автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Развитие и применение методов исследования и методов улучшения листовой прокатки на основе системного подхода

о 4 1 9'1*

Уральский политехнический институт им. С. М. Кирова

яа правах рукописи

ЗАВЕРЮХА ВИКТОР НИКИТОВИЧ

РАЗВИТИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ И МЕТОДОВ УЛУЧШЕНИЯ ЛИСТОВОЙ ПРОКАТКИ НА ОСНОВЕ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА

05.16.05 -Обработка металлов давлением

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Ф.

Свердловск 1990

Работа выполнена на кафедре обработки металлов давлением в Магнитогорском горно-металлургическом институте

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Доктор технических наук, профессор ХЛОПОНИН Виктор Николаевич Доктор технических наук, профессор ХАЙКИН Борис Ефимович Доктор технических наук, профессор КОНОВАЛОВ Юрий Вячеславович

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ - Центральный научно-исследовательский инст

Защита состоится в 14 часов 7 декабря 1990 года на заседании специализированного совета Д.063.14.02 при Уральском поли техническом институте, 620002, г.Свердловск, К-2

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского политехнического института.

Автореферат разослан ноября_______1990 года

Ученый секретарь

специализированного совета, , ¡¡¡щ^ Владислав пп«тпп тйгшшрг-кит наук. «_____1С;____...

тут черной металлургии им.И.П.Бардина

доктор технических наук, профессор

Александрович

(

общая характерна иш. РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ работы обусловлена тем, что народнохозяйственные проблемы увеличения производства стального листа, расширения его сортамента, повышения качества, уменьшения себестоимости могут быть решены лишь на основе научных исследований и научных разработок способов и устройств листовой прокатки, прежде всего на основе исследований и разработок взаимодействий в системе "Ваяки-полоса" (СВП). Эти народнохозяйственные задачи отражены всесоюзными, республиканской и отраслевой научно-техническими программами: "Металл", "Валок", "Датчик", "Машина непрерывного литья заготовки - стан горячей прокатки", тематике которых соответствует наша работа.

НАУЧНАЯ ПРОБЛЕМА состоит п развитии и применении методов исследования и методов улучшения валков и полосы (инструмента и пластически формоизменяемого тела). Такая проблема актуальна для всех видов обработки металлов давлением.

Решение этой проблемы в диссертации осуществлено созданием методологии исследования и методологии улучшения систем "валки-полоса" на основе общенаучной методологии системного подхода, разработкой и применением системы методов исследования из пяти групп методов моделирования и двух групп методов классифицирования разработкой и применением систем методов улучшения из пяти групп, разработкой 38 новых методов моделирования 27 классификаций, разработкой 72 новых способов и устройств листовой прокатки. НА ЗАЩИТУ вынесены следупцие научные результаты: - вариант системного подхода для разработки методов исследования и методов улучшения способов и устррйств листовой прокатки, основан гый на принципах характаризации, организации и эволщии

гааГСГЮГШ]

ллтш

Отдел

«овртаци*

с ис теш "клеть-полос а";

- 15 новых методов моделирования геометрических и силовых состояний полос, 22 новых способов и устройств для их улучшения;

- 26 новых методов моделирования геометрических, силошх, тепловых, фрикционных состояний валков, 46 ношх способов и устройств для их улучшения;

- 12 таксономических и 12 мерономических классификаций полос и валков по геометрическим, силовым, тепловым и фрикционным состоянием;

- определение и кодирование способов прокатки по кинематическим признакам, способов листовой прокатки по энергетическим признакам;

- 9 новых явлений в системе "валки-полоса", обнаруженные методами моделирования.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА результатов определяется новизной предложенного варианта системного подхода, новизной методологий исследования и улучшения способов и устройств листовой прокатки, новизной методов и результатов исследования и улучшения листовой прокатки.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ результатов определяется новыми возможностями: математического моделировании неплоскостности и раз-нотолщинности при холодной и горячей прокатке с учетом деформаций, разогрева и износа валков; Математического моделирования жидкостного трения; мерономического-классифицирован»«, кодирования и генерир'овання множеств способов прокатки.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ результатов состоит: в возможности создании аналогичных методологий и методоэ для исследования и улучшения других способов и устройств обработки металлов давлением; в возможности использования разработанных методов модели-

рованот и моделей для расчетов; в возможности использования разработанных измерительных и технологических устройств в проектах; в практической реализации новых способов и устройств на металлургических заводах (в частности, на Магнитогорском и Череповецком комбинатах), с экономическим эффектом более 340 тысяч рублей.

СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ определена разделами, соответствующими: I - разработке методологии исследования и улучшения; 2 и 3 - применению этих методологий к исследованию и улучшению геометрических и силовых состояний полос; 4,5,6,7 - геометрических, силошх, тепловых и фрикционных состояний валков. Одинаковые для каждого из секи разделов подразделы в соответствии с предлагавши вариантом системного подхода соответствует: 2,3,4,5,6 - разработке и применению натурного, физического, аналогового, аналитического, цифрового моделирования; 7,8 - разработке и применению таксономического и мерономического моделирования; 9 - анализу задач улучшения листовой прокатки; 10,11,12,13,14 - разработке и применению методов улучшения оптимизацией и изменением множеств: элементов, состояний элементов, преобразований сочетаний, связей элементов системы; 1,15 - предисловию и послесловию раздела. Оп--ределеннае таким образом сто пять (7x15) подразделов вместе с введением и выводами изложены на 443 страницах с 235 рисунками, 25 таблицами, 331 библиографической ссылкой, в том числе, на 100 работ автора.

Мы благодарны уважаемым коллегам из Магнитогорска, Челя-¡инска, Свердловска, Москвы, Днепропетровска, Ленинграда, Липец-;а, Донецка, Череповца, Коммунарска, Теыир-Тау, Запорокья, Ново-ибирска, Харькова, Алма-Аты, Новокузнецка за участка, помощь н :ригику. Мы признательны профессору Скороходопу Николаю Ь'фимови-у?неиьленно поддерживавшему нащу убежденность в необходимости

развития методов исследования и методов улучшения способов и устройств листовой прокатки на основе системного подхода.

ВВЕДЕНИЕ

Разработка методов исследования и методов улучшения должна быть основана на общенаучной методологии, следующей принципам диалектического материализма, к использованию которых в металлургии призывали А.Л.Байков, И.М.Павлов. Таким принципом, пригодным для явного использования философских знаний в науке,, оказался философский принцип системности - структурно и функционально представлять всякий объект целостным, внутренне упорядоченным, организованным, эволюциониругацим. В науке этот принцип реализуется трудами отечественных и зарубежных ученых кал системный подход, определяемый в работах Всесоюзного научно-исследовательского института Системных исследований АН СССР как общенаучное методологическое направление, связующее звено между общефилософской методологией и методологией специальных наук, продукт исторического развития общенаучной методологии.

На первом этапе становления системного подхода к исследованию взаимодействия между валками и полосой В.Е.Грум-Гржимайло, Н.С.Верещагин, А.Ф.Родзевич-Белевич, С.И.Губкин, Э.Зибель, ВЛюэг, Е.Орован, А.Надаи рассматривали сумму независимых воздействий полосы на валки. Эти упрощения (заменившие в предмете исследования причинно-следственные связи между валками и полосой причинно-следственными сьязями ь обособленных элементах) оказались полезными для создания Т.Карманом, А.ИДеликовым, А.П.Чекмаре-выи, В.С.Смирновым теории прокатки, обеспечившей современное состояние устройств и способов прокатки.

На втором этапе становления системного подхода в предмете

исследования непосредственно отражена взаимообусловленность состояний валков и полосы. Первой реализацией такого отражения следует считать формулу А.Э.Головина, послужившую основой современной теории точности прокатки. Известны другие исследования взаимодействий в системе "валки-полоса": работа Д.Хичкока, В.П.Полухина, С.П.Ериыенко, Д.Дкортнера, Ы.Стоуна, Н.Я.Бровмана, о силовых и геометрических состояниях на контакте вапка и полосы, работа А.П.Грудева, В.Л.Колмогорова, Г.Л.Колмогорова, ВЛЛ'азу-ра, В.К.Белосевича, В.А.Николаева, В.Т.Тилика, В.Робертса, М.Кок-рофта, Б.Авицура о взаимодействии валкой, смазки и полосы, работы Л.М.Агеева, В.Г.Скницына и Н.Б.Судакова о взаимодействии полосы и валков с различными окружными скоростями, работа Г.П. Ивалцова о температурах к прпкснтактшх областях валка и полосы. Последняя работа ввела в теорию прокатки тепловые взаимодействия, подробно изученные А.В.Третьяковым, З.Л.Гарбером, А.Н.Шич-ковым, С.Ясухиро. На этом этапе роль системного подхода была усилена переходом от1, исследования отдельных машин и устройств к их комплексам в работах II.Н.Дружинина, В.Н.Выдрина, В.Хессен-берга. Эффективность систем "валки-полоса" (СВП) оценили И.И.Не--еровкч, Ю.Д.Нелезнов, В.И.Мелешко, П.И.Денисов, В.С.Горелик, В.Я.Тшпков, В.М.Луговской, Ю.В.Коновачов - соответствием стандартам геометрических и механических параметров листов, Г Д. Колмогоров, А.А.Богатов, В.Н.Перетятько - реализуемостью прокатки по ресурсу пластичности материала. Методология улучшения СВП была дополнена на этом этапе Г.Л.Химичеы и З.Е.Ериклинцевым методами оптимизации значений состояний элементов системы.

