Помощь студентам в учебе
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПИЛИГРИМОВОЙ ПРОКАТКИ НА ОСНОВЕ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ И МОДЕРНИЗАЦИИ ПОДАЮЩЕГО АППАРАТА
|
ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ И ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА
ПОДАЧИ ЗАГОТОВКИ ПОДАЮЩИМ МЕХАНИЗМОМ ПИЛИГРИМОВОГО СТАНА 8
Выводы и задачи исследования 27
ГЛАВА 2. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ПОДАЮЩЕГО АППАРАТА СТАНА ПИЛИГРИМОВОЙ ПРОКАТКИ 28
2.1 Влияние работы подающего аппарата на процесс пилигримовой прокатки 28
2.2 Особенности процесса пилигримовой прокатки 29
2.3 Модернизация конструкции подающего аппарата 32
Выводы 49
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ И ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЗАКОНА ДВИЖЕНИЯ ПОДАЮЩЕГО АППАРАТА 50
3.1 Задачи и основы определения закона движения подающего аппарата
циклического действия 50
3.2 Объект исследования 54
3.3 Динамическая модель подающего аппарата пильгерстана 57
3.4 Анализ и выбор рациональных параметров управления законом
движения заготовки 63
Выводы 80
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГОСИЛОВЫХ И КИНЕМАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК 82
4.1 Экспериментальное определение влияния параметров профилирования
буксы тормозной камеры на кинематику 84
4.2 Особенности нагружения деталей механизма ограничения подачи
в режиме прокатки 92
4.3 Характеристики нагружения форголлера при извлечении дорна 96
Выводы 99
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 101
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 104
ПРИЛОЖЕНИЕ А. АКТ Внедрения результатов НИР 113
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Программа расчета кинематических и динамических характеристик форголлера SMS MEER 114
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ И ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА
ПОДАЧИ ЗАГОТОВКИ ПОДАЮЩИМ МЕХАНИЗМОМ ПИЛИГРИМОВОГО СТАНА 8
Выводы и задачи исследования 27
ГЛАВА 2. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ПОДАЮЩЕГО АППАРАТА СТАНА ПИЛИГРИМОВОЙ ПРОКАТКИ 28
2.1 Влияние работы подающего аппарата на процесс пилигримовой прокатки 28
2.2 Особенности процесса пилигримовой прокатки 29
2.3 Модернизация конструкции подающего аппарата 32
Выводы 49
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ И ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЗАКОНА ДВИЖЕНИЯ ПОДАЮЩЕГО АППАРАТА 50
3.1 Задачи и основы определения закона движения подающего аппарата
циклического действия 50
3.2 Объект исследования 54
3.3 Динамическая модель подающего аппарата пильгерстана 57
3.4 Анализ и выбор рациональных параметров управления законом
движения заготовки 63
Выводы 80
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГОСИЛОВЫХ И КИНЕМАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК 82
4.1 Экспериментальное определение влияния параметров профилирования
буксы тормозной камеры на кинематику 84
4.2 Особенности нагружения деталей механизма ограничения подачи
в режиме прокатки 92
4.3 Характеристики нагружения форголлера при извлечении дорна 96
Выводы 99
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 101
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 104
ПРИЛОЖЕНИЕ А. АКТ Внедрения результатов НИР 113
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Программа расчета кинематических и динамических характеристик форголлера SMS MEER 114
В настоящее время в мире используется более 50 станов пилигримовой прокатки. Основными достоинствами этого оборудования является возможность получения бесшовных горячекатаных труб большой длины с широким диапазоном значений толщины стенки от 5 до 150 мм. Бесшовные трубы диаметром более 406 мм производят только на пилигримовых станах. Достоинством станов этого типа является экономичность процесса при производстве труб малыми партиями. Пилигримовые станы относятся к оборудованию периодического действия, сочетая процессы ковки и продольной прокатки. Одним из наиболее динамически нагруженных устройств таких станов является подающий механизм (форголлер), предназначенный для осуществления периодической подачи заготовки в рабочую клеть на строго определенную величину. Особенностью пилигримового стана является перемещение заготовки в виде гильзы во время разового цикла прокатки навстречу направлению выхода готовой трубы из клети на большую длину рабочей части ручьев прокатных валков. По завершению разового обжатия металла раскрываются зевы валков, и заготовка с вращением вокруг своей оси возвращается в зону прокатки на ту же длину, дополненную значением циклической подачи, со средней скоростью около 3 м/с. При возвратно-поступательном движении заготовки со значительной массой (до 14 т) максимальные значения динамических нагрузок достигают 800 кН.
