一种用于冷轧带材整辊式板形仪带张力变包角的试验系统

摘要

本发明属于冶金轧制领域，特别涉及一种用于冷轧带材整辊式板形仪带张力变包角的试验系统。整辊式板形仪、板形辊升降装置、动力辊、动力辊电机、张力辊、张力辊位移装置、第一固定导辊、第二固定导辊、带钢、辊安装平台和辊安装支架。带钢包覆在整辊式板形仪的板形检测辊、动力辊、张力辊、第一固定导辊和第二固定导辊外表面，并在其首尾焊接为无缝成为一闭环。本发明的目的在于提供一种通用的冷轧带材整辊式板形仪的带张力变包角的综合试验平台，具有对不同型号整辊式板形辊进行多种试验以验证既有理论和仿真结果的效果。

说明书

技术领域

本发明涉及冶金轧制技术领域，特别涉及一种用于冷轧带材整辊式板形仪带张力变包角的试验系统。

背景技术

近年来板形仪作为冷轧带材生产时的高精度辅助设备逐渐被应用于大多数有条件的工厂和企业，减少了人工成本和人工失误，提高了自动化水平和生产效益。随着下游供货端对产品表面质量的要求越来越高，对优化辊体结构、提取更优信号和优化辊体材料以应对不同场合的尝试一直在进行之中。本发明涉及的整辊式板形仪就是一种常应用于对产品表面质量要求较高场合(如铝带或光亮退火不锈钢的生产)的高精度检测设备。

整辊式板形仪相较于目前较流行的安装辊环结构的分段式板形仪来说，由于其整辊无缝和内开通孔的结构特点，一系列关键的新问题亟待试验研究。由此需要一套综合性试验平台作为辅助设备对理论分析和仿真结果进行验证。此外，由于该平台上带材包覆的方式可调整为分段式，此设备还可以进行带材标定(区别于冲击标定和压轮标定而更接近实际)和板形模拟等试验。由于该试验平台的结构特点可实现定张力变包角和定包角变张力的条件，保证了特定试验的需求，对提高整辊式板形仪的信号精度具有较高意义。同时，该设备也可针对不同结构(整辊式、分段式和镶块式等)、表面材料或型号的板形辊进行对比试验，是一套整合了多种试验需求的综合性试验平台。在此前没有关于板形辊带张力变包角综合试验平台的设计方案，也没有任何板形辊试验设备能满足定张力变包角和定包角变张力试验条件的文献记录。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通用的冷轧带材整辊式板形仪的带张力变包角的综合试验平台，具有对不同型号整辊式板形辊进行多种试验以验证既有理论和仿真结果的效果。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

具体地，本发明提供一种用于冷轧带材整辊式板形仪带张力变包角的试验系统，其包括整辊式板形仪及其试验配套装置；

所述整辊式板形仪包括整辊式板形检测辊和板形信号处理计算机。

所述试验配套装置包括板形辊升降装置、动力辊、动力辊电机、张力辊、张力辊位移装置、第一固定导辊、第二固定导辊、标定和板形模拟装置、带钢、辊安装平台和辊安装支架；

所述辊安装平台中部设置有一矩形开口，所述板形检测辊能够通过所述板形辊升降装置借助于所述开口调整包角变化，所述第一固定导辊、所述第二固定导辊和所述辊安装支架安装固定于所述辊安装平台上；

所述板形辊升降装置包括两个手摇式丝杠升降机和四个光滑钢柱，手摇式丝杠升降机包括手柄、丝杠和螺母，手柄转动时，丝杠上的螺母向上攀升带动升降平台向上移动，所述光滑圆柱对装置位移的精度加以限制，当得到板形辊需要的包角后，板形辊能够在其行程任意位置借助于固定手柄进行锁死；

所述张力辊借助于所述张力辊轴承座安装在张力辊位移装置上，所述张力辊位移装置包括导轨和限位螺丝，所述张力辊轴承座安装于所述导轨之间，所述导轨上开设有通槽，当张力辊水平移动至得到所需张力时，张力辊轴承座能够在其行程任意位置借助于限位螺丝锁死；

所述标定和板形模拟装置包括标定支架、标定横梁、标定杆组、压轮组和砝码组，所述标定横梁通过所述标定支架固定于第一固定导辊或第二固定导辊的轴承座上，所述标定横梁上开设有用于安装所述标定杆组的陷槽，所述标定杆组包括多条标定杆，各条标定杆上分别安装压轮和砝码，多个压轮组成所述压轮组，多个砝码组成所述砝码组，根据要求能够调整所述标定杆组及其对应的所述压轮组和所述砝码组的位置和数量；

