5. Измерение давления металла на валки при прокатке

Для правильной эксплуатации прокатного стана и во избежание полом­ки валков, станины, приводных шпинделей и других деталей необходи­мо в процессе прокатки измерять полное давление металла на валки Р (усилие при прокатке). Кроме того, замеренные фактические данные значений Р при различных случаях горячей и холодной прокатки позво­ляют судить о правильности теоретических формул, применяемых для определения полного и среднего давлений [см. формулы (Il.lla), (II.21а) и (11.276)].

Рис. 11.13. Схема измерения усилия, действу­ющего на нажимный винт, гидравлической месдозой

Для измерения полного давления на валки применяют различные приборы (месдозы) и устройства. Месдозы устанавливают в рабочей клети между нажимными винтами и подушками’ верхнего валка или между подушками нижнего валка и нижними поперечинами станин.

Гидравлическая месдоза (рис.

11. 13) состоит из составного корпу­са — стакана 2,4 и плунжера 1. В стакане иод дном плунжера нахо­дится жидкость (глицерин). Во из­бежание утечки жидкости плунжер опирается на жидкость через рези­новую мембрану 3, края которой зажаты в составном внешнем кор­пусе. Для предохранения месдозы от смещения при вращении нажим­ного винта его сферический под­пятник опирается на упорный ша­риковый подшипник внутри плун­жера. Усилие на нажимной винт,

измеряемое месдозой, будет равно давлению жидкости, пока­зываемому манометром 5, умноженному на площадь дна плунжера.

Гидравлическая месдоза является весьма простой по своему устройст­ву и надежной в эксплуатации. Недостаток ее состоит в том, что она об­ладает большим запаздыванием показаний при изменении усилия на валки, поэтому ее применяют на станах с длительным режимом прокат­ки (листовых, полосовых, заготовочных, сортовых). Точность измерения усилия зависит от точности показаний манометра и в некоторых случа­ях (например, при проверке теоретических формул) оказывается недос­таточной.

Гидравлическая месдоза является единственным устройством, кото­рое позволяет непосредственно измерять усилие на валки (на нажимные винты) при прокатке. Все другие типы месдоз и устройств, описы­

ваемые ниже, основаны не на измерении усилия при прокатке, а на из­мерении упругой деформации станины или других деталей, воспринима­ющих это усилие. Так как эта упругая деформация согласно закону Гу­ка, пропорциональна нагрузке, то по величине деформации можно опреде­лить усилие при прокатке.

Стержневой тензометр механического типа (рис. 11.14) состоит из стального стержня 3, один конец которого установлен в нижнем крон­штейне 1, а другой свободно проходит через втулку в верхнем крон­штейне 2. Кронштейны закреплены на стойке станины так, чтобы рас­стояние между ними (база /) было максимальным при данной высоте стойки; кроме того, ось крепления кронштейнов и ось измерительного стержня должны находиться в вертикальной плос­кости, соответствующей нейтральному сечению стойки станины; это сечение испытывает растяже­ние только от вертикального усилия на валки при прокатке, а напряжения изгиба в нем равны нулю. При прямоугольной форме горизонтального сече­ния стойки станины нейтральная линия будет про­ходить посередине этого сечения. На верхний торец стержня опирается штифт точного (микронного) индикатора. Перед прокаткой штифт устанавлива­ют так, что стрелка микрометра показывает пуле­вое положение. При прокатке стойка станины рас­тягивается, увеличивая базовый размер / на вели­чину А/. При этом штифт индикатора «следит» за

^11М- ^0пР^{сделе,,ме} положением верхнего торца стержня и стрелка ин-

давления при прокатке ' г ^s г i _u

путем измерения дефор- дикатора показывает абсолютное удлинение стои- cTofiKK стаиины^ТЯ^ханн- ^ки станины А/. Согласно з а ко и у Гука усилие, рас- ческим тензором с «и- тягивающее стойку, У_г — У j2 = (A///)EF, где У —

днкатором ^J ‘ „

усилие, воспринимаемое нажимным винтом; г — горизонтальное сечение стопки станины.

Если модуль упругости Е материала станины (для литой стали око­ло 2-10⁵ МПа) или сечение стойки F известны недостаточно точно, то станину предварительно надо тарировать. Для этого в окне станины ус­танавливают гидравлический домкрат; прикладывая различные усилия, растягивают станину и замеряют при этом деформацию стопки стани­ны, определяя цену одного деления индикатора. Зная цену деления ин­дикатора и число делений, соответствующих деформации А/, легко оп­ределить усилие, действующее на стойку при прокатке.

Этот способ недостаточно точен и его применяют для грубого опреде­ления усилия на валки при прокатке.

Электрическими месдозами пользуются для более точного измерения усилий. Результаты измерения показываются стрелочным гальваномет­ром, и их можно регистрировать на фотопленке при помощи осцилло­графа. В этих мссдозах упругая деформация детали, испытывающей прямое давление при прокатке, преобразуется в электрический ток не­большой силы (мА) при помощи так называемых датчиков различного типа: емкостных, угольных, индуктивных, магиитострикнпонных и дат­чиков сопротивления. Электрические импульсы датчиков поступают в усилитель и после усиления регистрируются осциллографом.

Месдоза с датчиками сопротивления (рис. 11.15) состоит из герметич­ного корпуса 4, внутри которого расположен деформируемый стакан 5; на наружную А и внутреннюю Б поверхности стакана наклеивают про­волочные датчики сопротивления. Датчик состоит из плоской спирали 2 (несколько петель) тонкой проволоки или тонкой полоски фольги, накле­енной на плотную бумажную подкладку 3; сверху его заклеивают тон­кой бумагой 1. Датчик наклеивают на деформируемую деталь (стани­ну, промежуточный стакан под нажимным винтом и т.п.) и сверху также покрывают клеем для предохранения от влаги. Благодаря прочному «схватыванию» клея датчик будет деформироваться так же, как и ос­новная деталь, на которую он наклеен, т.е. будет растягиваться и сжи­

маться, поэтому его называют также тензодатчиком (датчиком растя­жения). При упругой деформации датчика будет изменяться его сопро­тивление и вследствие этого изменится сила тока в электрической цепи питания датчика.

Для изготовления датчиков применяют тонкую проволоку или фоль­гу из следующих материалов: колстантана (60 % С u-f- 40 % N j), нихрома (80% Ni+20 % Сг), манганина (84% Cu+12% Mn+4 % Ni) и др. Эти материалы обладают большим температурным коэффициентом элек-

Рис. 11.15. Измерение усилий (деформаций) при помощи датчиков сопротивления: а —общий вид месдозы с датчиками А и Б\ б — проволочный датчик; в — фольговый дат­чик; г — схема наклейки датчиков и соединение их по схеме моста -Уитсона; д—схеага наклейки датчиков непосредственно на стойки станины

трического сопротивления и высокой чувствительностью к деформации.

По сравнению с проволочными фольговые датчики имеют большее отношение периметра к площади сечения, лучше воспринимают дефор­мацию и через них можно пропускать ток большой силы (до 500 мА) от схемы питания, так как теплоотдача их больше. Одиако показания их менее стабильны при температурных изменениях и точность показаний ниже.

Рабочие датчики наклеивают по образующим цилиндрического ста­кана, воспринимающего усилия при прокатке (см. рис. 11.15, а). Для компенсации влияния температурных колебаний па сопротивление ра­бочих датчиков перпендикулярно им наклеивают компенсационные дат­чики, не испытывающие деформацию при нагрузке. Датчики соединяют

по схеме моста Уитстона: два противоположных плеча составляют со­противления рабочих датчиков и два плеча—сопротивления компенса­ционных датчиков. Если сопротивления рабочих и компенсационных дат­чиков одинаковы, ток в диагонали моста равен нулю.

При нагружении месдозы сопротивление рабочих датчиков изменит­ся и в диагонали моста появится ток, который будет отклонять стрелку миллиамперметра; этот ток можно также регистрировать на фотопленку осциллографа.

Для измерения усилия при прокатке можно наклеивать датчики не­посредственно на стойке станины (по нейтральной линии, см. рис. 11.15,

д), однако ввиду малой упругой деформации станины и датчиков в этом случае необходимо применять усилитель для повышения точности по­казаний.

Все рассмотренные выше месдозы, устанавливаемые под нажимные винты, предварительно тарируют на прессе и определяют показания дат­чиков при различных усилиях, действующих на подпятник.

Выше было отмечено, что при холодной прокатке листов и полосы среднее и полное давление металла на валки значительно увеличиваются вследствие упругого сплющивания валков. Определить длину сплющен­ной дуги контакта металла с валком весьма трудно, так как она зависит от среднего давления, которое в свою очередь является функцией этой длины. Задача значительно облегчается, если на стане предусмотрены месдозы, измеряющие усилия на валки при прокатке. При прокатке по­лосы шириной b среднее давление (МПа), согласно формуле (11.11а)

Рср = Р!(Ь1_С) = qll_ct

где q — усилие на валки, измеренное месдозами и отнесенное к 1 мм ши­рины листа (полосы), Н/мм.

46000A/i ’

Но вместе с тем зависимость между р_ср и /_с определяется уравнением (11.236). Приравнивая правые части этих уравнений, получим формулу для определения длины сплющенной дуги захвата (проекции на горизон­таль) :

(11.28)

где Дh — абсолютное обжатие за данный пропуск металла в валках, мм; для стальных валков С=1,08- 10“⁵мм²/Н.

Зная Р, q и Ah, находим /_с и фактическое среднее давление с учетом упругого сплющивания валков.

Для подтверждения теоретических выводов и формул о характере распределения радиальных давлений металла на валки при прокатке [см. рис. II.1, II.6 и формулы (II.5), (II.6), (11.17)] большое значение имеет экспериментальное исследование этого вопроса. С этой целью ав­тором применена небольшая месдоза с датчиком, вмонтированная во вкладыше, установленном в пазу по длине бочки валка, В радиальном направлении во вкладыше сделано небольшое (диаметром 1 —1,5 мм) отверстие, в котором находится цилиндрический штифт, опирающийся нижним концом на месдозу (рис. 11.16).

Месдоза представляет собой цилиндрический стакан, внутри кото­рого помещены датчики. В емкостной месдозе датчиком служат пласти­ны конденсатора, в проволочной — проволочные тензометры, в угольной— угольные столбики. Вкладыш месдозы и измерительный штифт шлифо­ваны по наружному диаметру вместе с валком. При прокатке штифт месдозы, проходя зону деформации, воспринимает и передает давление металла месдозе; при этом изменяется зазор между пластинами конден­сатора (или сопротивление проволочного и угольного датчиков). Импульс месдозы передается по проводам 4, выведенным через отверстие в цент­ре валка, на электрическую схему и далее на осциллограф, в котором на фотобумаге фиксируется кривая радиальных давлений при прохож­дении штифта через зону деформации. Месдозу предварительно градуи­ровали под прессом на ожидаемое максимальное давление, а при обра­

ботке полученной осциллограммы учитывали торцовую площадь поверх­ности штифта и масштаб градуировочной кривой, выражающий зависимость показаний месдозы (ординаты кривых радиальных давле­ний) от давления штифта.

Положение геометрической оси валков фиксировали на осциллограм­ме при помощи специального отметчика пути коллекторного типа, кото­рый давал разрывы в показаниях шлейфа через каждые 10 и 5 мм и один разрыв строго по оси валков.

Рис. 11.17. Осциллограммы, полученные при холод­ной прокатке полосы 2X30 мм из стали 10 1

Т„ = 0

Puc. II.16. Устройство для измерения радиальных давлений металла на валок при прокатке при помо­щи месдозы со штифтом:

/ — вкладыш; 2 — штифт; 3 — месдоза; 4 — изолиро­ванные провода, идущие от датчиков месдозы к уси­лителю и осциллографу; 5 — рабочий валок

N	Н\	МЛААМАМШАА
		' У ь		и
	*
6DC	•ссГ
Щ		/10,8
200	- /
3

•Распределение давлений исследовали на двухвалковом стане 250 при прокатке различных металлов и сплавов.

На рис. 11.17, а приведена осциллограмма, полученная при холодной прокатке образцов из стали марки 10 толщиной 2 мм, шириной 30 мм с обжатием 48%. Измерение проводили двумя месдозами, установленны­ми на верхнем и нижнем валках, сдвинутыми на 5—б мм одна относи­тельно другой.

Рассмотрение осциллограммы позволяет сделать следующие выводы:

1. Радиальные давления распределяются по дуге захвата неравно­мерно и точка максимума эпюры давлений находится между осевой плос­костью валков и серединой дуг и захвата; равнодействующая давлений, соответствующая центру тяжести эпюры, расположена ближе к оси вал­ков (Р/а = 0,4-н0,3 в зависимости от толщины и обжатия металла).

2. Вершины эпюр давлений не пикообразной, а куполообразной фор­мы (см. рис. II.6).

При рассмотрении осциллограммы необходимо иметь в виду, что на­чало и конец кривых не характеризуют величины действительных давле­ний в сечениях входа и выхода металла из валков; здесь измерительный штифт только «входит» в зону деформации или «выходит» из нее, поэ­тому он не соприкасается с металлом всей своей торцовой поверхностью.

На рис. 11.17, б и в приведены осциллограммы, полученные при про­катке рулона ленты толщиной 1,95 мм из стали марки 10 с обжатием 26 и 33 % (при неизменной настройке валков) и с задним натяжением 280 МПа. Осциллограммы показывают, что:

1. заднее натяжение значительно уменьшает давление металла на валок;

2. точки максимума на кривых удельного давления при увеличении заднего натяжения приближаются к оси валков.

Данными этих осциллограмм подтверждаются теоретические выво­ды, изложенные выше.

Из рассмотрения осциллограмм можно сделать вывод, что большая зона упругого сжатия находится за осью валков: приращение длины контакта происходило, вероятно, пс только благодаря упругому сплю-

Рис. 11.18. Направление усилий на валки при прокатке:

а — направление равнодействующей давления на валки в общем случае; б — при простом процес­се прокатки; 1 — силы, действующие от валков на металл; II—силы, действующие от металла на валки

Зта

бани я /\\ I иши

щиванию валков при прокатке тонкой стальной полосы, но и вследствие упругой деформации вкладыша самой месдозы. Последнее обстоятельст­во искажает экспериментальные кривые и его трудно устранить при про­ведении опытов с описанными месдозами.

На рис. 11.18, а представлена схема действия сил со стороны валков на металл при прокатке. Нормальные силы N₀ и N\ направлены по ра­диусу как в зоне / (отставания), так и в зоне II (опережения). Каса­тельные силы трения Т₍₎ и Т_{ имеют разные знаки: в зоне I сила 7₀ на­правлена вправо (втягивает металл в валки), а сила Т\ в зоне II — влево (тормозит движение металла).

При сложении векторов N н Т или Р₀ и Pi их равнодействующая Р (полное давление валков на металл) направлена вниз в общем случае не вертикально. Отсюда следует, что реакция этой равнодействующей, т. е. давление металла на валки, направлено вверх в общем случае тоже не вертикально, а вправо или влево от вертикали под некоторым углом.