Актуальность. От работы подающего аппарата во многом зависит стабильная работа всего стана, его производительность и качество выпускаемой продукции. В связи с динамически тяжелым режимом работы на долю подающего механизма стана приходится большинство отказов. В результате на станах большого типоразмера при эксплуатации оборудования осуществляют замену подвижной части форголлера с периодичностью, не превышающей 10 суток.
Этим объясняется необходимость совершенствования конструкций и поиск рациональных параметров управления процессом подачи.
Степень разработанности. Несмотря на то, что процесс пилигримовой прокатки известен и применяется в промышленности более 100 лет, вопросы повышения надежности оборудования остаются нерешенными до сих пор. В частности, проблемой динамического нагружения подающих аппаратов, их кинематических и силовых характеристик, занимались многие отечественные и зарубежные исследователи. Большое количество реализованных конструктивных вариантов, направленных на повышение работоспособности подающих аппаратов пилигримового стана, привели к использованию пневмогидравлических движителей заготовки и гидромеханических устройств формирования стабильных значений разовой подачи за цикл прокатки. С течением времени повышались требования увеличения производительности пильгерных установок и качества труб. Однако высокая цикличность и большие значения периодически изменяющихся напряжений определяют весьма ограниченный ресурс работы форголлера и требуют решения задач совершенствования его конструкции и поиска рациональных параметров для достижения минимума динамического нагружения.
Цели и задачи работы. Разработка устройства перемещения заготовки, обеспечивающего дальнейшее снижение динамических нагрузок, безотказного устройства ограничения подач, реализующего заданные номинальные их значения, исследование и определение рациональных параметров управления законом движения заготовки.
Научная новизна работы.
1. Для вновь предложенного пневмогидравлического привода возвратного движения заготовки исследованы зависимости, выполнен анализ и получены рекомендации выбора значений начального давления в пневматической камере, обеспечивающие рациональное соотношение между периодами разгона и торможения.
2. Разработана математическая модель и программа расчета закона движения штоковой системы тормозного устройства с плавающим поршнем при использовании системы переменного дросселирования расхода рабочей жидкости вдоль его перемещения в тормозной камере.
3. На основании разработанной модели выполнен численный анализ влияния исходного профиля внутренней полости тормозной буксы на конечную скорость тормозного поршня, а также расположения и изменения площади дополнительных дросселирующих отверстий в ней на тенденцию значений максимального ускорения торможения подвижных масс.
4. Получен алгоритм определения постоянных и переменных параметров управления законом движения, доставляющих минимум максимальных значений динамических нагрузок за цикл перемещения заготовки.
5. Показано, что предложенный вариант исполнения штоковой системы возвратного перемещения заготовки в рабочую клеть с плавающим поршнем, обеспечивает снижение подвижных масс и повышение жесткости подвижного штока.
6. Получены расчетные зависимости для определения усилий подпора подвижной каретки, обеспечивающие беззазорное ее сопровождение с механизмом ограничения подач.
Теоретическая и практическая значимость.
Разработаны и переданы в производство:
• конструкция тормозной камеры с плавающим поршнем, защищенная патентами на изобретение и полезную модель и предназначенная для повышения работоспособности подающего аппарата путем снижения динамических нагрузок;
• конструкция рамочного типа механизма ограничения значений разовых подач, защищенная патентом на полезную модель и предусматривающая повышение долговечности и исключение вибрационных нагрузок;
• конструкция дополнительного гидравлического устройства, защищенная патентом на полезную модель и предназначенная для повышения надежности извлечения дорновой оправки из прокатанной трубы;
• Рекомендуемая методика выбора рациональных параметров настройки и управления процессом перемещения заготовки с сохранением постоянства циклических подач направлена на сокращение ремонтных простоев оборудования и повышение надежности его работы.
Положения, выносимые на защиту.
1. Результаты разработки новых устройств подающего механизма пилигримового стана, направленных на снижение непрогнозируемых динамических нагрузок, крутящих моментов прокатки и максимальных давлений в очаге деформации за счет постоянства циклической подачи.
2. Совершенствование закона движения заготовки в рабочую клеть на основе анализа и выбора рациональных параметров пневмогидравлического движителя модернизированного типа с целью синхронизации циклов подачи и прокатки.
3. Экспериментальное подтверждение теоретических результатов, полученных на базе расчетной модели, на основе измерения кинематических, гидродинамических и нагрузочных характеристик форголлера.
