CN105277461A - 轧辊热疲劳模拟试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轧辊热疲劳模拟试验装置，用于检测呈圆柱状的待测试件的热疲劳性能，包括：驱动机构，用于安装待测试件并且驱动待测试件旋转；感应加热器，为半环形，罩设于待测试件的其中一半圆柱体；冷却喷嘴，用于向待测试件的另一半圆柱体喷射冷却水；操作控制单元，用于设置所述驱动机构的转速以及所述感应加热器的加热温度，并由显示器显示。采用本发明的轧辊热疲劳模拟试验装置，便于精确模拟轧辊的工作环境。

Description

轧辊热疲劳模拟试验装置

技术领域

本发明涉及轧辊热疲劳试验领域，具体来说，本发明涉及一种轧辊热疲劳模拟试验装置。

背景技术

在热轧过程中，轧辊旋转时，辊面与高温轧件(温度约1000℃)接触时辊面温度快速上升，后继续旋转由冷却系统对该轧辊进行冷却使得其温度迅速下降，以此循环往复。正常轧钢期间，辊面最高温度基本稳定在400～600℃左右，最低温度基本稳定在100℃左右，而且温度变化最剧烈的发生在从辊面向内约0.5～1mm左右范围内，越往内部温度变化越缓慢，而轧辊心部温度几乎没有变化。这样，轧辊表面很薄一层材料反复受热和冷却，呈周期变化，辊面累积了大量热应力，材料易发生热疲劳而造成辊面裂纹以至剥落失效。因此，如何准确模拟轧辊实际工作条件，正确测试与评价各种轧辊材料的抗热疲劳性能是进行高性能轧辊开发的一项重要工作。

在金属热疲劳性能测试方面，现有技术中主要存在以下方式：

(1)人工方法。通过人工反复把试样置于加热炉内加热和水槽中冷却来模拟热疲劳过程，这种方式比较适合于热疲劳次数少的材料如高速钢、高铬钢轧辊等的加速性模拟试验中，而大部分热作模具钢正常工作时的热疲劳次数通常可达几百次、几千次甚至上万次，人工法劳动强度大且试验参数有限。

(2)机械方法。目前热疲劳试验往往是通过各种行走机构把小块试样在加热区和冷却区之间来回输送，或者通过频繁开启加热源和冷却装置来实现冷-热循环过程。

公开号为“CN102445463A”、名称为“一种简易热疲劳试验机”的专利文献公开了这样一种方式，通过齿轮齿条运动来实现试样的往复移动，采用电阻炉辐射加热方式加热试样。这种方式，加热速度慢、循环周期长，并且试件的移动方式使得试件不适宜采用其他方式加热。

授权公告号为“CN2828797”、名称为“感应加热式金属材料冷热疲劳试验装置”的专利文献中公开了一种装置，这种装置需要频繁开启加热与冷却，效率低且不利于准确模拟轧辊工作环境。

针对现有技术中，轧辊热疲劳模拟试验不精确以及试验时间长的问题，提出一种新的模拟试验装置显得很有必要。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种轧辊热疲劳模拟试验装置，其能够便于精确模拟轧辊的工作环境，并且能够缩短模拟试验的时间。

