本发明属于重载变形区动态接触换热系数的自动化测量领域，尤其涉及一种轧制重载变形区动态接触换热模拟装置，该装置适用于钢带、铝带、铜带等板带材产品轧制过程中重载变形区动态接触换热过程的模拟测量。
背景技术：
轧制变形区接触换热条件在很大程度上会影响板带的接触摩擦条件、油膜厚度、润滑条件以及最终产品的成形精度或尺寸误差，尤其是对于大宽厚比宽薄带而言，轧制过程中高压重载“负”辊缝压靠对其多尺度形变过程的影响急剧增加，瞬态热效应绝对不可忽略或过度简化。大量工程实践表明，轧辊表面局部热膨胀和带材温度变化范围非常窄且快速，但已足以影响重载变形区的辊缝形状、接触界面以及轧件内部的应力应变状态，对其横向厚差、板形状态和表面质量经常造成较大偏差。然而截止目前，轧制变形区的接触换热过程依旧处于混沌状态，缺乏精确的理论模型和测量装置，导致无法定量评估实际工况的重载接触动态换热系数和摩擦接触条件。
传统的固体界面接触换热装置，全部是静态接触，仅改变压力和表面粗糙度，获得不同的接触界面条件，测得导热系数和换热系数，相对误差较大，同时没有任何的润滑介质或油膜厚度。因此，传统的固体界面接触换热装置过于简易化和理想化，不能准确模拟真实的轧制重载变形区工况，更无法获得旋转摩擦且高压轧制条件下润滑介质、油膜厚度或摩擦条件，如干摩擦、边界摩擦、流体摩擦和混合摩擦等条件下的重载接触动态换热参数，这使得传统接触界面换热系数转置所测结果与实际轧制工况参数之间，存在较大的边界条件误差，严重影响数学模型的计算精度和工程实际的控制精度，不得不采用回归系数或经验工艺进行误差补偿或参数修正。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种用于定量评估带材轧制变形区重载接触界面重载接触动态换热系数和摩擦接触条件的装置。
为解决上述技术问题，本发明提出一种轧制重载变形区动态接触换热模拟装置，该装置包括保温罩、液压缸、控制继电器、压力传感器、可调压固定冷端、热电偶、控制系统、数据采集系统、加热炉、电机、旋转夹头、可调温导热棒材、连接机构、测温滑环机构、可调速旋转热端、移动夹头和冷却管。
所述加热炉用于给所述可调温导热棒材加热，由所述控制系统控制所述加热炉的温升曲线；
所述可调温导热棒材的第一端装夹于旋转夹头上，所述旋转夹头与电机连接；可调温导热棒材的第二端通过连接机构与可调速旋转热端连接，电机通过带动可调温导热棒材旋转带动可调速旋转热端一起旋转；
所述可调速旋转热端与所述可调压固定冷端的接触界面之间通入润滑剂，控制系统控制液压油泵的润滑剂量，使润滑油缓缓通入可调压固定冷端和可调速旋转热端界面之间，保证所述接触界面之间形成稳定的润滑油膜；
移动夹头用于装卡所述可调压固定冷端，所述移动夹头内部置有冷却管；安装在所述可调压固定冷端上用于测温的热电偶穿过保温罩与数据采集系统连接；
所述液压缸与所述移动夹头相连接，所述液压缸推动所述移动夹头带动可调压固定冷端与可调速旋转热端相接触，并保证两试件之间形成稳定的压力，控制系统通过液压控制继电器对液压缸进行控制；
安装在液压缸与移动夹头之间的压力传感器与数据采集系统连接；
安装在可调速旋转热端上用于测温的热电偶与测温滑环机构滑动连接，并通过所述测温滑环机构的外圈导线将信号传输至数据采集系统；
控制系统是控制装置，控制加热炉所的温升曲线，并对数据采集系统采集的数据进行处理、计算、储存。
