Удосконалення технологічних режимів роботи та конструктивних параметрів намотувально-натяжних пристроїв станів холодної прокатки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Донбаська державна машинобудівна академія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеню

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.03.05 "Процеси та машини обробки тиском"

Удосконалення технологічних режимів роботи та конструктивних параметрів намотувально-натяжних пристроїв станів холодної прокатки

Герасименко Олексій Васильович

Краматорськ 2003

Дисертацією є рукопис

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

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Потапкін Віктор Федорович, завідуючий кафедрою “Автоматизовані металургійні машини та обладнання” Донбаської державної машинобудівної академії.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Саф'ян Олександр Матвійович, Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова Національної Академії наук України, м. Дніпропетровськ; кандидат технічних наук, доцент Луцький Михайло Борисович, ВАТ “Алчевський металургійний комбінат”, м. Алчевськ

Провідна установа: Донецький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України м. Донецьк.

Захист відбудеться " 23 " січня 2004 р. о 1000 годин на засіданні спеціалізованого вченої ради Д 12.105.01 по захисту дисертацій в Донбаський державній машинобудівній академії (84313, м. Краматорськ, вул. Шкадінова, 72, 1-й учбовий корпус).

З дисертацією можливо ознайомитись у бібліотеці Донбаської державної машинобудівної академії (84313, м. Краматорськ, вул. Шкадінова, 72, 1-й учбовий корпус).

Автореферат розіслано " 22 " грудня 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 12.105.01, д.т.н., професор О.В. Сатонін

1. Загальна характеристика роботи

натяжний прокатний стан

Подальший розвиток промислового виробництва холоднокатаних стрічок та штаб нерозривно пов'язаний з необхідністю поширення сортаменту, підвищення якості та зниження собівартості готової металопродукції. Досягнення зазначених цілей, поряд з необхідністю максимальної економії витрат матеріальних ресурсів, свідчить про доцільність проведення всебічних комплексних досліджень, спрямованих на підвищення техніко-економічних показників як усього листопрокатного переділу, так і його окремих складових, якими зокрема є технології та обладнання процесу холодної прокатки відносно тонких стрічок і штаб.

Актуальність теми. Холоднокатані стрічки та штаби, які є одним з найбільш ефективних видів готової металопродукції чорної і кольорової металургії, досить широко використовуються в машинобудуванні, приладобудуванні, у будівельній індустрії та у багатьох інших галузях промисловості. Їхнє виробництво здійснюють на безперервних чи реверсивних станах холодної прокатки, невід'ємною частиною яких є дільниця намотувально-натяжних пристроїв. Саме обладнання цієї дільниці багато в чому визначає такі важливі техніко-економічні показники, як рівень енергосилових параметрів, питома продуктивність, точність геометричних характеристик готового металопрокату, показники його площинності і форми, наявність поверхневих дефектів, якість змотки в рулони й інші. Тому удосконалення всього процесу технологічної переробки виробництва холоднокатаних стрічок і штаб робить необхідним й удосконалення технологій, а також устаткування дільниці намотувально-натяжних пристроїв, яке здійснюється на основі результатів комплексних теоретичних і експериментальних досліджень та має своєю метою розвиток методів автоматизованого розрахунку і проектування, розробку і промислове апробування конкретних практичних рекомендацій. Відзначене і визначає актуальність теми роботи, спрямованої на підвищення ступеня наукової обґрунтованості технічних рішень, які приймаються щодо створення й експлуатації намотувально-натяжних пристроїв станів холодної прокатки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації відповідає науковому напрямку однієї з провідних наукових шкіл Донбаської державної машинобудівної академії "Створення нових і удосконалення діючих технологій, устаткування і засобів автоматизації в прокатному виробництві". Робота виконана в рамках держбюджетних науково-дослідних робіт, відповідно до координаційних планів Міністерства освіти і науки України (накази № 37 від 13.12.1997, № 463 від 28.12.1998, № 507 від 30.10.2000, № 551 від 23.11.2000, роботи 0197U001595, 0199U001457, 0101U001747), а також у рамках госпдоговірних науково-дослідних робіт з АТ СКМЗ і УкрНДІМеталургМаш (роботи 0197U015740, 0197U014661).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є економія матеріальних ресурсів, розширення сортаменту, підвищення якості і зниження собівартості холоднокатаних стрічок і штаб на основі розвитку методів автоматизованого розрахунку і проектування, а також розробки рекомендацій з удосконалення технологічних режимів роботи й устаткування намотувально-натяжних пристроїв станів холодної прокатки.

Для досягнення зазначеної мети в роботі були поставлені і вирішені наступні основні задачі:

- уточнити і розширити чисельні математичні моделі напружено-деформованого стану й основних показників якості холоднокатаних стрічок і штаб на дільниці намотувально-натяжних пристроїв станів холодної прокатки;

- розробити методи розрахунку торсіонно-важільно-кулачкового механізму затиску переднього кінця штаби на барабані моталки;

- уточнити вихідні передумови й дати експериментальну оцінку ступеня достовірності одержаних теоретичних рішень;

- проаналізувати вплив, сформулювати рекомендації з удосконалення і розробити програмні засоби щодо автоматизованого проектування технологічних режимів роботи намотувально-натяжних пристроїв;

- сформулювати науково-обґрунтовані вимоги щодо виготовлення і монтажу, а також розробити й апробувати рекомендації з удосконалення механічного устаткування дільниці намотувально-натяжних пристроїв станів холодної прокатки.

Об'єкт дослідження. Технологічні режими роботи і конструктивні параметри механічного устаткування дільниці намотувально-натяжних пристроїв станів холодної прокатки для прокатки стрічок і штаб.

Предмет дослідження Основні закономірності і методи розрахунку механізмів формування напружено-деформованого стану й основних показників якості холоднокатаних стрічок і штаб при їхньому формуванні в рулон на дільниці намотувально-натяжних пристроїв.

