一种精确测试冷轧管机轧制过程中轧制力与轴向力的方法与流程

技术特征：

1.一种精确测试冷轧管机轧制过程中轧制力与轴向力的方法，其特征在于：其使用专用测试装置配套轧管机，对通过送料小车(4)带动进行初始驱动，且布置在管坯(2)中并使用轧管机的轧辊(3)进行轧制加工的芯棒(1)进行轧制力与轴向力测试；

所述专用测试装置构成如下：芯棒轴向力测试传感器(5)、轧制管坯轴向力测试传感器(6)、轧制力测试传感器(7)、信号采集装置；其中：信号采集装置分别连接着芯棒轴向力测试传感器(5)、轧制管坯轴向力测试传感器(6)、轧制力测试传感器(7)；芯棒轴向力测试传感器(5)布置在芯棒(1)上的送料小车(4)的远离轧制加工端的一侧某处；轧制管坯轴向力测试传感器(6)布置在送料小车(4)的靠近轧制加工端的一侧，且轧制管坯轴向力测试传感器(6)同时布置在管坯(2)的远离轧制加工端的一侧近端部；轧制力测试传感器(7)布置在轧管机的轧辊(3)外部垂直于芯棒(1)轴线的轧制加工区所在竖直平面内；

所述精确测试冷轧管机轧制过程中轧制力与轴向力的方法的具体要求是：在轧制过程中分别采集芯棒(1)与管坯(2)沿轴向所受到的力，据此测得芯棒轴向力测试传感器(5)和轧制管坯轴向力测试传感器(6)的信号；

轧制力测试传感器(7)采集轧制过程中轧辊(3)所受轧制力；

信号采集装置中包含有与传感器相匹配的信号采集软件功能模块和传感器力值标定模块；在芯棒轴向力测试传感器(5)、轧制管坯轴向力测试传感器(6)、轧制力测试传感器(7)采集到足够多的信号并对应保存之后，使用人工或者程序分析的方式计算得到待测的冷轧管机轧制过程中轧制力与轴向力。

2.按照权利要求1所述精确测试冷轧管机轧制过程中轧制力与轴向力的方法，其特征在于：

轧制力测试传感器(7)以及管坯轴向力测试传感器(6)以嵌套方式进行安装；

芯棒轴向力测试传感器(5)与芯棒(1)之间以螺纹连接的方式进行安装，亦即芯棒轴向力测试传感器(5)布置在螺母状基体上且该螺母状基体通过螺纹连接结构固定布置在芯棒(1)上预设段的外螺纹区段上；

轧制力由所有作用于几何变形区的正应力和摩擦剪应力的积分得到，其方向由作用于轧件上的所有力的平衡确定。

3.按照权利要求1或2所述精确测试冷轧管机轧制过程中轧制力与轴向力的方法，其特征在于：所述精确测试冷轧管机轧制过程中轧制力与轴向力的方法中，被测轧管机必须符合GB50386-2006轧机机械设备工程安装验收规范；

所述精确测试冷轧管机轧制过程中轧制力与轴向力的方法实施之前，要求按照力学传感器设计图纸加工轧制力与轴向力测试传感器，传感器的外形尺寸根据不同轧机类型和型号进行灵活调整；所使用的传感器为电阻式传感器，成品须符合GB/T 15478-1995压力传感器性能试验方法所规定验收标准，另外传感器的测试精度至少应达到所测轧制力峰值的0.001％；

所述精确测试冷轧管机轧制过程中轧制力与轴向力的方法实施过程依次如下：

一、首先要求对轧制力与轴向力测试传感器进行静态标定，具体操作步骤如下：

(1)将力学传感器放置于标准力学试验机上，并将传感器连接至信号采集装置；

(2)打开台式电脑中的传感器标定程序，采集力学传感器的实时读数；

(3)启动标准力学试验机，对力学传感器的受力面施加标准载荷；

(4)通过传感器标定程序设定力学传感器的读数，使传感器力学读数与标准力学试验机施加的标准载荷相同；

(5)以相同步骤，分别对力学传感器的量程内多个点进行标定，最终获得能够精确测得载荷大小的力学传感器；

二、之后，在皮尔格冷轧管机上进行设备安装与力学测试，具体操作步骤和相关内容如下：

(1)根据装配图纸将轧制力测试传感器安装在含有轧制力传感器放置槽的T型台中，并在力学传感器周围缠绕适量生料带，以防止轧机工作时传感器发生震动；在T型台上固定传感器数据线，以防止轧辊运动过程中发生绕线；

