括应力和应变速 率方程、微分平衡方程、体积不可压缩条件及其边界条件嘲 1 4 课题的研究内容及意义 不论何种形式的轧机,都是由机架和轧辊等主要结构件组成,在轧制过程中 都伴随着机架及轧辊的受力和变形,因此本文以攀钢集团长城钢厂第四钢厂4 0 2 分厂由8 2 5 初轧机为例,分析轧机在轧制过程中的受力和变形,目的是掌握轧制 工艺参数测试技术的方法,结合工程计算法对由8 2 5 初轧机的受力进行分析,并 采用a n s y s 有限元软件分析由8 2 5 初轧机工作时轧辊和机架的应力分布及变形。 本课题的主要研究内容如下: 了解轧制工艺参数的测试技术,以典型产品为研究对象进行测试,对测试 所得的数据进行分析整理; 选择合适的数学模型,用工程计算法从理论上计算轧制力,并与实测值进 行对比分析; 结合弹塑性有限元法理论,对轧辊模型进行简化,轧辊处理为理想弹塑性 材料,运用a n s y s 建立起二维轧辊弹性变形模型,讨论分析轧制变形过程中轧辊 产生的弹性变形和应力分布 轧机机架处理为理想弹性体,运用a n s y s 建立牌坊的三维弹性模型,讨 论分析轧制变形过程中牌坊产生的弹性变形和应力分布。 通过分析所得到的结果,对轧辊及机架的强度进行校核,以便判断其是否 满足大压下量的生产要求。 轧制产品是在变形了的弹性体一轧辊作用下生产出来的,因而轧辊的弹性 变形直接影响到产品的最终断面形状和尺寸精度,对轧机牌坊和轧辊弹性变形的 4 重庆大学硕士学位论文i 绪论 分析,可为设备结构的优化设计和制定优化的轧制工艺制度提供理论依据。运用 有限元数值模拟建立模型,可以方便、有效、直观地预测和计算轧辊和牌坊的弹 性变形和应力分布;可以预测轧辊和牌坊在产生变形时各部位的受力状况,便于 明了设备的薄弱环节和校核设备强度等。从而能够摸清现有设备的负荷水平,在 保证设备安全运转的条件下,充分发挥现有设备的潜力,以达到高产、优质、低 消耗的目的。 5 重庆大学硕士学位论文 2 轧制压力测试方法 2 轧制压力测试 由于本论文的主要研究内容是轧制典型产品时轧辊的受力,且实测数据均取 自攀钢集团长钢第四钢厂4 0 :2 分厂由8 2 5 轧钢机及8 0 0 吨大剪力能参数测定总 结报告【刀。这里将只介绍轧制力的测试和计算方法,以及轧辊的辊身和辊颈强度 校核。至于其他工艺参数( 机架辊的冲击力、主电机轴扭矩) 的测试、计算,以及主 电机轴、机架、万向接轴的叉头和扁头、机架辊的强度校核在本文中将不进行详 细阐述。 2 1 测试技术概述 测试技术是随着科学技术的发展而发展起来的一门新兴科学技术,迄今为止, 已经成了一个相当广泛的科学领域,在工业、农业、国防、交通等各个生产和科 研部门中,它作为一种揭示客观规律的有力的技术手段得到了极其广泛的应用, 并且起着越来越大的作用,在科学技术的发展过程中,一些研究成果必须通过实 验来验证它的可靠性和可行性。因此需要一定的测试手段来进行检测与监视,对 生产的产品;也必须通过测试来鉴定,因此,不论科学技术的发展,还是工农业 生产水平的提高都与测试技术的发展密切相关,现代测试技术的可能性( 精确度、 灵敏度以及测试范围等) 在很大程度上决定了科学技术的发展水平,钡4 试技术水平 高,则科学技术就越深广,可以说,没有现代化的测试技术,要发展国民经济是 困难的,甚至是不行的,同时科学技术的发展又为测试技术的发展提供了新的前 提和新的途径,也提出了新的课题。 近年来,由于电子技术的飞速发展,对电量的测量技术相应的得到了提高, 可是在科学技术和工程上所要测得参数大多是非电量( 如:拉压力、扭矩、张力、 振动、位移和速度等) 、热工量( 温度、流量和物位等) 、成分量和内部缺陷等。