На третьем этапе становления системный подход явно проявил сейя требованиями объявить используемуя концепцию системы, согласно ; гой концепции объявить объект исследования системой л полученный таким образом предмет исследования изучить как систем!'.

Анализ СВП системы "валки-пел ос а" дополнен тэхникс-экономшески-ми, динамическими, экологическими оценками. Улучшение СВП дополнено синтезом систем автоматического управления. Варианты концептуализированного системного подхода разработаны и использованы в докторских диссертациях для исследования, анализа и улуч-' пения: станов горячей прокатки - Г.Г.Григоряном, технологических линий прокатных цехов - О.Н.Кукушкиным, инструмента и полосы при волочении труб - B.C.Паршиным, многоеортаментной продольной прокатки - Б.Е.Х&йкиным. "Системное расчленение" объектов исследования, анализа и улучшения на взаимодействующие элементы использовано в докторских диссертациях В.В.Ыельцером, В.Н.Хлопониным, Ф.Н.Иванченко, Б.Г.Дукмасовым, А.Н.Левановым, СЛ.Коцарем, I.A. Кузнецовым.

Наши притязания на организацию четвертого этапа становления системного подхода к исследованиям СВП следуют необходимости определить и уточнить содержание и объем понятия предмета исследования и представить его не только целостным и внутренне упорядоченным (что было сделано на третьем этапе), но также организованным (внешне упорядоченным) и эволюционируицим (упорядоченным во времени), как того требует философский принцип'системности. Для этого сформулированы методологические принципы характериза-ции,организации и эволюции.

Методология исследования системы, следующая этим принципам, выделяет пять типов (натурного, физического, аналогового, аналитического, цифрового) методов моделирования и два типа (таксономический и ыероноыический) методов классифицирования.

Методология улучшения системы, следующая принципу характерна ации системы пятью множествами (элементов, состояний элемент тов, значений состояний элементов,'преобразований состояний элементов, взаимодействий элементов), кроме оптимизации(улучшения

значении состояний элементов)выделяет еще четыре типа методов улучшения.

I. МЕТОДОЛОГИЯ CÍE ТЕМНОГО ПОДХОДА ДЛЯ

ШС1ВД0ВАНШ АНАЛИЗА И УЛУЧШЕНИЯ ВАЛКОВ И ПОЛОСЫ ПРИ ЛИСТОВОЙ ПРОКАТКЕ

I.I. 3 предлагаемом варианте системного подхода системой считаем множество взаимодействующих элементов и представление этого множества на основании принципов характеризации, организации и эволюции.

Принцип характеризации требует определения система пятью множествами:- элементов, - состояний элементов (величин), - значений состояний, - преобразований состояний, - взаимодействий элементов (структуры системы).Одна и та же система (объект) допускает различные субъективные характеризации. Приведены примеры описания множеств, характеризующих систему "валок-полоса".

Принцип организации требует, чтобы система состояла из подсистем и сама была подсистемой некоторой надсистеш, которая задает системе целевые состояния и требуемые их значения (цели).

Принцип эволюции требует, чтобы система возникала из предыдущей системы и превращалась в следующую, то есть была элементом некоторого множества (последовательности, филогенетического ряда), тоже образующего систему.

Система может быть исследована как множество взаимодействующих элементов (моделированием) и как элемент эволгционирующего множества (классифицированием).

Анализ системы состоит в выявлении модуля разности между текущим и требуемым значениями целевого состояния и в ¡определении чувствительности значений целевых состояний к изменениям множеств

пяти типов, характеризующих систему.

Улучшение системы (уменьшение модуля разности между текущим и требуемым значениями целевого состояния) состоит в изменении пяти типов множеств, характеризующих систему.

1.2-6. Определены понятия пяти видов моделирования: натурного, когда объект моделирования является своей моделью; физического, когда объект отличается от модели размерами и значениями свойств материалов; аналогового, когда модель и объект разной физической природы описывают одним и тем же дифференциальным уравнением; аналитического, когда модель - математическое выражение; цифрового, когда модель - программа для цифровой вычислительной машины. Эти виды моделирования взаимодействуют друг с другом, образуя систему.

1.7. Огределено понятие таксономического классифицирования -расчленения множества на непересекающиеся подмножества - классы, Таксон определяет объем понятия выделенного класса СБП. Относим к таксону СВП с одинаковыми целевыми состояниями.

1.8. Определено понятие ыероноыического классифицирования, когда классы соответствуют совокупностям существенных признаков -меронов, определяющих понятия СВП. Класс может быть определен как таксон и как мерон, поэтому он устанавливает связь между целевыми состояниями, характерными для таксона и между существенными для их достижения признаками (мнокествами характеризации) мерона. Эта связь объективна и повторяется при классифицировании множества СВП различными исследователями, т.е. представляет собой закономер ность. Выявление таких закономерностей должно стать одной из зада теории прокатки. Эта закономерность (классификация) может быть представлена матрицей нщиденций (соответствий)т мерономичегких признаков в ее строках п. таксономическими признаками в ее столбцах. Единица на пересечении I -й строю! и I -го столбца будет оз-

начать, что Ь -й признак существенен для достиженияу-го требуемого значения целевого состояния, ноль - несущественен.

1.9. Поназано, что анализ требует целеполагания (при выделении системы в надсистеме) и целеописания преобразованием состояний элементов в целевые состояния системы.

1.10-14. Определены понятия пяти типов улучшения систем изменением характеризующих систему множеств: - элементов, - состояний элементов, - значений этих состояний (оптимизации),- преобразований состояний, - взаимодействий элементов. Математические методы пока разработаны для одного типа улучшения - оптимизации.

Принцип организации позволяет представить регулятор как один из элементов системы, введенный для отрицательной обратной связи по стабилизируемому целевому состоянии. Любые элементы системы, обеспечивающие такую связь, считаем регуляторами. Объективно существующая система может быть субъективно представлена достаточно большим числом элементов, чтобы некоторые из них осуществляли отрицательные обратные связи по целевому состоянию системы. Требуемая стабильность значешм целевого состояния будет достигнута увеличением передаточных коэффициентов этих связей без объективного введения в систему новых регулирующих элементов. Поиск необходимых обратных связей можно вести на множестве вариантов харак-теризации СВП и на множестве элементов эволюционирупцего множества, генерируемого изменением признаков СШ. Это предложение дополняет известные концепции саморегулирования положением о возможности поиска полезных отрицательных обратных связей в разных субъективных представлениях (разных характеризециях) одной н той же системы.

1.15. Для разработки и применения ме-одоь улучшения и методов исследования СВП (рис.1) выявлено пять типов методов моделирования, два - классифицирования, пять типов методов улучшения СВП.

^/^^уелироеан!^^

предмет исследования Спонашие)

Концептуальная схема предлагаемого варианта системного подхода

Рис.1 .

мереном из

2. ИССЛЕДОВАНИЕ, АНАЛИЗ И УЛУЧШЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ СОСТОЯНИЙ ПОЛОСЫ

2.1. Определены основные геометрические состояния полосы, математические и графические средства их выражения.

2.2. Разработан метод натурного моделирования неплоскостности вертикально подвешенных холоднокатаных листов, частично опущенных в воду с тонким слоем парафина. Измерения профилей застывших пластин парафина выявили возможность аппроксимации поверхностей коробоватых и волнистых полос двойными рядами Фурье.

Условием корректности измерений шероховатости на профиломет-рах предложено считать эргодичность случайной функции, определяемой представительной выборкой профилограмм. Введены новые понятия : значения эргодичности (отношение фактической и требуемой ■ погрешностей измерения) и критерий эргодичности (близость этого отношения к I).

2.3. Физическим моделированием на свинцовых пластинах потери устойчивости толстых полос при боковых обжатиях было установлено, что уменьшение усилия возникает позже появления изгиба.

Для физического'моделирования изменения шероховатости полосы от обжатия на одной и тсй же траектории ощупывания сконструирована и изготовлена новая конструкция профилографа с круговой в плане траекторий щупа, что обеспечивает стационарность реализуемой профилограммой случайной функции. Получены автокорреляционные и спектральные функции круговых профилограмм при реальных обжатиях, смазках, микроструктурах материалов образцов при осадке плоскими полированными плитами.

2.1. Аналоговым моделированием поля электрических потенции-

лов на интеграторе ЭГДА (электрогидродинамической аналогии) определяли потециальные составляющие полей скоростей при двумерной прокатке толстых алюминиевых и свинцовых полос. Полные поля скоростей определяли методом сеток векторами в 182 узлах. Вихревые составляющие полей скоростей определяли вычитанием из полных полей их потенциальных составляющих. 'Обнаружено, что в продольном вертикальном сечении полосы поле вихревой составляющей образовано четырьмя вихрями (четырьмя системами замкнутых линий тока), что в объеме полосы соответствует двум тороидальным вихрям.

2.5. Предложена цифровая модель продольной разнотолщинности с непосредственным заданием 'возмущений в конечно-разностной модели толщины. Использование моделей для организации поставок листов по теоретическому весу на стане "2500" горячей прокатки Магнитогорского металлургического комбината далэ акономический эффект 230 тысяч рублей в год.

