一种在线检测冷轧板表面摩擦系数的系统及其使用方法与流程

本发明涉及一种在线检测冷轧板表面摩擦系数的系统及其使用方法，属于热镀锌生产技术领域。

背景技术：

通常，冷轧带钢经酸洗、冷轧、连续退火等工艺处理后，会根据用户对产品的最终要求，对带钢表面进行热镀锌工艺处理。在热镀锌工艺的实际操作环节，确保冷轧板表面的锌层厚度及产品质量能够满足用户要求的关键因素，是要合理控制气刀设备喷出的气体压力(以下简称：气刀)能够满足生产环节的要求，而在生产过程中，操作人员对气刀参数进行调节的依据主要基于：锌锅内的锌液温度、轧板输送速度、气刀设备到冷轧板表面的距离、气刀设备与轧板之间的角度和冷轧板的表面粗糙度；其中锌锅内的锌液温度信息和轧板输送速度信息目前已较好的实现了在线实时检测，而气刀设备到冷轧板表面的距离、气刀设备与轧板之间的角度信息也可以事先通过测量得到准确结果，因此，在线实时掌握冷轧板的表面粗糙度信息，对于现场操作人员及时调整气刀参数，确保热镀锌质量至关重要。

表面粗糙度是用于描述物体表面粗糙或是光滑的物理量，在实际生产过程中，现场操作人员对冷轧板表面粗糙度的掌握，主要是通过与其有对应关系的“摩擦系数”参数来实现，即：摩擦系数越大，冷轧板表面就越粗糙；摩擦系数越小，冷轧板表面就越光滑。

现有技术中对冷轧板表面摩擦系数的检测主要是通过摩擦系数测试仪来来实现，其工作原理主要是将条状试验样品用夹样器夹住，同时用待测样包住滑块，然后将滑块安放在传感器的挂孔上，在一定的接触压力下，通过电机带动齿条使传感器移动，也就是使两试验表面相对移动，传感器所测得的力信号经过集成器放大，送入记录器，从而得到冷轧板的表面摩擦系数。这种检测方法能够得到较为准确的结果，但缺点是只能对冷轧板的表面摩擦系数进行离线检测，检测周期较长，无法能够在线、快速的为现场操作人员提供相关数据。事实上，在大数据分析技术成功实施的今天，人们已经不需要准确的掌握冷轧板表面摩擦系数的具体结果，只要能够掌握不同冷轧板之间表面摩擦系数的相对结果，就能够利用计算机得出不同冷轧板所对应的气刀参数的最优结果。因此，在线快速掌握冷轧板表面摩擦系数，对于实现气刀参数的实时优化、调整，确保冷轧板表面的热镀锌质量具有十分重要的意义。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种在线检测冷轧板表面摩擦系数的系统及其使用方法，该系统能够在线实现对冷轧板表面摩擦系数的快速、准确检测，为调整热镀锌气刀参数提供依据，确保冷轧板表面的热镀锌质量。

解决上述技术问题的技术方案是：

一种在线检测冷轧板表面摩擦系数的系统，包括2个液压缸、表面摩擦系数检测装置和过程控制系统；所述液压缸上连接有进油管和出油管，进油管上安装有电磁调节阀，出油管上安装电磁开关阀；液压缸还安装有压力传感器和位移传感器；所述表面摩擦系数检测装置包括工作辊、支承辊、轴承座、直流发电机和电流表；工作辊和支承辊相对设置于冷轧板上、下表面，工作辊两端轴肩安装于2个轴承座中，轴承座分别与2个液压缸的活塞杆连接，通过活塞的运动带动工作辊的上下移动；工作辊的一端与直流发电机连接，电流表安装在直流发电机上；所述过程控制系统包括计算机、与计算机接连接用于控制液压缸活塞动作的电磁调节阀PLC和电磁开关阀PLC，与计算机连接用于反馈液压缸中压力信息、活塞位移信息和电流表电流信息的信息反馈PLC。

上述的一种在线检测冷轧板表面摩擦系数的系统，所述2个液压缸分别固定于液压缸支架上，每个液压缸的活塞将液压缸分为上腔和下腔，上腔连接上腔进油管和上腔出油管，上腔进油管上安装上腔电磁调节阀，上腔出油管上安装上腔电磁开关阀；下腔连接下腔进油管和下腔出油管，下腔进油管上安装下腔电磁调节阀，下腔出油管上安装下腔电磁开关阀；上腔和下腔上分别安装有上腔压力传感器、下腔压力传感器；液压缸内安装位移传感器；上腔出油管和下腔出油管远离与液压缸连接的一端与液压油箱相连；