因 而人们研究用电测的方法来测量非电量,这也就形成非电量测量技术,目前,它 是测量技术的组成部分之一,它包括了电磁检测( 电阻式、电感式、振频式) 、光学 检测( 光电式、激光式、红外式、光栅式和光学纤维等) 、超声检测、微波检测和同 位素检测等。 非电量检测技术包括了两方面的内容,一是研究用电测法测量非电量的仪器, 另一方面是研究如何正确地测得非电量的技术,也就是说如何把非电量信号,如 力信号、位移信号等通过传感器转变成电信号,而后,对电信号进行各种中间变 换,从而最后达到测量的目的。前者在电测技术中研究,后者是测试技术研究的 主要内容。非电量测量技术属于无损检测技术,具有测量精度高,响应速度快, 6 重庆大学硕士学位论文2 轧制压力测试方法 能自动连续的进行测量,也可进行遥控,便于自动记录,还可以与计算机连接进 行处理,采用微处理机作智能仪器,适用范围广( 如:高温、高压、具有放射性干 扰等) ,所以很快在各个科学技术部门得到广泛的应用。 测试技术对生产和科研都有着重要作用: 利用现在的测试手段研究和鉴别生产过程中发生的各种物理现象,以对现 有工艺、设备、产品质量等进行剖析,明确进一步改进方向。 摸清现有设备的负荷水平,在保证设备安全运转条件下,充分发挥现有设 备潜力,以达到高产、优质、低消耗之目的。 通过测定现有设备或新设备主要部件的受力状态、运动规律等,从而判断 该设备的性能是否符合设计要求。 通过对测试结果的综合分析,可为科研人员验证现有理论和建立新理论、 设计人员确定最佳设计方案、工艺人员确定最佳工艺参数提供科学依据。 在自动化生产过程中,通过对力能参数的检测来调节和控制生产过程。 2 2 测试的理论基础 本次测量采用电阻应变片电测法,所谓电阻应变片,乃是当电阻元件受到应 变作用时,其电阻值发生变化,从而把被测试件的应变量转换成电量的传感元件。 电阻应变片测量的一般原理是:在应力应变测量中,用粘接剂把应变片牢牢 的粘贴在试件( 包括式样模型,机器零件以及弹性元件等) 表面上,当试件受到外力 作用时,其表面产生弹性变形( 伸长或缩短) ,试件的变形通过粘接剂和基底传递给 应交片的敏感栅,于是它即随试件一起发生变形,结果使得应变片敏感栅的几何 尺寸( 长度和横截面积) 和原始电阻值发生变化( 增大或变小) ,电阻变化率的大小与 应变片覆盖下的试件变化成正比,如果用电子仪器测出电阻值的变化,根据某一 比例常数,即可得到试件的应变值,再根据弹性力学、应力、应变关系可换算成 应力值。 电阻应变片测量的优点: 尺寸小( 基长最短为0 3 r a m ,基宽达1 4 r a m ) ,重量轻,对测量的试件而言, 它没有惯性,故把它粘至试件表面后,不影响试件的工作状态及应力分布。 频率响应快,可以精确测出频率范围为0 - 5 0 0 千赫之间的动态应变。 灵敏度高,最小可测1 个微应变的量值。 误差小,常温常压下,整个测量系统误差可控制在1 内。 测量范围广,不仅能测材料弹性范围内的应变,也能测材料塑性范围内的 应变。 电阻变化率与应变成线性关系。 7 重庆大学硕士学位论文2 轧制压力测试方法 通用性好,不仅能测应变,而且能测力、压强、速度等 采用不同的粘贴方法和组桥方法,可以单独测出复杂应力状态下的某一分 力所引起的应变 其测量方法大致过程如下:将检测元件的电阻应变片粘贴或安装在被测试的 构件表面上,然后接入测量线路,随构件受力变形,应变片的敏感删也获得相应 的变形,从而使其电阻发生变化此电阻变化与构件表面的应变成正比,测量线 路产生的输出信号经放大线路放大后,由指示仪表或记录仪器指示或记录。