CN106890857B - 一种精确测试冷轧管机轧制过程中轧制力与轴向力的方法 - Google Patents
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Abstract
一种精确测试冷轧管机轧制过程中轧制力与轴向力的方法，其使用专用测试装置配套轧管机，对被轧制加工的芯棒(1)进行轧制力与轴向力测试；专用测试装置构成如下：芯棒轴向力测试传感器(5)、轧制管坯轴向力测试传感器(6)、轧制力测试传感器(7)、信号采集装置；测试方法是：在轧制过程中分别采集芯棒(1)与管坯(2)沿管坯轴向所受到的力，据此测得芯棒轴向力测试传感器(5)和轧制管坯轴向力测试传感器(6)的信号；同时采集轧管机的轧辊(3)沿管坯径向所受到的力，据此测得芯棒轴向力测试传感器(7)的信号。之后分析计算得到待测的冷轧管机轧制过程中的轧制力与轴向力。本发明可操作性强，技术效果优良，工程应用前景巨大。
Description
技术领域
本发明涉及皮尔格冷轧管机以及其它类型和型号冷轧管机在工作过程中轧辊所受的轧制力以及管坯和芯棒所受的轴向力的精确实时测试的应用技术领域，特别提供了一种精确测试冷轧管机轧制过程中轧制力与轴向力的方法。
背景技术
现有技术中，管材冷轧(Cold Rolling)是一种常见的管材成型工艺，相比于拉拔工艺，通过轧制工艺获得的管材成品具有更高的尺寸精度、力学性能以及组织均匀性。
皮尔格冷轧(Cold Pilger Rolling)是一种成品率高，道次变形量大，尺寸控制精度高的金属冷变形成型工艺，被世界各国广泛应用于难变形金属 (如钛合金、锆合金等)的管材轧制，以及被用于生产精密管材。皮尔格轧制的主要变形过程由轧辊(包括双轧辊或三轧辊)、轧辊之间的管坯以及穿过管坯的芯棒完成，双辊型皮尔格冷轧管机的单个轧制周期示意图如图 1-图5所示。在单个轧制周期的正行程中，上下轧辊相对管坯与芯棒由后死点向前死点运动，使管坯发生减壁与减径；当轧辊到达前死点时，管坯与芯棒同时旋转一定角度，随后上下轧辊相对管坯与芯棒由前死点向后死点运动，完成一个周期内管坯的均匀减壁与减径；当轧辊回到后死点时，管坯与芯棒同时沿先前的旋转方向再次旋转，同时管坯向前送进，进行下一个周期的皮尔格轧制。
轧制力由所有作用于几何变形区的正应力和摩擦剪应力的积分得到，其方向可由作用于轧件上的所有力的平衡确定。在实际生产中，常把合力的垂直分量称为“轧制力”，合力的水平分量称为“轴向力”。双辊型皮尔格冷轧管机为对称轧制，即上下两个轧辊转速相等且直径相等，上下轧制力相对于轧制线呈径向对称。在轧制过程中，轧制力与轴向力是随时间变化的，正反行程的轧制力与轴向力也是有区别；同时，不同轧辊孔型、轧制送进量和车速下，轧制力与轴向力的分布和变化趋势也有很大区别。轧制力与轴向力的分布和变化趋势直接影响管材轧制的成品率，同时也影响成品管材的显微组织与力学性能，因此，分析轧制过程轧制力与轴向力对于该工艺意义重大。目前，国内外对于皮尔格冷轧管材过程中轧制力与轴向力的测试主要有模拟仿真和实测两种方法，模拟仿真轧制力与轴向力的方法已经趋于成熟，但缺乏实测结果进行验证。国际上目前尚无公开发表的轧制力与轴向力实测方法，因此，本专利提出的测试方法在国内外具有技术前沿性，同时能够精确测试双辊型皮尔格冷轧管机以及其它类型和型号轧机在轧制过程中轧制力与轴向力的变化趋势，进而为轧制工艺提供重要的理论指导，具有工程意义。
人们迫切希望获得一种技术效果优良的精确测试冷轧管机轧制过程中轧制力与轴向力的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种技术效果优良的精确测试冷轧管机轧制过程中轧制力与轴向力的方法。
本发明提供了一种精确测试冷轧管机轧制过程中轧制力与轴向力的方法，其特征在于：其使用专用测试装置配套轧管机，对通过送料小车4带动进行初始驱动，且布置在管坯2中并使用轧管机的轧辊3进行轧制加工的芯棒1进行轧制力与轴向力测试；
所述专用测试装置构成如下：芯棒轴向力测试传感器5一件、轧制管坯轴向力测试传感器6一件、轧制力测试传感器7两件、信号采集装置1 套(含信号采集芯片、信号采集软件和传感器标定程序的台式电脑)；其中：信号采集装置分别连接着芯棒轴向力测试传感器5、轧制管坯轴向力测试传感器6、轧制力测试传感器7；芯棒轴向力测试传感器5布置在芯棒1上的送料小车4的远离轧制加工端的一侧某处；轧制管坯轴向力测试传感器6 布置在送料小车4的靠近轧制加工端的一侧，且轧制管坯轴向力测试传感器6同时布置在管坯2的远离轧制加工端的一侧近端部；轧制力测试传感器7布置在轧管机的轧辊3外部垂直于芯棒1轴线的轧制加工区所在竖直平面内；
