Розвиток методів розрахунку, удосконалювання технологічних режимів і конструктивних параметрів механічного устаткування листопрокатного виробництва

Размещено на http://www.allbest.ru/

Донбаська державна машинобудівна академія

УДК 621.771.01:621.771.23:621.771.237:621.777.8:621.762.047

РОЗВИТОК МЕТОДІВ РОЗРАХУНКУ, УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ РЕЖИМІВ І КОНСТРУКТИВНИХ ПАРАМЕТРІВ МЕХАНІЧНОГО УСТАТКУВАННЯ ЛИСТОПРОКАТНОГО ВИРОБНИЦТВА

Спеціальність 05.03.05

"Процеси і машини обробки тиском"

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Сатонін Олександр Володимирович

Краматорськ - 2001



Дисертація є рукописом

Робота виконана в Донбаській державній машинобудівній академії Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор, Потапкін Віктор Федорович, ректор Донбаської державної машинобудівної академії.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Бейгельзимер Яків Юхимович, Донецький фізико-технічний інститут, м. Донецьк, провідний науковий співробітник;

доктор технічних наук, професор Капланов Василь Ілліч, Приазовський державний технічний університет, м. Маріуполь, проректор по науковій праці;

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Ноговіцин Олексій Володимирович, Державний комітет промислової політики України, м. Київ, начальник управління.

Провідна установа - Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова Національної Академії наук України, відділ проблем прокатки листа, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться " 6 " вересня 2001 р. у 900 годин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.105.01 по захисту дисертацій у Донбаській державній машинобудівній академії (84313, м. Краматорськ, вул. Шкадинова, 72, 1-й навчальний корпус).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донбаської державної машинобудівної академії (84313, м. Краматорськ, вул. Шкадинова, 72, 1-й навчальний корпус)

Автореферат розісланий 4 серпня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої

Вченої ради Д 12.105.01, д.т.н., проф. І.С. Алієв



АНОТАЦІЯ

Сатонін А.В..Розвиток методів розрахунку, удосконалювання технологічних режимів і конструктивних параметрів механічного устаткування листопрокатного виробництва. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук 05.03.05. - Процеси і машини обробки тиском. _ Донбаська державна машинобудівна академія, Краматорськ, 2001р.

Дисертація присвячена розвитку методів розрахунку напружено-деформованого стану й основних показників якості, а також розробці технологічних і конструктивних рекомендацій стосовно до різних процесів листопрокатного виробництва. На основі теоретико- експериментальних методів дослідження уточнені граничні умови осередка деформації, розширені інженерні і розроблені чисельні математичні моделі процесів симетричної й асиметричної прокатки штаб з механічними властивостями, що змінюються по товщині, процесів плакування і прокатки порошкових матеріалів, процесів виправлення, згинання і профілювання. Досліджено й одержало кількісний опис впливу технологічних і конструктивних параметрів на точність результуючих геометричних характеристик і ступінь стабільності механічних властивостей. Виходячи з різних, у тому числі й узагальнених, критеріїв вирішені задачі по автоматизованому проектуванню, розроблені, досліджені й апробовані технічні рішення, спрямовані на розширення сортаменту, підвищення якості і зниження собівартості листового металопрокату різного призначення.

Ключові слова: листопрокатне виробництво, сортамент, технології, устаткування, математичне моделювання, напруження, деформації, якість, проектування, удосконалювання.



Satonin A.V. Development of the analysis techniques, improvement of process conditions and design parameters for the sheet and plate rolling mechanical equipment - Manuscript.

Thesis for Doctor's degree (Technical Sciences) competition 05.03.05. Plastic working processes and machines. - Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk, 2001.

The thesis deals with the development of the analysis technique for the stress and strain state and the main quality properties as well as with the working out of technological and design recommendations as applied to various sheet and plate rolling processes. On the basis of the theoretical and experimental methods of investigation revised were the boundary conditions for the strain center, extended the engineering and developed the numerical mathematical models for the processes of the symmetric and asymmetric rolling of strips with the thickness - varying mechanical properties, for powder materials cladding and rolling as well as straightening, bending and shaping processes. Investigated and described quantatively was the effect of the process and design parameters on the accuracy of the resultant geometric characteristics and the degree of mechanical properties consistency. Based on variable criteria including the generalized ones solved were the problems in computer-aided design, developed, studied and tested were the technical approaches aimed at extending the range of products, upgrading the products and reducing the cost of various-purpose sheets and plates.

Key words: sheet and plate rolling, range of products, technologies, equipment, mathematical modeling, stresses, strains, quality, design and improvement. математичний деформований листопрокатний штаба



Сатонин А.В. Развитие методов расчета и совершенствование технологических режимов и конструктивных параметров механического оборудования листопрокатного производства.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.03.05. - Процессы и машины обработки давлением. - Донбасская государственная машиностроительная академия, Краматорск, 2001.

Диссертация посвящена развитию методов расчета напружено- деформованого состояния и основных показателей качества, а также разработке технологических и конструктивных рекомендаций, направленных на совершенствование различных процессов листопрокатного производства.

На основе теоретико- экспериментальных методов исследованы двухмерные закономерности механизма формирования напружено- деформованого состояния и уточнены аналитические описания локалиных , а также интегральных характеристик распределений механических свойств и условий контактного трения по длине очага деформации процессов прокатки. Установлено, что закон вероятностного изменения пределов текучести и прочности холоднокатанных полос близок к нормальному и характеризуется диапазоном коэффициентов вариации 0,02…0,06 в пределах партии металопрокату одного номинального типоразмера. Усредненные оценки коэффициентов трения в зоне опережения на 10…30% превышают аналогичные показатели для зоны отставания. С использованием решения И.Я. Штаермана разработана численная методика определения текущих геометрических характеристик очага деформации процесса прокатки, учитывающая упругое сплющивание рабочих валков и полосы исходя из реального характера распределений нормальных контактных напряжений.

