第8章 轧制力与张力测量

1、第8章 轧制力与张力测量8.1 轧制力测量轧制力测量 轧制设备的主要力能参数包括轧制力、扭矩等，由于理论公式与实际轧制设备的主要力能参数包括轧制力、扭矩等，由于理论公式与实际条件有很大出入，因此，目前确定轧制力的最可靠方法还是针对各种轧条件有很大出入，因此，目前确定轧制力的最可靠方法还是针对各种轧机进行实际测量。机进行实际测量。 轧制力的测量方法有两种：应力测量法和传感器测量法。轧制力的测量方法有两种：应力测量法和传感器测量法。一、一、 应力测量法应力测量法 轧制时，测量轧机牌坊立柱产生弹性变形的应变，就可推算出轧轧制时，测量轧机牌坊立柱产生弹性变形的应变，就可推算出轧制力。制力。 这种方法适

2、用于下列情况：这种方法适用于下列情况： (1)(1)轧制力特别大轧制力特别大( (几千吨几千吨) )，不便于制作大型传感器；，不便于制作大型传感器； (2)(2)轧机窗口无足够空间安装传感器；轧机窗口无足够空间安装传感器； (3)(3)轧机牌坊立柱的横截面形状简单轧机牌坊立柱的横截面形状简单( (如工字形、矩形等如工字形、矩形等) )。 确定立柱中性面后，电阻应变确定立柱中性面后，电阻应变片可用半桥或全桥接线。图片可用半桥或全桥接线。图8-28-2所所示为牌坊立柱上的布片及组成全桥示为牌坊立柱上的布片及组成全桥的方式。的方式。 图图8-1 8-1 轧机工作机架受力分析简图轧机工作机架受力分析简

3、图a a一轧制力对机架的传递示意图；一轧制力对机架的传递示意图；b b一牌坊立柱截面应力分布简图一牌坊立柱截面应力分布简图图图8-2 机架立柱上的布片及组桥机架立柱上的布片及组桥二、传感器测量法二、传感器测量法 测力传感器的种类很多，按其测量原理可分为三大类：电容式、压磁式测力传感器的种类很多，按其测量原理可分为三大类：电容式、压磁式和电阻应变式和电阻应变式1.1.电阻应变式测力传感器电阻应变式测力传感器 它是轧制生产和科学实验中广泛使用的传感器，主要由弹性元件、应变片、它是轧制生产和科学实验中广泛使用的传感器，主要由弹性元件、应变片、测量电路以及外壳等组成。测量电路以及外壳等组成。按照变形方

4、式，电阻应变式传感器可分为：压缩式、剪切式和弯曲式三种，其按照变形方式，电阻应变式传感器可分为：压缩式、剪切式和弯曲式三种，其中使用最多的是压缩式传感器，其弹性元件有柱形和环形中使用最多的是压缩式传感器，其弹性元件有柱形和环形( (筒形筒形) )等。等。图图8-3 8-3 柱形弹性元件的贴片及接线图柱形弹性元件的贴片及接线图a-a-布片图；布片图；b-b-半桥接线图；半桥接线图；c-c-全桥接线图全桥接线图电桥的输出信号以应变量来表示电桥的输出信号以应变量来表示PEFKUkUu0002141 测力传感器的结构设计测力传感器的结构设计电阻应变式测力传感器主要由弹性元件和应变片组成的电桥构成。为了

5、使电阻应变式测力传感器主要由弹性元件和应变片组成的电桥构成。为了使传感器可靠地工作，还应有加载、支撑和固定装置，外壳传感器可靠地工作，还应有加载、支撑和固定装置，外壳( (包括上盖、底盘包括上盖、底盘和球面垫和球面垫) )和密封装置以及引线装置等。和密封装置以及引线装置等。图图8-4 一般传感器的典型结构型式一般传感器的典型结构型式球面垫球面垫1球面垫球面垫2、上盖、上盖3和底和底盘盘11弹性元件弹性元件5倒置的碗状上倒置的碗状上盖盖3。o形橡胶密封圈形橡胶密封圈7和和8 。 特制波纹管特制波纹管6销钉销钉4。2.2.传感器的标定传感器的标定 在正式测定之前。通常是在材料试验机或专用压力机上对

6、传感器进行标在正式测定之前。通常是在材料试验机或专用压力机上对传感器进行标定。所谓标定，是用已知的一系列标准载荷定。所谓标定，是用已知的一系列标准载荷( (输入量输入量) )作用在传感器上，以便作用在传感器上，以便确定出传感器输出量确定出传感器输出量( (仪表读数或示波图形高度仪表读数或示波图形高度) )与输入量之间的对应关系，与输入量之间的对应关系，反过来依此关系来确定传感器所承受的未知载荷大小。输出量与输入量的对反过来依此关系来确定传感器所承受的未知载荷大小。输出量与输入量的对应关系常以曲线或数学式来表示，前者称为标定曲线，后者称为标定方程。应关系常以曲线或数学式来表示，前者称为标定曲线，

7、后者称为标定方程。对于输出量与输入量之间成比例关系的，则以一常数来表示，称为标定系数。对于输出量与输入量之间成比例关系的，则以一常数来表示，称为标定系数。因此，标定也就是确定标定曲线、标定方程和标定常数的过程。因此，标定也就是确定标定曲线、标定方程和标定常数的过程。 静态标定静态标定 (1)(1)标定步骤。标定步骤。 1)1)将要标定的传感器安装在标定装置将要标定的传感器安装在标定装置( (如材料试验机如材料试验机) )上。接入测量装置上。接入测量装置调其平衡，使初始读数为零或打出零线。调其平衡，使初始读数为零或打出零线。 2)2)开始标定时，首先应在零载和满载开始标定时，首先应在零载和满载(

