Способ изготовления сварных труб и кабельных оболочек

 

Изобретение относится к изготовлению сварных труб и кабельных оболочек (Т) из металлических лент. Цель изобретения - повышение качества готовых труб путем обеспечения равномерного тянущего усилия во всех приводных калибрах формовочного стана. Трубную заготовку изгибают в приводных калибрах (К) по определенному закону в зависимости от количества К и кривизны трубы (Р) в соседних К, устанавливают Р в неприводных К, равной Р предыдущего приводного К, и изменяют кинематические параметры приводных К так, что суммарная контактная тянущая площадь формовочного инструмента с Т в каждом К постоянной и тянущее усилие равномерно. 11 ил., 2 табл.

Изобретение относится к производству сварных труб и кабельных оболочек.

Целью изобретения является повышение качества готовых труб и кабельных оболочек путем обеспечения равномерного тянущего усилия во всех приводных калибрах формовочного стана.

Сущность способа заключается в том, что при формовке трубы в многоклетьевом формовочном стане металлическую ленту изгибают в калибрах в зависимости от кривизны трубной заготовки, суммарную контактную тянущую площадь формовочного инструмента с трубной заготовкой в каждом приводном калибре поддерживают постоянной, а в неприводных калибрах кривизну поддерживают равной кривизне предыдущего приводного калибра.

На фиг.1 представлена типовой валковый формующий калибр с обозначением основных геометрических параметров; на фиг.2 и 3 - эджерный калибр, разрез; на фиг.4 - то же, вид сверху; на фиг.5 - контактная площадь валка; на фиг.6 - схема нагрузки приводных и холостых клетей стана; на фиг.7 - та же силовая схема после регулировки валковых калибров; на фиг.8 - схема нагрузки при новой калибровке валков стана; на фиг.9 - площадь контакта верхнего валка с пазом для закладки кабельного сердечника; на фиг.10 - схема приложения усилий с уравненными кинематическими составляющими; на фиг.11 - схема равномерного распределения нагрузки по приводным клетям стана.

Использование способа позволяет равномерно распределить нагрузку по приводным клетям стана, стабилизировать воздействие деформирующего инструмента на трубную заготовку, полностью исключить смещение трубной заготовки и образование гофр в процессе формовки, т.е. позволяет изготовить сварные трубы и кабельные оболочки высокого качества.

Процесс непрерывной формовки трубной заготовки в приводных клетях стана характеризуется одновременным изгибом заготовки по клетям до заданных геометрических параметров и передачей (транспортировкой) заготовки в последующие клети за счет сил трения в них. Таким образом, процесс формообразования трубной заготовки обеспечивается тянущими усилиями приводных клетей (калибров), а качество сформованной заготовки определяется схемой приложения тянущих усилий к заготовке.

Чтобы исключить случайные перегрузки или недогрузки приводных клетей, необходимо достичь равенства тянущих усилий по приводным калибрам. Если предыдущая клеть развивает тянущее усилие, превышающее тянущее усилие последующей клети, на межклетьевом участке возникает дополнительное сжатие трубной заготовки и, как следствие, появляется смещение заготовки или возникают гофры на кромках. Если тянущее усилие в предыдущей клети меньше, чем в последующей приводной клети, возникает дополнительное растяжение, приводящее к вытяжке кромок трубной заготовки и возникновению подпора далее по ходу формовки.

Работа тянущего усилия без учета трения в подшипниках вращающихся валов расходуется на работу формоизменения ленты (полосы) в локальном очаге деформации и на работу по преодолению сил трения (транспортировку полосы вдоль стана) А_т = А_вн + А_тр, (1) где А_т - работа тянущего усилия; А_вн - работа внутренних сил (работа гиба); А_тр - работа по преодолению сил трения (работа транспортировки или кинематическая составляющая). Работу внутренних сил можно оценить, считая, что полоса во время формоизменения ведет себя как пластический материал A_вн=τ_s(ε_i-ε _i-1 )S_т B_s l_ср, (2) где τ_s - предел текучести сдвига; ( ε_i - ε_i-1) - степень деформации в i-ом локальном очаге деформации; S_т - толщина материала; B_s - ширина полосы; l_ср - средняя длина площади контакта.

Оценку работы сил трения можно получить, полагая, что материал в продольном направлении пластически деформируется А_тр = К_трτ_s (-F_оп + F_от) l_ср, (3) где F_оп - площадь зоны опережения; знак (-) означает, что работа сил трения по этой площади уменьшает общую работу тянущих сил, поскольку в этом случае все силы трения способствуют процессу формовки, т. е. на этой площади трубная заготовка дополнительно получает тянущую силу по ходу формовки.

F_от - площадь зоны отставания; знак (+) означает увеличение общей работы тянущих сил, поскольку все силы трения на этом участке сопротивляются продвижению трубной заготовки.

