На рынке потребления трубной продукции особое место занимают трубы специального назначения. К ним относятся трубы из металлов со специальными свойствами, с повышенными требованиями по точности обработки, в большинстве своем тонкостенные. Основными потребителями подобных труб являются предприятия авиационно-космической (трубопроводы гидравлической аппаратуры и топливных систем летательных аппаратов), атомной (тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы), трубы систем водоснабжения 1-го и 2-го контуров), химической (коррозионностойкие трубы химических производств), энергетической (трубы систем охлаждения генераторов, трубы паровых котлов и т. д) и автомобильной (трубки тормозных магистралей и топливопроводы) отраслей промышленности [1]. В связи с интенсивным развитием этих отраслей, являющихся «локомотивами» прогресса, потребность в трубах год от года возрастает. Соответственно прогнозируется и рост производства труб, составной частью которого является производство холоднокатаных труб (Рис.в.1.) [2].
2005 2006 2007 2008 2009 2010 2015.
Год.
Рис. в. 1 Объем производства труб в РФ (прогноз).
Одним из основных способов изготовления труб данного класса является прокатка на станах периодической холодной прокатки труб с клетями валкового (станы ХПТ) и роликового (станы ХПТР) типов. Холоднокатаные трубы являются самой высококачественной продукцией трубного производства [3].
Процесс холодной периодической прокатки труб валками (пилигримовая прокатка) был изобретен в 1928 г. в США. В СССР первые отечественные станы ХПТ УЗТМ-40 и УЗТМ-65 были изготовлены в 19 361 937 гг. Но они имели существенные конструктивные недостатки, поэтому в 1937 г. у фирмы «Тьюб Редьюсинг Ко» (США) было куплено несколько станов «Рокрайт» для Никопольского южнотрубного завода [4].
Из-за высокой потребности отечественной промышленности в холоднокатаных трубах 1948 г. на УЗТМ было создано специализированное конструкторское бюро по проектированию станов ХПТ. В 1950;1953 гг. для трубных заводов СССР и ряда стран Европы была изготовлена серия станов ХПТ первой модели: ХПТ 32−1- ХПТ 55−1- ХПТ 75−1. Эти станы имели ряд преимуществ перед станами «Рокрайт». В частности, они имели усиленные станины рабочих клетей (при незначительном увеличении веса), более высокую степень механизации, увеличенную длину хода рабочей клети, что увеличивало их производительность. Основным недостатком станов ХПТ первой модели стала низкая надежность и долговечность механизмов подачи и поворота труб [5].
В 1957 г. производство станов ХПТ было передано ЭЗТМ. В 1958;1990 гг. ЭЗТМ выпустил несколько серий станов различных моделей: от ХПТ 32 до ХПТ 450. Эти станы отличались от станов первой модели и друг от друга не только более высокой степенью механизации, но и более высокой надежностью наиболее ответственных узлов и существенным расширением диапазона размеров прокатываемых труб (от 32 до 450 мм.).
В 1940;х годах, в СССР, началось усиленное развитие атомной промышленности. «Сердцем» реактора является набор тепловыделяющих сборок (TBC), образуемых тепловыделяющими элементами (ТВЭЛ — ами). Единичный ТВЭЛ представляет собой тонкостенную трубу, в которую помещены «таблетки» ядерного топлива. К трубам ТВЭЛ — ов предъявляются жесткие требования в части их надежности при работе в условиях высоких температур и давлений. В то же время трубы должны быть точными и тонкостенными, так как от этого зависит КПД реактора.
Существовавшие в то время на заводах технологии и оборудование (валковые станы холодной периодической прокатки и волочильные станы) не могли обеспечить выдвигаемых требований ни по тонкостенности труб, ни по точности размеров и чистоте поверхности. Необходимо было создать новый способ производства холоднодеформированных труб, позволяющий изготавливать трубы высокого качества при отношении диаметра к толщине стенки, равном 100 и выше.