Методи дослідження. В основу теоретичних досліджень були покладені методи теорії пружності і пластичності, що включають інженерні і чисельні підходи, методи теорії помилок, постановка і рішення задач оптимізаційного плану, а також проектно-конструкторська проробка запропонованих технічних рішень.

Експериментальні методи дослідження містили в собі фізичне моделювання в лабораторних і промислових умовах, методи тензометрії, вимір геометричних параметрів і механічних властивостей, а також кількісну оцінку площинності, форми, якості поверхні та інших споживчих характеристик холоднокатаних стрічок і штаб.

Наукова новизна отриманих результатів. Наукову новизну дисертаційної роботи складають її наступні основні результати і положення:

- одержали розвиток чисельні математичні моделі напружено-деформованого стану відносно тонких холоднокатаних стрічок і штаб на дільниці намотувально-натяжних пристроїв, що враховують реальний характер розподілу граничних умов процесу згинання з розтягуванням як на обвідних роликах, так і на барабані моталки;

- уточнені і розширені в обсязі наданої інформації математичні моделі механізму формування основних показників якості холоднокатаних стрічок і штаб, що враховують кількісні оцінки вихідних дефектів, рівні технологічних натягнень, а також взаємодію механічного устаткування на ділянках "робоча кліть" - "намотувально-натяжний пристрій" при наявності похибок його виготовлення і монтажу;

- вперше стосовно до торсіонно-важільно-кулачкового механізму розроблені методи розрахунку процесу фіксації переднього кінця штаби на барабані моталки, сформульовані й одержали аналітичні описи умови початку холодної прокатки без попереднього підмотування декількох витків;

- розширені й уточнені уявлення про характер впливу, сформульовані і вирішені програмно задачі з автоматизованого проектування технологічних режимів роботи і конструктивних параметрів механічного устаткування дільниці намотувально-натяжних пристроїв безупинних і реверсивних станів холодної прокатки;

- сформульовані технологічні і конструктивні рекомендації, спрямовані на підвищення техніко-економічних показників процесу формуваннях холоднокатаних стрічок і штаб у рулон за рахунок розширення їхнього сортаменту і підвищення якості, а також за рахунок економії матеріальних ресурсів і зниження експлуатаційних витрат.

Практична цінність одержаних результатів. Практичну цінність дисертаційної роботи являють її наступні основні результати:

- комплекс математичних моделей і програмних засобів з автоматизованого розрахунку напружено-деформованого стану, точності геометричних характеристик, а також показників площинності і форми холоднокатаних стрічок і штаб на дільниці намотувально-натяжних пристроїв;

- методика розрахунку торсіонно-важільно-кулачкового механізму фіксації переднього кінця штаби на барабані моталки, що забезпечує підвищення коефіцієнта виходу придатного металопрокату за рахунок виключення необхідності попереднього підмотування декількох витків;

- програмні засоби щодо автоматизованого проектування технологічних режимів роботи і конструктивних параметрів механічного устаткування дільниці намотувально-натяжних пристроїв, що забезпечують зниження трудомісткості, а також підвищення ефективності і ступеня наукової обґрунтованості проектних робіт в області створення й експлуатації станів холодної прокатки;

- технічні рішення і практичні рекомендації, спрямовані на підвищення техніко-економічних показників процесу промислового виробництва холоднокатаних стрічок і штаб за рахунок удосконалення технологій і устаткування дільниці намотувально-натяжних пристроїв безперервних і реверсивних станів холодної прокатки.

Результати роботи у вигляді програмних продуктів, практичних рекомендацій і конкретних технічних рішень використані на АТ "Старокраматорський машинобудівний завод" (АТ СКМЗ), концерні "Артемівський завод обробки металів" (АЗОМ), в Українському науково-дослідному інституті металургійного машинобудування (УкрНДІметалургмаш) і в Донбаській державній машинобудівній академії (ДДМА).

Окремі положення дисертації використовуються на кафедрі "Автоматизовані металургійні машини й обладнання" ДДМА в рамках викладання ряду спеціальних дисциплін, а також при виконанні курсових і дипломних проектів студентами спеціальності 8.09218 "Металургійне обладнання".

Особистий внесок здобувача. Здобувач самостійно провів теоретичні дослідження, розробив комплекс математичних моделей і програмних засобів з автоматизованого розрахунку процесу формування холоднокатаних стрічок і штаб у рулон, а також з кількісної оцінки впливу змотки та рівнів технологічних натягнень на показники площинності і форми готового металопрокату. Досліджував процес фіксації переднього кінця штаби на барабані моталки.

Автор самостійно розробив методики і пристрої для проведення експериментальних досліджень і брав участь у їх проведенні. Сформулював практичні рекомендації з удосконалювання технологій і устаткування, які використовуються на дільниці намотувально-натяжних пристроїв станів холодної прокатки, виконав проектно-конструкторське пророблення окремих технічних рішень. У роботах, виконаних у співавторстві, здобувачеві належить розробка математичних моделей, їх алгоритмізація, програмування, чисельна реалізація й аналіз отриманих результатів.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи повідомлені й обговорені на міжнародній конференції "Металургійне, прокатне і ковальське устаткування АТ НКМЗ. Перспективи розвитку" (м. Краматорськ, 1997 р.); на науково-технічній конференції молодих вчених і фахівців "Перспективні технології й устаткування обробки металів тиском" (м. Краматорськ, 1997 р.); на Всеукраїнських науково-технічних конференціях "Перспективні технології й обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні" (м. Краматорськ, 1998, 1999, 2000, 2001, 2002, 2003 рр.); на науково-технічній конференції молодих вчених і фахівців "Перспективи розвитку великих машинобудівних підприємств - обладнання, технології, організація виробництва" (м. Краматорськ, 1998 р.); на міжнародній науково-технічній конференції "Удосконалення процесів та обладнання для виробництва та обробки металопродукції для металургії та машинобудування" (Краматорськ-Слов'янськ, 2000 р.); на науково-технічних радах АТ СКМЗ і УкрНДІметалургмаша; на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу ДДМА (1997-2003 рр.); на науковому семінарі кафедри "Автоматизовані металургійні машини й устаткування" і об'єднаному науковому семінарі при спеціалізованій вченій раді Д12.105.01 ДГМА (2003 р.).

