艾 娜

(上海梅山鋼鐵股份有限公司,上海 32162)

測(cè)力傳感器在鋼帶涂敷裝置中的國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用

艾 娜

(上海梅山鋼鐵股份有限公司,上海 32162)

在鋼帶涂敷工藝中，對(duì)涂敷裝置的取液輥、涂敷輥與鋼帶之間的壓緊力的測(cè)量和調(diào)節(jié)是保證鋼帶涂敷質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)目前涂敷裝置普遍采用的進(jìn)口環(huán)形應(yīng)變式傳感器損壞率較高、維修開(kāi)銷(xiāo)較大的問(wèn)題，研制了一種具有制作成本低、精確度高和便于安裝拆卸以及工作壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)的國(guó)產(chǎn)化電阻應(yīng)變式測(cè)力傳感器。測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行表明，該傳感器性能完全能滿(mǎn)足鋼帶涂敷工藝的測(cè)力應(yīng)用的要求。

鋼帶 涂敷裝置 應(yīng)變式測(cè)力傳感器 國(guó)產(chǎn)化

0 引言

冷軋廠在鋼帶的軋制生產(chǎn)過(guò)程中，鋼帶表面的涂敷處理是一項(xiàng)重要的工藝流程。鋼板在軋制成所需厚度的鋼帶后，須進(jìn)行涂敷處理。

在鋼帶涂敷工藝過(guò)程中，涂敷裝置是否正常運(yùn)行，涂層能否均勻牢固，與涂敷裝置的取液輥、涂敷輥、鋼帶間的接觸壓力值息息相關(guān)。若接觸壓力過(guò)大，將加快橡膠制成的取液輥的磨損，甚至發(fā)生爆裂損壞，從而影響整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的進(jìn)行。若接觸壓力太小，取液輥上的涂料難以均勻地傳遞給涂敷輥和鋼帶表面，影響鋼帶表面涂層的均勻和牢固，從而無(wú)法保證鋼帶的涂敷質(zhì)量。因此，根據(jù)工藝流程的需要，設(shè)置多組測(cè)力傳感器測(cè)量和調(diào)節(jié)取液輥、涂敷輥和鋼帶之間的接觸壓力。

通?，F(xiàn)場(chǎng)涂敷裝置是自帶進(jìn)口KYOWA的環(huán)形應(yīng)變式傳感器。但由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，傳感器的損壞率較高，每年采購(gòu)進(jìn)口傳感器是一筆相當(dāng)大的開(kāi)銷(xiāo)，因此我們進(jìn)行了該傳感器的國(guó)產(chǎn)化研制工作。本文討論了涂敷裝置的結(jié)構(gòu)、測(cè)力傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制作工藝，并介紹了所研制的測(cè)力傳感器的有關(guān)技術(shù)性能指標(biāo)和在涂敷現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用效果。

1 涂敷裝置的測(cè)力傳感器

鋼帶涂敷裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。它是由一對(duì)相互對(duì)稱(chēng)、結(jié)構(gòu)相同的取液輥A與B和涂敷輥A與B組成的。

圖1 鋼帶涂敷裝置結(jié)構(gòu)

圖1中，1、2分別為涂料槽A、B； 4、7分別為取液輥A、B，5、6分別為涂敷輥A、B；3為鋼帶；8A、8B為取液輥A的測(cè)力傳感器；9A、9B為涂敷輥A的測(cè)力傳感器；10A、10B為涂敷輥B的測(cè)力傳感器；11A、11B為取液輥B的測(cè)力傳感器。

為確保鋼帶表面涂層質(zhì)量，取液輥A應(yīng)緊靠涂敷輥A，取液輥B應(yīng)緊靠涂敷輥B。為防止橡膠制成的取液輥因與涂敷輥接觸壓力過(guò)大而加速其損壞或爆裂，它們的接觸壓力F8A、F8B、F11A、F11B由測(cè)力傳感器L8A、L8B、L11A、L11B測(cè)量和調(diào)節(jié)，使F8A、F8B、F11A和F11B盡量相等并符合涂敷工藝規(guī)定的要求。

同理涂敷輥A和B應(yīng)緊靠鋼帶的兩個(gè)側(cè)表面。它們的接觸壓力F9A、F9B、F10A和F10B分別由測(cè)力傳感器L9A、L9B、L10A和L10B測(cè)量和調(diào)節(jié)，使F9A、F9B、F10A、F10B盡量相等并符合涂敷工藝規(guī)定的要求。