图15为轧管机沿管坯轴向方向观察的示意图，图中展示了两件轧制力测试传感器的安装位置。轧制力测试传感器采集管坯径向(图15中的竖直方向)所受压力，当轧机在空载情况下，将轧制力传感器安装在轧管机机架的图示位置(将传感器放置于按照传感器尺寸加工好的槽体内，并露出承力面)，并进行清零；当轧机工作时，轧辊3所受到的沿管坯径向(图15 中的竖直方向)的力值会传递至两件轧制力传感器，两件轧制力测试传感器所测得力值之和即轧制力。根据轧管机的具体型号，轧制力传感器的安装位置以及数目可实现灵活调整，调整的前提是所有轧制力测试传感器测得力值之和须等于轧辊3实际所受轧制力。
所述精确测试冷轧管机轧制过程中轧制力与轴向力的方法的具体要求是：在轧制过程中分别采集芯棒1与管坯2沿轴向(图2中的水平方向) 所受到的力，据此测得芯棒轴向力测试传感器5和轧制管坯轴向力测试传感器6的信号；
轧制力测试传感器7两件采集轧制过程中轧辊3所受轧制力(即图6 中的轧制力测试传感器7测得的竖直方向的力)；
信号采集装置中包含有与传感器相匹配的信号采集软件功能模块和传感器力值标定模块；在芯棒轴向力测试传感器5、轧制管坯轴向力测试传感器6、轧制力测试传感器7采集到足够多的信号并对应保存之后，使用人工或者程序分析的方式计算得到待测的冷轧管机轧制过程中轧制力与轴向力。
所述精确测试冷轧管机轧制过程中轧制力与轴向力的方法，优选还要求保护下述内容：
轧制力测试传感器7以及管坯轴向力测试传感器6以嵌套方式进行安装；
轧制力测试传感器放置于按照传感器尺寸加工好的槽体内，具体安装示意图如图6、图15；
管坯轴向力测试传感器一端通过套筒与管坯末端进行嵌套，另一端与送料小车进行嵌套，具体安装示意图如图13。
芯棒轴向力测试传感器5与芯棒1之间以螺纹连接的方式进行安装，亦即芯棒轴向力测试传感器5布置在螺母状基体上且该螺母状基体通过螺纹连接结构固定布置在芯棒1上预设段的外螺纹区段上；
轧制力由所有作用于几何变形区的正应力和摩擦剪应力的积分得到，其方向由作用于轧件上的所有力的平衡确定。
在实际生产中，有时也把合力的垂直分量称为“轧制力”，水平分量成为“轴向力”。
所述精确测试冷轧管机轧制过程中轧制力与轴向力的方法中，被测轧管机必须符合GB50386-2006轧机机械设备工程安装验收规范；
所述精确测试冷轧管机轧制过程中轧制力与轴向力的方法实施之前，要求按照力学传感器设计图(图7～14)加工轧制力与轴向力测试传感器，传感器的外形尺寸根据不同轧机类型和型号进行灵活调整；所使用的传感器为电阻式传感器，成品须符合GB/T 15478-1995压力传感器性能试验方法所规定验收标准，另外传感器的测试精度至少应达到所测轧制力峰值的 0.001％；
所述精确测试冷轧管机轧制过程中轧制力与轴向力的方法实施过程依次如下：
一、首先要求对轧制力与轴向力测试传感器进行静态标定，具体操作步骤如下：
(1)将力学传感器放置于标准力学试验机上，并将传感器连接至信号采集装置；
(2)打开台式电脑中的传感器标定程序，采集力学传感器的实时读数；
(3)启动标准力学试验机，对力学传感器的受力面施加标准载荷；
(4)通过传感器标定程序设定力学传感器的读数，使传感器力学读数与标准力学试验机施加的标准载荷相同；
(5)以相同步骤，分别对力学传感器的量程内多个点进行标定，最终获得能够精确测得载荷大小的力学传感器；
二、之后，在皮尔格冷轧管机上进行设备安装与力学测试，具体操作步骤和相关内容如下：
(1)根据装配图纸将轧制力测试传感器安装在含有轧制力传感器放置槽的T型台中，并在力学传感器周围缠绕适量生料带，以防止轧机工作时传感器发生震动；在T型台上固定传感器数据线，以防止轧辊运动过程中发生绕线；
(2)调整斜铁，使轧辊两边齿条-齿轮间隙、上下轧辊间隙以及T型台周边间隙相等；
(3)根据装配图纸将两段芯棒与轴向力测试传感器进行螺纹连接，并使用软绳限制传感器电刷套；
(4)根据装配图纸将管坯轴向力测试传感器安装在管坯尾端与送料小车之间，并用软绳限制传感器电刷套；
(5)将芯棒轴向力测试传感器、两件轧制力测试传感器以及管坯轴向力测试传感器分别连接至信号采集装置；
(6)设置信号采集装置参数并启动装置，开始采集分别来自于四件传感器所测得的轧制力与轴向力数据；
(7)设置轧机参数并启动轧机；
(8)停止轧机；
(9)停止采集轧制力与轴向力数据，进行数据保存；
进行管材轧制的受力分析：
轧制力由所有作用于几何变形区的正应力和摩擦剪应力的积分得到，其方向由作用于轧件上的所有力的平衡确定；在实际生产中，常把合力(包括正压力和摩擦力)的垂直分量称为“轧制力”，水平分量成为“轴向力”；
对于对称轧制，上、下两个轧辊转速相等且直径相等，其轧制示意图以及受力分析如图18所示；上、下轧制力相对于轧制线呈镜像对称，力的平衡公式为:
垂直方向：
Fv oben-Fv unten＝0 (式1)
水平方向：
Fh oben+Fh unten+(Z0-Z1)＝0 (式2)
2Fh+(Z0-Z1)＝0 (式3)
2Fh＝Z1-Z0 (式4)
轧制力相对于垂直线的倾角为：
轧制力的计算公式为：
F＝Ad|σz|dA (式6)