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи опубліковані в 10 статтях, з них 9 у 7 спеціалізованих виданнях з науково-технічною тематикою.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 6 розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний об'єм роботи 248 сторінок, у тому числі 145 сторінок основного тексту, 72 рисунка на 71 сторінці, список використаних джерел з 138 найменувань і 3 додатки на 32 сторінках.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, показаний зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами, сформульовані мета і задачі дослідження. Дано характеристику наукової новизни і практичного значення отриманих результатів, а також їхньої апробації і промислового використання, відзначений особистий внесок здобувача.

Технологічні режими роботи, конструктивні особливості і методи розрахунку механічного обладнання намотувально-натяжних пристроїв станів холодної прокатки (стан питання)

Холоднокатані стрічки і штаби в рулонах є одним з найбільш ефективних видів готової металопродукції металургійних підприємств, який досить широко використовується в машинобудуванні, приладобудуванні й у цілому ряді інших галузей промисловості. При цьому саме якість холоднокатаних стрічок і штаб, у тому числі і якість змотки при їх формуванні в рулон, у значній мірі визначає техніко-економічні показники наступних виробництв.

Відзначене вище висуває додаткові вимоги до рівня розвитку технологій і устаткування процесів холодної прокатки, значний внесок у створення теоретичних основ яких внесли Бєлосевич В.К., Беняковський М.А., Васильов Я.Д., Видрін В.М., Гришков О.І., Грудєв О.П., Железнов Ю.Д., Зільберг Ю.В., Зинов'єв О.В., Капланов В.І., Кліменко В.М., Когос А.М., Коновалів Ю.В., Корольов О.О., Коцарь С.Л., Кузнєцов Л.О., Ларке Є.К., Мазур В.Л., Меєрович І.М., Мінаєв О.А., Ніколаєв В.О., Ноговіцин О.В., Павлов І.М., Полухін В.П., Потапкін В.Ф., Робертс В., Рокотян С.Є., Саф'ян М.М., Саф'ян О.М., Синіцин В.Г., Старченко Д.І., Третьяков А.В., Третьяков Є.М., Хейн О.Я., Хіміч Г.Л., Хлопонін В.Н., Целіков О.І., Чекмарьов О.П., а також цілий ряд інших вітчизняних і закордонних науковців.

Разом з тим, основними об'єктами широкого кола проведених теоретичних і експериментальних досліджень були безпосередньо процес холодної прокатки, а також устаткування робочих клітей безперервних і реверсивних прокатних станів. Допоміжне ж устаткування, у тому числі і намотувально-натяжні пристрої, які також у значній мірі визначають сортамент, якість і собівартість листового металопрокату, досліджено в значно меншому обсязі, а це, в свою чергу, свідчить про наявність додаткових резервів щодо подальшого розвитку процесів промислового виробництва холоднокатаних стрічок і штаб.

Зокрема , у рамках більшості досліджень не враховано той факт, що крім власне формування в рулон на дільниці намотувально-натяжних пристроїв має місце також реалізація процесів розтягування, процесів розтягування з вигином на обвідних роликах і процесів згинання з натягуванням. Зазначене технологічне різноманіття, поряд з відповідним різноманіттям складу і конструктивних особливостей механічного устаткування, а також поряд з неоднозначним впливом рівнів створюваних технологічних натягувань робить необхідним підвищення ступеня наукової обґрунтованості прийнятих у кожному конкретному випадку технічних рішень.

Основні відмінні особливості моталок, що є основним технологічним устаткуванням дільниці намотувально-натяжних пристроїв, полягають у компонуванні приводів, а також у конструкціях барабанів, механізмів зміни їхнього діаметра і механізмів фіксації переднього кінця штаби на барабані моталки. При цьому, внаслідок відносної простоти і високого ступеня працездатності, найбільше розповсюдження одержали конструкції барабанів моталок з механізмами зміни їхніх діаметрів, що характеризуються тільки радіальними переміщеннями сегментів і наявністю пірамідального вала з механізмом його осьового переміщення.

Технології й устаткування дільниці намотувально-натяжних пристроїв вивчені достатньо повно з погляду інженерних методів розрахунку робочих навантажень і подальшої оцінки працездатності використовуваних конструкцій. Питання ж впливу конструктивних параметрів даного устаткування, а також точності його виготовлення і монтажу на основні показники площинності і форми одержуваних холоднокатаних стрічок і штаб розкриті в неповному обсязі. Вимагають уточнення, а також використання більш широкого спектра критеріальних оцінок і практичні рекомендації з призначення ефективних рівнів технологічних натягувань.

Одним из основних напрямків подальшого розвитку конструкцій механічного обладнання дільниці намотувально-натяжних пристроїв є удосконалення конструкцій механізмів фіксації переднього кінця штаби, спрямоване на підвищення коефіцієнта виходу придатного за рахунок безпосередньої реалізації процесу холодної прокатки без попереднього підмотування одного чи декількох витків на барабан моталки.

З огляду на відносну простоту і високий ступінь працездатності перспективним є використання торсіонно-важільно-кулачкових механізмів затиску переднього кінця штаби конструкції АТ СКМЗ.

Конструктивно даний механізм затиску виконаний у вигляді двох важільних систем, кожна з яких має змонтований у сегменті з прорізом для задачі штаби валик із виступом (кулачок), встановлений в протилежному сегменті паралельно валику пружний елемент, жорстко скріплені з валиком і пружним елементом балансири і стяжки, які пов'язують балансири, причому в одній з важільних систем виступ відповідного валика виконаний ступінчатим.

Досить високий ступінь ефективності розглянутої конструкції барабана моталки підтверджений результатами її використання на одному з реверсивних стрічкопрокатних станів 200/600х400. Разом з тим, відсутність науково-обґрунтованих методів розрахунку й автоматизованого проектування даних конструкцій стримує їх широке впровадження стосовно до конкретних промислових виробництв.