Эта работа была поручена ЦКБММ. В 1949 г. А. И. Целиков и В. В. Носаль предлагают принципиально новый способ холодной прокатки труб, получивший название роликового [6,7].
Рис. в. 2 Станы ХПТР в трубном цехе На основе этого нового способа во ВНИИМЕТМАШ под руководством В. В. Носаля и В. А. Вердеревского был создан ряд роликовых станов холодной прокатки труб диаметром от 8 до 120 мм: ХПТР 8−15. ХПТР 60 120 для трубных заводов СССР и зарубежных стран (Рис.в.2) [8]. Затем, по 6 чертежам ВНИИМЕТМАШ, Алма-атинским заводом тяжелого машиностроения было изготовлено более 300 таких станов, в том числе более 120 станов для промышленно-развитых стран.
В настоящее время отечественный парк станов ХПТ и ХПТР составляет около 300 единиц. Большинство из них морально и физически устарели и не удовлетворяют предъявляемым требованиям по производительности, качеству получаемых труб и экологическим нормам. Кроме того, в соответствии с энергетической стратегией развития РФ, планируется строительство новых и завершение строительства ряда энергоблоков АЭС [9]. Стратегия развития Объединенной авиастроительной и Объединенной судостроительной корпораций, также предусматривает реализацию ряда масштабных проектов, что повлечет за собой рост потребности в трубах данного класса [10]. В связи с этим, с 90-х годов XX века актуален вопрос об обновлении трубопрокатного парка российских заводов с увеличением производительности трубных цехов и улучшением качества прокатываемых труб.
Среди зарубежных производителей станов ХПТ и ХПТР выделяется фирма «SMS Mannesmann Meer Gmbh» (Германия), a среди отечественныхОАО АХК «ВНИИМЕТМАШ» г. Москва и АО «ЭЗТМ» г. Электросталь. При этом в России первенство в создании станов ХПТ малого и среднего типоразмеров (для труб наружным диаметром от 5 до 60 мм) принадлежит ОАО АХК «ВНИИМЕТМАШ» [12].
Фирмой «SMS Mannesmann Meer» созданы станы KPW, отличительными особенностями которых являются высокая скорость движения рабочей клети (до 350 дв. ходов в мин.) и малая величина подачи трубы за двойной ход клети (до 4 мм). Главный привод стана (выполненный на постоянном токе), ввиду его высокой быстроходности, оснащен сложной системой динамического уравновешивания, а для обеспечения высокой скорости и точности срабатывания механизмов подачи-поворота в них использованы системы сервоприводов.
ОАО АХК «ВНИИМЕТМАШ» созданы станы ХПТ, особенностями которых являются средняя скорость движения рабочей клети (до 140 дв. ходов в мин.) и значительная величина подачи трубы за двойной ход клети (до 15 мм). При такой скорости движения рабочей клети в главном приводе стана не возникают весьма значительные динамические нагрузки, I упрощается система уравновешивания.
АО «ЭЗТМ» созданы станы ХПТ со скоростью движения рабочей клети до 220 дв. ходов в мин и величиной подачи трубы за двойной ход клети до 20 мм [13]. Главный привод, оснащенный системой горизонтального уравновешивания, выполнен от двигателя постоянного тока. В механизмах подачи-поворота труб используется привод постоянного тока с эпициклическим преобразователем непрерывного вращения в прерывистое [14].
Станы КР¥и ХПТ производства АО «ЭЗТМ» из-за увеличенной быстроходности главного привода имеют повышенную сложность и металлоемкость конструкции, что влечет за собой значительное увеличение цены. Станы ХПТ конструкции ОАО АХК «ВНИИМЕТМАШ» имеют уменьшенную металлоемкость конструкции, а значит и значительно дешевле станов КРУ. Однако ограниченная быстроходность механизмов станов ХПТ приводит к отставанию от станов по производительности. При производстве наиболее востребованных труб из нержавеющих сталей диаметром от 6 до 60 мм производительность станов КР\^ составляет от 200 до 450 м/час. Станы ХПТ аналогичных типоразмеров конструкции АХК «ВНИИМЕТМАШ» имеют производительность от 100 до 200 м/час [15]. Отставание в производительности значительно снижает конкурентоспособность станов ХПТ 6−15. ХПТ 30−60, выпускавшихся до 2007 г.