Степень достоверности и апробация результатов. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на: XVI Уральской международной конференции молодых ученых по приоритетным направлениям развития науки и техники. Екатеринбург, 2009; XVII Уральской международной конференции молодых ученых по приоритетным направлениям развития науки и техники. Екатеринбург, 2010; XVIII Международной научно-технической конференции «Трубы-2010» «РосНИТИ» Челябинск, 2010; IX Международной научно-технической конференции «Современные металлические материалы и технологии» Санкт-Петербург. 2011; X международной научно-технической конференции «Современные металлические материалы и технологии» г. Санкт- Петербург, 2013 г.; шестой международной молодежной научно-практической конференции «Инновационные технологии в металлургии и машиностроении. Уральская научно-педагогическая школа по обработке металлов давлением им. Профессора А.Ф. Головина» Екатеринбург, 2012; седьмой международной молодежной научно-практической конференции «Инновационные технологии в металлургии и машиностроении» Екатеринбург, 2014; международной научно-практической конференции «Развитие машиностроения, транспорта, технологических машин и оборудования в условиях рыночной экономики» Екатеринбург, 2014; IX конгресс прокатчиков. Череповец, 2013; X конгресс прокатчиков. Липецк, 2015;
Достоверность полученных результатов обеспечивается большим объемом экспериментальных исследований и сходимостью с результатами других исследований.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, приложений А и Б. Работа изложена на 116 страницах, содержит 7 таблиц, 56 рисунков, библиографический список из 48 наименований.
Актуальность. От работы подающего аппарата во многом зависит стабильная работа всего стана, его производительность и качество выпускаемой продукции. В связи с динамически тяжелым режимом работы на долю подающего механизма стана приходится большинство отказов. В результате на станах большого типоразмера при эксплуатации оборудования осуществляют замену подвижной части форголлера с периодичностью, не превышающей 10 суток.
Этим объясняется необходимость совершенствования конструкций и поиск рациональных параметров управления процессом подачи.
Степень разработанности. Несмотря на то, что процесс пилигримовой прокатки известен и применяется в промышленности более 100 лет, вопросы повышения надежности оборудования остаются нерешенными до сих пор. В частности, проблемой динамического нагружения подающих аппаратов, их кинематических и силовых характеристик, занимались многие отечественные и зарубежные исследователи. Большое количество реализованных конструктивных вариантов, направленных на повышение работоспособности подающих аппаратов пилигримового стана, привели к использованию пневмогидравлических движителей заготовки и гидромеханических устройств формирования стабильных значений разовой подачи за цикл прокатки. С течением времени повышались требования увеличения производительности пильгерных установок и качества труб. Однако высокая цикличность и большие значения периодически изменяющихся напряжений определяют весьма ограниченный ресурс работы форголлера и требуют решения задач совершенствования его конструкции и поиска рациональных параметров для достижения минимума динамического нагружения.
Цели и задачи работы. Разработка устройства перемещения заготовки, обеспечивающего дальнейшее снижение динамических нагрузок, безотказного устройства ограничения подач, реализующего заданные номинальные их значения, исследование и определение рациональных параметров управления законом движения заготовки.
Научная новизна работы.
1. Для вновь предложенного пневмогидравлического привода возвратного движения заготовки исследованы зависимости, выполнен анализ и получены рекомендации выбора значений начального давления в пневматической камере, обеспечивающие рациональное соотношение между периодами разгона и торможения.
2. Разработана математическая модель и программа расчета закона движения штоковой системы тормозного устройства с плавающим поршнем при использовании системы переменного дросселирования расхода рабочей жидкости вдоль его перемещения в тормозной камере.
3. На основании разработанной модели выполнен численный анализ влияния исходного профиля внутренней полости тормозной буксы на конечную скорость тормозного поршня, а также расположения и изменения площади дополнительных дросселирующих отверстий в ней на тенденцию значений максимального ускорения торможения подвижных масс.
4. Получен алгоритм определения постоянных и переменных параметров управления законом движения, доставляющих минимум максимальных значений динамических нагрузок за цикл перемещения заготовки.
5. Показано, что предложенный вариант исполнения штоковой системы возвратного перемещения заготовки в рабочую клеть с плавающим поршнем, обеспечивает снижение подвижных масс и повышение жесткости подвижного штока.
6. Получены расчетные зависимости для определения усилий подпора подвижной каретки, обеспечивающие беззазорное ее сопровождение с механизмом ограничения подач.
