本發明涉及一種在線檢測冷軋板表面摩擦系數的系統及其使用方法，屬于熱鍍鋅生產技術領域。

背景技術：

通常，冷軋帶鋼經酸洗、冷軋、連續退火等工藝處理后，會根據用戶對產品的最終要求，對帶鋼表面進行熱鍍鋅工藝處理。在熱鍍鋅工藝的實際操作環節，確保冷軋板表面的鋅層厚度及產品質量能夠滿足用戶要求的關鍵因素，是要合理控制氣刀設備噴出的氣體壓力(以下簡稱：氣刀)能夠滿足生產環節的要求，而在生產過程中，操作人員對氣刀參數進行調節的依據主要基于：鋅鍋內的鋅液溫度、軋板輸送速度、氣刀設備到冷軋板表面的距離、氣刀設備與軋板之間的角度和冷軋板的表面粗糙度；其中鋅鍋內的鋅液溫度信息和軋板輸送速度信息目前已較好的實現了在線實時檢測，而氣刀設備到冷軋板表面的距離、氣刀設備與軋板之間的角度信息也可以事先通過測量得到準確結果，因此，在線實時掌握冷軋板的表面粗糙度信息，對于現場操作人員及時調整氣刀參數，確保熱鍍鋅質量至關重要。

表面粗糙度是用于描述物體表面粗糙或是光滑的物理量，在實際生產過程中，現場操作人員對冷軋板表面粗糙度的掌握，主要是通過與其有對應關系的“摩擦系數”參數來實現，即：摩擦系數越大，冷軋板表面就越粗糙；摩擦系數越小，冷軋板表面就越光滑。

現有技術中對冷軋板表面摩擦系數的檢測主要是通過摩擦系數測試儀來來實現，其工作原理主要是將條狀試驗樣品用夾樣器夾住，同時用待測樣包住滑塊，然后將滑塊安放在傳感器的掛孔上，在一定的接觸壓力下，通過電機帶動齒條使傳感器移動，也就是使兩試驗表面相對移動，傳感器所測得的力信號經過集成器放大，送入記錄器，從而得到冷軋板的表面摩擦系數。這種檢測方法能夠得到較為準確的結果，但缺點是只能對冷軋板的表面摩擦系數進行離線檢測，檢測周期較長，無法能夠在線、快速的為現場操作人員提供相關數據。事實上，在大數據分析技術成功實施的今天，人們已經不需要準確的掌握冷軋板表面摩擦系數的具體結果，只要能夠掌握不同冷軋板之間表面摩擦系數的相對結果，就能夠利用計算機得出不同冷軋板所對應的氣刀參數的最優結果。因此，在線快速掌握冷軋板表面摩擦系數，對于實現氣刀參數的實時優化、調整，確保冷軋板表面的熱鍍鋅質量具有十分重要的意義。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種在線檢測冷軋板表面摩擦系數的系統及其使用方法，該系統能夠在線實現對冷軋板表面摩擦系數的快速、準確檢測，為調整熱鍍鋅氣刀參數提供依據，確保冷軋板表面的熱鍍鋅質量。

解決上述技術問題的技術方案是：

一種在線檢測冷軋板表面摩擦系數的系統，包括2個液壓缸、表面摩擦系數檢測裝置和過程控制系統；所述液壓缸上連接有進油管和出油管，進油管上安裝有電磁調節閥，出油管上安裝電磁開關閥；液壓缸還安裝有壓力傳感器和位移傳感器；所述表面摩擦系數檢測裝置包括工作輥、支承輥、軸承座、直流發電機和電流表；工作輥和支承輥相對設置于冷軋板上、下表面，工作輥兩端軸肩安裝于2個軸承座中，軸承座分別與2個液壓缸的活塞桿連接，通過活塞的運動帶動工作輥的上下移動；工作輥的一端與直流發電機連接，電流表安裝在直流發電機上；所述過程控制系統包括計算機、與計算機接連接用于控制液壓缸活塞動作的電磁調節閥PLC和電磁開關閥PLC，與計算機連接用于反饋液壓缸中壓力信息、活塞位移信息和電流表電流信息的信息反饋PLC。

