張力傳感器成為金屬加工行業(yè)精密制造的控制要素
一、張力控制:金屬加工的質(zhì)量與效率基石
在金屬加工的全流程中,從鋼材冷軋到鋁型材拉伸,從鋼絲繩捻制到精密箔材軋制,張力控制是決定產(chǎn)品性能的**變量。張力波動超過 ±3% 會導(dǎo)致金屬板材出現(xiàn)浪形、邊裂,或使線材產(chǎn)生直徑偏差、內(nèi)部應(yīng)力集中,嚴(yán)重時造成斷帶、斷線事故。傳統(tǒng)機(jī)械張力控制依賴配重砝碼或摩擦制動器,張力穩(wěn)定性*能達(dá)到 ±8%,而現(xiàn)代智能產(chǎn)線通過張力傳感器構(gòu)建的閉環(huán)系統(tǒng),可將張力波動精細(xì)控制在 ±0.5% 以內(nèi),使不銹鋼薄板的成材率從 75% 提升至 92%。
張力傳感器的**價值體現(xiàn)在三個關(guān)鍵環(huán)節(jié):
軋制工序:實(shí)時監(jiān)測軋機(jī)出口帶材張力,避免因張力不均導(dǎo)致的板形缺陷(如中浪、邊浪),將板形公差從 ±20I 單位縮小至 ±5I 單位;
拉絲工序:動態(tài)調(diào)節(jié)線材拉伸張力,防止因張力突變引發(fā)的斷線事故,使高速拉絲機(jī)的斷絲頻率從 3 次 / 小時降至 0.5 次 / 小時;
熱處理工序:控制退火爐內(nèi)帶材張力,避免高溫下因張力不足導(dǎo)致的褶皺或張力過大造成的延伸率超標(biāo),將熱處理后的尺寸精度提升 40%。
二、張力傳感器與壓力傳感器的技術(shù)分野
在金屬加工設(shè)備中,張力傳感器與壓力傳感器雖同屬力學(xué)測量范疇,但技術(shù)原理和應(yīng)用場景存在***差異:
(一)測量原理與對象
張力傳感器:專注于線性拉伸力的直接測量,通過彈性體形變感應(yīng)張力變化。例如,應(yīng)變片式傳感器在張力作用下,彈性體產(chǎn)生微米級形變,粘貼于表面的應(yīng)變片因拉伸或壓縮導(dǎo)致電阻值變化,經(jīng)惠斯通電橋轉(zhuǎn)換為電壓信號,精度可達(dá) ±0.05% FS,適用于 10N 至 1000kN 的寬張力范圍。
壓力傳感器:主要測量氣體、液體或固體表面的壓強(qiáng),基于壓阻效應(yīng)或壓電效應(yīng),將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號。在金屬加工中,壓力傳感器常用于監(jiān)測液壓系統(tǒng)壓力(如軋機(jī)壓下油缸壓力),精度 ±0.2% FS,確保軋制力的穩(wěn)定輸出。
(二)應(yīng)用場景協(xié)同
張力傳感器是金屬材料線性運(yùn)動的 “拉力標(biāo)尺”,直接決定材料的幾何尺寸與內(nèi)部應(yīng)力;壓力傳感器是流體動力系統(tǒng)的 “壓力閥門”,保障液壓、氣動系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。二者在冷軋機(jī)組中形成高效協(xié)同:張力傳感器監(jiān)測帶材張力以調(diào)整前后輥速比,壓力傳感器檢測液壓壓下系統(tǒng)壓力以控制軋制厚度,共同實(shí)現(xiàn) “板形 - 厚度” 的雙重精細(xì)控制。
三、張力傳感器的技術(shù)類型與金屬加工適配
1. 應(yīng)變片式張力傳感器
基于電阻應(yīng)變原理,采用合金鋼或鋁合金彈性體,表面粘貼高精度應(yīng)變片,通過全橋電路實(shí)現(xiàn)張力信號的轉(zhuǎn)換。其優(yōu)勢在于成本適中、量程覆蓋廣(10N-500kN)、響應(yīng)速度快(0.1ms 級),適用于中低速金屬加工設(shè)備,如拉絲機(jī)、矯直機(jī)。在銅桿連鑄連軋生產(chǎn)線中,該傳感器實(shí)時監(jiān)測軋后銅桿張力,通過 PLC 系統(tǒng)動態(tài)調(diào)整軋輥轉(zhuǎn)速,使銅桿直徑偏差從 ±0.1mm 降至 ±0.03mm,滿足精密電纜導(dǎo)體的生產(chǎn)要求。
2. 磁致伸縮式張力傳感器
利用鐵基合金的磁致伸縮效應(yīng),當(dāng)張力作用于傳感器時,內(nèi)部磁路發(fā)生變化,通過感應(yīng)線圈輸出與張力成正比的電壓信號。其**優(yōu)勢是抗振動、耐粉塵、耐高溫(150℃環(huán)境穩(wěn)定工作),適用于高污染、高振動的熱軋環(huán)境。在 H 型鋼生產(chǎn)線中,磁致伸縮式傳感器監(jiān)測矯直機(jī)的矯直張力,配合液壓系統(tǒng)將 H 型鋼的直線度從 3mm/m 提升至 1mm/m,顯著提高建筑用鋼的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
3. 光纖式張力傳感器
基于光纖布拉格光柵(FBG)技術(shù),張力作用導(dǎo)致光纖光柵發(fā)生軸向應(yīng)變,引起反射光波長漂移,通過解調(diào)儀實(shí)現(xiàn)張力測量。該技術(shù)具備抗電磁干擾、本質(zhì)安全(無電火花)、體積?。ㄖ睆? 0.5mm)的優(yōu)勢,特別適合精密箔材軋制和高速線材軋制。在鋰離子電池用鋁箔軋制中,分布式光纖傳感器陣列以 200Hz 的采樣頻率監(jiān)測箔材張力,通過邊緣計算實(shí)時調(diào)整軋機(jī)輥縫,將鋁箔厚度公差從 ±2% 控制在 ±0.5%,滿足動力電池對箔材一致性的嚴(yán)苛要求。
