«ипу имени В. А. Трапезникова ран» - реферат

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального

образования

Московский государственный открытый университет

им. В.С. Черномырдина (ГОУ ВПО МГОУ)

ОТЧЕТ

Мероприятие № Н 5.4-1 Подготовка сотрудников предприятий: «ИПУ имени В.А. Трапезникова РАН», «ФГУП «НИИ«Квант»», ОАМО «ЗИЛ», ОАО «Филит» по вопросам современных информационных технологий на основе реализации новейших разработок

Раздел 5.4.1.4. Организация инновационно-образовательной деятельности в центре: «МГОУ–Московский трубный завод ОАО «Филит», ориентированной на повышение квалификации специалистов предприятия, для улучшения качества сварных труб»

г. Москва 2011 г.

Список исполнителей

1. Шаталов Р.Л., д.т.н., проф., зав. кафедрой – введение, подразделы

1 (5.4.1.4.1); 2 (5.4.1.4.2).

2. Верхов Е.Ю., к.т.н., профессор – подразделы 2.1; 2.2.

3. Алдунин А.В., к.т.н., доцент – подразделы 1.1; 1.2.

4. Литвинова Н.Н. к.т.н., доцент – подразделы 1.1.2; 1.1.3; 1.2.

5. Морозов Ю.А., к.т.н., доцент – подразделы 2.1; 2.2.

6. Босхамджиев Н.Ш., к.т.н., профессор – подраздел 1.2.

7. Жильцов А.Я. к.т.н., доцент – подразделы 1.1; 1.2.

8. Ивлев С.А., к.т.н., доцент – подраздел 1.1.2; 1.1.3.

9. Филимонов А.Н., аспирант – оформление НИМ, НОМ и протоколов

семинаров.

10. Латушкина Н.Н., инженер – оформление НИМ, НОМ и протоколов

семинаров.

11. Рождественская М.Б. – начальник ПФУ – подразделы 1 (5.4.1.4.1);

2 (5.4.1.4.2).;

12. Афанасьев А.Д. – к.э.н., профессор, директор издательства МГОУ –

подразделы 1 (5.4.1.4.1); 2 (5.4.1.4.2).

РЕФЕРАТ

Ключевые слова: стальные сварные трубы, подкат, трубосварочные агрегаты, системы автоматического контроля размеров листа и полосы, образовательные услуги, алгоритмы и математические модели, Московский трубный завод (МТЗ ОАО «Филлит»).

Выполнен комплекс работ по оказанию научно-образовательных услуг Московскому трубному заводу (МТЗ ОАО «Филлит»). Промежуточный отчет состоит из введения и двух глав (разделов), изложенных на 101 стр. машинописного текста, содержит 38 рис., 1 табл.

Во введении обоснована необходимость создания на МТЗ системы освоения специалистами завода новых технологий, оборудования и систем автоматизации для улучшения условий труда и качества сварных труб из стальных полос. В первом разделе приведен новый научно-информационный материал (НИМ) «Современные микропроцессорные измерители толщины стальных полос» и протоколы проведения двух семинарных занятий на ОАО «Филит» по изучению НИМ, в которых приняло участие более 70 жителей Москвы.

Во втором разделе приведен новый научно-образовательный материал (НОМ) «Формовка, сварка и прокатка стальных сварных труб» и протоколы проведения двух семинарных занятий на ОАО «Филит» по изучению НОМ и современных информационных технологий, в которых приняло участие более 60 жителей Москвы из числа специалистов ОАО «Филит» и других организаций города Москвы: МГВМИ, ММЗ «Серп и Молот», ВНИИПИСАУ, МПУ РАН.

Всего было организовано и проведено 4 семинарных занятия, в которых приняло участие 130 жителей Москвы.

Содержание

Стр.

Введение …………………………………………………………………….. 6

1. (5.4.1.4.1) Создание системы освоения новой измерительной техники

и обучения в использовании компьютерных систем и приборов

входного контроля качества стальных заготовок……………………… 10

1.1. Научно-информационный материал (НИМ) «Современные

микропроцессорные измерители толщины стальных полос» ……. 10

1.1.1. Классификация методов измерений приборов и систем

автоматического контроля………………………………………… 10

1.1.2. Структурные схемы. Статические и динамические характеристики

средств измерений…………………………………………………. …. 12

1.1.3. Измерительные преобразователи……………………………………. 16

1.1.4. Измерительные схемы дистанционной передачи показаний…........... 27

1.1.5. Показывающие и регистрирующие измерительные приборы……… . 31

1.1.6. Измерение линейных размеров проката……………………………….. 36

1.1.7. Рекомендуемая литература…………………………………………… 50

1.2. Проведение семинаров по теме «Традиционные и современные

технические средства контроля толщины стальных полос» на

Московском трубном заводе ОАО «Филит» (МТЗ ОАО «Филит»)… 52

2. (5.4.1.4.2) Создание системы изучения современных и ресурсо-

сберегающих технологий производства сварных прямошовных

труб из стали …………………………………………………………….. 56

2.1. Научно-образовательный материал (НОМ) «Применение

информационных систем при формовке, сварке и прокатке стальных

сварных труб»…………………………………………………………… 56

2.1.1. Теоретическое введение……………………………………………… 56

2.1.2. Адаптивная система управления прокатки труб……………………. 59

2.1.3. Принцип работы системы и схема расположения датчиков………. 62

2.1.4. Обработка исходных данных………………………………………… 75

2.1.5. Построение и использование модели……………………………….. 78

2.1.6. Лазерное измерение толщины стенки………………………………. 82

2.1.7. Рекомендуемая литература…………………………………………… 90

2.2. Проведение семинаров по теме «Традиционные и современные

технологии производства сварных труб» на Московском трубном

заводе ОАО «Филит» (МТЗ ОАО «Филит»)…………………………... 91

Приложение:………………………………………………………………….. 101

1. Договор МГОУ с ОАО «Филит»…………………………………..