上述的一種在線檢測冷軋板表面摩擦系數的系統，所述2個液壓缸分別固定于液壓缸支架上，每個液壓缸的活塞將液壓缸分為上腔和下腔，上腔連接上腔進油管和上腔出油管，上腔進油管上安裝上腔電磁調節閥，上腔出油管上安裝上腔電磁開關閥；下腔連接下腔進油管和下腔出油管，下腔進油管上安裝下腔電磁調節閥，下腔出油管上安裝下腔電磁開關閥；上腔和下腔上分別安裝有上腔壓力傳感器、下腔壓力傳感器；液壓缸內安裝位移傳感器；上腔出油管和下腔出油管遠離與液壓缸連接的一端與液壓油箱相連；

所述表面摩擦系數檢測裝置還包括聯軸器、從動軸和直流發電機支架；工作輥通過聯軸器與從動軸的一端連接，從動軸的另一端與直流發電機連接，電流表安裝在直流發電機上，直流發電機支架與液壓缸的活塞桿固定連接實現與活塞的同步移動；

所述過程控制系統包括計算機、分別與計算機連接進行數據通訊的液壓缸上腔電磁調節閥PLC、液壓缸下腔電磁調節閥PLC、液壓缸上腔電磁開關閥PLC、液壓缸下腔電磁開關閥PLC和信息反饋PLC；液壓缸的上、下腔電磁調節閥PLC分別與液壓缸上、下腔電磁調節閥相連接；液壓缸上、下腔電磁開關閥PLC分別與上、下腔電磁開關閥相連接；信息反饋PLC分別與上腔壓力傳感器、下腔壓力傳感器、位移傳感器和電流表相連接，并將相關信息實時反饋給計算機。

上述的一種在線檢測冷軋板表面摩擦系數的系統，所述液壓缸的上腔和下腔還安裝有上腔液壓溢流閥和下腔液壓溢流閥。

一種在線檢測冷軋板表面摩擦系數的系統的使用方法，包含以下步驟：

步驟1：通過計算機控制液壓缸中活塞向上移動，帶動工作輥上移，使工作輥與支承輥之間的輥縫大于冷軋板的厚度；

步驟2：通過計算機控制液壓缸中活塞向下移動，帶動工作輥下移，當電流表的電流值大于零時，表明工作輥已經與冷軋板表面接觸，繼續保持工作輥下移使工作輥作用到冷軋板的壓力逐漸增大，計算機利用其內置的壓力計算模型，得到當前時刻工作輥作用到冷軋板上的壓力大小，即：

