CN113441558A - 基于前滑法的轧机轧制界面摩擦系数测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明基于前滑法的轧机轧制界面摩擦系数测量装置，包括机架，机架上依次设置前张力角调节机构、前张力辊承受压力测量机构、前板厚测量机构、前滑值测量机构、后板厚测量机构、后张力辊承受压力测量机构以及后张力角调节机构，前张力角调节机构与后张力角调节机构结构相同，用于调节张力角；前张力辊承受压力测量机构与后张力辊承受压力测量机构结构相同，用于测量轧制时张力辊承受压力的大小；前板厚测量机构与后板厚测量机构结构相同，用于测量轧制板带的厚度；前滑值测量机构用于测量前滑值。本发明结构简单紧凑，易于拆卸，方便维修维护。

Description

基于前滑法的轧机轧制界面摩擦系数测量装置

技术领域

本发明属于轧制测量装置技术领域，具体涉及一种基于前滑法的轧机轧制界面摩擦系数测量装置。

背景技术

板带轧制实际上就是轧件在旋转的轧辊间产生塑性变形，轧出所需断面形状和尺寸的钢材，在此过程中不可避免会产生摩擦，轧制时工作辊承受周期性载荷的作用，表面温度剧烈波动，与轧件之间以及支撑辊之间存在相互接触摩擦并伴有坚硬的破碎氧化铁皮的研磨，因此，其摩擦状态较为复杂。摩擦还会造成轧制压力增大，轧辊的磨损加剧，使得轧制过程中能量损耗增大，轧制成本大幅度提高；同时，摩擦还会影响变形区内前滑区与后滑区的分布，进而影响到轧制板材的表面质量。据调查统计，我国每年因摩擦磨损而消耗的轧辊材料将近30万吨，因轧辊磨损而造成大量的轧制板材产品质量不合格，给国家造成价值数十亿的经济损失。

轧制速度、轧制温度、轧辊与轧件之间的润滑方式、轧辊的表面形状、稳定轧制时轧制界面的摩擦系数等都会影响轧制板带的表面质量，其中摩擦系数的影响是最大的。目前测量摩擦系数的主要方法有轧件强迫制动法、打滑法、扭矩法、组合法、压力法、压力针测量法、前滑/后滑热轧摩擦测试法、最大咬入角法、压力反推法、前滑法等，其中使用前滑法是采用稳定轧制过程中的前滑值来计算摩擦系数的一种方法，基于轧件前滑值与摩擦系数之间存在一定关系，由测定的前滑值，根据理论推导就可以方便地得到轧制界面的摩擦系数，并且前滑法测量轧制界面摩擦系数操作简单，而且测量结果与实际相符，不破坏轧制过程，而其他的测量方法相比前滑法存在一些缺点，例如压力反推法，该方法通过实测轧制过程中的轧制压力以及轧件相关强度参数，然后根据轧制压力公式反推出摩擦系数的方法，该方法操作以及计算复杂，可能导致测量结果不精确。

发明内容

为了进一步提高轧制板带的板带质量，精确测量稳定轧制时轧制界面的摩擦系数，本发明提供了一种基于前滑法的轧机轧制界面摩擦系数测量装置，本发明装置结构简单合理，易于拆卸，技术原理可行，测量结果精确。

为了达到上述目的，本发明所采取的具体技术方案为：

基于前滑法的轧机轧制界面摩擦系数测量装置，其包括机架，机架上依次设置前张力角调节机构、前张力辊承受压力测量机构、前板厚测量机构、前滑值测量机构、后板厚测量机构、后张力辊承受压力测量机构以及后张力角调节机构，前张力角调节机构与后张力角调节机构结构相同，用于调节张力角；前张力辊承受压力测量机构与后张力辊承受压力测量机构结构相同，用于测量轧制时张力辊承受压力的大小；前板厚测量机构与后板厚测量机构结构相同，用于测量轧制板带的厚度；前滑值测量机构用于测量前滑值。

本发明中，前滑值测量机构能够测量前滑值的大小，板厚测量机构能够实时测量轧制板带的厚度，前后张力测量机构包括张力角调节机构和张力辊承受压力测量机构，能够实时调节张力角以及测量轧制时张力辊承受压力的大小，经计算处理后就可以得到轧制过程中前后张力的大小，将测得的板带厚度值、前后张力值、前滑值经数据处理机构处理，可得到稳定轧制时轧制界面的摩擦系数。

