轧制力测试系统的设计

轧制力测试系统设计,一、轧制力测试系统设计的选择原则二、轧制力测量2.1、应力测量法2.2、传感器测量法,一、轧制力测试系统设计的选择原则,1、灵敏度原则上测试系统灵敏度应尽可能高，在设计灵敏度的同时，应特别注意与被测信号无关的外界噪声的侵入，因此，要求测试系统的信噪比越大越好。灵敏度愈高，测量范围御窄，稳定性也愈差。2、精确度精确度表示测试系统所获得的测量结果与真值的一致程度，并放映了测试系统中误差的综合。精确度愈高，测量结果中所包含的系统误差和随机误差愈小，同时考虑经济性选择同等精度的一起来组成所需的测试系统。3、响应特性测试系统响应特性必须在所测频率范围内，努力保持不失真，要求延迟越短越好，同时考虑被测量变化的特点。,4、线性范围在线性范围内输出与输入呈线性关系，线性范围愈宽表明测试系统的有效量程愈大，一般要求在现行范围内工作。5、稳定性稳定性表示在规定的条件下，测试系统的输出特性随时间的推移而保持不变的能力，硬性稳定新的因素是时间、环境和测试仪器的器件状况。6、测量方式测试系统的测量方式不同，诸如接触式和非接触式测量，在线测量和非在线测量等不同测量方式，对测试系统的要求也不同,二、轧制力测量目前，测量轧制力的方法有两种:应力测量法和传感器测量法，应力测量法利用设备本身受力部件的应变来完成轧制的测量，传感器测量法利用专门的传感器放在适当的位置测轧制力。2.1应力测量法2.1.1轧制牌坊贴片测量轧制时轧件作用在轧辊上的力，通过轧辊辊颈、轴承座、压下螺丝和螺母以及横梁等传递给牌坊立柱，使之产生弹性变形。在弹性变形范围内，轧机牌坊立柱产生的应力同它所承受的轧制力呈线性关系。因此，只要测出牌坊立柱的应力就可推算出轧制力。,根据理论分析可知，轧制时牌坊立柱同时承受拉应力1和弯曲应力2的联合作用，其应力分布如图1所示。由图可见，最大应力max发生在牌坊立柱的内侧表面上，其值为拉应力1与弯曲应力2之和：max=1+2最小应力min发生在牌坊丽珠的外侧表面上，其值为拉应力1和弯曲应力2之差：min=1-2而在牌坊立柱的中性面cc上，弯曲应力2等于零，只有轧制力引起的拉应力1。因此，如果把应变片粘贴在立柱的中性面cc上，即可测出拉应力一1。当立柱的横截面积为F时，则立柱所受的拉力P柱=1F一扇牌坊承受的拉力P牌=21F总轧制力P=P传牌+P操脾式中P传牌为传动侧牌坊的轧制力；P操牌为操作侧牌坊的轧制力。,图1轧机牌坊立柱的应力分布及应变片,2.1.1应变拉杆法测量由于牌坊安全系数大，应力水平低，因此，为了提高测量精度，可采用应变拉杆法测量，在牌坊立柱中性面上焊两个支座，在两者之将固定三短粗拉杆，期间用一根细拉杆（有效长度为l，其上沾贴应变片，组成电桥）相连，当粗拉杆远远大于细拉杆时，可认为粗拉杆不发生变形，而牌坊立柱长度为L内的变形主要集中在细拉杆上，其应力杆为杆=柱L/l由上式可见，细小拉杆应力杆比立柱应力柱大L/l倍。优点：拉杆加工、安装和更换标定都比较方便，不易受到损伤。当立柱截面形状不复杂时，用这种方法测量的轧制力还是可靠的。缺点：若立柱截面形状不规则，中性面不易找准，由于各种因素影响，四根立柱受力情况不尽相同，引起较大误差。实验表明，用拉杆法和贴片法测出的轧制力误差，最大可达8%10%.,2.2传感器测量法在轧机中的测力传感器称为压头。它易于更换和标定。但在轧钢机中，安装传感器的高度受到限制，因此对传感器有严格限制，在压下螺钉下面还要考虑螺钉旋转和偏心力。测力传感器有很多，按其测量原理可分为三大类：电容式、压磁式和电阻应变式。2.2.1电容式传感器电容式传感器是把被测量转换为电容量变化的一种传感器。电容传感器的基本原理：由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器,如果不考虑边缘效应,其电容量为：,式中:电容极板间介质的介电常数,=0r,其中0为真空介电常数,r为极板间介质相对介电常数;A两平行板所覆盖的面积;d两平行板之间的距离。当被测参数变化使得上式中的A,d或发生变化时,电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变,而仅改变其中一个参数,就可把该参数的变化转换为电容量的变化,通过测量电路就可转换为电量输出。