所述表面摩擦系数检测装置还包括联轴器、从动轴和直流发电机支架；工作辊通过联轴器与从动轴的一端连接，从动轴的另一端与直流发电机连接，电流表安装在直流发电机上，直流发电机支架与液压缸的活塞杆固定连接实现与活塞的同步移动；

所述过程控制系统包括计算机、分别与计算机连接进行数据通讯的液压缸上腔电磁调节阀PLC、液压缸下腔电磁调节阀PLC、液压缸上腔电磁开关阀PLC、液压缸下腔电磁开关阀PLC和信息反馈PLC；液压缸的上、下腔电磁调节阀PLC分别与液压缸上、下腔电磁调节阀相连接；液压缸上、下腔电磁开关阀PLC分别与上、下腔电磁开关阀相连接；信息反馈PLC分别与上腔压力传感器、下腔压力传感器、位移传感器和电流表相连接，并将相关信息实时反馈给计算机。

上述的一种在线检测冷轧板表面摩擦系数的系统，所述液压缸的上腔和下腔还安装有上腔液压溢流阀和下腔液压溢流阀。

一种在线检测冷轧板表面摩擦系数的系统的使用方法，包含以下步骤：

步骤1：通过计算机控制液压缸中活塞向上移动，带动工作辊上移，使工作辊与支承辊之间的辊缝大于冷轧板的厚度；

步骤2：通过计算机控制液压缸中活塞向下移动，带动工作辊下移，当电流表的电流值大于零时，表明工作辊已经与冷轧板表面接触，继续保持工作辊下移使工作辊作用到冷轧板的压力逐渐增大，计算机利用其内置的压力计算模型，得到当前时刻工作辊作用到冷轧板上的压力大小，即：

式中：F为工作辊作用到冷轧板表面的压力，单位：N；

P^τ为上腔压力传感器反馈出的液压缸上腔内的液压油压力，单位：Pa；

D为活塞大圆直径，单位：m；

d为活塞连杆直径，单位：m；

G为工作辊重量，单位：N；

步骤3：当电流值不再增大时，计算机记录下电流变化曲线的拐点值I₀以及所对应的工作辊作用到冷轧板上的压力值F₀，根据安培定则，得到作用到直流发电机上的安培力，即：

F_A＝B·I₀·L

式中：F_A为作用到直流发电机上的安培力，单位：N；

B为直流发电机上磁体的磁感应强度，单位：T；

I₀为电流表反馈给计算机的电流变化曲线的拐点值，单位：A；

L为直流发电机机线圈上的导线长度，单位：m；

根据牛顿力学定律，得到工作辊与冷轧板表面之间的摩擦力为F_A；

步骤4：计算机根据上述检测结果，得出相应工艺条件下的冷轧板表面的摩擦系数，即：

式中：μ为冷轧板表面的摩擦系数。

上述的一种在线检测冷轧板表面摩擦系数的系统的使用方法，更为具体的步骤为：

步骤1：关闭上腔电磁调节阀、下腔电磁调节阀、上腔电磁开关阀和下腔电磁开关阀；

步骤2：计算机通过控制下腔电磁调节阀PLC和上腔电磁开关阀PLC，打开下腔电磁调节阀和上腔电磁开关阀，活塞在液压油的压力下向上移动，带动工作辊向上移动；当位移传感器将活塞的最高点位置信息反馈至计算机后，控制计算机将下腔电磁调节阀和上腔电磁开关阀关闭，此时，工作辊与支承辊之间的辊缝大于冷轧板的厚度；

步骤3：计算机通过控制上腔电磁调节阀PLC和下腔电磁开关阀PLC，打开上腔电磁调节阀和下腔电磁开关阀，确保上腔电磁调节阀开度不变，活塞带动工作辊向下移动；当电流表通过信息反馈PLC反馈到计算机的电流值大于零时，计算机逐渐增大上腔电磁调节阀的开度，液压缸上腔内的油压将逐渐增大，电流值逐渐增大，工作辊作用到冷轧板的压力也将逐渐增大；计算机利用其内置的压力计算模型，得到当前时刻工作辊作用到冷轧板上的压力大小，即：

式中：F为工作辊作用到冷轧板表面的压力，单位：N；

P^τ为上腔压力传感器反馈出的液压缸上腔内的液压油压力，单位：Pa；

D为活塞大圆直径，单位：m；

d为活塞连杆直径，单位：m；

G为工作辊重量，单位：N；

步骤4：当电流值不再增大时，计算机记录下电流变化曲线的拐点值I₀以及所对应的工作辊作用到冷轧板上的压力值F₀，然后根据安培定则，得到作用到直流发电机上的安培力，即：

