CN102706729B - 工况模拟导电辊材料损伤失效的实验装置 - Google Patents
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Abstract
一种工况模拟导电辊材料损伤失效的实验装置，包括：镀液槽，设置在镀液槽两侧的轴承支架和设置在镀液槽内两侧分别与轴承支架连接的上、下辊筒，下辊筒通过联轴器连接主动传动调速电机；上、下辊筒通过上、下传动齿轮连接，轴承支架内设置有与上、下辊筒连接的滚动轴承；镀液槽和轴承支架之间设置有与上辊筒连接的集电环；上辊筒两端连接有水冷却旋转接头，上辊筒还连接一上辊打磨块，上辊打磨块通过滚珠丝杆与可逆电机连接；镀液槽内设置有阳极板和导电上辊；镀液槽的一侧还设置有预热补给槽。本发明能够多方面模拟导电辊实际工况，开展多种导电辊材料的损伤失效的模拟实验，为开发新材料和工艺提供了便捷的实验方法，且操作简便、易于推广。
Description
技术领域
本发明涉及一种实验装置，具体涉及一种工况模拟导电辊材料损伤失效的实验装置。
背景技术
导电辊是连续电镀生产线上的关键部件，用以传送带钢并且在电镀过程中传导强大的阴极电流。由于导电辊的使用工况恶劣，如一方面导电辊会接触含有诸如氢离子、硫酸根离子、氯离子、铁离子等腐蚀性介质的电镀液，另一方面导电辊表面与带钢之间不断摩擦而引起磨损。因此，在实际使用过程中，导电辊在不长甚至很短的时间内（2周~2个月），其表面质量就会发生恶化（如辊面出现网纹、大量深浅不一的麻坑等），进而严重影响了电镀产品的质量，需要停机对导电辊进行修复或者更换。导电辊的频繁修复与更换，极大增加了生产成本并显著影响了电镀生产线的产量。所以延长导电辊的使用寿命是保障连续电镀大生产进程的关键。
为延长导电辊的使用寿命，首先需要了解导电辊材料在实际工况条件下的失效行为及其机理。目前，关于导电辊材料的失效研究主要基于各种腐蚀评价手段和摩擦磨损研究。其中腐蚀测试方法包括浸泡实验（张普强，吴继勋，孟惠民，卢燕平，任群，原金钊，电镀锌生产线导电辊腐蚀失效原因与机理，北京科技大学学报，1994，16(S1)：22）和电化学腐蚀实验（张峰山，颜永根，杨王玥，导电辊用镍基合金在硫酸锌溶液中的腐蚀及磨损行为，材料热处理学报，2006，27(6)：70；H.E.Townsend，R.N.Steinbicker，Y.H.Yau，Corrosion of Stainless Steel Conductor Rolls in a Continuous SheetElectrogalvanizing Line，Corrosion，1990，46(5)：418）。摩擦磨损实验则包括含电镀液环境中的摩擦磨损测试（杨丽萍，姚书典，孙力，导电辊材料在模拟电镀工况条件下的磨损试验研究，冶金设备，2002，136：26）。但以上方法所涉及的实验条件并不能真实反映导电辊材料在实际工况下的失效行为。如浸泡实验和电化学腐蚀实验忽略了导电辊与带钢不断滚动接触对材料失效的影响。摩擦磨损实验则未考虑导电辊表面的电化学状态对其失效的影响。此外，在实际工作中，导电辊表面实质是流经一阴极电流的。而现有的实验条件和结果分析也无法考察与阴极电流相伴随的析氢过程和电镀液中的金属离子在导电辊材料表面沉积和溶解过程对材料失效的影响。由于现有测试条件与导电辊工况差距较大，限制了对导电辊材料失效行为的认识，也不能有效的评价不同导电辊材料的优劣等，一定程度上也影响了导电辊材料的开发。
因此，发明一种能够尽可能真实模拟导电辊材料实际工况，从而实现在实验室进行实验研究或材料性能评估的实验装置，对于理解导电辊材料在工况条件下的失效行为及导电辊材料的开发具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工况模拟导电辊材料损伤失效的实验装置，以解决现有导电辊材料损伤失效实验条件不能真实反映导电辊材料在实际工况下的失效行为的技术问题。
