Диссертация (Совершенствование технологии производства прямошоковых сварных труб для магистральных трубопроводов), страница 5

При этом исполнении не возникалопроблемсполучениемкачественнойтрубнойзаготовкивпроцессепроизводства. Однако, большая металлоемкость получаемого оборудования приданной методике расчета технологических параметров не могла не остатьсятемой дальнейших исследований инженеров-трубников.Позднее были проведены аналогичные расчеты длины траектории кромки,которые показали, что в зависимости от калибровок валков (однорадиусной илидвухрадиусной) длина кривой составит: для однорадиусной калибровки: = 1,44 ∙ ; для двухрадиусной калибровки: = 1,31 ∙ .Следовательно, длина плавного перехода при формовке цилиндрическойзаготовкизависитоткалибровкиформовочныхвалков.Приэтомпредполагалось, что кромки заготовки испытывают только упругое растяжение,в связи с чем длина формовочного стана должна составлять не менее 50диаметров формуемой заготовки.

В действительности же очаг сворачиваниятрубной заготовки в формовочном стане состоит из ряда отдельных очаговдеформации, образуемых соответствующим количеством валковых калибров[4].Таким образом, необходимо иметь четкое понимание о характере изменений36формы, которые происходят на протяжении всей длины формовочного стана сучетом его механических свойств.В ходе периода перехода от труб малого диаметра к трубам большогодиаметра при уменьшении соотношения диаметра трубы к толщине стенкиизменилось направление инженерных исследований от общих конструкторскихзадач к непосредственному анализу и исследованию очага деформацииконкретной трубной заготовки при формовке.Одним из основных направлений исследования стало изучение механизмаобразования гофров. Основная причина возникновения этого явления – этопотеря кромками продольной устойчивости, возникающая непосредственно ввалковом калибре и на некотором удалении от него по ходу процесса.

В рядеисследований было показано, что причиной возникновения продольныхсжимающих напряжений являются пластические деформации растяжения исжатия кромки, которые происходят в процессе непрерывного гиба полосы ввалках[24]. Причем растяжение кромки идет неравномерно. Во внеконтактномочаге деформации начинается плавное удлинение кромки, которое резковозрастает и достигает максимальной величины в зоне контакта ленты с валком.Затем наступает процесс резкого сжатия кромки, который заканчивается завалковым калибром.В дальнейшем для усовершенствования технологического процесса воВсесоюзном научно-исследовательском и конструкторско-технологическоминституте трубной промышленности (ВНИТИ) были проведены исследованияпо выяснению причин возникновения деформаций растяжения кромки, приформовке полосы шириной 160 мм и толщиной 1,6-2,0 мм в калибрах споследовательно уменьшающимся радиусом кривизны профиля: 165,82 и 55 мм.Оказалось, что деформации, вызывающие причины искривления кромок,периодичны и стабильны по всей длине заготовке.

По длине очага деформациибыли выявлены три зоны (Рис. 2.2.), резко отличающихся между собойхарактером, величиной и направлением продольной деформации[21].37Рис. 2.2.Схема формовки полосы в калибрах с последовательно уменьшающимсярадиусом кривизны профиля [21]В зоне I (внеконтактной) кромки поднимаются, одновременно растягиваясьи искривляясь в плоскости, касательной к торцу, таким образом, что волокна,расположенные на наружной поверхности, растягиваются, а на внутреннейсжимаются. В зоне II кромки заготовки по мере процесса формообразованияполосы, одновременно растягиваясь искривляются в обратную сторону. Приэтом волокна, расположенные на наружной поверхности заготовки, сжимаются,а внутренней – растягиваются. В зоне III, определяемой поперечным профилем,полученным в валковом калибре, кромки выпрямляются и одновременносжимаются. При выпрямлении кромок ранее растянутые волокна сжимаются,вследствие чего на внутренней поверхности кромок готовой заготовкивозникают остаточные напряжения.Таким образом, попеременно происходит растяжение-сжатие и как следствие– неравномерное распределение остаточных напряжений.

Кромки же останутсяпрямолинейными в том случае, если после их выпрямления сумма остаточныхнапряжений будет стремиться к нулю. Очевидно, для достижения этогоформовку трубной заготовки необходимо вести в таком режиме, при котором всепродольные деформации кромки были бы упругими.Продолжением данной работы стали исследования Ю.А. Медникова[25–27],по расчету углов формообразования с учетом принципа минимальногорастяжения кромок в продольном направлении, который стал основнымкритерием для оценки технологического процесса:383в =∙2√∙(1−2,7∙∙упр/∙)√к − 0(2.14)где к , 0 – соответственно конечный и начальный углы формовки;– эмпирический коэффициент; - модуль упругости; упр – предел упругости.До появления методики расчета Ю.М. Медникова ни одна из озвученныхметодик не учитывала механических свойств материала.Сотрудниками ВНИТИ была предложена методика расчета длины контактакромок трубной заготовки с поверхностью валков при непрерывном процессеформовки.

Было принято, что расстояние между осями формовочных клетей длякалибров открытого профиля при углах гиба до 180 градусов не должнопревышать суммы длин 2 и 3 , а для калибров, угол гиба в которых больше 1800,70,5AОсь n+1 клетиУдлинение кромокAОсь n клети– длины зоны 2 .(Рис. 2.3.).0,30,1l'3l1l2l3lфДлина очага деформацииРис. 2.3.Зоны деформации трубной заготовки при непрерывной валкой формовке [28]Отмечено, что длина зоны контакта кромок трубной заготовки споверхностью валков 3 при углах гиба до 180 град.