Предложена цифровая модель поперечного сеченш полосы в клети после прокатки партии листовI , представленного вектором/^-, компонентами которого будут толщины в равноотстоящих по ширине точках ^

где - вектор зазора между валками до прокатки партии £ ;

/9— векторы абразивного, теплового, силового воздействий на векторы профилей валков ЯНв расстояние между параллельными осями которых равно матрицы изнашиваемости, разогреваемссти, податливости пар валков,

% = В~ ^-'/«Г Ь-д+йАЬ-у , С2)

где Л/; - матрица жесткости полосы; (Ну-Нф - вектор обкатий по ширине. Неявное матричное уравнение I требует решения методом неподвижной точки с регуляризацией по Тихонову.

2.6. Разработана теория неплоскостности полос при холодной прокатке от неравенства вытяжек по ширине полосы, основанная на утверждении, что непосредственной причиной неплоскостности является поле продольных нормальных компонентов остаточных напряжений, определяемое модулем упругости материала полосы £ , распределением по ширине х. полосы погонных "пластических" штяжеких средним значением(фактической вытяжкой полосы).

■ (4)

Использован метод Тимошенко-Ритца для отыскания поля упругих перемещений по минимуму работа, совершаемой полем напряжений. Если при заданном поле остаточных напряжений работа Т перемещений в срединной плоскости листа будет больше работы V изгиба, произойдет потеря устойчивости плоской формы полосы. А *ШнЦ

где Д - длина "полуволны неплоскостности"; ¡г,В- средняя толщина и ширина полосы;'

прогиб полосы в точке с координатами . При параболическом распределении толщин по ширине подката и готового листа Н(х) = Н-'(Ч<?Н18л)х* /1[х)=к-(Л18г)х* (7) где Ник - толщиш посередине полосыих разности между серединой и краем, $1[к» ^ - относительные поперечные

разнотолщинности, и при форме изогнутой поверхности

где/ГС и п - число волн неплоскостности поперек и вдоль листа, условие устойчивости к короблению получим в виде неравенства

НОМОГРАММА ОПРЗДЕЛЕНШ ВЕШИН КОРОБОВАТОСТИ ПРИ ИЗВШТШХ ВЕЛИЧИНАХ ПОПЕРЕННОГО СЕНЕНШ И НЕПОСТОЯШТВА Ш1НЖШС

(.0 05080.7 0.6 0.5 0.4

ширина полосы

-700 а. 2

-fOOO < о сО 31 §

-2000 Î2500 ? 11 V4

Риг .2

Го м ГО^Ук2 / / / л*

где ^ - коэффициент Пуассона материала полосы. Критическая по неплоскостности неравномерность вытчкек по ширине полосы как функция от Л имеет минимум при Л* В , что приводит условие неплоскостности к виру ,

Если величина неравномерности вытяяек будет больше критической, то теоретически возможны два решения, когда£>5и¿<& . Из условия реализации изгиба с минимальной работой¿>5 . На рис.2 представлена номограмма для определения величин коробоватосги по известной неравномерности вытяжек по ширине. Такого рода решения и номограммы получены для волнистости, односторонней волнистости, краевой волнистости и других видов неплоскостности.

Для определения устойчивости толстых упруго-пластических полос при боковом обжатии и при захвате вертикальными валками методами теории деформации и методами теории течения получены уравнения критических обжатий и усилий при экспериментально подтвераден-ной аппроксимации поверхности изгиба произведением синусоиды и экспоненты и аппроксимации наполнений на кромках полосы гауссоидой. Решены садачи потери устойчивости при боковых обжатиях плкщеншх лент.

Предложено определять уравнение шероховатой поверхности по интегралам индикатрисс о траления с"анирушего луча путем решения некорректной обратной задачи для интегрального уравнения ФРед-гольма первого рода.

2.7, 2.8. Предложена таксономическая (по показателям качества полосы, связанным с геометрическими •состоящими) и меронони-ческая (по признакам геометрических состоя ни Л) классификации (таблица I). Аналогичные классификации составлены для всех еле-

Таблица I

Таксономические и ыерономи-ческие классификации полос по геометрическим состояниям • п(=и&нак1Л таксона ^

в е. V о 2 СУ X а и § с а В о <3 а! е а в э 35 X 1 В г Г о> а = § а О е. о 3 о X д Е § о £ о и г V! 8 3" Я е а о л г о В 55 а В § 3 О Ос: а В о И с £ 1 0 & с 1 2 о X 1 и> (В § | а е с о к! •п 0 £ с 05 1 о £ 1 ы з: е а с 8 й 4) е Е (г £ в- 1/ | 1 1 г 3. Ъ а г 1 У Е 2 О § а 0) 1 "31 а 3

Г 2 а 5 г 8 9 ГО г* 12 /Л « /с

(7 ^ 0) £ X 1/ а 55 г а. с а ^ г. о а. о и а> X «» и а 5 0 а 55 $ £ У 1 о е о 0 Т-«г а> с 3 с 1 < 8, 2 < С7 з: о -г- толщина /

ширина 2

шерохоьатосгст 3

многослойность 4

§ 1 < 14 Й О раьнотомуиннаспт

непрамолик2йксешй ргвер в

иеплчекостноста гракеи 7

¿1 £ 1 а клиновидно«тв 3

рифленость 9

оргбренносте. 1о

нелрвмолшвиность ргЗер и

монотонная нгпласкостнаеть 12

пгриадмйескаа непмскогти. гг 1

а Е 1 <о 05 ¡С У 1 § II многослойкоегаь со оплошн. И-

МНоГОСЛОЙНСМШ 555 сплошн. ©

миогоелоАность с частичной сплошность«» Га

ч в? «Е полью цилиндра Р

кольца 13

листы Мевиуса ¡9

САНосеаьносшь заднего конца 20

неодносгажосий ьаднего кон на 21

Д£>угие признаки 12

дующих разделов.

2.9. При анализе геометрических состояний полос предложен метод расчета количества информации по Шеннону о толщине полосы. Показана возможность экономии металла при отказе от принятого в стандартах допущения о равномерном распределении плотности вероятности толщин полос и принятой регламентации.номинальных значений толщин. Опробован метод визуальной оценки шероховатости наложением друг на друга множества профилограмм, предложены две новые конструкции пневматических профилографов. .

2.10. Предложен способ оптимальной настройки на среднюю толщину полосы(1'кт1а+т&нпо критерию максимального теоретического веса при ограничении вероятности прокатки толщин меньше допустимых, задаваемой коэффициентом т , оперативно измеряемым значениям среднеквадратического отклонения толщины полосы от среднего значения.

Предложено обобщение этой формулы при ограничениях коэффициентом п вероятности разрушения с учетом средней прочности материала полосы 2$ и ее нестабильности б^-.

' (И)

Предложена оптимизация угловых скоростей валков и относительных обжатий по максимуму секундного смещения объема.

2.11-2.14. Известные и предлагаемые группы методов улучшения СВП по геометрическим состояниям изменением нечисловых множеств, характеризующих систему, представлены таблицей 2. Такие же таблицы составлены для всех других улучшаешх состояний СВП, рассматриваемых в работе. Для улучшения СВП по геометрическим состояниям полосы предложены способы формирования'пакетов полос: перегибанием П' посы при прокатке из рулона по средней линии, в виде рулона, надеваемого на один из валков для бесконечной многшроход-

-20-

УЛУЧШЕНИЕ СВП ПО ГЕОМЕТРИЧЕСКИМ СОСТОЯНИЯМ ПОЛОСЫ

Таблица 2

/акро-неьсьнос- 'ГПИ поверхности Гос^оы продольные поПёречные

отеерсшиа и полости

Выступы м впадины

|ээбра продольные

поперечные

ю Масти освема иВнеконшакшные,,5оны пластической дефо^сшии

о .контактные4 ъоны упругой деформации

Б Зоны с (различными напрзженийми первого рода

Е параллелепипедные

из' раьматываем ы х рулонов

2 си Пакеты петлеьые ил одной полосы

из слоенной вдоль полосы

(Р и? рулона надетого на валок

ИЬ ¿адиально смэтого рулона

иь лент соприкасающихся боковыми планами

то оке по е>интовои поверхности

о неметаллическими прокладками

мик роепфуктурных еагтавлагащих

пеоекоса оси симмеппоии полосы

углы углов огибаниа валков

угла наклона полосы при ьахьате

Угла ориентации аниздтооггнои шероховатости

Форма поверхности иьгив переднего кониа полосш

искривление переднего конца полосы

£0 продольные гофьы гадкого конца

Ь ГО о упругое скручивание ко'нцой полосы

У «Форма длз компенсации износа

£ о Е подеагч- длэ Устойчивости

г; гЖа для иьменсниэ ширины

д. о АЛЭ УЛУЧШЕНИЯ прораваты&аемости

С иамене ние Угла огибаний по ширине

измене ние шероховатости' по ширине

Формоов- схватывание

Е 01 X •« рагаьание порошок - твердое тело

й- расплав - гпеердое тело

'Л о Вформу полосы упругого скручиваний концо» полисы

'Л (О ш о периодического рассогласований скоростей

£ 8 иъгива кос» вокруг оси симметрии

2. В шерохова- рассогласован иэ акороотеи

1С) о усилие? прокатки пьи «ассогласовотии

Й. тость вязкости емаак'и

и игла огибания на ьхолс.