优选的，所述的机架由平行布设的七个方形框架组成，七个方形框架依次安装所述的前张力角调节机构、前张力辊承受压力测量机构、前板厚测量机构、前滑值测量机构、后板厚测量机构、后张力辊承受压力测量机构、后张力角调节机构。

优选的，所述的前张力角调节机构包括导向辊、底座、液压机构，导向辊滚动式地安装于机架的第一方形框架，第一方形框架的下方设有所述的底座，底座之上设有所述的液压机构，液压机构的上端顶于所述的第一方形框架的底面，通过液压机构使得导向辊上下移动。通过液压机构使得导向辊上下移动调节张力角α的大小。

优选的，张力辊承受压力测量机构共有2组，分别位于板厚测量机构的前后，位于板厚测量机构之前的为前张力辊承受压力测量机构，用来检测轧制前的压力Q_左和Q_右的大小，位于板厚测量机构之后的为后张力辊承受压力测量机构，用来测量轧制后的压力Q_左和Q_右的大小。

优选的，所述的前张力辊承受压力测量机构包括张力辊、轴承、轴承座、传力杆、张力传感器，张力辊的两端分别通过轴承及轴承座安装于机架的第二方形框架，第二方形框架的两侧各设置张力传感器，张力传感器处于轴承座下方，两者间顶压传力杆。传力杆共有2个，分别位于左右轴承座之下，传力杆的一端抵在轴承座上，另一端抵在张力传感器上；张力传感器测得的分别为左右两端的压力Q_左和Q_右。

优选的，板厚测量机构有2组，分别位于工作辊的前后，位于工作辊之前的检测机构用来检测板带的初始厚度，位于工作辊之后的机构用于检测轧制后板带的厚度，每组设有数对板厚测量机构，等距固设在机架上，每对板厚测量机构分别固设在机架的上下侧，并且一一正对。

优选的，所述的前板厚测量机构设置于机架的第三框架，共有数对，每对上下相对应。

优选的，所述的前板厚测量机构包括滚珠、柱塞、检测套筒、隔热套、密封活塞、密封圈、气体单向阀、气压传感器、密封垫片；所述检测套筒的上部呈锥形，下部呈柱形，下部的底边开有一通孔并设有一气体单向阀，下部内壁上下活动式配合密封活塞，密封活塞与下部内壁间还设有密封圈；密封活塞的上表面连接柱塞，柱塞的上部活动式地伸出上部的上端，且柱塞的顶部形成凹槽，滚珠置入凹槽且部分凸出于凹槽；所述的气压传感器固设在检测套筒的内底部。

通过气体单向阀向检测套筒内通入压强为P₀，体积为V₀的气体；气压传感器固设在检测套筒的底部，实时检测密封活塞以下区域的气体压强变化。初始时，上下检测机构由于气压的作用分别抵在板带上，板带厚度发生变化时，就会推动柱塞上下移动，导致气压传感器检测到的气压压强发生改变，由于检测套筒底面积S₀已知，根据P₀V₀＝P₁V₁、V₀＝S₀h₀、V₁＝S₀h₁，就可以得到板带的初始厚度h₀以及轧制厚的厚度h₁。

