Актуальность работы. Трубоэлектросварочные агрегаты труб большого диаметра предназначены для производства широкого ассортимента прямошовных труб для трубопроводного транспорта. Отличительной особенностью таких агрегатов является поэтапная формовка заготовки с последующей сваркой и отделкой готовой трубы. Одним из наиболее производительных методов изготовления трубной заготовки под сварку является иОЕ-процесс, предварительная формовка при котором в значительной мере определяет окончательное качество готовых труб. Постоянно возрастающие требования повышения класса прочности материала труб и увеличения толщины стенки сопровождаются при их производстве необходимостью расширения технологических возможностей оборудования и поиска новых путей управления процессом деформации на базе новых знаний. Этим определяется актуальность теоретических и экспериментальных исследований особенностей процесса и возможностей основного оборудования в изменяющихся условиях производства на существующем оборудовании.
Целью работы является повышение качества формуемых труб большого диаметра, сокращение парка технологического инструмента, снижение нагрузок на оборудование путем исследования процесса предварительной формовки труб большого диаметра и разработки нового технологического инструмента с переменной и настраиваемой геометрией.
При этом были поставлены и решены следующие задачи.
1. Разработка математической модели расчета кинематики многозвенного кулисного механизма с изменяющейся структурой и с промежуточным упругопластичным звеном переменной длины. Определение параметров настройки инструмента, обеспечивающих рациональное значение установочных настраиваемых размеров.
2. Разработка способа двухрадиусной формовки, расширяющей возможности реализации влияния параметров настройки оборудования и инструмента на конечную форму труб, получаемых на прессе предварительной формовки с механизмом кулисного типа.
3. Выполнение анализа нагрузок, действующих на технологический инструмент, при формовке пуансонами различных типов.
4. Разработка рекомендаций по конструкции пуансонов, обеспечивающих повышение качества труб и повышение надежности и работоспособности оборудования прессов.
Научная новизна работы.
1. Разработана оригинальная математическая модель расчета кинематики многозвенного кулисного механизма с изменяющейся структурой и с промежуточным упругопластичным звеном переменной длины. Определены параметры настройки инструмента, обеспечивающие рациональное значение установочных настраиваемых размеров.
2. Предложен способ двухрадиусной формовки, расширяющий возможности реализации влияния параметров настройки оборудования и инструмента на конечную форму труб, получаемых на прессе предварительной формовки с механизмом кулисного типа.
3. Получены зависимости, определяющие величину хорды пружинения. Разработан программный комплекс, позволяющий в диалоговом режиме выполнять многовариантные расчеты пружинения формуемой заготовки.
4. На базе разработанной методики на специально спроектированном и изготовленном лабораторном аналоге пресса предварительной формовки. выполнена видеорегистрация кинематических характеристик относительного положения технологического инструмента и заготовки совмещенная с компьютерной записью перемещения пуансона и тензометрической регистрацией нагрузок.
Теоретическая и практическая значимость. Результаты, полученные в данной работе, дополняют имеющиеся теоретические основы процесса гибки. Разработана оригинальная математическая модель кинематики формуемой заготовки и формующего инструмента с различной геометрией: с постоянной кривизной профиля пуансона и с переменной настраиваемой кривизной. На основе выполненных теоретических исследований предложен инструмент, защищенный патентом РФ на полезную модель № 124600. С учетом выполненных исследований получены и переданы на трубопрокатный завод техническая документация и рекомендации по настройке и совершенствованию конструкции технологического инструмента. Новая конструкция пуансона с переменной геометрией позволяет управлять пружинением формуемой заготовки и, следовательно, качеством труб, а также обеспечивает снижение нагрузки на оборудование. Предложенная конструкция сборного инструмента принята к внедрению в цехе №6 ОАО «ЧТПЗ». Акт об использовании результатов работы представлен в приложении к диссертации.
Степень достоверности результатов. Достоверность результатов обеспечена применением классических методов теории механизмов и машин, аналитических методов кинематического и силового анализа механизмов, применением таких физических методов исследования, как тензометрия. При экспериментальном исследовании использовался метод подобия для перенесения результатов лабораторного физического эксперимента на производственный промышленный стан. Достоверность подтверждается также удовлетворительной сходимостью результатов математического моделирования с экспериментальными данными, полученными в лабораторных условия.
Положения, выносимые на защиту
1. Математическая модель связной кинематики относительного поведения заготовки и формующего инструмента с различной геометрией: с постоянной кривизной профиля пуансона и с переменной настраиваемой кривизной.
2. Математическая модель расчета хорды пружинения с учетом упругопластического поворота участков деформируемой заготовки, не контактирующих с пуансоном.