式中：F為工作輥作用到冷軋板表面的壓力，單位：N；

P^τ為上腔壓力傳感器反饋出的液壓缸上腔內的液壓油壓力，單位：Pa；

D為活塞大圓直徑，單位：m；

d為活塞連桿直徑，單位：m；

G為工作輥重量，單位：N；

步驟3：當電流值不再增大時，計算機記錄下電流變化曲線的拐點值I₀以及所對應的工作輥作用到冷軋板上的壓力值F₀，根據安培定則，得到作用到直流發電機上的安培力，即：

F_A＝B·I₀·L

式中：F_A為作用到直流發電機上的安培力，單位：N；

B為直流發電機上磁體的磁感應強度，單位：T；

I₀為電流表反饋給計算機的電流變化曲線的拐點值，單位：A；

L為直流發電機機線圈上的導線長度，單位：m；

根據牛頓力學定律，得到工作輥與冷軋板表面之間的摩擦力為F_A；

步驟4：計算機根據上述檢測結果，得出相應工藝條件下的冷軋板表面的摩擦系數，即：

式中：μ為冷軋板表面的摩擦系數。

上述的一種在線檢測冷軋板表面摩擦系數的系統的使用方法，更為具體的步驟為：

步驟1：關閉上腔電磁調節閥、下腔電磁調節閥、上腔電磁開關閥和下腔電磁開關閥；

步驟2：計算機通過控制下腔電磁調節閥PLC和上腔電磁開關閥PLC，打開下腔電磁調節閥和上腔電磁開關閥，活塞在液壓油的壓力下向上移動，帶動工作輥向上移動；當位移傳感器將活塞的最高點位置信息反饋至計算機后，控制計算機將下腔電磁調節閥和上腔電磁開關閥關閉，此時，工作輥與支承輥之間的輥縫大于冷軋板的厚度；

步驟3：計算機通過控制上腔電磁調節閥PLC和下腔電磁開關閥PLC，打開上腔電磁調節閥和下腔電磁開關閥，確保上腔電磁調節閥開度不變，活塞帶動工作輥向下移動；當電流表通過信息反饋PLC反饋到計算機的電流值大于零時，計算機逐漸增大上腔電磁調節閥的開度，液壓缸上腔內的油壓將逐漸增大，電流值逐漸增大，工作輥作用到冷軋板的壓力也將逐漸增大；計算機利用其內置的壓力計算模型，得到當前時刻工作輥作用到冷軋板上的壓力大小，即：

式中：F為工作輥作用到冷軋板表面的壓力，單位：N；

P^τ為上腔壓力傳感器反饋出的液壓缸上腔內的液壓油壓力，單位：Pa；

D為活塞大圓直徑，單位：m；

d為活塞連桿直徑，單位：m；

G為工作輥重量，單位：N；

步驟4：當電流值不再增大時，計算機記錄下電流變化曲線的拐點值I₀以及所對應的工作輥作用到冷軋板上的壓力值F₀，然后根據安培定則，得到作用到直流發電機上的安培力，即：

F_A＝B·I₀·L

式中：F_A為作用到直流發電機上的安培力，單位：N；

B為直流發電機上磁體的磁感應強度，單位：T；

I₀為電流表反饋給計算機的電流變化曲線的拐點值，單位：A；

L為直流發電機機線圈上的導線長度，單位：m；

根據牛頓力學定律，得到工作輥與冷軋板表面之間的摩擦力為F；

步驟5：計算機根據步驟4的檢測結果，得出相應工藝條件下的冷軋板表面的摩擦系數，即：

式中：μ為冷軋板表面的摩擦系數。

本發明所提供的在線檢測冷軋板表面摩擦系數的系統的工作原理是：當工作輥與冷軋板表面接觸時，冷軋板與工作輥之間的摩擦力，會成為工作輥轉速的驅動力，從而促使工作輥旋轉，而工作輥也將通過聯軸器和從動軸帶動直流發電機旋轉；當工作輥與冷軋板之間的壓力越大，即：工作輥與冷軋板接觸越緊密，則工作輥與冷軋板之間的摩擦力越大，促使工作輥轉動的驅動力也越大，工作輥的轉速就越大，相應的，直流發電機所產生的電流就越大，直流發電機內部的安培力就越大；根據牛頓力學定律，工作輥與冷軋板之間的摩擦力等于直流發電機內部的安培力；當工作輥與冷軋板之間的壓力達到一定值時，二者之間的摩擦力將不再增大，由此，直流發電機所產生的電流也將不再改變；因此，通過分析該拐點時刻電流所產生的安培力與工作輥與冷軋板之間壓力的關系，就可以相應得到該冷軋板表面的摩擦系數。

本發明的有益效果是：

本發明通過液壓缸、冷軋板表面摩擦系數檢測裝置和過程控制系統，實現了在線對冷軋板表面摩擦系數的快速和準確的檢測，從而滿足了熱鍍鋅氣刀參數在線調整對于冷軋板表面摩擦系數的要求，為快速調整熱鍍鋅生產工藝，確保冷軋板表面的鍍鋅質量打下了堅實的基礎，在行業內有極大的推廣使用價值。

