Исследование технологических и конструктивных параметров роликоправильных машин
В настоящее время фасонные профили правят многократным знакопеременным упругопластическим изгибом на роликоправильных машинах (РПМ). Ужесточение требований к потребительским свойствам рельсов делает необходимыми совершенствование технологии и конструкции РПМ, процессов настройки и управления, а также введение современных средств контроля и автоматизации. Для Кузнецкого (КМК) и Нижнетагильского (НТМК) металлургических комбинатов РПМ для правки рельсов были спроектированы и изготовлены Уралмашзаводом в 60 - 70-х годах и до настоящего времени не претерпели существенных изменений.
Для совершенствования РПМ Уралмаш- завод совместно с Пермским государственным техническим университетом провел [1] теоретические и экспериментальные исследования процесса правки1. Полученные результаты позволили выявить ряд недостатков существующих РПМ и разработать рекомендации по созданию системы автоматизации. В частности, создана и обоснована математическая модель процесса правки на основе решения объемной стационарной изотермической краевой задачи упругопластичности и применения вариационных принципов в сочетании с методом конечных элементов, разработана компьютерная методология исследований и оптимизации напряженно-деформированных состояний (НДС) профиля при знакопеременном изгибе и создана программа расчета дифференциальных и интегральных параметров технологии правки на РПМ любых профилей [1]. С помощью программы рассчитывают компоненты векторов перемещений, тензоры напряжений и деформаций и их распределение в любой точке выправляемого профиля, распределение в роликах усилий, изгибающих и крутящих моментов, мощностей, а также остаточные напряжения и конечную кривизну рельсов после правки. Исходными данными являются взаимное расположение роликов РПМ (настройка), их шаг и диаметр, исходная кривизна, предел текучести и кривая деформационного упрочнения металла. Кроме того, выбирают рациональную настройку роликов, обеспечивающую минимальную остаточную кривизну, что позволяет исключить проведение расчетов вручную.
По результатам экспериментальных исследований на РПМ и штемпельном прессе (ШП) НТМК и в лабораторных условиях сделали ряд выводов. Правка в плоскости максимальной жесткости на горизонтальной РПМ (ГРПМ) формирует неблагоприятный фон продольных остаточных напряжений, переводя в головке рельса сжимающие напряжения в растягивающие и увеличивая их нестабильность (в месите стыка шейки с подошвой растягивающие напряжения равны ~ 340 Н/мм2, на поверхности катания - до 50 Н/мм2). В плоскости минимальной жесткости на вертикальной РПМ (ВРПМ) указанный фон в головке практически не изменяется, только в перьях подошвы. На ШП в зоне контакта бойка с головкой рельса формируются растягивающие напряжения до 240 Н/мм2. Таким образом, правка способствует созданию неблагоприятного фона остаточных напряжений, а следовательно, сокращению срока службы рельса.
Для уменьшения разброса конечной кривизны рельсы правят по "жестким" режимам (со степенями деформации более 1 %), что позволяет достичь большей прямолинейности, но значительно ухудшает распределение остаточных напряжений в сечении профиля и, следовательно, снижает усталостную прочность. "Жесткие" режимы деформирования приводят к возникновению и развитию трещин, а иногда к разрушению рельсов по дефектам поверхности (царапинам, волосовинам, задирам и др.). Другим недостатком следует считать увеличение неоднородности деформации, что способствует формированию худшего распре-деления остаточных напряжений, в том числе растягивающих, в поверхности катания рельса. Возрастание усилий приводит к значительной разнице поперечных размеров неправящихся концов и правленой части рельса.
Режим правки на ГРПМ, установившийся на НТМК, обеспечивает упругопластические перегибы только под роликами 2 и 3. Это является причиной низкой стабильности процесса (большой разброс конечной кривизны), т. е. необходима постоянная подстройка режима при колебаниях исходных характеристик рельса (твердости, начальной кривизны и др.). Деформация головки и подошвы не превышает 1 %. При замерах деформаций также зафиксировано существенное (до 18 мм) смещение нейтральной линии: под роликом 2 - в сторону подошвы, под роликом 3 - в сторону головки.