Уточнены и расширены в область различных технологических схем процесса асимметричной прокатки инженерные методы расчета энергосиловых параметров, используемые в качестве целевых функций при решении задач многовариантного плана. На основе силового и энергетического подходов при организации рекуррентных решений выделенных элементарных объемов очага деформации разработаны численные математические модели напружено- деформованого состояния при реализации процессов прокатки относительно тонких листов и полос с изменяющимися по толщине механическими свойствами, процессов прокатки многослойных полиметалических композиций, процессов плакирования, а также процессов правки, гибки и профилирования листового металлопроката. Применительно к процессам прокатки относительно толстых листов и полос аналогичные задачи были решены путем численного построения и последующего решения кинематически возможных полей скоростей, соответствующих минимуму суммарной мощности сдвига.

Впервые с использованием детерминированных моделей различных процессов листопрокатного производства, организованных в соответствии с общей стратегией метода Монте- Карло разработан комплекс имитационных математических моделей, позволяющих на теоретическом уровне прогнозировать механизмы формирования энергосиловых параметров и механических свойств готового металлопроката в их вероятностном аспекте. Исследованы и получили количественные описания влияния технологических режимов и конструктивных параметров механического оборудования, сформулированы различные, в том числе и обобщенные критерии и решены задачи по их автоматизированному проектированию.

Разработаны рекомендации, а также ряд новых технологических и конструктивных решений, направленных на расширение сортамента и повышение качества листового металлопроката различного назначения.

Ключевые слова: листопрокатное производство, сортамент, технологии, оборудование, математическое моделирование, напряжения, деформации, качество, проектирование, совершенствование.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Розвиток чорної і кольорової металургії, що є однією з базових галузей промислового комплексу України, нерозривно пов'язаний з розширенням сортаменту, підвищенням якості і зниженням собівартості листового металопрокату, здійснюваних на основі удосконалювання діючих і створення нових високоефективних технологій і устаткування. Реалізація зазначених заходів, яка вимагає додаткових матеріальних і фінансових ресурсів, робить необхідним і одночасне підвищення ступеня наукової обґрунтованості прийнятих проектно-технологічних і проектно-конструкторських рішень.

Актуальність теми. У самому загальному випадку листопрокатне виробництво являє собою технологічне сполучення різних процесів, що включають у себе процеси гарячої і холодної прокатки на безупинних і реверсивних станах, процеси дресирування, виправлення, обробки і т.д. У ряді випадків ефективним є використання процесів плакування, а також процесів прокатки поліметалевих і порошкових композицій. Стосовно напружено-деформованого стану всі зазначені процеси вивчені достатньо повно на основі різних підходів з використанням інженерних, а в ряді випадків і чисельних методів аналізу. При цьому використання інженерних методів, що вимагають прийняття цілого ряду припущень, знижує ступінь вірогідності й обмежує обсяг наданої інформації, а використання чисельних рішень, що характеризуються високим ступенем трудомісткості, є проблематичним в рамках систем автоматизованого проектування, що вимагають виконання різноманітних розрахунків. Відзначене свідчить про доцільність розробки математичних моделей, які коректно враховують граничні умови осередка деформації і реалізуються у реальних масштабах часу. Крім традиційних технологічних схем структура даних математичних моделей повинна бути максимально уніфікована і стосовно процесів асиметричної прокатки, прокатки багатошарових поліметалевих композицій, процесів плакування і прокатки порошкових матеріалів, процесів виправлення, згинання і профілювання, тобто стосовно процесів, що забезпечують розширення сортаменту і підвищення якості готової металопродукції, але вивчені ще недостатньо.

Серед основних показників якості при реалізації традиційних схем прокатки досить повно досліджені показники точності геометричних характеристик, ступеня площинності і якості поверхні готового металопрокату, у той час як методи прогнозування ступеня стабільності механічних властивостей, що багато в чому визначає ефективність наступних операцій листового штампування , представлені більшою мірою на емпіричному рівні. Доцільним у цьому випадку є і забезпечення можливості прогнозування законів ймовірносної зміни результуючих показників у їхньому взаємозв'язку з аналогічними законами зміни вихідних параметрів, обумовлених, у свою чергу, результатами математичного моделювання попереднього технологічного процесу. Відзначене дозволить аналізувати, а отже, і удосконалювати всю технологічну послідовність, використовуючи при цьому узагальнені критерії оптимальності для кожної окремої її ланки.

Використання узагальнених критеріїв є доцільним і з погляду удосконалювання конструкцій механічного устаткування листопрокатного виробництва, що здійснюється одночасно з урахуванням мінімізації питомих капітальних витрат. Останнє вимагає максимального уточнення вихідних даних, розвитку методів розрахунку, а також розробки нових технічних рішень, їхнього дослідження і наступної промислової апробації.

У зв'язку з викладеним вище, подальший розвиток методів розрахунку технології й устаткування листопрокатного виробництва, а також розробка рекомендацій з їхнього удосконалювання є задачами актуальними, що мають важливе наукове і практичне значення для підприємств України.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до наукового напрямку однієї з ведучих наукових шкіл Донбаської державної машинобудівної академії "Створення нових і удосконалювання діючих технологій, устаткування і засобів автоматизації в прокатному виробництві", у рамках республіканської науково-технічної програми РН.08.10.09 "Матеріалоємність", галузевих планів міністерства кольорової металургії СРСР на 1985, 1986 і 1987 роки, галузевого плану ВВО "Союзметалургмаш" на 1986 рік, міжвузівської НТП Мінвуза УРСР і госпдоговірних робіт з АТ НКМЗ, АТ СКМЗ, Артемівським концерном "АЗОМ", Мінським НВО порошкової металургії, Кировським заводом виробів з металопорошків і рядом інших підприємств (роботи № 01.85.0055041, 01.86.0047239, 01.87.0055571, 01.88.0065770, 01.89.0081699, 01.90.0042599, 01.9.00017595, 01.9.10038938, 0193U041037, 0194U008395, 0195U020039, 0196U006565, 0197U014460, 0198U005386, 0100U001091 та інші).