以上各式中，F为作用于几何变形区的合力，Fv为正压力和摩擦力的合力在竖直方向的分力，即轧制力；Fh为正压力和摩擦力的合力在水平方向的分力，即轴向力；Z0和Z1分别为管坯受到的水平方向的拉力，σz为轧辊单位面积所受应力，A为轧辊与管材的接触面积；Fv oben为上轧辊与管坯作用产生的轧制力，Fv unten为下轧辊与管坯作用产生的轧制力，Fh oben为上轧辊与管坯作用产生的轴向力，Fh unten为下轧辊与管坯作用产生的轴向力，Z0为管坯受到的沿水平方向向左的拉力，Z1为管坯受到的沿水平方向向右的拉力，Z0-Z1为管坯受到沿水平方向拉力的合力；
依据轧制力测试传感器的工作原理，由于轧制力与轴向力测试传感器均为电阻式传感器，均主要依靠其内部的电阻应变片完成力学信号与电信号的转化；电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即：导体产生机械变形(这里指拉伸或压缩)时，它的电阻值也发生相应变化；
金属电阻丝的电阻用下列公式表达：
式中，R为电阻值，ρ为该金属的电阻率，L为金属电阻丝长度，S为其横截面积；
因为轧制力与轴向力测试传感器内部沿传感器受力方向贴有应变片，当传感器受力时，应变片随传感器一起发生机械变形，这一变形量对应着电阻值的变化，因而能够以电信号值的形式输出至信号采集装置；
在力学试验机上将传感器所受标准力值与传感器对应输出的电信号值进行一一匹配，即能够完成电信号值向力学读数值的转化；
在获得轧制力测试传感器与轴向力传感器的读数值后，采用下述方法进行数据处理：数据输出格式为文本文档(.txt)，文件内容中每一横行以时刻为起始，随后依次为该时刻下所测得芯棒轴向力、轧制力1、轧制力2 以及管坯轴向力，每个结果之间以若干空格隔开；示例如下：
进行数据处理时，直接使用相应文本编辑软件打开txt文件，生成表格数据，示例如下：
| 2016-6-20下午03:29:44.001 | -0.085 | 0.051 | -0.033 | -0.014 |
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然后以时间刻度为自变量，芯棒轴向力、轧制力1、轧制力2以及管坯轴向力为因变量绘制曲线，即能够得到轧制力与轴向力随时间变化的谱图。
轧制力与管坯轴向力测试传感器6的最大测力量程能够实现调整，以满足不同管坯材料、不同轧机型号以及不同轧制参数下的测试需求；以上的芯棒轴向力测试传感器5一件、轧制管坯轴向力测试传感器6一件、轧制力测试传感器7两件共4件传感器在工作时都与信号采集装置相连，信号采集装置中包含有与传感器相匹配的信号采集软件功能模块和传感器力值标定模块；
信号采集软件采集数据的频率能够实现调整，每秒能够采集的数据点数最大值为一万个。
该套装置可同时测量某型号轧管机在工作时轧制力、管坯所受轴向力以及芯棒所受轴向力，力值测试精度和信号采集频率可达每秒数千次，测试结果具有精确性。
本发明设计和使用的各个力学传感器在皮尔格冷轧管机上的安装位置如图6所示。其中，轧制力测试传感器以及管坯轴向力测试传感器以嵌套方式进行安装，芯棒轴向力测试传感器与芯棒之间以螺纹连接的方式进行安装。
本发明用于实时测试皮尔格冷轧管机以及其它类型和型号冷轧管机在工作过程中，轧辊所受的轧制力，以及管坯和芯棒所受的轴向力。为保证轧制力与轴向力的测试精确无误，被测轧管机必须符合GB50386-2006轧机机械设备工程安装验收规范。
本发明以皮尔格双辊轧管机为例，介绍实时测定轧制过程中轧制力、管坯所受轴向力以及芯棒所受轴向力的整套装置和测试方法，同时该方法适用于其它类型(包括非皮尔格轧管机)和型号轧管机。本发明包括轧制力测试传感器两件，芯棒轴向力测试传感器一件，管坯轴向力测试传感器一件以及信号采集装置一套(含信号采集芯片、信号采集软件和传感器标定程序的台式电脑)。该套装置可同时测量该型号轧机在工作时轧制力、管坯所受轴向力以及芯棒所受轴向力，力值测试精度和信号采集频率可达每秒数千次，测试结果具有精确性。
本发明为国内首次在工况中试验成功的、能够精确测定皮尔格双辊冷轧管机轧制力与轴向力的分布情况和变化趋势的整套装置以及测试方法，同时该方法也适用于由于其它类型(包括非皮尔格轧管机)和型号轧管机。
轧制力与轴向力直接关系到皮尔格轧制过程坯料的变形，因此轧制力与轴向力的测试结果可以指导皮尔格轧制工艺中的诸多参数，例如变形量、送进量、车速、轧辊孔型以及轧辊间隙大小等，同时对于轧制缺陷的预测、成品率的提高都有工程指导作用。技术人员在测得轧制过程中轧制力与轴向力的前提下，可以对轧制工艺的参数进行合理调整，例如调整管坯轧制送进量、轧制车速、轧辊孔型以及轧辊间隙大小等，进而在合理可控范围内极大提高轧制工艺的生产效率。例如，若实测轧制力与轴向力较理论值偏小，工程技术人员即可适当提高管坯轧制送进量、轧制车速或者每道次变形量，进而提高轧制的生产效率，同时降低成本，创造财富。