Вибір напрямків і методів досліджень

З огляду на основні тенденції розвитку технологій і устаткування дільниці намотувально-натяжних пристроїв безперервних і реверсивних станів холодної прокатки, як пріоритетний напрямок їх теоретичних і експериментальних досліджень повинно бути використане рішення задач з розширення сортаменту, підвищення якості і зниження собівартості готової металопродукції, а також з одночасного зниження витрат матеріальних ресурсів. При цьому, виходячи з багатоцільової і багатофакторної постановки, в основу даних досліджень повинен бути покладений комплексний підхід, що припускає максимально повне охоплення як з погляду усіх наявних технологічних і конструктивних особливостей, так і з погляду об'ємів і ступеня вірогідності інформації, яка надається в цьому випадку.

Відповідно до викладеного вище теоретичні дослідження напружено-деформованого стану (НДС) холоднокатаних стрічок і штаб на дільниці намотувально-натяжних пристроїв та при їхній фіксації на барабані моталки були проведені з використанням методів теорії пружності і пластичності в їхній аналітичній і чисельній інтерпретаціях. В основу аналогічних досліджень точності геометричних характеристик, ступеня стабільності результуючих механічних властивостей, а також показників площинності і форми холоднокатаних стрічок і штаб були покладені методи теорії помилок, а також методи теорії імовірності і математичної статистики. Стосовно до автоматизованого проектування технологій і устаткування, що припускає постановку і рішення задач оптимізаційного плану, були використані елементи теорії дослідження операцій, а аналіз можливих технічних рішень з устаткування був проведений на основі результатів їх проектно-конструкторського пророблення.

Уточнення вихідних передумов, а також оцінка ступеня вірогідності отриманих теоретичних рішень і розроблених практичних рекомендацій були здійснені експериментально шляхом фізичного моделювання відповідних технологічних схем у лабораторних і промислових умовах. При цьому експериментальні дослідження НДС були проведені на основі методів тензометрії, а аналогічні дослідження основних показників якості - шляхом безпосереднього виміру геометричних характеристик і механічних властивостей, а також показників площинності і форми холоднокатаних стрічок і штаб.

Математичне моделювання напружено-деформованого стану і основних

показників якості холоднокатаних стрічок і штаб на ділянці

намотувально-натяжних пристроїв станів холодної прокатки

З погляду технологічних основ усі процеси, що реалізуються на ділянці намотувально-натяжних пристроїв, можуть бути зведені до процесу згинання холоднокатаних штаб 1 з розтягуванням. Зокрема, на ділянці між робочої кліттю 2 і першим обвідним роликом 3 штаба, що має вихідну поздовжню кривизну , отриману безпосередньо при холодній прокатці, під дією переднього натягування стає плоскою, потім на обвідних роликах 3 і 4, що мають радіуси, вона піддається вигину з розтягуванням на кривизну

,

знову стає плоскою на ділянці перед барабаном моталки 5 і, нарешті, піддається вигину з натягуванням при її формуванні в рулон 6 з поточним значенням радіуса. При цьому, внаслідок наявності додаткових пружно-пластичних деформацій на кожній з ділянок наявні відповідні збільшення відносних деформацій подовження і величини переднього натягування.

Відповідно до викладеного вище вся траєкторія переміщення штаби на ділянці намотувально-натяжних пристроїв була розбита на окремі -ті ділянки, які характеризуються відповідною кривизною середнього шару і взаємопов'язані між собою рекурентно вихідними та результуючими розподілами механічних властивостей, деформацій і напружень.

З метою подальшого вирішення розглянутої задачі здійснювали розбивку штаби з її товщиною на кінцеву кількість елементарних об'ємів з порядковими номерами і товщиною, при цьому лівий початковий і правий кінцевий поперечні граничні перетини кожного елементарного об'єму були охарактеризовані порядковими номерами і, а також відповідними значеннями поздовжньої кривизни і. Безпосередньо математичне моделювання НДС було здійснено на основі чисельного рекурентного вирішення кінцево-різничної форми умови статичної рівноваги кожного окремого -го виділеного елементарного об'єму:

(1)

де кількісні оцінки натягувань і згинаючих моментів визначали шляхом чисельного інтегрування як:

(2)

де - ширина стрічки чи штаби, що прокатується;

- нормальні осьові напруження розтягування чи стиску, що характеризуються кількісно відповідними показниками відносної деформації подовження, які, у свою чергу, визначали в залежності від показників кривизни, , відносної деформації розтягування для середньої за товщиною всієї штаби лінії течії і геометричної координати лінії течії, що є середньою за товщиною кожного окремого виділеного -го елементарного об'єму.

Рішення рівняння (1) було здійснено ітераційно шляхом цілеспрямованого змінювання показника відносної деформації. У міру збіжності ітераційної процедури визначали ступінь остаточної деформації і поточних значень напружень текучості, кількісні оцінки яких разом з іншими характеристиками були використані як умови зв'язку рекурентної схеми рішення:

(3)

Крім чисельного інтегрування (2), ітераційного рішення (1) і умов зв'язку (3) математична модель НДС холоднокатаних стрічок і штаб на ділянці намотувально-натяжних пристроїв містила в собі також і розрахунок сил, що діють на обвідні ролики 3, 4 і барабан моталки 5, кількісну оцінку ступеню використання запасу пластичності, розрахунок процесу пружного розвантаження і цілий ряд інших процедур. При цьому, крім реальної траєкторії деформаційного навантаження, використання саме чисельних кінцево-різничних підходів дозволило врахувати також і реальний характер деформаційного зміцнення матеріалу штаб, і наявність ефекту Баушингера.

Чисельні підходи були використані і стосовно до математичного моделювання основних показників якості готового металопрокату. Зокрема, математичне моделювання впливу рівнів і ступеня стабільності переднього і заднього технологічних натягувань було здійснено на основі методу передатних коефіцієнтів, які є одними зі складових диференціального рівняння точності. Безпосередньо ж кількісне визначення передатних коефіцієнтів було реалізовано шляхом відповідних збільшень натягувань, і наступного ітераційного рішення пружно-пластичної системи "робоча кліть - оброблювана штаба".