Элемент® геьер одной грани (.клин)

торцеьых гранен с поворотом

-з Й полосы Г торцекых граней с кольцо, цилияд-М

% больших граненс'рулшо вед ешьки

больших граней со сваркой

$ торцевых граней

0 боковые гранен

больших граней

ной прокатки (проверен прокаткой стальной фольги на клети дуо), радиальным смятием рулона; способ прокатки на угол тонких и широких полос из рулона, обеспечивающий большое уширение, способ различного изменения шероховатости на сторонах полосы изменением угла охвата валка полосой.

3. ^СЛЕДОВАНИЕ, АНАЛИЗ И УЛУЧШЕНИЕ СИЛОВЫХ СОСТОЯНИЙ ПОЛОС

3.1. Предложено наряду с другими представлениями рассматривать полосу как пластически формоизменяешй клин, преобразующий силы трения на контакте с валками в усилия прокатки.

3.2. Предложено, разработано и испытано роликовое устройство для измерения и визуализации погонных натяжений полосы с фотоупругим чувствительным элементом в виде пластины из оптически активного материала между пленками поляризатора и анализатора.

Предложен магнитоанизатропный с вращающимся магнитным полем бесконтактный измеритель погонного натяжения полос из ферромагнитных материалов.

Распределение продольных нормальных -компонентов тензоров остаточных напряжений по ширине полос определено измерением прогибов узких продолышх полосок, получаемых электроискровой резкой.

3.3.-3.4. Напряжения в заднем конце полосы при неодинаковых по ширине обжатиях моделировали сжимающими и растягивающими усилиями на одном из торцов прозрачной фотоупругой пластины и прокаткой медных полос со ступенчатым утолщением посередине, покрытых слоем фотоупругого материала.

З.б.Для цифрового моделирования составлено конечно-разное т-ное уравнение равновесия элементарного^объема очага деформации, выделенного координатными линиями биполярной систем) координат, две круговые линии которой совпадают с окружностями валков (не обязательно равных диаметров). Интегрирование уравнения по пло^а-

ди продольного вертикального сечения очага деформации, заполненного жес ткоплас тич ее кой средой, для различных законов трения показало, что на дуге контакта валка с полосой может возникать зона прилипания, являющаяся основанием криволинейного треугольника, внутри которого условие, пластичности не выполняется. Элементарный объем будет двигаться без деформации внутри этой области с неподвижными границами по дуге окружности с угловой скоростью валка.

3.6.Дпя аналитического моделирования получены уравнения распределения продольных компонентов остаточных напряжений при неодинаковых погонных вытяжках, учитывающие взаимодействие переднего и заднего концов,неплоскостность заднего конца полосы,неодинаковые по ширине коэффициента трения,переднее и заднее натяжения.

Получено решение задачи теории упругости о напряжениях в пластине.нагруженной на одном из торцов уравновешенной эпюрой продольных нормальных компонентов тензора напряжений,аналогично условиям нагружения заднего конца полосы при холодной прокатке с неравными погонными вытяжками по ширине полосы.

3.7.Предложена таксономическая классификация полос по силовы! состояниям,учитывающая их влияние на штампуемоеть .усталостную и статическую прочность, надежность, электромагнитные свойства, пластичность, энергоемкость, плоскостность и другие свойства.

3.8 .Предложена мерономическая классификация полос по их сило' вым состояниям, признаками которых для переднего и заднего концов, области пластических деформаций названы остаточные напряжения первого рода, натяжения, плоско-деформированное состояние полосы, противонаправленноеть сил трения в зонах отставания и опережения, эксдоненциальное возрастание нормальных контактных напряжений, возможности "активности" и "реактивности" сил прокатки.

3.9-3.10.Рассмотрены измерения, оценки и регламентация ос--таточных напряжений в готовых листах, целевые функции и критерии

оптимальности тензорных полей.

3.11-3.15.Представлена классификация известных и предлагаемых возможностей улучшения силовых состояний полосы изменением нечисловых множеств, характеризующих СВП,

Показано, что вычленение в полосе при упруго-пластическом изгибе. четырех слоев (элементов) с разными знаками продольных компонентов остаточных натяжений по.тышает усталостную стойкость листовых рессор.

Показана возможность термомеханического растяжения полос их охлаждением между плотями или роликами,огибаемыми полосой.

Остаточные напряжения в холоднокатаных полосах от неодинаковых погонных штяжекJUg(X)предложено компенсировать температурными остаточными напряжениями от неодинакового по ширине подогрева подката.Для параболических законов распределения толщин подката и готовой полосы получены номограмма и уравнение требуемой разности параболически распределенных температур кромки и середины полосы.

Показана возможность использования "резервных" сил трения в зоне отставания очага деформации.для обжатия кромок полосы неподвижным инструментом,устанавливаемым в зазора между валками.В стане с валками 180 км холодную стальную полосу 3x30мм профилированными пластинками из сплава ВК-8 обжимали по ширине до Ъ%.

Предложено пластически растягивать полосу перематыванием из рулона в рулон.Образование шейки исключено локализацией формоизменения между вращающимися а смазке валками.Гидродинамические давление смазки обеспечивает условие пластичности.ЕЬтажка саморегулируется отрицательной обратной связью меаду утонением полосы и гидродинамическим давлением смазки.Недопустимое утонениа,увеличив зазор между полосой и валком,уменьшит гидродинамическое давление до нарушения "словия пластичности и исключит возможность обрыва полосы. Предложен способ одновременного обеспечения с помощью двух пар

огибаемых полосой роликов трех различных значений натяжений полосы: после последней клети стана,перед моталкой и между клетью и моталкой. .

4. ИССЛЕДОВАНИЕ, АНАШ И УЛУЧШЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ СОСТОЯНИЙ ВАЛКОВ

4.1-4.4.Предложено положение валков в клети определять на аналоговой электронной модели, для чего предлагается сначала создавать модель клети с полосой в виде механических элементов с сосредоточенными параметрами (среди которых должны быть источники силы и источники скорости). Эту модель представлять направленным графом, выявляющим топологию механической модели. С помощью графа строить матрицы инциденций, матрицы ветвей и контуров системы и затем записывать матричные уравнения структуры системы,совместное решение которых с уравнениями преобразований состояний элементов приведет к системе дифференциальных уравнений, реализуемых на электронном анализаторе.После построения модели из механических элементов все действия строго алгоритмизированы, что делает этот путь предпочтительнее представления СВП уравнениями Лагранжа, Представлены примеры применения метода направленных графов для моделирования положения валков в клети кварто, возмущаемого эксцентриситетом валков и колебаниями натяжения полосы.

4.5.Предложен и реализован метод определения погонных по длине валков толщин полосы в клети кварто, погонных усилий прокатки, погонных натяжений в концах полосы, погонных остаточных напряжений при задании поперечного профиля подката, его неплоскостности и остаточных напряжений в нем, распределения прочности материала и коэффициентов трения по ширине полосы, профилей рабочих и опорных валков, размеров клети, переднего и заднего натяжений. Величины, распределенные по ширине полосы, представляем конечномерными векторами в метрических нормированных прост-

транствах со скалярной характеристикой (расстоянием) несоответствия двух векторов одного пространства. Систему алгебраических уравнений этих величин решали итерационными алгоритмами с обязательной регуляризацией по нормам векторов подбором параметров регуляризации. Эта модель была использована для разработки технологии прокатки стальных офсетных листов на Череповецком металлургическом комбинате для Зарайского завода офсетных пластин.

4.6. Для жесткостей и податливости М/^ полосы и М£> валка сумма обжатия полосы ОС и "пружины" клети ¿С, от усилия прокатки Р

СС'Х1+ХА*{Г/М,+ г/М^Р* (М+ЛЬ) (12)

что соответствует системе "клеть-полоса" из двух параллельно соединенных податливостей. Уравнение может быть представлено как

Р" = X; (13)

что соответствует соединению тесткостей и податлир^стей по принципу отрицательной обратной связи. Этим показано, что структура системы зависит от субъективно назначаемых размерностей состояний элементов.

4.7.-4.8. Приведены таксономическая и мерономическая классификации валков в СВП по метрическим, топологическим и кинематическим признакам, обеспечивающим прокатку возможно более тонких

и широких полос в клетях возможно меньших габаритов.

Предложена классификация способов прокатки (не только листовой) по кинематическим признакам элементов СЕП, в предположения, что движение полосы есть движение ее переднего конца. Признаками (состояниями) каждого элемента СВП являются перемещения и вращения з выбранной системе прямоугольных дек .товкх координат Ж,у, X > обозначаемые строчными буквами 2. для перемещений в положительном направлении координатных осей, А,3}С - для вращений вокруг этих осей в положительном направлении Л, В, С

для движений в отрицательных направлениях. Движение полосы записывают слева от буквы О , обозначающей станину, а движения валков, разделенные знаками "V, - справа от этой буквы. Переносные движения элементов обозначаем буквами, стоящими ближе к О , чем буквы, обозначающие относительное движение. Если элемент самостоятельно совершает два движения, то их обозначаем соответствующими буквами, соединенными косой чертой. Например, обычная продольная прокатка обозначается формулой У ОА+А х где У обозначает поступательное движение полосы вдоль оси у, а буквы/1 кА обозная . чают вращения валков вокруг оси ОС в противоположные стороны. Планетарную прокатку обозначают формулой ¡/ОА (А+--. А)*А (А+.-.А). Представлены формулы тридцати шести способов прокатки, в том чйс-ле, поперечно-винтовой прокатки, ротационной вытяжки, сферодвиж-ной осадки. Набор кинематических признаков в формуле является ме-роном. Полное множество меронов может быть задано формализуемым , перечислением комбинаций знаков структурной формулы. Число комбинаций размещением 12 элементов (типов движений) по 3 (одна полоса, два инструмента) соответствует 1320 способам прокатки. Введение понятия множества всех кинематических структур СВП открывает новые возможности исследования и улучшения листовой прокатки.