本发明可操作性强，技术效果优良；本明所提出的轧制力与轴向力测试装置安装便捷，在调试完成后单人即可对其进行操作；测试结果的数据输出格式为文本文档，可直接在Excel或Origin等软件中进行数据处理；同时，本发明提出的测试方法还适用于其它类型(包括非皮尔格轧管机)和型号轧管机，工程应用前景巨大。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为双辊型皮尔格冷轧管机的单个轧制周期示意图之一(正行程开始阶段)；
图2为双辊型皮尔格冷轧管机的单个轧制周期示意图之二(正行程中间阶段)；
图3为双辊型皮尔格冷轧管机的单个轧制周期示意图之三(正行程结束阶段)；
图4为双辊型皮尔格冷轧管机的单个轧制周期示意图之四(反行程中间阶段)；
图5为双辊型皮尔格冷轧管机的单个轧制周期示意图之五(反行程结束阶段)；
图6为轧制力与轴向力测试传感器安装位置示意图；
图7为轧制力测试传感器加工图之一：立体参考图；
图8为轧制力测试传感器加工图之二：主视图；
图9为轧制力测试传感器加工图之三：左视图；
图10为芯棒轴向力测试传感器加工图之一；
图11为芯棒轴向力测试传感器加工图之二；
图12为管坯轴向力测试传感器加工图之一：立体参考图；
图13为管坯轴向力测试传感器加工图之二：主视图；
图14为管坯轴向力测试传感器加工图之三：左视图；
图15为轧制力测试传感器安装位置示意图；
图16为Zr-4合金稳态轧制过程轧制力与轴向力随时间变化谱图；
图17为Zr-4合金稳态轧制过程单周期内轧制力与轴向力随时间变化谱图；
图18为对称轧制示意图以及受力分析图。
具体实施方式
实施例1
一种精确测试冷轧管机轧制过程中轧制力与轴向力的方法，其使用专用测试装置配套轧管机，对通过送料小车4带动进行初始驱动，且布置在管坯2中并使用轧管机的轧辊3进行轧制加工的芯棒1进行轧制力与轴向力测试；
所述专用测试装置构成如下：芯棒轴向力测试传感器5一件、轧制管坯轴向力测试传感器6一件、轧制力测试传感器7两件、信号采集装置1 套(含信号采集芯片、信号采集软件和传感器标定程序的台式电脑)；其中：信号采集装置分别连接着芯棒轴向力测试传感器5、轧制管坯轴向力测试传感器6、轧制力测试传感器7；芯棒轴向力测试传感器5布置在芯棒1上的送料小车4的远离轧制加工端的一侧某处；轧制管坯轴向力测试传感器6 布置在送料小车4的靠近轧制加工端的一侧，且轧制管坯轴向力测试传感器6同时布置在管坯2的远离轧制加工端的一侧近端部；轧制力测试传感器7布置在轧管机的轧辊3外部垂直于芯棒1轴线的轧制加工区所在竖直平面内；
图15为轧管机沿管坯轴向方向观察的示意图，图中展示了两件轧制力测试传感器的安装位置。轧制力测试传感器采集管坯径向(图15中的竖直方向)所受压力，当轧机在空载情况下，将轧制力传感器安装在轧管机机架的图示位置(将传感器放置于按照传感器尺寸加工好的槽体内，并露出承力面)，并进行清零；当轧机工作时，轧辊3所受到的沿管坯径向(图15 中的竖直方向)的力值会传递至两件轧制力传感器，两件轧制力测试传感器所测得力值之和即轧制力。根据轧管机的具体型号，轧制力传感器的安装位置以及数目可实现灵活调整，调整的前提是所有轧制力测试传感器测得力值之和须等于轧辊3实际所受轧制力。
所述精确测试冷轧管机轧制过程中轧制力与轴向力的方法的具体要求是：在轧制过程中分别采集芯棒1与管坯2沿轴向(图2中的水平方向) 所受到的力，据此测得芯棒轴向力测试传感器5和轧制管坯轴向力测试传感器6的信号；
轧制力测试传感器7两件采集轧制过程中轧辊3所受轧制力；即图6 中的轧制力测试传感器7测得的竖直方向的力；
信号采集装置中包含有与传感器相匹配的信号采集软件功能模块和传感器力值标定模块；在芯棒轴向力测试传感器5、轧制管坯轴向力测试传感器6、轧制力测试传感器7采集到足够多的信号并对应保存之后，使用人工或者程序分析的方式计算得到待测的冷轧管机轧制过程中轧制力与轴向力。
所述精确测试冷轧管机轧制过程中轧制力与轴向力的方法，还满足下述要求：
轧制力测试传感器7以及管坯轴向力测试传感器6以嵌套方式进行安装；
轧制力测试传感器放置于按照传感器尺寸加工好的槽体内，具体安装示意图如图15；
管坯轴向力测试传感器一端通过套筒与管坯末端进行嵌套，另一端与送料小车进行嵌套，具体安装示意图如图13。
芯棒轴向力测试传感器5与芯棒1之间以螺纹连接的方式进行安装，亦即芯棒轴向力测试传感器5布置在螺母状基体上且该螺母状基体通过螺纹连接结构固定布置在芯棒1上预设段的外螺纹区段上；
轧制力由所有作用于几何变形区的正应力和摩擦剪应力的积分得到，其方向由作用于轧件上的所有力的平衡确定。
在实际生产中，有时也把合力的垂直分量称为“轧制力”，水平分量成为“轴向力”。
所述精确测试冷轧管机轧制过程中轧制力与轴向力的方法中，被测轧管机必须符合GB50386-2006轧机机械设备工程安装验收规范；
所述精确测试冷轧管机轧制过程中轧制力与轴向力的方法实施之前，要求按照力学传感器设计图(图7～14)加工轧制力与轴向力测试传感器，传感器的外形尺寸根据不同轧机类型和型号进行灵活调整；所使用的传感器为电阻式传感器，成品须符合GB/T 15478-1995压力传感器性能试验方法所规定验收标准，另外传感器的测试精度至少应达到所测轧制力峰值的 0.001％；
