CN111797534B - 一种用于确定轧辊主动再制造时机的试验方法及试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于确定轧辊主动再制造时机的试验方法及试验系统。该方法包括：计算模拟真实磨损与接触疲劳损伤所需施加的等效压力载荷与等效滑差率，输入以上等效压力载荷与等效滑差率参数进行接触疲劳与磨损模拟试验以获取接触疲劳损伤极限和磨损损伤极限；构建轧制生产过程的传热模型，依据传热模型计算值确定等效输入热量以及冷却液喷射流量，输入等效输入热量以及冷却液喷射流量值进行热疲劳模拟试验以获取热疲劳损伤极限；结合上述两项试验参数进行接触疲劳、磨损和热疲劳耦合损伤模拟试验以获取耦合损伤极限；确定轧辊主动再制造时机。本发明可实现磨损、接触疲劳、热疲劳等损伤的耦合演化模拟，并基于模拟结果确定轧辊主动再制造时机。
Description
技术领域
本发明涉及轧辊试验技术领域的一种试验方法，尤其涉及一种用于确定轧辊主动再制造时机的试验方法，还涉及该装置的用于确定轧辊主动再制造时机的试验系统。
背景技术
轧辊是轧机上使金属产生连续塑性变形的主要工作部件和工具，退役大型冶金轧辊具有可再制造性好，再制造价值高等特点，已经引起了国内外科研机构以及大型冶金装备制造企业的广泛关注。但轧辊工作状态复杂、失效形式多样，再制造前难以判断退役的轧辊能否再制造；废旧轧辊失效时间和失效状态存在差异，造成再制造毛坯质量不一，需进行单件定制化修复，再制造效率低。为此，需在轧辊服役期间选择合适的时期对其进行再制造，以最大程度地减小再制造毛坯质量的差异性及不确定性。
目前轧辊损伤试验模拟多只考虑接触疲劳、热疲劳、磨损作为单一因素的损伤演变模拟，这种模拟方式适合用于评价各种轧辊材料的抗损伤性能，但实际损伤是热、力、速度场耦合作用的结果，单一因素的模拟结果误差较大。
授权号为“CN 105277461 B”，名称为“轧辊热疲劳试验模拟装置”的专利文献中公开了一种装置，这种装置只能模拟轧辊热疲劳过程，且未分析残余应力热疲劳的影响，对无法准确模拟轧辊实际工作过程中损伤演化过程。
授权号为“CN 105277459 B”，名称为“多功能疲劳磨损试验机”的专利文献中公开了一种装置，这种装置只能模拟轧辊的接触疲劳和磨损过程，无法准确模拟轧辊实际工作过程中损伤演化过程。
综上所述，针对现有技术中难以准确模拟轧辊实际工作过程中耦合损伤演化过程的问题，难以确定其在多种损伤耦合作用下的失效时间及失效状态，更无法确定主动再制造时机，因此需要提出一种新的试验方法及其试验系统以克服上述问题。
发明内容
为解决现有的试验方法难以准确模拟轧辊实际工作过程中耦合损伤演化过程，无法确定主动再制造时机的技术问题，本发明提供一种用于确定轧辊主动再制造时机的试验方法及试验系统。
本发明采用以下技术方案实现：一种用于确定轧辊主动再制造时机的试验方法，其用于对中心轴平行设置的加载辊与试件进行试验，其包括以下步骤：
计算轧制生产过程中沿所述轧辊接触弧分布的轧制压力；
根据所述轧制压力计算出试验模拟所需施加的等效压力载荷；
计算并确定模拟轧辊实际工作中磨损与接触疲劳损伤试验机所需施加的等效滑差率；
构建轧制生产过程的传热模型，依据所述传热模型的计算值，确定加载辊的等效输入热量以及对试件的冷却液喷射流量；
根据所述等效压力载荷与所述等效滑差率进行接触疲劳与磨损模拟试验以获取接触疲劳损伤极限和磨损损伤极限；
根据所述等效输入热量以及所述冷却液喷射流量进行热疲劳模拟试验以获取热疲劳损伤极限；
根据所述等效压力载荷、所述等效滑差率、所述等效输入热量以及所述冷却液喷射流量进行接触疲劳、磨损和热疲劳三种损伤的耦合损伤模拟试验以获取耦合损伤极限；
根据所述接触疲劳损伤极限、所述磨损损伤极限、所述热疲劳损伤极限以及所述耦合损伤极限确定轧辊主动再制造时机。
本发明先计算轧制生产过程中轧制压力，并根据轧制压力而计算出等效压力载荷，然后计算等效滑差率，随后建立轧制生产过程的传热模型，依据传热模型计算结果，确定加载辊的等效输入热量以及对试件的冷却液喷射流量，而后根据前述这些计算结果而获取接触疲劳损伤极限、磨损损伤极限、热疲劳损伤极限、耦合损伤极限，最后通过这些极限而确定轧辊主动再制造时机。与现有试验方法相比，该试验方法可实现磨损、接触疲劳、热疲劳等损伤的耦合演化模拟，这样就解决了现有的试验方法难以准确模拟轧辊实际工作过程中耦合损伤演化过程，无法确定主动再制造时机的技术问题。由于试验考虑了应力、导热系数的分段分布等多种影响因素，提高等效参数的准确度，对轧辊损伤演化的预测及再制造时机判断的研究有重要意义。
作为上述方案的进一步改进，定义所述磨损损伤极限为T1，所述接触疲劳损伤极限为T2、所述热疲劳损伤极限为T3，所述耦合损伤极限为T4，所述轧辊主动再制造时机为极限T1、T2、T3、T4中的最小值。
作为上述方案的进一步改进，所述轧制压力的计算公式为：
所述等效压力载荷的计算公式为：
其中，
式中，P为所述轧制压力，Pe为所述等效压力载荷，Bm为轧件平均宽度；lc为轧辊与轧件的接触弧长，h0为轧件初始的厚度，h1为轧件轧制后的厚度，k为考虑宽度方向主应力影响系数后的变形阻力(k一般为1.15σ，σ为材料变形阻力)，u为材料动摩擦因数，ρ为试件与加载辊的综合曲率半径，ρ1为试件曲率半径，ρ2为加载辊曲率半径，b为试件辊子宽度，μ1为试件材料泊松比，μ2为加载辊材料泊松比，E1为试件材料弹性模量，E2为加载辊材料弹性模量。