为实现上述目的，本发明的轧辊热疲劳模拟试验装置，用于检测呈圆柱状的待测试件的热疲劳性能，其包括：

驱动机构，用于安装待测试件并且驱动待测试件旋转；

感应加热器，为半环形，罩设于待测试件的其中一半圆柱体；

冷却喷嘴，用于向待测试件的另一半圆柱体喷射冷却水；

操作控制单元，用于设置所述驱动机构的转速以及所述感应加热器的加热温度，并由显示器显示。

优选地，还包括用于检测所述待测试件的转动圈数的旋转计数器，所述旋转计数器的数值由所述显示器显示。

优选地，还包括用于观察所述待测试件的表面情况的照相机，所述照相机将检测信息输送至所述显示器。

优选地，所述另一半圆柱体的上方设置有挡水板，下方设置有集水槽，所述冷却喷嘴设置于所述挡水板与所述集水槽之间。

优选地，还包括设置于所述集水槽上方的防护罩，所述防护罩上设置有开口，所述开口处安装有排气扇。

优选地，所述冷却喷嘴通过进水管以及水泵与水箱相接，所述集水槽设置于支座上方，所述集水槽底部通过回水管与所述水箱相接。

优选地，所述冷却喷嘴的数量为多个，分别向所述另一半圆柱体的圆周面以及端面喷冷却水。

优选地，所述驱动机构包括电机以及与电机相连的减速机，所述待测试件的一端套在所述减速机的输出轴上，另一端设置有顶针。

优选地，还包括用于测量所述待测试件温度的红外测温仪，其测试值由所述显示器显示。

本发明的轧辊热疲劳模拟试验装置，采用驱动机构驱动待测试件转动，精确模拟轧辊的工作环境。同时，采用感应加热器加热能够提高加热的效率。

附图说明

图1为本发明的轧辊热疲劳模拟试验装置的结构示意图；

图2为本发明的轧辊热疲劳模拟试验装置部分结构的侧视示意图；

图3为本发明的测试原理示意图；

图4为图1中感应加热器的结构示意图；

图5为热疲劳温度曲线示意图；

图6为小尺寸试件的安装示意图；

图7为异常工况下，热疲劳温度曲线示意图。

具体实施方式

下面，结合附图，对本发明的结构以及工作原理等作进一步的说明。

参见图1～图3，本发明的轧辊热疲劳模拟试验装置，用于检测呈圆柱状的待测试件的热疲劳。试件需便于旋转，故优选为圆柱状。

如图3所示，试件采用圆柱形，该模拟试验装置将其分为加热区和冷却区两部分，在加热区时，该模拟试验装置对试件进行加热，旋转到冷却区时，对试件进行冷却。试件的尺寸可以为：直径Φ200mm，厚度15mm，材质与轧辊相同。并且，在试验前，试件经过热处理，热处理的表面硬度、心部硬度与轧辊相同。试件的淬硬深度与试件直径之比与轧辊淬硬深度与轧辊直径之比接近。

详细地，该轧辊热疲劳模拟试验装置，包括电源1、驱动机构、感应加热器2、冷却喷嘴以及操作控制单元22，操作控制单元22连接有显示器2201。接下来，对其分别进行介绍。

前述的电源1，用于为感应加热器2供电，以便满足待测试件20的感应加热需要。

前述的驱动机构，用于安装待测试件20并且驱动待测试件20旋转。作为一种方式，驱动机构包括电机26以及与电机26相连的减速机25，待测试件20的一端套在减速机25的输出轴2501上，另一端设置有顶针3，对其轴向限位。顶针3可以设置于移动架23上，移动架23可以沿着位于其下方的导轨24滑动。

前述的感应加热器2，为半环形，罩设于待测试件20的其中一半圆柱体，使得该半圆柱体处于加热区，以便完成对待测试件20的加热过程。参见图4，感应加热器2包括磁芯201以及缠绕于磁芯201上的感应线圈202，感应加热器2的内弧面距离待测试件20的距离为5mm左右。出加热区的待测试件20的表面温度T₁＝400～600℃，其中电源1功率P＝50～100kW，频率f＝2600Hz(对应的集肤深度约0.5mm)。增加电源功率使待测试件20表面温度快速升高可以模拟轧辊受到的异常热冲击等，可以通过在待测试件20周围设置红外测温仪5的方式，来获取待测试件20的表面温度，该温度值由显示器2201显示。

前述的冷却喷嘴，用于向待测试件20的另一半圆柱体喷射冷却水，使得该半圆柱体处于冷却区，以便完成对待测试件20的冷却过程。冷却喷嘴通过进水管14以及水泵18与水箱16相接，通过水泵18将水箱16中的水抽出并由冷却喷嘴喷出，进水管14上设置水压表12以及调压阀13，在进水管14位于水泵以及水箱16之间的位置还可以设置闸阀17。如图2所示，作为优选，冷却喷嘴的数量为多个，其包括径向喷嘴9以及端面喷嘴27，径向喷嘴9与端面喷嘴27分别向另一半圆柱体的圆周面以及端面喷冷却水。出冷却区的待测试件20的表面温度T₂大约为100℃。

如图1所示，为防止冷却喷嘴喷出的水四处飞溅，另一半圆柱体的上方设置有挡水板8，下方设置有集水槽19，冷却喷嘴设置于挡水板8与集水槽19之间。为便于水的回收利用，集水槽19设置于支座21上方，集水槽19底部通过回水管15与水箱16相接。

进一步地，该模拟试验装置还包括设置于集水槽19上方的防护罩11，防护罩11上设置有开口，在该开口处安装排气扇10。该排气扇10用于收集并排除冷却产生的蒸汽，防止水雾影响加热以及观察。

待测试件20的表面在旋转一周过程中，经过感应加热器2的加热以及冷却喷嘴的冷却，从而完成一次热疲劳过程。

前述的操作控制单元22，用于设置驱动机构的转速以及感应加热器2的加热温度，并且将该数值通过显示器2201显示。当然，操作控制单元22还可以实现其他功能。

为获知待测试件20的疲劳次数，该轧辊热疲劳模拟试验装置还包括用于检测待测试件20的转动圈数的旋转计数器4，旋转计数器4的数值由显示器2201显示。此外，该轧辊热疲劳模拟试验装置还包括用于观察待测试件20的表面情况的照相机7，在照相机7附近可以设置光源6，照相机7将检测信息输送至显示器2201，该检测信息主要为待测试件20的裂纹情况。

试验时，待测试件20水平装夹于减速机25的输出轴2501与顶针3之间，在操作控制单元22的操作面板上设定转速、加热温度(加热功率)等参数，启动感应加热器2以及电机26等之后，即可进入自动试验过程。试验过程中，旋转计数器4记录疲劳循环次数，在线观察记录辊面热疲劳裂纹的进展。如图5所示，其为一种典型的热疲劳试验温度曲线，其中示出了试件表面温度随着时间的变化过程。