这是 一种机械量转换为电量的方法,其转换过程如图2 1 所示 图2 1 应变片电测法转换图示 f i g 2 1s w i t c hc h a , t to f f o i lg a g ee l e c t r o m e l r i cm e t h o d 2 3 应变片的原理 2 3 1 应变片 测量中主要采用金属栅应变片,因而本文主要介绍金属栅应变片的工作原理。 金属栅应变片是基于金属导体的应变效应制造的,即金属导体的电阻值随其机械 变形( 伸长或缩短) 而发生改变的物理现象叫应变效应。大量实验证明了在一定范围 内,应变片的电阻值变化率与其本身( 试件) 的应变量成正比 由物理学知,导体的电阻值,主要与两个因素有关,一是导体的几何尺寸, 二是导体的材料性质一电阻率,它们之间的关系可以表示为: 脚喜 ( 2 1 ) 式中:小导体的原始电阻,欧姆; 俨手体材料的电阻率,欧姆毫米2 米; 予体长度,米; p 导体截面面积,毫米2 。 这是导体未受外力作用时的原始电阻值,当导体受到外力尸作用时( 或应变) 和温度r 作用时,不但它的几何尺寸发生变化,而且电阻值r 也发生变化,其电 阻变化率: 警= + 滢) , , 对式子两边微分: 百d r 气z l 瓦o l 一;芸4 - z p a 出p ) d 占h z i 而o l 一刍堡+ ;l 刀a p ,) d t a t ( 2 3 ) r 、la 8s8 po 1 l 醒sp 孤1 、 8 重庆大学硕士学位论文 2 轧制压力测试方法 此式中,右边第一项表示应变的影响,第二项表示温度的影响,当温度不变时: 塑:丝一塑+ d p( 2 4 ) rls p 由材料力学可知,材料为圆截面,线材时,横截面积变化率: 譬:- 2 u 占 导体为矩形: 粤:- 2 u 占 ( 2 6 ) 从而: d 。r :o + 2 u ) + d p ( 2 7 ) 这即应变与电量的基本关系,如两边同除以占,即得金属材料的应变灵敏系数 置。,即单位应变得电阻变化量: 瓦= 警产= o + 2 “,+ 警产 , 它表明材料电阻随机械变形而发生变形的灵敏程度,局愈大,则电阻变化愈 大因此,实测中,当硒和r 己知时,只要测得电阻变化量a r ,即可算出应变占。 基于上述原理,我们即可将电阻应变片制作成传感器用于实际测量,本次测 量考虑到实际情况选用应变片 1 金属丝2 胶雇 图2 2 金属栅应变片 f i f r 2 2m e t a lg a t ef o i lg a u g e 2 3 2 应变片的粘贴 在测量中,被测试件表面的变形是通过粘结层传给灵敏栅的,显然,只有粘 结层均匀、结实、不产生蠕动才能保证敏感栅如实的再现被测构件表面的变形。 粘贴表面准备 为了使应变片粘贴牢固,需对被粘贴试件表面进行机械、化学处理,首先除 去油污,锈斑、涂料、氧化膜等,使之露出试件表面然后用砂布交叉打磨,并与 粘贴方向成4 5 度,直至光洁度为v 4 v 6 ,打磨完成后,用浸有酒精或丙酮溶液 的脱脂棉花进行擦洗,然后用干棉纱和棉球擦洗。 粘贴 9 重庆大学硕士学位论文 2 轧制压力测试方法 在应变片的背后涂一层薄而均匀的氢基丙烯酸( 5 0 2 胶水) 迅速将贴片贴到预先 用坐标纸确定好的位置,在应变片上覆盖一层聚四氟乙烯塑料薄膜,用拇指单方 向滚动数次,挤出多余的粘结剂和气泡,因现场条件恶劣及生产时间限制,贴好 后不久用环氧树脂( 9 1 4 ) 按树脂a 和固化剂b 体积比5 ( a ) :l ( b ) ,混合均匀覆盖其 上,固化5 个小时。 