З 1990 року робота виконувалася також у рамках держбюджетних науково-дослідних робіт відповідно до координаційних планів Держкомітету СРСР народної освіти (наказ № 220 від 04.04.90, робота № 01.9.10038941), а з 1991 - Міністерства освіти України (накази № 78 від 21.03.91, № 45 від 15.03.96, № 37 від 13.02.97, № 463 від 28.12.98, № 507 від 30.10.2000, № 551 від 23.11.2000, роботи № 01.9.10038941, 0194U015531, 0196U015979, 0197U001595, 0199U001457, 0101U001747).

Автор є відповідальним виконавцем зазначених робіт.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розширення сортаменту і підвищення якості готової металопродукції, а також забезпечення економії матеріальних ресурсів на основі розробки математичних моделей, програмних засобів і практичних рекомендацій, спрямованих на створення нових і удосконалювання діючих технологій і устаткування листопрокатного виробництва.

Для досягнення поставленої мети були сформульовані наступні основні задачі:

- уточнити вихідні передумови і граничні умови осередка деформації при реалізації різних технологічних схем процесу прокатки відносно тонких листів і штаб;

- розширити інженерні методи розрахунку енергосилових параметрів і розробити чисельні математичні моделі напружено-деформованного стану при асиметричній прокатці, прокатці листів і штаб з механічними властивостями, що змінюються по товщині, процесі плакування, прокатці порошкових матеріалів, а також при реалізації процесів виправлення, згинання і профілювання;

- уточнити інженерні і розробити чисельні математичні моделі основних показників якості листового металопрокату на кожному з етапів його промислового виробництва;

- проаналізувати вплив, вибрати критерії і розробити програмні засоби по автоматизованому проектуванню різних технологій і устаткування для виробництва гарячекатаних, холоднокатаних, а також композиційних листів і штаб;

- розробити й апробувати нові технічні рішення, а також рекомендації з удосконалювання діючих технологій і устаткування, що забезпечують підвищення техніко-економічних показників процесу листопрокатного виробництва.

Об'єкт дослідження. Процеси й устаткування для виробництва листового металопрокату різного призначення.

Предмет дослідження. Основні закономірності і методи розрахунку механізму формування напружено-деформованого стану й основних показників якості при прокатці й обробці відносно широких листів і штаб.

Методи дослідження. В основу теоретичних досліджень були покладені методи теорії пружності і пластичності, що включають інженерні і чисельні підходи, методи теорії планованого експерименту і математичної статистики, а також методи теорії дослідження операції, у тому числі рішення задач оптимізаційного плану й імітаційного моделювання. Експериментальні методи містили в собі фізичне моделювання в лабораторних та натурні дослідження в промислових умовах, методи тензометрії, виміру геометричних параметрів і механічних властивостей, а також різного роду експертні оцінки.

Наукова новизна отриманих результатів. Наукову новизну дисертації складають наступні результати теоретичних і експериментальних досліджень:

- уточнені стосовно до симетричної і розширені в область асиметричної прокатки відносно тонких листів і штаб кількісні і якісні описи основних закономірностей механізму формування напружено-деформованого стану металу, що враховують двомірний характер його пластичного формозмінювання;

- одержали розвиток аналітичні описи геометричних параметрів осередка деформації процесу прокатки, що характеризують пружнє сплющення робочих валків з урахуванням реальних розподілів нормальних контактних напружень, а також аналітичні описи поточних значень опору деформації різних металів і сплавів, що враховують междеформаційне знеміцнювання і зміну температурно-швидкісних умов деформування по довжині зони пластичного формозмінювання;

- уточнені і розширені в область асиметричної прокатки і прокатки композиційних матеріалів інженерні методи розрахунку енергосилових параметрів, засновані як на силовому, так і на енергетичному підходах, уточнені інженерні залежності і запропонована методика регресійного опису основних показників якості готового металопрокату;

- одержали розвиток для симетричної й асиметричної прокатки відносно тонких листів і штаб і розроблені для прокатки багатошарових поліметалевих і порошкових матеріалів чисельні математичні моделі напружено-деформованого стану, засновані на рекурентному рішенні кінцево-різничної форми умови статичної рівноваги виділеного елементарного об'єму, що дозволяють повною мірою врахувати реальний характер розподілу геометричних параметрів, механічних властивостей і умов контактного тертя по довжині осередка деформації;

- уперше запропоноване і реалізоване математичне моделювання напружено-деформованого стану відносно тонких листів і штаб, що прокатуються та мають механічні властивості, які змінюються по товщині, засноване на чисельному рекурентному рішенні кінцево-різничної форми умови балансу енергетичних витрат у рамках виділеного елементарного об'єму, що дозволяє врахувати зміну температур і ступеня немонотонності пластичного формозмінювання для різних за рівнем ліній течії; енергетичний підхід, заснований на чисельній побудові і наступному аналізі кинематично можливих полів швидкостей, був реалізований і стосовно процесів прокатки, а також плакування відносно товстих біметалічних композицій;

- уперше стосовно до різних технологічних схем листопрокатного виробництва з використанням відповідних детермінованих рішень і методу Монте-Карло розроблено комплекс імітаційних математичних моделей, що дозволяють на теоретичному рівні прогнозувати ймовірносний характер стохастичного змінення всіх результуючих параметрів і, як наслідок, прогнозувати такі показники якості, як точність геометричних характеристик і ступінь стабільності механічних властивостей у їхньому взаємозв'язку;

- розширені в обсязі й уточнені кількісно уявленя про вплив основних технологічних і конструктивних параметрів, сформульовані і вирішені задачі їх автоматизованого проектування, що використовують різні, у тому числі й узагальнені, критерії оптимальності;

- розроблено науково обгрунтовані технологічні і конструктивні рекомендації, спрямовані на розширення сортаменту, підвищення якості і зниження собівартості листового металопрокату різного призначення.