ВВЕДЕНИЕ

В соответствии с договором №4 от 12 августа 2011 г. между Ассоциацией московских вузов и Московским государственным открытым университетом с целью выполнения мероприятия Н5.4-1, раздел 5.4.1.4 «Организация инновационно-образовательной деятельности в центре: «МГОУ–Московский трубный завод ОАО «Филит», ориентированной на повышение квалификации специалистов предприятия, для улучшения качества сварных труб» создан научно-образовательный коллектив (НОК). НОК, созданный при кафедре «Металлургия, металловедение и обработка металлов давлением» (ММиОМД) МГОУ, осуществлял свою деятельность в течение 2011 г. на базе одного из старейших московских предприятий – Московского трубного завода «Филит».

ОАО Московский трубный завод «Филит» вошел в число действующих предприятий 29 июля 1932 года, как предприятие по производству водогазопроводных труб для нужд городского хозяйства Москвы. Завод получил первоначальное название «Красная труба». Трубы изготавливались методом печной сварки, протягиванием нагретой полосы металла (штрипса) через воронку.

В конце 30-х годов прошлого века, в связи с развитием автомобилестроения, на заводе впервые был освоен выпуск электросварных труб. Эти трубы изготавливались на непрерывном агрегате путем подачи рулонной полосы заданной ширины, размотки рулона в потоке агрегата, формовки полосы в трубную заготовку, сварки продольных кромок заготовки методом сопротивления, калибровки трубы и разрезки ее на мерные длины в потоке агрегата. Для обеспечения производства сварных труб качественной заготовкой – лентой на заводе был построен лентопрокатный цех в составе прокатных станов дуо и кварто, печей с защитной атмосферой и агрегатов продольной резки ленты (штрипса) на полосы заданной ширины.

В военное время, 1941–1945 годы, оборудование завода частично было эвакуировано на Урал, а завод выпускал продукцию для ремонта и эксплуатации военной техники, в том числе детали снарядов и мин.

В послевоенные годы на заводе были установлены трубоэлектросварочные агрегаты, отечественные типа АШТ 60 и импортные американской фирмы «Йодер», а так же агрегаты продольной резки ленты взамен устаревшего оборудования печной сварки труб.

В начале 50-ых годов ХХ в. было освоено производство волоченых труб для карданных валов автомобилей по ГОСТ 5005 и волоченых труб малых диаметров по ГОСТ 10707 и ТУ. Для обеспечения производства таких труб на заводе были установлены волочильные станы и термические печи секционная и роликовая с защитной атмосферой. С целью расширения сортамента продукции на заводе были проведены работы по освоению производства труб из высоколегированных нержавеющих сталей методом аргонно-дуговой сварки (АДС).

В начале 60-ых годов в связи с возникновением потребности в трубах для химической промышленности, на заводе был построен новый цех по производству труб из высоколегированных сталей и сплавов оснащенный трубоэлектросварочными агрегатами аргоно-дуговой сварки «10–32», «10–60», «19–102» и станами холодной прокатки, в том числе станами ХПТР «8–15» и «15–30», печью для термообработки и отделением для химической обработки труб.

В 70–90-е годы в связи с дальнейшим развитием техники и появлением новых отраслей — потребителей труб, на заводе была проведена очередная реконструкция с установкой новых импортных трубоэлектросварочных агрегатов для производства труб из углеродистых и низколегированных сталей («10–30» с применением постоянного тока, «10–60» и «25–83» с применением токов высокой частоты), станов холодного редуцирования труб в потоке, а также трубоэлектросварочного агрегата «10–38» для сварки труб токами высокой частоты. Были приобретены два новых волочильных стана усилием 12,5 и 32 тонны, новые печи с защитной атмосферой и новое отделочное оборудование.

Для производства труб из высоколегированных сталей диаметром 8–25 мм., необходимых при изготовлении трубчатых электронагревателей (ТЭН), на заводе установили и ввели в эксплуатацию четыре трубоэлектросварочных агрегата изготовленных в Японии.

Был установлен новый трубоэлектросварочный агрегат «20–76» для производства труб из углеродистых сталей, оснащенный новой системой формовки и калибровки труб (ЦТА), разработанный австрийской фирмой «Фест-Альпина».

Для обеспечения трубоэлектросварочных агрегатов высококачественной заготовкой установлены три новых агрегата продольной резки.

Наличие современного оборудования и высококвалифицированных кадров позволило в 1999 году внедрить на заводе систему качества, предусматривающую контроль планирования и ведения производственного процесса и контроль продукции. Система качества Московского трубного завода «Филит» по представлению аудиторов германской фирмы «Тюфф-Байерн» сертифицирована согласно международному стандарту серии ISO 9001.

Техника и технология на заводе развивается динамично в связи с расширением сортамента и повышением требований к качеству и увеличению выпуска новых видов труб.

Появление новой техники, в том числе компьютеризированной, усовершенствованных технологий производства труб, современных методов и средств контроля показателей качества металла требует создания системы образовательной деятельности, направленной на повышение квалификации специалистов МТЗ «Филлит», численный состав которого составляет около 250 чел.

Работы коллектива МГОУ на МТЗ «Филлит» начались в конце 2010 г. после заключения договора № 5/3 от 15.09.2010 г. о создании научно-образовательного центра на предприятии.

По согласованию со специалистами предприятия была составлена программа работ, которой в 2011 г. предусмотрены разработка и создание научно-образовательного и научно-информационного материалов, а также проведение на ОАО «Филит» семинарских занятий по изучению инновационных средств контроля и расчета параметров формовки и прокатки круглых сварных труб.

В отчете приведены результаты деятельности НОК (руководитель д.т.н., проф. Шаталов Р.Л.) по выполнению раздела 5.4.1.4 договора между АМВ и МГОУ.

1. (5.4.1.4.1) Создание системы освоения новой информационно-измерительной техники и использования компьютерных систем и приборов входного контроля качества стальных заготовок

1.1. Научно-информационный материал (НИМ) «Современные компьтеризированные измерители толщины стальных полос»

Авторы: Шаталов Р.Л., Алдунин А.В., Морозов Ю.А., Жильцов А.Я., Литвинова Н.Н.