З використанням чисельної математичної моделі НДС (1)-(3) як цільової функції були розроблені програмні засоби з автоматизованого розрахунку таких результуючих показників площинності і форми, як хвилястість, коробоватість і серпастість холоднокатаних стрічок і штаб. Структурно даний автоматизований розрахунок містив у собі алгоритмічну послідовність виконання наступних основних процедур:

- у залежності від кількісних оцінок вихідних дефектів площинності і форми, отриманих безпосередньо при реалізації процесу холодної прокатки, визначали співвідношення початкових довжин волокон за боковими кромками, і за серединою ширини штаби, що прокатуються;

- з урахуванням відомих значень похибок виготовлення і монтажу механічного устаткування, які характеризуються кількісно кутами перекосу утворюючих поверхонь обвідних роликів 3, 4 і барабану моталки 5 у вертикальній і горизонтальній площинах, розраховували співвідношення довжин волокон за боковими кромками, і за серединою штаби в її навантаженому стані, а разом з цим визначали і відповідні напруження переднього натягування, і, що мають місце по бокових кромках і по середині ширини штаби на ділянці між робочими валками прокатного стану 2 і першим обвідним роликом 3;

- виходячи з відомих значень напружень, і розраховували НДС металу, визначаючи ступені остаточних деформацій, і для середніх за товщиною штаби волокон при її вигині з натягуванням на першому обвідному ролику;

- у залежності від відомих значень ступенів остаточних деформацій перераховували значення вихідних довжин волокон

а разом з ними і напруження, з урахуванням кількісних оцінок яких здійснювали математичне моделювання НДС за боковими кромками і середині штаби при її розтягуванні на першому обвідному ролику 3;

- аналогічно, тобто з урахуванням перерахунків довжин волокон і напружень на кожному з етапів здійснювали математичне моделювання процесів вигину і розтягування на другому обвідному ролику 4, а також процесу згинання безпосередньо на барабані моталки 5;

- і, нарешті, виходячи з розрахункових значень результуючих довжин волокон

здійснювали кількісну оцінку відповідних показників площинності і форми одержуваних стрічок і штаб. З використанням функціональних зв'язків

була вирішена і зворотна задача з автоматизованого розрахунку дефектів площинності і форми в залежності від перерозподілу напружень переднього натягування за шириною стрічок і штаб, що прокатуються, а отримані в цьому випадку результати можуть бути використані для кількісної оцінки показань стресометричних систем.

Математичне моделювання напружено-деформованого стану переднього кінця холоднокатаних стрічок і штаб при його фіксації механізмом затиску на барабані моталки

Як показали результати проведеного технологічного аналізу, безпосередня фіксація переднього кінця холоднокатаних штаб на барабані моталки конструкції АТ СКМЗ здійснюється за рахунок цілого ряду факторів, основними з яких є фрикційна взаємодія, пружно-пластичний вигин, а також можливе осаджування штаби і її подальше волочіння між кулачками торсіонно-важільно-кулачкового механізму затиску.

Аналітичні залежності з урахування впливу фрикційної взаємодії були отримані на основі спільного рішення диференціального рівняння умови статичної рівноваги виділеного елементарного об'єму переднього кінця утримуваної штаби і функціонального зв'язку нормальних і дотичних контактних напружень, прийнятого у вигляді закону Амонтона-Кулона. Аналіз фрикційної взаємодії на дугах охоплення був проведений з використанням відомої залежності Ейлера.

Урахування пружного чи пружно-пластичного вигину між кулачками механізму затиску і сегментами барабана, що є характерним при фіксації відносно товстих стрічок і штаб, було здійснено на основі визначення фактичної величини сумарного згинаючого моменту і відповідного йому значення осьової сили, необхідної для переміщення штаби.

Інженерний варіант методики розрахунку процесів осаджування штаби виступами кулачків та її наступного волочіння був реалізований шляхом спільного вирішення диференціального рівняння рівноваги, умови пластичності і функціонального зв'язку нормальних і дотичних контактних напружень. Крім того, з метою більш коректного урахування реального характеру розподілів геометричних параметрів, механічних властивостей і умов контактного тертя стосовно до процесів осадки і волочіння були розроблені і чисельні математичні моделі НДС, засновані на рекурентних рішеннях кінцево-різничних форм умови статичної рівноваги виділених елементарних об'ємів.

Результати розрахунку розглянутих технологічних схем при їх послідовній рекурентній організації і були використані для кількісної оцінки граничних рівнів технологічних натягувань, при яких надійна фіксація рулонів на барабані моталки забезпечується без попереднього підмотування декількох витків. Ці ж результати були використані як вихідні дані стосовно до автоматизованого розрахунку і проектування самої торсіонно-важільно-кулачкової системи механізму затиску переднього кінця штаби.

Аналіз отриманих у цьому випадку розрахункових розподілів показав, що зі зменшенням радіусів кривизни деформуючих виступів кулачкового сполучення припустимі за умовою забезпечення надійної фіксації рулону на барабані моталки значення технологічних натягувань зростають, особливо це помітно при затиску відносно товстих штаб з більш міцних матеріалів. У випадку ж фіксації відносно тонких штаб, а домінуючий вплив здійснює фрикційна складова. Відзначене свідчить про доцільність збільшення припустимих рівнів технологічних натягувань при фіксації відносно тонких стрічок і штаб не за рахунок зменшення радіуса кривизни виступів, а за рахунок збільшення сили притиснення, підвищення коефіцієнта контактного тертя і збільшення сумарного кута охоплення штабою деформуючих виступів.

Кількісно, як показали результати розрахунків, проведені стосовно до реальних умов реалізації фіксації торсіонно-важільно-кулачковим механізмом холоднокатаних штаб зі сталі 50, гранично припустимими за умови забезпечення надійного затиску переднього кінця без попереднього підмотування є питомі напруження переднього натягування, де більші значення цього діапазону відповідають меншим значенням радіусів кривизни деформуючих виступів і більшим значенням товщини стрічок і штаб, що намотуються.

