Технология трубопрокатных агрегатов с пилигримовым станом в производстве труб появилась порядка 120 лет назад. Такое оборудование до сих пор используется на трубных предприятиях. В мире эксплуатируются около 50 трубопрокатных установок с пилигримовыми станами, 12 из которых производят трубы диаметром более 406 мм [1].
В технической литературе с достаточной полнотой рассмотрен технологический процесс и энергосиловые характеристики периодической горячей прокатки труб на пилигримовых станах, называемых также пильгерстанами. В известных работах отечественных ученых представлены силовые условия процесса деформации заготовки, позволяющие определить усилия и моменты при прокатке в зависимости от заданных характеристик процесса, параметров инструмента и свойств деформируемого металла. Однако существует значительный дефицит информации о работоспособности оборудования пильгерстанов. В этом плане большой интерес представляют сведения о нагруженности главной линии, в частности крутящие моменты и их соотношения на шпинделях рабочих валков с учетом динамических нагрузок. Тяжелый динамический режим работы основного оборудования, необходимость расширения сортамента, марок стали и типоразмеров заказываемых труб, совершенствование технологии, в том числе уточнение коэффициентов обжатия и вытяжек, определяют необходимость прогнозной оценки работоспособности оборудования. В этих условиях была поставлена задача широкого изучения энергосиловых фактических характеристик стана путем натурных замеров на существующих маршрутах прокатки.
Главный приводной механизм таких станов включает в себя электродвигатель постоянного тока, снабженный массивным маховиком для защиты от пиковых нагрузок, и сообщающий движение валкам одновременно каждой из двух рабочих клетей через коренной вал, шестеренные клети и карданные универсальные шпиндели. Периодический динамический характер взаимодействия валков с заготовкой существенно влияет на характер нагружения шпинделей. Наличие больших маховых масс основного приводного механизма валков, значительные мощности холостого хода и влияние массивного маховика исключают реальную оценку нагруженности каждого из шпинделей по электрическим показателям главного двигателя. В связи с этим выполнены тензометрические замеры крутящих моментов на каждом из двух шпинделей при прокатке труб из конструкционных и легированных сталей по характерным маршрутам. Синхронная запись результатов измерений крутящих моментов на шпинделях рабочих валков и характеристик подающего аппарата является основанием для определения условий циклического взаимодействия основных исполнительных механизмов и поиска рациональных управляющих параметров.
В установившемся процессе пилигримовой прокатки за каждый оборот валков осуществляется полный цикл обжатия шаговой части заготовки. При этом согласно данным работ [1, 2], изменение момента при прокатке имеет куполообразный характер, а максимальные значения достигаются в конце обжимного участка при угле поворота валков на 0,45-0,60 рад, превышая начальные значения на 15-20%. Однако практические измерения крутящих моментов на шпинделях рабочих валков каждой из двух клетей показали существенные отличия, как в характере изменения, так и в начальных значениях крутящих моментов, зарегистрированных с помощью тензодатчиков, от моментов, которые рассчитываются из условия взаимодействия формообразующей поверхности рабочих валков с прокатываемым металлом.
В процессе испытаний было прокатано несколько десятков заготовок из различных сталей по семи маршрутам прокатки с одновременной регистрацией усилий и напряжений на валах шпинделей, на штоке подающего аппарата, а также давления в тормозной камере подающего аппарата. Прокатка на пильгерстане осуществлялась при углах кантовки гильзы 70°-75° с подачей за цикл около 15-20 мм.