作为优选，所述的板厚测量机构与前滑值测量机构在横向上相互错开。

优选的，所述检测套筒的下部外壁外套隔热套，隔热套与检测套筒下部的外底面间垫入密封垫片。

优选的，所述机架的第四框架安装有上工作辊、下工作辊，上工作辊、下工作辊上下相对应且滚动式地安装于第四框架。

优选的，所述的上工作辊开有两组盲孔，每组各有四个盲孔，两组盲孔相隔90度，每个盲孔设置所述的前滑值测量机构，用于测量稳定轧制时轧制界面的前滑值。所述的前滑值测量机构包括柱形套筒、端盖、外测量腔、挡板、混合染料、回位弹簧、内测量腔、轻质弹簧、液体单向流通阀、固定板；柱形套筒的上部呈开口状，开口处安装端盖，端盖的中部开设通孔；挡板共有两块，挡板的中部开有通孔，便于润滑油与有色染料组成的混合染料的流过；外部挡板与外测量腔的底面连接且与柱形套筒的内壁密封且活动式配合；外部挡板与柱形套筒的底部之间灌入混合染料，且设置回位弹簧，回位弹簧的一端抵于外部挡板的下表面，另一端抵于柱形套筒的内底面；该回位弹簧一方面可以防止轧制力过大时外部挡板与柱形套筒相碰撞，造成机构损坏，另一方面等测量过程结束后，使得外部挡板回到初始原来的位置，并且可以根据轧制力的大小更换不同强度的回位弹簧；外测量腔的上部呈锥形，下部呈柱形，上部顶端呈通孔状且上部能伸出端盖的中部通孔且伸出上工作辊的盲孔；内部挡板位于外测量腔的内部，与外测量腔的内壁密封且活动式配合；内测量腔处于外测量腔内部，上部呈锥形，下部呈柱形；内部挡板与内测量腔底端连接；内部挡板与外部挡板之间设置轻质弹簧，轻质弹簧的一端顶在内部挡板下表面，另一端顶在外部挡板上表面；该轻质弹簧用来保证工作过程结束后，内部挡板回到初始位置；固定板固设于内测量腔上下部过渡处，中间开有通孔，并在通孔处设置一液体单向流通阀。工作辊旋转时，在轧制力的作用下，外测量腔向下移动挤压混合染料，混合染料一部分推动内部挡板向上移动，另一部分进入内部测量腔，再通过单向阀，在板带上打上标记点。

优选的，所述挡板的周侧套有橡胶套。该橡胶套用来加强密封效果，防止混合染料流出。

作为优选，已知张力角α的大小、轧制前张力辊承受的压力Q_左和Q_右以及轧制后张力辊承受的压力Q_左和Q_右的大小，根据

就可以测得前张力T₁和后张力T₀的大小。

数据处理机构包括数据输入端口、D/A转换器、计算机，采集板带初始板厚及轧后板厚、前后张力及将轧制后相邻标记点间距离输入就可以计算出稳定轧制时轧制界面摩擦系数的大小。

利用所述装置进行摩擦系数计算的方法为：

当板带通过前张力角调节机构及前张力辊承受压力测量机构时，由于导向辊可上下移动，可得到一准确张力角α，同时前张力辊承受压力测量机构中的左右张力传感器可以测量出轧制前压力Q_左和Q_右。通过

可以计算出前张力T₁的大小。同理可以计算出轧制后张力T₀的大小。

当板带经过板厚测量机构时，位于工作辊前的机构测量出初始板带的厚度h₀，位于工作辊后面的机构测量轧制后板带的厚度h₁，进而可以由公式

计算出咬入角β的大小，其中D为轧辊的直径。

当板带经过上下工作辊时，由于上工作辊上有2组前滑值测量机构，两者相隔90度，则两者相隔距离为

其中R为轧辊半径，轧制后的板带上也有2组标记点，每组4个，分别测量两组中相对应标记点的距离为l₂₁、l₂₂、l₂₃、l₂₄，则

可以计算出前滑值

进而可以由公式

计算出中性角γ的大小。

当前张力T₁、后张力T₀、咬入角β及中性角γ已知时，可以由公式

计算出摩擦角θ的大小，进而由μ＝tanθ可以计算出稳定轧制时轧制界面摩擦系数μ的大小，其中B₀为轧制前板带的宽度，p为平均单位压力，p＝1.155K,K为材料变形抗力，与所选材料有关。