所述精确测试冷轧管机轧制过程中轧制力与轴向力的方法实施过程依次如下：
一、首先要求对轧制力与轴向力测试传感器进行静态标定，具体操作步骤如下：
(1)将力学传感器放置于标准力学试验机上，并将传感器连接至信号采集装置；
(2)打开台式电脑中的传感器标定程序，采集力学传感器的实时读数；
(3)启动标准力学试验机，对力学传感器的受力面施加标准载荷；
(4)通过传感器标定程序设定力学传感器的读数，使传感器力学读数与标准力学试验机施加的标准载荷相同；
(5)以相同步骤，分别对力学传感器的量程内多个点进行标定，最终获得能够精确测得载荷大小的力学传感器；
二、之后，在皮尔格冷轧管机上进行设备安装与力学测试，具体操作步骤和相关内容如下：
(1)根据装配图纸将轧制力测试传感器安装在含有轧制力传感器放置槽的T型台中，并在力学传感器周围缠绕适量生料带，以防止轧机工作时传感器发生震动；在T型台上固定传感器数据线，以防止轧辊运动过程中发生绕线；
(2)调整斜铁，使轧辊两边齿条-齿轮间隙、上下轧辊间隙以及T型台周边间隙相等；
(3)根据装配图纸将两段芯棒与轴向力测试传感器进行螺纹连接，并使用软绳限制传感器电刷套；
(4)根据装配图纸将管坯轴向力测试传感器安装在管坯尾端与送料小车之间，并用软绳限制传感器电刷套；
(5)将芯棒轴向力测试传感器、两件轧制力测试传感器以及管坯轴向力测试传感器分别连接至信号采集装置；
(6)设置信号采集装置参数并启动装置，开始采集分别来自于四件传感器所测得的轧制力与轴向力数据；
(7)设置轧机参数并启动轧机；
(8)停止轧机；
(9)停止采集轧制力与轴向力数据，进行数据保存；
进行管材轧制的受力分析：
轧制力由所有作用于几何变形区的正应力和摩擦剪应力的积分得到，其方向由作用于轧件上的所有力的平衡确定；在实际生产中，常把合力(包括正压力和摩擦力)的垂直分量称为“轧制力”，水平分量成为“轴向力”；
对于对称轧制，上、下两个轧辊转速相等且直径相等，其轧制示意图以及受力分析如图18所示；上、下轧制力相对于轧制线呈镜像对称，力的平衡公式为:
垂直方向：
Fv oben-Fv unten＝0 (式1)
水平方向：
Fh oben+Fh unten+(Z0-Z1)＝0 (式2)
2Fh+(Z0-Z1)＝0 (式3)
2Fh＝Z1-Z0 (式4)
轧制力相对于垂直线的倾角为：
轧制力的计算公式为：
F＝Ad|σz|dA (式6)
以上各式中，F为作用于几何变形区的合力，Fv为正压力和摩擦力的合力在竖直方向的分力，即轧制力；Fh为正压力和摩擦力的合力在水平方向的分力，即轴向力；Z0和Z1分别为管坯受到的水平方向的拉力，σz为轧辊单位面积所受应力，A为轧辊与管材的接触面积；Fv oben为上轧辊与管坯作用产生的轧制力，Fv unten为下轧辊与管坯作用产生的轧制力，Fh oben为上轧辊与管坯作用产生的轴向力，Fh unten为下轧辊与管坯作用产生的轴向力， Z0为管坯受到的沿水平方向向左的拉力，Z1为管坯受到的沿水平方向向右的拉力，Z0-Z1为管坯受到沿水平方向拉力的合力；
依据轧制力测试传感器的工作原理，由于轧制力与轴向力测试传感器均为电阻式传感器，均主要依靠其内部的电阻应变片完成力学信号与电信号的转化；电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即：导体产生机械变形(这里指拉伸或压缩)时，它的电阻值也发生相应变化；
金属电阻丝的电阻用下列公式表达：
式中，R为电阻值，ρ为该金属的电阻率，L为金属电阻丝长度，S为其横截面积；
因为轧制力与轴向力测试传感器内部沿传感器受力方向贴有应变片，当传感器受力时，应变片随传感器一起发生机械变形，这一变形量对应着电阻值的变化，因而能够以电信号值的形式输出至信号采集装置；
在力学试验机上将传感器所受标准力值与传感器对应输出的电信号值进行一一匹配，即能够完成电信号值向力学读数值的转化；
在获得轧制力测试传感器与轴向力传感器的读数值后，采用下述方法进行数据处理：数据输出格式为文本文档(.txt)，文件内容中每一横行以时刻为起始，随后依次为该时刻下所测得芯棒轴向力、轧制力1、轧制力2 以及管坯轴向力，每个结果之间以若干空格隔开；示例如下：
进行数据处理时，直接使用相应文本编辑软件打开txt文件，生成表格数据，示例如下：
| 2016-6-20下午03:29:44.001 | -0.085 | 0.051 | -0.033 | -0.014 |
| 2016-6-20下午03:29:44.002 | -0.085 | 0.051 | -0.033 | -0.014 |
| 2016-6-20下午03:29:44.003 | -0.085 | 0.051 | -0.033 | -0.014 |