3. Особенности контактного нагружения инструмента для однорадиусного и двухрадиусного пуансонов.
4. Рекомендации по совершенствованию конструкции пуансона пресса предварительной формовки, защищенные патентом на полезную модель.
5. Разработка методики экспериментального исследования с использованием видеорегистрации кинематических характеристик относительного положения технологического инструмента и заготовки, совмещенной с тензометрической регистрацией нагрузок.
6. Результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния параметров настройки прессовой оснастки для получения заданных размеров и формы U-образного изделия с учетом пружинения.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на VI Международной научно-технической конференции «Проблемы исследования и проектирования машин» Пенза, 2009г; XIX Международной научно-технической конференции «Трубы-2011» Челябинск, 2010 г; XVII Уральской международной конференции молодых ученых Екатеринбург, 2010г; VI 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, 2012г; VIII International Conference «Strategy of Quality in Industry and Education» Варна, Болгария, 2012г; Международной научно-технической конференции «Современные металлические материалы и технологии» Санкт-Петербург, 2013г; VII Международной молодежной научно-практической конференции «Инновационные технологии в металлургии и машиностроении» Екатеринбург, 2014г; Международной научно-практической конференции «Развитие машиностроения, транспорта, технологических машин и оборудования в условиях рыночной экономики» Екатеринбург, 2014г.
Публикации. Результаты работы представлены в 13 публикациях, в числе которых 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, а также патент РФ на полезную модель № 124600.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на 127 страницах, содержит 13 таблиц, 82 рисунка, библиографический список из 84 наименований.
1. На основании исследования структуры сложного механизма для взаимного перемещения деформирующего инструмента предварительной прессовой формовки И-образной заготовки при производстве сварных прямошовных труб большого диаметра на базе ИОЕ-процесса впервые разработана оригинальная математическая модель и программа расчета кинематики многозвенного кулисного механизма с изменяющейся структурой и с промежуточным упруго-пластичным звеном переменной длины, позволяющая определять закон изменения координат взаимодействия трубодеформирующего инструмента с прессуемым изделием в течение всего цикла формовки пуансонами постоянной и переменной кривизны их профиля. Установлено, что цикл предварительной формовки состоит из трех фаз: гибка листа на дальних роликах неподвижных коромысел; формовка листа двумя роликами; формовка листа дальним роликом с передачей (замыканием) усилия формовки от пуансона на ближний ролик через формуемый металл. Получена связь координат взаимно подвижных элементов технологического инструмента с учетом упругопластического состояния формуемой заготовки.
2. Предложен сборный пуансон с настраиваемой геометрией профиля (Патент РФ № 124600), усовершенствованная конструкция которого дает возможность расширить диапазон настройки оборудования для управления геометрией формируемой заготовки и повышения точности ее формы и размеров.
3. Получены расчетные зависимости, разработаны математические модели и компьютерные программы расчетов, позволяющие определять максимальные значения хорды изделия с учетом поворота на угол пружинения участков заготовки, выходящих за пределы крайних линий контакта с пуансоном, а также рассчитывать распределение усилий, действующих на инструмент при кулисной формовке и пуансонах постоянной и переменной кривизны в зависимости от положения деформирующих инструментов и в функции от конструктивных параметров их настройки. Найдены зависимости, устанавливающие связь установочных настраиваемых размеров формовочного инструмента с угловым положением коромысла при заданных ограничениях, исключающих опасность выхода дальнего ролика качающегося коромысла в заключительной стадии за пределы кромки обечайки.
4. Экспериментальные исследования и сопоставление их результатов с расчетными показателями на базе созданных математических моделей ввиду больших временных и вариативных затрат выполнены на лабораторной установке, включающей вертикальный пресс усилием 1МН и оснастку, полностью масштабно имитирующую производственное оборудование. В ходе лабораторных испытаний применен вновь предложенный пуансон с изменяемой геометрией по ширине (размер ПП) и по профилю (одно и двухрадиусный). Достоверность и обоснованность полученных в диссертации результатов подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов математического моделирования с экспериментальными данными, полученными в лабораторных условия. Сравнение результатов физического и математического моделирования на базе предложенных расчетных зависимостей показали, что отличие измеренных значений хорды отличаются от расчетных не более, чем на 5%, а максимальные значения усилий, действующих на опоры коромысел и шток пуансона, находятся в доверительном интервале ± 6%.
5. Опытная проверка подтвердила расчетные значения и основные тенденции влияния варьируемых параметров на процесс формовки, включая параметры предложенного пуансона с изменяемой геометрией по ширине (размер РП) и по профилю (одно и двухрадиусный), изменение межосевого расстояния - 2е между осями вращения двуплечих коромысел, исходные размеры и механические характеристики деформируемого листа.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