2 4 测量电路 在电阻应交片测量中,由于应变片的电阻变化量小,用一般的测量仪器不能 精确的直接测量出来。因此,必须采用一定形式的测量电路将这一微小的电阻变 化量转化为电压或电流变化,再经电子放大器放大,然后用仪表显示或记录,本 次测量采用直流等臂电桥输出电压法测量,如图2 3 所示: 图2 3 测量电路示意图 f i 啦3m e a s u r i n gc i r z u i ts k e t c h r i - r 2 _ r 3 - r 根据克希霍夫第一第三定律: 1 2 = i l + i e i r + i o r o - i i r i = o i _ 1 3 + i o 1 3 r 3 i2 r 2 - i o r o = 0 1 3 r 3 + 1 4 r - u o 。 联立方程解之: i 。: 坠终生二垦鱼! 一 ( 2 9 ) ”风( 局+ r 2 ) ( 玛+ 墨l + 置马( 局+ 凡) + 墨墨( 马+ r 2 ) 、 当r l r 3 = r 2 r 时,电桥平衡 电桥输出电压: 1 0 重庆大学硕士学位论文 2 轧制压力测试方法 u ,;i 。r 。:j 华坚型止一( 2 1 0 ) ( 马+ 恐) ( 马+ 凡) + 玄r 局乜+ 墨) + 焉墨( 蜀+ 咒) ) 当r 。r 3 - = r 2 r 时,电桥平衡 若检流计内阻r 。很大,上式化简为: u ,2 丙u o ( 面r i r , 面- - 局面r , ) ( 2 1 1 ) 7 ( 焉+ 如) ( 玛+ 心) 、 设电桥斯臂工作时,各臂均有相应的电阻增量a r i 、a r 2 、r 3 、a r ,由 ( 2 1 1 ) 得: u ,嘶等器群糕岩酱嚣 动 因为r l - r 2 - r 3 = r = r u ,嘶坐罄辫嚣篇皆 一般情况下,卧是、吗、墨很小,即r 远大于r ,略去高阶微量,并 由劂r = x 占可得: u ,= = ( 毛+ 毛一毛一毛) ( 2 1 4 ) 2 5 集电装置 在旋转构件应变测量中,应变片和构件一起旋转而应变仪静止不动,因此, 必须在旋转构件与应变仪设置连接器,以保证在旋转构件应变测量中,导线既不 被绞断,又能很好地传递信号,这种连接器在电阻应变测量中称为集电器。集电 装置主要由两部分组成,一部分在应变片的引出线连接,随构件转动;另一部分 与应变仪导线连接,静止不动。 本次测量采用拉线式集电装置。拉线式集电装置是利用拉线( 铜线) 与铜环之间 滑动接触来传递应变信号。一般应用在圆周速度比较低( 小于4 米j 眇) ,而轴端不 能安装集电装置的旋转构件应变测量中 2 6 电阻应变仪及x - y 函数记录仪 本次测量采用y d 1 5 动态电阻应变仪,其工作原理可以简单概括为调制,放 大和解调三个过程,即设法把缓慢变化的应变信号先转换成频率较高的交流信号, 然后送入交流放大器进行放大,最后再把放大的交流信号输入相敏检波器和滤波 器恢复为缓慢变化的电压信号。 x - y 记录仪( 如图2 5 ) 有z 和y 两个输入端和两个独立的记录系统,使记录笔 可以根据x y 两个输入信号的量值在x 方向和y 方向上运动,信号发生器输出一 个频率变化、幅值恒定的信号,这样记录笔在x 坐标上的位置就对应于信号发生 重庆大学硕士学位论文2 轧制压力测试方法 器输出信号的频率,披测元件对信号发生器输出信号的响应特性转变直流转 换电路将交流信号转换成直流信号,作为记录仪y 端的输入信号,使记录笔在y 坐标上的位置与被测元件的响应特性有关,从而记录了被测元件的幅频响应特性。 