1前言
轧制力是轧机最主要的技术参数之一，获取轧制力信息对保证安全生产、防止设备重大事故、优化轧制规程、实现生产过程自动化和最优控制等都具有重要意义[1]。
利用附着式传感器测量轧制力是一种间接测量轧制力的方法，其基本原理是：轧钢时轧制力传递到两侧机架上并由4个立柱承担，因此，通过测量立柱应变即可间接测量轧制力。但由于机架强度裕量较大，应力水平较低，应变很小，因而测量精度低。为了提高测量精度，传感器采用两端粗、中间细的对称阶梯状结构模型，以使传感器敏感元件的应力水平提高到机架应力水平的4～10倍，在机架应力水平较低(5～12MPa)情况下，能使弹性元件处于较高(25～120MPa)的应力水平，从而实现较高精度的轧制力测量。
在整个测量系统中，影响测量精度的因素很多，主要包括：标定、安装误差、温度漂移、轧机振动和主传动系统影响等。本文主要研究标定及安装误差对测量精度的影响。
2建立计算模型
以某中板轧机为例，对于间接测量轧制力来说，机架立柱作为测量的一次弹性体，其应力分布对测量的精确度有重要影响。在轧制过程中，机架受力很复杂，包括轧制力、附加水平力和摩擦力等。本文采用ANSYS有限元软件对机架在此3种力作用下立柱的应力分布进行了计算[2,3]。
2.1模型的建立
首先，建立轧机在3种状态下的有限元模型和标定装置模型：
(1)只考虑轧制力而忽略其他力的影响;
(2)考虑轧制力和地脚螺栓的约束;
(3)考虑轧制力、地脚螺栓约束和附加水平力及摩擦力的共同作用。
标定装置采用千斤顶加载，载荷只考虑该力的作用。3种状态下，轧机模型的网格划分见图1。对于前两种情况，由于机架的载荷和结构具有对称性，取机架的1/2建立模型。模型采用8节点的solid45六面体单元划分，在附着区中性面附近进行细分。其余部分采用拉伸平面单元得到，这样既保证了所关心的立柱附着区部分的计算精度，方便中性面上节点应力的获取，又减少了计算量。计算取弹性模量E=210GPa，泊松比0.3。标定装置尺寸及模型见图2。
2.2约束和载荷的施加
由于轧机机架载荷和结构的对称性，在上下横梁剖面上施加对称约束。若轧机轧制力为30000kN，分别由2片机架承担，单片机架承受的轧制力为15000kN，每个立柱为7500kN，以均布载荷施加在上横梁的中心环形槽内，下横梁以均布载荷施加。据有关文献计算，取侧向水平力约为200kN，在润滑不良的情况下，取机架与轴承座之间的摩擦系数为0.1，则摩擦力为20kN，水平力和摩擦力按均布力施加在右立柱内侧。对于标定装置来说，为了使立柱的应力水平与机架立柱相同，在标定装置的上下横梁之间施加250kN均布力。
3计算结果分析
3.1中性面应力分析
图3为轧机在3种情况下中性面上的应力分布，横坐标为从下到上的距离(位置见图1)，纵坐标为中性面各节点的应力值。选择的位置是图1中阴影区域的中性面上。从图3可看出，3种情况下应力分布大体相同：两边应力稍低，中间段应力基本保持不变。对于第1、第2种情况，该应力稳定区的长度基本相同，且应力值均为10.4MPa。这表明地脚螺栓处的约束情况对中性面上的应力分布基本无影响。在选择传感器安装位置时应尽量选在中间应力不变区，这样可以保证良好的线性。对于第3种情况，由于受侧向水平力的影响，2个立柱的应力分布不同。左立柱应力稳定区内的应力水平为10.5MPa，略高于前两种情况。右立柱中间区域出现波动，平均应力水平低于第1、第2种情况0.1MPa。当加上摩擦力后，应力分布基本不变，与无摩擦时平均应力相比仅差0.002MPa，这表明附加水平力起主要作用，摩擦力影响很小。
3.2弦长法测量的误差分析
弦长和弧长测量见图4。当轧机受载后立柱中性面呈弧形，但传感器测量采用的是弦长，即以两点之间的弦长来代替弧长，从原理上来说，测得的数值比实际值要小。
表1和表2给出了相同应变水平下轧机和标定装置的弦长法测量误差。由于标定装置立柱较轧机短，在相同跨度距离内误差略大于轧机，但两者的误差很小，均可忽略。
为了说明误差随载荷的变化情况，图5给出了标定装置和轧机立柱在相同应变情况下，用标定装置标定轧机的误差情况。可见，标定装置与轧机之间测量的误差很小，在轧制力为30000kN(标定装置为250kN)时仅为0.00187%。因此得出，标定装置具有很高的标定精度，可以间接标定轧机的测量值。
3.3安装误差分析
传感器在安装时如果没有安装在中性面上，则按中性面上的应力计算就会使结果出现偏差。因此有必要分析中性面附近的应力状况。计算表明，在中性面附近(左右偏移20mm)应力分布规律基本相同。弯曲作用使左侧应力高于中性面，右侧低于中性面。为了说明安装误差对测量的影响程度，选取平行于立柱中性面向左偏移5--25mm的截面，横轴为偏移中性面的距离，纵轴为误差( 偏移截面平均应力一中性面平均应力)/中性面平均应力)。由图6可见，偏移越大，测量误差越大，两者成线性关系。偏移25mm时的误差为4%左右。偏向左侧，误差为正;偏向右侧，误差为负。
关于偏斜情况：以中性面为零点，传感器的上下两个端点有可能分别向中性面的两边偏，或一点不动另一点向两边偏。规定偏离中性面左为负，右为正。偏斜距离与误差的关系见表3。
综上可看出，安装位置误差会给测量带来不小的影响，尤其是同向偏移时误差更大，所以在实际使用时要根据附着式压力传感器安装后的位置误差在仪表上进行补偿，以获得高测量精度。
4结论
采用有限元软件分析了轧机立柱和标定装置之间的测量误差及传感器安装误差给测量带来的影响。
(1)轧机立柱承受的水平力与摩擦力对机架立柱的应力影响很小，可以忽略。
(2)立柱中性面存在一段应力稳定区域，传感器安装在此区域内测量的线性很好;弦长法较弧长法测量有一定误差，但数值十分小，仅为0.00187%，可以忽略，因此标定装置具有非常高的标定精度，可以间接标定轧机的测量值。
(3)附着式压力传感器安装误差对测量精度的影响与偏移量成正比，安装误差越大，影响越大，两者基本呈线性关系。所以实际使用时要根据不同的轧机和安装情况对其配套的仪表进行补偿，以满足高测量精度的要求。
参考文献：
[1]闷晓强.轧机工况在线监测技术讲座一附着式轧制力智能监测系统[J].冶金设备，2001，(5)：44—47.
[2]陈精一，蔡国忠.电脑辅助工程分析：ANSYS使用指南I-M].北京：中国铁道出版社，2001.
[3]沈久珩.大力测量技术的新进展附着式超轻型大力传感器[I].冶金设备，2001.(10)：22—27.