В 2007 г. между ФГУП «РФТР» и ОАО АХК «ВНИИМЕТМАШ» был заключен договор о разработке опытных образцов 3-х типоразмеров станов ХПТ нового поколения. Станы нового поколения должны были отличаться повышенной надежностью и производительностью относительно станов предыдущих поколений, и должны были обладать высокой степенью автоматизации технологического процесса. Кроме того, требовалось создать стан со сниженными удельными затратами на производство единицы продукции по сравнению с импортными прокатными станами. Создание стана нового поколения требует разработки соответствующей системы электропривода и автоматики.
Эта важная для отечественной промышленности задача не может быть решена повторением решений зарубежных производителей станов ХПТ, т.к. это сопряжено с изготовлением сложных высокоточных механических конструкций, применением большого количества комплектующих изделий иностранного производства и воспроизводством технологических решений, ранее не применявшихся в отечественном машиностроении. Всё это значительно увеличит стоимость станов, и лишит их конкурентных преимуществ перед станами зарубежных производителей.
Сравнительные характеристики станов ХПТ предыдущего и нового поколений одинаковых типоразмеров и аналогичных станов АО «ЭЗТМ» и немецкой фирмы «SMS Mannesmann Meer» приведены в табл.в. 1.
Таблица в. 1.
Тип стана ХПТ 6−15 образца 1999 г. ХПТ 20 АО «ЭЗТМ» образца 2006 г. KPW 25 «SMS Meer» образца 2006 г. ХПТ 6−20 образца 2007 г. (новое поколение).
Технологические параметры.
Размеры заготовки, мм: диаметр наружный толщина стенки длина 10.20 1,0.4,0 3000.6000 1020 1,0.5,0 1500.8000 10.25 1,0.5,0 3000.5000 10.26 1,0.4,0 2500.7000.
Размер готовой трубы, мм: диаметр наружный толщина стенки — длина (тах) 6.15 0,8.2,5 20 000 5.15 0,3.2 32 000 6.20 0,5.2,5 20 000 6.20 0,5.2,5 30 000.
Конструктивные параметры.
Число двойных ходов клети в минуту, шах 100 260 320 140.
Величина подачи трубы за один двойной ход клети, мм до 5 до 15 до 8 до 10.
Величина угла поворота трубы, град. до 90 до 51 до 90 до 90.
Максимальная производительность До 150 До 200 До 300 До 250.
Общие данные.
Мощность электродвигателя главного привода, кВт 30 55 55 <25.
Суммарная установленная мощность электродвигателей, кВт 55 100 120 <45.
Таким образом, анализируя табл.в.1, можно сделать вывод, что стан ХПТ 6−20 образца 2007 г. должен приблизиться по производительности к стану KPW 25. При этом стан ХПТ 3-го поколения имеет в 3 раза меньшее энергопотребление, легче немецкого стана примерно в 2 раза и, следовательно, дешевле. Дополнительным преимуществом станов ХПТ производства АХК «ВНИИМЕТМАШ» является отсутствие заглубления фундамента относительно нулевой отметки. Установка станов на полу цеха позволяет значительно сэкономить на проведении монтажных работ. Всё это позволяет надеяться, что станы ХПТ нового поколения составят успешную конкуренцию продукции ведущих фирм — производителей подобного оборудования.
Для понимания сути основных решений, предлагаемых на станах ХПТ нового поколения, следует подробно рассмотреть технологический процесс холодной прокатки труб.