8、 (额定载荷额定载荷) )之间反复加载、卸载数之间反复加载、卸载数次次( (至少三次至少三次) )，以消除传感器各部件之间的间隙和滞后，改善其线性。，以消除传感器各部件之间的间隙和滞后，改善其线性。 3)3)根据传感器的量程分级加载，一般分为六根据传感器的量程分级加载，一般分为六- -十级，然后从零载开始逐级十级，然后从零载开始逐级加载至额定裁荷为止，记录下各级载荷量加载至额定裁荷为止，记录下各级载荷量P Pi i以及与其对应的输出值以及与其对应的输出值( (示波图形示波图形高度高度h hi i或应变量或应变量i i).).接着按同样的级差卸载，并再次记录接着按同样的级差卸载，并再次记录( (

9、图图8-5a)8-5a)。如此重。如此重复三复三五次，求出各级标定载荷五次，求出各级标定载荷P Pi i所对应的平均输出值作为标定数据。所对应的平均输出值作为标定数据。4)4)根据所得到的标定数据，绘出标定曲线根据所得到的标定数据，绘出标定曲线5)5)根据标定数据或标定曲线确定标定方程根据标定数据或标定曲线确定标定方程6)6)估算标定误差估算标定误差(A(A值的标淮误差值的标淮误差) )图图8-5 8-5 传感器的标定示波图传感器的标定示波图(a)(a)和标定曲线和标定曲线(b)(b) (2)(2)标定时的注意事项标定时的注意事项1)1)在传感器标定之前和之后，应该打电标定在传感器标定之前和之

10、后，应该打电标定2)2)传感器的标定条件力求和实测条件一致传感器的标定条件力求和实测条件一致3)3)仪器工作状态力求和标定时相同。仪器工作状态力求和标定时相同。4)4)加载方法。正式记录前应反复加载加载方法。正式记录前应反复加载( (至额定载荷至额定载荷) )、卸载、卸载3535次。次。5 5）在相同在相同环境和加载条件下，将传感器旋转几个角度，以测量其重复性。环境和加载条件下，将传感器旋转几个角度，以测量其重复性。3.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

11、：dAc 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。 变间隙式电容传感器 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

12、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d d时有，0100dAc2020000001)(1)1 (ddddcdddAcccr1)(12dd 则： 或：)1(00ddCCCddCC04. 压磁式传感器压磁式传感器 压磁式传感器的工作原理图解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

13、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、

14、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。压磁式传感器结构 由压磁元件1、弹性支架2、传力钢球3组成。 （3） 压磁元件压磁元件 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。冲片形状 张力测量首先是通过张力辊和导向辊将张力转换成对张力辊的

15、压力，张力测量首先是通过张力辊和导向辊将张力转换成对张力辊的压力，然后由张力传感器测出，最后按力三角形计算出张力大小。然后由张力传感器测出，最后按力三角形计算出张力大小。8.28.2轧件张力测量轧件张力测量一、一、 单机座可逆式冷轧机张力测量单机座可逆式冷轧机张力测量张力测量示意图张力测量示意图张力辊受力分析张力辊受力分析1 1、一个张力传感器测量张力、一个张力传感器测量张力传感器倾斜安装传感器倾斜安装传感器垂直安装传感器垂直安装2 2、 用两个张力传感器测量张力用两个张力传感器测量张力 在张力辊在张力辊3 3左右两端轴承座下面各装一个张力传感器左右两端轴承座下面各装一个张力传感器6 6，两个

16、传感，两个传感器测得的压力分别为器测得的压力分别为Q Q左和左和Q Q右。右。张力辊受力分析之二张力辊受力分析之二两个张力传感器倾斜安装两个张力传感器倾斜安装两个张力传感器垂直安装两个张力传感器垂直安装二、二、 连轧机张力测量连轧机张力测量1 1、用三辊式张力测量装置测量张力、用三辊式张力测量装置测量张力辊式张力测量装置示意图辊式张力测量装置示意图2 、 由活套支撑器连杆转角测量张力由活套支撑器连杆转角测量张力活套支撑器受力简图活套支撑器受力简图 8.3 8.3 挤压力测量挤压力测量挤压力可以用液压法、机械法和电测法测量。液压法利用液体传递压力，按挤压力可以用液压法、机械法和电测法测量。液压法

17、利用液体传递压力，按液压表上读数算出总压力。机械法是直接用百分表读出测力传感器的微小弹液压表上读数算出总压力。机械法是直接用百分表读出测力传感器的微小弹性变形。以上两种方法只能读出挤压力的最大值，而不能显示出挤压过程中性变形。以上两种方法只能读出挤压力的最大值，而不能显示出挤压过程中的压力变化，为了研究挤压过程中的压力变化，通常采用电测法。的压力变化，为了研究挤压过程中的压力变化，通常采用电测法。1 1 应力法应力法 在挤压机立柱上直接粘贴应变片，组成电桥测量在挤压机立柱上直接粘贴应变片，组成电桥测量 图图5-48 5-48 用传感器法测量挤压力示意图用传感器法测量挤压力示意图1-1-模座；模座；2 2，9-9-传感器；传感器；3-3-挤压模；挤压模；4-4-挤压筒；挤压筒；5-5-挤压垫；挤压垫；6-6-挤压杆；挤压杆；7-7-锥形环；锥形环；8-8-活塞活塞2 2 传感器法测量传感器法测量8.4 8.4 拉拔力测量拉拔力测量一、一、 管棒型线材的拉拨力测量管棒型线材的拉拨力测量1 1 应力法应力法