4.9, 4.10. Рассмотрены целевые состояния и критерии для улучшения СВП оптимизацией значений геометрических состояний валков.

4.11-4.15. Предложена классификация улучшений СВП по геометрическим состояниям валков изменением четырех нечисловых множеств характеризации системы.

Предложена конструкция малогабаритной клети кварто,в которой выступы подушек подшипников опорных валков оперты на выступы стоок открытой станины, высота которых будет меньше суммы

диаметров валков. Изгиб стойки внецентрэнным растяжением усилия прокатки компенсирован изгибом от ее горизонтальной составляющей на наклонной плоскости контакта выступов.

Предложена конструкция стана с приводным валком большого диаметра и неподвижным валком малого диаметра с изменяемыми условиями опирания на вертикальную плиту, одна из поверхностей которой зеркальна, покрыта наклеенным слоем фотоупругого материала и поляризующей пленкой, что позволит контролировать усилия опирания бочки валка на опоры, регулировать изгиб валка их положением.

Предложена конструкция клети с описанием рабочих валков на короткие опорные валки малых диаметров, расположенные рядами (3 г 5) в окружном (3 т 5) в осевом направлениях, для прокатки особо широких полос. Опорные валки оперты своими шейками на жесткую крупногабаритную балку весом 200 4- 400 т, истановленную в гайках на четырех вращающихся винтовых стойках. Высота такой клети не превысит 7000 мм. В такой плети, как показывают результаты цифрового моделирования, можно катать лист шириной 8000 мм при условии двустороннего привода кавдого валка от двигателей 15000 кВт. Проведена оптимизация узла опор качения бочки валка.

Предложены элементы изменяемой жесткости для СВП: в виде двух поворотных соприкасающихся цилиндрических сегментов с параллельными осями цилиндров при максимальной жесткости; в виде второй нижней поперечины, опертой на ряд гидроцилнндров.

Предложено использозать гиперболоидную профилировку перекрещиваемых валков для получения равнотолщинных, выпуклых и вогнутых поперечных профилей полос.

Предложено матричное представление воздействий на СВП, корректирующих продольную разнотолщинность полосы.

Механическая модель реверсивного стана холодной прокатки с

моталками преобразована . в направленный граф и затем в систему обыкновенных дифференциальных уравнений. Исходя из этой системы синтезирован регулятор толщины полосы, компенсирующий продольную разнотолщинность подката, эксцентриситеты валков и моталок изменением натяжения полосы между клетью и моталкой. Работу регулятора моделировали на аналоговой электронной машине.

Предложены конструкции клетей кварто с саморегулированием продольной разнотолщинности; за счет горизонтального вдоль направления прокатки перемещения валков в зазоре меяду опорными валками, за счет поворота опор валков, чтобы увеличение усилия прокатки уменьшало зазор между валками, компенсируя увеличение "пружины" клети; за счет различной жесткости механических характеристик двигателей валков, что уменьшает усилие прокатки при увеличении рассогласования скоростей валков.

Предложены конструкции клетей кварто с саморегулированием поперечной разнотолщинности: за счет опирают правой подушки нижнего опорного валка на левую поперечину, левой подушки - на правую поперечину (разработана теория такой конструкции); за счет соединения гидроцилиндров перемещения нижнего опорного валка с гидроцилиндрами изгиба рабочих валков.

Предложена профилировка бочек валков клетей кварто для саморегулирования поперечной разнотолщинности компенсацией положительного прогиба опорного валка отрицательным прогибом рабочего валка, опирающегося на этот опорный валок только по середине бочки

Предложена клеть для прокатки листов с синусоидальными канавками, в которой один валок заменен шариками, опирающимися на приводной опорный валок с наклонными кольцевыми проточками.;

5. ИССЛЕДОВАНИЕ, АНАЛИЗ И УЛУЧШЕНИЕ СИЛОВЫХ СОСТОЯНИЙ ВАЛКОВ

5.1.-5.4. Рассмотрены представления силовых состояний валков математическими средствами, приведен обзор методов натурного и аналогового моделирования силовых состояний валков.

Предложено считать причиной самопроизвольного необратимого увеличения некруглости монолитных опорных валков от усилий прокатки (недостаточных для их пластической деформации) нэосиммет-ричное поле остаточных напрятаний. Варьирование функции зт:пс пап-ряжений -в полярных координатах, эквивалентное изменению угловой координаты, даст нулевые значения первой и второй вариаций функционала энергии упругих деформаций, не только при бесконечно малых, но и при любых изменениях этой координаты. Эункциоиал не имеет ни минимума, ни максимума. Равновесие внутренних сил ни устойчиво, ни не устойчиво. Дата под воздействием малнх изменений граничных условий поле остаточных напряжений полз будет "врпрать-сл" относительно неподвижного материала валка. Это приведет к "вращению" поля упругих деформаций и перемещений. "Вращений" поля последштх в круговой области вызовет ее пекруглость.

Разработана методика фотоупругого моделирования напрятеииН в деталях, шгрутеннгес силами тадкостного трения мегду ними. В лаборатории оптических методов исследований напряжений "оскогс-кого института Стал;', и сплавов исследованы няпрл»»икя л бандам, врацеицемся с жидкостным трошгем, на н»подр;шгой оси опорного валка. Контактные напряжения в таком бавдаче по больше, чем п монолитном опорном валке. .

5.5. 5.6. Предложена цифровая модель поля касательных компонентов контактньэс напряжений, напрапленнкх вцоль оси пялка при прокатке полос в перекошенных валках, осноряннчя на кочеч>">-роз-

но.стном решении дифференциального уравнения Кармана с учетом сплющивания валков. При достаточно больших углах перекоса дальнейшее их увеличение почти не влияет на прирост осевых усилий прокатки, что благоприятно для такого способа регулирования поперечной разнотолщинности полос.

5.7, 5.8. Приведены таксономическая по прочности, усталостной прочности и надежности и ыерономичеокая классификации по' признакам горизонтальных и вертикальных усилий, моментов, остаточных и обратимых напряжений валков.

Для мерономического классифицирования СВП предложено рассматривать их как механические цепи с упругими, вязкими, инерционными* элементами (аналогичными конденсаторами, резисторами и' индуктизностям электрических цепей), источниками силы и источниками скорости (аналогичными источниками напряжения и тока в электрических цепях). Формоизменение тела источником силы и источни- , ком скорости следует расматривать как принципиально различные способы. Это показано на простейшем примере осадки кругового цилиндра из пластично-вязкого материала между параллельными плитами без трения на контактах, когда при неподвижной нижней плите к верхней плите "подсоединен" источник скорости или "подсоединен" источник силы. То, что это разные процессы, свидетельствует возрастание мощности формоизменения со временем при осадке источником скорости и уменьшение - при осадке источником силы. Можно говорить о прокатке источниками угловых окоростей, "подсоединенных" к валкам, (именно этот случай рассматривает классическая'теория продольной прокатки) и прокатке источниками крутящих моментов. Для стационарной прокатки листа из пластично-вязкого материала с заданными равными моментами /У| на валках определено усилие прокатки и угловая скорость валков

где Ц^ £} ¡ге> сС - геометрические состояния очага деформации;

коэффициент трения и механические свойства полосы; ЕеТ,Е ~ коэффициент связи усилий прокатки в зонах отстава-

Если вращения валков, их вертикальные перемещения, их горизонтальные перемещения, перенесение заднего конца полосы, перемещение переднего конца полосы рассматривать как каналы подвода энергии одним из двух способов (кинематическим и силовым), то обозначив канал подвода анергии одним из разрядов, а способ подвода энергии знаком I или 0, любой способ продольной прокатки можно обозначить восьмиразрядным двоичным числом. Тогда все множество способов прокатки будет соответствовать множеству из 256 упорядоченных чисел (таблица 3). Например, произвольно называемому обозначению 10101010,соответствует способ, в котором заданы: вращение верхнего валка, крутящий момент на нижнем валке, вертикальное ' перемещение верхнего валка, вертикальное усилие нижнего, горизонтальнее перемещение верхнего валка, горизонтальная сила нижнего, перемещение переднего конца полосы, усилие заднего конца. Симметрия признаков "верх" н"низ" сокращает число способов зрокатки до 31. Если считать, что значения силового и кинематического состояния могут бьггь положительными, нулевыми, отрица-

о

гельныуи, то общее число способов б = 1679626. Классифицирование ;олжно быть полноправ!гсм разделом теории прокатки.

5.9. Предложена автоматизированная система контроля ресурса 'сталостной прочности парка валков стана холодной прокатки по [акагливаемой сумме значений максимальных касательных компонентов ■ензоров напряжений за накапливаемые обороты каждого валка в

ния и опережения с сопротивлением деформации.