Процесс холодной прокатки труб характеризуется весьма благоприятной, с точки зрения использования пластичности металла, схемой напряженного состояния — всесторонним сжатием. Это позволяет достигать очень больших деформаций, не опасаясь разрушения металла трубы.
Поэтому холодной прокатке подвергают главным образом трубы из нержавеющих и высоколегированных сталей, обладающих пониженной пластичностью, малопластичных цветных металлов и сплавов, а также трубы ответственного назначения.
1 Направление I Вил поперечного движения I сечения трубы клети.
О о О о о.
Заднее положение Переднее положение клети клети.
Рис. в. 3 Схема прокатки труб на стане ХПТ Прокатку труб на стане ХПТ (Рис.в.З) осуществляют двумя рабочими валками — 2, которые вместе с рабочей клетью совершают возвратно-поступательное движениепри этом валки одновременно совершают и возвратно-вращательное движение, за счет передачи рейка — шестерня, между валками и неподвижной рейкой, закрепленной на станине. Труба 5 деформируется валками в калибрах на неподвижной конической или параболической оправке 3, закрепляемой на стержне 4. Когда валки находятся в крайнем заднем положении I (а), заготовка 5 подается вперед. В крайнем переднем положении валков II (б) происходит поворот трубы вокруг оси на угол 10.90°. Когда валки вместе с клетью займут вновь крайнее переднее положение I (а), снова происходит подача заготовки, и цикл повторяется. За каждый цикл получают определенную длину готовой трубы 6. В этом и состоит периодичность работы стана ХПТ. На стане ХПТ можно получить тонкостенные трубы с соотношением толщины стенки к диаметру примерно Коэффициент вытяжки (увеличения длины готовой трубы по сравнению с трубой-заготовкой) на стане ХПТ может достигать значений 8.10.
Процесс прокатки трубы на стане ХПТР происходит аналогичным образом, за исключением того, что прокатываемая труба обжимается на цилиндрической оправке, и конструкция клети существенно отличается от клети стана ХПТ. В отличие от прокатки на стане ХПТ вытяжка трубы на стане ХПТР происходит в основном за счет уменьшения толщины стенки, а не за счет уменьшения диметра готовой трубы относительно трубы-заготовки. На стане ХПТР получают прецизионные особотонкостенные трубы с отношением толщины стенки к диаметру до у^-.
В дальнейшем будет рассматриваться только стан ХПТ, так как в общем случае, прокатка труб на станах ХПТ и ХПТР осуществляется одинаково. На станах имеется оправка, которую необходимо удерживать в очаге деформации между валками (или роликами) рабочей клети. Для этого, оправка крепится к стержню, который при прокатке зажимается в начале стана патроном зажима стержня. Трубы, предварительно смазанные изнутри, поочередно одеваются через предварительно разжатый патрон зажима стержня на стержень оправки. После того, как задний конец трубы окажется впереди патрона зажима стержня, труба зажимается по наружной поверхности в патроне зажима трубы. Патрон зажима трубы периодически подает заготовку вперед на определенное расстояние, вдоль оси стержня, когда валки рабочей клети находятся в соответствующем положении.
Зажатая труба и стержень оправки поворачиваются на определенный угол за каждый двойной ход рабочей клети. После того как патрон подачи дойдет до своего крайнего положения, он отводится в исходное положение и загружается следующая труба. Когда передний конец трубы сходит с оправки, он зажимается передним патроном зажима трубы, находящимся в голове стана. Это необходимо для того, чтобы при прокатке следующей трубы (трубы прокатываются стык в стык), переднюю трубу не бросило бы вперед во время очередной подачи. Таким образом, на стане ХПТ присутствуют 3 основных движения:
Возвратно — поступательное движение рабочей клети с рабочими валками (главное движение стана).
Поступательное прерывистое движение патрона (патронов) подачи заготовки.
Вращательное движение заготовки и оправки.