Практичне значення отриманих результатів. Практичну цінність дисертаційної роботи представляють наступні її основні результати:

- розроблені й апробовані конструкції експериментального пристрою для пластичної деформації металу, що дозволяють уточнити і розширити об'єм вихідних даних на проектування нових технологій за рахунок моделювання процесу прокатки у всьому діапазоні можливих кінематичних умов реалізації і зі збільшеним геометричним масштабом осередка деформації;

- не має аналогів реконструйований реверсивний стан холодної прокатки 105/260х250, що дозволяє уточнити вихідні дані на проектування механізмів перехрещування опорних, а також механізмів перехрещування, протизгинаня й осьового зрушення робочих валків;

- комплекс програмних засобів по автоматизованому розрахунку напружено-деформованого стану при реалізації різних технологічних схем листопрокатного виробництва, що використовується при їхній оцінці з погляду силової картини, а також умов відсутності мікро і макроруйнувань;

- комплекс програмних засобів по автоматизованому розрахунку основних показників якості готового металопрокату, що дозволяє оцінити техніко-економічні показники різних процесів і намітити шляхи по їхньому підвищенню;

- комплекс програмних засобів по автоматизованому проектуванню технологічних режимів і конструктивних параметрів устаткування листопрокатного виробництва, що забезпечує зниження трудомісткості і підвищення ефективності проектно-технологічних і проектно-конструкторських робіт;

- нові технологічні і конструктивні рішення, а також рекомендації з удосконалювання діючих технологій і устаткування.

Протягом 1985-2001 р. результати роботи у вигляді програмних засобів, а також технологічних і конструктивних рекомендацій впроваджені на АТ Новокраматорський машинобудівний завод, АТ Старокраматорський машинобудівний завод, в УкрНДІметалургмаші (м. Слов'янськ), на ДЗІЕЗ ім. Є.О. Патона, Артемівському концерні "АЗОМ", Білоруському республіканському НВО порошкової металургии, ДХК "Ульба" (м. Усть-Каменогорськ), Новосибірськом металургійному заводі, у НВП "Єлсіпмаш" і ряді інших підприємствах машинобудівного і металургійного профілю. Економічний ефект (у цінах до 1991 року) від упровадження заходів того періоду склав 538 тис. карбованців.

Окремі результати роботи використовуються на кафедрі "Автоматизовані металургійні машини й устаткування" ДДМА в рамках курсів "Основи наукових досліджень і техніка експерименту", "Математичні моделі в розрахунках на ЕОМ", "Основи автоматизованого проектування технологічного устаткування" і "Розрахунок і конструювання прокатних станів", а також у роботах магістрів і аспірантів кафедри.

Теоретичні розробки, отримані в дисертації у вигляді математичних моделей і відповідних їм програмних засобів, а також експериментальні і дослідно-промислові пристрої цілком готові для їхнього використання на підприємствах, науково-дослідних інститутах і навчальних закладах України.

Особистий внесок здобувача. У дисертації не використані наукові ідеї співробітників, що сприяли її виконанню. При проведенні досліджень, результати яких опубліковані в співавторстві, автором виконана розробка основних теоретичних положень, математичних моделей, алгоритмів і програм, проведений аналіз результатів чисельної реалізації, сформульовані висновки і розроблені рекомендації з удосконалювання технології й устаткування листопрокатного виробництва.

Автор брав участь у плануванні і проведенні експериментальних досліджень, обробці й аналізі отриманих результатів, а також у впровадженні результатів роботи в промисловість.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи повідомлені й обговорені на Всесоюзній науково-технічній конференції "Теоретичні проблеми прокатного виробництва" (м. Дніпропетровськ, 1980), семінарі "Підвищення ефективності виробництва і зниження витрати матеріальних ресурсів при виробництві прокату" (м. Київ, 1982), Всесоюзній науково-технічній конференції "Нові технологічні процеси прокатки, що інтенсифікують виробництво і підвищення якості продукції" (м. Челябінськ, 1984), Республіканській науково-технічній конференції "Тертя і технологічні мастила при обробці металів тиском" (м. Дніпропетровськ, 1985), Всесоюзній конференції "Проблеми розвитку систем автоматизованого проектування на підприємствах важкого машинобудування" (м. Свердловськ, 1985), Всесоюзній науково-технічній конференції "Задачі технічного переозброєння листопрокатного виробництва" (м. Дніпропетровськ, 1987), Всесоюзній науково-технічній конференції "Розробка і впровадження АСУТП у прокатному виробництві" (м. Кривий Ріг, 1987), Республіканській науково-технічній конференції "Інформаційне математичне забезпечення САПР" (м. Дніпропетровськ, 1987), IV Всесоюзній науково-технічній конференції "Теоретичні проблеми прокатного виробництва" (м. Дніпропетровськ, 1988), Всесоюзній науково-технічній нараді "Підвищенні якості прокату з важких кольорових металів" (м. Москва, 1988), Всесоюзній науково-технічній конференції "Нові технологічні процеси прокатки як засіб інтенсифікації виробництва і підвищення якості продукції" (м. Челябінськ, 1989), Всесоюзній науково-технічній конференції "Зварювання, різання й обробка матеріалів вибухом" (м. Мінськ, 1991), на міжнародній конференції "Металургійне, прокатне і ковальсько-пресове устаткування АТ НКМЗ. Перспективи розвитку" (м. Краматорськ, 1996), науково-технічній конференції "Проблеми розвитку наукомістких і маловідхідних процесів обробки металів тиском" (м. Краматорськ, 1997), Всеукраїнській науково-технічній конференції "Перспективні технології й устаткування обробки тиском у металургії і машинобудуванні" (м. Краматорськ, 1998), науково-технічній конференції "Наука, виробництво, підприємництво - розвитку металургії" (м. Донецьк, 1998), Міжнародній науково-технічній конференції "Нові конструкційні сталі і сплави і методи їхньої обробки для підвищення надійності і довговічності виробів" (м. Запоріжжя, 1998), Всеукраїнській науково-технічній конференції "Перспективні технології й устаткування обробки металів тиском у машинобудуванні і металургії" (м. Краматорськ, 1999, 2000, 2001), V Міжнародній науково-технічній конференції "Теоретичні проблеми прокатного виробництва" (м. Дніпропетровськ, 2000), Міжнародній науково-технічній конференції "Удосконалення процесів і обладнання для виробництва та обробки металопродукції для металургії та машинобудування" (м. Краматорськ, м. Слов'янськ, 2000), технічних нарадах АТ НКМЗ, АТ СКМЗ, УкрНДІМеталургМаш, Артемівського концерну "АЗОМ", ГХК "Ульба" і ряду інших підприємств, науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу ДДМА (1980-2001), на об'єднаному науковому семінарі при спеціалізованій раді Д.12.105.01 ДДМА.