2 測(cè)力傳感器

測(cè)力傳感器按工作原理分類(lèi)，主要分為以下幾類(lèi)：電阻應(yīng)變式、磁彈性式、振弦式、差動(dòng)變壓器式、電容式和壓電式等。其中電阻應(yīng)變式和磁彈性式被廣泛地應(yīng)用于冶金行業(yè)中，磁彈性式的工作原理是借助于軟磁材料的磁彈性特性。當(dāng)在磁彈性體的初級(jí)繞組施以磁彈性體處于磁飽和狀態(tài)的交流電流并對(duì)磁彈性體施加載荷時(shí)，其分布的磁力線發(fā)生伸縮變形和扭曲。這使得它的次級(jí)繞組輸出交流電信號(hào)，輸出的交流電信號(hào)的增量正比于施加的載荷量。

磁彈性式傳感器的特點(diǎn)是輸出功率大、輸出阻抗小、抗干擾能力強(qiáng)、抗過(guò)載能力強(qiáng)，能消除不均勻負(fù)載的影響，能在含腐蝕性油氣體的惡劣環(huán)境下穩(wěn)定地工作[7]。但它需要較大功率的勵(lì)磁交流電供電，精確度較低，反應(yīng)速度較慢。

磁彈性式的制作工藝較為復(fù)雜，制作成本較高，外形尺寸也偏大。

電阻應(yīng)變式傳感器是通過(guò)粘貼在彈性體上的電阻應(yīng)變片組成惠斯頓電橋?；菟诡D電橋?qū)椥泽w上的載荷線性地轉(zhuǎn)換成電信號(hào)而進(jìn)行測(cè)量的。電阻應(yīng)變式傳感器除精度高，反應(yīng)時(shí)間快，過(guò)載能力強(qiáng)(可達(dá)300%額定負(fù)載)，全密封防護(hù)(防護(hù)等級(jí)可達(dá)IP68)外，它還具有制作工藝成熟，可設(shè)計(jì)成小、輕、低的小型多樣結(jié)構(gòu)和制作成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)各領(lǐng)域的稱(chēng)重和測(cè)力。因此，選用電阻應(yīng)變式傳感器用于鋼帶涂敷裝置中力的測(cè)量和調(diào)節(jié)是合適的[8]。

2.1 電阻應(yīng)變式測(cè)力傳感器

電阻應(yīng)變式傳感器的機(jī)理是：粘貼在彈性體上的電阻應(yīng)變片所組成的惠斯頓電橋在彈性體受力發(fā)生形變后，電橋?qū)椥泽w所承受的載荷量線性地轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，完成稱(chēng)重或測(cè)力。

眾所周知，電阻應(yīng)變式傳感器的性能和質(zhì)量以及是否適合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，與外形結(jié)構(gòu)、彈性體結(jié)構(gòu)、彈性體材料、應(yīng)變片的粘貼、制作工藝和密封防護(hù)工藝等息息相關(guān)。

綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)安裝的便利性和制作工藝性，參照原進(jìn)口與一些典型的電阻應(yīng)變傳感器的外形結(jié)構(gòu)。將鋼帶涂敷裝置測(cè)力傳感器的外形結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)定型為如圖2所示的形式。

圖2 電阻應(yīng)變式傳感器的外形

這是一種小型輪輻式結(jié)構(gòu)形式。它是由彈性體結(jié)構(gòu)件、粘貼于彈性體上并組成惠斯頓電橋的電阻應(yīng)變片、焊接于彈性體端面的兩片密封金屬膜片和焊接于彈性體側(cè)邊的管狀引線導(dǎo)管以及四芯屏蔽線引出導(dǎo)線組成。

對(duì)兩組患者服藥后的治療效果進(jìn)行記錄，將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。療效判定：①痊愈：用藥期間患者未出現(xiàn)任何頭痛癥狀；②顯效：用藥后患者的頭痛情況得到了顯著的緩解，且頭痛時(shí)間明顯縮短，頭痛發(fā)作頻率也明顯減少，患者眼底血管痙攣有所緩解；③有效：用藥后患者的頭痛情況有所緩解，但是在停止用藥后頭痛會(huì)出現(xiàn)復(fù)發(fā)，發(fā)病持續(xù)時(shí)間減少到了一半以上；④無(wú)效：患者的臨床癥狀沒(méi)有任何的改變?？傆行?痊愈率+顯效率+有效率。

保證電阻應(yīng)變式傳感器性能和質(zhì)量是項(xiàng)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到彈性體材料、彈性體結(jié)構(gòu)、電阻應(yīng)變片、膠粘劑、粘貼工藝、補(bǔ)償工藝、熱處理工藝和密封防護(hù)工藝等關(guān)鍵技術(shù)。

彈性體變形是彈性變形和塑性變形的合成，彈性變形和應(yīng)力(外力)之間符合虎克定律。因?qū)嶋H的彈性體不是完全的剛體，存在著塑性變形，從而造成傳感器的非線性和滯后,所以應(yīng)選用彈性極限高和綜合性能優(yōu)良的材料來(lái)制作彈性體。