Приоритетной задачей при создании станов ХПТ нового поколения снижение удельных затрат на единицу продукции по отношению к станам зарубежных производителей. Кроме того, новая система электропривода и автоматики для стана ХПТ должна обеспечить увеличение на —30% часовой производительности новых станов относительно станов предыдущих поколений. Основными направлениями совершенствования станов ХПТ являются повышение производительности, надежности и безотказности в работе, а также создание стана с минимальными эксплуатационными затратами на единицу производимой продукции.
Повышение производительности станов может осуществляться путем увеличения величины подачи за один двойной ход, повышением скорости движения рабочей клети и переходом на непрерывную подачу труб (работой стана без остановки на «перезарядку»). Это решение требует создания новой механической конструкции стана ХПТ с двумя патронами подачи трубы и двумя патронами поворота стержня оправки, для обеспечения непрерывной подачи трубы. Наличие нескольких патронов подачи и поворота трубы и оправки приводит к необходимости создания многодвигательного привода подачи и поворота и требует синхронизации работы всех входящих в его состав приводов.
Увеличение величины подачи за один двойной ход рабочей клети осуществляется увеличением величины единичной подачи или осуществлением подачи 2 раза за один двойной ход рабочей клети, т. е подачей в обоих крайних положениях рабочей клети. Это требует внесения существенных изменений в системы электропривода и автоматики.
Увеличение скорости рабочей клети требует внесения значительных изменений в механическую конструкцию главного привода, т. к при работе кривошипно-шатупного механизма на высоких скоростях, для обеспечения надежности работы деталей, требуется динамическое уравновешивание возвратно-поступательно движущихся масс [11].
Повышение надежности и безотказности в работе осуществляется, прежде всего, уменьшением деталей, работающих в динамических режимах, и испытывающих значительные перегрузки [16].
Создание стана с минимальными эксплуатационными затратами на единицу производимой продукции подразумевает снижение установленной мощности электроприводов, снижение затрат на обслуживание оборудования за счет применения малообслуживаемого оборудования и создание системы автоматического управления станом, позволяющей сократить количество обслуживающего персонала, и дающей возможность одному оператору обслуживать несколько станов.
Оптимальным решением для станов нового поколения видится комбинация всех принципов совершенствования станов ХПТ.
Для создания электропривода стана ХПТ нового поколения требуется основательная теоретическая база. Единственным очевидным теоретическим решением, вытекающим из вышеприведенного обзора, является утверждение о том, что разрабатываемый электропривод должен быть многодвигательным, с разделенными приводами перемещения рабочей клети, приводами подачи и поворота труб, синхронизированными между собой. Ряд других теоретических вопросов, таких создание методик расчета мощностей соответствующих приводов, синтез оптимальной структуры системы управления станом ХПТ и т. д. также требуют своего решения.
Таким образом, целью настоящей работы является создание теоретической базы для разработки многодвигательного электропривода стана ХПТ нового поколения.
Достижение этой актуальной для отечественной промышленности цели потребовало решения следующих задач:
1. Анализ требований к электроприводам стана ХПТ нового поколения.
2. Создание методик расчета мощностей двигателей приводов, с учетом особенностей их работы.
3. Синтез регуляторов координат электроприводов, обеспечивающих желаемые показатели качества движений подачи и поворота труб.
4. Синтез эффективной структуры системы управления электроприводами для многодвигательного привода.
5. Экспериментальная проверка предлагаемых теоретических решений для многодвигательиого электропривода станов ХПТ нового поколения.
Решению вопросов 1.4 будут посвящены главы 1.3, а экспериментальные исследования синтезированных приводов будут рассмотрены в главе 4.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Результаты анализа требований к много двигательному электроприводу для стана ХПТ.
2. Методика расчета мощности двигателя главного привода с учетом влияния знакопеременных нагрузок и снижения жесткости механической характеристики двигателя как средства оптимизации параметров привода.
3. Методика расчета мощности двигателей позиционных приводов стана ХПТ с учетом большого числа включений приводов и преобладания динамической нагрузки над статической.
4. Результаты синтеза структуры системы управления стана ХПТ нового поколения.
