Качественное и быстрое разделение трубы в линии стана для производства труб существенно влияет на производительность всей линии, которая снижается в случае необходимости введения дополнительных линий подрезки и мерной резки на участках трубоотделки.
С решением проблемы качества отрезаемых заготовок и увеличения производительности прокатных линий в первую очередь встает вопрос о применяемом для этого оборудовании. Если производительность линии критически высока (агрегаты с непрерывным станом) либо длина изготавливаемых изделий не позволяет производить операции разделения стационарно (трубоэлектросварочные станы с "бесконечными" трубами либо редукционные станы с большими коэффициентами вытяжки) для разделения труб используются так называемые летучие пильные установки (ЛПУ), инструмент которых движется плоскопараллельно со скоростью разрезаемой трубы, обеспечивая ее разделение в движении.
Однако, проблема разделения стальных труб и проката на мерные длины на ходу на прокатных производствах недостаточно освещена в научной и технической литературе. Мало изучена кинематика процесса поперечного разделения труб летучими пилами, обусловленная сложной геометрией инструмента и изделия. Не существует математической модели для описания изменения усилия разделения в процессе, динамического поведения приводов летучих пильных установок. Конструкции пильных установок имеют ряд существенных недостатков приводящих к снижению качества резания и надежности работы комплексов оборудования ЛПУ, что в свою очередь приводит к снижению производительности трубопрокатных и трубоэлектросварочных агрегатов.
На основании вышеизложенного, исследование процесса разделения труб на летучих пильных установках с целью совершенствования их конструкций является актуальным.
Целью работы является совершенствование конструкций летучих пильных установок планетарного и кареточного типа на основе моделирования кинематики и динамики процессов разделения труб, повышение их работоспособности, снижение аварийности работы и повышение качества получаемых изделий. При этом были поставлены и решены следующие задачи:
1. Разработка математической модели кинематики и определения энергосиловых параметров процесса высокоскоростного разделения движущихся труб на мерные отрезки, с использованием методов, основанных на анализе пластического течения металла в области очага деформации, учитывая специфику кинематики пильных установок, геометрическую форму инструмента и изделия, температурные характеристики.
2. Разработка математической модели динамики привода летучей пильной установки, на основе матричного метода построения моделей механических систем, с учетом влияния характеристик электродвигателя пильной установки и ременной передачи.
3. Разработка пакетов прикладных программ для автоматизированного расчета технологических усилий и динамических характеристик привода летучих пильных установок в процессе разделения труб.
4. Разработка рекомендаций по модернизации оборудования пильных установок, обеспечивающих повышение работоспособности, снижение аварийности работы и повышения качества разделяемых труб.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые получены следующие результаты:
- разработана математическая модель высокоскоростного разделения движущегося потока труб на мерные отрезки для определения изменяющейся во времени доли металла, удаляемой каждым зубом пильного диска, в зависимости от кинематики, траектории движения его центра, от размерных параметров профиля зуба и сечения разделяемой заготовки, а также для вычисления суммарного слоя металла, удаляемого изменяющимся количеством зубьев, находящихся одновременно в контакте с заготовкой;
- на основании метода характеристик с использованием линий скольжения получены границы очагов деформации в областях передней и задней граней зубьев режущего диска в зависимости от геометрических параметров профиля зубьев, позволяющие определить характеристики напряженного состояния деформируемого металла и вероятные причины образования дефектов в виде тонкостенного «облоя», обусловленные состоянием пластической области в районе передней и задней рабочих граней зуба;
- на основании кинематики процесса и положений теории пластичности разработаны математические модели определения энергосиловых характеристик быстроходных летучих пильных установок (ЛПУ) кареточного и планетарного типа при разделении на мерные отрезки непрерывно движущейся трубной заготовки, реализованные в виде алгоритмов, программ для ЭВМ и инженерных формул; применение методов, основанных на анализе пластического течения металла в области очага деформации, позволили определить значения силового воздействия на инструмент с учетом высокой скорости деформирования, температурных условий процесса, геометрических параметров профиля зубьев, особенностей нестационарного изменения подачи на зуб и количества зубьев одновременно находящихся в контакте с заготовкой;
- полученные значения технологических нагрузок и анализ схем нагружения устройств позиционирования заготовки, разделяемой на мерные участки в линии ЛПУ планетарного типа, послужили основанием для разработки новых устройств, исключающих аварийные ситуации при удалении немерных отрезков;
- на основании полученных значений технологических нагрузок разработана обобщенная динамическая модель приводного механизма пильного диска, позволившая установить закономерности изменения в нем динамических нагрузок с учетом особенности и ограничения тяговой способности применяемой ременной передачи; решение уравнений равновесия для конкретных параметров динамической системы и разработанные номограммы позволили в зависимости от марко-типоразмеров разделяемых труб определить и подтвердить результатами натурных измерений рациональные параметры настройки и усилия предварительного натяжения ремня.