Анализ результатов исследования свидетельствует о том, что максимальные значения крутящих моментов имеют нестационарный характер в период установившегося процесса прокатки [3]. При прокатке заготовки из нержавеющей стали математическое ожидание максимального крутящего момента на нижнем, наиболее нагруженном шпинделе по 113 циклам (затравочный режим был исключен) составило 1630 кН&#;м при общем диапазоне изменений моментов от 500 до 2350 кН&#;</FONT>м. Из результатов измерений следует, что крутящие моменты существенно изменялись в процессе установившегося режима прокатки (от 600 кН<FONT FACE="Symbol">&#;</FONT>м в начале до 2325 кН<FONT FACE="Symbol">&#;</FONT>м в конце) на нижнем шпинделе и от 500 до 1690 кН<FONT FACE="Symbol">&#;</FONT>м – на верхнем шпинделе. При этом 75% максимальных значений приходятся на диапазон 1300-2100 кН<FONT FACE="Symbol">&#;</FONT>м и 50% случаев – на диапазон 1600-2100 кН<FONT FACE="Symbol">&#;</FONT>м. Случаи превышения максимальных значений крутящих моментов значений 1700 кН<FONT FACE="Symbol">&#;</FONT>м составили 37% и только 14% зарегистрированных на нижнем шпинделе не превышали 1000 кН<FONT FACE="Symbol">&#;</FONT>м. Завышенные значения крутящих моментов приходятся на последнюю треть периода прокатки, что можно отнести к снижению температуры за время прокатки одной гильзы.<P> Выполнена сравнительная оценка предельно допустимых нагрузок по условию усталостной прочности шпиндельных узлов со значениями крутящих моментов, зарегистрированных при прокатке труб по характерным маршрутам. Показано, что по условию длительной усталостной прочности предельно допустимые нагрузки применяемых универсальных шпинделей рабочей клети не должны превышать 1600 кН<FONT FACE="Symbol">&#;</FONT>м. Эти значения положены в основу настройки предохранительных устройств и разработаны рекомендации по дальнейшему увеличению нагрузочной способности соединительных валов.<P> При пилигримовой прокатке бесшовных труб цикл деформации гильзы периодически осуществляется за один оборот валков с переменным радиусом калибра, причем направление вращения валков противоположно направлению подачи гильзы, т.е. особенно важно теоретически оценить условия захвата металла валками, закономерности формирования мгновенного очага деформации, и изменения скорости перемещения гильзы, а также уровень динамических нагрузок в линии привода пилигримового стана. Отсутствие точного метода определения параметров мгновенного очага деформации при пилигримовой прокатке затрудняет оценку имеющихся приближенных решений.<P> Уравнение движения гильзы при её захвате имеет вид:<P> <A HREF="images/6f76df53.gif" TARGET="_blank"><IMG src="https://articles-static-cdn.moluch.orgimages/6f76df53.gif" NAME="Графический объект1" ALIGN=ABSMIDDLE WIDTH=295 HEIGHT=35 BORDER=0></A>, (1)<P> где <A HREF="images/m6aa70cf0.gif" TARGET="_blank"><IMG src="https://articles-static-cdn.moluch.orgimages/m6aa70cf0.gif" NAME="Графический объект2" ALIGN=ABSMIDDLE WIDTH=13 HEIGHT=22 BORDER=0></A> – вес гильзы и дорна, кН;<P> <A HREF="images/570958e3.gif" TARGET="_blank"><IMG src="https://articles-static-cdn.moluch.orgimages/570958e3.gif" NAME="Графический