Диагностическое компьютерное моделирование процессов прокатного производства для формирования заданных показателей качества металлопродукции НИТУ «МИСиС», каф.ТОТП доцент, к.т.н. Скрипаленко М.Н., инж. Ашихмин Д.А.

О КОНЦЕПЦИИ «БЕЗДЕФЕКТНОГО» ПРОИЗВОДСТВА В настоящее время к качеству проката предъявляются самые различные требования, причем наиболее жесткие – к точности, и особенно точности катанной полосы. В этой области требования к производству «безупречной полосы» постоянно повышаются, например в отношении постоянства толщины и плоскостности по длине и ширине полосы, а также качества ее поверхности. Одновременно усиливается тенденция повышения производительности агрегатов за счет обработки заготовок больших размеров ( например, более широких полос), повышения усилий на рабочий инструмент и привод, а также увеличения скорости прокатки.

КОНТРОЛЬ НЕРАВНОМЕРНОСТИ ТЕМПЕРАТУРЫ При производстве листового проката ввиду значительной ширины и малой толщины объекта часто имеет место неоднородность температуры по ширине листа, влияющая в дальнейшем на его механические свойства. Для отслеживания данного параметра, наряду с пирометрами, рекомендуется использовать тепловизоры

СХЕМА ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИХ ОТКЛОНЕНИЙ ТОЛЩИНЫ ПОЛОСЫ

СХЕМА ПРОЦЕССА ПРОКАТКИ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ОСЦИЛЛИРУЮЩИМ ГОРИЗОНТАЛЬНЫМ ДВИЖЕНИЕМ ВАЛКОВ

РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОКАТКИ ПРИ РАЗНЫХ СКОРОСТЯХ ВРАЩЕНИЯ ВАЛКОВ

7 Процедуры диагностики вибраций Расширение до вспомогательного оборудования Контроль фактических значений, в случае необходимости – новое измерение Вибрационные проблемы Теоретически возможные причины Фактические параметры оборудования и процесса Частота дефекта Расширенное измерение Расширенный анализ данных Экспериментальный системный анализ Теоретический системный анализ Измерение технологических колебаний Анализ данных Устранение проблемы Скорость вращения Причина Повышенная точность Сравнение Частота колебаний 7

8 Цель работы: разработка методики диагностического моделирования механизмов прокатных станов для определения предельных значений параметров вибрации оборудования, влияющих на формирование толщины проката. 8

Цель работы Разработка методики диагностического моделирования механизмов прокатных станов для определения предельных значений параметров вибрации оборудования, влияющих на формирование толщины проката.

10 Этапы исследования Разработка математической модели механизмов прокатных станов для определения их кинематических, динамических и вибрационных параметров работы 10 Проведение расчетов кинематических и динамических параметров оборудования, анализ результатов расчета Проведение прокатки полосы при вибрации рабочих валков Вейвлет-анализ колебаний размеров проката Анализ и обоснование выбора вейвлета для исследования колебаний размеров проката Определение факторов, влияющих на формирование геометрии проката Моделирование процесса прокатки в компьютерной среде при отсутствии и с вибрацией валков Примеры применения разработанной методики Выводы, рекомендации

11 Кинематическая схема прокатного стана Дуо «150» и система уравнений математической модели 11

12 Исходные данные для проведения расчета 12 параметрl1l1 l2l2 l3l3 l4l4 l5l5 l6l6 l7l7 l8l8 l9l9 l 10 l 11 l 12 l 13 l 14 l 15 l 16 l 17 значение, м 0,140,0550,070,1250,290,1850,1050,370,170,135 0,0750,5150,135 0,160,43 Геометрические параметры механизмов главной линии стана: параметр b вал d вал R1R1 R2R2 R3R3 R4R4 R5R5 R6R6 b1b1 b2b2 b3b3 b4b4 b5b5 b6b6 d1d1 d2d2 d3d3 d4d4 значение, м 0,220,150,0350,220,080,520,16 0,07 0,09 0,07 0,0650,08 Кинематические параметры механизмов главной линии стана: параметр z1z1 z2z2 z3z3 z4z4 α1α1 α2α2 α3α3 α4α4 φ1φ1 φ2φ2 φ3φ3 φ4φ4 γi1i1 i2i2 i3i3 ω1ω1 ω2ω2 ω3ω3 ω4ω4 значение 0,005 мм 0,0012 мм 0,0013 мм 0,0011 мм 1 град. 2,4 град. 2,6 град. 2,2 град. 0,0588 об/сек 0,0093 об/сек 0,0013 об/сек 20 град. 6,36,51 34,27 с -1 5,44 с -1 0,837 с -1 Массы валов и зубчатых колес: обозначение m1m1 m2m2 m3m3 m4m4 m вал m К1 m К2 m К3 m К4 m К5 m К6 масса, кг 11,7024,5836,0529,3930,312,1082,9814,11596,0443,89 Параметры жесткости главной линии прокатного стана: параметр CACA CBCB CDCD CECE CFCF CGCG CHCH CJCJ C 31 C 32 C 33 C вал значение, МН/м 334,94 63,0081,0063,00198,00

