Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ состояния предмета исследования 9
1.1 Анализ существующих и определение наиболее эффективной технологии производства прецизионных стальных труб с высоким качеством внутренней поверхности 9
1.2 Анализ особенностей работы волочильных станов 20
1.3 Анализ вопросов использования технологических смазок при волочении труб 26
1.4 Задачи и направления исследований снижения динамической напряженности работы оборудования и повышения качества труб 29
Глава 2 Теоретическое исследование динамического режима оборудования для волочения труб и условий формирования качества поверхности 31
2.1 Динамические модели волочильного стана при продольных колебаниях 31
2.1.1 Этап разгона 31
2.1.2 Установившееся движение 42
2.1.3 Период сброса нагрузки - период торможения 44
2.2 Динамическая модель волочильного стана при поперечных колебаниях 45
2.3 Математическое исследование влияния вида смазки на величину колебательного перемещения 48
2.4 Исследование кинематических параметров работы станов 60
2.5 Теоретические исследования энергосиловых условий формирования качества поверхности труб 62
2.6 Исследование тепловых условий работы инструмента и технологической смазки 74
2.7 Схема расчета работоспособности деталей трубоволочильного стана 79
Глава 3 Экспериментальные исследования работоспособности смазочных материалов, трубоволочильного оборудования и инструмента 81
3.1 Анализ способов и результатов исследования качества смазочных материалов и труб, работоспособности трубоволочильного оборудования и инструмента 81
3.1.1 Исследование смазок в лабораторных условиях 81
3.1.1.1 Мониторинг физико-химических свойств 81
3.1.1.2 Разработка и применение лабораторной установки оценки эффективности технологических смазок для волочения 83
3.1.1.3 Разработка устройства и способа измерения ЭДС для определения качества технологической смазки и поверхности труб 89
3.1.2 Способы исследования качества смазок и параметров работы оборудования в промышленных условиях 93
3.1.2.1 Разработка способа определения качества технологической смазки и поверхности труб по акустическим параметрам 93
3.1.2.2 Исследование силовых параметров работы оборудования 101
3.1.2.3 Разработка способа измерения давления волочения по замерам электрического сопротивления между трубой и волокой 101
3.1.2.4 Разработка способа измерения давления волочения по учету мощности электродвигателя 105
3.2 Экспериментальные исследования динамических параметров и напряженности трубоволочильных станов 106
3.3 Исследование кинематических и тепловых параметров работы оборудования 113
Глава 4 Промышленные исследования и внедрение технологических смазок и инструмента для оптимизации динамической напряжённости работы трубоволочильных станов 118
4.1 Анализ производства холодно деформированных труб на ОАО МТЗ Филит 118
4.1.1 Волочильные станы и оборудование для нанесения ТС 118
4.1.2 Внедрение и промышленное исследование твердых смазок 120
4.1.3 Внедрение и промышленное исследование жидких смазок 124
4.2 Исследование влияния видов смазок на качество поверхности труб приволочений 134
4.3 Исследование и внедрение усовершенствования инструмента и оборудования трубоволочильных станов 143
4.3.1 Устройство для подачи смазки при безоправочном волочении 143
4.3.2 Оправка для волочения труб на жидкой смазке 145
4.3.3 Способ калибровки грата 147
4.3.4 Технологический инструмент для волочения труб 149
Выводы 151
Литература 153
Приложения 161
- Анализ особенностей работы волочильных станов
- Математическое исследование влияния вида смазки на величину колебательного перемещения
- Экспериментальные исследования динамических параметров и напряженности трубоволочильных станов
- Исследование влияния видов смазок на качество поверхности труб приволочений
Введение к работе
Необходимым элементом развития отечественной промышленности является увеличение производства высококачественных труб. В первую очередь это относится к холоднодеформированным волоченым и катанным трубам, которые изготавливаются с такими заданными характеристиками, как поперечная и продольная разностенность, точность по внутреннему диаметру, овальности, толщине стенки и высокое качество поверхности, в том числе низкая величина шероховатости.
Преимуществом данных труб по сравнению с горячедеформированны-ми является отсутствие спиральной (винтовой) и продольной разностенно-сти, высокое исходное качество поверхности и сравнительно малая толщина стенок, позволяющие увеличить разовые деформации и сократить маршруты производства [1,2].
В связи с развитием техники потребность в холоднодеформированных, особенно в волоченых, трубах постоянно возрастает. Увеличение выпуска труб и повышение требований к ним на современном этапе вызывают более напряженную работу волочильных станов, привода и инструмента, ставит задачу изучения их режима работы, технологических параметров и работоспособности.
Работоспособность элементов высокопроизводительного оборудования на предприятии непосредственно зависит от использования технологических средств (ТС) и, в первую очередь, смазок. Вопрос влияния смазок на чистоту и качество поверхности трубы, стабильность работы оборудования, расход инструмента и энергоресурсов до настоящего времени остается нерешенным.
Опыт работы ОАО «Московский трубный завод «Филит» и других трубных заводов показал, что для увеличения выпуска труб необходимо повышение эффективности их производства путем дальнейшего совершенствования оборудования и технологических средств и обработки труб в соответствии с новыми техническими задачами.
Для этого необходимо уточнить ряд устоявшихся теоретических положений. Требуется новый подход к выбору технологической смазки, методов ее подачи к очагу деформации, снижению или исключению химической обработки заготовки, а также поиск или разработка активных средств контроля за стабильностью производства качественных труб и уменьшения динамической напряженности самого оборудования и инструмента.
Появление новых классов технологических смазок делает необходимым условием опытно-промышленную проверку результатов лабораторных исследований и разработку новых методов определения их эффективности при волочении труб из разных материалов.
Проведение достоверной оценки уровней динамических нагрузок и изыскание путей их снижения является актуальным при изучении процесса деформации, в связи со значительной зависимостью прочности и долговечности станов от величин действующих на них нагрузок.
Вопросам теории и практики волочения труб посвящены работы известных ученых: Ерманка М.З., Иванченко Ф.К., Коликова А.Д., Колмогорова В.Л., Кобелева А.Г, Королева А.А., Кохана Л.С., Красношапки В.Л., Осад-чего В.Я., Паршина B.C., Перлина И.Л, Перцикова З.И., Полухина П.И., Потапова И.Н., Савина Г.А., Сейдалиева Ф.С., Уральского В.И, Шапиро В.Я., Юховца И.А.; вопросам динамики и механики оборудования посвящены работы: Кожевникова С.Н., Скачко П.Я., Большакова В.И., Коловского М.З., Левитского Н.И., Григорьева Н.В. и других ученых; вопросы использования технологических средств рассмотрены в работах: Белосевича В.К., А.П.Грудева, Зильберга Ю.В, Исаченкова Е.И., И.М.Калашникова, Чертав-ских А.К.
Анализ современной теории и технологии волочения показал, для дальнейшего совершенствования данного технологического процесса и получения труб с высоким качеством поверхности должен быть решен ряд научных и практических вопросов. Комплексное решение вопросов, связанных с оптимизацией диссипативных составляющих, разработки и внедрения но-
вых технологических средств и технологий обработки заготовки, увеличивающих разовые деформации и оптимизирующих маршруты производства, совершенствования оборудования для деформации труб и подачи на них смазок является чрезвычайно актуальным. Работа выполнена на кафедре обработки металлов давлением Московского государственного металлургического вечернего института.
В работе решались следующие задачи:
- определение наиболее перспективной технологии производства
стальных труб с высоким качеством поверхности;
создание динамической модели трубоволочильного стана;
проведение теоретических исследований динамического режима работы оборудования для волочения труб и условий формирования качества поверхности;
проведение экспериментальных исследований работоспособности трубоволочильного оборудования, инструмента и смазочных материалов;
определение технологических параметров, обеспечивающих устойчивый процесс короткооправочного и безоправочного волочения и получение необходимого качества поверхности труб;
разработка методики снижения динамических нагрузок в оборудовании и инструменте;
разработка новых методик, позволяющих оценить технологические свойства смазок и их влияние на процесс волочения, динамическую напряженность оборудования и качество поверхности труб;
исследование и разработка смазок для холодной деформации труб в лабораторных и промышленных условиях с выдачей рекомендаций для их применения в производстве;
внедрение новых видов смазок в промышленность;
освоение промышленной технологии производства труб с заданным качеством поверхности.
Настоящая диссертационная работа посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям, разработке и внедрению новых технологических средств и технологий обработки заготовки, совершенствованию оборудования для деформации труб и подачи на них смазок с целью повышения надежности и долговечности работы трубоволочильного оборудования на основе снижения динамической напряженности работы стана и улучшения качественных показателей волоченых труб.
Анализ особенностей работы волочильных станов
Теоретическому и экспериментальному исследованию влияния различных факторов на качество работы трубоволочильного оборудования и устойчивость процесса посвящена обширная литература. В 1979 г. Чернавским П.М. и Локтевым В.И. [28] рассматриваются общие задачи влияния технологической смазки на устойчивость, без срывов и скачков, работы оборудования. Исследованию динамики металлургических машин посвящены работы Ф.К. Иванченко и В.А Красношапки [29], Кожевникова С.Н. [30], Скачко П.Я., Большакова В.И. [31], Бидермана В.П. [32], Тимошенко СП. [33]. Необходимо отметить работы Григорьева Н.В. [34], Коловского М.З. [35], Ле-витского Н.И. [36], Шапиро В.Я., Уральского В.И. [37] и ряд других работ, направленных на изучение влияния технологического режима на стабильность работы оборудования.
В указанных работах рассматриваются модели расчета динамических колебаний металлургического оборудования и проводится анализ усиления статической нагрузки в системе. Ими было показано, что уменьшение динамической нагрузки обеспечивается надлежащим конструированием узлов и механизмов и подбором технологической смазки. Так, в трубоволочильном процессе смазочные средства выполняют несколько функций, основная из которых - значительное уменьшение технологической нагрузки.
В этой связи для количественной оценки снижения уровня колебаний были предложены качественные оценки: логарифмический декремент А- и относительное рассеивание энергии ці.
По данным Иванченко Ф.К. и Кривошапки В.А. [29] коэффициент рассеивания \у зависит от рассеивания энергии (примерно 0,005-0,3), от соударений на стыках(0,025-0,18), потерь в подшипниках (0,2-0,6) и др.
Величина у определяет логарифмический декремент Х{\ Отношение площади сечения трубы к площади ее наружного сечения также играет значительную роль в процессе волочения. Например, для труб диаметром 71мм и толщиной стенки Змм указанное соотношение имеет величину 7,64%. Для труб размером 71x1,6мм соотношение имеет величину 4,26%. Такое резкое уменьшение живого сечения требует соответствующего уменьшения рабочих нагрузок. Для расчета нагрузок используются формулы А.Л. Королева Л.А. и Кохана Л.С [38], Перлина И.Л. [19], Потапова И.И. [39], Шапиро В.Л. и Уральского В.И. [37], Шевакина Ю.Ф. [40] и других авторов.
Во всех перечисленных работах относительное напряжение волочения Кв в долях от сопротивления пластической деформации ат составляет следующие величины по формулам Королева А.А.: d„ - наружный диаметр трубы.
Исследуем влияние смазки на величину относительного напряжения волочения Кв. По приведенным выше формулам рассчитаны давление волочения при наименьшем коэффициенте трения ц=0,07 (режим жидкостного или полу жидкостного трения) и наибольшем значении и.«0,2 (режим сухого трения). Результаты расчетов приведены в таблицах 1.1 и 1.2.
Анализ показывает, что снижение в 2,86 раза коэффициента трения р. при вытяжках Х=\,\ и А,=1,3 снижает давление волочения Кв соответственно в 1,36 и 1,47 раза при безоправочном волочении и соответственно в 1,58 и 1,46 раза при короткооправочном волочении.
Другим не менее важным аспектом снижения напряженности работы стана является уменьшение уровня динамических нагрузок. В этом направлении значительные исследования посвящены влиянию технологической смазки на динамический режим машин. Существенный вклад в этом направлении внесли работы Н.В. Григорьева [34], Иванченко Ф.К. и Красношапки В.А.[29], Кожевникова С.Н. [30], В.Л. Колмогорова [26,41], Кохана Л.С. [38], Полухина П.Щ42], Тимошенко СП.[33], Целикова А.И. [43], Шапиро В.Я. и Уральского В.И. [37], П.М. Чернавского и В.И. Локтева [28], ряда других ученых.
В большинстве из указанных работ рассмотрены много массовые колебательные модели, элементами которых являются инерционная массовая нагрузка т-х, упругая восстанавливающая нагрузка С-х, зависящая от жесткости системы С и отклонения от исходного положения х, и «смягчающая» дис сипативная нагрузка кх, определяемая вязкостью смазки при скорости х.
Как показано в исследованиях Шапиро В.Я., Уральского В.И. диссипа-тивное усилие является определяющим фактором для стабильности работы трубоволочильного стана и повышения качества труб. Одним из источников диссипации энергии при трении в процессе деформации является работа, затрачиваемая на формирование и разрушение молекулярных связей, образующихся в точках касания поверхностей, скользящих в процессе движения трубы [38].
Математическое исследование влияния вида смазки на величину колебательного перемещения
Анализ волочения на короткой оправке также показывает на прямую пропорциональность давления волочения от коэффициента трения /л.
При этом анализ показывает, что при волочении на короткой оправке величина давления по сравнению с безоправочным волочением увеличивается значительнее. Так, при максимальном коэффициенте трения 0,1 и вытяжке Дв=1,3 при безоправочном волочении необходимо давление 0,35ат, на короткой оправке давление возрастает до 0,47сгт или увеличивается на 34%. Для вытяжки Лв=1,1 и при коэффициенте трения /Н3,1 давление при безоправочном волочении составляет 0,131ат, при короткооправочном 0,182 ат или возрастает на 38,9%.
В таблице 2.6 приведены параметры труб, выпускаемых заводом «Фи-лит», использованные для расчета напряжений G\ .
Анализ диаграмм работы станов (рис. 2.14, 2.15) показывает, что с большой степенью точности в пределах общей выработки 40...60 тыс.м труб волочение осуществляется с постоянным темпом привода трубоволочильных станов. В этом случае, как показывают наши исследования, рост линейной скорости волочильной тележки проводится примерно с постоянными ускорениями а0 при разгоне и при торможении тележки ас.
В процессе экспериментальных промышленных исследований проведено определение оптимальной скорости волочения, обеспечивающей высокое качество и производительность стана.
Расчет оптимальной скорости волочения произведен во время разгона (tp), установившегося движении (tycm) и при торможении (tm).
Анализ таблицы показывает, что повышение скорости стана до оптимальной позволяет на 20-45% уменьшить время цикла, а следовательно, повысить его производительность. С другой стороны, ранее определено, что превышение скорости волочения больше испытанной на заводе приводит к значительному ухудшению качества труб за счет появления рисок на поверхности трубы. На рис. 2.16 показана связь количества рисок на поверхности труб, выпускаемых заводом «Филит», и скорости волочения.
Анализ графика выпуска продукции указывает на возможность установления средней выработки качественной продукции на станах по появлению следов задиров, рисок на внутренней и внешней поверхности труб. На стане 125 кН риски появляются на поверхности труб после 12 суток работы нового инструмента при выпуске труб размером 38,5x1,5, 25x1,5 при средней скорости волочения 36ч-40 м/мин (0,6-0,67 м/с). Общий метраж выпуск труб требуемого качества составил 57,6 тыс.м (70 тн). После данной выработки на трубах появились риски и задиры, что стало причиной смены инструмента.
Средняя выработка комплекта инструмента при использовании ранее использовавшейся смазки труб марки МГ-10 составляла 3 суток. Линейный характер графика 2.11 подтверждает зависимость hp от работы трения.
Другим подтверждением того, что глубина рисок определяется работой трения при деформации, являются экспериментальные зависимости глубины рисок от скорости волочения, полученные на волочильных станах усилием 320 кН и 125 кН в производственных условиях (рис. 2.12) при различных концентрациях мыла. Графики имеют линейный характер и подтверждают наши теоретические предположения. На графике скорость указана в единицах приборов, встроенных в панель управления стана.
Экспериментальные исследования динамических параметров и напряженности трубоволочильных станов
Как отмечалось выше, непосредственные замеры роста динамических параметров трубоволочильных станов проводились осциллографированием токовой нагрузки привода разгона тележки. Типовая осциллограмма токовой нагрузки приведена на рис. 3.10 для волочения труб 55x2,6, изготовленных из стали 09Г2С на стане усилием 320 кН с использованием технологического стеаратного мыла.
В таблице 3.12 приведены значения максимальной, средней и ударной токовой нагрузки и время этапов при разной концентрации и марках мыла. По экспериментальным результатам проведен расчет коэффициентов динамичности с использованием формулы С другой стороны тот же коэффициент динамичности был установлен из кинематических урав Ниже в табл. 3.13 приведены экспериментальные значения коэффициента динамичности. Анализ приведенных данных по коэффициенту динамичности показывает на совпадение величин динамичности по силовым и кинетическим параметрам. В целом коэффициент динамичности по силовому нагружению трубоволочильных станов составляет Кд 1,02... 1,15. Другим видом напряженного состояния является размах амплитуд колебаний, определенный по формулам, выведенным в Главе 1: XK=Asm p. Для трубы 55x2,6 величина амплитуды A-lpl а = 0,26мм подтверждает указанную формулу амплитуды колебания трубы. Максимальное колебание Хк за полный период составляет 0,52 мм.
В этом случае коэффициент динамичности возможного смещения металла трубы после ее выхода из волоки составляет 2. Таким образом, силовая напряженность деталей трубоволочильных станов сочетается с довольно сложным движением самой волочимой трубы, приводя к рискам на ее поверхности. Поэтому особое внимание при анализе колебательного контура трубоволочильного стана должно уделяться более глубокому анализу пара п метров диссипативной системы согласно уравнению 2.37, где 2к = — и По различным источникам величина рассеивания колебательной энергии \/ = Атгсок)J32 оценивается с широким различием величин в зависимости от у. Так, в соответствии с формулами Чернявского П.М., Локтева В.И. [28] \/ = 1-е 2г, Иванченко Ф.К. и Красношапки В.А. [29]: \j/ = 2/, Писаренко Т.С. [68]: \\f = er -e r =2shy. Наконец, Левина З.М., Решетов Д.Н. [69] предлагают оценивать рас сеивание по формуле \/ = 2 —. Расчеты показывают, что собственная частота колебаний привода трубоволочильного стана р 1000 1/с и немного выше вынужденной частоты к. Поэтому параметр рассеивания у «2жк/J3 = 2кк , где к = — - отношение частоты вынужденных колебаний к собственным колебаниям. При этом вынужденная частота пропорциональна скорости привода передвижения воло 950 ко. -1 П П 15 83 П1 чильнои тележки
Исследование влияния видов смазок на качество поверхности труб приволочений
Исследование влияния состава смазок на качество поверхности труб проводилось при короткооправочном волочении заводского сортамента труб (табл. 4.9), при внедрении твердых смазок Стеарлюбе с варьированием марок и концентрации мыльных растворов при температуре 65-75С.
Таблица 4.9 показывает, что трубы сортамента автомобильной продукции с внутренними диаметрами 38,5 и толщиной стенки 1,5, 42 и 1,5, 47 и 2,5, соответственно, выпускаются из трубной заготовки разных размеров с разными коэффициентами вытяжки, что вызвано перебоями в снабжении завода листовым прокатом фиксированных геометрических размеров.
При обрезке концов готовых волоченых труб отбирались образцы длиной 180 мм для проведения механических испытаний и оценки поверхности. Поверхность труб, также как и при экспериментальных исследованиях, оценивалось глубиной рисок hcp и количеством рисок z в нормированной выборке из труб. При этом следует отметить, что по существующим нормам бра ковка труб происходит в случае, когда глубина рисок hcp становится больше половины допуска на толщину ds hP 0,5 ds.
Ниже в табл. 4.10 приведены средние результаты замеров исследуемых параметров в зависимости от концентрации мыла, С, % и скорости волочения.
Из таблицы 4.10 и рис. 4.11 и 4.12 видно, что с увеличением концентрации от 2,5 до 4% глубина рисок hp вначале падает, а затем вновь начинает расти.
Сравнение результатов промышленных наблюдений с данными экспериментов по изменению коэффициента трения /и от концентрации мыла (рис. 3.12-3.12) показывает тот же спад величин коэффициентов трения при концентрации мыл в диапазоне 3-6%. Аналогичная зависимость прослеживается при исследовании других энергосиловых параметров. Например, на рис. 3.11 - при оценке зависимости диссипативных показателей смазки от концентрации мыла и на рис. 3.12 - при установлении зависимости коэффициента динамичности усилия от концентрации технологической смазки (глава 3).
На всех графиках можно выявить деление смазочных свойств на три зоны - от концентрации 1 до 3%, когда увеличение мыла незначительно увеличивает его смазочный эффект. В этом диапазоне нет насыщения жидкости мылом. Вторая зона - концентрации от 3 до 6%, когда насыщение мылом стабилизирует исследуемые параметры. И, наконец, концентрация от 6% и выше переводит к росту коэффициента трения и энергосиловых параметров: коэффициента динамичности, расхода работы, повышению глубины рисок и их числа.
Похожие диссертации на Совершенствование оборудования, инструмента и технологических средств для волочения высококачественных прямошовных труб