所述带钢包覆在所述整辊式板形仪的板形检测辊、所述动力辊、所述张力辊、所述第一固定导辊和所述第二固定导辊外表面，并在其首尾焊接为无缝成为一闭环；

所述整辊式板形检测辊在其圆形侧面沿辊体轴向开设有两排通孔，所述通孔内间隔设置有压电传感器组块，通孔内的所述压电传感器交错布置，两排通孔内部位于一条直线上的的压电传感器组成一个检测单元，检测单元设置有多个，当带材通过所述压电传感器上的辊体表面时检测单元输出多条由采样点组成的波形曲线并传输至所述板形信号处理计算机计算板形分布。

优选地，所述试验系统能够进行如下试验：导辊安装误差对整辊式板形仪信号影响试验、板形模拟试验、不同形式板形仪检测辊信号的对比试验、针对整辊式板形仪的带材标定试验、整辊式板形仪通道耦合及其解耦试验和整辊式板形仪信号特殊波形产生机理的验证试验。

优选地，所述板型辊还设置有板形辊电机，根据试验需求不同可以选择板形辊主动传动方式或被动传动方式，被动传动时所述动力辊与所述动力辊电机通过皮带轮或联轴器连接从而带动带材转动，带材将动力依次传至其余四辊；主动传动时所述动力辊电机带动所述动力辊，所述板形辊电机带动板形辊，共同驱动整个五辊结构的转动。

优选地，所述第一固定导辊和所述第二固定导辊根据试验需求不同加工成光滑辊或异形辊，所述光滑辊为普通导向辊，所述异形辊指沿其轴向每间隔一端距离L设置有一个用于安装导向辊的陷槽。

优选地，所述带钢可根据实验需求不同选择不同的外形尺寸。

优选地，所述试验系统能够进行整辊式板形仪信号特殊波形产生机理的验证试验，其包括以下步骤：

S1、在辊体侧面沿轴向设置两个周向对称的用于安装传感器的通孔，当张力和包角增大到一定时，由于辊面所受径向力较大导致孔弹性变形；

S2、固定板形辊的包角大小，从小到大对张力进行调整，选择传动方式后启动电机，查看力信号波形变化趋势，并对参数进行调整得到多个不同的板形辊力信号波形，绘制力信号曲线；

S3、固定板形辊的张力大小，从小到大对包角进行调整，选择传动方式后启动电机，查看力信号波形变化趋势，并对参数进行调整得到多个不同的板形辊力信号波形，绘制力信号曲线；

S4、在有限元软件中，根据步骤S1和步骤S2中试验模型参数建模，并根据步骤S1和步骤S2中真实条件施加模型边界条件，按照步骤S1和步骤S2中试验安排在有限元软件中进行多组仿真试验，并对多组仿真试验的试验结果进行对比。

优选地，所述试验系统能够进行整辊式板形仪导辊安装误差试验，其包括以下步骤：

S1、将带钢包覆辊系表面后调整板形辊升降装置和张力辊位移装置得到试验需要的包角大小和张力值；

S2、分别在第一固定导辊或第二固定导辊的操作侧或传动侧轴承座下增加0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm或0.5mm垫片，使其偏离水平方向，得到试验需要的导向辊水平安装误差，选择传动方式后启动电机，得到多个不同的板形辊力信号波形，根据多个不同的板形辊力信号波形绘制力信号曲线；

S3、分别使第一固定导辊或第二固定导辊的操作侧或传动侧轴承座偏离公共轴向方向0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm或0.5mm后进行安装，得到试验需要的导向辊垂直安装误差，选择传动方式后启动电机，得到多个不同的板形辊力信号波形，根据多个不同的板形辊力信号波形绘制力信号曲线；

S4、对步骤S2得到的不同的板形辊力信号波形以及步骤S3得到的不同的板形辊力信号波形进行对比分析。

优选地，所述试验系统能够进行整辊式板形仪通道耦合及解耦试验，其包括以下步骤：

S1、提取通过整辊式板形仪通道耦合及解耦理论计算出的现场解耦前后压力分布和板形分布数据；

S2、在安装异型辊的第一固定导辊和第二固定导辊的试验系统上包覆分段的多条窄带钢，调整板形辊升降装置和张力辊位移装置得到试验需要的包角大小和张力值，按照S1步骤中的压力分布调整标定和板形模拟装置中的压轮组位置分布和砝码组重量分布，选择传动方式后启动电机，得到几组带钢分段条件下的张力板形对应关系；