Експериментальні дослідження технологій і устаткування, що використовуються на дільниці намотувально-натяжних пристроїв станів холодної прокатки.

Маючи на меті уточнення вихідних даних на проектування механічного устаткування дільниці намотувально-натяжних пристроїв, експериментальна оцінка різних методик з розрахунку тиску рулону на барабан моталки була проведена в умовах дослідно-промислового виробництва АТ СКМЗ із використанням спеціальної установки, що моделює в геометричному масштабі (1:2)…(1:4) цілий ряд типорозмірів намотувальних пристроїв конкретних промислових станів холодної прокатки. Безпосередній вимір тиску рулону на барабан моталки здійснювали за допомогою тензометричних датчиків опору, наклеєних на внутрішню поверхню приводного товстостінного циліндра, а тарировку вимірювальної схеми проводили шляхом подачі робочої рідини в герметичний кожух, встановлений на зовнішній поверхні порожнього циліндра. У ході проведення цих експериментальних досліджень як змінювані параметри були використані товщина () стрічок, що намотуються, а також їхній матеріал (сталь 08кп, сталь 45, латунь Л63) і інтегральна величина переднього натягування.

Аналіз отриманих у цьому випадку результатів показав, що найбільш точними, стосовно статистичної оцінки середніх вибіркових значень і співвідношення розрахункових і емпіричних величин тиску рулону на барабан

,

є методики М.С. Маранца () і А.В. Третьякова ().

Комплексна оцінка ступеня вірогідності математичних моделей НДС і основних показників якості була проведена при холодній прокатці на дослідно-промисловому стані 105/260х250 ДДМА щодо тонких сталевих (сталь 45;;) і латунних (Л63;;) стрічок з одночасним виміром їх результуючої серпастості. Величину переднього натягування в цьому випадку варіювали в діапазоні, а вихідну серпастість фіксованої величини на виході з робочих валків створювали шляхом примусового перекосу осей їх обертання у вертикальній площині. Імітацію ж похибок виготовлення і монтажу механічного устаткування дільниці намотувально-натяжних пристроїв здійснювали за допомогою спеціальних прокладок, що забезпечують необхідну величину перекосу утворюючих поверхонь обвідних роликів і у вертикальній, і в горизонтальній площинах. Середнє вибіркове значення відношення розрахункових і емпіричних величин результуючої серпастості

стосовно до всього дослідженого факторного простору в цьому випадку дорівнювало, а довірчий інтервал відповідав. Аналогічні результати були отримані і на ряді промислових станів Артемівського концерну “АЗОМ”.

І, нарешті, експериментальне дослідження процесу фіксації рулону на барабані моталки було проведено на базі стрічкопрокатного стану 100х100 ДДМА, вузол нижнього робочого валка якого був замінений спеціально виготовлену траверсу, що моделює торсіонно-важільно-кулачковий механізм затиску переднього кінця стрічок і штаб, що намотуються. Експериментальні значення питомих напружень переднього натягування, при яких надійна фіксація переднього кінця сталевих і латунних стрічок була збережена, досягала в цьому випадку, що співпадає з розрахунковими даними і підтверджує ефективність широкого використання даної конструкції та її модифікацій.

Розробка рекомендацій з удосконалення і програмних засобів з автоматизованого проектування технологій і устаткування дільниці намотувально-натяжних пристроїв станів холодної прокатки

Основним технологічним фактором, що характеризує ефективність роботи устаткування дільниці намотувально-натяжних пристроїв безперервних і реверсивних станів холодної прокатки, є рівні і ступінь стабільності натягувань стрічок і штаб, що прокатуються. При цьому, підвищення рівнів технологічних натягувань спричиняє як позитивні, так і негативні наслідки. Зокрема, реалізація даного заходу, як показали результати проведених теоретичних і експериментальних досліджень, є ефективною з погляду зниження рівнів енергосилових параметрів, інтенсифікації технологічних режимів обтиснень, зниження спадкової складової дефектів площинності і форми, поліпшення ступеня центрування стрічок і штаб під час прокатки, зниження імовірності їх бокового “викиду”, поліпшення якості сформованих рулонів і т.д.

З іншої сторони збільшення технологічних натягувань пов'язано з ускладненням і підвищенням вартості приводів і механічного устаткування намотувально-натяжних пристроїв, зі збільшенням імовірності обриву і створення аварійних ситуацій, зі збільшенням складових дефектів площинності і форми, обумовлених похибками виготовлення і монтажу механічного устаткування, зі зниженням можливостей візуального контролю таких дефектів, з підвищенням ступеня використання запасу пластичності матеріалів штаб, зі збільшенням імовірності додаткового травмування їхньої поверхні, а також із низкою інших негативних наслідків.

Відзначена суперечливість впливу технологічних натягувань робить актуальною постановку і вирішення задач з визначення їхніх ефективних рівнів, які найбільш повно відповідають особливостям конкретного промислового виробництва. Відповідно до цього були сформульовані і вирішені аналітично задачі з призначення максимально припустимих рівнів переднього натягування як з погляду зниження імовірності обривів, так і з погляду можливості візуального контролю дефектів площинності і форми. Відмінними рисами даних рішень є коректне урахування реального характеру перерозподілів напружень переднього натягування за шириною прокатуваної штаби, а також забезпечення відповідності основних показників якості готового металопрокату вимогам відповідних нормативних документів.

На основі розроблених математичних моделей НДС і основних показників якості, а також з використанням узагальненого критерію оптимальності, що припускає урахування за допомогою відповідних вагових коефіцієнтів всіх основних вимог щодо точності геометричних характеристик, показників площинності і форми, рівнів механічних властивостей і ступеня їхньої стабільності, питомої енергоємності і продуктивності, ступеня використання запасу пластичності і вартісних показників, сформульована і вирішена програмно задача з автоматизованого проектування ефективних рівнів технологічних натягувань відносно тонких стрічок і штаб при їх холодній прокатці.