Практическая ценность:
- На базе определения силовых и кинематических характеристик, полученных с использованием предложенных математических моделей, для ЛПУ планетарного типа (ЛПУ - ИН81000), установленной в технологической линии редукционного стана ТПА 30-102, разработан и защищен патентами РФ комплекс технических предложений, направленных на повышение работоспособности и безотказности транспортной части оборудования и снижение расходного коэффициента при прокатке труб.
- для ЛПУ кареточного типа трубосварочного агрегата (ТЭСА 102-377) выполнена модернизация приводного механизма. На основании анализа полученной расчетной модели для определения энергосиловых показателей разработан номографический метод расчета и оборудование контроля натяжения ременной передачи, позволившие многократно увеличить безотказность работы пильной установки.
Методы исследования:
1. Моделирование взаимного движения инструмента и отрезаемой трубы на основании их кинематики и геометрии.
2. Моделирование процесса разделения труб с использованием методов пластического течения металла в очаге деформации.
3. Моделирование динамики привода пильных установок с использованием матричного метода построения моделей динамических систем.
4. Экспериментальное исследование действующих летучих пильных установок. Запись показаний значения тока на одной из фаз электродвигателя привода установки и значений давления в штоковой полости гидроцилиндра подачи.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Математическая модель высокоскоростного разделения движущегося потока труб на мерные отрезки для определения изменяющейся во времени доли металла, удаляемой каждым зубом пильного диска, в зависимости от кинематики, траектории движения его центра, от размерных параметров профиля зуба и сечения разделяемой заготовки, а также расчетные зависимости для вычисления суммарного слоя металла, удаляемого изменяющимся количеством зубьев, находящихся одновременно в контакте с заготовкой
2. Математические модели определения энергосиловых характеристик быстроходных летучих пильных установок (ЛПУ) кареточного и планетарного типа при разделении на мерные отрезки непрерывно движущейся трубной заготовки, реализованные в виде алгоритмов, программ для ЭВМ и инженерных формул, разработанные на основании кинематики процесса и положений теории пластичности.
3. Обобщенная динамическая модель приводного механизма пильного диска, разработанная на основании полученных значений технологических нагрузок, позволяющая установить закономерности изменения в нем динамических нагрузок с учетом особенности и ограничения тяговой способности применяемой ременной передачи
4. Рекомендации по совершенствованию конструкций летучих пильных установок для повышения работоспособности транспортных линий ЛПУ планетарного типа и приводных механизмов ЛПУ кареточного типа.
Апробация работы. Основные положения работы и отдельные разделы докладывались на XVII конференции молодых ученых (Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2009), XVIII конференции молодых ученых (Екатеринбург, УрФУ, 2010), международной научно-технической конференции "Трубы 2010" (Челябинск, РосНИТИ, 2010), Шестой международной молодежной научно-практической конференции «Инновационные технологии в металлургии и машиностроении. Уральская научно-педагогическая школа по обработке металлов давлением имени профессора А. Ф. Головина» (Екатеринбург, УрФУ, 2012), IX Конгрессе прокатчиков (Череповец, «Северсталь», 2013), Десятой международной конференции «Современные металлические материалы и технологии» (Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2013).
Публикации. Результаты работы представлены в 9 публикациях, в числе которых 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 151 странице, содержит 5 таблиц, 87 рисунков, 3 приложения, библиографический список из 75 наименований.