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи опубліковані в 33 статтях у наукових журналах, 37 статтях у збірниках наукових праць, 2 статтях у збірниках, виданих за матеріалами науково-технічних конференцій, 5 у депонованих рукописах. Нові технічні рішення захищені 26 авторськими посвідченнями.

Структура й об'єм роботи. Дисертація складається зі вступу, 7 розділів, висновків і додатків. Об'єм роботи 616 сторінок, у тому числі 286 сторінок основного тексту, 239 малюнків на 239 сторінках, 10 таблиць на 11 сторінках, список використаних джерел з 375 найменувань і 5 додатків на 80 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовується актуальність проблеми досліджень, сформульована мета роботи і намічені шляхи її досягнення, показаний зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дано характеристику наукової новизни і практичного значення отриманих результатів, а також їхньої апробації і впровадження.

Рівень розвитку листопрокатного виробництва, що характеризує багато в чому рівень розвитку усього промислового комплексу, у значній мірі визначається наявністю теоретичних основ, у створенні яких значний внесок внесли Андрєюк Л. В., Бейгельзімер Я. Ю., Бєлосевич В. К., Бровман М. Я., Васильов Я. Д., Виноградов Г. А., Видрін В. Н., Голованенко С. О., Горелік В. С., Гребенік В. М., Грішков О. І., Грудєв О. П., Долженков Ф. Є. Желєзнов Ю. Д., Зільберг Ю. В., Зюзин В. І., Капланов В. І., Каташинський В. П., Кліменко В. М., Когос А. М., Коновалов Ю. В., Корольов А. А., Коцарь С. Л., Луговськой В. М., Мазур В. Л., Меєрович І. М., Мелешко В. І., Ніколаєв В. О., Нікітін Н. С., Ноговіцин О. В., Павлов І. М., Мінаєв О. О., Полухін П. І., Полухін В. П., Потапкін В. Ф., Рокотян Є. С., Рокотян С. Є., Саф'ян М. М., Слоним О. З., Смірнов В. С., Сонім А. Л., Старченко Д. І., Тарновський В. Й., Третьяков А. В., Третьяков Є. М., Хіміч Г. Л., Хлопонин В. М., Целіков О. І., Чекмарьов О. П., а також цілий ряд інших учених.

У самому загальному випадку листопрокатне виробництво являє собою досить складну технологічну послідовність, окремі ланки якої тісно взаємно пов'язані між собою як у рамках одного, так і в рамках різних агрегатів. Зокрема, на сучасних станах холодної прокатки поруч з власне процесом прокатки має місце реалізація процесів виправлення розтягненням на вільних ділянках, виправлення розтягненням з вигином на обводних роликах, а також процесу згинання листового металопрокату при його формуванні в рулони. З іншого боку виправлення розтягненням з вигином може бути реалізоване як окремий процес, призначений для дресирування і підвищення ступеня площинності, однак і в цьому випадку вихідними є характеристики, отримані на попередніх переробках, тобто на переробках холодної прокатки і проміжного відпалювання.

Різноманіття технологічних схем і їхній тісний взаємозв'язок між собою, а також багатоваріантність задач, розв'язуваних при дослідженні кожного окремого процесу, роблять необхідним подальший розвиток узагальнених і по можливості максимально уніфікованих математичних моделей різного рівня композиційної складності, що дозволяють повною мірою врахувати специфіку умов реалізації кожної окремої ланки всього технологічного ланцюга листопрокатного виробництва. Доцільним у цьому випадку є і подальше уточнення вихідних передумов, а також граничних умов осередка деформації в їх детермінованому і ймовірносному аспектах. З погляду математичного моделювання варто вказати і на доцільність його розширення за рахунок процесів прокатки багатошарових поліметалевих і порошкових композицій, а також на необхідність зміщення акцентів у бік забезпечення можливості безпосереднього прогнозування таких показників якості, як точність геометричних характеристик, рівень і ступінь стабільності механічних властивостей готової металопродукції.

У цілому, як показали результати аналізу стану питання, основними напрямками по удосконалюванню технологій листопрокатного виробництва є раціональний вибір їхньої послідовності, широке використання нових високоефективних технічних рішень, оптимізація технологічних режимів, здійснювана по узагальненим критеріями, а також підвищення ступеню автоматизації регулювання і контролю як вихідних, так і результуючих параметрів.

Стосовно перспектив розвитку механічного устаткування прокатних станів і агрегатів обробки варто вказати на доцільність науково-обгрунтованого використання нових конструкцій окремих вузлів і механізмів, що забезпечують розширення технологічних можливостей з погляду сортаменту і якості готової металопродукції. Актуальним у цьому випадку є постановка і рішення задач по мінімізації питомих капітальних витрат і зниженню експлуатаційних витрат, здійснюваних на основі подальшого розвитку відповідних методів розрахунку й автоматизованого проектування.

Необхідність підвищення ступеню наукової обґрунтованості технічних рішень, прийнятих в області листопрокатного виробництва, нерозривно пов'язана з проведенням широкого кола всебічних теоретичних і експериментальних досліджень як напружено-деформованого стану, так і основних показників якості, що мають місце при реалізації конкретних технологій.