电容传感器的分类：变间隙式，变面积式，变介电常数式。图2-1给出几种常见的电容传感器。下面分别介绍这几种传感器的结构原理及输出特性。,图2-1几种不同电容传感器的示意图,1、变间隙式电容传感器图22为变间距型电容式传感器的原理图。当传感器的r和A为常数,初始极距为d0时,可知其初始电容量C0为：若电容器极板间距离由初始值d0缩小d,电容量增大C,则有：由上式可知,传感器的输出特性C=f(d)不是线性关系,而是双曲线关系。当dd时有，,图2-2变间隙式电容传感器示意图,则：或：,2、变面积式电容传感器1.直线位移型电容式传感器图2-3左图所示为一直线位移型电容式传感器的原理图。当被测量的变化引起动极板移动距离x时，覆盖面积S就发生变化，电容量C也随之改变，其值为：,图2-3变面积型电容传感器原理图,2.角位移型电容式传感器图2-3右图为角位移型电容式传感器的原理图。当被测量的变化引起动极板有一角位移时，两极板间相互覆盖的面积就改变了，从而也就改变了两极板间的电容量C，此时电容值为,3、变介电常数式电容传感器当电容式传感器中的电介质改变时，其介电常数变化，从而引起了电容量发生变化。此类传感器的结构形式有很多种，图2-4为介质面积变化的电容式传感器。这种传感器可用来测量物位或液位，也可测量位移。由图中可以看出，此时传感器的电容量为:其中：式中b为极板的另一边长。,图2-4介质面积变化的电容传感器,设极板间无介质时的电容量为:当介质插入两极板间时，则有:,2.2.2压磁式传感器压磁式传感器的工作原理图解压磁式(又称磁弹式)传感器是一种力电转换传感器。其基本原理是利用某些铁磁材料的压磁效应。1.压磁效应在磁化过程中，各磁畴间的界限发生移动，因而产生机械变形，这种现象称为磁致伸缩效应。铁磁材料在外力作用下，内部发生变形，使各磁畴之间的界限发生移动，使磁畴磁化强度矢量转动，从而也使材料的磁化强度发生相应的变化。这种应力使铁磁材料的磁性质发生变化的现象称为压磁效应。2.压磁式传感器工作原理在压磁材料的中间部分开有四个对称的小孔1、2、3和4，在孔1、2间绕有激励绕组N12，孔3、4间绕有输出绕组N34。当激励绕组中通过交流电流时，铁心中就会产生磁场。若把孔间空间分成A、B、C、D四个区域，在无外力作用的情况下，A、B、C、D四个区域的磁导率是相同的。这时合成磁场强度H平行与输出绕组的平面，磁力线不与输出绕组交链，N34不产生感应电动势，如图b所示。,在压力F作用下，如图c所示，A、B区域将受到一定的应力，而C、D区域基本处于自由状态，于是A、B区域的磁导率下降、磁阻增大，C、D区域的磁导率基本不变。这样激励绕组所产生的磁力线将重新分布，部分磁力线绕过C、D区域闭合，于是合成磁场H不再与N34平面平行，一部分磁力线与N34交链而产生感应电动势e。F值越大，与N34交链的磁通越多，e值越大。,3.压磁元件压磁式传感器的核心是压磁元件，它实际上是一个力-电转换元件。压磁元件常用的材料有硅钢片、坡莫合金和一些铁氧体。最常用的材料是硅钢片。为了减小涡流损耗，压磁元件的铁心大都采用薄片的铁磁材料叠合而成。,2.2.3电阻应变式传感器设计1.轧制力传感器结构设计（1）确定传感器的安装位置传感器在轧机上的安装位置有三处可供选择：压下螺钉与上轴承座之间。上述三种安装位置各有利弊，应根据轧机具体情况选择。从测定工作方便出发，传感器多安装在第一种位置上。尤其是短期临时测量，更是如此。生产长期监测则用第二种。（2）确定传感器的结构和外形尺寸（高度和宽度）传感器的具体结构形式依轧机类型和工作环境而定。传感器的总高度应小于压下螺钉上台极限位置到上辊轴承左上表面之间的距离。（3）传感器的防护轧机环境十分恶劣，有水有蒸汽，故其防护密封设计重要。经常外壳设计的有多个台阶或凹槽，并倒扣在地板上，为防止水进入球垫，有时球垫设计成倒装式。目前国内常用的防转式有链槽式和宝塔式。2.弹性元件设计（1）对弹性元件的要求线性好，过载能力强，还要求热膨胀系数、弹性模量的温度系数小，保证传感器温漂和特性温漂小。,（2）弹性元件的材料选择和加工在选择弹性元件的材料时，应考虑以下问题。