объект3" ALIGN=ABSMIDDLE WIDTH=14 HEIGHT=22 BORDER=0></A> – скорость перемещения гильзы, м/с;<P> <A HREF="images/m1cceea63.gif" TARGET="_blank"><IMG src="https://articles-static-cdn.moluch.orgimages/m1cceea63.gif" NAME="Графический объект4" ALIGN=ABSMIDDLE WIDTH=12 HEIGHT=22 BORDER=0></A> – переменный радиус бойковой части валка, м;<P> <A HREF="images/4e0738e7.gif" TARGET="_blank"><IMG src="https://articles-static-cdn.moluch.orgimages/4e0738e7.gif" NAME="Графический объект5" ALIGN=ABSMIDDLE WIDTH=11 HEIGHT=22 BORDER=0></A> – дуга соприкосновения металла с валками, рад;<P> <A HREF="images/36e47186.gif" TARGET="_blank"><IMG src="https://articles-static-cdn.moluch.orgimages/36e47186.gif" NAME="Графический объект6" ALIGN=ABSMIDDLE WIDTH=18 HEIGHT=22 BORDER=0></A> – касательное контактное сопротивление, МПа;<P> <A HREF="images/5ed3e32.gif" TARGET="_blank"><IMG src="https://articles-static-cdn.moluch.orgimages/5ed3e32.gif" NAME="Графический объект7" ALIGN=ABSMIDDLE WIDTH=19 HEIGHT=22 BORDER=0></A> – нормальное напряжение, МПа;<P> <A HREF="images/45284306.gif" TARGET="_blank"><IMG src="https://articles-static-cdn.moluch.orgimages/45284306.gif" NAME="Графический объект8" ALIGN=ABSMIDDLE WIDTH=12 HEIGHT=22 BORDER=0></A> – угол захвата, рад.<P> Скорость гильзы и угол <A HREF="images/4e0738e7.gif" TARGET="_blank"><IMG src="https://articles-static-cdn.moluch.orgimages/4e0738e7.gif" NAME="Графический объект9" ALIGN=ABSMIDDLE WIDTH=11 HEIGHT=22 BORDER=0></A> связаны зависимостью [2]:<P> <A HREF="images/m664d31b2.gif" TARGET="_blank"><IMG src="https://articles-static-cdn.moluch.orgimages/m664d31b2.gif" NAME="Графический объект10" ALIGN=ABSMIDDLE WIDTH=133 HEIGHT=33 BORDER=0></A>, (2)<P> Подставив зависимость (2) в уравнение (1) получим дифференциальное уравнение для <A HREF="images/4e0738e7.gif" TARGET="_blank"><IMG src="https://articles-static-cdn.moluch.orgimages/4e0738e7.gif" NAME="Графический объект11" ALIGN=ABSMIDDLE WIDTH=11 HEIGHT=22 BORDER=0></A>:<P> <A HREF="images/408d4fc4.gif" TARGET="_blank"><IMG src="https://articles-static-cdn.moluch.orgimages/408d4fc4.gif" NAME="Графический объект12" ALIGN=ABSMIDDLE WIDTH=125 HEIGHT=35 BORDER=0></A>, (3)<P> где <A HREF="images/7a41ea9d.gif" TARGET="_blank"><IMG src="https://articles-static-cdn.moluch.orgimages/7a41ea9d.gif" NAME="Графический объект13" ALIGN=ABSMIDDLE WIDTH=180 HEIGHT=46 BORDER=0></A>, (4)<P> Общее решение уравнения (3) имеет вид<P> <A HREF="images/6e6a4de8.gif" TARGET="_blank"><IMG src="https://articles-static-cdn.moluch.orgimages/6e6a4de8.gif" NAME="Графический объект14" ALIGN=ABSMIDDLE WIDTH=221 HEIGHT=22 BORDER=0></A>.<P> Начальные условия: <A HREF="images/3795bcbd.gif" TARGET="_blank"><IMG src="https://articles-static-cdn.moluch.orgimages/3795bcbd.gif" NAME="Графический объект15" ALIGN=ABSMIDDLE WIDTH=42 HEIGHT=22 BORDER=0></A>, <A HREF="images/70f3da6e.gif" TARGET="_blank"><IMG src="https://articles-static-cdn.moluch.orgimages/70f3da6e.gif" NAME="Графический объект16" ALIGN=ABSMIDDLE WIDTH=45 HEIGHT=22 BORDER=0></A>, <A HREF="images/m6b02e645.gif" TARGET="_blank"><IMG src="https://articles-static-cdn.moluch.orgimages/m6b02e645.gif" NAME="Графический объект17" ALIGN=ABSMIDDLE WIDTH=63 HEIGHT=33 BORDER=0></A>,<P> где <A HREF="images/m15cd8614.gif" TARGET="_blank"><IMG src="https://articles-static-cdn.moluch.orgimages/m15cd8614.gif" NAME="Графический объект18" ALIGN=ABSMIDDLE WIDTH=22 HEIGHT=22 BORDER=0></A> – угловая скорость валка, 1/с.