40CrNiMoA是一種優(yōu)質(zhì)合金鋼。它具有良好的淬透性；調(diào)質(zhì)狀態(tài)下，能在大截面上獲得均勻配合良好的強(qiáng)度和韌性；較高的疲勞強(qiáng)度和較低的缺口敏感性；無(wú)明顯的回火脆性，彈性模量穩(wěn)定性好；抗氧化性能好，金相組織穩(wěn)定。采用這種型號(hào)的鋼材作為彈性體，則所制作的電阻應(yīng)變式傳感器具有精確度高、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好及環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)，因此被廣泛地應(yīng)用于制作電阻應(yīng)變式傳感器。我們認(rèn)為選用40CrNiMoA作為彈性體材料是合適的。

彈性材料確定以后，彈性體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是非常重要的技術(shù)環(huán)節(jié)，它是一個(gè)特殊形狀的功能結(jié)構(gòu)件。它的功能是承受作用于傳感器的外力而產(chǎn)生反作用力，達(dá)到相對(duì)靜平衡。在外力的作用下，產(chǎn)生一個(gè)均勻穩(wěn)定的應(yīng)變區(qū)域，使粘貼在此區(qū)域并組成惠斯頓電橋的應(yīng)變片完成電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。考慮到彈性體結(jié)構(gòu)須具有良好的制作工藝和粘貼工藝以及密封防護(hù)性，并借鑒解剖的進(jìn)口和典型電阻應(yīng)變式傳感器的彈性體結(jié)構(gòu)，將其設(shè)計(jì)成如圖3所示的彈性體結(jié)構(gòu)。

圖3 彈性體結(jié)構(gòu)

確定彈性體材料和結(jié)構(gòu)后，即可確定熱處理規(guī)范。采用高頻淬火和比較高溫的回火，使彈性體的硬度偏低，滯后減小。這是因?yàn)榛鼗饻囟雀?，鋼中碳的析出多，從而形成碳化物，使晶格扭曲減小，硬度減小，變形時(shí)晶格滑移的阻力相對(duì)較小，因此彈性體的彈性滯后就小。

電阻應(yīng)變片是制作測(cè)力傳感器的核心元件，它選擇得正確與否，將直接影響到所制作的測(cè)力傳感器的性能和質(zhì)量。鋼帶涂敷裝置的測(cè)力傳感器工作環(huán)境存在著溫度梯度和變化。所以必須選用合適的方法補(bǔ)償應(yīng)變片的熱輸出和彈性模量隨溫度變化造成的傳感器靈敏度誤差，使得傳感器溫度零漂和靈敏度漂移誤差降低到允許誤差范圍內(nèi)。

溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片能自動(dòng)補(bǔ)償應(yīng)變片的熱輸出，消除傳感器在無(wú)外力作用下的溫度零漂誤差。彈性模量自補(bǔ)償應(yīng)變片起到普通應(yīng)變片和彈性模量補(bǔ)償電阻器的作用，將自動(dòng)消除傳感器因彈性模量隨溫度變化所造成的靈敏度誤差。

所選用的應(yīng)變片膠水除具有高膠合性、高絕緣性、蠕變小、滯后低、重復(fù)性好等性能外，還須充分考慮與彈性體熱膨脹系數(shù)匹配的性能。為能制作出精確度高、可靠性好的測(cè)力傳感器，粘貼膠在制作過(guò)程中有著舉足輕重的影響。應(yīng)根據(jù)工作環(huán)境，使用條件和精確度要求確定或由應(yīng)變片廠家推薦。應(yīng)變片上的保護(hù)面膠應(yīng)具有良好的粘結(jié)性、很小的收縮性、良好的電絕緣性、密封性和耐老化性能以及耐高、低溫特性。在選用保護(hù)面膠時(shí)，應(yīng)尤為注意，才能起到有效保護(hù)應(yīng)變片的作用。

應(yīng)變片粘貼質(zhì)量的好壞是決定電阻應(yīng)變傳感器質(zhì)量好壞的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此必須嚴(yán)格按照粘貼工藝流程進(jìn)行操作，根據(jù)測(cè)力傳感器精確度要求確定選用應(yīng)變片系列和粘貼劑品種。其工藝流程是：應(yīng)變片檢查和表面處理→彈性體粘貼表面進(jìn)行機(jī)械化處理(去除油污、銹面、氧化膜和鍍層)→清洗→劃線定位→應(yīng)變片清洗干燥→彈性體粘貼部位涂敷底膠并熱固化處理→應(yīng)變片粘貼→135 ℃熱固化處理2 h(專(zhuān)用夾具加壓0.1～0.3 MPa)→降至室溫卸壓→165 ℃熱固化處理2 h→降至室溫→貼片質(zhì)量檢查→引線組橋→焊接引線→質(zhì)量檢查→防護(hù)處理。