(2)调整斜铁，使轧辊两边齿条-齿轮间隙、上下轧辊间隙以及T型台周边间隙相等；

(3)根据装配图纸将两段芯棒与轴向力测试传感器进行螺纹连接，并使用软绳限制传感器电刷套；

(4)根据装配图纸将管坯轴向力测试传感器安装在管坯尾端与送料小车之间，并用软绳限制传感器电刷套；

(5)将芯棒轴向力测试传感器、两件轧制力测试传感器以及管坯轴向力测试传感器分别连接至信号采集装置；

(6)设置信号采集装置参数并启动装置，开始采集分别来自于四件传感器所测得的轧制力与轴向力数据；

(7)设置轧机参数并启动轧机；

(8)停止轧机；

(9)停止采集轧制力与轴向力数据，进行数据保存；

进行管材轧制的受力分析：

轧制力由所有作用于几何变形区的正应力和摩擦剪应力的积分得到，其方向由作用于轧件上的所有力的平衡确定；

对于对称轧制，上、下两个轧辊转速相等且直径相等；上、下轧制力相对于轧制线呈镜像对称，力的平衡公式为：

垂直方向：

F_{v oben}-F_{v unten}＝0 (式1)

水平方向：

F_{h oben}+F_{h unten}+(Z₀-Z₁)＝0 (式2)

2F_h+(Z₀-Z₁)＝0 (式3)

2F_h＝Z₁-Z₀ (式4)

轧制力相对于垂直线的倾角为：

轧制力的计算公式为：

F＝Ad|σz|dA (式6)

以上各式中，F为作用于几何变形区的合力，Fv为正压力和摩擦力的合力在竖直方向的分力，即轧制力；F_h为正压力和摩擦力的合力在水平方向的分力，即轴向力；Z₀和Z₁分别为管坯受到的水平方向的拉力，σ_z为轧辊单位面积所受应力，A为轧辊与管材的接触面积；

依据轧制力测试传感器的工作原理，由于轧制力与轴向力测试传感器均为电阻式传感器，均依靠其内部的电阻应变片完成力学信号与电信号的转化；电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即：导体产生机械变形时，它的电阻值也发生相应变化；

金属电阻丝的电阻用下列公式表达：

式中，R为电阻值，ρ为该金属的电阻率，L为金属电阻丝长度，S为其横截面积；

因为轧制力与轴向力测试传感器内部沿传感器受力方向贴有应变片，当传感器受力时，应变片随传感器一起发生机械变形，这一变形量对应着电阻值的变化，因而能够以电信号值的形式输出至信号采集装置；

在力学试验机上将传感器所受标准力值与传感器对应输出的电信号值进行一一匹配，即能够完成电信号值向力学读数值的转化；

4.按照权利要求3所述精确测试冷轧管机轧制过程中轧制力与轴向力的方法，其特征在于：

在获得轧制力测试传感器与轴向力传感器的读数值后，采用下述方法进行数据处理：数据输出格式为TXT文本文档，文件内容中每一横行以时刻为起始，随后依次为该时刻下所测得芯杆轴向力、轧制力1、轧制力2以及管坯轴向力，每个结果之间以若干空格隔开。

进行数据处理时，直接使用相应文本编辑软件打开TXT文件，生成表格数据；然后以时间刻度为自变量，芯杆轴向力、轧制力1、轧制力2以及管坯轴向力为因变量绘制曲线，即能够得到轧制力与轴向力随时间变化的谱图。

5.按照权利要求3所述精确测试冷轧管机轧制过程中轧制力与轴向力的方法，其特征在于：

轧制力与管坯轴向力测试传感器(6)的最大测力量程能够实现调整，以满足不同管坯材料、不同轧机型号以及不同轧制参数下的测试需求；以上的芯棒轴向力测试传感器(5)1件、轧制管坯轴向力测试传感器(6)1件、轧制力测试传感器(7)2件共4件传感器在工作时都与信号采集装置相连，信号采集装置中包含有与传感器相匹配的信号采集软件功能模块和传感器力值标定模块；

信号采集软件采集数据的频率能够实现调整，每秒能够采集的数据点数最大值为一万个。