轧制力大小若不大则可选中碳钢，若很大一般选优质合金钢、合金结构钢以及弹簧钢等，以取较大的加载应力，提高传感器灵敏度，减小弹性滞后，对永久性传感器，还要考虑疲劳寿命和淬透性，一般选弹簧钢。输出信号大小常以传感器电压输出灵敏度S（Mv/V）为设计出发点，S一旦确定，弹性元件满负荷应变也就确定。以S计算应变见式：=（4S）/KA弹性元件的几何形状选择原则是保证其横截面上应力分布均匀和机械加工容易。常见形状有圆筒形、圆柱形、方柱形、以及双曲面形等，在轧机测定时时采用圆筒形。弹性元件的几何尺寸对圆柱形及圆筒形元件，其主要尺寸为直径和高度。弹性元件面积弹性元件断面积根据承受的额定压力确定：=E式中，E为弹性元件的天性模量。,弹性元件面积：F=PN/PN为弹性元件的额定载荷。对于圆柱形弹性元件，其直径为：D2=1.13对于圆筒形弹性元件，外径应小于或等于压下螺钉端头直径，其内径为d式中：D-弹性元件外径d-弹性元件内径PN-轧机一扇牌坊承受的额定轧制力，在选用弹性元件材料须用应力时，考虑因素：a.弹性元件线性好，并有较高的灵敏度，b.传感器可承受400%的瞬时过载量，c.疲劳强度，d.应变片和粘结剂的屈服强度比合金钢小得多,弹性元件高度弹性元件高度按下式选取：对于圆柱体，取H2D+l对于圆筒体，取HD-d+l式中l-应变片基长对轧机而言，为保证精度，多采用圆筒形弹性元件，以增大其名义高度，改善其特性，对于大吨位传感器，有时采用组合式传感器。3.贴片组桥设计圆筒或圆柱弹性元件的传感器一般为补偿温漂且增大输出，可采用四片应变片组成两横两竖的全桥，实现温度自补偿，最大桥臂系数2.6，直径最大是可以贴片，并将对面同方向贴片接到统一峭壁里，可抵消受力不均。,2.2.4剪切式传感器设计剪切式传感器型式有赵元坡圆筒垛口式、轮辐式等，目前多用轮辐式传感器，其优点是高度低、线性好、精度高、抗偏心和侧向力等，缺点是纵向刚度低（不宜在冷轧机上使用）和外径大。(1)轮辐式传感器结构原理这种传感器有四个矩形轮辐，中心轮毂的下端悬空，外力作用在中心柱的上端面，周边的轮毂坐在下端面承受反力。把应变片贴在与轮辐中性面成45方向上，已测出拉应变或压应变，进而换算出剪应力。（2）尺寸设计轮毂和轮箍轮毂和轮箍的刚度应足够大，以减少轮辐挠度。轮毂直径应小于或等于轧机压下螺钉端头直径。轮辐尺寸轧机用传感器应有足够刚度，故安强度设计。a.轮辐断面尺寸，按剪切强度计算bh1.87PN/s式中：b-轮辐宽度，h-轮辐高度,b.轮辐长度在保证能贴下应变片的情况下，轮辐长度应尽可能小，以保证轮辐承受春剪切作用。c.轮毂下端间隙起过载保护作用，按经验选取，一般取1mm左右。（3）电气设计应变片站贴在轮辐中部的两侧与中性面成45方向位置上，各贴一枚受拉和受压应变片，以测量与剪应力对应的正应力。为消除偏心载荷的影响，每对轮辐的受拉片与对面受拉片串联组成一臂，受压片与对面受压片串联组成另一臂，一般最少贴8片。,2.2.5圆板式压力传感器承载气体或液体均布压力的圆薄板传感器，原版周边被固定，在压力作用下，成静不定力系，薄膜板适合测量流体压力，厚弹性原版模式可以作为超低高度轧制力传感器。圆薄板在均布压力p下，个点径向力r和切向力用下式表示：r=3p/8（1+）R-(3+)x=3p/8h（1+）R-(3+)x式中h-圆板厚度R-圆板半径-圆版材料的泊松比x-离圆心的径向距离圆板内任一点的应变值可按下式计算r=3p/8hE（1-）（R-3x）=3p/8hE（1-）（R-x）E为圆板弹性模量在应变分布图中，且应变全为正，中间最大，径向应变沿圆周分布，有正有负，贴片时选径向应变为负的半径处，这里r过零转为负，贴片在中心，周向应变承受最大应变，周边贴径向片承受压应力。,2.2.6传感器的标定和精度检验所谓标定，是用已知的一系列标准载荷作用在传感器上，以便确定标准载荷与输出信号之间的关系，以此关系来换算传感器所承受的静态未知载荷。1.标定方法和标定注意事项首先，将传感器在零载和满载之间反复加载几次，然后用直流电表等做正式标定记录。标定时，载荷自零逐级加到满载，以及对应的电流，至少重复三次，取其平均值，最后，根据数据作出传感器标定曲线。注意事项：（1）传感器的加载条件力求和实测条件一致。（2）仪器工作状态力求和实测时相同，（3）加载方法记录前反复加载、卸载35次