К_тр - коэффициент трения в формуле трения по Прандтлю.

Разделяя работу А_т на l_ср, получаем значение тянущего усилия
T _Σ= Т_г + Т_к (4) или
T_Σ= - S_тB_s+K_трτ_s(-F_оп+F_от)
Таким образом, суммарное значение тянущего усилия T _Σ(4) складывается из двух составляющих - из составляющей гиба Т_г (2) и кинематической составляющей Т_к (3). Составляющая гиба зависит от кривизны трубной заготовки ее механических характеристик, а кинематическая составляющая - от площади контактного взаимодействия и положения катающего диаметра по валкам калибра. Поэтому процесс уравнивания T _Σследует проводить отдельно по составляющим.

Равенство по составляющей гиба достигается тогда, когда вся работа гиба равномерно разбита на количество приводных формующих клетей (калибров).

Разность деформации от изгиба трубной заготовки в двух соседних формовочных клетях (i) и (i-1) определяется следующим образом:
- = ,
(5) где S_т - толщина трубной заготовки;
А_вн.о - общая работа гиба трубной заготовки от первоначальной прямой полосы до окончательно сформированной трубной заготовки под сварку;
N - количество приводных формовочных клетей (калибров).

Выражение (5) определяет условие равномерного распределения работы гиба по приводным формовочным клетям, а следовательно, и схему равномерного приложения тянущих усилий к каждой формовочной клети
= A_вн(i)-A_вн(i-1)
(6) тогда
= τ_sB_sS - ,
= - ; =κ_i-κ_i-1,
(7) (7) - условие распределения кривизны по формующим клетям, обеспечивающее равные тянущие усилия по клетям.

Однако кривизна в последней приводной формовочной клети меньше кривизны трубной заготовки в сварочном узле на 10-20%. С учетом поправочного коэффициента доформовки К = 0,8-0,9 зависимость (7) приобретет вид
=κ_i-κ_i-1.

(8)
Механизм возникновения кинематической составляющей тянущего усилия приводной клети следующий: в процессе продвижения трубной заготовки к валковому калибру происходит соприкосновение ее с ребордами нижнего валка и дном верхнего валка с дальнейшим увеличением площади контакта по ширине заготовки. По всей ширине контакт обеспечивается в осевом сечении калибра. По мере увеличения площади контакта происходит увеличение силы трения между приводными валками и заготовкой, т.е. увеличивается величина кинематической составляющей тянущего усилия. При всех прочих равных условиях (неизменность кинематических параметров) величина этой составляющей определяется величиной площади контакта. Получая равные величины этих площадей по калибрам приводных клетей, получаем равные значения кинематической составляющей по клетям.

Контактная площадь представляет собой площадь криволинейного треугольника с высотой, равной максимальной длине контакта трубной заготовки с нижним валком (l_нi^к) или с верхним валком (l_вi^к), и определяется геометрическими параметрами валков (фиг.1)
ll=
(9)
Контактная площадь определяется следующим образом:
F^к_нi≈F^к_вi=
(10)
При определении тянущего усилия холостых (неприводных) вертикальных клетей можно отметить, что эти клети (калибры) могут либо совершать работу гиба, находясь между приводными горизонтальными клетями, либо поддерживать трубную заготовку, выходящую из предыдущей клети, и направлять ее в последующую клеть.

Если холостая клеть совершает гиб, то формующий инструмент обеспечивает кривизну со средним значением относительно кривизны инструмента предыдущей и последующей приводных клетей. В этом случае возникает не тянущее усилие, а усилие сопротивления, состоящее также из двух составляющих: составляющей работы гиба (2) и составляющей работы сил трения (3), в которой F_оп полностью отсутствует. Совершенно очевидным является то, что уравновесить по приложенным усилиям многоклетьевую схему с наличием холостого формующего инструмента (эджеров) можно эффективно, уменьшая или полностью исключая усилия сопротивления по длине формовочного стана. Это достигается следующим образом: во-первых, исключением составляющей сопротивления гиба, для чего в холостых калибрах кривизну не изменяют по сравнению со значением кривизны в приводной клети, и, во-вторых, путем изменения геометрических параметров подбирают минимальное значение площади контакта так, что значения этих контактных площадей по эджерам были равны.

Последовательность определения контактной площади с холостым эджерным калибром следующая (фиг. 2-5): определяют величину провисания дна трубной заготовки от сечения контакта в i-ом калибре (фиг.5)
DC = R_i (1 - Cosα ), (11) где arcsinα = DB/R_i;
определяют границу контакта трубной заготовки, сформованной в предыдущей клети на радиус R_i-1, с эджерной проводкой в i-ом сечении
DʹBʹ= ,
(12)
определяют геометрические параметры валка, необходимые для определения угла контакта β (фиг.4)
ДВ _{⇒ cosβ= ,}
(13)
определяют максимальную длину контакта трубной заготовки и эджерного валка
L_эi^p = (D_р.н. - DB) ˙β , (14)
определяют минимальную длину контакта трубной заготовки и эджерного валка
L_эi=D_р.н- ,
(15)
определяют площадь контакта трубной заготовки и эджерного валка
F_эi= (B_s-ДВ).