| 2016-6-20下午03:29:44.004 | -0.085 | 0.051 | -0.033 | -0.014 |
然后以时间刻度为自变量，芯棒轴向力、轧制力1、轧制力2以及管坯轴向力为因变量绘制曲线，即能够得到轧制力与轴向力随时间变化的谱图。
轧制力与管坯轴向力测试传感器6的最大测力量程能够实现调整，以满足不同管坯材料、不同轧机型号以及不同轧制参数下的测试需求；以上的芯棒轴向力测试传感器5一件、轧制管坯轴向力测试传感器6一件、轧制力测试传感器7两件共4件传感器在工作时都与信号采集装置相连，信号采集装置中包含有与传感器相匹配的信号采集软件功能模块和传感器力值标定模块；
信号采集软件采集数据的频率能够实现调整，每秒能够采集的数据点数最大值为一万个。
该套装置可同时测量某型号轧管机在工作时轧制力、管坯所受轴向力以及芯棒所受轴向力，力值测试精度和信号采集频率可达每秒数千次，测试结果具有精确性。
本实施例设计和使用的各个力学传感器在皮尔格冷轧管机上的安装位置如图6所示。其中，轧制力测试传感器以及管坯轴向力测试传感器以嵌套方式进行安装，芯棒轴向力测试传感器与芯棒之间以螺纹连接的方式进行安装。
本实施例用于实时测试皮尔格冷轧管机以及其它类型和型号冷轧管机在工作过程中，轧辊所受的轧制力，以及管坯和芯棒所受的轴向力。为保证轧制力与轴向力的测试精确无误，被测轧管机必须符合GB50386-2006轧机机械设备工程安装验收规范。
本实施例以皮尔格双辊轧管机为例，介绍实时测定轧制过程中轧制力、管坯所受轴向力以及芯棒所受轴向力的整套装置和测试方法，同时该方法适用于其它类型(包括非皮尔格轧管机)和型号轧管机。本实施例包括轧制力测试传感器两件，芯棒轴向力测试传感器一件，管坯轴向力测试传感器一件以及信号采集装置一套(含信号采集芯片、信号采集软件和传感器标定程序的台式电脑)。该套装置可同时测量该型号轧机在工作时轧制力、管坯所受轴向力以及芯棒所受轴向力，力值测试精度和信号采集频率可达每秒数千次，测试结果具有精确性。
本实施例为国内首次在工况中试验成功的、能够精确测定皮尔格双辊冷轧管机轧制力与轴向力的分布情况和变化趋势的整套装置以及测试方法，同时该方法也适用于由于其它类型(包括非皮尔格轧管机)和型号轧管机。
轧制力与轴向力直接关系到皮尔格轧制过程坯料的变形，因此轧制力与轴向力的测试结果可以指导皮尔格轧制工艺中的诸多参数，例如变形量、送进量、车速、轧辊孔型以及轧辊间隙大小等，同时对于轧制缺陷的预测、成品率的提高都有工程指导作用。技术人员在测得轧制过程中轧制力与轴向力的前提下，可以对轧制工艺的参数进行合理调整，例如调整管坯轧制送进量、轧制车速、轧辊孔型以及轧辊间隙大小等，进而在合理可控范围内极大提高轧制工艺的生产效率。例如，若实测轧制力与轴向力较理论值偏小，工程技术人员即可适当提高管坯轧制送进量、轧制车速或者每道次变形量，进而提高轧制的生产效率，同时降低成本，创造财富。
本实施例可操作性强，技术效果优良；本实施例所提出的轧制力与轴向力测试装置安装便捷，在调试完成后单人即可对其进行操作；测试结果的数据输出格式为文本文档，可直接在Excel或Origin等软件中进行数据处理；同时，本实施例提出的测试方法还适用于其它类型(包括非皮尔格轧管机)和型号轧管机，工程应用前景巨大。
实施例2
本实施例在实施例1的技术基础上，扩展进行具体的Zr-4合金管材在某型号双辊型皮尔格冷轧管机上轧制过程轧制力与轴向力的测试：
Zr-4合金凭借其低中子吸收截面、良好的力学性能和抗腐蚀性能，被用于核反应堆包壳管材料。国内某Zr-4合金管材生产线使用了某型号双辊型皮尔格冷轧管机，下面介绍某轧制道次生产过程中，通过该专利提出的方法进行轧制力与轴向力测试的结果。
Zr-4合金轧前初始管坯外径为40mm，壁厚为12.5mm，轧后成品管材外径为31mm，壁厚为9mm。该道次皮尔格轧制的车速为60周次/min，管坯送进量为3mm。选用轧制力测试传感器的量程为0～150kN，管坯轴向力以及芯棒轴向力测试传感器的量程为0～50kN，力学测试传感器的测试精度为0.001kN。按照图2将分别轧制力测试传感器、管坯轴向力测试传感器以及芯棒轴向力测试传感器安装至轧机的相应位置，并将传感器连接至信号采集装置，先后启动信号采集软件和皮尔格轧机，开始采集Zr-4合金在该皮尔格轧制参数下轧制过程中轧制力、管坯轴向力以及芯棒轴向力。图16 为Zr-4合金在60周次/min车速，3mm送进量轧制参数下进行轧制时，皮尔格稳态轧制过程轧制力与轴向力随时间变化谱图，图17为该轧制参数下皮尔格稳态轧制过程单个轧制周期内轧制力与轴向力随时间变化谱图。
Claims (4)
1.一种精确测试冷轧管机轧制过程中轧制力与轴向力的方法，其特征在于：其使用专用测试装置配套轧管机，对通过送料小车(4)带动进行初始驱动，且布置在管坯(2)中并使用轧管机的轧辊(3)进行轧制加工的芯棒(1)进行轧制力与轴向力测试；