Стосовно механічного устаткування дільниці намотувально-натяжних пристроїв аналогічні задачі були вирішені з погляду вибору раціональних значень радіусів обвідних роликів і барабанів моталок, а також з погляду призначення науково-обґрунтованих вимог щодо точності їхнього виготовлення і монтажу. Запропоновано і пророблено ряд технічних рішень, які є подальшим розвитком конструкцій барабанів моталок з торсіонно-важільно-кулачковим механізмом фіксації переднього кінця стрічок і штаб.

Висновки

У дисертації виконані нові науково-технічні розробки в сфері технологічних режимів роботи і конструкцій механічного обладнання дільниці намотувально-натяжних пристроїв станів холодної прокатки, спрямовані на вирішення актуальних задач з економії матеріальних ресурсів, розширення сортаменту, підвищення якості і зниження собівартості холоднокатаних стрічок і штаб різного призначення.

1. Подальший розвиток процесів промислового виробництва холоднокатаних стрічок і штаб нерозривно пов'язано з удосконаленням технологічних режимів роботи, складу і конструктивних параметрів механічного обладнання безперервних і реверсивних станів холодної прокатки, у тому числі і механічного обладнання дільниці намотувально-натяжних пристроїв. Відзначене робить актуальним розвиток відповідних методів автоматизованого розрахунку і проектування, а також розробку практичних рекомендацій, що забезпечують розширення сортаменту, підвищення якості і зниження собівартості готового металопрокату.

2. На основі рекурентних рішень кінцево-різничної форми умов статичної рівноваги виділених елементарних об'ємів уточнені і розширені в обсязі інформації, що надається математичні моделі напружено-деформованого стану холоднокатаних стрічок і штаб при їхньому формуванні в рулон на ділянці намотувально-натяжних пристроїв прокатних станів. Аналіз результатів чисельної реалізації отриманих математичних моделей показав, що ступінь додаткової відносної деформації подовження на цій ділянці може досягати, де великі значення зазначеного діапазону відповідають підвищеним рівням технологічних натягів і використанню напрямних роликів малого діаметра.

З. З використанням математичних моделей напружено-деформованого стану, методу передатних коефіцієнтів і додаткової розбивки за шириною штаби розроблені математичні моделі механізмів формування точності геометричних характеристик, а також показників площинності і форми стрічок і штаб, що прокатуються, при їхньому формуванні в рулон на ділянці намотувально-натяжних пристроїв. При цьому, поряд з вихідними дефектами, отриманими у осередку деформації власне процесу холодної прокатки, були враховані і похибки виготовлення та монтажу механічного обладнання даної дільниці, ступінь впливу яких зі збільшенням рівнів технологічних натягувань і зменшенням діаметрів обвідних роликів істотно зростає.

4. Стосовно до торсіонно-важільно-кулачкових механізмів затиску переднього кінця стрічок і штаб, що прокатуються, розроблені математичні моделі процесу фіксації рулонів на барабані моталки, кількісно показана можливість забезпечення надійної фіксації рулонів без попереднього підмотування декількох витків при наявності питомих напружень переднього натягування, що досягають () від напружень текучості матеріалів штаб, що прокатуються. Сформульовані рекомендації щодо подальшого удосконалення механізмів затиску даної конструкції.

5. Достатній ступінь вірогідності отриманих теоретичних рішень підтверджений експериментально, при цьому довірчий інтервал співвідношення розрахункових і емпіричних значень результуючої серпастості відповідав. На основі результатів експериментальних досліджень сформульовані рекомендації щодо вибору методик розрахунку тиску рулону на барабан моталки.

6. На основі результатів чисельної реалізації й отриманих математичних моделей встановлено, що крім зниження енергосилових параметрів і питомої енергоємності, розширення можливостей з інтенсифікації режимів обтиснень, зменшення спадкоємної складової дефектів площинності і форми, поліпшення якості сформованих рулонів і низки інших позитивних факторів підвищення рівнів технологічних натягувань призводить до ускладнення конструкцій намотувально-натяжних пристроїв, підвищення імовірності обривів стрічки, збільшення складових дефектів площинності і форми, привнесених похибками виготовлення і монтажу механічного обладнання, збільшення ступеня використання запасу пластичності матеріалів, що прокатуються і т.д. Зокрема, при збільшенні технологічних натягувань у 2 рази та інших однакових умовах ступінь використання запасу пластичності може зрости в 2...3 рази.

7. З урахуванням суперечливого впливу технологічних режимів натягування на основні техніко-економічні показники запропонований узагальнений критерій оптимальності, сформульована і вирішена програмно задача по автоматизованому проектуванню технологічних натягувань. Стосовно механічного обладнання дільниці намотувально-натяжних пристроїв станів холодної прокатки вирішені задачі з автоматизованого проектування основних конструктивних параметрів, а також з призначення науково обґрунтованих вимог щодо точності його виготовлення і монтажу. Розроблено технологічні і конструктивні рекомендації, спрямовані на розширення сортаменту, підвищення якості і зниження собівартості холоднокатаних стрічок і штаб різного призначення. Результати роботи у виді програмних продуктів, практичних рекомендацій і конкретних технічних рішень використані на АТ “Старокраматорський машинобудівний завод”, концерні “Артемівський завод обробки металів”, в Українському науково-дослідному інституті металургійного машинобудування й у Донбаській державній машинобудівній академії.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Теоретический анализ механизма зажима конца полосы на барабане моталки. / В.Ф. Потапкин, А.Н. Левкин, А.В. Сатонин, А.В. Герасименко; Донбас. гос. машиностроит. академия. - Краматорск, 1998. - 34с. - Библиогр.:15 назв.-Рус.-Деп. в ГНТБ Украины. 13.04.98, №176-Ук98. 33с.