作为上述方案的进一步改进，所述等效滑差率计算公式为：
式中，S为所述等效滑差率，n1为试验中试件所需施加的转速，n2为试验中加载辊所需施加的转速，R1为试件半径，R2为加载辊半径，R为实际生产中轧辊真实半径，通过该计算方法可调节加载辊和试件的转速达到所试验需要的等效滑差率。
作为上述方案的进一步改进，定义所述磨损损伤极限为T1，所述接触疲劳损伤极限为T2、所述热疲劳损伤极限为T3，所述耦合损伤极限为T4；所述轧辊主动再制造时机的计算公式为：
式中，α，β，χ，δ分别为所述接触疲劳损伤极限、所述磨损损伤极限、所述热疲劳损伤极限以及所述耦合损伤极限的确定系数。
或，
所述轧辊主动再制造时机的计算公式为：
式中，α，β，χ，δ分别为所述接触疲劳损伤极限、所述磨损损伤极限、所述热疲劳损伤极限以及所述耦合损伤极限的确定系数，T0为再制造时机的初始值。
或，
所述轧辊主动再制造时机的计算公式为：
式中，ε，φ，γ分别为所述接触疲劳损伤极限、所述磨损损伤极限、所述热疲劳损伤极限以及所述耦合损伤极限在再制造时机中所占的权重系数。
本发明还提供了一种用于确定轧辊主动再制造时机的试验系统，其应用上述任意所述的用于确定轧辊主动再制造时机的试验方法，其包括：
机架；加载辊与试件均设置在机架上；
力加载装置，其用于对试件施加力载荷，使加载辊与试件之间具有轧辊接触弧；
驱动装置，其安装在机架上，并用于驱使加载辊与试件旋转，且加载辊与试件之间形成滑差；
感应加热装置，其设置在加载辊的一侧，并用于对加载辊远离试件的弧形部位进行加热；
冷却装置，其设置在试件的一侧，并用于向试件远离加载辊的弧形部位上喷射冷却液；以及
控制装置，其用于先计算轧制生产过程中轧制压力，再根据所述轧制压力计算出试验模拟所需施加的等效压力载荷，然后计算并确定模拟试验所需施加的等效滑差率，构建轧制生产过程的传热模型，依据传热模型计算结果，确定所述感应加热装置的等效输入热量以及所述冷却装置的冷却液喷射流量，随后根据所述等效压力载荷与所述等效滑差率进行接触疲劳与磨损模拟试验以获取接触疲劳损伤极限和磨损损伤极限，根据所述等效输入热量以及所述冷却液喷射流量进行热疲劳模拟试验以获取热疲劳损伤极限，根据所述等效压力载荷、所述等效滑差率、所述等效输入热量以及所述冷却液喷射流量进行接触疲劳、磨损和热疲劳耦合损伤模拟试验以获取耦合损伤极限，最后根据所述接触疲劳损伤极限、所述磨损损伤极限、所述热疲劳损伤极限以及所述耦合损伤极限确定轧辊主动再制造时机。
作为上述方案的进一步改进，所述试验系统还包括：
固定平台，其固定在机架上；
导轨，其安装在机架上；
移动平台，其安装在导轨上，并能够沿着导轨的轨道方向靠近或远离固定平台；以及
支承装置，其包括轴承座一和轴承座二；轴承座一固定在固定平台上，并用于支承加载辊；轴承座二固定在移动平台上，并用于支承试件。
作为上述方案的进一步改进，所述力加载装置包括液压缸、安装架一、安装架二；安装架二安装在机架上，液压缸安装在安装架二上；安装架一安装在移动平台上，液压缸的伸缩杆与安装架一连接且轴向与导轨的轨道方向平行；
所述驱动装置包括安装架三、安装架四、驱动电机一以及驱动电机二；安装架三安装在固定平台上；驱动电机一安装在安装架三上，并用于驱动加载辊转动；安装架四安装在移动平台上；驱动电机二安装在安装架四上，并用于驱动试件转动；
所述感应加热装置包括感应加热电源以及感应加热线圈；感应加热电源用于向感应加热线圈供电，使感应加热线圈进行加热；感应加热线圈呈半圆环形，并罩在加载辊远离试件的半圆柱体上；
所述冷却装置包括冷却液喷头以及冷却液调节阀；冷却液喷头的喷口朝向试件远离加载辊的弧形部位，冷却液调节阀用于打开或关闭冷却液喷头。
作为上述方案的进一步改进，所述试验系统还包括：
至少两个红外测温仪，其中一个红外测温仪用于检测加载辊的表面温度，其中另一个红外测温仪用于检测试件的表面温度；所述控制装置还用于根据两个红外测温仪检测的温度信息，通过所述感应加热装置调节加载辊的表面温度，通过冷却液调节阀调节试件的表面温度；
润滑装置，其包括润滑液喷头以及润滑液调节阀；润滑液喷头用于向加载辊与试件之间的摩擦部位喷射润滑液，润滑液调节阀用于打开或关闭润滑液喷头；
射流挡板，其设置在试件与加载辊的上方，并用于遮挡从试件与加载辊溅出的润滑液和冷却液；以及
液体循环装置，其包括集液槽结构、液体循环箱、过滤网、液体输送管、液体回收管、水泵以及闸阀；集液槽结构设置在加载辊与试件的下侧，并用于收集润滑液和冷却液所形成混合液；集液槽结构的底部开设出水口，液体回收管的顶端连接在所述出水口上；过滤网安装在液体循环箱中，并将液体循环箱的内部分隔为收液空间和出液空间；液体回收管的底端伸入在所述收液空间中，水泵通过液体输送管将所述出液空间中的过滤液输送至冷却液喷头和润滑液喷头；闸阀安装在液体输送管上。
相较于现有的轧辊试验方法，本发明的用于确定轧辊主动再制造时机的试验方法及试验系统具有以下有益效果：