所述专用测试装置构成如下：芯棒轴向力测试传感器(5)、轧制管坯轴向力测试传感器(6)、轧制力测试传感器(7)、信号采集装置；其中：信号采集装置分别连接着芯棒轴向力测试传感器(5)、轧制管坯轴向力测试传感器(6)、轧制力测试传感器(7)；芯棒轴向力测试传感器(5)布置在芯棒(1)上的送料小车(4)的远离轧制加工端的一侧某处；轧制管坯轴向力测试传感器(6)布置在送料小车(4)的靠近轧制加工端的一侧，且轧制管坯轴向力测试传感器(6)同时布置在管坯(2)的远离轧制加工端的一侧近端部；轧制力测试传感器(7)布置在轧管机的轧辊(3)外部垂直于芯棒(1)轴线的轧制加工区所在竖直平面内；
所述精确测试冷轧管机轧制过程中轧制力与轴向力的方法的具体要求是：在轧制过程中分别采集芯棒(1)与管坯(2)沿轴向所受到的力，据此测得芯棒轴向力测试传感器(5)和轧制管坯轴向力测试传感器(6)的信号；
轧制力测试传感器(7)采集轧制过程中轧辊(3)所受轧制力；
信号采集装置中包含有与传感器相匹配的信号采集软件功能模块和传感器力值标定模块；在芯棒轴向力测试传感器(5)、轧制管坯轴向力测试传感器(6)、轧制力测试传感器(7)采集到足够多的信号并对应保存之后，使用人工或者程序分析的方式计算得到待测的冷轧管机轧制过程中轧制力与轴向力；
所述精确测试冷轧管机轧制过程中轧制力与轴向力的方法中，被测轧管机必须符合GB50386-2006轧机机械设备工程安装验收规范；
所述精确测试冷轧管机轧制过程中轧制力与轴向力的方法实施之前，要求按照力学传感器设计图纸加工轧制力与轴向力测试传感器，传感器的外形尺寸根据不同轧机类型和型号进行灵活调整；所使用的传感器为电阻式传感器，成品须符合GB/T 15478-1995压力传感器性能试验方法所规定验收标准，另外传感器的测试精度至少应达到所测轧制力峰值的0.001％；
所述精确测试冷轧管机轧制过程中轧制力与轴向力的方法实施过程依次如下：
一、首先要求对轧制力与轴向力测试传感器进行静态标定，具体操作步骤如下：
(1)将力学传感器放置于标准力学试验机上，并将传感器连接至信号采集装置；
(2)打开台式电脑中的传感器标定程序，采集力学传感器的实时读数；
(3)启动标准力学试验机，对力学传感器的受力面施加标准载荷；
(4)通过传感器标定程序设定力学传感器的读数，使传感器力学读数与标准力学试验机施加的标准载荷相同；
(5)以相同步骤，分别对力学传感器的量程内多个点进行标定，最终获得能够精确测得载荷大小的力学传感器；
二、之后，在皮尔格冷轧管机上进行设备安装与力学测试，具体操作步骤和相关内容如下：
(1)根据装配图纸将轧制力测试传感器安装在含有轧制力传感器放置槽的T型台中，并在力学传感器周围缠绕适量生料带，以防止轧机工作时传感器发生震动；在T型台上固定传感器数据线，以防止轧辊运动过程中发生绕线；
(2)调整斜铁，使轧辊两边齿条-齿轮间隙、上下轧辊间隙以及T型台周边间隙相等；
(3)根据装配图纸将两段芯棒与轴向力测试传感器进行螺纹连接，并使用软绳限制传感器电刷套；
(4)根据装配图纸将管坯轴向力测试传感器安装在管坯尾端与送料小车之间，并用软绳限制传感器电刷套；
(5)将芯棒轴向力测试传感器、两件轧制力测试传感器以及管坯轴向力测试传感器分别连接至信号采集装置；
(6)设置信号采集装置参数并启动装置，开始采集分别来自于四件传感器所测得的轧制力与轴向力数据；
(7)设置轧机参数并启动轧机；
(8)停止轧机；
(9)停止采集轧制力与轴向力数据，进行数据保存；
进行管材轧制的受力分析：
轧制力由所有作用于几何变形区的正应力和摩擦剪应力的积分得到，其方向由作用于轧件上的所有力的平衡确定；
对于对称轧制，上、下两个轧辊转速相等且直径相等；上、下轧制力相对于轧制线呈镜像对称，力的平衡公式为：
垂直方向：
Fv oben-Fv unten＝0 (式1)
水平方向：
Fh oben+Fh unten+(Z0-Z1)＝0 (式2)
2Fh+(Z0-Z1)＝0 (式3)
2Fh＝Z1-Z0 (式4)
轧制力相对于垂直线的倾角为：
轧制力的计算公式为：
F＝Ad|σz|dA (式6)
以上各式中，F为作用于几何变形区的合力，Fv为正压力和摩擦力的合力在竖直方向的分力，即轧制力；Fh为正压力和摩擦力的合力在水平方向的分力，即轴向力；Z0和Z1分别为管坯受到的水平方向的拉力，σz为轧辊单位面积所受应力，A为轧辊与管材的接触面积；Fv oben为上轧辊与管坯作用产生的轧制力，Fv unten为下轧辊与管坯作用产生的轧制力，Fh oben为上轧辊与管坯作用产生的轴向力，Fh unten为下轧辊与管坯作用产生的轴向力，Z0为管坯受到的沿水平方向向左的拉力，Z1为管坯受到的沿水平方向向右的拉力，Z0-Z1为管坯受到沿水平方向拉力的合力；
依据轧制力测试传感器的工作原理，由于轧制力与轴向力测试传感器均为电阻式传感器，均依靠其内部的电阻应变片完成力学信号与电信号的转化；电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即：导体产生机械变形时，它的电阻值也发生相应变化；