1. На основании исследования особенностей высокоскоростного процесса разделения подвижных труб на ходу на мерные участки с помощью летучих пильных установок непосредственно в технологических линиях трубных станов получены расчетные зависимости и математическая модель для определения изменяющихся во времени основных характеристик резания: глубины внедрения зуба в металл, подачи на зуб, мгновенного объема металла, удаляемого в пределах дуги резания. В результате установлено существенное влияние закона скорости подачи пильного диска и геометрических размеров сечения трубы на нестационарный характер изменения подачи на зуб в пределах цикла разрезания: от начала к концу цикла резания при постоянной скорости подачи пильного диска, характерной для ЛПУ кареточного типа, подача на зуб монотонно снижается до полутора раз, а при переменной скорости подачи (ЛПУ планетарного типа) - до 4 раз. Получен закон изменения мгновенного удаляемого объема металла (на дуге резания), который характеризуется двумя пиковыми значениями: в начале и конце цикла резания. Максимальные пиковые значения мгновенно удаляемого металла зависят от размеров сечения тубы и закона изменения подачи пильного диска и превышают показатели в период движения инструмента в полости трубы в 3-5 раз.
2. Применение методов, основанных на анализе пластического течения металла в области очага деформации при внедрении зуба в металл заготовки, позволило определить силовые воздействия на инструмент с учетом высокой скорости деформации, температурных условий процесса, геометрических параметров профиля зубьев, особенностей нестационарного изменения подачи на зуб и суммарной толщины снимаемого слоя, соответствующего количеству зубьев одновременно находящихся в контакте с заготовкой. Для быстроходной порезки поступательно перемещающейся трубной заготовки круглого сечения получена зависимость для определения окружных сил на рабочей поверхности зуба и полного сопротивления вращению инструмента. В результате получена нестационарная картина изменения нагрузки за период разрезания трубной заготовки с двумя пиковыми значениями, существенно (до пяти раз) превышающими значения суммарных сил резания в середине процесса. Установлена зависимость для закона изменения и пиковых значений суммарных сил резания от геометрических параметров сечения разрезаемой трубы, от скорости вращения пильного диска, среднего напряжения текучести и температуры разрезаемого материала (упрочнение или разупрочнение), от закона подачи режущего инструмента и геометрических характеристик его зуба. Показаны вероятные причины образования дефектов в виде тонкостенного облоя, обусловленные состоянием пластической области в районе задней грани зуба.
3. Получены характеристики нагружения линии привода вращения пильного диска ЛПУ кареточного типа, содержащего ременную передачу. На основании полученных значений технологических нагрузок разработана обобщенная динамическая модель замещения приводного механизма пильного диска, позволившая установить закономерности изменения динамических нагрузок, воспринимаемых валом двигателя. Помимо традиционных характеристик расчетной модели: масс и жесткостей звеньев, диссипации и механической характеристики двигателя введены особенности и ограничения тяговой способности применяемой ременной передачи. Показатели изменения динамических нагрузок положены в основу рационального выбора характеристик настройки ЛПУ, направленных на повышение ее работоспособности.
4. Выполнен значительный объем экспериментальных натурных измерений энергосиловых показателей на ЛПУ кареточного типа в технологической линии трубоэлектросварочного стана для производства прямошовных труб диаметром до 426 мм. Сравнения энергетических балансов теоретического расчета и экспериментальных данных показали высокую точность характеристик, полученных расчетным путем на основании предложенной динамической модели.
5. На базе определения силовых и кинематических характеристик, полученных с использованием предложенных математических моделей, для ЛПУ планетарного типа (ЛПУ - ИН81000), установленной в технологической линии редукционного стана ТПА 30-102, разработан и защищен патентами РФ комплекс технических предложений, направленных на повышение работоспособности и безотказности транспортной части оборудования и снижение расходного коэффициента при прокатке труб.
Для ЛПУ кареточного типа трубосварочного агрегата (ТЭСА 102-377) выполнена модернизация приводного механизма. На основании анализа полученной расчетной модели для определения энергосиловых показателей разработан номографический метод расчета и оборудование контроля натяжения ременной передачи, позволившие многократно увеличить безотказность работы пильной установки, избегая потерь мощности и нарушения кинематики резания из-за проскальзывания ремня.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