附圖說明

圖1為液壓缸結構圖；

圖2為冷軋板表面摩擦系數檢測裝置結構圖；

圖3為過程控制系統示意圖；

圖4為檢測過程中的工作輥作用到冷軋板表面的壓力與電流表檢測到的電流值的關系曲線圖；

圖中標記為：液壓缸支架1、活塞2、活塞桿3、上腔進油管4、上腔出油管5、上腔電磁調節閥6、上腔電磁開關閥7、下腔進油管8、下腔出油管9、下腔電磁調節閥10、下腔電磁開關閥11、上腔壓力傳感器12、下腔壓力傳感器13、位移傳感器14、液壓油箱15、工作輥16、支承輥17、軸承座18、直流發電機19、電流表20、冷軋板21、聯軸器22、從動軸23、直流發電機支架24、計算機25、液壓缸上腔電磁調節閥PLC26、液壓缸下腔電磁調節閥PLC27、液壓缸上腔電磁開關閥PLC28、液壓缸下腔電磁開關閥PLC29、信息反饋PLC30、上腔液壓溢流閥31、下腔液壓溢流閥32。

具體實施方式

本發明一種在線檢測冷軋板表面摩擦系數的系統，包括2個液壓缸、表面摩擦系數檢測裝置和過程控制系統；

圖1顯示，2個液壓缸分別固定于液壓缸支架1上，每個液壓缸的活塞2將液壓缸分為上腔和下腔，上腔連接上腔進油管4和上腔出油管5，上腔進油管4上安裝上腔電磁調節閥6，上腔出油管5上安裝上腔電磁開關閥7；下腔連接下腔進油管8和下腔出油管9，下腔進油管8上安裝下腔電磁調節閥10，下腔出油管9上安裝下腔電磁開關閥11；上腔和下腔上分別安裝有上腔壓力傳感器12、下腔壓力傳感器13；為保證液壓缸安全使用，液壓缸的上腔和下腔上還分別安裝有上腔液壓溢流閥31和下腔液壓溢流閥32；；液壓缸內安裝位移傳感器14；上腔出油管5和下腔出油管9遠離與液壓缸連接的一端與液壓油箱15相連；

圖2顯示，表面摩擦系數檢測裝置包括工作輥16、支承輥17、2個軸承座18、聯軸器22、從動軸23、直流發電機19、電流表20和直流發電機支架24；工作輥16和支承輥17相對設置于冷軋板21的上、下表面，工作輥16兩端的軸肩安裝于2個軸承座18中，2個軸承座18分別與2個液壓缸的活塞桿3連接，通過活塞2的運動帶動工作輥16的上下移動；工作輥16通過聯軸器22與從動軸23的一端連接，從動軸23的另一端與直流發電機19連接，直流發電機19在從動軸23的驅動下產生電流，電流表20安裝在直流發電機19上用于顯示直流發電機19產生的電流值；直流發電機支架24與液壓缸的活塞桿3固定連接實現與活塞2的同步移動；

圖3顯示，過程控制系統包括計算機25、分別與計算機25連接進行數據通訊的液壓缸上腔電磁調節閥PLC26、液壓缸下腔電磁調節閥PLC27、液壓缸上腔電磁開關閥PLC28、液壓缸下腔電磁開關閥PLC29和信息反饋PLC30；液壓缸的上腔電磁調節閥PLC26與液壓缸上腔電磁調節閥6相連接，液壓缸下腔電磁調節閥PLC27與液壓缸下腔電磁調節閥10相連接；液壓缸上腔電磁開關閥PLC28與上腔電磁開關閥7相連接，下腔電磁開關閥PLC29與下腔電磁開關閥11相連接；信息反饋PLC30分別與上腔壓力傳感器12、下腔壓力傳感器13、位移傳感器14和電流表20相連接，并將相關信息實時反饋給計算機25。