为达到上述目的，本发明（的目的在于）所提供的一种工况模拟导电辊材料损伤失效的实验装置，包括：镀液槽、上辊筒、下辊筒、主传动调速电机、联轴器、上、下传动齿轮、若干滚动轴承、集电环、水冷却旋转接头、可逆电机、滚珠丝杆、上辊打磨块、阳极板、导电碳刷、预热补给槽、液泵、轴承支架和载荷调节器；轴承支架设置在镀液槽两侧，上辊筒和下辊筒设置在镀液槽内且两侧分别与轴承支架连接；主传动调速电机通过联轴器连接至下辊筒的一端，上辊筒与下辊筒通过上、下传动齿轮连接，滚动轴承设置在轴承支架内分别与上辊筒和下辊筒连接；集电环设置在镀液槽和轴承支架之间与上辊筒连接；导电碳刷与集电环连接；水冷却旋转接头连接至上辊筒两端；滚珠丝杆分别与可逆电机和上辊打磨块连接，上辊打磨块与上辊筒连接；阳极板设置在镀液槽内；预热补给槽设置在镀液槽一侧，液泵分别与预热补给槽和镀液槽连接；载荷调节器与轴承支架连接。
依照本发明较佳实施例所述的工况模拟导电辊材料损伤失效的实验装置，其还包括：环形带钢、前导向辊、后导向辊、带钢拖动电机和牵引辊。前导向辊、后导向辊、带钢拖动电机以及牵引辊均与环形带钢连接，环形带钢设置在上辊筒和下辊筒之间及带钢拖动电机和牵引辊之间。
依照本发明较佳实施例所述的工况模拟导电辊材料损伤失效的实验装置，该上辊筒两端连接的水冷却旋转接头中，其中一个水冷却旋转接头上设置有冷水进水口，另一个水冷却旋转接头上设置有冷水出水口。
依照本发明较佳实施例所述的工况模拟导电辊材料损伤失效的实验装置，其还包括一液位开关，液位开关设置在镀液槽内。
依照本发明较佳实施例所述的工况模拟导电辊材料损伤失效的实验装置，其还包括：预热补给槽温度传感器和预热补给槽电加热器，预热补给槽温度传感器和预热补给槽电加热器设置在预热补给槽内。
依照本发明较佳实施例所述的工况模拟导电辊材料损伤失效的实验装置，其还包括：一电器控制箱，电器控制箱内设置有预热补给槽温度控制器、液位控制器、镀液恒温控制器、主传动电机调速控制器、带钢拖动电机调速控制器、大功率电镀电源、水冷却控制开关、上辊打磨控制开关、以及实验时间累计和时间控制装置。
依照本发明较佳实施例所述的工况模拟导电辊材料损伤失效的实验装置，其还包括若干密封圈，密封圈设置在上辊筒、下辊筒与镀液槽的连接处，且分别与上辊筒和下辊筒套接连接。
依照本发明较佳实施例所述的工况模拟导电辊材料损伤失效的实验装置，该上辊打磨块采用碳复合材料。
依照本发明较佳实施例所述的工况模拟导电辊材料损伤失效的实验装置，该下辊筒外壳采用聚氨酯材料制成或金属材料制成。
本发明提供了一种能模拟电镀生产线中导电辊材料在实际工况条件下损伤失效的实验装置。适用于研究模拟导电辊辊面材料在现场多因素（大阴极电流、腐蚀性电镀液、与带钢滚动接触磨损等）耦合作用下表面损伤失效的情况。通过对阴极电流大小、电镀液、载荷、转速和温度等多参数来模拟实际工况。该装置可通过更换不同材料的上辊筒，测试各种材料在导电辊工况下的失效行为。从而有效地解决了导电辊材料服役环境中多因素耦合作用难以实现模拟的困难，便于研究导电辊材料的失效机理以及为导电辊材料的开发提供依据。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
（1）该装置可以在实验室条件下模拟导电辊材料在实际工况环境中的损伤失效过程，通过调整阴极电流大小、电机转速、温度、载荷等实验条件，多方面模拟导电辊实际工况。
（2）该装置通过更换不同材料的上辊筒，可以在实验室内开展多种材料（金属材料、涂镀层材料等）在导电辊工况环境下的失效模拟实验，为开发新材料和工艺提供了便捷的实验方法。
（3）该装置操作简便，制造运行成本低廉，易于推广。
附图说明
图1为本发明工况模拟导电辊材料损伤失效的实验装置的结构正视图；
图2为本发明工况模拟导电辊材料损伤失效的实验装置的结构侧视图；
图3为本发明实施例的系统原理框图。
具体实施方式
以下结合附图，具体说明本发明。