2. Левкин А.Н., Герасименко А.В., Бондарев С.Н. Анализ факторов удержания полосы механизмом зажима новой конструкции // Совершенствование процессов и оборудования обработки давлением в металлургии и машиностроении. - Краматорск: ДГМА. - 1998. - С. 148-153.

3. Левкин А.Н., Герасименко А.В. Перспективные конструкции механизма зажима конца полосы на барабане моталки // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні. - Краматорськ: ДДМА. - 1999. - С. 203-205.

4. Сатонин А.В., Герасименко А.В., Саплин С.Ю. Математическое моделирование основных показателей плоскостности и формы холоднокатаных полос на основе показаний стрессометрических систем прокатно-отделочных агрегатов // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні. - Краматорськ: ДДМА. - 2000. - С. 350-352.

5. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния при реализации процесса правки растяжением / В.И. Дунаевский, В.И. Рындяев, А.В. Герасименко, С.Ю. Саплин, Ю.В. Фоменко, С.А. Колесников // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні. - Краматорськ-Слов'янськ: ДДМА. - 2000. - С. 97-102.

6. Экспериментальное исследование конструктивных параметров механического оборудования реверсивных станов холодной прокатки / В.Г. Пашков, И.А. Морозов, С.К. Добряк, А.В. Герасименко, М.Е. Кокотко, М.В. Федоринов // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні. - Краматорськ-Слов'янськ: ДДМА. - 2000. - С. 110-113.

7. Потапкин В.Ф., Герасименко А.В., Саплин С.Ю. Одномерное математическое моделирование напряженно-деформированного состояния холоднокатаных лент и полос при их формировании в рулон // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні. - Краматорськ: ДДМА. - 2001. - С. 481-484.

8. Математические модели по автоматизированному расчету процесса правки растяжением листового металлопроката / В.Д. Нотченко, А.И. Рындяев, А.Б. Егоров, А.В. Герасименко, С.Ю. Саплин // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні. - Краматорськ-Хмельницький: ДДМА. - 2002. - С. 244-250.

9. Герасименко А.В., Саплин С.Ю., Черненко П.П. Методы расчета показателей формы и плоскостности относительно тонких лент и полос с учетом их формирования в рулон на станах холодной прокатки // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні. - Краматорськ-Хмельницький: ДДМА. - 2002. - С. 268-273.

10. Выбор рациональных уровней технологических натяжений при прокатке и отделке относительно тонких холоднокатаных лент / В.Д. Нотченко, С.К. Добряк, А.В. Герасименко, С.Ю. Саплин // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні. - Краматорськ: ДДМА. - 2003. - С. 189-192.

Анотація

Герасименко О.В. Удосконалення технологічних режимів та конструктивних параметрів намотувально-натяжних пристроїв станів холодної прокатки.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук 05.03.05 “Процеси та машини обробки тиском”. - Донбаська державна машинобудівна академія, Краматорськ, 2003.

Дисертація присвячена розвитку методів розрахунку й автоматизованого проектування, а також розробці практичних рекомендацій з удосконалення технологічних режимів і конструктивних параметрів механічного обладнання дільниці намотувально-натяжних пристроїв станів холодної порулонної прокатки відносно тонких стрічок і штаб.

У роботі на основі рекурентних рішень кінцево-різничної форми умов статичної рівноваги виділених елементарних об'ємів розширені й уточнені чисельні математичні моделі напружено-деформованого стану механізму формування основних показників якості холоднокатаних стрічок і штаб на дільниці намотувально-натяжних пристроїв безперервних і реверсивних прокатних станів.

З використанням елементів теорії пружності і пластичності розроблена математична модель торсіонно-важільно-кулачкового механізму затиску переднього кінця штаби на барабані моталки, що відрізняється своєю відносною простотою і забезпечує надійну фіксацію рулону без попереднього підмотування декількох витків.

На основі результатів теоретичних і експериментальних досліджень виявлений характер впливу, сформульовані і вирішені задачі з автоматизованого проектування технологічних режимів роботи і конструктивних параметрів механічного обладнання намотувально-натяжних пристроїв, сформульовані практичні рекомендації, спрямовані на підвищення техніко-економічних показників роботи безперервних і реверсивних станів холодної прокатки.

Ключові слова: процес холодної порулонної прокатки, технологія, обладнання, намотувально-натяжні пристрої, механізм затиску, напруження, деформації, якість, автоматизоване проектування , рекомендації, удосконалення.

Аннотация

Герасименко А.В. Совершенствование технологических режимов и конструктивных параметров намоточно-натяжных устройств станов холодной прокатки.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 "Процессы и машины обработки давлением". - Донбасская государственная машиностроительная академия, Краматорск, 2003.

Диссертация посвящена развитию методов расчета и автоматизированного проектирования, а также разработке практических рекомендаций по совершенствованию технологических режимов и конструктивных параметров механического оборудования участка намоточно-натяжных устройств станов холодной порулонной прокатки относительно тонких лент и полос.

В работе на основе рекуррентных решений конечно-разностной формы условий статического равновесия выделенных элементарных объемов расширены и уточнены численные математические модели напряженно-деформированного состояния механизма формирования основных показателей качества холоднокатаных лент и полос на участке намоточно-натяжных устройств непрерывных и реверсивных станов холодной прокатки.

С использованием метода передаточных коэффициентов и численного итерационного решения упругопластической системы “рабочая клеть - прокатываемая полосы” разработаны программные средства по количественной оценке влияния уровней и степени стабильности технологический натяжений на точность геометрических характеристик готового металлопроката.

Полученные математические модели напряженно-деформированного состояния, будучи организованными в соответствии с дополнительным разбиением по ширине, были использованы в качестве целевых функций при разработке математический моделей по прогнозированию дефектов плоскостности и формы холоднокатаных лент и полос, учитывающих наличие погрешностей изготовления, монтажа и настройки как основного, так и вспомогательного оборудования станов холодной прокатки. Дана количественная оценка степени влияния погрешностей изготовления и монтажа направляющих роликов и барабанов моталок в зависимости от их конструктивных параметров и уровней технологических натяжений.

...