轧制力测量(measurement of rolling force)

轧制过程中轧辊加于轧件使之产生塑性变形的力的测量。轧制力测量技术根据测量原理可分为机械法和电测法。机械法由于精度低、速度慢以及电子技术的飞速发展，早已被电测法所代替。电测法又可分为应力测量法和传感器测量法。

应力测量法 直接测量轧机某个受力部件(如牌坊立柱)的应力再计算出总轧制力。轧制时轧件作用在轧辊上的力，通过轧辊辊颈、轴承座、压下螺丝和螺母以及横梁等传递给牌坊立柱，使之产生弹性变形。在弹性变形范围内，轧机牌坊立柱产生的应力同它所承受的轧制力呈线性关系。因此，只要测出牌坊立柱的应力就可推算出轧制力。

根据理论分析可知，轧制时牌坊立柱同时承受拉应力σ₁和弯曲应力σ₂的联合作用，其应力分布如图1所示。由图可见，最大应力σ_max发生在牌坊立柱的内侧表面上，其值为拉应力σ₁与弯曲应力σ₂之和：σ_max=σ₁+σ₂

最小应力σ_min发生在牌坊丽珠的外侧表面上，其值为拉应力σ₁和弯曲应力σ₂之差：

σ_min=σ₁-σ₂

而在牌坊立柱的中性面c—c上，弯曲应力σ₂等于零，只有轧制力引起的拉应力σ₁。因此，如果把应变片粘贴在立柱的中性面c—c上，即可测出拉应力一σ₁。当立柱的横截面积为F时，则立柱所受的拉力

P_柱=σ₁F

一扇牌坊承受的拉力

P_牌=2σ₁F

总轧制力P=P_传牌+P_操脾

式中P_传牌为传动侧牌坊的轧制力；P_操牌为操作侧牌坊的轧制力。

牌坊立柱中性面的位置，对于简单断面的立柱，可用作图法确定；对于复杂断面的立柱，先测出立柱内外侧表面的最大应力σ_max和最小应力σ_min，再由下式求出拉应力

σ₁=(σ_max+σ_min)/2

然后，在立柱的另外两个表面的不同位置(如图示位置)上测量应力σ_i。当σ_i=σ₁。时，则通过此应力点平行于立柱内外侧表面的平面，即为所求的中性面c—c。

传感器测量法 此法应用最广。传统的方法是将传感器安装在轧机压下螺丝与轧辊轴承座之间。测量传感器中弹性元件本身的弹性变形，再通过传感器在材料试验机上所标定的力与电信号之间的关系测量轧制力。

测力传感器的种类很多，主要有压磁式、电阻应变式和拉式传感器。

(1)压磁式传感器。由形状和尺寸完全相同的硅钢片叠加粘合而成，类似于变压器铁芯(见图2)。对称于硅钢片中心线开有四个圆孔1、2、3和4。在两个对角孔l和2中，缠绕激磁(初级)绕组W_1.2;在另外两个对角孔3和4中，缠绕测量(次级)绕组W_3.4。两个绕组平面互相垂直，并与外力作用方向成45^。角。当给激磁绕组W_1.2通入交流电时，铁芯中就产生磁场。在不受轧制力作用(图2b)时，由于铁芯的磁各向同性，A、B、C、D4个区的导磁率相同，故磁力线呈轴对称(闭口)分布，合成磁场强度H^→平行于测量绕组W_3.4平面，磁力线不与绕组W_3.4交链，故W_3.4的感应电势为零，没有信号输出。在轧制力P作用(图2c)下，传感器的特殊几何形状使得中心部分(A、B区)应力最大，导磁率降低，磁阻增加，而其边缘部分(C、D区)的应力则近于零，导磁率几乎不变。因此，激磁绕组W_1.2产生的磁力线将按照不同的导磁率重新分布：有一部分磁力线不再通过磁阻较大的A、B区，而是通过磁阻较小的C、D区闭合(图2c)。于是磁力线产生扭曲变形，并与绕组W_3.4交链，故在W_3.4中产生感应电势。轧制力越大，磁力线转移越多，感应电势越大。经过一系列变换后，就可建立轧制力与电流或电压的线性关系，即可用输出电流或电压表示轧制力大小。

                                图2压磁式传感器的工作原理a一外形;b-6不受力时;c-受力时

(2)电阻应变式传感器。由弹性元件和外壳等组成(图3)，传统方式把它装在压下螺丝与轧辊轴承座之问。为了对偏心载荷和歪斜载荷起调节作用及保证把全部载荷加到弹性元件上，采用球面垫2。为了防止水、油等介质进入传感器内部，采用一个倒置的碗状上盖3。同时，在上盖3和底盘9之间用两道0形橡胶密封圈7和8密封。为了防止弹性元件5转动时扭断导线，在上盖3和弹性元件5之间用两个销钉4固定。为了装配方便，采用两个定位销10。球面垫1是标定传感器用的。

弹性元件的材料一般是合金钢和弹簧钢。弹性元件的几何形状有圆柱形和圆筒形。从测量性能和贴片多少来看，圆筒形比圆柱形具有更大的优越性，故绝大多数弹性元件均采用圆筒形。

弹性元件直径一般是按强度条件设计的。圆柱形弹性元件的直径D：

圆筒形弹性元件的外径D应小于或等于压下螺丝端头直径，其内径d：

式中P_max为轧机一扇牌坊允许的最大轧制力；[σ]为弹性元件材料的许用应力；

[σ]=(1/4 ~1/3)σ_s

弹性元件高度按下式选取：

圆柱形的取H≥2D+l

圆筒形的取H≥D—d+l

式中l为应变片基长，mm

在弹性元件的表面上粘贴多枚应变片(图4a)，组成电桥电路(图4b)。当弹性元件承受轧制力作用产生弹性变形时，粘贴在其上的应变片也随之发生变形，从而引起应变片的电阻值改变，因而破坏电桥平衡，输出电信号(电流或电压)，其大小与承受的轧制力成正比，通过标定可得出轧制力大小。

(3)拉式传感器。它是一种较新式的应变传感器，在国际上得到越来越普遍的应用。测量时该传感器安装在机架1的立柱上(见图5)。根据虎克定律，在轧制力作用下，机架产生成与轧制力比例的应变，利用这一关系测量轧制力。从图5a拉式传感器的结构可知，传感器中间部分的横断面积远比两端部分的横断面积小，因此在轧制力作用下，可认为L所产生的伸长量集中在l部分上。机架的应变为ε_机=ΔL/L，而传感器l部分的应变为ε_传=ΔL/l，比较上两式，得：

ε_传=ε_机L/l

从上式知，传感器的应变比机架的应变大L/l倍。由于机架的安全系数取得较大，机架因受力而产生的伸长量不明显，而拉式传感器则有较高的反应灵敏度。

拉式传感器通过在轧制辊缝和机架立柱中性面处的精确安装，可以减少轴承座和机架之间摩擦力的影响以及弯曲应力的影响。但在实际使用中由于受到现场条件的限制，仍要求尽量安装在中性面上，使传感器受纯拉应力的作用。传感器在机架立柱上安装之后，用液压千斤顶直接对轧辊加力进行标定，克服了在拉伸试验机上静态标定与现场动态条件不一致的缺点，也可减少准确寻找中性面的困难。当采用液压压下时，也有用油压压力测量来显示轧制力的。

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