1.1.1. Классификация методов измерений приборов и систем автоматического контроля

Методы измерений подразделяются по способу сопо­ставления контролируемой физической величины с мерой на метод непосредственной оценки и метод сравнения. Первый метод харак­теризуется тем, что значение измеряемой величины определяется по шкале прибора непосредственной оценки, заранее проградуированного в единицах измеряемой величины. По этому методу работают, например, амперметры, вольтметры, широко известные бытовые и медицинские жидкостные и ртутные термометры и многие другие приборы. Второй метод отличается тем, что в про­цессе каждого измерения осуществляют одновременное или неод­новременное сравнение двух однородных независимых друг от друга величин — известной (меры) и измеряемой. Сравнение может быть непосредственным или осуществляемым через другие вели­чины, однозначно связанные с первыми. Простейшим примером реализации метода сравнения может служить измерение длины детали путем сравнения с линейкой.

Разновидностями метода сравнения являются разностный (диф­ференциальный), нулевой и метод совпадения. При разностном методе производят сравнение и уравновешивание меры и контролируемой величины, но не до нуля, а с небольшой разностью, которая оценивается измерительным прибором — указателем раз­ности, и по оценке этой разности судят о величине измеряемой величины. В нулевом методе сравнение меры и контролируемой величины осуществляют путем их полного уравновешивания, например при взвешивании на весах — при стабилизации стрелки на нуле. Метод совпадения состоит в том, что сравнивают нане­сенные отметки или периодически следующие сигналы, соответ­ствующие неизвестной и известной величинам, и по их совпаде­нию судят о значении измеряемой величины.

Методы сравнения позволяют получить более высокую точность измерений, чем метод непосредственной оценки. Например, из­меряемая величина может быть определена методом непосред­ственной оценки с погрешностью 1%. Допустим, что при исполь­зовании разностного метода после уравновешивания разность между мерой и неизвестной величиной составляет 0,1%, и она будет оценена прибором с погрешностью 1%. Но это не означает, что ее влияние на погрешность измерения полного значения кон­тролируемой величины составит всего 0,1-1:100 = 0,001%.

Измерительные приборы и системы автоматического контроля можно классифицировать по следующим признакам:

1) виду измеряемой величины — для измерения температуры, давления и разрежения, количества и расхода вещества, состава, уровня, размеров и др.;

2) принципу действия — механические, электрические, пнев­матические, гидравлические, радиоактивные и др.;

3) назначению — эталонные, образцовые, лабораторные, тех­нические (рабочие);

4) характеру представления информации — индикаторные, по­казывающие и регистрирующие приборы, а также системы обра­ботки информации;

5) числу контролируемых величин — одноточечные и много­точечные приборы, а также информационно-измерительные си­стемы для большого числа параметров;

6) дистанционному признаку — недистанционного, дистанционного и телеметрического контроля;

7) характеру контроля во времени — непрерывного и дискрет­ного действия;

8) размерам приборов — нормальные, малогабаритные, мини­атюрные.

С целью унификации средств измерений в России разработана Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП), обобщающая и согласующая метрологиче­ские показатели и эксплуатационные характеристики приборов, обеспечивающая общую технологическую базу для производства, а также взаимокомплектуемость и взаимозаменяемость деталей, узлов и приборов. Передача информации в ГСП осуществляется на основе использования унифицированных электрических и пневматических сигналов, например, постоянного тока 0-20 мА и давления сжатого воздуха 2·10⁴ - 10·10⁴ Н/м² .

1.1.2. Структурные схемы. Статические и динамические характеристики средств измерений

Независимо от конкретного физического и конструктивного выполнения приборы и системы контроля могут представляться структурными схемами, показывающими состав прибора или си­стемы и связи между отдельны­ми их частями, выполняющими те или иные функции.

При отсутствии средств автоматического контроля оценку параметров х _i , характеризую­щих состояние объекта (производственного процесса, агрегата), производил человек-оператор на основе собственных органов чувств. Затем появились устройства и приборы недистанционного измерения, существенно повысившие возможности человека по оценке состояния объекта. Разработка дистанционных систем передачи сигналов позволила располагать и концентрировать приборы на центральных щитах и пультах в удобных для наблю­дения условиях. С развитием средств вычислительной техники по­явились информационно-измерительные системы, использующие вычислительные машины (ВМ) для обработки измерительной ин­формации, поступающей от объекта через преобразователи, вклю­чая, например, выбор для индикации лишь существенных в дан­ный момент параметров, расчет усредненных значений пара­метров, расчет обобщающих показателей и т. п., причем система позволяет регистрировать все значимые данные при помощи пе­чатающего устройства и имеет экран для индикации любых дан­ных.

Наиболее общая структурная схема системы автоматического контроля приведена на рис. 1.1. Первичный преобразователь П1 воспринимает воздействие измеряемого параметра объекта кон­троля ОК и через промежуточные П2 и ПЗ

Рис. 1.1. Структурная схема системы автоматического контроля

преобразователи пере­дает сигнал на измерительный прибор МП, имеющий шкалу или цифровое табло для представления информации оператору.

Каждый отдельный прибор также может быть представлен соответствующей структурной схемой. На рис. 1.2, а показана схема преобразователя давления. Устройство состоит из мемб­раны 1, рычага 2, реостата 3. Мембрана воспринимает входную величину — измеряемое давление Р и через рычаг перемещает движок реостата, изменяя его электрическое сопротивление R , которое для этого устройства является выходной величиной. В соответствии с принятой терминологией элемент 1 схемы (рис. 1.2, б) является первичным преобразователем, а элементы 2 и 3 — промежуточным и передающим преобразователями.

Рис. 1.2. Структурная схема измерительного прибора

Расчленение устройства на более простые структурные эле­менты позволяет определить статические и динамические характеристики всего устройства по известным характеристикам про­стых элементов, которые могут быть известны заранее или легко определимы.

Статической характеристикой устройства называют зави­симость между входной и выходной величинами в установившемся режиме:

. (1)

Статическая характеристика может быть выражена формулой или графиком (рис. 3, а), где показана линейная 1 и нелинейная 2 характеристики.

Статической характеристикой преобразователя давления, показанного на рис. 2, а, служит зависимость , а статическими характеристиками его элементов 1, 2 и 3 (см. рис. 2, б ) — зависимости ; ; . Зная характеристики отдельных элементов, можно рас­считать или построить графически характеристику всего устрой­ства.