5. Результаты экспериментальных исследований разработанных приводов для станов ХПТ нового поколения.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, ее научная и практическая значимость. Поставлены цели и задачи исследования. Рассмотрен принцип работы стана холодной прокатки труб, приведены характеристики отдельных механизмов, входящих в состав стана. Проведен обзор существующих аналогов станов различных производителей.
Определены — недостатки в конструкциях станов, препятствующие достижению цели работы.
В первой главе приведены теоретические вопросы разработки главного привода стана ХПТ. Проведен анализ требований к приводу, разработана методика расчета мощности двигателя главного привода, с учетом особенностей его работы. Обоснована необходимость и приведены рекомендации по выбору жесткости механической характеристики приводного двигателя, как средства оптимизации параметров привода.
Во второй главе приведены теоретические вопросы разработки позиционных приводов (приводы подачи трубы и приводы поворота трубы и стержня оправки) стана ХПТ. Проведен анализ требований к этим приводам, разработана методика расчета мощностей двигателей позиционных приводов, с учетом уточненных требований к ним. Обоснована необходимость и приведены рекомендации по учету потерь в механических передачах от динамического момента привода. Приведены результаты моделирования синтезированного привода.
В третьей главе приведена структура системы управления многодвигательным приводом стана ХПТ. Обоснована необходимость и предложена к применению архитектура централизованной системы управления с набором промышленных интерфейсов связи.
В четвертой главе приведены результаты экспериментальной проверки теоретических результатов работы в промышленных условиях. Дана оценка полученных практических результатов. Показано, что достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается сопоставлением теоретических и экспериментальных результатов. Практическая ценность:
• Разработанные методики расчета мощности двигателей главного привода и позиционных приводов, а также предложенные структуры систем управления индивидуальными приводами и станом в целом, обеспечивают промышленное их применение на станах ХПТ нового поколения.
• Результаты работы уже внедрены на пяти станах ХПТ, поставленных с 2007 г. по 2010 г. на трубные заводы РФ, Украины, Японии, Индии.
• В результате внедрения результатов работы максимальная производительность новых станов ХПТ (по производству труб из нержавеющих сталей) выросла, по сравнению со станами предыдущего поколения, в 1,5. .2 раза.
Публикации. Основные научные результаты диссертации доложены и обсуждены на XIII и XV Международных научно — технических конференциях студентов и аспирантов (Москва, 2007, 2009 г.), на конференции «Будущее машиностроения» (Москва, МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2009 г.), на 14-й научно — технической конференции по проблемам автоматизированного электропривода (г. Тула, ТГУ, 2010 г.).
Основное содержание работы опубликовано в 6 печатных трудах. Получен патент РФ № 2 352 415 на полезное изобретение.
7. Результаты работы использованы при создании пяти станов ХПТ нового поколения, находящихся в эксплуатации, и обеспечивающих в 1,5. 2 раза большую производительность относительно станов предыдущих поколений.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
1. Выработаны требования к многодвигательному приводу для стана ХПТ нового поколения.
2. Разработана методика расчета мощности главного привода станов ХПТ нового поколения, учитывающая влияние жесткости механической характеристики привода на требуемую мощность двигателя. Показано, что при снижении жесткости механической характеристики привода требуемая мощность двигателя может быть снижена более чем на 30% относительно привода с абсолютно жесткой механической характеристикой.
3. Разработана методика расчета мощности позиционных приводов для станов ХПТ нового поколения с уточненным учетом потерь в динамических режимах, доля которых, в общей установленной мощности привода может достигать 20%.
4. Выработаны рекомендации по синтезу и выбору параметров регуляторов координат электроприводов подачи и поворота труб, которые позволили реализовать весь объем требований к динамике позиционных приводов стана.
5. Предложена структура управления многодвигательным приводом, обеспечивающая выполнение всего объема технологических функций.
6. Проведена экспериментальная проверка теоретических результатов.