优选的，在所述可调速旋转热端与可调压固定冷端的接触界面蚀刻有能够储存润滑剂的储油槽，并在所述可调速旋转热端的中心加工通油孔，所述液压油泵通过所述通油孔将润滑剂注入所述接触界面之间，形成稳定厚度的润滑油膜。
优选的，所述闭环控制系统可对冷端压力、热端旋转速度、接触界面润滑流量、热电偶采集进行同步控制，根据实际轧制工况，实时模拟不同轧速、压力、冷却、润滑、摩擦条件下瞬态温度的导热规律，同时实时计算重载变形区接触动态换热系数。
优选的，所述测温滑环机构装卡于所述可调速旋转热端，所述测温滑环机构的内圈随所述可调速旋转热端同步旋转，所述测温滑环机构的外圈固定不动，防止旋转状态下的所述热电偶产生绕线。
本发明具有如下有益效果：
本发明提出的轧制重载变形区动态接触换热模拟装置，利用可调速旋转热端，能够根据实际轧制工况实时调整旋转速度，模拟实际轧制重载变形区的工况条件，准确获得变负载压力条件下旋转接触界面的动态换热系数；其次可改变润滑介质和油膜条件，动态调整润滑条件的动态接触界面，实测不同摩擦状况，即干摩擦、边界摩擦、流体摩擦、混合摩擦下的换热过程；另外利用闭环控制系统，实时调节在线参数，模拟加减速条件下的速度、压力、摩擦、油膜厚度等换热条件，为轧制过程的辊系弹性模型和带材金属模型提供必要的热交换边界参数。
附图说明
图1是本发明实施例的可调压可旋转的换热装置示意图；
图2a为轧制重载变形区的接触界面示意图；
图2b为本发明实施例所述的两种试件模拟轧制重载变形区的接触界面形貌示意图；
图3为本发明实施例使用的重载条件下动态接触换热系数计算流程及控制过程示意图；
图4为轧制换热条件与辊系弹性模型、带材金属模型的关系示意图；
图5a为本发明实施例所获取的动态接触换热模型应用于可逆轧机闭环控制系统图；以及
图5b为本发明实施例所获取的动态接触换热模型应用于连轧机组闭环控制系统图。
附图主要标记：
(1)保温罩、(2)液压缸、(3)控制继电器、(4)rnt-33t称重传感器、(5)az31b镁合金棒材、(6)k型铠装热电偶、(7)闭环控制系统、(8)数据采集系统、(9)不锈钢加热炉、(10)电机、(11)旋转夹头、(12)可调温导热铜棒、(13)键、(14)测温滑环机构、(15)9cr2mo合金钢棒材、(16)冷轧轧制液、(17)移动夹头、(18)冷却管、(19)轧辊、(20)轧件、(21)入口弹性区、(22)后滑动区、(23)停滞区、(24)前滑动区、(25)出口弹性区。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
下面结合图1具体说明本实施例
图1为可调压可旋转的换热装置示意图，该装置设有保温罩1、液压缸2、控制继电器3、rnt-33t称重传感器4、az31b镁合金棒材5、k型铠装热电偶6、闭环控制系统7、数据采集系统8、ni9213数据采集卡、nidaq-9187数据采集箱、不锈钢加热炉9、电机10、旋转夹头11、可调温导热铜棒12、键13、测温滑环机构14、9cr2mo合金钢棒材15、移动夹头17和冷却管18；
所述保温罩的材料为硅酸铝针刺毯。
所述数据采集系统8包括ni9213数据采集卡和nidaq-9187数据采集箱。
用于给可调温导热铜棒12加热的不锈钢加热炉9与闭环控制系统7连接，通过闭环控制系统7控制温升曲线。