1、该用于确定轧辊主动再制造时机的试验方法，其先计算轧制压力，并根据轧制压力而计算出等效压力载荷，然后计算并确定模拟试验所需施加的等效滑差率，构建轧制生产过程的传热模型，依据传热模型计算结果，确定所述感应加热装置的等效输入热量以及所述冷却装置的冷却液喷射流量，而后根据前述这些计算结果而获取接触疲劳损伤极限、磨损损伤极限、热疲劳损伤极限、耦合损伤极限，最后通过这些极限而确定轧辊主动再制造时机。与现有试验方法相比，该试验方法可实现磨损、接触疲劳、热疲劳等损伤的耦合演化模拟，这样就解决了现有的试验方法难以准确模拟轧辊实际工作过程中耦合损伤演化过程的技术问题。而且，实际轧制中接触区轧辊近表面的轴向应力由板材对轧辊的摩擦力和轧辊自身弯曲应力构成，该试验方法采用对滚式试验方案，可以准确模拟轧辊工作过程中的径向应力、切向应力，应力状态与实际生产中符合程度高。由于试验考虑了接触应力、导热系数的分段分布等多种影响因素，提高等效参数的准确度，对轧辊损伤演化的预测及再制造时机判断的研究有重要意义。
2、该用于确定轧辊主动再制造时机的试验方法，其选取磨损损伤极限、接触疲劳损伤极限、热疲劳损伤极限以及耦合损伤极限中的最小值作为轧辊主动再制造时机，这样将这些损伤中的极小值作为再制造时机，能够准确地确定轧辊批量再制造的时间节点，提高再制造质量，减少试验周期。
3、该用于确定轧辊主动再制造时机的试验系统，其通过力加载装置将试件推向加载辊，形成轧辊接触弧，通过驱动装置使试件与加载辊之间产生滑差，模拟轧辊工作中轧件与轧辊的相对滑动，通过感应加热装置对加载辊位于加热区的部分进行加热，进而能够将热量传递至试件，模拟轧制生产中轧件向轧辊传热过程，通过冷却装置将冷却液喷射至试件位于冷却区的弧形部位上，实现试件热疲劳过程的模拟。
4、该用于确定轧辊主动再制造时机的试验系统，其还设置固定平台、移动平台、导轨以及支承装置。力加载装置的液压缸推动安装架一和安装架二相对运动，而安装架一进一步推动移动平台，使移动平台在导轨上朝向固定平台运动，而且能够使加载辊和试件能够相对运动并接触，形成轧辊接触弧，模拟出轧辊工作中轧件与轧辊的相接触的过程，方便进行模拟试验。
5、该用于确定轧辊主动再制造时机的试验系统，其感应加热装置的感应加热线圈罩在加载辊的半圆柱体上，能够在加载辊的表面形成高温，实现加热过程，而冷却液喷头则可以将冷却液喷射至试件的表面上，实现冷却过程，而控制装置可以根据红外测温仪所检测到的温度对感应加热装置和冷却装置进行控制，调节加载辊和试件的表面温度，模拟热传递和热疲劳过程。而润滑装置则可以喷射润滑液，使加载辊与试件之间的区域的摩擦系数降低，满足不同转速和载荷条件下的润滑要求。射流挡板能够防止冷却液喷头与润滑液喷头喷出的液体四处飞溅，避免这些液体对使用人员造成损害，同时便于回收这些液体。
6、该用于确定轧辊主动再制造时机的试验系统，其还设置液体循环装置。液体循环装置的集液槽结构能够收集润滑液和冷却液所形成的混合液并通过液体回收管汇集液体循环箱中，过滤网将混合液过滤，所过滤出的纯净液体通过水泵和液体输送管重新输送至冷却液喷头和润滑液喷头，从而完成液体的循环利用过程，实现冷却液与润滑液的循环利用，提高资源利用率。
附图说明
图1为本发明实施例1的用于确定轧辊主动再制造时机的试验方法的控制流程图。
图2为图1中的用于确定轧辊主动再制造时机的试验方法的试验原理示意图。
图3为本发明实施例1中的轧辊实际生产中近表面应力状态图。
图4为图1中的用于确定轧辊主动再制造时机的试验方法在试验中试件表面应力状态图。
图5为本发明实施例4的用于确定轧辊主动再制造时机的试验系统的正视图。
图6为图5中的用于确定轧辊主动再制造时机的试验系统的俯视图。
附图标记：
1 感应加热电源 18 水泵
2 感应加热线圈 19 闸阀
3 液压缸 20 润滑液调节阀
4 加载辊 21 冷却液调节阀
5 试件 22 集液槽结构
6 轴承座一 23 液体循环箱
7 轴承座二 24 过滤网
8 固定平台 25 射流挡板
9 移动平台 26 红外测温仪一
10 导轨 27 红外测温仪二
11 安装架一 28 安装架三
12 安装架二 29 安装架四
13 机架 30 驱动电机一
14 润滑液喷头 31 驱动电机二
15 冷却液喷头 32 联轴器
16 液体输送管 33 冷水机
17 液体回收管
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
请参阅图1-4，本实施例提供一种用于确定轧辊主动再制造时机的试验方法，该方法用于对中心轴平行设置的加载辊4与试件5进行试验。本实施例通过理论计算、现场数据采集、试验测定及有限元仿真的方法等效板带轧制生产中轧辊受到的接触载荷、热载荷及摩擦力等载荷，将等效载荷通过试验台施加在试件上进行试验模拟，实现轧辊磨损损伤、接触疲劳损伤、热疲劳损伤及三者的耦合损伤模拟。其中，加载辊4和试件5采用圆柱形，该试验方法的试验对象采用对滚形式，装置在加热区将加载辊4加热，加热温度与轧制生产中板材温度相同，加载辊4与试件5对滚接触，将热量传递到试件5，试件5旋转到冷却区时对其进行冷却。该试验方法将力载荷间接施加在试件5上，力载荷使加载辊4和试件5接触部位产生应力载荷。试件5的材质及表面处理工艺与轧辊相同，其表面与芯部的硬度与轧辊相同，试件5的淬硬深度与试件5直径之比与轧辊淬硬深度与轧辊直径之比接近。其中，该试验方法包括以下这些步骤。