S3、在安装光滑辊的第一固定导辊和第二固定导辊的试验系统上包覆完整的带钢，调整板形辊升降装置和张力辊位移装置得到试验需要的包角大小和张力值，按照S1步骤中的压力分布调整标定和板形模拟装置中的压轮组位置分布和砝码组重量分布，选择传动方式后启动电机，得到几组带钢完整条件下的张力板形对应关系；

S4、对比步骤S2和步骤S3中试验结果和数据分布，验证通道耦合及解耦理论。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明提供的一种用于冷轧带材整辊式板形仪带张力变包角的试验系统，主要可用于针对整辊式板形仪的带材标定试验、板形模拟试验、整辊式板形仪通道耦合及其解耦试验、整辊式板形仪信号特殊波形产生机理的验证试验等和不同形式板形仪检测辊信号的对比试验等。

(2)本发明整合了多种试验需求，将其通过一套较简单的试验设备全部实现。其结构设计合理，装拆简便，并且由于其特殊的五辊结构实现了以往结构都不能实现的固定张力调整包角和固定包角调整张力的特有功能。

附图说明

图1a为本发明的整辊式板形检测辊的结构剖面示意图；

图1b为本发明的整辊式板形检测辊的侧视图；

图2为一种用于冷轧带材整辊式板形仪带张力变包角的试验系统零件简图；

图3为本发明的试验系统的辊系布置图；

图4a为板形辊升降装置的结构图；

图4b为板形辊升降装置的侧视图之一；

图4c为板形辊升降装置的侧视图之二；

图5a为张力辊位移装置的结构图；

图5b为张力辊位移装置的侧视图；

图6a为标定和板形模拟装置结构图；

图6b为标定杆的结构示意图；

图7a-图7d为板形仪通道耦合现象解耦前后的板形曲线对比；

图8a和图8b分别为两组仿真条件下输出的板形信号试验曲线。

其中，部分附图标记如下：1-整辊式板形检测辊，2-板形辊升降装置，3-板形辊电机，4-动力辊，5-动力辊电机，6-张力辊，7-张力辊位移装置，8-第一固定导辊，9-第二固定导辊，10-带钢，11-辊安装平台，12-辊安装支架，13-标定支架，14-标定横梁，15-标定杆组，16-压轮组以及17-砝码组。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合附图和试验具体实施方式对本发明作进一步说明：

本发明提供一种用于冷轧带材整辊式板形仪带张力变包角的试验系统，其包括整辊式板形检测辊1、板形辊升降装置2、动力辊4、动力辊电机5、张力辊6、张力辊位移装置7、第一固定导辊8、第二固定导辊9、带钢10、辊安装平台11和辊安装支架12。

标定和板形模拟装置包括标定支架13、标定横梁14、标定杆组15、压轮组16和砝码组17，标定横梁通过标定支架固定于第一固定导辊或第二固定导辊的轴承座上，标定横梁上开设有用于安装标定杆组的陷槽，标定杆组包括多条标定杆，各条标定杆上分别安装压轮和砝码，多个压轮组成压轮组，多个砝码组成砝码组，根据要求能够调整标定杆组及其对应的压轮组和砝码组的位置和数量。

带钢10包覆在整辊式板形检测辊1、动力辊4、张力辊6、第一固定导辊8和第二固定导辊9外表面，并在其首尾焊接为无缝成为一闭环。

整辊式板形检测辊1通过板形辊升降装置2竖直移动调整包角并且可在其行程任意位置锁死，张力辊6通过张力辊位移装置7调整张力并且能够在其行程任意位置锁死。

整辊式板形仪包括整辊式板形检测辊1和板形信号处理计算机。板形检测辊在其圆形侧面沿辊体102轴向打通孔100(两个通孔，彼此沿辊周向对称)并在每隔26mm的位置安装压电传感器101，两孔中的压电传感器101交错布置(沿轴向的每两个传感器的52mm范围形成一个检测单元200)，当带材通过压电传感器组块上的辊体表面时输出多条(等于检测单元数)由采样点组成的波形曲线并传输至板形信号处理计算机计算板形分布。整辊式板形检测辊1与板形辊电机通过联轴器连接并安装固定于板形辊升降装置2上。整辊式板形检测辊1结构简图见附图3。

辊安装平台,200中部有一矩形开口，试验平台工作时，整辊式板形检测辊1可通过板形辊升降装置2通过该开口调整包角变化。第一固定导辊8、第二固定导辊9和辊安装支架安装固定于辊安装平台上。