请同时参阅图1与图2，一种工况模拟导电辊材料损伤失效的实验装置，包括：镀液槽1、上辊筒2、下辊筒3、主传动调速电机4、联轴器5、上、下传动齿轮6、若干滚动轴承7、密封圈8、集电环9、水冷却旋转接头10、可逆电机11、滚珠丝杆12、上辊打磨块13、冷却水进口14、冷却水出口15、阳极板16、导电碳刷17、预热补给槽18、预热补给槽温度传感器19、预热补给槽电加热器20、液泵21、轴承支架22、载荷调节器23、环形带钢24、前导向辊25、后导向辊26、牵引辊27、带钢拖动电机28、镀液槽电加热器29、镀液槽温度传感器30、液位开关31和电器控制箱32。轴承支架22设置在镀液槽1两侧，上辊筒2和下辊筒3设置在镀液槽1内且两侧分别与轴承支架22连接，主传动调速电机4通过联轴器5连接至下辊筒3的一端，上辊筒2与下辊筒3通过上、下传动齿轮6连接，滚动轴承7设置在轴承支架22内分别与上辊筒2和下辊筒3连接。集电环9设置在镀液槽1和轴承支架22之间与上辊筒2连接，导电碳刷17与集电环9连接。水冷却旋转接头10连接至上辊筒2两端，且其中一个水冷却旋转接头10上设置有冷水进水口14，另一个水冷却旋转接头10上设置有冷水出水口15。滚珠丝杆12分别与可逆电机11和上辊打磨块13连接，上辊打磨块13与上辊筒2连接，其具体采用碳复合材料制成。环形带钢24设置在上辊筒2和下辊筒3之间及带钢拖动电机28和牵引辊27之间，前导向辊25、后导向辊26、带钢拖动电机28以及牵引辊27均与环形带钢24连接。预热补给槽18设置在镀液槽1一侧，液泵21分别与预热补给槽18和镀液槽1连接。载荷调节器23与轴承支架22连接。阳极板16设置在镀液槽1内。液位开关31、镀液槽电加热器29和镀液槽温度传感器30设置在镀液槽1内。预热补给槽温度传感器19和预热补给槽电加热器20设置在预热补给槽18内。
电器控制箱32内设置有预热补给槽温度控制器、液位控制器、镀液恒温控制器、主传动电机调速控制器、带钢拖动电机调速控制器、大功率电镀电源、水冷却控制开关、上辊打磨控制开关、以及实验时间累计和时间控制装置。
具体地，本发明的装置通过更换不同材料的下辊筒3即可在实验室内开展多种材料（金属材料、涂镀层材料等）在导电辊工况环境下的失效模拟实验。下辊筒3可采用聚氨酯材料制成或金属材料制成，供不同实验选用。
更进一步地，以上的本发明工况模拟导电辊材料损伤失效的实验装置还可进行原理划分为以下五个部分：a.镀液预热补给系统；b.镀液恒温控制系统；c.主传动电机控制系统；d.带钢循环控制系统和e.电镀控制系统。其中，e.电镀控制系统可进一步划分为：电镀环节、水冷却环节、上辊载荷调节环节和上辊打磨环节四个部分。
请参阅图3，其为本发明实施例的工况模拟导电辊材料损伤失效的实验装置的系统原理框图。其中，
a.镀液预热补给系统能根据液位开关31的信号，自动控制液泵21运行，将预热补给槽18中的镀液送入镀液槽1，使带钢24、上辊筒2及阳极板16浸入在镀液中，并保持液面恒定。并且，预热补液槽温度控制器根据a.镀液预热补给系统中温度传感器19的信号，控制电加热器20，将加入预热补给槽18内的镀液温度恒定在实验所需要的数值上。
b.镀液恒温控制系统中，镀液恒温控制器能根据镀液槽温度传感器30的信号，控制电加热器29，使镀液温度始终恒定在实验所要求的温度数值。
c.主传动电机控制系统和d.带钢循环控制系统中，通过调节主传动电机调速控制器，使主传动调速电机4获得实验所需的转速，经联轴器5带动下辊筒3旋转。装在下辊筒3两端的滚动轴承7及轴承支架22支撑转动的下辊筒3，同时可承受上辊筒2施加的载荷。下辊筒3旋转时，经下传动齿轮6，带动上传动齿轮及上辊筒2转动，上、下辊筒同步相向运转，并调节带钢拖动电机调速控制器，使带钢拖动电机28的转速，与主传动调速电机4同步。安装在上辊筒2和下辊筒3之间的环形带钢24，经d.带钢循环控制系统中的前导向辊25，牵引辊27、钢带拖动电机28、后导向辊26，形成环形运动。
e.电镀控制系统中，大功率电镀电源的负极经导电碳刷17，集电环9、上辊筒2、带钢24、电镀液及接电源正极的阳极板16形成回路，构成实验装置中的电镀环节。
在上辊筒2轴两端各装有一个集电环9，以保证通过较大的工作电流并使电流密度分布均匀。通过调节大功率电源的输出电流，可在辊筒表面及带钢表面获得不同的电流密度。