<P> С учетом начальных условий зависимость для определения дуги соприкосновения металла с валками принимает вид:<P> <A HREF="images/m4ed0c2fd.gif" TARGET="_blank"><IMG src="https://articles-static-cdn.moluch.orgimages/m4ed0c2fd.gif" NAME="Графический объект19" ALIGN=ABSMIDDLE WIDTH=117 HEIGHT=32 BORDER=0></A>, (5)<P> отсюда<P> <A HREF="images/4d3eb7cd.gif" TARGET="_blank"><IMG src="https://articles-static-cdn.moluch.orgimages/4d3eb7cd.gif" NAME="Графический объект20" ALIGN=ABSMIDDLE WIDTH=130 HEIGHT=33 BORDER=0></A>. (6)<P> С учетом (6) зависимость для определения скорости гильзы принимает вид:<P> <A HREF="images/m14c1873e.gif" TARGET="_blank"><IMG src="https://articles-static-cdn.moluch.orgimages/m14c1873e.gif" NAME="Графический объект21" ALIGN=ABSMIDDLE WIDTH=204 HEIGHT=22 BORDER=0></A>. (7)<P> Расчет параметров механической системы пилигримового стана показал, что отношение массы якоря двигателя и маховика к суммарной массе системы, которое называют коэффициентом распределения масс, близка к единице. В связи с этим амплитуда колебаний якоря и маховика в десятки раз меньше амплитуды колебаний валка, а переходный процесс захвата гильзы валками может без больших погрешностей рассматриваться как упругие колебания приведенной массы валка относительно якоря двигателя и маховика, вращающихся с постоянной скоростью.<P> Для одномассовой расчетной модели дифференциальное уравнение движения валка при наличии упругой связи в переходной стадии захвата имеет вид:<P> <A HREF="images/m7a541fb5.gif" TARGET="_blank"><IMG src="https://articles-static-cdn.moluch.orgimages/m7a541fb5.gif" NAME="Графический объект22" ALIGN=ABSMIDDLE WIDTH=216 HEIGHT=22 BORDER=0></A>, (8)<DL> <DT> где <A HREF="images/m72e3f3ff.gif" TARGET="_blank"><IMG src="https://articles-static-cdn.moluch.orgimages/m72e3f3ff.gif" NAME="Графический объект23" ALIGN=ABSMIDDLE WIDTH=7 HEIGHT=22 BORDER=0></A> – момент инерции валка, т·м<SUP>2</SUP> (кН·м·с<SUP>2</SUP>);<DT> <A HREF="images/m30dbe745.gif" TARGET="_blank"><IMG src="https://articles-static-cdn.moluch.orgimages/m30dbe745.gif" NAME="Графический объект24" ALIGN=ABSMIDDLE WIDTH=13 HEIGHT=22 BORDER=0></A> – угол поворота валка, рад;<DT> <A HREF="images/m43c9b865.gif" TARGET="_blank"><IMG src="https://articles-static-cdn.moluch.orgimages/m43c9b865.gif" NAME="Графический объект25" ALIGN=ABSMIDDLE WIDTH=13 HEIGHT=22 BORDER=0></A> – угловое ускорение валка, с<SUP>-2</SUP>;<DT> <A HREF="images/529bf4b.gif" TARGET="_blank"><IMG src="https://articles-static-cdn.moluch.orgimages/529bf4b.gif" NAME="Графический объект26" ALIGN=ABSMIDDLE WIDTH=9 HEIGHT=22 BORDER=0></A> – жесткость упругой связи, кН·м.