ГЕНЕРАЦИЯ ШШСТВА СПОСОБОВ JiffilUEOH ПРОКАТКИ

Таблица 3

Признаки Варианты признаков

А/э Ееьхнегс . ьалка ьадано Задаче вЬснцекие вращение или верхнего валка крчташий (в частности с нУледм 'момент ¿качением скорости) Задан крутадии % мемент верхнего ьалка $ (с> частности с нулевым зг гиачением) g.

А/а нижнего Задано г>адан галяагадано ьрстение крушащий ьрашеше или нижнего момент них кравчий ьалка него валке момент Задано Задет вращение крушении и i нижнего момент НИХ' а валка него валка ^

Дла верхнего здданм вер- перемг! пгргме ггмкалько* и;ение сила щ<гние сило перемещение ил>< сила пергме гй££ме-> ^ щение сила имение зила ц

Ала ничего гаданы «рпи шльное перемещение или Сила «о < 1 J, 1

Ала верхнего йзданкТ го^и-¿октальное паеме^ение или сила h' С? % 1 , 1 Я

Для нижнего .заданы горизонтальное (1?ргмешепие| или с?ила Для переднего || |1 |Г| М «мча поло с и 1 | И ¡1;: кцанасила . , 1 И ! и ИЛИС«рОСГПЬ | || '! | I1!! ! '.¡1 заднего |1^ № $ Й / 41 конца полосы у , 1 у , заданы сила Щи, » 1 р'Л 1, . и „ нлисюрсйто, 1 1 у ,и , , ,[ Ц ,11 I 6.16 ¿2 64 ао П2 Псшдкоьые номеру с?пс Т I II « 1 I Ü1 á s тгптпП (ШПЩ nrmwr- II !' 1 й ' 1/о 1: ! i ?f ? ín' 1 | ¡1 Ш Г: , i«I S! ! i! Mi li l 'r ¿tóbliipa 'J'í'¡'v/í ''s iZ е. й&4 4ss icooos прокатки (мерешов.)

100 подповерхностных слоях толщиной 0,3 мм каждый.

Предложен метод расчета вероятности разрушения валкоа по закону распределения плотности вероятности максимальных касательных напряжений от усилия прокатки и закону распределения плотности вероятности прочности материала валка.

5.10. Рассмотрена проблематика задач улучшения силовых состояний валков. В виде номограммы представлены оптимальные усилия противоизгиба опорных-валков, обеспечивающие устранение коробо-ватости холоднокатаных полос.

5.11-5.15. Представлена классификация возможностей развития силовых состояний валков изменением множеств характериазции СВП.

Предложено устройство для уменьшения напряжений и температур на контакте рабочего и опорного валков в виде рамы, охватывающей их контакт. В герметизированные полости между поверхностями валков ч внутренними поверхностями рамы предложено подавать под давлением смэзочно-охлаждающую жидкость.

Предложена неприводная трехвалковая клеть, подвешиваемая на полосе с двумя очагами деформации, в каждом из которых постоянное усилие прокатки по принципу "прокатка-волочение" создается оа счет клинового усиления веса клети.

Предложен способ создания осевых сжимающих компонентов в бандажах валков за счет расширения затвердевающего цемента, заливаемого в полость между торцом бандажа и одним из буртов на оси валка.

Предложено разрушаемое предохранительно устройство, устраняющее зазоры мевду подушками и направляющими задних стоек станины для уменьшения ударов при захвате и умен кие я непараллельности осей валков.

Предложено саморегулируемое гидравлическое устройство для перераспределения осевых усилий на две опоры. Предложена гидряв-

7

4

Схема регулирования осевого усилия от несоосности рабочего и опорного валков с измерителем усилия 1,задатчиком 2, элементом сравнения 3, исполнительным устройством 4

Блок-схема регулирования осевого усилия 8 от несооснооги валков 6, отрицательной обратной связью 5, реализуемой элементами 1,2,3,4

Устройство саморегулирования осевого усилия с помощью гидроцилиндров 4,9 без явного использования элементов 1,2,3 и специальных источников энергии

Устройство саморегулирования осевого" усилия о помощью эксцентриков 10, реализующих отрицательную обратную сачзь между осевым усилием и несоосностью рабочего и опорного валков

Устройство саморегулирования осевого усилия с помощью клиновых поверхностей II, обеспечивающее -фиксацию параллельности рабочего и опорного валков клиньями 12

Рис _ з

лическая система регулирования параллельности валков по разности температур подшипников качения правой и левой шеек валка.

Предложено гидравлическое устройство для саморегулировашя параллельности осей рабочего и опорного валков, содержащее в теле подушки рабочего валка гидроцилиндр с неподвижным поршнем, полости которого соединены с двумя гидроцилиндрами, подвижные поршни которых при осевых движениях незакрепленного рабочего валка, перекошенного относительно опорного, перемещаются вследствии этого так, чтобы устранить перекос валкоЕ и осевые усилия. Эта система из трех гидроцилиндров эквивалентна системе регулирования с отрицательной обратной связью, но в отличие от нее но содержит в явном виде измерительных устройств, контрольных устройств и источников энергии (рис.3).

Предлоконы простые устройства для саморегулирования параллельности осей рабочего или опорного валков в клеа тх кзарто. Осевке перемещения рабочего валка вследствие его перекоса относительно опорного этими устройствами преобразуются в перемещения его подушки перпендикулярно оси симметрии валка, т.е. в поворот валка в горизонтальной плоскости, которой компенсирует перекос валка. Такая СВП не содержит каких-либо специальных, отдельно установленных устройств для регулирования параллельности валков, Роль стабилизирующей отрицательной обратной связи выполняют имел^иеся элементы СВП.

Предложены варианты таких устройств с зубчатыми и гладкими эксцентриками, обеспечивающими саморегулирование при реверсивной прокатке, предложен вариант с осевой фиксацией валков после самоустановки параллельности (рис.3). Эти устройства были испытаны в 1979 году на стане "1450" Магнитогорского металлургического комбината и внедрены на Череповецком металлургическом комбинате в 1961 году, затем на других предприятиях.

6. ИССЛЕДОВАНИЕ, АНАЛИЗ И УЛУЧШЕНИЕ ТЕППОШХ СОСТОЯНШ ВАЛКОВ

6.1-6.3. Определены основные тепловые состояния валков и возможности их представлений математическим средствами. Приведен обзор исследований тепловых состояний валков. По результатам измерений выявлены особенности аппроксимационных кривых распределения температур поверхностей по длинам бочек рабочих и опорных валков станов горячей листовой прокатки.

6.4. Разработаны и применены методы моделирования стационар- ' них осесимметричных температурных полей в осевых и радиальных сечениях.рабочих и опорных валков электрическими полями в листах электропроводной бумаги на электроинтеграторах ЭГДА. Показана возможность расчета стационарных тепловых профилей валков по температурам поверхностей бочек. Определены матрицы разогреваемости валков как дискретные аналоги функции Грина.

Предложена модель нестационарного осесимметричного поля й радиальном сечении валка при импульсных граничных условиях первого рода, реализованная но электронном анализаторе и серийном генераторе импульсов прямоугольного напряжения.

6.5,6.6. Разработаны и реализоваш цифровыз модели нестационарных осесимметричных и неосесимметричных температурных полей п осевых и радиальных сечениях валков. Выявлена и реализояана возможность определения вектора температурного профиля валка умножением вектора тепловых взаимодействий (граничных условий первого или второго рода) на специально сконструированную матрицу разогреваемости, аналогичную известной матрице жесткости при расчете упругих перемещений в СЕП.

6,7-6.9. Предложена таксономическая классификация валкоз по их тепловым состояния«, предусматривавшая необходимость управление

профилем валков, их термопрочность, термоусталостную стойкость, износостойкость, теплообмен с полосой, стоимость изготовления, эксплуатации. Предложена мерономическая классификация валков го . тепловым состояниям, учитывающая признаки: геометрии валков, состояний их материала, конструкции теплообменных устройств. Рассмотрены вопросы целеполагания и целеописания при анализе тепловых состояний валков.

6.10. Решена с помощою цифровой модели задача оптимального управления нестационарным осесимметричным температурным полем, возмущаемым изменением распределения температур на поверхности бочки и корректируемым изменением распределения температур на поверхности осевого канала, по критерию постоянства радиальных температурных расширений по длине бочки.

Получено и представлено номограммой решение задачи о распределении температур по длине бочки валка, необходим м для устранения коробоватости листов с учетом их толщины, ширины, поперечной разнотолщинности, размеров валков и свойств их материалов.

6.11-6.15. Приведена классификация возможностей развития тепловых состояний валков изменением множеств элементов, состояний элементов, преобразований состояний элементов, структуры СВП.

Показана целесообразность конструкции опорных валков с вращающимися бандажами для стабилизации тепловых профилей,

С помощью аналоговой модели оценена целесообразность зазора между осью и краями бандажа валка для стабилизации теплового профиля бочки.

Предложена конструкция и способ изготовления валков с радиальными и осевыми нормальными сжимающими значениями компонентов температурных остаточных напряжений в бандажах. Подогретый вращающийся бандаж с конусньм отверстием надевает на неподпигную вертикальную ось так, чтобы произошла их сварка трением.

Предложено делать на оси такого валка канавки, которые после сварки оси и бандажа будут каналами тепловой трубы с радиальной подачей охлаждащей воды и торцевым отводом пара.

Показаны возможности матриц разогреваемости для отыскания воздействий, стабилизирующих тепловой профиль валка.