l 电桥2 放大嚣3 相敏检波器4 低通滤波器5 稳压电流6 振荡器 图2 4 应变仪的波形及方框图 f i g 2 4w a v e f o r ma n db l o c kd i a g r a mo f s t r a i n g a u g e 图2 5x - y 函数记录仪结构方框图 f i g 2 5x - y f u n c t i o nr e c o r d e rs l x u c t u r eb l o c kd i a g r a m 2 7 轧制压力的测量 本次测量采用立柱中性面应力测量法:轧制时,轧机牌坊立柱产生弹性变形, 其大小与轧制力成正比,只要测出牌坊立柱的应变就可推算出轧制力。 重庆大学硕士学位论文 2 轧制压力测试方法 e ,f 、g 瘟变片 图2 6 轧机牌坊立柱应力分布及测量点的选择 f i f r 2 61 1 壕u p r i g h tc o l u m ns t r e s sd i s t r i b u t i o no f f r a m e w o r ka n dd e c t i o no f m e a s u r i n gp o i n t 对于闭口牌坊而言,轧制时除承受轧制力引起的拉应力外,还有弯曲应力存 在,其应力分布如上图,由图2 6 可见,最大应力发生在立柱的内表面6 - 6 上,其 值为: = = 吒+ q ( 2 1 5 ) 最小应力发生在立柱的外表面柏上,其值为: 盯曲2 盯井一盯拉一o 1 1 在中性面c - c 上,d = o ,只有轧制力引起的拉应力,其值: 唧= 吒= 垒唼垒 由2 1 7 可知,为了测得拉应力必须把应变片粘贴到中性面c - c 上, 曲应力,故一扇牌坊承受的拉力为: 置= 2 c r 拉a 式中a 牌坊一个立柱的横断面积 由杠杆原理求出总轧制力: p = - p 牌坊。亡= 2 c r t t _ 南 1 3 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 以消除弯 ( 2 z 8 ) ( 2 1 9 ) 重庆大学硕士学位论文 2 轧制压力测试方法 式中卜两压下螺丝的中心距( m m ) 争轧制力p 的作用点到所测牌坊压下螺丝的距离c m m ) 其组桥与贴片如图2 7 : u a 图2 7 溅牌坊拉应变的贴片与组桥 f i g 2 7 f o i l g a g e a n d b r i g e w h e n m e a s r u i n g f r a m e w o r k s t r e s s 采用机架变形的应力测量法测量轧制力的突出优点是:无需更动现有设备, 不需使用造价较高的专门测力传感器,且安装、维修及换辊操作等大为简化。但 不足之处除测量精度较低外,在机架上直接粘贴应变片往往需要较多的非生产时 间( 一般约2 4 小时) ,且不易进行永久化处理;此外,机架应力水平较低,也是不 足之处 2 8 标定 记录仪器记录的数据是由测试元件组成的桥路的电阻值变化所引起的电压变 化值,要想计算被测试元件由于受载条件下所引起的变形,进而计算出设备受载 情况,需对被测元件组成的桥路的电阻值变化进行标定,所谓标定,乃是用已知 的一系列标准负荷作用在传感器上,以便确定出一系列标准负荷与其输出信号( 电 流、电压或示波图形的高度) 之间的对应关系。以此关系来度量传感器所承受的负 荷大小目前广泛运用加载法( 模拟受载型式加载,记录测量仪器的变化) 、电标定 法。