Динамической характеристикой устройства называют зави­симость, определяющую изменение выходной величины устрой­ства как реакцию на

известное изменение входной величины. Она также может быть выражена формулой или графиком (см. рис. 1.3).

Рис. 1.3. Статические и динамические характеристики приборов

Кривые переходных процессов 1 и 3 — апериодического типа, а кривая 2 — колебательного типа. Кривые показывают, как изменяется выходная величина устройства , например поло­жение стрелки на шкале при подаче на вход в нулевой момент времени ступенчатого сигнала. Допустим, что манометр до нуле­вого момента времени воспринимал давление и показывал на шкале соответствующее ему число делений . В нуле­вой момент времени давление скачкообразно изменилось до зна­чения и далее оставалось неизменным. В ответ на это возмущение стрелка на шкале перемещается во времени соответ­ственно динамическим свойствам прибора до значения . Из рис. 1.3, б видно, что для трех приборов с переходными процессами 1-3 наибольшим быстродействием обладает прибор 1, так как время достижения установившегося нового значения выходной величины после нанесения возмущения минимально.

Динамика измерительного прибора является очень важным свойством. Например, известно, что нагретые заготовки пере­мещаются по рольгангам достаточно быстро и проходят иногда мимо пирометра за 1-3 с, поэтому быстродействие применяемых в этих случаях приборов должно быть не ниже, чем 0,1-0,5 с.

1.1.3. Измерительные преобразователи

Измерительные преобразователи служат для выработки сигнала информации в удобной для дальнейшей передачи, преобразования и обработки форме и подразделяются на первичные, промежуточные и передающие. Первичные пре­образователи являются начальным структурным элементом в из­мерительной цепи, непосредственно реагирующим на измеряемую физическую величину, поэтому их устройство зависит от особен­ностей измеряемой величины.

Устройство промежуточных и передающих преобразователей не связано непосредственно с видом контролируемой физической величины. Одни и те же преобразователи используют при изме­рении различных параметров, т. е. имеют общий характер для многочисленных измерительных систем и потому рассматриваются отдельно в данном параграфе.

Основными промежуточными и передающими преобразовате­лями являются реостатные и потенциометрические, индуктивные и индукционные, токовые, частотные, пневматические.

Реостатные потенциометрические преобразователи (рео­статы и потенциометры) представляют собой переменные электри­ческие сопротивления, величина которых зависит от положения токосъемного контакта. Реостаты включаются в цепи, где изме­ряется их сопротивление, а потенциометры — в цепи, где измеряются напряжения, т. е. переменное сопротивление служит дели­телем напряжения. Характеристики реостатов и потенциометров выражаются зависимостями:

} , (2)

где R и U — соответственно выходное сопротивление и напря­жение преобразователя; х — перемещение контакта.

Наибольшее распространение получили реостаты и потенцио­метры непрерывной намотки, в которых сопротивлением служит намотанная в один ряд на каркас проволока, по зачищенной по­верхности которой скользит токосъемный контакт. На рис. 1.4 показаны различные типы потенциометрических преобразователей. Каркасы изготовляют из изоляционных материалов — пласт­массы, текстолита, керамики и т. п.; для намотки применяют про­волоку из благородных металлов (платины, золота, палладия), а также из константана, манганина, нихрома.

Рис. 1.4. Потенциометрические преобразователи: а — с каркасом в виде стержня;

б — с кольцевым каркасом; в — с дуговым каркасом

Использование потенциометров в измерительных цепях может привести к возникновению погрешностей по следующим причинам. Во-первых, из-за наличия зоны нечувствительности, вызванной тем, что перемещение контакта в пределах одного витка проволоки не вызывает изменения выходного сигнала; это особенно ощутимо при использовании толстой проволоки. Во-вторых, из-за нерав­номерности характеристики, которая может быть вызвана непо­стоянством диаметра, удельного сопротивления провода, шага намотки, натяжения провода и т. п. В-третьих, из-за люфтов в ме­ханизме перемещения контакта.

При использовании потенциометров в качестве делителей напряжения следует учитывать влияние сопротивления нагрузки на выходное напряжение, т. е. влияние нагрузки на статическую характеристику преобразователя. На рис. 1.5 приведены схема потенциометра и графики его статических характеристик при раз­личных сопротивлениях нагрузки.

Рис. 1.5. Статические характеристики потенциометрического преобразователя

На потенциометр подано напряжение питания . Входной величиной преобразователя является положение подвижного контакта, определяемое относительным перемещением l . Выходной величиной служит напря­жение , снимаемое с сопротивления нагрузки . На графике нанесено несколько статических зависимостей при различных соотношениях сопротивлений нагрузки и потенциометра . Аналитическое выражение статической характеристики имеет вид:

. (3)

Из графиков и формулы следует, что линейный вид характери­стика имеет лишь при бесконечно большом сопротивлении нагрузки, т. е. при .

Разновидностями реостатов и потенциометров являются так называемые ламельные устройства, где подвижный контакт сколь­зит по неподвижным контактам (ламелям), к которым припаяны постоянные сопротивления. В та­ких устройствах сопротивление изменяется в широких пределах при значительных его величинах (несколько сотен и тысяч килоом). В ряде измерительных схем ис­пользуются функциональные по­тенциометры, в которых сопротив­ление связано с перемещением контакта не линейно, а реализует какую-либо функциональную за­висимость. Это достигается пере­менным шагом намотки или намот­кой проволоки на профилирован­ный каркас, что дает переменную длину витка и, следовательно, переменное сопротивление при линейном перемещении контакта. Основной недостаток реостатных и потенциометрических пре­образователей связан с наличием электрического подвижного контакта, т. е. связан с возможностью его износа, загрязнения, разрыва. Этого недостатка лишены индуктивные и индукционные преобразователи.

Индуктивные преобразователи служат для преобразования перемещения в изменение индуктивности, а индукционные — для преобразования перемещения в изменение взаимной индук­ции между двумя или более катушками. Принципиальная схема индуктивного преобразователя показана на рис. 1.6, а.