本发明所具有的有益效果：

(1)本发明采用前滑法测量稳定轧制时轧制界面摩擦系数，原理简单，而且与实际相符和，不破坏轧制过程。

(2)本发明采用前滑值测量机构及板厚测量机构设计多组，计算时取平均值计算，可以很好的保证测量结果的准确性。

(3)本发明结构简单紧凑，易于拆卸，方便维修维护。

附图说明

图1为本发明基于前滑法的轧机轧制界面摩擦系数测量装置的整体结构示意图；

图2为张力角调节机构的局部剖视图；

图3为张力辊承受压力测量机构的局部剖视图；

图4为板厚测量机构的局部剖视图；

图5为前滑值测量机构的局部剖视图；

图6为板厚测量示意图。

附图中：1.机架2.板带3.导向辊4.液压机构5.底座6.张力辊7.板厚测量机构8.上工作辊9.下工作辊10.前滑值测量机构。

31.轴承座32.轴承；

61.轴承座62.轴承63.传力杆64.张力传感器；

71.滚珠72.柱塞73.检测套筒74.隔热套75.密封活塞76.密封圈77.气体单向阀78.气压传感器79.密封垫片；

101.螺栓102.柱形套筒103.端盖104.外测量腔105.挡板106.橡胶套107.润滑油与有色染料组成的混合染料108.回位弹簧109.内测量腔1010.轻质弹簧1011.液体单向流通阀1012.固定板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明优选实施例作详细阐述。

如图1所示，本发明优选实施例基于前滑法的轧机轧制界面摩擦系数测量装置包括机架1、板厚测量机构7、前滑值测量机构10、前后张力测量机构以及数据处理机构。机架1由七个方形框架组成，七个方形框架沿板带2的运动方向平行布设。沿板带2的前进方向，七个框架分别设置前张力角调节机构、前张力辊承受压力测量机构、前板厚测量机构7、工作辊及前滑值测量机构10、后板厚测量机构、后张力辊承受压力测量机构、后张力角调节机构，前、后张力角调节机构结构相同，前、后张力辊承受压力测量机构结构相同，前、后板厚测量机构结构相同，下面只对其中前机构的结构进行详细说明。前滑值测量机构10能够测量前滑值的大小，板厚测量机构7能够实时测量轧制板带的厚度，前后张力测量机构包括张力角调节机构和张力辊承受压力测量机构，能够实时调节张力角以及测量轧制时张力辊承受压力的大小，经计算处理后就可以得到轧制过程中前后张力的大小，将测得的板带厚度值、前后张力值、前滑值传至数据处理机构，经数据处理机构处理，就可得到稳定轧制时轧制界面的摩擦系数。

如图2、图3所示，所述张力角调节机构包括导向辊3、底座5、液压机构4、轴承32及轴承座31，导向辊3的两端分别通过轴承32及轴承座31安装于机架1的第一个框架内，此框架的下方设有底座5，底座5之上设有两个液压机构4，两个液压机构4的上端顶于前述框架的底面。当板带2传送至导向辊3之下时，可以通过液压机构4使得导向辊3上下移动，进而调节张力角α的大小。

张力测量机构由张力角调节机构、张力辊承受压力测量机构两部分组成。张力辊承受压力测量机构包括张力辊6、轴承62、轴承座61、传力杆63、张力传感器64，张力辊6的两端分别通过轴承62及轴承座61安装于机架1的第二个框架内，框架的两侧各设置张力传感器64，张力传感器64处于轴承座61的下方，两者间顶压传力杆63。当板带2传送至张力辊6之上时，张力承受压力测量机构通过左右设置的张力传感器64分别测量出左右辊颈的压力Q_左和Q_右；由已知的α、Q_左和Q_右通过

就可以计算出前后张力值T₁、T₀的大小。

如图4所示，所述的板厚测量机构7包括滚珠71、柱塞72、检测套筒73、隔热套74、密封活塞75、密封圈76、气体单向阀77、气压传感器78、密封垫片79；所述的板厚测量机构7设置于机架1的第三个框架，共设置两组，分别设置于工作辊的前后，每组有4对，每对上下一一正相对。所述的检测套筒73的上部呈锥形，下部呈柱形，柱形的底部开有一通孔，并在其上设有一个气体单向阀77，通过此阀向检测套筒内通入压强为P₀，体积为V₀的气体。柱形部外壁外套隔热套74，隔热套74与柱形部的外底面间垫入密封垫片79。柱形部内壁上下活动式配合密封活塞75，密封活塞75与柱形部内壁间还设有密封圈76。密封活塞75的上表面连接柱塞72，柱塞72的上部活动式地伸出锥形部的上端，且柱塞72的顶部形成凹槽，滚珠71置入凹槽且部分凸出于凹槽。所述的气压传感器78固设在检测套筒73的内底部，实时检测密封活塞75以下区域的气体压强变化。所述的滚珠71抵于板带2，板带2的厚度发生变化时，就会推动柱塞72上下移动，进而使气压传感器78检测到的气压压强发生改变，由于检测套筒73底面积S₀已知，根据P₀V₀＝P₁V₁、V₀＝S₀h₀、V₁＝S₀h₁，就可以得到板带的初始厚度h₀以及轧制厚的厚度h₁；进而就可以根据