本發明一種在線檢測冷軋板表面摩擦系數的系統的使用方法，包括如下步驟：

步驟1：手動關閉上腔電磁調節閥6、下腔電磁調節閥10、上腔電磁開關閥7和下腔電磁開關閥11；

步驟2：將計算機25的工作模式調整為“檢測前”模式，然后，計算機25根據現場操作員的指令，分別對液壓缸進行調節，具體操作為：計算機25對液壓缸下腔電磁調節閥PLC27發出指令，打開下腔電磁調節閥10，此時液壓油進入液壓缸的下腔；同時，向液壓缸上腔電磁開關閥PLC 28發出指令，打開上腔電磁開關閥7，活塞2在液壓油的壓力下向上移動，帶動工作輥16向上移動；當位移傳感器14將活塞2的最高點位置信息反饋至計算機25后，計算機25將下腔電磁調節閥10和上腔電磁開關閥7關閉，實現工作輥16隨活塞2上升到最高位靜置后不動；此時，工作輥16與支承輥17之間的輥縫大于冷軋板21的厚度，即：冷軋板21能夠完全從工作輥16和支承輥17之間穿過；

步驟3：根據生產實際情況，將計算機25的工作模式調整為“檢測”模式；控制計算機25向液壓缸上腔電磁調節閥PLC 26發出指令，打開上腔電磁調節閥6，此時液壓油進入液壓缸的上腔；同時，向液壓缸下腔電磁開關閥PLC 29發出指令，打開下腔電磁開關閥11，然后，確保上腔電磁調節閥6的開度不變，此時活塞2將帶動工作輥16向下移動；當電流表20通過信息反饋PLC 30反饋到計算機25的電流值為零時，表明工作輥16尚未與冷軋板21的表面接觸，此時，計算機25將不改變上腔電磁調節閥6的開度，上腔壓力傳感器12反饋得到的油壓值保持不變；當電流表20通過信息反饋PLC 30反饋到計算機25的電流值大于零時，表明工作輥16已經與冷軋板21的表面接觸；此時，計算機25將通過液壓缸上腔電磁閥調節閥PLC 26不斷增大上腔電磁調節閥6的開度，液壓缸上腔內的油壓也將逐漸增大，對應的，工作輥16作用到冷軋板21的壓力也將逐漸增大，工作輥16與冷軋板21表面的摩擦力也逐漸增大，工作輥16轉動速度越來越大，電流表20的示值也不斷增大；計算機25利用其內置的壓力計算模型，得到當前時刻工作輥16作用到冷軋板21上的壓力大小，即：

式中：F為工作輥作用到冷軋板表面的壓力，單位：N；

P^τ為上腔壓力傳感器反饋出的液壓缸上腔內的液壓油壓力，單位：Pa；

D為活塞大圓直徑，單位：m；

d為活塞桿直徑，單位：m；

G為工作輥重量，單位：N；

步驟4：當電流值不再增大時，計算機25記錄下電流變化曲線的拐點值I₀以及所對應的工作輥16作用到冷軋板21上的壓力值F₀，然后根據安培定則，得到作用到直流發電機19上的安培力，即：

F_A＝B·I₀·L

式中：F_A為作用到直流發電機上的安培力，單位：N；

B為直流發電機上磁體的磁感應強度，單位：T；

I₀為電流表反饋給計算機的電流變化曲線的拐點值，如圖4所示，單位：A；

L為直流發電機線圈上的導線長度，單位：m；

根據牛頓力學定律，得到工作輥16與冷軋板21表面之間的摩擦力為F_A；

步驟5：計算機25根據步驟4的檢測結果，得出相應工藝條件下的冷軋板21表面的摩擦系數，即：

式中：μ為冷軋板24表面的摩擦系數。

當計算機25得出冷軋板表21表面的摩擦系數后，重新按照步驟2進行操作，并根據生產實際需求，進行步驟3～步驟5的操作。