磁致伸缩位移传感器在HC冷轧机上的应用

0、引言

HC轧机在结构上的主要特点是具有一对可轴向移动的中间辊，如图1所示。上、下中间辊位置倒置180°,分别由液压系统推动，根据带钢宽度，以机架中心线为零位向传动侧和操作侧做双向窜动，将上下中间辊移动到适当位置，使中间辊辊身端面与板边重合，以保持中间辊和工作辊有一定的非接触长度。中间辊轴移功能具有控制能力强、弯辊效果好、横向刚度大、边部减薄小等特点，起到减轻工作辊端有害弯矩的作用，仅需较小的弯辊力便可满足板形调整要求，大大加强了工作辊弯辊效果和控制带材平直度的能力。

1中间辊位置测量现状

1.1中间辊轴移性能

攀钢冷轧厂轧机机组为六辊四机架冷连轧机，由国内公司制造，德马克和ABB完成机械设备和控制系统配套。中间辊轴移功能的目的是控制每个机架的上、下中间辊位置与设定值一致，设定值来自于二级模型，可以在负载情况下进行移动。轴移距离在214~584mm之间，行程370mm,要求定位精度±2mm。采用比例阀控制中间辊的窜动速度，高速12mm/s,低速4mm/s。使用T+R公司的CE-65-MP旋转式绝对值编码器作为中间辊位置测量，分辨率0.039mm/step,输出格式为格雷码。控制系统为ABB公司Master Piece 200系统，具备上、下中间辊同步控制和单独控制、变规格时自动调整、辊缝标定/换辊时自动定位及故障报警等控制功能。

1.2中间辊轴移定位现状

中间辊实际位置测量是定位的关键，直接关系到机架出口板形的优良。攀钢冷轧厂中间辊位置测量装置见图2,采用齿条齿轮传动编码器旋转方式，即液压缸行程转换为编码器格雷码输出，控制系统读取该格雷码并转换成实数得到位置测量值。

然而，这种测量方式频繁发生测量值错误、跳变的现象。据不完全统计，在齿轮齿条及编码器均正常时，中间辊轴移做一个全行程往复运动，测量误差在±20mm以内，远大于定位精度±2mm的要求。测量值不能真实反映中间辊实际位置，导致板形不良甚至在轧制过程中发生断带，严重影响产品质量及制约机组正常生产。经分析，轴移定位精度低，是由齿轮齿条传动自身特点和客观环境共同决定的。主要影响因素有：

(1)齿轮齿条啮合不可避免地会出现啮合间隙，并存在不可确定的回程误差。

(2)齿轮与编码器之间的连接松动，传动轴接手打滑。

(3)齿轮齿条啮合面受异物干涉发生卡阻，齿轮或齿条发生断齿。

(4)轴承座中的轴承间隙过大或发生卡阻。

(5)受乳化液，蒸汽，油污等恶劣环境的影响，编码器内部元器件受潮导致编码器损坏，接头及电缆受腐蚀导致破损，脱落。

这些影响因素直接造成编码器计数误差且处于持续叠加状态，严重影响轴移定位精度及功能。中间辊轴移功能是HC轧机的重要组成部分，是板形调节的重要手段，轴移测量及控制精度直接影响板形调节的效果。目前的位置测量方式难以实现对中间辊轴移量较高精度的检测，难以满足生产需要。为中间辊轴移位置测量选择一种高精度的线性位移传感器，并可在恶劣的环境下稳定工作成为关键。

2、传感器的选择

采用磁致伸缩技术来解决上述问题。当铁磁体受到外磁场作用而磁化时，其磁畴结构将发生变化，晶体的原子间距随之改变，致使铁磁体的体积、形状发生变化，特别是铁磁体物质在磁场方向上的长度发生变化，这种磁效应称为磁致伸缩。

磁致伸缩位移传感器的结构及工作原理见图3,主要由电子仓、不锈钢测杆、波导线(磁致伸缩线)、阻尼吸收装置和外部可移动的磁环构成。其基于磁致伸缩原理，是采用外部感应磁块作为激励元件的一种非接触线性测量检测方式。检测时由电子仓发出一束脉冲，该脉冲沿着由磁致伸缩线制成的波导管向前传播，当传播到感应磁块的位置，由于磁致伸缩效应而产生一个应变脉冲，这个应变脉冲立即沿波导管向反方向传导，电子仓计算这个脉冲的回波时间，从而精确地计算出移动磁块的位移量。

基于磁致伸缩原理，结合中间辊轴移特点、测量范围，选择博尔森科技有限公司RHM0600A11S02A11杆式磁致伸缩位移传感器做为中间辊位置测量传感器。该传感器基于磁致伸缩原理线性测量，具有高精度、高重复精度的特点；采用基于定位磁块与内部敏感元件的非接触测量方式，可应用于极其恶劣的工业环境，不易受油污、粉尘和其他类污染源的影响；传感器由标准24VDC供电，输出是一个真正的绝对位置信号，而不是比例的或需要再处理的信号，不存在漂移或变值的情况，且不受断电影响。

3、传感器的支架及安装

3.1传感器支架

中间辊轴移托架安装在轧机传动侧，托架上有中间辊轴承座锁紧机构、轴移液压缸及轴承油气润滑等，管线较多。为防止在设备检修、维护、故障处理时，发生因人为踩踏、工具撞击等原因对传感器造成的如测量杆弯曲变形、电子仓受损、磁环破裂等情况，设计了一种传感器安装支架，如图4所示。

支架采用60mm×60mm的矩形方钢制作。方钢的一端为矩形封闭结构，传感器的电子仓全部置于其中；方钢上除安装电子仓部分外的一侧沿壁面抛开，满足磁环滑动要求，支架尾部设有可调的固定板。经长期实际使用效果证明，与普遍采用的开放式支架相比较，该支架充分考虑了现场环境及设备维护对传感器的影响，并可对传感器的电子仓、测量杆、磁环加以进一步的保护，且安装、维护、调整方便。

3.2传感器安装

传感器的安装情况如图5所示。拆除原上、下中间辊位置测量机构，包括齿轮齿条、轴承座、编码器，利用原机构的安装螺孔，依据轴移缸行程范围，将支架用螺栓固定在框架滑板的合适位置上；在原齿条位置处安装固定块，与轴移缸一并运动，通过连片与位移传感器的移动磁环相连接。为保证测量精度，传感器安装时须注意：测量杆应尽量与轴移液压缸保持平行；与滑动磁环的连接片不宜过长。

4、结语

博尔森磁致伸缩位移传感器在攀钢冷轧厂HC轧机中间辊轴移上的应用以来，定位精度在±1mm以内，具有测量精度高、重复性好、稳定可靠、安装方便、环境适应性强等特点；支架的使用提高了防护等级；传感器寿命长、故障率低，节约设备运行成本，便于维护，为提高轧机带材质量提供了有力保障。