测得咬入β角的大小。

机架1的第四个框架安装有上工作辊8、下工作辊9，两工作辊的两端分别通过轴承及轴承座安装于框架，且上下工作辊间用于通过板带2。上工作辊8开有两组(排)盲孔，每组各有四个盲孔，两组盲孔相隔90度，每个盲孔设置前滑值测量机构10，用于测量稳定轧制时轧制界面的前滑值。如图5所示，所述的前滑值测量机构10包括柱形套筒102、端盖103、螺栓101、外测量腔104、挡板105、橡胶套106、润滑油与有色染料组成的混合染料107、回位弹簧108、内测量腔109、轻质弹簧1010、液体单向流通阀1011、固定板1012；柱形套筒102的上部呈开口状，其通过螺栓101安装端盖103，端盖103的中部开设通孔。挡板105共有2块，中部都开有通孔，外部的挡板105与外测量腔104的底面通过螺栓连接且与柱形套筒102的内壁活动式配合，其周侧套有橡胶套106，以提高密封性。外部的挡板105与柱形套筒102的底部之间灌入混合染料107，且在此空间设置回位弹簧108，回位弹簧108沿外部挡板105周向均匀设置4个，其一端抵于外部挡板105的下表面，另一端抵于柱形套筒102的内底面，可以根据轧制力的大小更换不同强度的弹簧。

外测量腔104的上部呈锥形，下部呈柱形，其上部顶端呈通孔状，且其上部能伸出端盖103的中部通孔且伸出上工作辊8的盲孔。内部的挡板105位于外测量腔104的内部，其与外测量腔104的内壁活动式配合，其周侧也套有橡胶套106，以提高密封性。内测量腔109处于外测量腔104内部，其上部呈锥形，下部呈柱形。内部的挡板105与内测量腔109底端通过螺栓连接。内部挡板与外部挡板之间设置轻质弹簧1010，轻质弹簧1010沿内部挡板105周向均布有4个，其一端顶在内部挡板105下表面，另一端顶在外部挡板105上表面。固定板1012固设于内测量腔109上下部过渡处，其中间开有通孔，并在通孔处设置一液体单向流通阀1011。

所述的前滑值测量机构10工作时，外测量腔104在轧制力的作用下向下移动，推动与之相连的外部挡板105向下移动，进而挤压混合染料107进入内测量腔109，混合染料107一部分推动内部挡板105向上移动，使得内测量腔109的尖顶部穿过外测量腔104上部通孔，另一部分进入内测量腔109，通过液体单向流通阀1011流入尖顶部，进而在板带2打上标记点。两组测量机构初始相隔距离为

轧制后的板带上也有2组标记点，每组4个，分别测量两组中相对应标记点的距离为l₂₁、l₂₂、l₂₃、l₂₄，则

可以计算出前滑值

当前后张力值T₁、T₀，咬入β角的大小，前滑值S以及轧制后板带厚度h₁已知时，可以根据

计算出中性角γ的大小；根据

计算出摩擦角θ的大小，进而根据μ＝tanθ求得稳定轧制时轧制界面的摩擦系数，其中，B₀为轧制前板带的宽度，p为平均单位压力，D为轧辊直径，p＝1.155K,K为材料变形抗力，与所选材料有关。

本领域得技术人员应理解，本发明所涉及附图中所示得实例只作为解释本发明得原理并不限制本发明。凡是依据本发明的设计精神所做出的等效变化或修饰均应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于前滑法的轧机轧制界面摩擦系数测量装置，其特征是包括机架，机架上依次设置前张力角调节机构、前张力辊承受压力测量机构、前板厚测量机构、前滑值测量机构、后板厚测量机构、后张力辊承受压力测量机构以及后张力角调节机构，前张力角调节机构与后张力角调节机构结构相同，用于调节张力角；前张力辊承受压力测量机构与后张力辊承受压力测量机构结构相同，用于测量轧制时张力辊承受压力的大小；前板厚测量机构与后板厚测量机构结构相同，用于测量轧制板带的厚度；前滑值测量机构用于测量前滑值。

