附著式軋制力傳感器安裝誤差對測量精度的影響

1、附著式軋制力傳感器安裝誤差對測量精度的影響賈永茂1,司小明2,孔順富2,閆曉強(qiáng)1(11北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,北京100083;21馬鞍山鋼鐵股份有限公司,安徽馬鞍山243001摘要:介紹了利用測量機(jī)架的變形來間接測量軋制力的基本原理,并利用有限元研究了附著式軋制力傳感器在機(jī)架立柱的安裝誤差對測量精度的影響。關(guān)鍵詞:附著式傳感器;軋制力;有限元中圖分類號:TG 302文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1003-9996(200602-0026-03Influence of Equipped Situation on the Attached T ype Sensor s OutputJ IA Y o

2、ng 2mao 1,SI Xiao 2ming 2,KON G Shun 2fu 2,YAN Xiao 2qiang 1(11University of Science &Technology Beijing ,Beijing 100083,China ;21Maanshan Iron &Steel Co 1,Ltd 1,Maanshan 243001,China Abstract :The measuring theory of attached type sensor was introduced.The influence of calibration and e quipped sit

3、uation on sensor s output was studied by finite element method 1K ey w ords :attached type sensor ;rolling force ;finite element收稿日期:2005-08-04收修改稿日期:2005-12-26作者簡介:賈永茂(1980-,男(漢族,河北保定人,碩士研究生。1前言軋制力是軋機(jī)最主要的技術(shù)參數(shù)之一,獲取軋制力信息對保證安全生產(chǎn)、防止設(shè)備重大事故、優(yōu)化軋制規(guī)程、實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化和最優(yōu)控制等都具有重要意義1。利用附著式傳感器測量軋制力是一種間接測量軋制力的方法,其基本原理是

4、:軋鋼時(shí)軋制力傳遞到兩側(cè)機(jī)架上并由4個(gè)立柱承擔(dān),因此,通過測量立柱應(yīng)變即可間接測量軋制力。但由于機(jī)架強(qiáng)度裕量較大,應(yīng)力水平較低,應(yīng)變很小,因而測量精度低。為了提高測量精度,傳感器采用兩端粗、中間細(xì)的對稱階梯狀結(jié)構(gòu)模型,以使傳感器敏感元件的應(yīng)力水平提高到機(jī)架應(yīng)力水平的410倍,在機(jī)架應(yīng)力水平較低(512MPa 情況下,能使彈性元件處于較高(25120MPa 的應(yīng)力水平,從而實(shí)現(xiàn)較高精度的軋制力測量。在整個(gè)測量系統(tǒng)中,影響測量精度的因素很多,主要包括:標(biāo)定、安裝誤差、溫度漂移、軋機(jī)振動(dòng)和主傳動(dòng)系統(tǒng)影響等。本文主要研究標(biāo)定及安裝誤差對測量精度的影響。2建立計(jì)算模型以某中板軋機(jī)為例,對于間接測量軋制力

5、來說,機(jī)架立柱作為測量的一次彈性體,其應(yīng)力分布對測量的精確度有重要影響。在軋制過程中,機(jī)架受力很復(fù)雜,包括軋制力、附加水平力和摩擦力等。本文采用ANSYS 有限元軟件對機(jī)架在此3種力作用下立柱的應(yīng)力分布進(jìn)行了計(jì)算2,3。211模型的建立首先,建立軋機(jī)在3種狀態(tài)下的有限元模型和標(biāo)定裝置模型:(1只考慮軋制力而忽略其他力的影響;(2考慮軋制力和地腳螺栓的約束;(3考慮軋制力、地腳螺栓約束和附加水平力及摩擦力的共同作用。標(biāo)定裝置采用千斤頂加載,載荷只考慮該力的作用。3種狀態(tài)下,軋機(jī)模型的網(wǎng)格劃分見圖1。對于前兩種情況,由于機(jī)架的載荷和結(jié)構(gòu)具有對稱性,取機(jī)架的1/2建立模型。模型采用862軋鋼STEE

6、L ROLL IN G 2006年4月第23卷第2期Apr.2006Vol 123No 12節(jié)點(diǎn)的solid45六面體單元?jiǎng)澐?在附著區(qū)中性面附近進(jìn)行細(xì)分。其余部分采用拉伸平面單元得到,這樣既保證了所關(guān)心的立柱附著區(qū)部分的計(jì)算精度,方便中性面上節(jié)點(diǎn)應(yīng)力的獲取,又減少了計(jì)算量。計(jì)算取彈性模量E =210GPa ,泊松比013。標(biāo)定裝置尺寸及模型見圖2 。圖 1機(jī)架主要尺寸及有限元模型圖2標(biāo)定裝置主要尺寸及有限元模型212約束和載荷的施加由于軋機(jī)機(jī)架載荷和結(jié)構(gòu)的對稱性,在上下橫梁剖面上施加對稱約束。若軋機(jī)軋制力為30000kN ,分別由2片機(jī)架承擔(dān),單片機(jī)架承受的軋制力為15000kN ,每個(gè)立柱

7、為7500kN ,以均布載荷施加在上橫梁的中心環(huán)形槽內(nèi),下橫梁以均布載荷施加。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)計(jì)算,取側(cè)向水平力約為200kN ,在潤滑不良的情況下,取機(jī)架與軸承座之間的摩擦系數(shù)為011,則摩擦力為20kN ,水平力和摩擦力按均布力施加在右立柱內(nèi)側(cè)。對于標(biāo)定裝置來說,為了使立柱的應(yīng)力水平與機(jī)架立柱相同,在標(biāo)定裝置的上下橫梁之間施加250kN 均布力。3 計(jì)算結(jié)果分析311中性面應(yīng)力分析圖3為軋機(jī)在3種情況下中性面上的應(yīng)力分布,橫坐標(biāo)為從下到上的距離(位置見圖1,縱坐標(biāo)為中性面各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值。選擇的位置是圖1中陰影區(qū)域的中性面上。從圖3 可看出,3種情況下應(yīng)力分布大體相同:兩邊應(yīng)力稍低,中間段應(yīng)力基本

8、保持不變。對于第1、第2種情況,該應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)的長度基本相同,且應(yīng)力值均為1014MPa 。這表明地腳螺栓處的約束情況對中性面上的應(yīng)力分布基本無影響。在選擇傳感器安裝位置時(shí)應(yīng)盡量選在中間應(yīng)力不變區(qū),這樣可以保證良好的線性。對于第3種情況,由于受側(cè)向水平力的影響,2個(gè)立柱的應(yīng)力分布不同。左立柱應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)內(nèi)的應(yīng)力水平為1015MPa ,略高于前兩種情況。右立柱中間區(qū)域出現(xiàn)波動(dòng),平均應(yīng)力水平低于第1、第2種情況011MPa 。當(dāng)加上摩擦力后,應(yīng)力分布基本不變,與無摩擦?xí)r平均應(yīng)力相比僅差01002MPa ,這表明附加水平力起主要作用,摩擦力影響很小。圖3機(jī)架立柱中性面應(yīng)力分析1-第1種情況;2-第2種情

9、況;3-第3種情況左立柱;4-第3種情況右立柱圖4弦長法測量示意圖1-傳感器測量用的弦;2-中性面變形后的弧線312弦長法測量的誤差分析弦長和弧長測量見圖4。當(dāng)軋機(jī)受載后立柱中性面呈弧形,但傳感器測量采用的是弦長,即以兩點(diǎn)之間的弦長來代替弧長,從原理上來說,測得的數(shù)值比實(shí)際值要小。72第23卷第2期賈永茂等:附著式軋制力傳感器安裝誤差對測量精度的影響表1和表2給出了相同應(yīng)變水平下軋機(jī)和標(biāo)定裝置的弦長法測量誤差。由于標(biāo)定裝置立柱較軋機(jī)短,在相同跨度距離內(nèi)誤差略大于軋機(jī),但兩者的誤差很小,均可忽略。表1弦長法測量長度誤差載荷/kN原長/mm弧長/mm 弦長/mm 軋機(jī)250 表2弦長法測量應(yīng)變誤差