四、典型金屬加工場景深度解析
1. 冷軋薄板的板形與張力協(xié)同控制
在六輥冷軋機(jī)的出口段,張力傳感器安裝于轉(zhuǎn)向輥軸承座,實(shí)時采集帶材張力數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測到邊部張力高于中部 10% 時,系統(tǒng)自動調(diào)整工作輥彎輥力,通過 50ms 級的閉環(huán)控制消除邊浪缺陷。某汽車用高強(qiáng)鋼冷軋產(chǎn)線應(yīng)用該技術(shù)后,板形合格率從 85% 提升至 97%,同時將軋制速度從 200m/min 提升至 350m/min,生產(chǎn)效率提高 40%。
2. 高速拉絲的斷線預(yù)防與張力優(yōu)化
在 φ0.1mm 以下的超細(xì)鋼絲拉絲機(jī)中,張力傳感器以 1000Hz 的頻率監(jiān)測模具出口處的線材張力。當(dāng)張力波動超過 ±2% 時,系統(tǒng)立即觸發(fā)變頻器調(diào)整收線輪轉(zhuǎn)速,將斷線率從 5 次 / 小時降至 0.3 次 / 小時。結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法,傳感器數(shù)據(jù)可預(yù)測模具磨損程度(準(zhǔn)確率 92%),提前預(yù)警換模時間,使拉絲模具壽命延長 25%。
3. 熱處理爐內(nèi)的張力退火工藝優(yōu)化
在硅鋼片連續(xù)退火爐中,張力傳感器與爐內(nèi)溫度、氣氛傳感器協(xié)同工作。傳感器實(shí)時監(jiān)測退火段帶材張力,當(dāng)溫度升至 800℃時,系統(tǒng)自動將張力從 20N/mm2 調(diào)整至 15N/mm2,避免高溫下因張力過大導(dǎo)致的晶?;儭T摷夹g(shù)使取向硅鋼的磁感強(qiáng)度(B8)從 1.78T 提升至 1.85T,鐵損(P17/50)從 1.3W/kg 降至 1.1W/kg,***提升變壓器用硅鋼的電磁性能。
五、技術(shù)挑戰(zhàn)與創(chuàng)新方向
1. 工況適應(yīng)性突破
針對金屬加工中的高溫(如熱軋 1200℃)、強(qiáng)磁場(如電磁攪拌設(shè)備)、高沖擊振動(如鍛壓設(shè)備)環(huán)境,未來研發(fā)聚焦于:
高溫材料:采用碳化硅(SiC)基傳感器芯片,將耐溫能力提升至 300℃以上,適配熱軋精整工序;
抗磁屏蔽結(jié)構(gòu):設(shè)計雙層磁屏蔽外殼,將強(qiáng)磁場環(huán)境下的測量誤差從 ±1% 降至 ±0.1%,滿足電磁冶金設(shè)備的張力監(jiān)測需求。
2. 智能化與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合
隨著金屬加工向數(shù)字化轉(zhuǎn)型,張力傳感器正從 “單點(diǎn)測量” 升級為 “系統(tǒng)級控制”:
數(shù)字孿生應(yīng)用:通過傳感器數(shù)據(jù)驅(qū)動軋機(jī)虛擬模型,實(shí)時模擬不同張力參數(shù)對板形的影響,輔助工藝工程師 30 分鐘內(nèi)完成軋制規(guī)程優(yōu)化;
預(yù)測性維護(hù):利用深度學(xué)習(xí)算法分析張力信號的頻域特征,提前 72 小時預(yù)警軸承失效、齒輪箱磨損等設(shè)備故障,將非計劃停機(jī)時間減少 50%。
3. 微型化與多參數(shù)集成
為滿足精密加工和輕量化需求,微型化成為重要方向:
MEMS 張力傳感器:基于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù),開發(fā)量程 1-100N、尺寸 3mm×3mm 的超微型傳感器,適用于精密電子元件引線鍵合的張力控制;
復(fù)合傳感模塊:集成張力、溫度、應(yīng)變的多參數(shù)傳感器,為金屬成型過程提供多維數(shù)據(jù)支持,例如在鈦合金板材拉形中,同步監(jiān)測張力與溫度變化,精確控制材料的塑性變形行為。
六、行業(yè)趨勢與市場洞察
全球金屬加工張力傳感器市場呈現(xiàn)三大發(fā)展特征:
制造驅(qū)動增長:新能源汽車用高強(qiáng)鋼、航空航天用鈦合金等金屬材料的需求爆發(fā),推動高精度張力傳感器市場規(guī)模年復(fù)合增長率達(dá) 15%,預(yù)計 2028 年突破 30 億美元;
國產(chǎn)替代加速:中國企業(yè)在中低端市場(如普通鋼材加工傳感器)的國產(chǎn)化率已達(dá) 65%,在光纖式、磁致伸縮式傳感器領(lǐng)域,部分產(chǎn)品的溫度漂移(≤0.003% FS/℃)、長期穩(wěn)定性(年漂移≤0.1% FS)等指標(biāo)已達(dá)到國際水平;
綠色制造需求:節(jié)能型傳感器(功耗 <1W)與智能產(chǎn)線的協(xié)同優(yōu)化,幫助金屬加工企業(yè)降低 30% 以上的張力控制能耗,成為 “雙碳” 目標(biāo)下的**選型標(biāo)準(zhǔn)。