e..电镀控制系统的水冷却环节，能使冷却水经旋转接头10，从冷却水进口14进入，经过空心上辊筒2内部，由冷却水出口15流出，避免后续电镀过程中，上辊筒2在大阴极电流作用下产生的温升对实验造成的影响。
e.电镀控制系统的上辊载荷调节环节，可调节安装在轴承支架22上部的载荷调节器23，以改变上辊筒2、下辊筒3与带钢24之间的载荷大小。
e.电镀控制系统的上辊打磨环节，可控制可逆电机11运行，带动滚珠丝杆12，使上辊打磨块13做往复运动，除去电镀过程中可能沉积在上辊筒2表面的金属离子。
本实例采用了d.带钢循环控制系统，但是，需要说明的是，根据实验需要也可以不使用d.带钢循环控制系统，即实验时上辊筒2与下辊筒3间不装入环形带钢24，而选用外壳为金属材料制成的下辊筒3，以替换聚氨酯材料制成的下辊筒3，并使下辊筒3与一块被镀钢板紧密接触。
以下结合图1至图3，具体说明本发明工况模拟导电辊材料损伤失效的实验装置的工作过程。
本发明具体工作过程如下：
先将镀液加入预热补给槽18内，打开电器控制箱32中的预热补液槽温度控制器开关，a.镀液预热补给系统被启动，设定实验所需温度，温控器经预热补给槽温度传感器19、检测槽内镀液温度，并控制预热补给槽电加热器20、使预热补给槽18内的镀液被加热且恒定在设定温度数值上。
根据实际实验要求装入聚氨酯材料制成的下辊筒3和相应测试材料制成的上辊筒2，在上辊筒2和下辊筒3之间、前导向辊25、牵引辊27、带钢拖动电机28、及后导向辊26，装入经清洁处理的环形带钢24。打开电器控制箱32中主传动电机调速控制器电源开关及带钢拖动电机调速控制器电源开关，c.主传动电机控制系统和d.带钢循环控制系统被启动，调节主传动电机调速控制器，使主传动调速电机4获得实验所需的转速，经联轴器5带动下辊筒3旋转。装在下辊筒3两端的滚动轴承7及轴承支架22支撑着转动的下辊筒3，同时可承受上辊筒2施加的载荷。下辊筒3旋转时，经下传动齿轮，带动上传动齿轮及上辊筒2转动，上、下辊筒同步相向运转，使安装在上、下辊筒之间的环形带钢24，经d.带钢循环控制系统中的前导向辊25，牵引辊27、钢带拖动电机28、后导向辊26、形成环形运动，调节带钢拖动电机调速控制器，使带钢拖动电机28的转速，与主传动调速电机4同步。此外，根据实验需要也可以不使用d.带钢循环控制系统，即实验时上辊筒2与下辊筒3间不装入环形带钢24。选用外壳为金属材料制成的下辊筒3，替换聚氨酯材料制成的下辊筒3，并使下辊筒3与一块被镀钢板紧密接触。
打开电器控制箱32中的液位控制器开关，液泵21运行，将预热补给槽18内的镀液送入镀液槽1。a.镀液预热补给系统，根据液位开关31的信号，自动控制液泵21运行，使带钢24、上辊筒2及阳极板16保持浸入在电镀液中。
打开电器控制箱32中的镀液恒温控制器开关，b.镀液恒温控制系统被启动，镀液恒温控制器根据镀液槽温度传感器30的信号，控制电加热器29，使镀液温度始终恒定在实验所要求的温度数值。
打开电器控制箱32中的水冷却控制开关，e.电镀控制系统的水冷却环节被启动，冷却水从旋转接头10的水冷却进口14进入，经过空心上辊筒2内部，由冷却水出口15流出，避免后续电镀过程中上辊筒2在大阴极电流作用下产生的温升对实验造成的影响。
根据实验要求参数，设置e.电镀控制系统的上辊载荷调节环节。利用安装在轴承支架22上部的载荷调节器23，调节上辊筒2、下辊筒3与带钢24之间的载荷大小。
根据具体模拟工况需要，打开电器控制箱32中的上辊打磨控制开关，d.电镀控制系统的上辊打磨环节被启动，可逆电机11运行，带动滚珠丝杆12使上辊打磨块13做往复运动，除去后续电镀过程中可能沉积在上辊筒2表面的金属离子。优选的所述上辊打磨块13的材料为碳复合材料。
打开电器控制箱32中的大功率电镀电源开关，e.电镀控制系统的电镀环节被启动，电镀电源的负极经导电碳刷17，集电环9、上辊筒2、带钢、电镀液及接电源正极的阳极板16形成回路，构成实验装置中的电镀环节。在上辊筒2轴两端各装有一个集电环9，以通过较大的工作电流并使电流密度分布均匀。通过调节大功率电源的输出电流，可在上辊筒2表面及带钢24表面获得不同的电流密度。