可调温导热铜棒12装夹于旋转夹头11上与电机10连接，可调温导热铜棒12与9cr2mo合金钢棒材15通过键13连接，电机10带动可调温导热铜棒12旋转的同时带动9cr2mo合金钢棒材15一起旋转，
9cr2mo合金钢棒材15与az31b镁合金棒材5接触界面之间通入冷轧轧制液16，并通过闭环控制系统7控制冷轧轧制液量，保证界面之间形成稳定的润滑油膜。
液压缸2与装卡az31b镁合金棒材5的移动夹头17相连接，液压缸2通过液压控制继电器3与闭环控制系统7连接，
rnt-33t称重传感器4与ni9213数据采集卡连接，再由nidaq-9187数据采集箱将采集的压力数据传输至闭环控制系统7进行处理，移动夹头17内部置有冷却管18，az31b镁合金棒材5上用于测温的k型铠装热电偶6穿过保温罩1与ni9213数据采集卡、nidaq-9187数据采集箱连接，并传输数据至闭环控制系统7内进行处理计算，9cr2mo合金钢棒材15上用于测温的k型铠装热电偶6首先与测温滑环机构14连接，再由测温滑环机构14外圈导线将信号传输至ni9213数据采集卡。
nidaq-9187数据采集箱与闭环控制系统7连接，闭环控制系统7对nidaq-9187数据采集箱传输过来的的数据进行处理、计算、储存。
测量过程包括如下步骤：
首先，实验选取两种模拟试件的材料：az31b镁合金棒材5、直径20mm，长度80mm的9cr2mo合金钢棒材15，并用电火花打孔机分别在两种试件表面等距离打孔，孔径与所选购的测温k型铠装热电偶直径相同为1mm，用砂纸对两试件接触面进行打磨，保证两试件接触界面表面形貌(表面粗糙度)与轧辊、轧件接触形貌(表面粗糙度)相同为0.374μm。将az31b镁合金棒材装夹于移动夹头，作为可调压固定冷端；9cr2mo合金钢棒材15与可调温导热铜棒12连接，作为可调速旋转热端。
其次，搭建实验所使用的测温装置。对实验所用的k型铠装热电偶6进行标定，然后把标定好的k型铠装热电偶6插入两试件预留好的小孔内。测温滑环装置装卡于可调速旋转热端9cr2mo合金钢棒材15之上，内圈与其同步旋转，外圈固定不动。对9cr2mo合金钢棒材15进行测温的k型铠装热电偶6测温前端插入试样预留的小孔内，另一端连接测温滑环机构14内圈，内圈将信号传输至外圈，由外圈引出导线导出电压信号，连接ni9213数据采集卡、nidaq-9187数据采集箱，通过采集卡所配套的labview软件对热电偶采集的温度实时显示、储存、处理。
启动加热装置。根据接触换热系数测量原理，需要对可调速旋转热端进行加热，加热所使用的不锈钢加热炉通过闭环控制系统7控制加热温度。az31b镁合金在225℃时轧制更容易成型，因此将界面温度预设为225℃，当试件两接触面界面温度达到225℃时，加热炉进行保温。
启动液压加载装置和润滑装置。液压缸2开始工作，使az31b镁合金棒材5以缓慢的速度与9cr2mo合金钢棒材15相接触，缓慢地向两试件界面之间通入冷轧轧制液16，试件上的油槽对冷轧轧制液进行存储，形成稳定厚度的润滑油膜。液压缸继续加载，加载压力至8mpa时停止。
启动冷却水循环装置。移动夹头17内设有冷却水循环系统，一方面是为了保护夹头，防止夹头因高温损坏，另一方面保证az31b镁合金棒材5、9cr2mo合金钢棒材15之间形成稳定的热流。