Предложено для саморегулирования тепловых профилей валков воду, стекающую с бочек, подавать в осевые каналы валков.

Предложено усилить этот эффект за счет двух эластичных тороидальных резервуаров с небольшим количеством легкокипящей жидг-кости, закладываемых в осевой канал. В зависимости от температуры охлавдающей воды в осевом канале объем эластичных резервуаров и площадь >их теплоизолирующих контактов с поверхностью осевого канала изменяются, что призодит к перераспределению тепловых потоков в бочке валка и саморегулированию его теплового профиля.

Эффективным средством понижения температуры валков при горячей прокатке будет интенсивное подстуживание поверхностных слоев полосы сразу же перед входом их в очаг деформации.

Представлен филогенетический ряд конструкций валков, улучшаемых по тепловым состояниям.

7. ИССЛЕДОВАНИЕ, АНАЛИЗ И УЛУЧШЕНИЕ ФРИКЦИОННЫХ СОСТОЯНИЙ ВАЛКОВ

7.1. Рассмотрены вопросы представления фрикционных состояний валков. Показаны трудности представления закономерностей трения коэффициентом трения при скалярных, векторных и тензорных представлениях сил и напряжений на контакте валка и полосы.

7.2-7.6. На пяти отечественных широкополосных станах горячей прокатки исследованы показатели изнашиваемости валков кпк отношения радиального износа и количеству прокатаних тонн, длине прокатах полое, пути трения скольжения точки поверхности валка

о поверхность полос, работе трения скольжения единицы поверхности валка о поверхность полос. Показана неприменимость первых двух показателей для прогнозирования абразивных изменений профилей бочек валков и достаточная точность для этого последних двух показателей.

Представлены результаты моделирования прокатки стальных и алюминевых полос 0,5 + 1,0 х 2 г 80 мм с обжатиями "т 5 до 27 % и скоростями от 0,1 до 0,7 м/с со смазкой МС-20 в валках диаметра;«! 120 т- 250 мм в режиме жидкостного трения. Обнаружены режимы прокатки с устойчивым отрицательный (до -15 %) опережением, возможность возрастания усилия прокатки при малых обжатиях, возможность пренебрегать в расчетах осевым течением смазки, если ширина полосы не меньше длины очага деформации. Установлена зависимость шероховатости полос от толщины слоя смазки.

Разработано, изготовлено и использовано механическое аналоговое вычислительное устройство для прогнозирования абразивных изменений профилей рабочих валков станов горячей прокатки.

Предложена и реализована цифровая модель накапливаемых абразивных изменений профилей валков станов горячей прокатки после любой партии в их последовательности для любого валка стана.

Абразивное изменение профиля после прокатки одной партии представлено вектором, значения которого получают утя юте ни ем диагональной матрицы изнашиваемости на вектор абразивных воздействий, компонентами которого являются погоиньч работы сил трения скольжения валка о полосу, рассчитываемые по весу полос отой партии и геометрическим состояниям очага дефорт-'тиии.

Разработана и реализован'.' цифровая модель очага деформации при прокатке в режима жидкостного трения, Герлиз^пчно по сместит? решение одномерных дифференциальных уравненчи: Кармана (для равновесия элемента прокатываемой жостко-плостической утучняемой

полосы) и Навье-Стокса (течения вязкой несжимаемойжидкости, вязкость которой зависит от давления и температуры). Скорость переднего конца полосы выбирали поиском такого значения, которое обеспечивало минимум мощности рассеиваемой в смазке и очаге деформации. На модели определяли значения состояний смазки и полосы по длине расчетной области из очага деформации и двух зон ненулевых значений давления смазки. Определяли толщины слоев смазки в зависимости от диаметров и скорости валков, обжатий, натяжений, свойси смазки и материалов полосы.

Предложена аналитическая модель годового производства стана горячей прокатки в виде уравнения двухэлементной системы с отрицательной обратной связью

где ^ ~ часовая производительность; Т - время работы стана в году после вычета времени ремонтов и перевалок опорных валков; время перевалок, затрачиваемое на прокатку одной тонны, рассчитываемое по изнашиваемости волков, допускаемым радиальным изно-сам, временем перевалки, геометрическими состояниями очага деформации.

Предложена упрощенная аналитическая модель прокатки в рекимо жидкостного трения, объясняющая отрицательное опережение полосы.

Концепция В.Н.Выдрина, что нейтральный угол является регулятором части мощности прэкатки,' идущей на формоизменение полосы, представлена простым уравнением двухэлементной системы с отрицательной обратной (регулирующей) связью. Показано, что изменение знака связи на положительную соответствует остановке полосы при прокатке с граничным трением. Показано, что при жидкостном трении возникновение дестабилизирующей положительной обратной связи невозможно.

7.7-7.9. Приведена таксономическая классификация валков по фрикционным состояниям, оргентировенная на производительность и непрерывность прокатки, на минимизацию затрат на изготовление и эксплуатацию валков.

Приведена мерономическая классификация валков по фрикционным состояниям с учетом геометрии и кинематики очага деформации, усилий, материалов валков и полосы, особенностей смазывания.

Рассмотрены вопросы целеполагакия и целеописания при анализе фрикционных состояний валков.

7.10. Решена задача об оптимальном (по максимуму средней часо-зо!5 производительности стана) допустимом уменьшении ширины партий прокатываемых полос перед перевалкой.

Решена задача об оптимальных "тоннажах", ширинах и толщинах шртий горячекатаных полос по критерию максимума использования )бъема рабочего слоя цилиндрических валков с ограничением на по-юречнув разнотолщинность по условиям исключения коробления при ;альне№вей холодной прокатке.

Решена задача об оптимальном исходном выпуклом профиле вала стана горячей прокатки, "выпрямляемом" абразивным износом от рокатки полос увеличивающихся ширин полос, по максимуму работ рения скольжения с учетом ограничений на волнистость, возможную ри холодной прокатке этих полос. После этого прохаткг. будет про-элжена с оптимизацией тоннажа партий полос уменьшающейся ширины, ограничениями на коробление холоднокатаных полос. Оптимальная эследовательность партий начинается с прокатки самых узких полос, /ширяемых" в следующих партиях до максимума, и затем "сужаемых" ) минимума.

Показана возможность оптимизации исходного профиля валка для звестной последовательнссти партий по минимуму макет,1.ууа (сшш^пк-0 поперечной раэнотолшинности полос в этой последовательнссти

7.11-7.15. Приведена классификация возможностей улучшения фрикционных состояний валков изменением нечисловых множеств харак-теризации СВП.

Приведены уравнения и номограмма для расчета гидродинамических магнетателей, смазки, обеспечивающих режим жидкостного трения при холодной прокатке. Приведены приеры экспериментальной проверки.

Приведены уравнения для расчета режима жидкостного трения при холодной прокатке между полосой и огибаемым ею валком. Приведены примеры экспериментальной проверки полученных зависимостей. Экспериментально показано, что такой способ прокатки позволяет получать разную шероховатость на сторонах листа.

Показана возможность выравнивания шероховатостей сторон, листа за счет увеличения исходной шероховатости нижнего валка.

Предложены устройства для контактного нанесения смазки на поверхность водоохлаждаемых валков при горячей прокатке, реализованные на штрипсовом стане "300" Магнитогорского металлургического ; комбината. Показано, что применение 25 г/т отработанного хлопкового масла снижает радиальный износ валков на 30 - 40 % при увеличении температуры поверхности валков на 10 ^ 15° С.

На стане "1450" горячей прокатки Магнитогорского металлургического комбината показана возможность восстановления исходного прямолинейного профиля опорного валка шабрением ноком летучих ножниц весом 42 кг, углом шабрения 70° в течение 10 15 часов во время прокатки. На стане "300" горячей прокатки штрипсов 'испытан шабер из металлокерамики 6КЗМ, снимающий по радиусу валка 0,03 * 0,05 мм/ч, что позволило увеличить количество металла, прокатываемое мэиду перевалками.

На дрессировочных станах с диаметром опорных галков 1300 мм испытано устройство восстановления шероховатости и чистоты бочек.

ВЫВОДЫ

Выполнено теоретическое обобщение известных методов исследования и методов улучшения листопрокатных валков и полосы, осно-тнное на принципах характеризации, организации и эволюции разработанного нами варианта системного подхода и представленное как ажная научная проблема обработки металлов давлением".

Научная проблема развития и применения методов исследования истовой прокатки решена созданием методологии исследования на гнове 5 групп методов моделирования и 2 методов классифицирования наработкой 38 новых методов натурного, физического, аналогово-э, цифрового, аналитического моделирования; новым в теории про-атки использованием таксономического и мерономичесхого клаеси-щирования для создания 21 классификации'важнейших состояний . 1ЛП0В и полосы, способов прокатки и возможностей ее улучшения.

Научная проблема развития и применения методов улучшения ютовой прокатки решена созданием методологии улучшения пятью :пами методов, следующими принципу характеризации; разработкой : новых технических решений, некоторые из которых, например, тройства с саморегулированием параллельности осей рабочих и орных валков, применены на металлургических предприятиях, с ономическим эффектом более 340 тысяч рублей.

Народно-хозяйственное значение решения этой научной проб-м состоит в методологическом обеспечении поиска новых тех-4эских решений лисговсй прокатки, в использовании новых методов, *елей, классификаций, изобретений в практике научно-исследова-1ьских и проектных организаций.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Номограммы расчета технологии производства плющеных лент /; Н.Е.Скороходов, В.Н.Заверюха, П.П.Никник, М.Г.Поляков, Ю.А. Пуртов, В.Н.Скороходов - Ы.: Металлургия, 1980. - 65 с.