10、弧應(yīng)變/10-6弦應(yīng)變/10-6誤差/%軋機(jī)49160499491604000100200為了說明誤差隨載荷的變化情況,圖5給出了標(biāo)定裝置和軋機(jī)立柱在相同應(yīng)變情況下,用標(biāo)定裝置標(biāo)定軋機(jī)的誤差情況。可見,標(biāo)定裝置與軋機(jī)之間測量的誤差很小,在軋制力為30000kN (標(biāo)定裝置為250kN 時(shí)僅為0100187%。因此得出,標(biāo)定裝置具有很高的標(biāo)定精度,可以間接標(biāo)定軋機(jī)的測量值。圖5用標(biāo)定裝置標(biāo)定軋機(jī)誤差313安裝誤差分析傳感器在安裝時(shí)如果沒有安裝在中性面上,則按中性面上的應(yīng)力計(jì)算就會使結(jié)果出現(xiàn)偏差。因此有必要分析中性面附近的應(yīng)力狀況。計(jì)算表明,在中性面附近(左右偏移20mm 應(yīng)力分布規(guī)律基本相同。彎

11、曲作用使左側(cè)應(yīng)力高于中性面,右側(cè)低于中性面。為了說明安裝誤差對測量的影響程度,選取平行于立柱中性面向左偏移525mm 的截面,橫軸為偏移中性面的距離,縱軸為誤差(偏移截面平均應(yīng)力-中性面平均應(yīng)力/中性面平均應(yīng)力。由圖6可見,偏移越大,測量誤差越大,兩者成線性關(guān)系。偏移25mm 時(shí)的誤差為4%左右。偏向左側(cè),誤差為正;偏向右側(cè),誤差為負(fù)。圖6偏移對測量精度的影響關(guān)于偏斜情況:以中性面為零點(diǎn),傳感器的上下兩個(gè)端點(diǎn)有可能分別向中性面的兩邊偏,或一點(diǎn)不動(dòng)另一點(diǎn)向兩邊偏。規(guī)定偏離中性面左為負(fù),右為正。偏斜距離與誤差的關(guān)系見表3。表3安裝偏斜誤差傳感器下端點(diǎn)/mm 傳感器上端點(diǎn)/mm 偏斜微應(yīng)變/10-6

12、中性面微應(yīng)變/10-6誤差/%-01890綜上可看出,安裝位置誤差會給測量帶來不小的影響,尤其是同向偏移時(shí)誤差更大,所以在實(shí)際使用時(shí)要根據(jù)附著式壓力傳感器安裝后的位置誤差在儀表上進(jìn)行補(bǔ)償,以獲得高測量精度。4結(jié)論采用有限元軟件分析了軋機(jī)立柱和標(biāo)定裝置之間的測量誤差及傳感器安裝誤差給測量帶來的影響。(1軋機(jī)立柱承受的水平力與摩擦力對機(jī)架立柱的應(yīng)力影響很小,可以忽略。(2立柱中性面存在一段應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)域,傳感器安裝在此區(qū)域內(nèi)測量的線性很好;弦長法較弧長法測量有一定誤差,但數(shù)值十分小,僅為0100187%,可以忽略,因此標(biāo)定裝置具有非常高的標(biāo)定精度,可以間接標(biāo)定軋機(jī)的測量值。(3附著式壓力傳感器安裝誤差對測量精度的影響與偏移量成正比,安裝誤差越大,影響越大,兩者基本呈線性關(guān)系。所以實(shí)際使用時(shí)要根據(jù)不同的軋機(jī)和安裝情