Різноманіття розв'язуваних задач теоретичних досліджень припускає доцільність використання математичних моделей різного рівня, що є одночасно максимально уніфікованими стосовно окремих процесів усієї технологічної переробки. Зокрема, при рішенні задач оптимизаційного плану доцільним є використання як цільових функцій найменш трудомістких інженерних математичних моделей, а при критеріальній оцінці напружено-деформованого стану - більш складних чисельних математичних моделей, у тому числі і моделей, заснованих на кінцево-різничному підході, що полягає в розбиванні усього осередка деформації на кінцеву множину елементарних об'ємів і наступному рекурентному рішенні кожного з них. Стосовно до процесів прокатки відносно товстих, у тому числі і композиційних листів і штаб перспективним є використання методу полів ліній ковзання, а також різного роду енергетичних підходів.

Математичне моделювання основних показників якості готового металопрокату, які є ймовірносними характеристиками зміни результуючих геометричних параметрів і механічних властивостей, доцільно здійснювати з використанням методу Монте-Карло, що дозволяє врахувати аналогічні, тобто ймовірносні характеристики зміни усіх вихідних параметрів досліджуваних процесів.

Забезпечення можливості такого урахування і значний обсяг інформації, наданої імітаційними математичними моделями, дозволять провести комплексне дослідження впливу технологічних режимів і конструктивних параметрів механічного устаткування листопрокатного виробництва, а також сформулювати і вирішити задачі по їх удосконалюванню й автоматизованому проектуванню.

Уточнення вихідних передумов, а також оцінка ступеня вірогідності отриманих теоретичних рішень і розроблених на їхній основі практичних рекомендацій повинні бути здійснені з використанням результатів експериментальних досліджень, максимально наближених до умов реалізації конкретних технологічних процесів. Відповідно до цього був розроблений ряд принципово нових конструкцій пристроїв для пластичної деформації металу (а.с. 1085073, а.с. 1380814), що дозволяють моделювати процеси прокатки у всьому діапазоні можливих кінематичних параметрів осередка деформації з великим масштабом збільшення його геометричних співвідношень, що забезпечується використанням деформуючого інструменту великого радіусу при мінімальній питомій металоємності самої конструкції.

Теоретичне дослідження напружено-деформованого стану металу при прокатці відносно широких листів і штаб було проведено на основі методу полів ліній ковзання, що дозволяє повною мірою врахувати двомірний характер пластичного формозмінювання.

Моделювання зони відставання, змішаної зони і зони випередження осередка деформації здійснювали в цьому випадку на прикладі процесу прокатки з нульовим випередженням, процесу прокатки-волочіння і процесу волочіння штаби, відповідно. З урахуванням викладеного вище, безпосередня побудова теоретичних моделей була зведена до рішення четвертої крайової задачі статично визначеного плоского плину металу, що характеризується наявністю лінії ковзання й особливою точкою, у якій характеристики утворять центроване віяло з величиною кута, обумовленою геометричними параметрами й умовами контактного тертя.

На основі аналізу отриманих результатів було встановлено, що при холодній прокатці відносно тонких листів і штаб напружений, кінематичний і деформований стани металу по висоті перетину зони пластичного формозмінювання є близькими до однородного, що припускає можливість використання різного роду одномірних наближень. Зокрема, показники ступеня неоднородності кінематичного і деформованого станів не перевищили 8%, у той час як похибка, внесена спрощенням аналітичних описів граничних умов, може досягати 50% і більш. У випадку асиметрії граничних умов рівновага інтегрального осередка деформації, тобто компенсація наявних перекидаючих моментів, забезпечується за рахунок відносного зсуву протилежних контактних поверхонь, а рівноважний стан виділених елементарних об'ємів - за рахунок перерозподілу дотичних компонентів девіатора напружень. Результати теоретичних досліджень, у тому числі і можливість використання одномірних наближень, підтверджені експериментально шляхом безпосереднього осцилографування розподілів нормальних і дотичних контактних напружень, що мають місце при реалізації на спеціальному пристрої різних за ступенем асиметрії технологічних схем процесу прокатки.

На основі відомих і досить широко використовуваних залежностей Л.В. Андрєюка і М.Я. Бровмана уточнено методики розрахунку опору деформаціїметалів і сплавів при їхній гарячій прокатці, що забезпечують можливість урахування міждеформаційного знеміцнювання за рахунок додаткового корегування поточного в часі значення ступеня деформації. Іншою особливістю даних методик і відповідних їм алгоритмів є можливість розрахунку поточного по довжині зони пластичного формозмінювання подвоєного опору зсуву з урахуванням реального характеру зміни ступеня, швидкості і температури деформації.

На основі урахування реальних геометричних параметрів, а також обліку швидкості, температури і показника ступеня немонотонності деформації уточнено методику розрахункупри холодній прокатці. Необхідне для інженерних методів аналізу середньоінтегральне по довжині осередка деформації значення порогу текучостів цьому випадку було визначено як:

де , , , - коефіцієнти регресії поліноміального опису, що характеризує інтенсивність деформаційного зміцнення даного металу чи сплаву;

, - показники ступеня деформації, отримані в попередніх і поточному проходах;

- показник ступеню, що характеризує форму контактних поверхонь деформуючого інструмента (при прокатці ).

На основі результатів експериментальних досліджень, проведених у промислових умовах, встановлено, що закон ймовірносної зміни показників механічних властивостей близький до нормального і характеризується діапазоном коефіцієнтів варіаціїв межах партії металопрокату одного номінального типорозміру. У межах усієї технологічнї переробки даний показник може досягати .

З використанням розроблених методик і оригінальних експериментальних пристроїв досліджені й одержали кількісні описи умови контактного тертя при холодній прокатці відносно тонких листів і штаб. Запропоновано аналітичні описи поточних по довжині осередка деформації значень коефіцієнтів зовнішнього тертя, що враховують кількісні і якісні зміни відносного ковзання деформуємого металу в зоні відставання і зоні випередження на контактній поверхні кожного з робочих валків. Установлено, що в самому загальному випадку умов реалізації усереднені оцінки коефіцієнта зовнішнього тертя в зоні випередження наперевищують аналогічні показники для зони відставання.