Теоретическая и практическая значимость.
Разработаны и переданы в производство:
• конструкция тормозной камеры с плавающим поршнем, защищенная патентами на изобретение и полезную модель и предназначенная для повышения работоспособности подающего аппарата путем снижения динамических нагрузок;
• конструкция рамочного типа механизма ограничения значений разовых подач, защищенная патентом на полезную модель и предусматривающая повышение долговечности и исключение вибрационных нагрузок;
• конструкция дополнительного гидравлического устройства, защищенная патентом на полезную модель и предназначенная для повышения надежности извлечения дорновой оправки из прокатанной трубы;
• Рекомендуемая методика выбора рациональных параметров настройки и управления процессом перемещения заготовки с сохранением постоянства циклических подач направлена на сокращение ремонтных простоев оборудования и повышение надежности его работы.
Положения, выносимые на защиту.
1. Результаты разработки новых устройств подающего механизма пилигримового стана, направленных на снижение непрогнозируемых динамических нагрузок, крутящих моментов прокатки и максимальных давлений в очаге деформации за счет постоянства циклической подачи.
2. Совершенствование закона движения заготовки в рабочую клеть на основе анализа и выбора рациональных параметров пневмогидравлического движителя модернизированного типа с целью синхронизации циклов подачи и прокатки.
3. Экспериментальное подтверждение теоретических результатов, полученных на базе расчетной модели, на основе измерения кинематических, гидродинамических и нагрузочных характеристик форголлера.
Степень достоверности и апробация результатов. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на: XVI Уральской международной конференции молодых ученых по приоритетным направлениям развития науки и техники. Екатеринбург, 2009; XVII Уральской международной конференции молодых ученых по приоритетным направлениям развития науки и техники. Екатеринбург, 2010; XVIII Международной научно-технической конференции «Трубы-2010» «РосНИТИ» Челябинск, 2010; IX Международной научно-технической конференции «Современные металлические материалы и технологии» Санкт-Петербург. 2011; X международной научно-технической конференции «Современные металлические материалы и технологии» г. Санкт- Петербург, 2013 г.; шестой международной молодежной научно-практической конференции «Инновационные технологии в металлургии и машиностроении. Уральская научно-педагогическая школа по обработке металлов давлением им. Профессора А.Ф. Головина» Екатеринбург, 2012; седьмой международной молодежной научно-практической конференции «Инновационные технологии в металлургии и машиностроении» Екатеринбург, 2014; международной научно-практической конференции «Развитие машиностроения, транспорта, технологических машин и оборудования в условиях рыночной экономики» Екатеринбург, 2014; IX конгресс прокатчиков. Череповец, 2013; X конгресс прокатчиков. Липецк, 2015;
Достоверность полученных результатов обеспечивается большим объемом экспериментальных исследований и сходимостью с результатами других исследований.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, приложений А и Б. Работа изложена на 116 страницах, содержит 7 таблиц, 56 рисунков, библиографический список из 48 наименований.
1. Процесс прокатки труб на пилигримовом стане сопровождается большими динамическими нагрузками, воспринимаемыми рабочими валками, клетью и линией главного привода, которые в значительной степени зависят от значений разовых подач металла в очаг деформации. Не менее тяжелый режим динамического нагружения характерен и для подающего аппарата (форголлера), формирующего значения подачи металла в рабочие валки. С целью дальнейшего совершенствования режима устойчивой работы подающего аппарата, включая снижение опасности смещения прокатываемой заготовки относительно дорна (внутренней оправки), сохранения постоянства заданных значений подач и облегчения процедуры извлечения оправки из заготовки в конце ее прокатки разработан и представлен комплекс новых устройств (Патенты № 135548, №148514, №144197, №2547588)
2. Основным объектом исследования является закон движения исполнительного органа подающего аппарата на длину конуса деформации (1300 - 1400 мм) в течение каждого цикла обжатия с частотой возвратно-поступательного движения не менее 30 циклов/мин. При этом выбор рационального закона движения наиболее напряженного периода возвратного перемещения штока пневмогидравлической системы движителя , несущего на конце дорн с насаженной на него прокатываемой гильзой большой массы (до 1 4 т), при общей продолжительности возвратного движения не более 0,5 с, достигается определением оптимального соотношения времен разгона и торможения, доставляющего минимум максимальных значений периодических ускорений при затормаживании движения. Установленное значение этого соотношения - 3:2. Как снижение, так и увеличение этого соотношения сопровождается возрастанием пиковых значений ускорений, повышением динамических нагрузок.