Режим деформации правки рельса Р65 существенно отличается от указанного в технологической инструкции из-за "пружинения" роликов под нагрузкой: четных роликов ГРПМ - от 2,1 до 3,9 мм, нечетных - от 0,9 до 1,9 мм. Биение бандажей достигает 1 мм на ГРПМ и 0,5 мм на ВРПМ, что является основным источником гармонических колебаний остаточной кривизны рельса, усилий и моментов правки. Недостаточная жесткость РПМ, когда перемещение роликов под действием усилия правки сопоставимо с величиной их настройки, а также биение бандажей и наличие люфтов изменяют режим правки и отрицательно отражаются на конечной прямолинейности.
Диапазон изменения усилия при правке рельса Р65 по замеренным значениям деформации следующий: под роликом 2 - от 1290 до 1360 кН, под роликом 4 - от 910 до 1070 кН, под роликом 6 - от 180 до 310 кН. Рассчитанные по методике [ 1 ] величины усилия правки больше в 1,5 - 2 раза. Наибольшая стабильность (меньшая дисперсия) усилия правки наблюдается под роликом 2, наименьшая - под роликом 6. Из замеренных значений усилия, момента и тока наибольшую стабильность имеет усилие, поэтому сигнал с месдоз можно использовать для оценки уровня биения бандажей, настройки и контроля режима правки.
Затраты энергии на правку рельса Р65 в плоскости максимальной жесткости на НТМК зависят в большей степени от кривизны и скрученности и практически не зависят от того, термоупрочненный рельс или нет. Затраты энергии на правку при нормальной кривизне практически одинаковы, при отклонениях - меньше на 25 % по сравнению с "сырыми". Это можно объяснить тем, что при правке по одинаковым режимам доля пластической деформации для "сырых" рельсов будет больше.
Загрузка электродвигателей приводов РПМ зависит в основном от исходной кривизны рельса. Двигатели ГРПМ и ВРПМ загружены в среднем на 48 и 29 % соответственно, индивидуальные приводы РПМ-1 при правке нормальных рельсов - на 23 - 80 %. Следовательно, для обоснования параметров правки и электропривода необходимо применять более точные методы расчета, чем приведенные в работе [2]. Причиной неравномерной загрузки приводов РПМ-1 является разница характеристик двигателей. Поскольку неравномерное распределение скоростей на РПМ с групповым приводом и не соответствующее режиму деформации распределение нагрузок по роликам РПМ-1 несущественно отражаются на кривизне рельса, то нагрузки между роликами можно выравнивать. Диапазоны выравнивания следует определять при наладке приводов.
В момент завершения правки на ГРПМ электродвигатель ВРПМ переходит в генераторный режим вследствие уменьшения нагрузок в ГРПМ и ускорения ее последних роликов. Такой несогласованный режим сопровождается раскрытием зазоров в приводной линии ВРПМ и, следовательно, большими динамическими нагрузками. При эксплуатации ВРПМ неоднократно были зафиксированы поломки шпинделей, поэтому необходимо синхронизировать скорости правильных машин для предотвращения этих процессов.
Замеренные методом "канавки" [3] остаточные напряжения в термоупрочненных рельсах производства НТМК хорошо согласуются с данными, полученными специалистами США, Франции (фирма "Socilor") и Японии [4]. Однако следует заметить, что уровень растягивающих остаточных напряжений меньше в головке (наиболее ответственном элементе поперечного сечения) рельсов производства НТМК, чем Франции и Японии.
Остаточные напряжения после правки термоупрочненного рельса на ГРПМ и ВРПМ стабилизируются на расстоянии 800 - 850 мм от его торцов, где переходят от возникающих в процессе охлаждения к образующимся в процессе многократного пластического изгиба. РПМ не оснащены системами измерения начальной и конечной кривизны, контроля остаточных напряжений и прямолинейности рельсов. Качество правки на РПМ и ШП определяется только квалификацией оператора.