启动旋转装置。可调温导热铜棒12放置于不锈钢加热炉9之内，并且装卡于旋转夹头11，旋转夹头与电机10连接，由电机带动旋转夹头11旋转。9cr2mo合金钢棒材15通过键与可调温导热铜棒12连接，电机带动可调温导热铜棒12旋转的同时带动9cr2mo合金钢棒材15转动，根据轧制工况，将转速设置为12r/min，形成高压状态下旋转重载接触界面。
启动数据采集系统，采集az31b镁合金棒材5、9cr2mo合金钢棒材15各个点时间温度历程。
经过一定时间的加热后，两试件温度逐渐达到稳定状态，接触界面温度达到225℃，经过一段时间保温处理，停止加热，保存实验数据。
测量结束后，关闭加热炉9，卸载液压加载系统，待试件冷却取出。
图2a为轧制重载变形区的接触界面示意图。
在轧辊作用下产生变形的区域叫做轧制重载变形区，轧制重载变形区可分为入口弹性区21、前滑动区22、停滞区23、后滑动区24、出口弹性区25。在轧制重载变形区内轧辊表面与带材表面相接触，并且产生相对运动，变形抗力也会导致轧辊发生弹性压扁，影响重载变形区的形状。变形区内重载接触换热条件在很大程度上会影响板带的接触摩擦条件、油膜厚度、润滑条件以及最终产品的成形精度或尺寸误差，出现流变应力差异、辊缝横向负载不均、局部热点、热擦伤、热划伤以及板形、板厚和表面质量问题。由于带材在辊缝变形区的传热，是一个综合了很多现象的复杂过程，轧件与轧辊一方面在很高的压力作用下接触传热，轧辊从相对高温的轧件带走热量，促使轧件表面强烈的温降；另一方面轧件的塑性变形和接触摩擦产生的变形热和摩擦热又促使轧件有一定的温升，研究轧制重载变形区的动态接触换热情况是一项非常复杂的工作，准确获取重载变形区内轧辊与轧件的动态接触换热系数是研究重载变形区换热机制的关键因素。
图2b为本发明实例的两种试件模拟轧制重载变形区的接触界面形貌示意图。
本装置控制可调速旋转热端15和可调压固定冷端5接触界面表面形貌(表面粗糙度)与轧件20、轧辊19接触形貌(表面粗糙度)相同，载荷、转速与实际轧制工况相匹配，接触界面刻蚀油槽，通过闭环控制系统控制液压油泵通入界面润滑剂流量，形成与轧制过程相符合的润滑油膜，模拟真实轧制过程，获取重载变形区动态接触换热系数。
图3为本实施例使用的重载条件下动态接触换热系数计算流程及控制过程。
计算流程如下：首先打开labview采集系统主界面，设置采样频率、接触界面目标温度、数据储存位置等参数。然后检验热电偶连接稳性以及准确性，启动温度采集系统，温度采集系统原始数据库接收热电偶采集的温度数据并实时动态显示、存储。与此同时，接触换热系数计算软件开始读取第一组采集的温度点数值进行动态接触换热系数计算，接触换热系数计算公式如下：
式中，hs为接触换热系数；qs为热流密度；δts为接触面的温降；λ为试件材料的热导率；
接触换热系数计算软件依次计算接触面的温降δts、试件轴向平均温度梯度
图4为轧制换热条件与辊系弹性模型、带材金属模型的关系。
轧制换热是一个复杂的过程，其中包括辊系带材与冷却液空气润滑油之间的对流换热、工作辊与带材之间的接触换热、带材塑性变形和摩擦产生的换热。根据重载变形区动态接触换热模型，即变形抗力、接触表面微观形貌、摩擦润滑条件计算重载变形区接触换热系数，获取相应的边界条件，可以为辊系弹性变形模型和带材金属模型提供重载接界面动态换热系数，准确计算变形区内的热源分布、温度变化和热凸度演化规律。
图5a为本发明实例所获取的动态接触换热系数应用于可逆轧机闭环控制系统示意图。