电器控制箱32内的时间累计装置及时间控制器，能记录实验累计时间或对实验时间进行控制。
实验结束后，关闭电器控制箱32的大功率电镀电源开关、上辊打磨装置控制开关、水冷却控制开关、镀液恒温控制器开关、液位控制器开关、主传动电机调速控制器电源开关及带钢拖动电机调速控制器电源开关，并将镀液由镀液槽1抽回预热补给槽18。取出实验样品。
以上所述，仅是本发明的较佳实施实例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，任何未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施实例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种工况模拟导电辊材料损伤失效的实验装置，其特征在于，包括：镀液槽、上辊筒、下辊筒、主传动调速电机、联轴器、上传动齿轮、下传动齿轮、若干滚动轴承、集电环、水冷却旋转接头、可逆电机、滚珠丝杆、上辊打磨块、阳极板、导电碳刷、预热补给槽、液泵、轴承支架和载荷调节器，所述轴承支架设置在所述镀液槽两侧，所述上辊筒和下辊筒设置在所述镀液槽内且两侧分别与所述轴承支架连接，所述主传动调速电机通过所述联轴器连接至所述下辊筒的一端，所述上辊筒与所述下辊筒通过所述上传动齿轮、下传动齿轮连接，所述滚动轴承设置在所述轴承支架内分别与所述上辊筒和下辊筒连接；所述集电环设置在所述镀液槽和轴承支架之间与所述上辊筒连接；所述导电碳刷与所述集电环连接；所述水冷却旋转接头连接至所述上辊筒两端；所述滚珠丝杆分别与所述可逆电机和上辊打磨块连接，所述上辊打磨块与所述上辊筒连接；所述阳极板设置在所述镀液槽内；所述预热补给槽设置在所述镀液槽一侧，所述液泵分别与所述预热补给槽和镀液槽连接，所述载荷调节器与所述轴承支架连接。
2.如权利要求1所述的工况模拟导电辊材料损伤失效的实验装置，其特征在于，还包括：环形带钢、前导向辊、后导向辊、带钢拖动电机和牵引辊，所述前导向辊、后导向辊、带钢拖动电机以及牵引辊均与所述环形带钢连接，所述环形带钢设置在所述上辊筒和下辊筒之间及所述带钢拖动电机和牵引辊之间。
3.如权利要求2所述的工况模拟导电辊材料损伤失效的实验装置，其特征在于，所述上辊筒两端连接的水冷却旋转接头中，其中一个所述水冷却旋转接头上设置有冷水进水口，另一个水冷却旋转接头上设置有冷水出水口。
4.如权利要求3所述的工况模拟导电辊材料损伤失效的实验装置，其特征在于，还包括一液位开关，所述液位开关设置在所述镀液槽内。
5.如权利要求4所述的工况模拟导电辊材料损伤失效的实验装置，其特征在于，还包括镀液槽电加热器和镀液槽温度传感器，所述镀液槽电加热器和镀液槽温度传感器设置在所述镀液槽内。
6.如权利要求5所述的工况模拟导电辊材料损伤失效的实验装置，其特征在于，还包括：预热补给槽温度传感器和预热补给槽电加热器，所述预热补给槽温度传感器和预热补给槽电加热器设置在所述预热补给槽内。
7.如权利要求6所述的工况模拟导电辊材料损伤失效的实验装置，其特征在于，还包括：一电器控制箱，所述电器控制箱内设置有预热补给槽温度控制器、液位控制器、镀液恒温控制器、主传动电机调速控制器、带钢拖动电机调速控制器、大功率电镀电源、水冷却控制开关、上辊打磨控制开关、以及实验时间累计和时间控制装置。
8.如权利要求1所述的工况模拟导电辊材料损伤失效的实验装置，其特征在于，还包括若干密封圈，所述密封圈设置在所述上辊筒、下辊筒与所述镀液槽的连接处，且分别与所述上辊筒和下辊筒套接连接。
9.如权利要求1所述的工况模拟导电辊材料损伤失效的实验装置，其特征在于，所述上辊打磨块采用碳复合材料。
10.如权利要求1所述的工况模拟导电辊材料损伤失效的实验装置，其特征在于，所述下辊筒外壳采用聚氨酯材料制成或金属材料制成。
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