составляет значительнуювеличину от длины зоны внеконтактной деформации 2 , и поэтому длину 3необходимо учитывать при определении расстояния между клетями[28].Определить длину контакта кромок трубной заготовки с поверхностью валка3 можноприсовместномрешенияуравненийповерхностивалка,представляющей собой поверхность тора и уравнения траектории точки накромке трубной заготовки (Рис. 2.4.).39ZRMCd/ 2ѱA0l3C1XA1YРис. 2.4.Схема определения длины зоны контакта полосы с валками 3 : – уголповорота радиус-вектора; – диаметр валка по дну калибра; н – радиуспрофиля калибра; 3 –длина зоны контакта полосы с валками [28]Предполагается, что удлинение достигает своего максимального значенияпри изменении знака кривизны. Данная точка является точкой встречи волокна споверхностью валка.

Проекция длины контакта определяется при решенииуравнения: =,(2.15)где – дифференциал дугиРешение данного уравнения проекции длины контакта кромки трубнойзаготовки с нижним валком зависит от ширины ленты, радиуса формовкинижнего валка и угла гиба, а также от диаметра валка по дну калибра.К.И. Шказатур, В.И. Мизера и другими было проведено множество расчетов,результаты которых были представлены в виде зависимостей величины ⁄отразличных составляющих (Рис. 2.5, 2.6).40Y/ B0,88a0,78d=B20,680,581,50,48ϕ=0,381,2 50,281,00 ,7 50,1850 ,50 0 ,200,01 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1εmax , %0,20,3 0,40,6 0,8 1,0Рис. 2.5.⁄ в зависимости от величины максимального удлинения кромки иразных углов гиба при постоянном значении диаметра валка по днукалибра [28]Y/ B0,850 04000,0,0=0x003ε ma0,0200,000,60,4100,000,200,5123d/ 2BРис.

2.6.⁄ в зависимости от величины и удлинения кромки при постояннойвеличине угла [28]Методика позволяет подобрать углы формовки, позволяющие соблюдатьпринципа минимального растяжения кромок, однако не учитывает механическихсвойств материала, поэтому использование для расчета технологическихпараметров процесса формовки труб из различных по свойствам марок сталей, втом числе трубных марок сталей, невозможно. Для инженерных же расчетов41была рекомендована формула по определению и3 , полученная путемаппроксимации расчетных графиков:3 = 0,37 ∙ ∙ (0,14 + 0,24 ∙ ) ∙ 1.14Даннаязависимостьбылаподтверждена(2.16)экспериментальнымиисследованиями на трубоформовочном стане 6-30, результаты которыхприведены в таблице 3:Таблица 3Размер трубы, ммдиаметртолщинастенки303051511111Ошибка, %Длина контакта 3 , ммУгол ,градУдлинениеmax , %Диаметрвалка, мм1,452,200,981,450,590,480,680,43103103103103рассчитанная поформуле(2.16)по эксперимент.данным24,652,518,328,627,250,319,030,5-9,6+4,4-3,7-6,2Последующие теоретические и экспериментальные исследования [21, 22, 29,30], выполненные во ВНИТИ и Всероссийский научно-исследовательскоминститутеметаллургическогомашиностроения(ВНИИМЕТМАШ),существенно расширили и уточнили ранее полученные данные о процессеформообразования заготовки для прямошовных сварных труб и напряженнодеформированном состоянии металла в очаге деформации.

Исследованияпоказали, что продольные деформации носят знакопеременный характер подлине. В поперечных сечениях, на участок плавного перехода, наряду спродольными напряжениями растяжения имеются напряжения сжатия, и взависимости от продольного искривления трубной заготовки параметрынапряженно-деформированногосостоянияметалламогутсущественноизменяться.Г.А. Смирнов-Аляев и Г.Я. Гун первыми предложили методику исследованиядеформированного состояния при его конечном формообразовании, примениливариационныеметодыиразработалиобщуюметодикуопределениядеформированного состояния [31, 32].

Общий принцип методики расчетавыглядитследующимобразом:составляютуравнения,связывающиелангражевы координаты материальных точек исходной полосы с эйлеровскими42координатами тех же точек после формоизменения[31, 32]. Указанные уравнениясодержат одну или несколько неизвестных функций, которые описываютгеометрию тела после его формоизменения. Расстояния между двумяматериальными точками листа после деформации находят, вычисляя первуюквадратичную форму поверхности.Главные деформации определяют черезкоэффициенты первой квадратичной формы, используя постулат Кирхгофа-Ляваи условие не сжимаемости.Вычисляя интенсивность деформаций и связывая ее с интенсивностьюнапряжений, определяют удельную работу деформации (массовыми силамипренебрегают).

Для вычисления работы формоизменения и среднего усилиядеформации, используется квадратичный закон распределения относительнойдеформации растяжения по ширине полосы[24]: 2 =∙( ) ,(2.17)где – текущее значение координаты; – коэффициент, соответствующий максимальной деформации в кромках; – половина ширины полосы.Математическая теория процесса формоизменения была построена с учетомдвух основных видов деформации – чистого изгиба и линейного растяжения вкромках. В соответствии с принятой методикой сначала задается законизменения формы поперечного сечения по длине очага деформации посредствомвведения одной или нескольких заранее неизвестных варьируемых функций, азатем, определяется величина деформации и работа формоизменения извариационного уравнения Лагранжа, определяется деформированное состояниеметалла и длину очага деформации.