下面，介绍本发明的几种实施例。

实施例1

由于正常工况下，轧辊的旋转速度设定为0.5rps(转/秒)，轧辊的辊面接触温度550℃，故设定待测试件20转速V＝0.5rps，其对应的热循环周期为2s，此时所需加热功率在P＝50kW左右，待测试件20的表面温度T₁＝550℃，也可通过操作控制单元22把红外测温信号与电源1控制系统构成闭环控制回路以实现对加热温度的精准控制，完成n＝10万次循环所需时间t_n为56h左右。试验期间，可根据需要在线对待测试件20表面热疲劳情况进行实时观察、记录。改变待测试件20转速V可以模拟不同机架轧辊、不同轧制速度的工况，改变喷嘴的冷却水压、喷射角、喷射距离等也可以很方便地试验冷却参数对材料热疲劳性能的影响。试验参数V、P、t_n＝100000的对应关系如表1所示。

表1试验转速-加热功率-特征时间关系对照表

V(rps)	0.26	0.5	1
				P(kW)	30	50	100
tn＝100000(h)	111	56	28

实施例2

在某些情况下，如试样原料有限，或者不考虑轧辊应力对热疲劳的影响时，也可以简化地采用尺度为长20×宽15×高20mm的方形小试样20'(待测试件)，仅经过热处理使小试样硬度与轧辊工作层硬度一致，小试样嵌入并固定在带缺口的直径为200mm不锈钢支座28上，缺口尺寸与方形小试样20'大致相同，如图6所示。支座28之所以采用不锈钢材料，主要目的是避免支座被过分地感应加热而过早地疲劳失效。

该实施例，主要是针对小尺寸试件，未提及的部分与实施例1相同。

实施例3

在异常工况下，如热坯滞留、头尾变形等将导致辊面受到高温烫伤，加速辊面热裂纹的萌生、扩展。对此，如图7所示，可以通过控制试样转速V来模拟现场不同工位的轧辊轧制节奏。在正常旋转期间周期性或非周期性的使试样停转几秒钟，试样表面温度急剧升高，实现对热冲击疲劳的模拟。不难设想，随着热冲击温度的提高，如最高温度T₁至800℃以上时，轧辊材料热疲劳次数迅速减小，一般经过数次、数十次就可能出现裂纹，可以在不长的时间内和同一模拟现场工况条件下，比较客观、准确地评价多种轧辊材料的抗高温冲击热疲劳性能。

该实施例，主要是模拟异常工况，未提及的部分与实施例1相同。

本发明的测试装置，还可以运用于冲压模具等金属材料工件的热疲劳性能测试。

以上，仅为本发明的示意性描述，本领域技术人员应该知道，在不偏离本发明的工作原理的基础上，可以对本发明作出多种改进，这均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种轧辊热疲劳模拟试验装置，用于检测呈圆柱状的待测试件的热疲劳性能，其特征在于，包括：

驱动机构，用于安装待测试件并且驱动待测试件旋转；

感应加热器，为半环形，罩设于待测试件的其中一半圆柱体；

冷却喷嘴，用于向待测试件的另一半圆柱体喷射冷却水；

操作控制单元，用于设置所述驱动机构的转速以及所述感应加热器的加热温度，并由显示器显示。

2.如权利要求1所述的轧辊热疲劳模拟试验装置，其特征在于，还包括用于检测所述待测试件的转动圈数的旋转计数器，所述旋转计数器的数值由所述显示器显示。

3.如权利要求1所述的轧辊热疲劳模拟试验装置，其特征在于，还包括用于观察所述待测试件的表面情况的照相机，所述照相机将检测信息输送至所述显示器。

4.如权利要求1所述的轧辊热疲劳模拟试验装置，其特征在于，所述另一半圆柱体的上方设置有挡水板，下方设置有集水槽，所述冷却喷嘴设置于所述挡水板与所述集水槽之间。

5.如权利要求4所述的轧辊热疲劳模拟试验装置，其特征在于，还包括设置于所述集水槽上方的防护罩，所述防护罩上设置有开口，所述开口处安装有排气扇。

6.如权利要求4所述的轧辊热疲劳模拟试验装置，其特征在于，所述冷却喷嘴通过进水管以及水泵与水箱相接，所述集水槽设置于支座上方，所述集水槽底部通过回水管与所述水箱相接。

7.如权利要求4或5所述的轧辊热疲劳模拟试验装置，其特征在于，所述冷却喷嘴的数量为多个，分别向所述另一半圆柱体的圆周面以及端面喷冷却水。

8.如权利要求1所述的轧辊热疲劳模拟试验装置，其特征在于，所述驱动机构包括电机以及与电机相连的减速机，所述待测试件的一端套在所述减速机的输出轴上，另一端设置有顶针。

9.如权利要求1所述的轧辊热疲劳模拟试验装置，其特征在于，还包括用于测量所述待测试件温度的红外测温仪，其测试值由所述显示器显示。