步骤一：计算轧制生产过程中沿轧辊接触弧分布的轧制压力。在本实施例中，根据板材轧制实际工作参数，轧制压力的计算公式为：
其中，式中，P为所述轧制压力，Bm为轧件平均宽度；lc为轧辊与轧件的接触弧长，h0为轧件初始的厚度，h1为轧件轧制后的厚度，k为考虑宽度方向主应力影响系数后的变形阻力(k一般为1.15σ，σ为材料变形阻力)，u为材料动摩擦因数。
步骤二：根据轧制压力计算出试验模拟所需施加的等效压力载荷。在本实施例中，等效压力载荷的计算公式为：
其中Pe为所述等效压力载荷，ρ为试件(5)与加载辊(4)的综合曲率半径，ρ1为试件(5)曲率半径，ρ2为加载辊(4)曲率半径，b为试件(5)辊子宽度，μ1为试件(5)材料泊松比，μ2为加载辊(4)材料泊松比，E1为试件(5)材料弹性模量，E2为加载辊(4)材料弹性模量。
步骤三：计算并确定模拟试验所需施加的等效滑差率。在本实施例中，等效滑差率的计算公式为：
式中，S为所述等效滑差率，n1为试验中试件(5)所需施加的转速，n2为试验中加载辊(4)所需施加的转速，R1为试件(5)半径，R2为加载辊(4)半径，R为实际生产中轧辊真实半径，通过该计算方法可调节加载辊(4)和试件(5)的转速达到所试验需要的等效滑差率。
步骤四：确定感应加热装置的等效输入热量以及冷却装置的冷却液喷射流量。先确定轧辊表面不同部位的换热系数，构建实际生产中轧辊圆周截面的高精度二维传热模型，并获轧辊工作过程的温度分布数据，依据仿真获取的温度数据确定试验所需的等效输入热量以及所述冷却液喷射流量。
步骤五：根据所述等效压力载荷与所述等效滑差率进行接触疲劳与磨损模拟试验以获取接触疲劳损伤极限和磨损损伤极限，根据所述等效输入热量以及所述冷却液喷射流量进行热疲劳模拟试验以获取热疲劳损伤极限，根据所述等效压力载荷、所述等效滑差率、所述等效输入热量以及所述冷却液喷射流量进行接触疲劳、磨损和热疲劳耦合损伤模拟试验以获取耦合损伤极限。
步骤六：根据接触疲劳损伤极限、磨损损伤极限、热疲劳损伤极限以及耦合损伤极限确定轧辊主动再制造时机。在本实施例中，采用试验模拟结合主动再制造理论的方法，确定轧辊的磨损损伤极限T1、接触疲劳损伤极限T2、热疲劳损伤极限T3、耦合损伤极限T4，并取T1、T2、T3、T4最小值作为轧辊主动再制造时机T，即：
综上所述，相较于现有的轧辊试验方法，本发明的用于确定轧辊主动再制造时机的试验方法具有以下优点：
1、该用于确定轧辊主动再制造时机的试验方法，其先计算轧辊接触弧分布的轧制压力，并根据轧制压力而计算出等效压力载荷，然后计算等效滑差率，随后构建轧制生产过程的传热模型，依据传热模型计算值确定等效输入热量以及冷却液喷射流量，而后根据前述这些计算结果进行试验而获取接触疲劳损伤极限、磨损损伤极限、热疲劳损伤极限、耦合损伤极限，最后通过这些极限而确定轧辊主动再制造时机。与现有试验方法相比，该试验方法可实现磨损、接触疲劳、热疲劳等损伤的耦合演化模拟，这样就解决了现有的试验方法难以准确模拟轧辊实际工作过程中耦合损伤演化过程的技术问题。而且，实际轧制中接触区轧辊近表面的轴向应力由板材对轧辊的摩擦力和轧辊自身弯曲应力构成，该试验方法采用对滚式试验方案，可以准确模拟轧辊工作过程中的径向应力、切向应力，应力状态与实际生产中符合程度高。由于试验考虑了应力、导热系数的分段分布等多种影响因素，提高等效参数的准确度，对轧辊损伤演化的预测及再制造时机判断的研究有重要意义。
2、该用于确定轧辊主动再制造时机的试验方法，其选取磨损损伤极限、接触疲劳损伤极限、热疲劳损伤极限以及耦合损伤极限中的最小值作为轧辊主动再制造时机，这样将这些损伤中的极小值作为再制造时机，能够准确地确定轧辊批量再制造的时间节点，提高再制造质量，减少试验周期。
实施例2
本实施例提供了一种用于确定轧辊主动再制造时机的试验方法，该方法在实施例1的基础上进行具体举例，具体参数请参阅表1。
表1生产中轧制参数表
在步骤二中，依据赫兹公式与疲劳损伤理论，当加载辊4直径为60mm、宽度为15mm，试件5直径为30mm、宽度为20mm时，压力载荷加载至6000N时，加载辊4与试件5间的最大接触压力约为1000MPa，因此需施加6000N的等效压力。
在步骤三中，依据轧辊轧制过程中轧件与轧辊接触弧长，确定对辊方式模拟真实磨损损伤所需施加的转速差，一般在0.2％-0.5％。
在步骤四中，对比分析轧辊与试件的热应力分布结果，确定试验装置所需施加的等效热量输入及冷却液喷射流量、流量及介质种类。
在步骤五中，按照试验所需的循环顺序及循环次数进行磨损、接触疲劳、热疲劳耦合损伤试验模拟。
实际轧制中接触区轧辊近表面的轴向应力由板材对轧辊的摩擦力和轧辊自身弯曲应力构成，本实施例中采用对滚式试验方案，可以准确模拟轧辊工作过程中的径向应力、切向应力，应力状态与实际生产中符合程度高。
实施例3
本实施例提供了一种用于确定轧辊主动再制造时机的试验方法，该方法与实施例1的方法相似，区别在于轧辊主动再制造时机的计算公式不同，而本实施例中提供多种计算公式。
其中一种轧辊主动再制造时机的计算公式为：
式中，α，β，χ，δ分别为接触疲劳损伤极限、磨损损伤极限、热疲劳损伤极限以及耦合损伤极限的确定系数，其根据实际需要进行确定。
其中另一种轧辊主动再制造时机的计算公式为：
式中，T0为再制造时机的初始值。