<DT> Подставив <A HREF="images/4e0738e7.gif" TARGET="_blank"><IMG src="https://articles-static-cdn.moluch.orgimages/4e0738e7.gif" NAME="Графический объект27" ALIGN=ABSMIDDLE WIDTH=11 HEIGHT=22 BORDER=0></A> из (5) в уравнение (8) получим:</DL> <P> <A HREF="images/m645259bc.gif" TARGET="_blank"><IMG src="https://articles-static-cdn.moluch.orgimages/m645259bc.gif" NAME="Графический объект28" ALIGN=ABSMIDDLE WIDTH=287 HEIGHT=32 BORDER=0></A>, (9)<DL> <DT> <A HREF="images/m5fc28b18.gif" TARGET="_blank"><IMG src="https://articles-static-cdn.moluch.orgimages/m5fc28b18.gif" NAME="Графический объект29" ALIGN=ABSMIDDLE WIDTH=181 HEIGHT=22 BORDER=0></A>, (10)<DT> где <A HREF="images/m53a2e601.gif" TARGET="_blank"><IMG src="https://articles-static-cdn.moluch.orgimages/m53a2e601.gif" NAME="Графический объект30" ALIGN=ABSMIDDLE WIDTH=57 HEIGHT=46 BORDER=0></A>, с<SUP>-1</SUP>; <A HREF="images/m2a44fe5c.gif" TARGET="_blank"><IMG src="https://articles-static-cdn.moluch.orgimages/m2a44fe5c.gif" NAME="Графический объект31" ALIGN=ABSMIDDLE WIDTH=99 HEIGHT=37 BORDER=0></A>, с<SUP>-2</SUP>. (11)</DL> <P> Общее решение дифференциального уравнения (10):<P> <A HREF="images/10cf9e16.gif" TARGET="_blank"><IMG src="https://articles-static-cdn.moluch.orgimages/10cf9e16.gif" NAME="Графический объект32" ALIGN=ABSMIDDLE WIDTH=338 HEIGHT=35 BORDER=0></A>. (12)<P> С учетом начальных условий: <A HREF="images/3795bcbd.gif" TARGET="_blank"><IMG src="https://articles-static-cdn.moluch.orgimages/3795bcbd.gif" NAME="Графический объект33" ALIGN=ABSMIDDLE WIDTH=42 HEIGHT=22 BORDER=0></A>, <A HREF="images/mc561ffc.gif" TARGET="_blank"><IMG src="https://articles-static-cdn.moluch.orgimages/mc561ffc.gif" NAME="Графический объект34" ALIGN=ABSMIDDLE WIDTH=48 HEIGHT=22 BORDER=0></A>, <A HREF="images/m7fd94395.gif" TARGET="_blank"><IMG src="https://articles-static-cdn.moluch.orgimages/m7fd94395.gif" NAME="Графический объект35" ALIGN=ABSMIDDLE WIDTH=48 HEIGHT=22 BORDER=0></A>, решение уравнения (10) принимает вид:<P> <A HREF="images/m2ecdf609.gif" TARGET="_blank"><IMG src="https://articles-static-cdn.moluch.orgimages/m2ecdf609.gif" NAME="Графический объект36" ALIGN=ABSMIDDLE WIDTH=258 HEIGHT=36 BORDER=0></A>. (13)<P> Динамический момент крутильных колебаний<P> <A HREF="images/m68db49f1.gif" TARGET="_blank"><IMG src="https://articles-static-cdn.moluch.orgimages/m68db49f1.gif" NAME="Графический объект37" ALIGN=ABSMIDDLE WIDTH=269 HEIGHT=36 BORDER=0></A>. (14)<P> <BR /> <P>Заключение<P> На основе теоретического исследования динамики захвата гильзы валками пилигримового стана разработана методика расчета максимальных динамических нагрузок, возникающих в линии привода пилигримового стана, при мгновенном приложении нагрузки.<P> Выполненные измерения позволили установить значения показателей работы исполнительных и приводных устройств пильгерстана, дать их оценку и выработать рекомендации о направлениях совершенствования оборудования, настройки и управления станом.<P> <BR /> <P>Литература: <OL><LI><P> Шевакин Ю.Ф., Коликов А.П., Райков Ю.Н. Производство труб. М.: Интермет Инжиниринг, 2005. 564 с.<LI><P> Целиков А.И. Теория расчета усилий в прокатных станах. М.: Металлургиздат, 1962. 494 с.<LI><P> . Измерение нагрузок на шпинделях валков пильгерстана / Чечулин Ю.Б. [и др.] // Металлург. 2007. №6. С.47-49.</OL>