На основі рішення І.Я. Штаєрмана, отриманого для стиску пружних тіл, обмежених зовнішніми і внутрішніми циліндричними поверхнями з еквівалентними радіусами, що являє собою сполучення теорії Герца і гіпотези Вінклера, розроблена чисельна методика розрахунку поточних значень радіальних пружних переміщень утворюючих поверхонь робочих валків, що коректно враховують реальний характер розподілів нормальних контактних напружень. У наступному ця методика була використана для ітераційного визначення поточного по довжині осередка деформації значення товщини штаби, що поряд з аналогічними рішеннями стосовно поточного значення механічних властивостей і коефіцієнтів зовнішнього тертя стало основою для аналітичного опису всього комплексу граничних умов осередка деформації процесів гарячої і холодної прокатки.

Відповідно до необхідності рішення різних по композиційній складності задач у рамках даного дослідження було розроблено детерміновані математичні моделі різних технологічних схем листопрокатного виробництва, що відрізняються по трудомісткості чисельної реалізації. Зокрема, стосовно до умов реалізації процесу асиметричної прокатки інженерна залежність для визначення коефіцієнта напруженого стану металу , отримана за аналогією з методикою О.І. Целікова шляхом спільного рішення диференціального рівняння рівноваги й умови пластичності, може бути представлена у вигляді:

де , , - вихідна і кінцева товщина, а також абсолютне обтиснення штаби в даному проході;

; - коефіцієнти, що характеризують вплив напружень задньогоі передньогонатягування штаби;

- середньоінтегральне по об'єму зони пластичнго формозмінювання подвоєне значення опору зсуву металу чи сплаву, що прокатується, обумовлене з використанням залежності (1) як ;

- показник ступеня кінематичної асиметрії процесу прокатки, обумовлений як співвідношення окружних швидкостей ведучого і ведомого робочих валків;

, - значення товщини штаби в перетинах, що є нейтральними стосовно ведучого і ведомого робочих валків, що визначаються як:

;;



; - коефіцієнти, що характеризують вплив граничних умов у зонах відставання і випередження , а також у змішаній зоні осередка деформації; , , - усереднені значення коефіцієнтів зовнішнього тертя на ведучому і відомому робочих валках, а також довжина дуги контакту з урахуванням пружнього сплющення робочих валків і штаби. Варто вказати на те, що при , тобто при симетричній прокатці, залежність (2) цілком відповідає відомому і широко використовуваному рішенню О.І. Целікова, що дозволило досліджувати на її основі весь діапазон можливих кінематичних умов реалізації процесу прокатки. Рішення, аналогічні (2), були отримані і стосовно до інших технологічних схем процесу асиметричної прокатки, зокрема, стосовно до процесу деформації тонких штаб між неприводними робочими валками, процесу прокатки в режимі заданої величини випередження і т.д.

Був отриманий також ряд максимально простих безітераційних інженерних моделей, що дозволяють ще більш знизити трудомісткість чисельної реалізації за рахунок виключення ітераційної процедури урахування пружнього сплющення робочих валків.

Крім того, відповідно до методики В.М. Видріна стосовно до процесів прокатки в режимі заданої величини випередження були розроблені кінематично та геометрично адекватні фізичні моделі осередка деформації, з урахуванням яких на основі результатів аналізу балансу енергетичних витрат отримані залежності для визначення сили і моментів прокатки.

Енергетичний підхід, що полягає в побудові кінематично можливих полів характеристик і їх наступному аналітичному рішенні виходячи з мінімуму сумарної потужності зсуву був реалізований і стосовно до процесу прокатки відносно товстих багатошарових поліметалевих листів і штаб, що характеризуються наявністю різних зовнішніх зон і досить міцних металевих зв'язків.



,

де - середньоінгральне по довжині осередка деформації подвоєне значення опору зсуву -ої складової поліметалевої композиції, що має вихідну товщину ;

- загальна кількість складових поліметалевої композиції;

, - ширина і середня товщина заготовки, що прокатується.

І тут варто вказати на те, що при прокатці монометалевих листів і штаб залежність (3) цілком відповідає відомому рішенню М.Я. Бровмана, що підтверджує можливість її використання для інженерного аналізу як процесу прокатки поліметалевих композицій, так і процесів прокатки монометалевих заготовок з механічними властивостями, що змінюються по товщині, обумовленими, наприклад, відповідними змінами температури деформації.

Чисельне математичне моделювання напружено-деформованого стану при прокатці відносно тонких листів і штаб з рівнем фізико-механічних властивостей, що змінюється по товщині, було засновано на розбивці довжини всієї зони пластичного формозмінювання на кінцеву безліч елементарних об'ємів (рис.1) і наступному рекурентному рішенні кінцево-різничної форми умови статичної рівноваги кожного з них. Серед використовуваних у цьому випадку припущень слід зазначити одномірні наближення по кінематиці, тобто припущення про сталість швидкостей переміщення металу для кожного окремого -го вертикального переріза, а також припущення про лінійний характер зміни геометричних і силових компонентів у рамках кожного окремого -го елементарного об'єму. З урахуванням викладеного вище і виходячи з рекурентної форми рішення, тобто вважаючи нормальні контактні і нормальні осьові напруження, а також приведену до одиниці ширини осьову силу для правого -го граничного перетину (див.мал.1) відомими, величина нормальних контактних напружень для лівого граничного перетину (див.рис.1) може бути визначена з умови статичної рівноваги -го елементарного об'єму при проектуванні всіх сил на горизонтальну вісь :

де , - порядковий номер і загальна кількість розбивань осередка деформації по висоті;

- поточне значення подвоєного опору зсуву для вертикального перерізу по довжині -го рівня по висоті осередка деформації;

- крок розбивки зони пластичного формозмінювання по її довжині і відповідного вертикального переріза AD по його висоті(див.рис.1);

- поточні значення коефіцієнтів зовнішнього тертя, що характеризують згідно величину, а з урахуванням знака - напрямок дотичних контактних напружень на ведучому і ведомому робочих валках;

- вихідна і кінцева товщина заготовки в рамках даного j-го елементарного об'єму ABCD (див.рис.1).