(16)
Пример конкретного выполнения предложен для конкретной схемы формовки агрегата АК 10-35 завода "Южкабель" для сварной алюминиевой кабельной оболочки 13х1 мм, B_s = 48 мм, τ_s = 35 Н/мм². Агрегат кабельный (АК) содержит три приводные (горизонтальные) клети и три неприводные (вертикальные). Кинематические параметры стана заданы таким образом, что контактные площади приводных калибров горизонтальных клетей стана находятся в зоне опережения. Калибровка валков по заводским расчетам представлена в табл.1.

Расчет энергосиловых параметров АК 10-35 по формовочным клетям и анализ существующей заводской схемы производства кабельных оболочек следующие.

Клеть "0-1" (вертикальная).

По методике, представленной в формулах (11) - (16), определяют контактную площадь для двух первых эджерных валков:
α_0-1= 1^о ; DC_{0 - 1} = 0,5 мм ;
ДʹВʹ==11,8 мм;
КБ = 11,8 - 3,0 = 8,8 мм ; БО = Д_р.н. = 91,2 мм ;
cosβ_0-1= =0,912 ⇒ β=24°(0,42);
L_0-1^р = 0,42˙97 = 41 мм ;
L_0-1 = 0,42˙(100 - 24) = 31,92 мм ;
F_0-1= 21=766 мм².

По формуле (4) определяем величину тормозящего усилия:
3=
Клеть "1" горизонтальная.

По формулам (2) - (4), (9), (10) определяют величину тянущего усилия в клети "1":
l^к_н1= =24·0,6=14,6 мм,
F^к₁= =350 мм²,
T₁=1·1680 - -0,0175·700=1,9-12,25= -10,35 H
Аналогично определяются величины тормозящих усилий эджерных клетей "1-2" (Т_1-2 = 3,7 + 24,3 = 28 Н) и "2-3" (Т _2-3 = 77 + 9,3 = 86,3 Н) и тянущих усилий приводных клетей "2" (Т₂ = 3,36 Н - 15,96 = -12,6 Н) и "3" (Т₃ = 76,9 - 6,86 = 70,04 Н).

Направление усилий против хода формовки - тормозящее усилие формовочного стана составляет (фиг.6) 32,8 + 1,9 + 28 + 3,4 + 86,3 + 77 = 229,4 Н.

По направлению формовки - активная тянущая составляющая приводных клетей равна (фиг.6) 12,15 + 16 + 6,9 = 35,15 Н.

Очевидно, что при такой схеме контакта трубная заготовка не может перемещаться вдоль формовочного стана. Необходимо посадить верхние валки приводных калибров при помощи нажимных механизмов так, чтобы активная тянущая сила была равна или превышала тормозящее усилие стана.

В первой клети эта величина должна возрасти на 32,8 + 1,9 - 12,25 = 24,45 Н; во второй приводной клети - на 28 + 3,4 - 16 = 15,4 Н; в третьей клети - на 86,3 + 77 - 6,9 = 156,4 Н.

После регулировки калибров нажимными механизмами получают схему (фиг.7) с неравномерным распределением тянущих усилий, что приводит к образованию участков с неустойчивой формовкой (например, участок выхода из первой клети и входа в эджер "1-2"). Уравнивают тянущие усилия.

Первоначально равномерно распределяют кривизну вдоль очага формовки по зависимости (8), тогда имеют:
=κ_i-κ_i-1 ⇒ =0,046.

_ка^новая_{либровка}
Определяют величины контактных площадей по приводным клетям с учетом нового распределения кривизны, при этом геометрические параметры валков для первого варианта оставляем неизменными. Тогда получаем
l^к_н1= =24=24·1,3=31 мм;
F^к_н1= 31·48=752 мм²;
T_к1=0,0175·752·2=26,4 H.

Клеть "2"
l^к_н2= =24 =24·1,88=45 мм;
F^к_н2= 48·45=1080 мм²;
T_к2=0,0175·1080·2=37,8 H.

Клеть "3"
l^к_н3= =12=12·2=24 мм;
F^к_н3= 24·48=576 мм²;
T_к3 = 0,0175˙576˙2 = 20,16 H .

В холостых валках кривизну не изменяют по сравнению со значением кривизны в предыдущих приводных клетях. Поскольку первая проводка выполняет функцию интенсивного гиба, то необходимо оставить кривизну внеконтактной деформации в первой клети. С учетом нового распределения κпо клетям имеем (фиг.8):
T_г1=T_г2=T_г3=1680=38,7 H.