金属电阻丝的电阻用下列公式表达：
式中，R为电阻值，ρ为该金属的电阻率，L为金属电阻丝长度，S为其横截面积；
因为轧制力与轴向力测试传感器内部沿传感器受力方向贴有应变片，当传感器受力时，应变片随传感器一起发生机械变形，这一变形量对应着电阻值的变化，因而能够以电信号值的形式输出至信号采集装置；
在力学试验机上将传感器所受标准力值与传感器对应输出的电信号值进行一一匹配，即能够完成电信号值向力学读数值的转化。
2.按照权利要求1所述精确测试冷轧管机轧制过程中轧制力与轴向力的方法，其特征在于：
轧制力测试传感器(7)以及管坯轴向力测试传感器(6)以嵌套方式进行安装；
芯棒轴向力测试传感器(5)与芯棒(1)之间以螺纹连接的方式进行安装，亦即芯棒轴向力测试传感器(5)布置在螺母状基体上且该螺母状基体通过螺纹连接结构固定布置在芯棒(1)上预设段的外螺纹区段上；
轧制力由所有作用于几何变形区的正应力和摩擦剪应力的积分得到，其方向由作用于轧件上的所有力的平衡确定。
3.按照权利要求2所述精确测试冷轧管机轧制过程中轧制力与轴向力的方法，其特征在于：
在获得轧制力测试传感器与轴向力传感器的读数值后，采用下述方法进行数据处理：数据输出格式为TXT文本文档，文件内容中每一横行以时刻为起始，随后依次为该时刻下所测得芯棒轴向力、轧制力1、轧制力2以及管坯轴向力，每个结果之间以若干空格隔开；
进行数据处理时，直接使用相应文本编辑软件打开TXT文件，生成表格数据；然后以时间刻度为自变量，芯棒轴向力、轧制力1、轧制力2以及管坯轴向力为因变量绘制曲线，即能够得到轧制力与轴向力随时间变化的谱图。
4.按照权利要求2所述精确测试冷轧管机轧制过程中轧制力与轴向力的方法，其特征在于：
轧制力与管坯轴向力测试传感器(6)的最大测力量程能够实现调整，以满足不同管坯材料、不同轧机型号以及不同轧制参数下的测试需求；以上的芯棒轴向力测试传感器(5)1件、轧制管坯轴向力测试传感器(6)1件、轧制力测试传感器(7)2件共4件传感器在工作时都与信号采集装置相连，信号采集装置中包含有与传感器相匹配的信号采集软件功能模块和传感器力值标定模块；
信号采集软件采集数据的频率能够实现调整，每秒能够采集的数据点数最大值为一万个。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20180118 Address after: 110000 Shenyang, Liaoning Province Cultural Road, No. 72, Shenhe Applicant after: Institute of metal research, Chinese Academy of Sciences Applicant after: State Nuclear Bao Ti Zirconium Industry Company Address before: 110015 Shenyang, Liaoning Province Cultural Road, No. 72, Shenhe Applicant before: Institute of metal research, Chinese Academy of Sciences |
|
| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Li Geping Inventor after: Han Fuzhou Inventor after: Liu Chengze Inventor after: Yuan Gaihuan Inventor after: Chu Linhua Inventor after: Luo Qianqian Inventor after: Wang Lian Inventor after: Gao Bo Inventor after: Gu Hengfei Inventor after: Yuan Fusen Inventor before: Li Geping Inventor before: Liu Chengze Inventor before: Yuan Gaihuan Inventor before: Chu Linhua Inventor before: Luo Qianqian Inventor before: Wang Lian Inventor before: Gao Bo Inventor before: Gu Hengfei Inventor before: Han Fuzhou |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20190129 Termination date: 20190401 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |