Введение к работе
Диссертационная работа является обобщением результатов
многолетней научной и практической деятельности автора в области
оборудования и процессов периодической прокатки, включая
плане гарную прокатку и холодную прокатку труб.
Актуальность работы. Большие значения периодических обжатий (до 85% за цикл), минимальная технологическая цикличность получения готовой прокатной продукции и высокие ее качественные показатели определяют важное место станов периодической прокатки в общем металлургическом процессе. Станы такого типа представляют сложный технологический агрегат с согласованной кинематикой нескольких исполнительных механизмов. Определяющими ограничениями их быстродействия и производительности являются динамические нагрузки, обусловленные малой продолжительностью цикла при значительных перемещениях исполнительных звеньев с прерывистым законом движения; активное взаимное влияние фактических отклонений от номинальных условий нестационарного процесса нагружения основных устройств: главного привода, клети, распределительно-подающего механизма; опережающий характер ужесточения режимов прокатки по отношению к развитию конструкций станов. Актуальная проблема многократного повышения надежности определяет необходимость научно обоснованного поиска и разработки принципиально новых схемных и конструкторских решений , расчетных методик учета фактических законов движения исполнительных звеньев и производственных условий деформации прокатываемых изделий, активных путей управления формированием внешних (технологических) и внутренних нагрузок, методологии создания машин, соответствующих перспективным задачам развития интенсивных технологий обработки давлением.
Цель работы. Решение научно-технической проблемы создания нового поколения станов периодической, в том числе - трубной прокатки с высокими показателями надежности и быстродействия, обеспечивающих коренное улучшение качества и геометрической точности прокатываемых изделий; разработка, создание расчетных основ и широкая промышленная апробация базовых прогрессивных многопоточных планетарных и
планетарно-гипоциклоидных механизмов в условиях действующего производства; разработка основных положений комплексного анализа работоспособности сложного замкнутого технологического агрегата циклического действия.
Научная новизна работы. Для комплексной оценки нагруженности и надежности существующего и вновь создаваемого оборудования предложена обобщенная замкнутая модель силовых потоков сложного технологического агрегата в форме графа, включающего в качестве вершин функции трансформации нагрузки в основных элементах конструкции. Декомпозиция этих функций обеспечивает анализ зависимости их экстремальных значений от быстроходности и основной (внешней) нагрузки при решении задач параметрического регулирования силовых потоков, в частности, при выборе параметров уравновешивания.
В качестве обобщенной характеристики технологических нагрузок при проектировании и реконструкции машинных агрегатов универсального назначения предложено использовать параметры их законов распределения по частоте нагружения на базе представительной выборки в соответствии с портфелем заказов и достигнутыми технологическими характеристиками, конкретизированными для отдельных типоразмеров станов в форме гистограмм.
На основании понятия единичной ширины мгновенного очага деформации в плоскости главной нормали разработана приоритетная универсальная модель формообразования границ взаимодействия металла с прокатным инструментом при периодической прокатке как в гладких, так и в ручьевых валках. С использованием методов дифференциальной геометрии получены расчетные зависимости, определяющие влияние параметров циклической кантовки на поперечную разнотолщинность и боковые границы очага деформации станов холодной прокатки труб.
Решена серия задач о взаимном влиянии динамических процессов в сложном технологическом агрегате периодической прокатки с учетом деформативности систем, объединяющих прокатываемым изделием линии задающего устройства и рабочей клети.
В результате анализа особенностей нагружения механизмов главного привода станов с возвратно-поступательным движением исполнительных
органов (рабочих клетей станов ХПТ) разработан пакет новых конструктивных решений, в основу которых положены центральные симметричные прямильные зубчатые механизмы планетарного типа с равномерно вращающимися уравновешивающими массами. Разработаны теоретические основы расчета параметров станов периодической прокатки на основе планетарных механизмов вновь предложенного типа. Сформулирована и решена вариационная задача минимизации экстремума функции трансформации нагрузки для уравновешиваемых приводных устройств периодического действия.
На основании анализа силовых потоков при нестационарном характере их изменения предложена методика расчетного поиска конструктивных параметров рабочих клетей сложной конфигурации с использованием для исследования напряженно-деформированного состояния конечно-элементных моделей.
Для принципиально нового типа стана холодной прокатки труб с вращающейся клетью выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований по выбору рациональных структурных схем и определению области допустимых кинематических и конструктивных параметров; получено математическое описание дополнительных квази упругих связей планетарных механизмов и создана общая методика динамического анализа пространственных схем с циклическим характером внешнего нагружения сателлитпых звеньев; предложена процедура оптимального выбора параметров обобщенной схемы привода; разработан пакет новых технических решений по конструкциям вращающихся клетей повышенной жесткости, для многониточной холодной и горячей прокатки.
Реализация результатов работы и практическая ценность.
Представленные практические и конструкторские разработки реализованы при создании новых конструкций станов холодной прокатки труб АО ЭЗТМ (г. Электросталь), АО Ротор (г. Екатеринбург) и при реконструкции станов холодной прокатки труб на АО Первоуральский Новотрубный, Синарский трубный, Челябинский трубопрокатный, Чепецкий механический и Красноярский алюминиевый заводы.
В новом поколении на 10 станах холодной прокатки АО ЭЗТМ следующих типоразмеров: ХПТ 2-25-40, ХПТ 100. ХПТ 2-55, ХПТ 2-90, ХПТ 160 и ХПТ 250 при использовании технических решений, выполненных под руководством автора, реализованы механизмы подачи и поворота планетарно-гипоциклоидного типа, что позволило успешно решить задачу применения в станах ЭЗТМ технологической схемы прокатки с двойным поворотом, достичь высокой точности подачи, предопределившей повышенную точность геометрических размеров готовых труб. На АО ПНТЗ, АО СинТЗ и АО КрАМЗ под руководством и при участии автора выполнена реконструкция более 20 двухниточных и однониточных станов типоразмеров ХПТ 75-2Н, ХПТ 32-2Н, ХПТ 40 и ХПТР 15-30 валкового и роликового типа с заменой исходных механизмов подачи и поворота на устройства с планетарно-гипоциклоидным преобразователем движения. В результате безударного и безызносного характера работы звеньев только замена распределительно-подающего механизма обеспечила повышение производительности реконструированных станов на 15-20% при снижении отклонений от номинальных значений подач до 6% и увеличении наработки в 10-15 раз.
На основании технических предложений, защищенных пакетом авторских свидетельств и патентов, решена проблема создания уравновешенного бесшатунного главного приводного механизма станов ХПТ. Промышленные испытания вновь предложенного приводного механизма планетарно-гипоциклоидного типа на стане ХПТР 15-30 с валковой клетыо показали двукратное снижение энергозатрат, повышенную плавность хода клети, значительное снижение динамических нагрузок при увеличении быстроходности стана на 20%. С приводом такого типа на АО ЭЗТМ изготовлены 2 стана ХПТ 2-55 и по одному стану на экспорт ХПТ 160 и ХПТ 250, установленных в КНР. По заключению завода-изготовителя новый привод обеспечил высокую степень уравновешивания динамических нагрузок, что позволило снизить энергозатраты и повысить быстроходность станов.
Статистическая оценка усилий прокатки на 80 станах ХПТ 32,55,75 и 90 послужила теоретической базой обоснования годовой потребности АО ПНТЗ в валковых подшипниках , выбора допустимых маршрутов
прокатки, совершенствования валковых опор и изменения конструкций рабочих клетей. Методика определения усилий прокатки с учетом выявленной асимметрии нагружения валковых опор использована при их реконструкции. В результате использования вновь предложенных комбинированных валковых опор на станах ХПТ 32,55 и 75 в 5-ти цехах АО ПНТЗ и АО СинТЗ существенно снижена неравномерность нагружения тел качения валковых подшипников и в 2-4 раза увеличен период их безотказной работы, на базе анализа особенностей работы высокоотказиых дорогостоящих крупногабаритных подшипников качения станов ХПТ 250 АО ЧТПЗ начата реконструкция валковых систем с комплектацией их промежуточными опорными валками.
По результатам исследования напряженно-деформированного состояния усовершенствованы конструкции подвижных станин двух и четырёх-валковых станов ХПТ 55, исключающие недопустимую концентрацию напряжений в узловых зонах; предложен новый тип многослойных замкнутых конструкций подвижных станин станов ХПТ с существенно повышенной усталостной прочностью.
Выполнен комплекс испытаний вновь предложенного типа
вращающейся клети с планетарным приводом на двух станах типоразмера
ХПТВ-25 с увеличенными частотой обжатий до 170 мин ' и
производительностью- до 200 м/ час, подтвердившие возможность
высокопроизводительною получения стальных тонкостенных труб
высокого качества, снижения шума во всем диапазоне частот на 3-5 дБ,
снижения значений коэффициентов динамичности. Прокатанные трубы
прошли полный цикл последующей обработки, были приняты ОТК без
брака и отправлены по заказам. На АО ПНТЗ выполнена также прокатка
труб на стане ХПТР 15-30 с двулія последовательно расположенными
вращающейся валковой и роликовой клетями,объединенных общим
приводом. В результате, прокатаны 13500 м тонкостенных труб
повышенной точности при линейном смещении 25-30 мм/цикл, что
соответствует утроенной производительности существующих роликовых
станов при сохранении достигнутой на них высокой точности размеров
прокатываемых труб. По заданиям пяти предприятий различных
отраслей и головного института ВНИИМЕТМАШ центральным и
Уральским ГИПРОМЕЗами разработаны Технические задания на изготовление оборудования станов холодной прокатки труб с вращающейся клетью на основании пакета авторских предложений.
Апробация работы. Материалы доложены и обсуждены в 25
докладах на международных, всесоюзных и межотраслевых
конференциях. В том числе: Межгосударственная научно-техническая конференция "Проблемы развития металлургии Урала на рубеже XXI века" Магнитогорск, 1996; I Научно-техническая конференция РУО АИН РФ "Наука и образование XXI веку". Екатеринбург, 1995; VII Международная конференция "История и будущее бесшовных стальных труб", ЧССР, Карловы Вары, 1990; Международная конференция "TUBE'89 - Singapore". Сингапур, 1989; Всесоюзная научно-техническая конференция " Новые технологические процессы прокатки, как средство интенсификации производства и повышения качества продукции". Челябинск, 1989; II Всесоюзная конференция по расчетам на прочность металлургических машин. Москва, 1985; Второй всесоюзный съезд по теории машин и механизмов. Одесса, 1982; "Новые технологические процессы и оборудование прокатного производства - средство повышения качества и экономии металла". Челябинск, 1980; Международный симпозиум по динамике тяжелых машин горной и металлургической промышленности. Донецк, 1974; II Всесоюзная конференция по прочности металлургических машин. Жданов, 1969; I Всесоюзная конференция "Технология и средства производства заготовок" Свердловск, 1983.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 112 работ, из них 2 книги, 50 статей, 11 тезисов докладов на Всесоюзных и международных конференциях, 49 авторских свидетельств и патентов.
Структура диссертации. Работа состоит из введения, 8 глав и заключения, изложенных на 215 страницах машинописного текста. Приложение к диссертации представлено отдельным томом, в котором приведены расчеты экономической эффективности, акты внедрения, испытаний, протоколы технических совещаний. Графический материал в диссертации представлен 85 рисунками. Список использованных источников содержит 145 наименования.