Тогда тянущее усилие по приводным клетям составляет:
Т₁ = 38,7 - 26,4 = 12,3 Н;
Т₂ = 38,7 - 37,8 = 0,9 Н;
Т₃ = 38,7 - 20,2 = 18,5 Н.

В холостых валках составляющая гиба равна нулю, а кинематическая составляющая сопротивления минимальная и определяется минимальной площадью контакта, равной F_эi^к = 3˙ (48 - 6) = 126 мм², а усилие сопротивления равно Т_эi = 0,0175 (126˙2)= = 4,4 Н.

Усилием прижатия необходимо компенсировать тянущее усилие по клетям Т_ком = =4,4 + 12,3 + 4,4 + 0,9 + 4,4 + 18,5 = 44,9.

Осталось уравнять кинематические составляющие приводных клетей таким образом, чтобы суммарная контактная тянущая площадь инструмента с трубной заготовкой, образованная разностью площадей опережения и отставания, была равнозначна.

Клеть "1".

После коррекции κ_i в первой клети возрастает протяженность контактной зоны. Кинематические параметры - вся контактная площадь в зоне опережения. Постепенным перебором геометрических параметров валков (уменьшением) получают следующее значение контактной площади:
l^к_н1= =24=24·1,1=27 мм;
F^к_н1= 48·27=648 мм²;
T_к1 = 0,0175˙648˙2 = 22,6 H .

Клеть "2"
Изменяя (уменьшая) геометрические параметры, получают приемлемый вариант для коррекции
⁼²⁴·^{1,6=38,4 мм;}
F^к_н2= 48·38,4 мм=921,6 мм².

Общая площадь контакта двух валков первого калибра составляет: 648˙2 = 1296 мм².

Таким образом, на площадь с верхним валком приходится 1296 - 922 = 374 мм².

Уменьшение площади возможно за счет паза для закладки кабеля (l = 8 мм) и уменьшение общей протяженности контакта (фиг.9).

F^к_в2= 7=185 мм²; 2·F^к_в2=370 мм²
T_к2 = 0,0175˙(922 + 370) = 22,61 H , т.е.

T_к1 = T_к2 .

Клеть "3"
Корректируя геометрические параметры валков третьей приводной клети, получаем
l^к_н3= =24 =24,0·2,1=52 мм;
F^к_н3= 24·52=630 мм²;
T_к3=0,0175·630·2=22 H.

Таким образом, путем изменения геометрических параметров валков уравнены кинематические составляющие по приводным клетям, и усредненное значение этой величины составляет ≈22 Н (фиг.10).

В каждой приводной формовочной клети за счет дополнительного прижатия валков необходимо увеличить тянущее усилие на величину:
ΔТ = (4,4 + 38,7) - 22≈21,0 Н.

Тогда получаем окончательную схему нагрузки, представленную на фиг.11. Новая калибровка валков формовочного стана приведена в табл.2.

Выполнение калибровки технологического инструмента по табл.2 на АК 10-35 позволяет обеспечить равномерность тянущего усилия во всех приводных калибрах формовочного стана; уменьшить на 40% общее тянущее усилие стана (43˙3 = 129 Н), равномерно нагрузить элементы привода и формирующие поверхности, что обеспечивает равномерный износ формующего инструмента; исключить возникновение межклетьевых участков дополнительного натяжения и подпора, что исключает смещение трубной заготовки и образование гофр на ее кромках в процессе формовки и обеспечивает получение сварных труб и кабельных оболочек без дефектов, ухудшающих качество.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВАРНЫХ ТРУБ И КАБЕЛЬНЫХ ОБОЛОЧЕК, включающий формовку в приводных и неприводных калибрах с постепенно изменяющейся кривизной профиля трубной заготовки вдоль очага формовки, доформовку и осадку в сварочном калибре, отличающийся тем, что, с целью повышения качества готовых труб путем обеспечения равномерного тянущего усилия во всех приводных калибрах формовочного стана, трубную заготовку изгибают в приводных калибрах по закону
= κ_i-κ_i-1 ,
где K - коэффициент доформовки (K = 0,8 - 0,9);
χ_с.у - кривизна трубы в сварочном калибре;
N - количество приводных калибров;
χ_i - кривизна трубы в 1-м калибре;
χ_i-1 - кривизна трубы в (i - 1)-м калибре,
при этом суммарную контактную тянущую площадь формовочного инструмента с трубной заготовкой, образованную разностью площадей опережения и отставания в каждом калибре поддерживают постоянной путем изменения их кинематических параметров, а в неприводных калибрах кривизну поддерживают равной кривизне предыдущего приводного калибра.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12