2. Скороходов Н.Е., Нижник П.П., Заверюха В.Н. Условие коробления листов при холодной прокатке // Известия вузов. Черная металлургия. - 1971. - № 7. - С.96-99.

3. Заверюха В.Н., Нижник П.П. Критические боковые обкатга при прокатке узких лент в вертикальных.валках //'Бюллетень института "Черметинформация". - 1969. - № 10. -С.42.

4. Кичнев Ы.Ф., Заверюха В.Н., Гаврилова JI.H., Санталов A.B. Ан-цупов В.П, Расчет продольной разнотолщинности горячекатаных полос в чистовых группах широкополосных станов // Сталь. -1975. -№7. - С.614-615.

5. Скороходов Н.Е., Заверюха В.Н., Яременко В.Н.,Нижник П.П, Волнообрагование при холодной прокатке полос и листов // Известия вузов. Черная металлургия. - 1973. - № 7. - С.79-61.

6. Заверюха В.Н., Трайно А.И. Оценка качества поверхности холоднокатаных листов // Стандарты и качество. - 1976. - № 12. --С.28-30.

7. Скороходов Н.Е., Заверюха В.Н., Кочнев М.Ф., Денисов П.И., Санталов A.B., Шемщурова Н.Г. Настройка стана при прокатке в минусовом поле допусков // Известия вузов. Черная металлургия. - 1975. - » 9. - С Д05-Ш.

8. Заверюха В.Н., Румянцев М.И., Анцупов В.П. Алгоритм оптимиэа-. ции режимов прокатки // Известия вузов. Черная металлургия.

- 1983. - №5. - C.I4B-I49.

9. A.c. 440167 СССР МКИ В 2IB 1/26, Способ получения тонких металлических листов / Заверюха В.Н. - 5 с.

10. Яременко В.Н., Скороходов Н.Е., Заверюха В.Н. Индикатор неплоскостности с фотоупругим чувствительным элементом // Известия вузов. Черная металлургия. - 1982. - №11. - С,80-81.

11. A.c." 344912 СССР ШИ В 2IB 1/04. Способ пластического деформирования полосы растяжением / В.Н.Заве.ряха. - 2 с.

12. A.c. 429858 СССР МЮ1 В 2IB 13/02. Прокатная клеть кварто./ В.Н.Заверюха. - 2 с.

13. Заверюха В.Н. Формализация и классификация кинематических структур способов прокатки // Известия вузов .Черная металлургия. - 1987. - » II. - С.67-71.

14. Л.с. 579041 СССР МКИ В 2IB 13/02. Прокатная клеть регулируемой жесткости / В.Н.Заверюха. j2c.

[5. Артамонов Ю.С., Заверюха В.Н. Нагрузка подшипников валков широкополосных станов при регулировании формы межвалкового зазора // Бюллетень института "Чорметинформация". - 1986. -» № 6. - С.45-46.

[6. A.c. 766684 СССР МКИ В 2IB 31/02. Подушка рабочего валка нереверсивной листопрокатной клети кварто горячей прокатки / Ю.С .Артамонов, В.Н.Заверюха, А.И.Трайно, А.МДун - 3 с.

:?. A.c. СССР 749473 Ш. В 213 31/02. Комплект рабочих л опорных валков с подушками / Ю.С.Артамонов, В.В.М^льцер, В.Н.Заверюха,

A.И.Трайно, Ю.В.Жиркин. - 3 с.

8. A.c. 776681 СССР 1Ж В 2IB 31/00. Способ установки рабочих валков листопрокатных клетей кварто / Ю.С.Артамонов, В.Н.Заверюха, В.В.Мсльцер, А.И.Трайно. - 2 с.

9. Скороходов Н.Е., Заверюха В.Н., Белевский А.С .Моделирование стационарных температурных шлей прокатных валков // Известия вузов. Черная металлургия. - 1967. - № 9. - С.66-69.

0. Заверюха В.Н. Расчет нестационарных температурных полей в листопрокатных валках методом конечных разностей // Известия вузов. Черная металлургия. - 1973. - № II. - С.80-83.

1. Зазерюха В.К., Анцупов В.П., Гатитулин P.P. Векторное представление теплового и абразивного изменений, профиля рабочего валка при горячей листовой прокатке // Известия вузов. Черная металлургия, - 1989. - № II. - С.62-64.

2. A.c. 498985 СССР МКИ В 2IB 27/08. Охлаждаемый прокатный валок/

B.Н.Заверюха. - 3 с.

3. Васюков В.Н., Грудев А.П., Заверюха В.Н. Цифровал модель холодной прокатки в режиме жидкостного трения // Сб Металлургия и коксохимия. - 1985. - № 86. - С.42-47.

1. Заверюха В.Н. Влияние изнашиваемости рабочих валков на производительность станов горячей прокатки // Известия вузов. Черная металлургия.: - 1976. - № 9. - С.99-101.

¡. Заверюха В.Н., Анцупов В.П., Суханов В.А., Стариков А.И. Ми-нулин В.М., Мокин A.A. Прибор для полуавто^чтического вычерчивания ожидаемого профиля изношенных листопрокатных валков // Металлург., - 1980. - № 2. - С.32-34.

Заверюха В.Н., Боярщинов М.И., Анцупов В.П. Номограмма для определения износа рабочих валков широкополосных станов горячей • прокатки // Бюллетень института "Черметинформация". - 1977. -

» 10. - С.40-41.

27. Бояршинов М.И., Заверюха В.Н., Анцупов В.П. Прогнозирование износа рабочих валков пригорячей прокатке // Сталь. - 1978,-

• № 6. - С.531-532.

28. Заверюха В.Н., Анцупов В.П., Печенкин В.В. Определение поперечной разнотолщинности горячекатаных полос // Сталь, -1984,-№5. -С.41-42.

29. Васюков В.М., Г^удев А.П., Заверюха В.Н. Цифровая модель холодной прокатки в режиме жидкостного трения // Сб,Металлургия и коксохимия. - 1985. - №86. - С.42-47.

30. Заверюха В.Н. Влияние изнашиваемости рабочих валков на производительность станов горячей прокатки // Известия вузов. Черная металлургия. - 1976. - № 9. - С.99-101.

31. Анцупов В.П., Заверюха В.Н., Нетесов Н.П., Бурдов Б.П,, Иордвинцев И.П., Лосенков Ю.П., Дерунов А.И. Система смазки валков стана горячей прокатки // Металлург. - 1980. - № 4.-' С.41-42.

22. Грудев А.П., Васюков В.М., Заверюха В.Н,, Трайно А.И,, Сцден-ко Н.Я. Гидродинамическое поступление смазки в очаг деформации при прокатке с огибанием валка полосой // Межвузовский 1 сборник. Обработка металлов давлением. - Свердловск.- 198I.

. • -С.51-56.

33. А.с. СССР 929261 МКИ 37/00. Устройство для вибрационного обкатывания прокатного валка в клети /A.C.Артамонов, В.Н.Заверюха, А.Ф.Пнменов, А.И.Трайно. - 3 с.

• Работа содержит еще 31 авторское свидетельство СССР (844981,

838332 , 938013 , 893277 , 923658 , 935148 , 954120 , 813229 , 854484,

923655, I2I9I96, 946708, 499909, 725731, 814498, 761039, 495III,

933I4I, 820950, 7I5I56, 357015, 577061, 766084, 963584, 900896,

820928 , 933140 , 793672 , 831244, 929261, 495109).

Кроме того, материалы диссертации по температурным полям

изложены в монографиях:

1. <.ловой П.И., Тклкин М.А., П-лухин II.И,, Васильев Д.И. Тепловые процессы при обработке металлов давлением. - М.: Высшая .школа,-1973. - 63 с.

2. Надежность и долговечность валков холодной прокатки / В.П.П„-лухин, В.А.Николаев и др. - М.: Металлургия, 197I. - 520 с.

Основные результата диссертации доложены и обсуждены на

научных конференциях:

1. Всесоюзные конференции по теории прокатки и трению в Днепропетровском металлургическом институте в 1971, 1972, 1975, 1962, 1988г.

2. Научно-технические всесоюзные семинары по совершенствованию технологии и оборудования, улучшению сортамента и качества проката в Челябинске, Липецке, Череповце, Киеве, проводимые научно-техническими обществами предприятий, учебных и научно-исследовательских институтов в 1970 - 1990 годах.

3. На всесоюзных семинарах по использованию вычислительной техники при решении задач обработки металлов давлением в Москве, Челябинске, Перми с 1972 uo 1987 годы.

4. На научных семинарах кафедр обработки металлов давлением Московского института Стали и сплавов, Челябинского политехнического института, Уральского политехнического института, ¡'агни-тогорского горно-металлургического института, Днепропетровского металлургического института; лабораторий института Металлургии, института Гидродинамики СО, института Машиноведения УрО АН СССР.

Форм?- 60x84 I/I6 Усл.аеч.л. 2,00 Бесплатно

Подписано в печа-ь 30.10.90 Плоская печать Бумага тип-№ 2

Тираж 100 экз. ' Заказ 803

455000, Магнитогорск, пр.Ленинп, 33 Ротаприн™ МГМИ