传统可逆轧机闭环控制系统通过板形仪、测厚仪可实现对板形、板厚的闭环控制。轧制重载变形区动态接触换热模拟装置，可以模拟轧制重载变形区动态换热条件，即轧制力，轧制速度、润滑、冷却等，将测量出的动态接触换热系数反馈到可逆轧机闭环控制系统之内，通过对比实测接触换热系数与理想接触换热系数，闭环控制系统在线调整可逆轧机轧制力、轧制速度、润滑、冷却等工艺，获取理想的接触换热系数，使得轧辊、轧件在轧制过程中的温度可控，同时为可逆轧机轧制动态接触换热模型与辊系温度场模型提供必要的热交换参数。
图5b为本发明实例所获取的动态接触换热系数应用于连轧机组闭环控制系统图。
可逆轧机与连轧机组区别在于：可逆轧机获取的动态接触换热系数反馈到可逆轧机闭环控制系统之内，调整可逆轧机逆向轧制的工艺参数；连轧机组获取的动态接触换热系数反馈到连轧机组闭环控制系统之内，调整下一组轧机轧制工艺参数。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
1.一种轧制重载变形区动态接触换热模拟装置，其特征在于，该装置包括保温罩、液压缸、控制继电器、压力传感器、可调压固定冷端、热电偶、控制系统、数据采集系统、加热炉、电机、旋转夹头、可调温导热棒材、连接机构、测温滑环机构、可调速旋转热端、移动夹头和冷却管；
所述加热炉用于给所述可调温导热棒材加热，由所述控制系统控制所述加热炉的温升曲线；
所述可调温导热棒材的第一端装夹于旋转夹头上，所述旋转夹头与电机连接；可调温导热棒材的第二端通过连接机构与可调速旋转热端连接，电机通过带动可调温导热棒材旋转带动可调速旋转热端一起旋转；
所述可调速旋转热端与所述可调压固定冷端的接触界面之间通入润滑剂，控制系统控制液压油泵的润滑剂量，使润滑油缓缓通入可调压固定冷端和可调速旋转热端界面之间，保证所述接触界面之间形成稳定的润滑油膜；
移动夹头用于装卡所述可调压固定冷端，所述移动夹头内部置有冷却管；安装在所述可调压固定冷端上用于测温的热电偶穿过保温罩与数据采集系统连接；
所述液压缸与所述移动夹头相连接，所述液压缸推动所述移动夹头带动可调压固定冷端与可调速旋转热端相接触，并保证两试件之间形成稳定的压力，控制系统通过液压控制继电器对液压缸进行控制；
安装在所述液压缸与移动夹头之间的压力传感器与数据采集系统连接；
安装在所述可调速旋转热端上用于测温的热电偶与测温滑环机构滑动连接，并通过所述测温滑环机构的外圈导线将信号传输至数据采集系统；
所述控制系统是控制装置，控制加热炉所的温升曲线，并对数据采集系统采集的数据进行处理、计算、储存。
2.根据权利要求1所述的轧制重载变形区动态接触换热模拟装置，其特征在于，在所述可调速旋转热端与可调压固定冷端的接触界面蚀刻有能够储存润滑剂的储油槽，并在所述可调速旋转热端的中心加工通油孔，所述液压油泵通过所述通油孔将润滑剂注入所述接触界面之间，形成稳定厚度的润滑油膜。
3.根据权利要求1所述的轧制重载变形区动态接触换热模拟装置，其特征在于，所述闭环控制系统对冷端压力、热端旋转速度、接触界面润滑流量和热电偶采集进行同步控制，根据实际轧制工况，实时模拟不同轧速、压力、冷却、润滑、摩擦条件下瞬态温度的导热规律，同时实时计算重载变形区接触动态换热系数。
4.根据权利要求1所述的轧制重载变形区动态接触换热模拟装置，其特征在于，所述测温滑环机构装卡于所述可调速旋转热端，所述测温滑环机构的内圈随所述可调速旋转热端同步旋转，所述测温滑环机构的外圈固定不动，防止旋转状态下的所述热电偶产生绕线。
技术总结