Рис. 1.6. Индуктивный преобразователь

Индуктивный преобразователь пред­ставляет собой электромагнитную цепь, состоящую из катушки 1, намотанной на неподвижном сердечнике 2, и подвижного сердеч­ника 3. При изменении положения подвижного сердечника (вход­ная величина) относительно неподвижного меняется магнитное сопротивление воздушных зазоров δ и индуктивности катушки L . Эта зависимость выражается формулой:

, Гн, (4)

где - частота тока, Гц;

, - соответственно магнитное сопротивление стальных участков цепи и зазоров;

. (5)

Здесь S – площадь зазора, см² ; - магнитная проницаемость воздушного зазора, Гн/м.

Из формул (4) и (5) следует, что при прочих неизменных условиях индуктивность зависит только от величины воздушного зазора, т. е. от перемещения подвижного сердечника.

На рис. 6, б приведен пример выполнения индуктивного пре­образования с одной катушкой 1. охватывающей перемещающийся внутри нее сердечник 3.

Для увеличения чувствительности применяют преобразователи с двумя катушками (рис. 6, в). В среднем положении сердечника сигнал на выходе равен нулю, а при переходе сердечника через среднее положение сигнал меняет фазу на 180°.

В индукционном преобразователе (рис. 1.7) имеются две ка­тушки, содержащие и витков. При изменении магнитного сопротивления цепи, например при изменении воздушного зазора, меняется взаимоиндукция М между катушками, которая определяется формулой:

. (6)

Одна из катушек является первичной, питаемой от источника переменного тока. Во вторичной обмотке наво­дится э. д. с, которая зависит от изменения взаимоиндукции. Таким образом, выходной величиной преобразователя являет­ся коэффициент взаимоиндукции М.

На рис. 1.8 показана разновидность индукционного преобразо­вателя, который называют дифференциально-трансформаторным. В нем имеются первичная питающая катушка и две вторичные и , которые включены дифференциально, т. е. навстречу друг другу, что повышает чувстви­тельность устройства.

Рис. 1.7. Индукционный преобразователь

Рис. 1.8. Индукционный дифференциально-трасформаторный преобразователь

Конструктивной разновид­ностью индукционных преобра­зователей является ферродинамический преобразователь (рис. 1.9, а). Первичная питаю­щая обмотка 6 (обмотка возбуж­дения) находится на неподвиж­ном магнитопроводе 1, а вторич­ная 4 (обмотка рамки) — на сердечнике 3, который может поворачиваться вокруг своей оси, меняя тем самым взаимоин­дуктивность обмоток возбуждения и рамки и, следовательно, э. д. с, наводимую в рамке.

Рис. 1.9. Ферродинамический преобразователь

Участок магнитопровода 5 представ­ляет собой плунжер, который может перемещаться при настройке винтом 8, изменяя зазор δ между плунжером и полюсом 2 маг­нитопровода и, как следствие, выходной сигнал преобразователя. На магнитопроводе 1. имеется также дополнительная обмотка 7, называемая обмоткой смещения, которая при необходимости вклю­чается последовательно с обмоткой рамки и служит для измене­ния статической характеристики преобразователя. На рис. 1.9, б приведены статические характеристики преобразователя без включения обмотки смещения (I) и с включением обмоток смещения (II и III) с различными числами витков. Входной величиной преобразователя является угол поворота рамки а, изменяющийся в пределах ±20° относительно вертикальной оси, а выходной — напряжение, снимаемое с рамки или с рамки и обмотки смещения. В частотном преобразователе, схема которого представлена на рис. 10, а, входной сигнал модулирует (изменяет) частоту выход­ного сигнала.

До момента времени входной сигнал имел вели­чину (см. рис. 1.10, б), а выходной — частоту . После изменения входного сигнала до значения частота выходного сигнала стала и затем соответственно и .

Основным элементом частотных преобразователей является
генератор высокой частоты с устройством для модуляции выходной
частоты в зависимости от величины входного сигнала. Входная

Рис. 1.10. Частотный преобразователь

величина в виде перемещения через передачу 1 (см. рис. 1.10, а)
изменяет положение электропроводного экрана 2 относительно
катушек индуктивного датчика и , меняя тем самым вели­чины индуктивностей , . Для генератора, показанного на схеме и имеющего, помимо контуров , и , , усилитель 3, частота автоколебаний, возникающих в контуре, определяется формулой:

. (7)

С выхода усилителя 3 модулированное по частоте напряжение по­ступает либо непосредственно на дискретное регистрирующее устройство, либо на демодулятор, где превращается в непрерыв­ный электрический сигнал, пропорциональный входной частоте, и далее на регистрирующий прибор. Диапазон рабочих частот преобразователей 4-8 кГц.

Схема электросилового токового преобразователя изображена на рис. 1.11. Контролируемая величина х воспринимается чувствительным элементом 1, например мембраной, и передается в соб­ственно электросиловой преобразователь 2 в виде крутящего момента М, приложенного к рычагу 3. Через упор 5 и рычаг 4 входное усилие изменяет положение флажка (сердечника) диф­ференциально-трансформаторного индикатора рассогласования 7. Возникающий в индикаторе

Рис. 1.11. Электросиловой преобразователь

сигнал поступает на усилитель 8, далее в электромагнитное устройство обратной связи 10, 11 и одновременно в линию дистанционной передачи показаний, т. е. на сопротивление нагрузки . Устройство обратной связи пред­ставляет собой неподвижно закрепленный постоянный магнит 11, в который вдвигается токовая катушка 10, расположенная на рычаге 9. При изменении входного усилия изменяет­ся сигнал на входе и вы­ходной ток усилителя I _вых. т. е. ток, протекаю­щий в катушке устройства обратной связи, и тем са­мым меняется усилие при­тяжения этой катушки к магниту — усилие обрат­ной связи . Наступает новое состояние равнове­сия в системе рычагов, при котором изменение вход­ного усилия скомпенсировано изменением усилия обратной связи. Соотношение между изме­нениями входной величины — момента М и выходной — тока I _вых , т. е. коэффициент передачи преобразователя, может варьироваться перемещением упора 5 по рычагу 4. Нуль прибора (нулевое зна­чение выходного тока) устанавливается корректором нуля 6.