如图4a至图4c所示，板形辊升降装置2由两个手摇式丝杠升降机21、传动轴23和四个光滑钢柱22组成。手柄转动时，滚珠丝杠210上的螺母向上攀升带动升降平台向上移动，光滑圆柱22对装置位移的精度加以限制。当得到板形辊需要的包角后，固定手柄对装置进行锁死。

如图5a和图5b所示，张力辊位移装置7是通过导轨72、位移手柄74和限位螺丝73来实现的。张力辊轴承座71安装于导轨72之间，导轨73上开有通槽，当张力辊水平移动至得到所需张力时，通过限位螺丝73锁死。

标定横梁通过标定支架固定于第一固定导辊8或第二固定导辊9的轴承座上，并在其上加工出和异形固定导辊相同的陷槽以安装标定杆组，标定杆组的各条标定杆上分别安装压轮组成压轮组，分别安装砝码组成砝码组。

第一固定导辊8和第二固定导辊9根据需求不同可加工成光滑辊或异形辊。光滑辊为普通导向辊，异形辊指沿其轴向每隔52mm开槽形成的可安装多条(等于检测单元数)窄带的导向辊。动力辊4和动力辊电机5安装于辊安装支架上，张力辊通过张力辊位移装置7安装于辊安装支架上。

带钢10有两种安装方式，一种为一整张带钢10直接包覆在五辊机构表面并焊接成闭环，此时第一固定导辊8和第二固定导辊9为上述光滑辊；另一种为带钢10分成窄段安装于上述陷槽中等距分布于板形辊各检测单元处并分别焊接为闭环，此时第一固定导辊8和第二固定导辊9为上述异形辊。

由上文，张力有两种调节方式，其中张力辊的水平移动可以总体调整各通道的张力为一定值，将带材张紧，而上述标定和板形模拟装置可分别调节各检测单元处带材张力，同时第一固定导辊8和第二固定导辊9可分别安装标定和板形模拟装置(包括标定支架、标定横梁、标定杆组和砝码组)模拟带材通过板形辊时前后张力不同的情况。标定和板形模拟装置及其安装工作方式见说明书附图6a和图6b所示。标定和板形模拟装置包括标定支架13、标定横梁14、标定杆组15、压轮组16和砝码组17，标定横梁14通过所述标定支架13固定于第一固定导辊或第二固定导辊的轴承座上，所述标定横梁上开设有用于安装所述标定杆组的陷槽，所述标定杆组15包括多条标定杆151，各条标定杆151上分别安装压轮161和砝码171，多个压轮组成所述压轮组，多个砝码组成所述砝码组，根据要求能够调整所述标定杆组及其对应的所述压轮组和所述砝码组的位置和数量。

根据需求不同，可以增加设置板形辊电机3，可选择板形辊主动和被动传动方式。被动传动时动力辊与动力辊电机5通过皮带轮或联轴器连接带动带材转动，带材将动力依次传至其余四辊。主动传动时动力辊电机5带动动力辊与板形辊电机3带动板形辊，共同驱动整个五辊结构转动。

在当前结构设计的基础上可进行的试验包括：导辊安装误差对整辊式板形仪1信号影响试验(即试验探究实际轧制时辊安装误差对板形检测的影响)、板形模拟试验(即模拟不同形式板形缺陷的带材包覆板形辊时板形仪检测信号的具体形式以验证理论)、不同形式板形仪检测辊信号的对比试验(在试验平台安装结构或辊面材料等参数不同的板形辊时获取的信号对比)、针对整辊式板形仪1的带材标定试验(即找到整辊式板形仪1各检测单元传感器当带材加载时所施加径向力与检测信号之间的对应关系)、整辊式板形仪1通道耦合及其解耦试验(整辊式板板形仪由于辊面为整体而非分段形式而产生相邻通道间信号相互干扰现象。对这种现象的解耦方式已有理论和试验研究，但由于此前的试验采用压轮代替带材获取板形辊信号，因此仍需更还原实际的试验佐证——对比单通道带钢10信号、分段带钢10信号和完整带钢10信号)和整辊式板形仪1信号特殊波形产生机理的验证试验(整辊式板形仪1在某些场合会产生区别于单峰型常见信号的双峰型特殊信号，需要对此特殊信号的产生机理假设及其仿真结果加以试验验证)等。以下对不同试验的操作流程做简单清晰描述。