F_A＝B·I₀·L

式中：F_A为作用到直流发电机上的安培力，单位：N；

B为直流发电机上磁体的磁感应强度，单位：T；

I₀为电流表反馈给计算机的电流变化曲线的拐点值，单位：A；

L为直流发电机机线圈上的导线长度，单位：m；

根据牛顿力学定律，得到工作辊与冷轧板表面之间的摩擦力为F；

步骤5：计算机根据步骤4的检测结果，得出相应工艺条件下的冷轧板表面的摩擦系数，即：

式中：μ为冷轧板表面的摩擦系数。

本发明所提供的在线检测冷轧板表面摩擦系数的系统的工作原理是：当工作辊与冷轧板表面接触时，冷轧板与工作辊之间的摩擦力，会成为工作辊转速的驱动力，从而促使工作辊旋转，而工作辊也将通过联轴器和从动轴带动直流发电机旋转；当工作辊与冷轧板之间的压力越大，即：工作辊与冷轧板接触越紧密，则工作辊与冷轧板之间的摩擦力越大，促使工作辊转动的驱动力也越大，工作辊的转速就越大，相应的，直流发电机所产生的电流就越大，直流发电机内部的安培力就越大；根据牛顿力学定律，工作辊与冷轧板之间的摩擦力等于直流发电机内部的安培力；当工作辊与冷轧板之间的压力达到一定值时，二者之间的摩擦力将不再增大，由此，直流发电机所产生的电流也将不再改变；因此，通过分析该拐点时刻电流所产生的安培力与工作辊与冷轧板之间压力的关系，就可以相应得到该冷轧板表面的摩擦系数。

本发明的有益效果是：

本发明通过液压缸、冷轧板表面摩擦系数检测装置和过程控制系统，实现了在线对冷轧板表面摩擦系数的快速和准确的检测，从而满足了热镀锌气刀参数在线调整对于冷轧板表面摩擦系数的要求，为快速调整热镀锌生产工艺，确保冷轧板表面的镀锌质量打下了坚实的基础，在行业内有极大的推广使用价值。

附图说明

图1为液压缸结构图；

图2为冷轧板表面摩擦系数检测装置结构图；

图3为过程控制系统示意图；

图4为检测过程中的工作辊作用到冷轧板表面的压力与电流表检测到的电流值的关系曲线图；

图中标记为：液压缸支架1、活塞2、活塞杆3、上腔进油管4、上腔出油管5、上腔电磁调节阀6、上腔电磁开关阀7、下腔进油管8、下腔出油管9、下腔电磁调节阀10、下腔电磁开关阀11、上腔压力传感器12、下腔压力传感器13、位移传感器14、液压油箱15、工作辊16、支承辊17、轴承座18、直流发电机19、电流表20、冷轧板21、联轴器22、从动轴23、直流发电机支架24、计算机25、液压缸上腔电磁调节阀PLC26、液压缸下腔电磁调节阀PLC27、液压缸上腔电磁开关阀PLC28、液压缸下腔电磁开关阀PLC29、信息反馈PLC30、上腔液压溢流阀31、下腔液压溢流阀32。

具体实施方式

本发明一种在线检测冷轧板表面摩擦系数的系统，包括2个液压缸、表面摩擦系数检测装置和过程控制系统；

图1显示，2个液压缸分别固定于液压缸支架1上，每个液压缸的活塞2将液压缸分为上腔和下腔，上腔连接上腔进油管4和上腔出油管5，上腔进油管4上安装上腔电磁调节阀6，上腔出油管5上安装上腔电磁开关阀7；下腔连接下腔进油管8和下腔出油管9，下腔进油管8上安装下腔电磁调节阀10，下腔出油管9上安装下腔电磁开关阀11；上腔和下腔上分别安装有上腔压力传感器12、下腔压力传感器13；为保证液压缸安全使用，液压缸的上腔和下腔上还分别安装有上腔液压溢流阀31和下腔液压溢流阀32；；液压缸内安装位移传感器14；上腔出油管5和下腔出油管9远离与液压缸连接的一端与液压油箱15相连；

图2显示，表面摩擦系数检测装置包括工作辊16、支承辊17、2个轴承座18、联轴器22、从动轴23、直流发电机19、电流表20和直流发电机支架24；工作辊16和支承辊17相对设置于冷轧板21的上、下表面，工作辊16两端的轴肩安装于2个轴承座18中，2个轴承座18分别与2个液压缸的活塞杆3连接，通过活塞2的运动带动工作辊16的上下移动；工作辊16通过联轴器22与从动轴23的一端连接，从动轴23的另一端与直流发电机19连接，直流发电机19在从动轴23的驱动下产生电流，电流表20安装在直流发电机19上用于显示直流发电机19产生的电流值；直流发电机支架24与液压缸的活塞杆3固定连接实现与活塞2的同步移动；