По структуре, аналогичной рассмотренному выше электроси­ловому токовому преобразователю, построен преобразователь пневмосилового типа, схема которого приведена на рис. 1.12. Измеряемая величина х воспринимается чувствительным элемен­том 1 и преобразуется в усилие, создающее крутящий

Рис. 1.12. Пневмосиловой преобразователь

момент М, приложенный к рычагу 2 и через упор 4 к рычагу 3. На рычаге 2 имеется заслонка 7, дросселирующая выходное отверстие сопла 8. В результате этого изменяется давление на входе пневмоусилителя 9 и его выходное давление Р_вых , которое поступает в выход­ную линию передачи сигнала и в сильфон обратной связи 12, представляющий собой гармоникообразную камеру, которая растя­гивается или сжимается при изменении давления внутри нее. Сильфон создает усилие, действующее на рычаг 3 и компенсирую­щее входное усилие М таким образом, что рычаг 3 при каждом из­менении усилия М перемещается и стабилизируется в новом положении. Давление питания подается к иневмоусилителю по линии 11. Для настройки нуля прибора служит рукоятка 5 с пружиной, а коэффициент передачи преобразователя (диапазон изме­рения) изменяется путем перемещения упора 4 по рычагу 3, так как при этом изменяется соотношение плеч рычагов 2 и 3 и, следовательно, соотношение усилия сильфона обратной связи и входного усилия М в состоянии равновесия. Для контроля давления питания и выходного давления служат манометры 10.

1.1.4. Измерительные схемы дистанционной передачи показаний

На основе описанных в предыдущем параграфе измерительных преобразователей создаются системы дистанционной передачи измерительной информации.

Система передачи сигналов с использованием потенциометрических преобразователей показана на рис. 1.13.

Рис. 1.13. Потенциометрическая система передачи показаний

Потенциометр расположен в первичном преобразователе, а потенциометр , электронный усилитель и реверсивный двигатель РД — в изме­рительном приборе. Подвижный контакт потенциометра пере­мещается в соответствии с измеряемой величиной. Подвижный контакт потенциометра приводится в движение двигателем РД. Если подвижные контакты обоих потенциометров находятся в одинаковых положениях, то напряжение на входе усилителя и двигатель не вращается. Если контакт потенциометра первичного преобразователя из-за очередного изменения контролируемого параметра смещается, то на выходе усилителя появляется напряжение рассогласования , которое усиливает и приводит в движение реверсивный двигатель и контакт потенциометра для устранения рассогласования. В схеме исполъзуется фазочувствительный yсилитель, так как фаза сигнала разбаланса на входе усилителя зависит от взаимного расположения подвижных контактов потенцио­метров и меняется в момент про­хождения состояния баланса одним из контактов. Изменение фазы сигнала разбаланса приводит к из­менению фазы выходного сигнала усилителя и к перемене направле­ния вращения двигателя. Поэтому двигатель называется реверсивным.

Широкое распространение получила дифференциально-трансформаторная система передачи показаний, схема которой приведена на рис. 1.14.

Рис. 1.14. Дифференциально-трансформаторная система передачи показаний

Эта схема, так же как и потенциометрическая, является компенсационной, т.е. такой, где сигнал одного преоб­разователя компенсируется встречным сигналом другого. Под­вижный сердечник первичного дифференциально-трансформатор­ного преобразователя ДТ1 перемещается, например, под воздей­ствием мембраны манометра Р , а вторичного (компенсирующего) ДТ2 — реверсивным двигателем РД измерительного прибора. Первичные обмотки обоих преобразователей включены последо­вательно и питаются от клемм а и б усилителя. Вторичные обмотки обоих преобразователей состоят из двух секций, включенных навстречу друг другу.

Если сердечник такого преобразователя располагается посе­редине катушки, то сигнал на выходе вторичной обмотки (клеммы и и к) равен нулю, так как токи в обеих ее секциях равны, а встреч­ное соединение секций обеспечивает вычитание токов (на рис. 1.14 показано стрелками у первичного преобразователя). При смеще­нии сердечника от среднего положения на выходе вторичной обмотки появляется сигнал той или иной фазы в зависимости от того, сместился сердечник вверх или вниз от среднего поло­жения. Вторичные обмотки преобразователей ДТ1 и ДТ2 включены навстречу друг другу и разность их сигналов поступает на входные клеммы в иг усили­теля, с выходных клемм д и е которого усиленный управляю­щий сигнал приводит в движе­ние двигатель РД и сердечник преобразователя ДТ2 в направ­лении устранения разбаланса. Таким образом, сердечник преоб­разователя ДТ2 постоянно сле­дит за перемещением сердечника преобразователя ДТ1. Одновре­менно с сердечником двигатель РД перемещает стрелку на шка­ле прибора, положение которой соответствует положению сердечника первичного преобразователя и величине измеряемого параметра (в данном случае давления Р). Переменное сопротивление вместе со вторичной обмоткой транс­форматора вторичного прибора служит для корректировки нуля прибора. Сопротивлениями , и производятся настройка си­стемы и согласование перемещений сердечников, так как они позволяют несколько варьировать выходными сигналами преоб­разователей. Рассмотренная система обеспечивает возможность передачи сигналов измерительной информации на расстояния до 250 м без появления дополнительной погрешности.

На рис. 1.15 изображена принципиальная схема дистанционной передачи показаний с использованием преобразователей ферродинамического типа.

Преобразователь ПФ1 расположен, напри­мер, в манометре и его рамка с током может поворачиваться при перемещении мембраны, воспринимающей измеряемое давление Р. Рамка преобразователя измерительного (вторичного) прибора ПФ2 поворачивается реверсивным двигателем РД. Э. д. с. рамок и , сравниваются в схеме и их разность поступает на вход уси­лителя. Если положения рамок одинаковы, т. е. , то , и двигатель не вращается. Если под действием изменения давления рамка преобразователя

Рис. 1.15. Ферродинамическая система передачи показаний

ПФ1 повернется на дополнительный угол, то на входе усилителя появится сигнал разбаланса, который приведет в движение двигатель для устранения возникшего рассогласования положения рамок преобразователей. Таким образом, положение рамки преобразован измерительного прибора и, следовательно, стрелки на его шкале всегда соответствует величине контролируемого параметра.