На основании полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований предложили альтернативный способ правки рельсов - термомеханический растяжением (в том числе при напряжениях меньше предела текучести - в режиме ползучести). Лабораторные исследования нового способа показали возможность достижения следующих характеристик: обеспечение правки объемно-закаленных рельсов на НТМК и КМК на двух правильно-растяжных машинах усилием не более 6 МН; выправление любой кривизны; повышение ударной вязкости и циклической прочности и снижение практически до нуля остаточных напряжений за счет однородности деформации при растяжении и релаксации; сохранение качества зажимаемых концевых участков благодаря их подстуживанию, гладкому захвату с кернами и снижению усилия правки. Сделанные выводы подтверждают целесообразность продолжения работ по совершенствованию технологии правки, конструкций и приводов РПМ и необходимость оснащения правильного комплекса системами автоматического контроля и микропроцессорного программного управления.
Результаты компьютерных исследований, основанных на математически корректной научной методологии, позволили обосновать конструктивные особенности оборудования и требования к точности настройки РПМ. Применяемые шаг и диаметр роликов обеспечивают при ручном управлении удовлетворительное качество правки, и их уменьшение нецелесообразно, так как это отрицательно влияет на формирование остаточных напряжений. Численные исследования показали, что технология правки на восьмироликовой РПМ по сравнению с шестироликовой с большим числом упругопластических перегибов характеризуется меньшей зависимостью остаточной кривизны от колебаний размеров поперечного сечения рельса, его механических свойств (предела текучести) и погрешностей настройки (менее 0,5 мм). При этом можно дополнительно снизить нагруженность подшипниковых узлов, оборудования и приводов РПМ благодаря применению щадящих режимов правки с максимальными деформациями 0,5 - 0,6 %. Например, уменьшение на 21 % момента изгиба (с 38,1 • 10~4 до 30,1 • 10-4 Н • м) и усилия (с 145,1 · 10-4 до 115,0 · 10~4 Н) позволит сократить поврежденность металла (рисунок), т. е. улучшить служебные свойства рельсов, а также снизить вероятность поломок при правке, что положительно отразится на сроке службы рельсов. Таким образом, предлагается перейти как минимум к восьмироликовым РПМ, которые обеспечивают четыре упругопластических перегиба, улучшают качество правки, уменьшают нагруженность оборудования и создают условия для меньшей зависимости остаточной кривизны от колебаний исходных параметров. В качестве примера можно привести применяемые на новом (июнь 2002 г.) рельсопрокатном стане фирмы "Steel Dynamics, Inc." (США) горизонтальную машину с девятью роликами диам. 1060 мм и вертикальную с семью роликами диам. 750 мм.
Накопление поврежденности при правке на шести- (1, 2) и восьмироликовой (3, 4) РПМ: 1,3- угол исходного поверхностного дефекта 20°; 2, 4 - 40°
По мнению автора, с точки зрения конструктивного исполнения наиболее рациональна РПМ со следующим расположением роликов: семь (со 2 по 8) в общей жесткой станине, их них четыре в верхнем ряду и три в нижнем; первый и последний расположены вне станины в нижнем ряду на расстоянии полушага от роликов 2 и 8 и имеют возможность перемещения в осевом и радиальном направлениях. Крайние ролики 1 и 9 выносятся за пределы станины по причине малой нагруженности.
Точность настройки во многом зависит от точности перемещения роликов, величины биения бандажей, жесткости конструкции и величины люфтов в подвижных частях РПМ. Результаты исследований на НТМК показали, что остаточные кривизна рельса и напряжения заметно изменяются уже при отклонении роликов от заданного положения на 0,1 - 0,2 мм. Исходя из этого, конструкция РПМ должна удовлетворять следующим требованиям: точность перемещения роликов не хуже 0,1 - 0,2 мм, верхние ролики могут перемещаться в осевом и радиальном направлениях, нижние - только в осевом, для контроля перемещения и положения роликов их приводы должны оснащаться цифровыми датчиками достаточной разрядности с индикацией на пульте управления РПМ; биение бандажей не более 0,1 - 0,2 мм, контроль может выполняться по амплитуде гармонической составляющей тока якоря индивидуальных приводов роликов, которая прямо пропорциональна его величине; жесткость конструкции РПМ не менее 2000 кН/мм, суммарный люфт в подвижных частях не более 0,5 мм; для настройки по напряжениям (усилиям на роликах) нужно установить датчики давления на каждом ролике с целью эффективного управления остаточными напряжениями в правящемся профиле.