З урахуванням відомого значення відповідно до умови пластичності були визначені нормальні осьові напруження для кожного з рівнів:



,

а разом з цим і приведене значення осьової сили :

.

І, нарешті, виходячи з рекурентної форми рішення умови статичної рівноваги кожного окремого k-ого розбивання по товщині, міжшарові напруження зсуву склали:

.

Крім залежностей (4)-(7) і їхніх модифікацій, використовуваних при

і,

у чисельну математичну модель напружено-деформованого стану при прокатці відносно тонких листів і штаб були включені:

- аналітичні описи поточних по довжині осередка деформації значень коефіцієнтів зовнішнього тертя на ведучому і ведомому робочих валках, що враховують можливість наявності кінематичної асиметрії процесу прокатки;

- підпрограми розрахунку поточних по довжині і висоті зон пластичного формозмінювання значень ступеня, швидкості і температури деформації, а разом з цим і поточних значень опору деформації металу чи сплаву, що прокатується;

- початкові умови й умови зв'язку використовуваної схеми рекурентного рішення, напрямок якого співпадає з напрямком прокатки;

- розрахунок зони пружнього відновлення штаби виходячи з умов її статичної рівноваги;

- ітераційна процедура по визначенню відносних довжин зон випередження на ведучому і ведомому робочих валках, виходячи з умови відповідності розрахункових і заданих сил переднього натягування;

- чисельне інтегрування розподілів нормальних і дотичних напружень на контактних поверхнях кожного з робочих валків;

- ітераційну процедуру визначення пружних радіальних переміщень утворюючих поверхонь робочих валків і, як наслідок, ітераційну процедуру з розрахунку геометричних параметрів осередка деформації з урахуванням пружнього зплющення робочих валків і штаб, що прокатуються.

Варто вказати на те, що рішення, аналогічне (4) може бути отримано не тільки на основі силового, а і на основі енергетичного підходу. Зокрема, величина нормальних контактних напружень, виходячи з умови балансу енергетичних витрат у рамках -го виділеного елементарного об'єму (див.мал.1) була визначена як:

де - поточне значення коефіцієнта немонотонності деформації, що істотно впливає при реалізації процесу гарячої прокатки.

Після доповнення підпрограмами ідентифікації належності кожної окремої складової -ої за рівнем лінії течії, отримані рішення склали основу математичної моделі процесу прокатки багатошарових поліметалевих листів і штаб, що характеризуються наявністю отриманих попередньо досить міцних міжшарових металевих зв'язків.

Аналогічно, з урахуванням організації додаткової ітераційної процедури по визначенню в рамках виділеного елементарного об'єму обтискувань кожної зі складових, виходячи з умови рівності нормальних напружень на протилежних контактних поверхнях, була розроблена математична модель напружено-деформованого стану при реалізації процесів гарячого і холодного плакування відносно тонких листів і штаб, тобто процесів безпосереднього виробництва багатошарових поліметалевих композицій шляхом спільної прокатки двох чи більш складових. Крім того, з урахуванням еліптичної умови пластичності для сипучих середовищ рішення, аналогічне (4), а разом з цим і чисельну математичну модель напружено-деформованого стану було отримано стосовно до процесів первинної, а також вторинної прокатки порошкових матеріалів.

Силові й енергетичні варіації кінцево-різничного підходу були використані також при розробці чисельних математичних моделей процесів волочіння і плющення, процесів сортової і поперечно-гвинтової прокатки, процесу прокатки порошкових матеріалів на металевій підкладці і т.д. Крім того, кінцево-різничний підхід, що полягає в розбивці по товщині, ширині і кривизні, визначенні деформацій і напружень, чисельному інтегруванні й організації ітераційних процедур за умовою рівності зовнішніх і внутрішніх навантажень, був реалізований стосовно до математичного моделювання процесів виправлення розтяганням, процесів згинання і профілювання листового, у тому числі і композиційного металопрокату. Відмітною рисою даних математичних моделей є можливість безпосереднього прогнозування не тільки енергосилових параметрів, а і таких найважливіших показників якості, якими є показники форми і ступеня площинності готової металопродукции.

Чисельне математичне моделювання кінематичних і енергосилових параметрів при прокатці і плакуванні відносно товстих листів і штаб з механічними властивостями, що змінюються по рівнях, здійснювали за допомогою методу верхньої оцінки, тобто шляхом побудови і наступного аналізу кінематично можливих полів швидкостей.

На основі отриманих детермінованих математичних моделей енергосилових параметрів різних технологічних схем процесів листопрокатного виробництва і з використанням кінцево-різничних інтерпретацій диференційних рівнянь поздовжньої різнотовщинності, а також збільшень сили і моментів прокатки, уточнені кількісно і розширені в діапазон процесів асиметричної прокатки монометалевих і композиційних матеріалів методики розрахунку передатних коефіцієнтів, знання яких необхідно для прогнозування характеру зміни відповідних результуючих параметрів, а також для використання в системах автоматичного регулювання товщини одержуваних листів і штаб. Крім робочих клітей з кінцевим значенням модуля жорсткості аналогічні рішення передатних коефіцієнтів були отримані і стосовно до робочих клітей з нульовим значенням модуля жорсткості, тобто стосовно до робочих клітей, обладнаних гідравлічними натискними пристроями, що працюють за умовою постійності тиску робочої рідини.

З огляду на те, що при прокатці відносно тонких листів і штаб найбільш істотний вплив мають вихідна різнотовщинність підкату і розмах зміни попередньо встановленного міжвалкового зазору, інженерна методика визначення результуючої поздовжньої різнотовщинності була зведена до визначення п'яти різних значень сили прокатки:

...