3. Для анализа и выбора параметров системы приводного устройства возвратного движения заготовки в рабочую клеть разработаны динамическая модель и программа расчета кинематических и силовых характеристик движения с учетом конструктивных особенностей вновь предложенного устройства тормозной системы. Полученный алгоритм решения может быть применен для аналогичных устройств, включающих последовательное дросселирующее воздействие на поток тормозной жидкости вдоль тормозной буксы.
4. Конечное значение скорости разгона, являясь начальной скоростью тормозного участка, существенно влияет на закономерность изменения скорости замедленного движения. Получена зависимость законов изменения скорости заготовки от устанавливаемых значений исходного избыточного давления в пневматической камере разгона, позволяющая определить минимально допустимое ее конечное значение.
5. По результатам натурного эксперимента на действующем подающем аппарате фирмы SMS MEER пилигримового стана №1 получены сравнительные оценки влияния постоянных и переменных параметров на нагруженность форголлера и закон движения заготовки, подтвердившие расчетные результаты по предложенной программе с отклонением, не превышающим 15%.
6. Разработан комплекс конструктивных усовершенствований и технической документации, принятой к внедрению:
- тормозная гидравлическая камера [45], [46], обеспечивающая снижение динамических нагрузок.
- установка механизма ограничения подачи [47] для обеспечения строго дозированного хода каретки 15-20 мм за один цикл прокатки форголлера.
- установка дополнительных гидроцилиндров [48] для обеспечения съема заготовки с оправки;
Перспективы дальнейшей разработки темы.
К перспективным разработкам темы следует отнести дальнейшее исследование динамического поведения форголлера, исходя из заданных условий прокатки, результатов натурных испытаний предложенных устройств его модернизации и оптимизации целевой функции минимакса ускорений в период возврата гильзы в зону деформации в широком диапазоне подвижных масс.
2. Основным объектом исследования является закон движения исполнительного органа подающего аппарата на длину конуса деформации (1300 - 1400 мм) в течение каждого цикла обжатия с частотой возвратно-поступательного движения не менее 30 циклов/мин. При этом выбор рационального закона движения наиболее напряженного периода возвратного перемещения штока пневмогидравлической системы движителя , несущего на конце дорн с насаженной на него прокатываемой гильзой большой массы (до 1 4 т), при общей продолжительности возвратного движения не более 0,5 с, достигается определением оптимального соотношения времен разгона и торможения, доставляющего минимум максимальных значений периодических ускорений при затормаживании движения. Установленное значение этого соотношения - 3:2. Как снижение, так и увеличение этого соотношения сопровождается возрастанием пиковых значений ускорений, повышением динамических нагрузок.
3. Для анализа и выбора параметров системы приводного устройства возвратного движения заготовки в рабочую клеть разработаны динамическая модель и программа расчета кинематических и силовых характеристик движения с учетом конструктивных особенностей вновь предложенного устройства тормозной системы. Полученный алгоритм решения может быть применен для аналогичных устройств, включающих последовательное дросселирующее воздействие на поток тормозной жидкости вдоль тормозной буксы.
4. Конечное значение скорости разгона, являясь начальной скоростью тормозного участка, существенно влияет на закономерность изменения скорости замедленного движения. Получена зависимость законов изменения скорости заготовки от устанавливаемых значений исходного избыточного давления в пневматической камере разгона, позволяющая определить минимально допустимое ее конечное значение.
5. По результатам натурного эксперимента на действующем подающем аппарате фирмы SMS MEER пилигримового стана №1 получены сравнительные оценки влияния постоянных и переменных параметров на нагруженность форголлера и закон движения заготовки, подтвердившие расчетные результаты по предложенной программе с отклонением, не превышающим 15%.
6. Разработан комплекс конструктивных усовершенствований и технической документации, принятой к внедрению:
- тормозная гидравлическая камера [45], [46], обеспечивающая снижение динамических нагрузок.
- установка механизма ограничения подачи [47] для обеспечения строго дозированного хода каретки 15-20 мм за один цикл прокатки форголлера.
- установка дополнительных гидроцилиндров [48] для обеспечения съема заготовки с оправки;
Перспективы дальнейшей разработки темы.
К перспективным разработкам темы следует отнести дальнейшее исследование динамического поведения форголлера, исходя из заданных условий прокатки, результатов натурных испытаний предложенных устройств его модернизации и оптимизации целевой функции минимакса ускорений в период возврата гильзы в зону деформации в широком диапазоне подвижных масс.