但由于设备大无法直接加载进行标定,因此只能用电标定法进行标定,并计 算出标定曲线( 或称标定方程式) 。 本次测量受现场条件限制,用应变仪给定应变法标定。应变仪的标定旋转每 转一个位置,意味着桥臂上并接了某一组的电阻r ,相当于在桥臂上加上一个应变 1 4 重庆大学硕士学位论文 2 轧制压力测试方法 值,此值已在刻度上指示出来,但因仪器上指示的是根据标准阻值1 2 0 f 、 灵敏系数k = 2 和短导线设计的,而实测时的情况往往与此不同,因此,实际加到 桥臂上的应变l 应根据镪来修正 = 去= 墨。 式中: 议器给定应变值; 置。仪器设计灵敏系数( 一般k 。- - 2 ) ; k 实际用应变片灵敏系数; 。 k ,应变片阻值与标准阻值不同时的修正系数; 足,导线过长修正系数; 置总修正系数 ( 2 2 0 ) 重庆大学硕士学位论文3 轧制力的计算 3 轧制力的计算 本课题测量的典型产品是锭重5 9 t 的大钢锭,坯料尺寸为7 5 0 x 7 5 0 n i m ,成品 尺寸为2 8 0 x 2 8 0 1 n m 。 3 1s l n 力理论 3 1 1 轧制单位压力的计算 计算轧制力归根结底在于解决两个基本参数r 3 】:计算轧件与轧辊间的接触面 积:计算平均单位压力 理论上正确地确定金属轧制时的轧制压力是制定轧钢工艺和校核轧辊、轧机机 架的主要零部件的强度,选择电机容量和校核电机负荷的基本参数之一轧制压 力的大小又取决于单位压力值和其沿接触弧长的分布特征 确定平均单位压力的方法,归结起来有如下三种: 理论计算法:它是建立在理论分析基础之上,用计算公式确定单位压力。 通常都要首先确定变形区内单位压力分布形式及大小,然后再计算平均单位压力 轧件上的力与应变的关系可通过轧制原理中一些熟知的方法来获得【卅。 1 ) i 程计算法 通过考虑作用在变形区内的包括摩擦力的外力平衡,工程法可以确定接触弧上 的压力分布在实际应用中这种分析方法是受限制的,特别是在热轧中,这是因 为在热轧中材料的不均匀变形 塑性平面应交问题的工程近似计算法归结于在一定的应力或边界条件下联解 近似微分平衡方程和近似屈服条件。工程近似计算法的精度取决于f 4 】:实际问题与 平面应变或轴对称问题接近的程度;接触面积与自由面( 或非接触) 表面积的比值 ( 即坯料的厚薄) ,比值愈大,近似微分平衡方程误差愈小;单位摩擦力是否正确确 定;坐标轴与主轴接近程度。 2 ) 上界法 上界法能预测轧制力。其结果至少等于或大于实际产生金属流动所需的轧制 力。通过假定因剪切力引起的内能耗与外力作用做的功相等来计算轧制力这种 方法建立起轧制力和轧制变形区几何条件之间的关系。特别是应用在热轧中,满 足这种关系是很必要的。 上界法的理论基础是虚功原理和最大塑性功原理,其优点是该法适用面广,数 学运算比较简单,加上其解对工程来说比较安全,所以近年来研究应用较多。然 而,上界法的应用是建立在对变形体提出合适的运动许可速度场( 即满足速度边界 1 6 重庆大学硕士学位论文3 轧制力的计算 条件和体积约束条件的速度场) 的基础上,而在塑性成形过程中,变形体内部只存 在有限个动可容速度场,变形过程越复杂,建立动可容速度场越加困难,同时, 该法不能计算变形体内的应力分布,故上界法只有在求解边界条件相对简单的塑 性成形问题时才能显示出优越性 3 ) 滑移线场法 该法是一种精细化的上界法,这种方法采用了建立相互正交的直线或曲线簇的 技术。直线或曲线对应于剪切时材料的屈服应力的方向。根据变形体内部各点最 大剪应力轨
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