其中又一种轧辊主动再制造时机的计算公式为：
式中，ε，φ，γ分别为接触疲劳损伤极限、磨损损伤极限、热疲劳损伤极限以及耦合损伤极限在再制造时机中所占的权重系数。
这里需要说明的是，上述几个公式只是确定轧辊主动再制造时机的其中几种公式，在实际测量中，轧辊主动再制造时机的计算公式是根据接触疲劳损伤极限、磨损损伤极限、热疲劳损伤极限以及耦合损伤极限而确定的，公式是可以改变的，因而对于如何获取更符合实际测量需要的计算公式可以在实际测量中进行选取。
实施例4
请参阅图5以及图6，本实施例提供了一种用于确定轧辊主动再制造时机的试验系统，该装置应用实施例1-3中所提供的任意一种试验方法，对加载辊4与试件5进行试验。该试验系统通过理论计算、现场数据采集、试验测定及有限元仿真的方法等效板带轧制生产中轧辊受到的接触载荷、热载荷及摩擦力等载荷，将等效载荷通过试验台施加在试件上进行试验模拟，实现轧辊磨损、接触疲劳、热疲劳耦合损伤的模拟。在本实施例中，该试验系统包括机架13、力加载装置、驱动装置、感应加热装置、冷却装置、控制装置，还可以包括固定平台8、导轨10、移动平台9、支承装置、红外测温仪、润滑装置、射流挡板25以及液体循环装置。
加载辊4与试件5均设置在机架13上。机架13的顶部设置长方形平台，机架13的中部镂空，机架13的底部设置在地面上。机架13可以采用耐腐蚀的不锈钢材料构成，其底部还可以设置减震结构。机架13的高度一般根据试验人员的高度进行设置，其可以与其他的试验设备进行连接，也可以供其他试验设备安装定位。
固定平台8固定在机架13上，其为一块平板，并且直接固定在机架13的顶部上。固定平台8可以直接焊接在机架13上，也可以通过螺栓等连接件固定在机架13上，固定平台8还可以直接与机架13一体成型。固定平台8相对机架13而言，其位置是固定的，并会产生横向或纵向偏移。
导轨10安装在机架13上，其可以直接焊接在机架13上，也可以通过螺栓等固定件固定在机架13上，还可以是机架13上的凸起部分。移动平台9安装在导轨10上，并能够沿着导轨10的轨道方向靠近或远离固定平台8。移动平台9与导轨10相互配合，使得移动平台9与固定平台8之间的距离可变。在本实施例中，移动平台9的顶面与固定平台8的顶面位于同一个水平面上，在其他实施例中，这两个顶面之间可以产生相对高度差。
支承装置包括轴承座一6和轴承座二7。轴承座一6固定在固定平台8上，并用于支承加载辊4。轴承座二7固定在移动平台9上，并用于支承试件5。支承装置能够将加载辊4和试件5支撑起来，而在移动平台9移动时，轴承座二7会相对轴承座一6发生移动，从而使试件5能够朝向或远离加载辊4运动。
力加载装置用于对试件5施加力载荷，使加载辊4与试件5之间具有轧辊接触弧。在本实施例中，力加载装置包括液压缸3、安装架一11、安装架二12。安装架二12安装在机架13上，液压缸3安装在安装架二12上。安装架一11安装在移动平台9上，液压缸3的伸缩杆与安装架一11连接且轴向与导轨10的轨道方向平行。液压缸3推动移动平台9，将力载荷施加在加载辊4与试件5之间，使加载辊4与试件5之间最大接触压力达到1000MPa，甚至还可以更多。
驱动装置安装在机架13上，并用于驱使加载辊4与试件5旋转，且加载辊4与试件5之间形成滑差。在本实施例中，驱动装置包括安装架三28、安装架四29、驱动电机一30以及驱动电机二31。安装架三28安装在固定平台8上。驱动电机一30安装在安装架三28上，并用于通过其中一个联轴器32驱动加载辊4转动。安装架四29安装在移动平台9上。驱动电机二31安装在安装架四29上，并用于通过其中另一个联轴器32驱动试件5转动。驱动电机一30和驱动电机二31能够通过转动分别带动加载辊4与试件5，在同向转动时选择不同的转速，这样加载辊4与试件5两者之间产生滑差，从而模拟轧辊工作中轧件与轧辊的相对滑动。试件5每旋转一周分别经历一次冷热循环，即一次热疲劳过程，与实际生产中热疲劳过程相符合，因此发明的装置可以准确模拟轧辊热疲劳过程。
感应加热装置设置在加载辊4的一侧，并用于对加载辊4远离试件5的弧形部位进行加热。在本实施例中，感应加热装置包括感应加热电源1以及感应加热线圈2。感应加热电源1用于向感应加热线圈2供电，使感应加热线圈2进行加热。感应加热线圈2呈半圆环形，并罩在加载辊4远离试件5的半圆柱体上。在本实施例中，感应加热线圈2与加载辊4之间距离为5mm，加热区的加载辊4的表面温度在1000摄氏度。在其他实施例中，感应加热装置还可以替换成其他的加热装置，只要能够满足加热需求即可。
冷却装置设置在试件5的一侧，并用于向试件5远离加载辊4的弧形部位上喷射冷却液。冷却装置包括冷却液喷头15以及冷却液调节阀21，还可以包括冷水机33。冷却液喷头15的喷口朝向试件5远离加载辊4的弧形部位，冷却液调节阀21用于打开或关闭冷却液喷头15。冷水机33能够降低液体温度，生成冷却液。控制装置可以通过冷却液调节阀21控制冷却液喷头15射流大小，进行试件5冷却后温度的调节，实现试件5热疲劳过程的模拟。