2.如权利要求1所述的基于前滑法的轧机轧制界面摩擦系数测量装置，其特征是，所述的机架由平行布设的七个方形框架组成，七个方形框架依次安装所述的前张力角调节机构、前张力辊承受压力测量机构、前板厚测量机构、前滑值测量机构、后板厚测量机构、后张力辊承受压力测量机构、后张力角调节机构。

3.如权利要求2所述的基于前滑法的轧机轧制界面摩擦系数测量装置，其特征是，所述的前张力角调节机构包括导向辊、底座、液压机构，导向辊滚动式地安装于机架的第一方形框架，第一方形框架的下方设有所述的底座，底座之上设有所述的液压机构，液压机构的上端顶于所述的第一方形框架的底面，通过液压机构使得导向辊上下移动。

4.如权利要求2所述的基于前滑法的轧机轧制界面摩擦系数测量装置，其特征是，所述的前张力辊承受压力测量机构、包括张力辊、轴承、轴承座、传力杆、张力传感器，张力辊的两端分别通过轴承及轴承座安装于机架的第二方形框架，第二方形框架的两侧各设置张力传感器，张力传感器处于轴承座下方，两者间顶压传力杆。

5.如权利要求2所述的基于前滑法的轧机轧制界面摩擦系数测量装置，其特征是，所述的前板厚测量机构设置于机架的第三框架，共有数对，每对上下相对应。

6.如权利要求5所述的基于前滑法的轧机轧制界面摩擦系数测量装置，其特征是，所述的前板厚测量机构包括滚珠、柱塞、检测套筒、隔热套、密封活塞、密封圈、气体单向阀、气压传感器、密封垫片；所述检测套筒的上部呈锥形，下部呈柱形，下部的底边开有一通孔并设有一气体单向阀，下部内壁上下活动式配合密封活塞，密封活塞与下部内壁间还设有密封圈；密封活塞的上表面连接柱塞，柱塞的上部活动式地伸出上部的上端，且柱塞的顶部形成凹槽，滚珠置入凹槽且部分凸出于凹槽；所述的气压传感器固设在检测套筒的内底部。

7.如权利要求6所述的基于前滑法的轧机轧制界面摩擦系数测量装置，其特征是，所述检测套筒的下部外壁外套隔热套，隔热套与检测套筒下部的外底面间垫入密封垫片。

8.如权利要求2-7任一项所述的基于前滑法的轧机轧制界面摩擦系数测量装置，其特征是，所述机架的第四框架安装有上工作辊、下工作辊，上工作辊、下工作辊上下相对应且滚动式地安装于第四框架。

9.如权利要求8所述的基于前滑法的轧机轧制界面摩擦系数测量装置，其特征是，所述的上工作辊开有两组盲孔，每组各有数个盲孔，两组盲孔相隔90度，每个盲孔设置所述的前滑值测量机构，所述的前滑值测量机构包括柱形套筒、端盖、外测量腔、挡板、混合染料、回位弹簧、内测量腔、轻质弹簧、液体单向流通阀、固定板；柱形套筒的上部呈开口状，开口处安装端盖，端盖的中部开设通孔；挡板共有两块，挡板的中部开有通孔，外部挡板与外测量腔的底面连接且与柱形套筒的内壁密封且活动式配合；外部挡板与柱形套筒的底部之间灌入混合染料，且设置回位弹簧，回位弹簧的一端抵于外部挡板的下表面，另一端抵于柱形套筒的内底面；外测量腔的上部呈锥形，下部呈柱形，上部顶端呈通孔状且上部能伸出端盖的中部通孔且伸出上工作辊的盲孔；内部挡板位于外测量腔的内部，与外测量腔的内壁密封且活动式配合；内测量腔处于外测量腔内部，上部呈锥形，下部呈柱形；内部挡板与内测量腔底端连接；内部挡板与外部挡板之间设置轻质弹簧，轻质弹簧的一端顶在内部挡板下表面，另一端顶在外部挡板上表面；固定板固设于内测量腔上下部过渡处，中间开有通孔，并在通孔处设置一液体单向流通阀。

10.如权利要求9所述的基于前滑法的轧机轧制界面摩擦系数测量装置，其特征是，所述挡板的周侧套有橡胶套。

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