13 График вибрации рабочего валка при прокатке

Описание дефектов узлов F д =2f n f n – частота сети Сдвиг ротора в осевом направлении Асинхронный двигатель «Сухой и гидравлический» удар Подшипники скольжения Четные гармоники: F д =2kf вр Трещины Муфты Несоосность Ротор Узел Вид дефекта Описание дефекта частотной характеристикой Подшипник качения Дефект сепаратора F сепаратор = [D i /(D i +D o )] * f вр D i – диаметр внутреннего кольца; D o – диаметр внешнего кольца; f вр – частота вращения вала; Дефект тела качения F шар = [(D o /D b ) * D i /(D i + D o )] * f вр D b – диаметр тела качения; Дефект внутреннего кольца F внутр. кольцо = [D o /(D i +D o )] * M * f вр М – число тел качения Дефект внешнего кольца F внешн. кольцо = [D i /(D o +D i )] * M * f вр Зубчатое колесо Дефект зацепленияF Д = f вр1 /k 1 = f вр2 /k 2 Образование супергармоник (кратных гармоник): F д =kf вр ; k, k 1, k 2 – целые числа F д =1/3f вр

Зубчатая передача с дефектом и ее спектр

16 Моделирование процесса прокатки в DEFORM Построение модели рабочих валков в среде Solid Works Экспортирование модели рабочих валков в среду DEFORM и задание исходных данных для расчета Расчет процесса прокатки полосы в DEFORM Вывод результатов моделирования 16

17 Задание исходных данных для моделирования в DEFORM 17

18 Задание вибросмещения рабочих валков для моделирования в DEFORM 18

19 Результаты моделирования в DEFORM Толщина полосы после прокатки без вибрации: Толщина полосы после прокатки с вибрацией: h с биением = 1,4464 ± 0,0387 мм h без биения = 1,6103 ± 0,0048 мм - фрагмент полосы после прокатки без вибрации - фрагмент полосы после прокатки с вибрацией 19 Толщина полосы после прокатки с вибрацией, полученная по результатам эксперимента: h с биением = 1,5709± 0,0108 мм

20 Вейвлет-анализ Применение: обработка информации; очистка сигнала от помех; сжатие данных; выявление кратковременных и глобальных закономерностей; спектральный анализ составляющих сигнала. 20 Преимущества: Вейвлет-анализ обладает информативностью предоставляющей исследователям дополнительную степень свободы для анализа в виде возможности видеть разложение сигналов по компактным базисным функциям не только при различных масштабах (частотах), но и при различных сдвигах по времени, что позволяет локализовать временные особенности сигнала. Вейвлет-преобразование позволяет судить не только о частотном спектре сигнала, но также о том, в какой момент времени появилась та или иная гармоника.

21 Вейвлет-анализ отклонений толщины полосы вейвлетом Хаара

22 Вейвлет-анализ отклонений толщины полосы вейвлетом Мейера 22

23 Определение частот составляющих колебаний толщины холоднокатаной полосы График составляющей d3 вейвлет-разложения: График функции спектральной плотности: 11 Гц – измерения виброметра 10,5 Гц – расчет 10,2 Гц – вейвлет-анализ

24 Вейвлет-анализ отклонений толщины полосы по результатам моделирования в DEFORM

25 Определение частот составляющих колебаний толщины холоднокатаной полосы по модели DEFORM График составляющей d5 вейвлет-разложения: График функции спектральной плотности: 11 Гц – измерения виброметра 10,5 Гц – расчет 11,02 Гц – вейвлет-анализ

26 Этапы методики диагностического моделирования Кинематическая схема механизма Уравнения математической модели Расчет по математической модели параметров вибрации валковой системы Наложение колебаний на валковую систему Вейвлет-анализ формирования продольной и поперечной разнотолщинности в зависимости от параметров вибрации валковой системы Разработка рекомендаций по повышению точности проката Построение трехмерной модели валковой системы Моделирование процесса прокатки в вычислительной среде без колебаний валка Моделирование процесса прокатки в вычислительной среде с колебанием валка 26

27 Выводы Разработана методика диагностического компьютерного моделирования, включающая: - математическое моделирование механизмов прокатного оборудования и расчет параметров вибрации звеньев механизмов; - компьютерное моделирование в вычислительной среде DEFORM процесса прокатки с вибрацией рабочего валка; - вейвлет-анализ в среде компьютерной математики MATLAB разнотолщинности прокатанной полосы и поиск составляющих, обусловленных вибрацией валков; - определение предельных значений параметров вибрации оборудования для обеспечения заданных показателей точности проката. 27