对于导辊安装误差试验，在试验时，将带钢10包覆辊系表面后调整板形辊升降装置2和张力辊位移装置7得到试验需要的包角大小(如10°)和张力值(如20KN)，将第一固定导辊8或第二固定导辊9的轴承座的螺栓处加垫片使其偏离水平(如分别在操作侧和传动侧轴承座下加0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm或0.5mm垫片)或将其轴承座偏离辊系的公共轴向安装(如分别偏离公共轴向0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm或0.5mm安装)，这需要在辊安装平面上对应的孔处打长槽孔，分别使其具有水平或竖直安装误差。启动动力辊电机5或分别启动动力辊电机5和板形辊电机，提取整辊式板形仪1的板形信号计算机中板形信号数据对比分析。这种试验对各种类型或结构的接触式板形检测辊都可进行。

对于板形模拟试验，在试验时，通过计算分析出对应不同板形分布的带张力分布，使用分段的窄带钢10、异形的第一固定导辊8和第二固定导辊9，将窄带钢10分别包覆在辊系表面对应板形检测辊的检测单元位置，之后分别调整板形辊升降装置2和张力辊位移装置7得到试验需要的包角大小(如10°)和张力值(如20KN)，使用标定装置对带材进行张力微调获得不同的板形分布(在不同检测单元对应的标定杆上放置不同的砝码组合加载，根据试验设计调整)。启动动力辊电机5或分别启动动力辊电机5和板形辊电机，对比板形信号处理计算机中的板形信号数据与计算数据。这种试验对各种类型或结构的接触式板形检测辊都可进行。

对于不同形式板形仪检测辊信号的对比试验，在试验时，将不同形式板形仪检测辊或试验辊(不同结构、不同辊面材料、整辊式板形辊不同传感器组块过盈量或整辊式板形辊不同的通孔位置和尺寸等)分别安装于辊升降平台，分别调整包角和张力大小并根据试验需求调整板形辊传动方式、张力分布等参数后，对比不同形式板形辊在板形信号处理计算机中的板形信号数据。

对于针对整辊式板形仪1的带材标定试验，在试验时，需使用分段的窄带钢10、异形的第一固定导辊8和第二固定导辊9，将窄带钢10分别包覆在辊系表面对应板形检测辊的检测单元位置，之后调整板形辊升降装置2和张力辊位移装置7得到试验需要的包角大小(如10°)和张力值(如1KN)，根据需要使用标定装置对带材进行张力微调，根据几何关系分别计算出带材对板形辊径向压力，得到力与检测信号的对应关系，并在板形信号处理计算机中将各检测单元对径向力的线性度调整至一致。

对于针对整辊式板形仪1的通道耦合及其解耦试验，在试验时，每组需要两种形式的带钢10和固定导辊对照进行试验。第一种需使用分段的窄带钢10、异形的第一固定导辊和第二固定导辊9，将多条窄带钢10分别包覆在辊系表面对应板形检测辊的每一个检测单元位置；第二种需要完整不分段的完整带钢10、光滑的第一固定导辊和第二固定导辊9，将完整带钢10直接包覆在对应的板形检测辊检测单元的五辊结构表面。分别调整板形辊升降装置2和张力辊位移装置7得到试验需要的包角大小(如10°)和张力值(如20KN)，使用标定装置对带材进行张力微调获得不同的板形分布(在不同检测单元对应的标定杆上放置不同的砝码组合加载，根据试验设计调整)，分别从板形信号处理计算机中读取板形分布，将数据对比板形信号耦合及解耦理论，根据该理论得到的两组解耦前后得到的压力和板形分布见说明书附图7。

整辊式板形仪1信号特殊波形产生机理的验证试验是本发明平台的最主要研究方向。由于整辊式板形仪检测辊结构的特殊性——在辊体侧面沿轴向打两周向对称通孔以安装传感器，而孔距辊面较近——当张力和包角增大到一定时，辊面所受径向力较大可能导致孔弹性变形，此时板形辊测得的检测信号并非单峰型常见信号，而是呈现中间下陷两侧凸起的类双峰型波形。由此，需要进行的试验主要包括三方面：其一，固定包角(如：20°、30°和40°三组)，调整张力从小到大(如：500N、1000N、1500N、2000N和2500N)，查看力信号波形变化趋势。其二，固定张力(如：1000N)，调整包角从小到大(如：4°、8°、12°、···、60°，也分为三组)，查看力信号波形变化趋势。其三，对比不同参数对板形辊力信号波形的影响，如加工不同通孔大小的试验辊、不同通孔位置(孔距辊面距离不同)的试验辊、安装不同传感器过盈量的试验辊或安装不同传感器组块尺寸的试验辊并对其板形信号波形进行对比分析。说明书附图8为前两种试验方式下得到的仿真曲线。

以上的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。