Подвергаемые правке рельсы имеют существенные колебания твердости, геометрических размеров и исходной кривизны, вследствие чего необходима частая корректировка режимов. Кроме того, повышающиеся требования к потребительским свойствам рельсов и необходимые экономичность и эффективность процесса правки невозможно обеспечить традиционными средствами ручного и операторного управления, поэтому правильный комплекс должен быть автоматизирован.
Цели автоматизации следующие: повышение точности и оперативности настройки и управления (коррекции) РПМ; создание условий для улучшения качества правки, обеспечение заданных потребительских свойств проката (минимальной остаточной кривизны и уровня остаточных растягивающих напряжений или заданного уровня сжимающих остаточных напряжений в головке) и увеличение срока службы рельсов [5]; снижение брака и повышение сортности рельсов; исключение повторной правки проката; отказ от ручной настройки РПМ для меньшей зависимости качества правки от квалификации операторов; проведение диагностики для улучшения качества правки за счет создания возможностей для более точной настройки РПМ и ее корректировки для каждой плавки (партии) проката, а также для надежности и увеличения срока службы оборудования и существенного снижения расхода электроэнергии.
Автоматизированный комплекс целесообразно формировать на основе самоорганизующейся и самонастраивающейся микропроцессорной системы программного управления (СПУ), на базе типовых и индивидуальных средств автоматизации с использованием искусственного и гибридного интеллекта. Многолетняя эксплуатация СПУ на ряде прокатных станов подтвердила их эффективность при оптимизации широкого диапазона критериев [6]. Концепция СПУ состоит в обеспечении ручной или автоматической адаптации системы управления приводом (корректировка режимов, параметров, уставок, систем и узлов регулирования электродвигателя) к реальным изменениям технологических режимов работы оборудования. Концепция реализуется путем введения микропроцессорных средств с элементами искусственного интеллекта, математических моделей функционирования и диагностики, а так¬же других средств автоматизации в замкнутый контур системы регулирования приводом. Тем самым обеспечивается гибкость управления, возможность ведения коррекции в масштабе реального времени и большая программная приспосабливаемость к широким диапазонам изменения внешних условий.
Системы автоматизации целесообразно создавать с учетом степени их влияния на эффективность процесса правки. На первом этапе рекомендуется объединить следующие подсистемы контроля и управления: оперативной дистанционной настройки и контроля положения бандажей роликов ГРПМ - позиционного цифрового управления, регулирования и коррекции с пульта управления перемещением и положением каждого ролика (при проектировании более эффективно построение системы настройки и коррекции по напряжениям); согласования скоростей электродвигателей индивидуального привода роликов ГРГТМ, позволяющую уменьшить энергозатраты и износ бандажей; согласования скоростей роликов ГРПМ и ВРПМ, дающую возможность исключить возникновение ударных нагрузок в приводе ВРПМ; измерения усилий правки на верхних роликах с точностью не хуже 1 % максимального усилия правки, обеспечивающую под- настройку режима при износе бандажей; измерения радиального и осевого биения бандажей; измерения усилия правки концевых участков на ШП.
На втором этапе автоматизации формируют следующие подсистемы: бесконтактного измерения кривизны до и после правки на РПМ, позволяющую оператору корректировать положение роликов в зависимости от исходной и остаточной кривизны рельса; бесконтактной установки нулевого уровня роликов в осевом и радиальном направлениях для сокращения времени на настройку роликов РПМ, повышения ее точности, проведения настройки одним оператором с пульта управления; бесконтактного измерения кривизны концевых участков рельса в рабочем пространстве ШП до и после правки, позволяющую точно управлять усилием правки в зависимости от исходной кривизны; бесконтактного измерения остаточных напряжений в головке и подошве рельса после правки на РПМ и прессе для контроля остаточных напряжений и их минимизации с помощью регулирования режимов настройки. Объем второго этапа автоматизации может быть скорректирован с учетом опыта эксплуатации подсистем первого этапа.
Представленные результаты теоретических и экспериментальных исследований, компьютерного моделирования технологического процесса правки, конструкций машин и приводов правильного комплекса, рекомендации по их совершенствованию и созданию микропроцессорной системы программного автоматического управления помогут существенно улучшить качество, срок службы, конкурентоспособность и эффективность производства рельсов и других профилей с высокими заданными свойствами.