红外测温仪的数量至少为两个，而且其中一个红外测温仪用于检测加载辊4的表面温度，其中另一个红外测温仪用于检测试件5的表面温度。在本实施例中，这两个红外测温仪分别为红外测温仪一26和红外测温仪二27。红外测温仪一26设置在加载辊4周围，获取待加载辊4的表面温度，并反馈至感应加热电源1，调节加载辊4表面温度。加载辊4与试件5接触，将热传递到试件5上，模拟轧制生产中轧件向轧辊传热过程。红外测温仪二27设置在试件5周围，其获取试件5的表面温度，并反馈至冷却装置，通过冷却液调节阀21控制冷却液喷头15射流大小，进行试件5冷却后温度的调节，实现试件5热疲劳过程的模拟。
润滑装置用于向加载辊4与试件5间的摩擦副喷射润滑液，润滑装置包括润滑液喷头14以及润滑液调节阀20。润滑液喷头14用于向加载辊4与试件5之间的摩擦部位喷射润滑液，润滑液调节阀20用于打开或关闭润滑液喷头14。润滑液调节阀20控制润滑液的射流大小，满足不同转速和载荷条件下的润滑要求。
射流挡板25设置在试件5与加载辊4的上方，并用于遮挡从试件5与加载辊4溅出的润滑液和冷却液。射流挡板25构成罩状结构，其能够防止冷却液喷头15与润滑液喷头14喷出的液体四处飞溅，并且使飞溅出来的液体同其他液体一起回流至液体循环装置中。射流挡板25可以采用耐腐蚀材料制成，也可以在其表面涂覆耐腐蚀，抗压抗冲击的涂料。
液体循环装置包括集液槽结构22、液体循环箱23、过滤网24、液体输送管16、液体回收管17、水泵18以及闸阀19。集液槽结构22设置在加载辊4与试件5的下侧，并用于收集润滑液和冷却液所形成混合液。集液槽结构22的底部开设出水口，液体回收管17的顶端连接在出水口上。过滤网24安装在液体循环箱23中，并将液体循环箱23的内部分隔为收液空间和出液空间。液体回收管17的底端伸入在收液空间中，水泵18通过液体输送管16将出液空间中的过滤液输送至冷却液喷头15和润滑液喷头14。闸阀19安装在液体输送管16上。这样，液体的流动方向为：收液空间》出液空间》液体输送管16》冷却液喷头15或润滑液喷头14》加载辊4或试件5》集液槽结构22》液体回收管17》收液空间，实现液体的循环利用。
控制装置先用于先计算轧制生产过程中轧制压力，再根据所述轧制压力计算出试验模拟所需施加的等效压力载荷，然后计算并确定模拟试验所需施加的等效滑差率，构建轧制生产过程的传热模型，依据传热模型计算结果，确定所述感应加热装置的等效输入热量以及所述冷却装置的冷却液喷射流量，随后根据所述等效压力载荷与所述等效滑差率进行接触疲劳与磨损模拟试验以获取接触疲劳损伤极限和磨损损伤极限，根据所述等效输入热量以及所述冷却液喷射流量进行热疲劳模拟试验以获取热疲劳损伤极限，根据所述等效压力载荷、所述等效滑差率、所述等效输入热量以及所述冷却液喷射流量进行接触疲劳、磨损和热疲劳耦合损伤模拟试验以获取耦合损伤极限，最后根据所述接触疲劳损伤极限、所述磨损损伤极限、所述热疲劳损伤极限以及所述耦合损伤极限确定轧辊主动再制造时机。控制装置还用于根据两个红外测温仪检测的温度信息，通过感应加热装置调节加载辊4的表面温度，通过冷却液调节阀21调节试件5的表面温度。
在本实施例中，定义磨损损伤极限为T1，接触疲劳损伤极限为T2、热疲劳损伤极限为T3，耦合损伤极限为T4，轧辊主动再制造时机为极限T1、T2、T3、T4中的最小值。在其他实施例中，轧辊主动再制造时机T还可以通过其他方式进行确定。这样，将这些损伤中的极小值作为再制造时机，能够准确地确定轧辊批量再制造的时间节点，提高再制造质量，减少试验周期。
综上所述，相较于现有的轧辊试验系统，本发明的用于确定轧辊主动再制造时机的试验系统及其试验方法具有以下有益效果：
1、该用于确定轧辊主动再制造时机的试验系统，其通过力加载装置将试件5推向加载辊4，形成轧辊接触弧，通过驱动装置使试件5与加载辊4之间产生滑差，模拟轧辊工作中轧件与轧辊的相对滑动，通过感应加热装置对加载辊4位于加热区的部分进行加热，进而能够将热量传递至试件5，模拟轧制生产中轧件向轧辊传热过程，通过冷却装置将冷却液喷射至试件5位于冷却区的弧形部位上，实现试件5热疲劳过程的模拟。在模拟的过程中，控制装置先计算轧制压力，并根据轧制压力而计算出等效压力载荷，然后计算并确定模拟试验所需施加的等效滑差率，构建轧制生产过程的传热模型，依据传热模型计算结果，确定所述感应加热装置的等效输入热量以及所述冷却装置的冷却液喷射流量，而后根据前述这些计算结果而获取接触疲劳损伤极限、磨损损伤极限、热疲劳损伤极限、耦合损伤极限，最后通过这些极限而确定轧辊主动再制造时机。与现有试验装置相比，该试验系统可实现磨损、接触疲劳、热疲劳等损伤的耦合演化模拟，而且，实际轧制中接触区轧辊近表面的轴向应力由板材对轧辊的摩擦力和轧辊自身弯曲应力构成，该试验系统采用对滚式试验方案，可以准确模拟轧辊工作过程中的径向应力、切向应力，应力状态与实际生产中符合程度高。由于试验考虑了应力、导热系数的分段分布等多种影响因素，提高等效参数的准确度，对轧辊损伤演化的预测及再制造时机判断的研究有重要意义。
2、该用于确定轧辊主动再制造时机的试验系统，其控制装置选取磨损损伤极限、接触疲劳损伤极限、热疲劳损伤极限以及耦合损伤极限中的最小值作为轧辊主动再制造时机，这样将这些损伤中的极小值作为再制造时机，能够准确地确定轧辊批量再制造的时间节点，提高再制造质量，减少试验周期。