以上概述了粘貼工藝過(guò)程的各項(xiàng)主要內(nèi)容，更詳細(xì)的操作細(xì)節(jié)不再贅述[9]。

由于測(cè)力傳感器是工作在涂敷環(huán)境，是含有鉻酸等的腐蝕性氣體和潮濕的惡劣環(huán)境，所以應(yīng)對(duì)粘貼好的應(yīng)變片采取可靠實(shí)用的防護(hù)措施。通過(guò)激光焊接將兩片金屬膜片分別焊接在彈性體的兩側(cè)，長(zhǎng)形空心圓管的一端插入焊接在彈性體圓孔上。將粘貼的應(yīng)變片組橋后焊接在四芯(或六芯)屏蔽信號(hào)線上，信號(hào)線穿越金屬圓管引出，信號(hào)線的長(zhǎng)度約為5 m。然后向金屬圓管灌注防護(hù)密封膠密封，采用分層灌注的方式密封，以提高密封效果。這樣利用金屬膜片和灌注防護(hù)膠，將應(yīng)變片連同其附件與惡劣環(huán)境隔開(kāi)[5]。對(duì)應(yīng)變片所處的內(nèi)腔充以惰性氣體加以保護(hù)，將大大提高測(cè)力傳感器的使用壽命和性能。

2.2 電阻應(yīng)變式測(cè)力傳感器的技術(shù)指標(biāo)

眾所周知，通過(guò)精心設(shè)計(jì)和嚴(yán)格細(xì)心的工藝制作，才能研制出質(zhì)量高、性能好和適用的測(cè)力傳感器。對(duì)按照上述技術(shù)規(guī)范和工藝流程設(shè)計(jì)和制作的測(cè)力傳感器進(jìn)行技術(shù)參數(shù)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)力傳感器的測(cè)試結(jié)果

3 應(yīng)用效果

研制成功的電阻應(yīng)變式測(cè)力傳感器在我冷軋廠的涂敷裝置中進(jìn)行一年多的生產(chǎn)試驗(yàn)，用于涂敷裝置的上料棍與涂敷輥、涂敷輥與鋼帶接觸壓力的測(cè)力和調(diào)節(jié)，每臺(tái)涂敷裝置共用8只測(cè)量傳感器。試驗(yàn)表明，所研制的電阻應(yīng)變式測(cè)力傳感器能滿(mǎn)足我冷軋廠涂敷工藝流程的生產(chǎn)需要。與原進(jìn)口產(chǎn)品相比較，它除了具有成本低、安裝拆卸方便、測(cè)量準(zhǔn)確和便于調(diào)節(jié)外，還具有使用壽命較長(zhǎng)的特點(diǎn)，完全能替代原設(shè)備的測(cè)力傳感器。目前該傳感器已在我冷軋廠推廣應(yīng)用，并逐步替代壽命期已到或已損壞的測(cè)力傳感器，降低了生產(chǎn)成本，收到良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

4 結(jié)束語(yǔ)

涂敷裝置的上料棍、涂敷輥和鋼帶間的接觸壓力的測(cè)力是鋼帶涂敷工藝流程中比較關(guān)鍵的技術(shù)。文中敘述了電阻應(yīng)變式測(cè)力傳感器的設(shè)計(jì)和制作及其在涂敷中的應(yīng)用。測(cè)試和生產(chǎn)運(yùn)行表明，所研制的測(cè)力傳感器成本低，工作壽命長(zhǎng)，能完全滿(mǎn)足鋼帶涂敷生產(chǎn)的工藝要求，加以推廣使用，將收到良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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Localization and Application of the Force Sensor in Steel Strip Coating Device

In steel strip coating process, measurement and adjustment of the compaction force among feed rolls, coating rolls and steel strip are the critical technique for ensuring the quality of the coated steel strip. At present, the imported annular strain sensors that widely used in coating devices are featuring higher failure rate and large maintenance overhead. Aiming at such problems, the home made resistance strain type force sensor with low cost and high accuracy is researched and developed. The sensor is easy to install and remove and offering long life cycle. The test and field operation show that the performance of the sensor fully meets the requirements of force measurement application in steel strip coating process.

Steel strip Coating device Strain-type force sensor Localization

TF3

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201504025

修改稿收到日期：2015-01-30。

作者艾娜(1982-)，女，2005年畢業(yè)于成都理工大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，工程師；主要從事電氣儀表技術(shù)相關(guān)的工作。