В схеме пневматической дистанционной системы передачи показаний в качестве первичного применен преобразователь пневмосилового типа (см. рис. 1.12). Выходной сигнал пневмосилового преобразователя 6 подается на вход измерительного прибора, т. е. в гармоникообразную коробку (сильфон) 14, которая, растягиваясь или сжимаясь, перемещает рычаг 15, дросселирующнй выход воздуха из сопла 16. Воздух к соплу подается из линии питания через дроссель 13. Дросселирование сопла вызывает изменение давления в линии, включающей и мембранную полость силового элемента 19, сферическая мембрана которого прогибается, вследствие чего перемещаются рычаг 18, стрелка на шкале 20 и пружина обратной связи 17, компенсирующая уси­лие, приложенное к рычагу 15 со стороны сильфона 14. Таким образом, стрелка на шкале прибора перемещается в соответствии с величиной входного давления, т. е. давления, поступающего от пневмосилового передающего преобразователя.

1.1.5. Показывающие и регистрирующие измерительные приборы

Измерительные (вторичные) приборы имеют следующие струк­турные части: измерительный блок, отсчетное устройство, блок регистрации, дополнительные устройства (сигнализирующие, регу­лирующие, дополнительные преобразователи для дальнейшей передачи показаний).

Основой измерительного блока является преобразователь-ком­пенсатор одного из рассмотренных выше типов: потенциометрический, индукционный и т. д., которым при помощи усилителя и реверсивного двигателя компенсируется сигнал, поступающий от первичного преобразователя (датчика). В некоторых измери­тельных приборах, например милливольтметрах, логометрах, усилители отсутствуют и стрелка перемещается вдоль шкалы непосредственно за счет энергии измерительного сигнала с использованием магнитоэлектрических преобразователей.

Отсчетные устройства обеспечивают индикацию измеренной величины при помощи шкалы и стрелки или цифровых индика­торов. Кинематическая схема автоматического показывающего прибора дана на рис. 1.16.

Прибор имеет круглую шкалу без блока записи данных. Управляемый сигналом усилителя реверсивный двигатель 15 через вал 14, шестерни 13, 12, 10 и вал 11 переме­щает скользящий контакт 9 компенсирующего реохорда (потен­циометра) 8, выполненного в виде диска, по окружности которого в пазах уложена обмотка из манганиновой проволоки. Кроме того, вал 11 посредством муфты 7 поворачивает шкив 6 и стрелку на шкале. К шкиву 6 прикреплен тросик, который движется по ряду направляющих роликов 16 и передвигает в горизонтальной плоскости каретку 1. Каретка имеет контакты 2, скользящие по дополнительному реохорду 3, который может быть использован для передачи сигнала, пропорционального измеряемой величине, на другие приборы. Рассматриваемый прибор имеет также сиг­нальные контактные устройства 5. Для установки сигнальных контактов на нужные значения контролируемой величины служит прямолинейная шкала, вдоль которой можно перемещать указа­тели

Рис. 1.16. Схема автоматического показывающего прибора

контактов: зеленый (min) и красный (max). Эти контакты могут быть использованы и для регулирования. Замыкание кон­тактов происходит в тот момент, когда на них воздействует па­лец 4, закрепленный на каретке 1 и перемещающийся вместе со стрелкой основной шкалы.

Показывающий и регистрирующий прибор с ленточной диаграм­мой (рис. 1.17) также имеет реверсивный двигатель 15, который через шестерни 1-4, 14 и зубчатый сектор 12 управляет индук­ционным компенсатором 13, а через лекало 5, рычаг 6, шестерни 7-9 — дополнительными выходными индукционными преобразова­телями 10 и 11. Кроме того, движение от реверсивного двигателя через указанные шестерни и центральную ось передается на ле­кало 16, по образующей которого катится ролик, прикрепленный к рычагу 17. Рычаг и ролик прижимаются к лекалу пружиной, насаженной на ось рычага. На конце рычага 17 имеется вилка, в которую входит палец 20 каретки, в конструкцию которой вхо­дят стрелка 22 с лампочкой подсвета 23, перо 24 и чернильница 21.

Рис. 1.17. Схема автоматического регистрирующего прибора

При вращении центральной оси и лекала 16 рычаг 17 передви­гается в вертикальной плоскости и перемещает каретку по направляющим 18 и 19 вдоль шкалы. Диаграммная лента 26 встав­ляется в прибор через валики 25, 28 и передается в приемное устройство 27. В процессе работы лента с постоянной скоростью перематывается с рулона 26 в устройство 27, проходя под пе­ром 24. Приборы с ленточной диаграммой обычно имеют устрой­ства для переключения скоростей движения диаграммы, напри­мер 20, 40, 60, 120, 240 мм в час и т. д.

В качестве реверсивных двигателей в измерительных прибо­рах компенсационного типа применяются электродвигатели, имеющие короткозамкнутый ротор и две обмотки на статоре. Одна из этих обмоток (сетевая)подключается к сети через после­довательно включенный конденсатор (см. рис. 1.14) для сдвига фазы напряжения по отношению к фазе напряжения во второй — управляющей обмотке. Электромагнитные поля двух указанных обмоток, сдвинутые по фазе, создают вращающий момент, приложен­ным к ротору. Конструктивно двигатель выполнен в одном корпусе с редуктором, понижающим частоту вращения вала до 3-6 об/мин. Мощность, потребляемая двигателями, не более 15 В∙А, емкость фазосдвигающего конденсатора 1 мкФ, вращающий момент на выходном валу 4-15 кг·см. Для привода диаграмм в регистрирующих приборах применяются аналогичные синхронные конденсаторные электродвигатели.

Варианты цифровых индикаторов показаны на рис. 1.18 и 1.19.