3、该用于确定轧辊主动再制造时机的试验系统，其还设置固定平台8、移动平台9、导轨10以及支承装置。力加载装置的液压缸3推动安装架一11和安装架二12相对运动，而安装架一11进一步推动移动平台9，使移动平台9在导轨10上朝向固定平台8运动，而且能够使加载辊4和试件5能够相对运动并接触，形成轧辊接触弧，模拟出轧辊工作中轧件与轧辊的相接触的过程，方便进行模拟试验。
4、该用于确定轧辊主动再制造时机的试验系统，其感应加热装置的感应加热线圈2罩在加载辊4的半圆柱体上，能够在加载辊4的表面形成高温，实现加热过程，而冷却液喷头15则可以将冷却液喷射至试件5的表面上，实现冷却过程，而控制装置可以根据红外测温仪所检测到的温度对感应加热装置和冷却装置进行控制，调节加载辊4和试件5的表面温度，模拟热传递和热疲劳过程。而润滑装置则可以喷射润滑液，使加载辊4与试件5之间的区域的摩擦系数降低，满足不同转速和载荷条件下的润滑要求。射流挡板25能够防止冷却液喷头15与润滑液喷头14喷出的液体四处飞溅，避免这些液体对使用人员造成损害，同时便于回收这些液体。
5、该用于确定轧辊主动再制造时机的试验系统，其还设置液体循环装置。液体循环装置的集液槽结构22能够收集润滑液和冷却液所形成的混合液并通过液体回收管17汇集液体循环箱23中，过滤网24将混合液过滤，所过滤出的纯净液体通过水泵18和液体输送管16重新输送至冷却液喷头15和润滑液喷头14，从而完成液体的循环利用过程，实现冷却液与润滑液的循环利用，提高资源利用率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种用于确定轧辊主动再制造时机的试验方法，其用于对中心轴平行设置的加载辊(4)与试件(5)进行试验，其特征在于，其包括以下步骤：
计算轧制生产过程中沿所述轧辊接触弧分布的轧制压力；
根据所述轧制压力计算出试验模拟所需施加的等效压力载荷；
计算并确定模拟轧辊实际工作中磨损与接触疲劳损伤试验机所需施加的等效滑差率；
构建轧制生产过程的传热模型，依据所述传热模型的计算值，确定加载辊(4)的等效输入热量以及对试件(5)的冷却液喷射流量；
根据所述等效压力载荷与所述等效滑差率进行接触疲劳与磨损模拟试验以获取接触疲劳损伤极限和磨损损伤极限；
根据所述等效输入热量以及所述冷却液喷射流量进行热疲劳模拟试验以获取热疲劳损伤极限；
根据所述等效压力载荷、所述等效滑差率、所述等效输入热量以及所述冷却液喷射流量进行接触疲劳、磨损和热疲劳三种损伤的耦合损伤模拟试验以获取耦合损伤极限；
根据所述接触疲劳损伤极限、所述磨损损伤极限、所述热疲劳损伤极限以及所述耦合损伤极限确定轧辊主动再制造时机；
其中，所述轧制压力的计算公式为：
所述等效压力载荷的计算公式为：
其中，
式中，P为所述轧制压力，Pe为所述等效压力载荷，Bm为轧件平均宽度；lc为轧辊与轧件的接触弧长，h0为轧件初始的厚度，h1为轧件轧制后的厚度，g1为轧件轧制后的厚度，k为考虑宽度方向主应力影响系数后的变形阻力，u为材料动摩擦因数,ρ为试件(5)与加载辊(4)的综合曲率半径，ρ1为试件(5)曲率半径，ρ2为加载辊(4)曲率半径，b为试件(5)辊子宽度，μ1为试件(5)材料泊松比，μ2为加载辊(4)材料泊松比，E1为试件(5)材料弹性模量，E2为加载辊(4)材料弹性模量。
2.如权利要求1所述的用于确定轧辊主动再制造时机的试验方法，其特征在于，定义所述磨损损伤极限为T1，所述接触疲劳损伤极限为T2、所述热疲劳损伤极限为T3，所述耦合损伤极限为T4，所述轧辊主动再制造时机为极限T1、T2、T3、T4中的最小值。
3.如权利要求1所述的用于确定轧辊主动再制造时机的试验方法，其特征在于，k为1.15σ，σ为材料变形阻力。
4.如权利要求1所述的用于确定轧辊主动再制造时机的试验方法，其特征在于，所述等效输入热量以及冷却液喷射流量确定方法主要包括：先确定轧辊表面不同部位的换热系数，构建实际生产中轧辊圆周截面的高精度二维传热模型，并获轧辊工作过程的温度分布数据，依据仿真获取的温度数据确定试验所需的等效输入热量以及所述冷却液喷射流量。
5.如权利要求1所述的用于确定轧辊主动再制造时机的试验方法，其特征在于，所述等效滑差率计算方法为：
式中，S为所述等效滑差率，n1为试验中试件(5)所需施加的转速，n2为试验中加载辊(4)所需施加的转速，R1为试件(5)半径，R2为加载辊(4)半径，R为实际生产中轧辊真实半径，通过该计算方法可调节加载辊(4)和试件(5)的转速达到所试验需要的等效滑差率。
6.如权利要求1所述的用于确定轧辊主动再制造时机的试验方法，其特征在于，定义所述磨损损伤极限为T1，所述接触疲劳损伤极限为T2、所述热疲劳损伤极限为T3，所述耦合损伤极限为T4；所述轧辊主动再制造时机的计算公式为：
式中，α，β，χ，δ分别为所述接触疲劳损伤极限、所述磨损损伤极限、所述热疲劳损伤极限以及所述耦合损伤极限的确定系数。
7.如权利要求1所述的用于确定轧辊主动再制造时机的试验方法，其特征在于，定义所述磨损损伤极限为T1，所述接触疲劳损伤极限为T2、所述热疲劳损伤极限为T3，所述耦合损伤极限为T4；
所述轧辊主动再制造时机的计算公式为：
式中，α，β，χ，δ分别为所述接触疲劳损伤极限、所述磨损损伤极限、所述热疲劳损伤极限以及所述耦合损伤极限的确定系数，T0为再制造时机的初始值。
8.如权利要求1所述的用于确定轧辊主动再制造时机的试验方法，其特征在于，定义所述磨损损伤极限为T1，所述接触疲劳损伤极限为T2、所述热疲劳损伤极限为T3，所述耦合损伤极限为T4；