图3显示，过程控制系统包括计算机25、分别与计算机25连接进行数据通讯的液压缸上腔电磁调节阀PLC26、液压缸下腔电磁调节阀PLC27、液压缸上腔电磁开关阀PLC28、液压缸下腔电磁开关阀PLC29和信息反馈PLC30；液压缸的上腔电磁调节阀PLC26与液压缸上腔电磁调节阀6相连接，液压缸下腔电磁调节阀PLC27与液压缸下腔电磁调节阀10相连接；液压缸上腔电磁开关阀PLC28与上腔电磁开关阀7相连接，下腔电磁开关阀PLC29与下腔电磁开关阀11相连接；信息反馈PLC30分别与上腔压力传感器12、下腔压力传感器13、位移传感器14和电流表20相连接，并将相关信息实时反馈给计算机25。

本发明一种在线检测冷轧板表面摩擦系数的系统的使用方法，包括如下步骤：

步骤1：手动关闭上腔电磁调节阀6、下腔电磁调节阀10、上腔电磁开关阀7和下腔电磁开关阀11；

步骤2：将计算机25的工作模式调整为“检测前”模式，然后，计算机25根据现场操作员的指令，分别对液压缸进行调节，具体操作为：计算机25对液压缸下腔电磁调节阀PLC27发出指令，打开下腔电磁调节阀10，此时液压油进入液压缸的下腔；同时，向液压缸上腔电磁开关阀PLC 28发出指令，打开上腔电磁开关阀7，活塞2在液压油的压力下向上移动，带动工作辊16向上移动；当位移传感器14将活塞2的最高点位置信息反馈至计算机25后，计算机25将下腔电磁调节阀10和上腔电磁开关阀7关闭，实现工作辊16随活塞2上升到最高位静置后不动；此时，工作辊16与支承辊17之间的辊缝大于冷轧板21的厚度，即：冷轧板21能够完全从工作辊16和支承辊17之间穿过；

步骤3：根据生产实际情况，将计算机25的工作模式调整为“检测”模式；控制计算机25向液压缸上腔电磁调节阀PLC 26发出指令，打开上腔电磁调节阀6，此时液压油进入液压缸的上腔；同时，向液压缸下腔电磁开关阀PLC 29发出指令，打开下腔电磁开关阀11，然后，确保上腔电磁调节阀6的开度不变，此时活塞2将带动工作辊16向下移动；当电流表20通过信息反馈PLC 30反馈到计算机25的电流值为零时，表明工作辊16尚未与冷轧板21的表面接触，此时，计算机25将不改变上腔电磁调节阀6的开度，上腔压力传感器12反馈得到的油压值保持不变；当电流表20通过信息反馈PLC 30反馈到计算机25的电流值大于零时，表明工作辊16已经与冷轧板21的表面接触；此时，计算机25将通过液压缸上腔电磁阀调节阀PLC 26不断增大上腔电磁调节阀6的开度，液压缸上腔内的油压也将逐渐增大，对应的，工作辊16作用到冷轧板21的压力也将逐渐增大，工作辊16与冷轧板21表面的摩擦力也逐渐增大，工作辊16转动速度越来越大，电流表20的示值也不断增大；计算机25利用其内置的压力计算模型，得到当前时刻工作辊16作用到冷轧板21上的压力大小，即：

式中：F为工作辊作用到冷轧板表面的压力，单位：N；

P^τ为上腔压力传感器反馈出的液压缸上腔内的液压油压力，单位：Pa；

D为活塞大圆直径，单位：m；

d为活塞杆直径，单位：m；

G为工作辊重量，单位：N；

步骤4：当电流值不再增大时，计算机25记录下电流变化曲线的拐点值I₀以及所对应的工作辊16作用到冷轧板21上的压力值F₀，然后根据安培定则，得到作用到直流发电机19上的安培力，即：

F_A＝B·I₀·L

式中：F_A为作用到直流发电机上的安培力，单位：N；

B为直流发电机上磁体的磁感应强度，单位：T；

I₀为电流表反馈给计算机的电流变化曲线的拐点值，如图4所示，单位：A；

L为直流发电机线圈上的导线长度，单位：m；

根据牛顿力学定律，得到工作辊16与冷轧板21表面之间的摩擦力为F_A；

步骤5：计算机25根据步骤4的检测结果，得出相应工艺条件下的冷轧板21表面的摩擦系数，即：

式中：μ为冷轧板24表面的摩擦系数。

当计算机25得出冷轧板表21表面的摩擦系数后，重新按照步骤2进行操作，并根据生产实际需求，进行步骤3～步骤5的操作。