所述轧辊主动再制造时机的计算公式为：
式中，ε，φ，γ分别为所述接触疲劳损伤极限、所述磨损损伤极限、所述热疲劳损伤极限以及所述耦合损伤极限在再制造时机中所占的权重系数。
9.一种用于确定轧辊主动再制造时机的试验系统，其应用于如权利要求1-8中任意一项所述的用于确定轧辊主动再制造时机的试验方法，其特征在于，其包括：
机架(13)；加载辊(4)与试件(5)均设置在机架(13)上；
力加载装置，其用于对试件(5)施加力载荷，使加载辊(4)与试件(5)之间达到等效压力；
驱动装置，其安装在机架(13)上，并用于驱使加载辊(4)与试件(5)旋转，且加载辊(4)与试件(5)之间形成滑差；
感应加热装置，其设置在加载辊(4)的一侧，并用于对加载辊(4)远离试件(5)的弧形部位进行加热；
冷却装置，其设置在试件(5)的一侧，并用于向试件(5)远离加载辊(4)的弧形部位上喷射冷却液；以及
控制装置，其用于先计算轧制生产过程中轧制压力，再根据所述轧制压力计算出试验模拟所需施加的等效压力载荷，然后计算并确定模拟试验所需施加的等效滑差率，构建轧制生产过程的传热模型，依据传热模型计算结果，确定所述感应加热装置的等效输入热量以及所述冷却装置的冷却液喷射流量，随后根据所述等效压力载荷与所述等效滑差率进行接触疲劳与磨损模拟试验以获取接触疲劳损伤极限和磨损损伤极限，根据所述等效输入热量以及所述冷却液喷射流量进行热疲劳模拟试验以获取热疲劳损伤极限，根据所述等效压力载荷、所述等效滑差率、所述等效输入热量以及所述冷却液喷射流量进行接触疲劳、磨损和热疲劳耦合损伤模拟试验以获取耦合损伤极限，最后根据所述接触疲劳损伤极限、所述磨损损伤极限、所述热疲劳损伤极限以及所述耦合损伤极限确定轧辊主动再制造时机。
10.如权利要求9所述的用于确定轧辊主动再制造时机的试验系统，其特征在于，所述试验系统还包括：
固定平台(8)，其固定在机架(13)上；
导轨(10)，其安装在机架(13)上；
移动平台(9)，其安装在导轨(10)上，并能够沿着导轨(10)的轨道方向靠近或远离固定平台(8)；以及
支承装置，其包括轴承座一(6)和轴承座二(7)；轴承座一(6)固定在固定平台(8)上，并用于支承加载辊(4)；轴承座二(7)固定在移动平台(9)上，并用于支承试件(5)。
11.如权利要求10所述的用于确定轧辊主动再制造时机的试验系统，其特征在于，所述力加载装置包括液压缸(3)、安装架一(11)、安装架二(12)；安装架二(12)安装在机架(13)上，液压缸(3)安装在安装架二(12)上；安装架一(11)安装在移动平台(9)上，液压缸(3)的伸缩杆与安装架一(11)连接且轴向与导轨(10)的轨道方向平行；
所述驱动装置包括安装架三(28)、安装架四(29)、驱动电机一(30)以及驱动电机二(31)；安装架三(28)安装在固定平台(8)上；驱动电机一(30)安装在安装架三(28)上，并用于驱动加载辊(4)转动；安装架四(29)安装在移动平台(9)上；驱动电机二(31)安装在安装架四(29)上，并用于驱动试件(5)转动；
所述感应加热装置包括感应加热电源(1)以及感应加热线圈(2)；感应加热电源(1)用于向感应加热线圈(2)供电，使感应加热线圈(2)进行加热；感应加热线圈(2)呈半圆环形，并罩在加载辊(4)远离试件(5)的半圆柱体上；
所述冷却装置包括冷却液喷头(15)以及冷却液调节阀(21)；冷却液喷头(15)的喷口朝向试件(5)远离加载辊(4)的弧形部位，冷却液调节阀(21)用于打开或关闭冷却液喷头(15)。
12.如权利要求11所述的用于确定轧辊主动再制造时机的试验系统，其特征在于，所述试验系统还包括：
至少两个红外测温仪，其中一个红外测温仪用于检测加载辊(4)的表面温度，其中另一个红外测温仪用于检测试件(5)的表面温度；所述控制装置还用于根据两个红外测温仪检测的温度信息，通过所述感应加热装置调节加载辊(4)的表面温度，通过冷却液调节阀(21)调节试件(5)的表面温度；
润滑装置，其包括润滑液喷头(14)以及润滑液调节阀(20)；润滑液喷头(14)用于向加载辊(4)与试件(5)之间的摩擦部位喷射润滑液，润滑液调节阀(20)用于打开或关闭润滑液喷头(14)；
射流挡板(25)，其设置在试件(5)与加载辊(4)的上方，并用于遮挡从试件(5)与加载辊(4)溅出的润滑液和冷却液；以及
液体循环装置，其包括集液槽结构(22)、液体循环箱(23)、过滤网(24)、液体输送管(16)、液体回收管(17)、水泵(18)以及闸阀(19)；集液槽结构(22)设置在加载辊(4)与试件(5)的下侧，并用于收集润滑液和冷却液所形成混合液；集液槽结构(22)的底部开设出水口，液体回收管(17)的顶端连接在所述出水口上；过滤网(24)安装在液体循环箱(23)中，并将液体循环箱(23)的内部分隔为收液空间和出液空间；液体回收管(17)的底端伸入在所述收液空间中，水泵(18)通过液体输送管(16)将所述出液空间中的过滤液输送至冷却液喷头(15)和润滑液喷头(14)；闸阀(19)安装在液体输送管(16)上。
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