Рис. 1.18. Мозаичные цифровые индикаторы показаний

Рис. 1.19. Механические цифровые индикаторы показаний

При вращении вала индикатора вращается первый из нескольких барабанов 1, который после завершения одного оборота захва­тывает зубец связанного с ним зубчатого колесика 2 и, поворачивая его, перемещает следующий барабан на одну десятую оборота. Аналогично действуют и последующие барабаны и колесики. В электрических индикаторах используют лампы накаливания, люминесцентные и газоразрядные элементы и электроннолучевые трубки. Например, газоразрядным цифровым индикатором яв­ляется лампа, наполненная инертным газом, внутри которой укреплены сетчатый анод и десять катодов из тонкой прово­локи в виде цифр от 0 до 9, расположенных одна за другой. При подключении напряжения между анодом и каким-либо из катодов вследствие возникновения тлеющего разряда этот катод-цифра начинает светиться. Из таких индикаторов набирают табло для многозначных цифр.

Регистрация значений измеряемой величины в распростра­ненных промышленных приборах осуществляется при помощи пера, перемещающегося вместе со стрелкой. Запись производится на круглой или ленточной, равномерно движущейся диаграммной бумаге. В многоточечных приборах, на вход которых первичные преобразователи подключаются поочередно и периодически, ре­гистрация на бумаге также осуществляется дискретно при по­мощи специальной печатающей каретки в виде точек и цифр, обо­значающих номера соответствующих данным точкам первичных преобразователей.

1.1.6. Измерение линейных размеров проката

Общие сведения

Широкий сортамент прокатываемой продукции, большие ско­рости прокатки, высокие температуры, а также сильные вибрации и ударные нагрузки предъявляют высокие требования к приборам для измерения геометрических размеров проката. Повышенные требования к точности прокатываемой продукции обусловили создание автоматических непрерывно действующих приборов для бесконтактного измерения размеров металла в процессе прокатки.

В большинстве случаев приборы для измерения геометриче­ских размеров проката являются узкоспециализированными, пред­назначенными для измерения, как правило, только одного какого-нибудь параметра: толщины листового проката, толщины стенки труб и полок широкополочных балок, ширины и длины проката, диаметра труб и проволоки, толщины покрытий и др.

Большинство приборов, применяемых для контроля размеров проката, основано на использовании электромагнитного ядерного, рентгеновского и оптического излучений, позволяющих произ­водить измерения без механического контакта с контролируемой средой и практически независимо от внешних условий — темпе­ратуры, давления, влажности, агрессивности среды.

Измерение толщины полосы методом поглощения

В листопрокатном производстве для бесконтактного автомати­ческого измерения толщины металла методом поглощения исполь­зуются два вида электромагнитного излучения: рентгеновское и ядерное, различающиеся между собой длиной волны (рентгенов­ские лучи имеют диапазон длин волн λ = 0,1-5 нм, ядерное излучение — менее 0,1 нм).

Физическая сущность метода поглощения выражается законом ослабления рентгеновских и ядерных излучений при прохождении их через вещество:

, (8)

где J - интенсивность потока электромагнитного излучения на выходе из материала, Вт/м² ;

J ₀ - исходная интенсивность потока излучения (поток на входе), Вт/м² ;

μ - коэффициент поглощения материала, м² /кг;

ρ - плотность материала, кг/м³ ;

δ - толщин материала, м.

Значение μ практически одинаково для ряда химических элементов, поэтому ослабление излучения зависит от толщины материала и его плотности. Таким образом, измеряя интенсив­ность ослабления рентгеновского или ядерного излучения при постоянной плотности контролируемого материала, можно опре­делить его толщину.

При осуществлении способа поглощения необходимо иметь доступ к контролируемому материалу с двух сторон: на одной стороне помещают излучатель, на другой — счетчик для регистра­ции излучения. В качестве источника рентгеновского излучения применяют рентгеновские трубки, а в качестве источника ядерного излучения радиоактивные изотопы стронция ⁹⁰ St, цезия ¹³⁷ Cs, туллия ¹⁷⁰ Тm, таллия ²⁰⁴ Т1. В качестве приемников излучений (детекторов) используются ионизационные камеры и сцинтилляционные счетчики.

На рис. 1.20 представлена принципиальная схема рентгенов­ского толщиномера (типы ИТХ-6170, ИТХ-7140, ИТГ-5680), основанного на измерении ослабления интенсивности ионизирующего излучения при прохождении его через металл.

Рис. 1.20. Схема рентгеновского толщиномера

В схеме использованы два источника излучения: рабочий 1 и компенсиру­ющий 2, генерирующие рентгеновское излучение в разные полу­периоды питающего сетевого синусоидального напряжения. Из­лучатели посылают поочередно импульсы излучения в прием­ник 3. Излучение рабочего источника проходит через контроли­руемую полосу 4, клин корректора «нуля» 5 и подстроечный обра­зец 6, а излучение компенсирующего источника — через ком­пенсирующий клин 8 и подстроечные пластины 7 определенной' толщины и из того же металла. Для измерения интенсивности рентгеновского излучения применяют сцинтилляционные счет­чики, состоящие из кристалла иодистого натрия, активированного таллием NaI(Tl), и фотоумножителя. Приемник 3 преобразует импульсы рентгеновского излучения в электрические импульсы. Импульсы на выходе приемника зависят от степени ослабления интенсивности соответствующего пучка рентгеновского излучения. В блоке 9 вырабатывается разностный сигнал — сигнал рассо­гласования, напряжение которого, усиленное усилителем 10, воздействует на реверсивный электродвигатель 11, который по­ворачивает клин 8 до тех пор, пока не уравновесятся сигналы на входе приемника излучения. Угол поворота компенсирующего клина служит мерой толщины измеряемого металла. Перемещение компенсирующего клина с помощью следящего устройства свя­зано со стрелкой показывающего и самопишущего прибора 12, шкала которого градуирована в долях миллиметра.

Для введения поправки в по­казания приборов при измерении толщины полос различного хими­ческого состава служит блок 13, с помощью которого автоматически через ключ 14 вводится коррекция «нуля», воздействуя на клин 5 (производится во время пауз, когда полоса отсутствует). Заданный ток рентге­новских трубок рабочего и компенсирующего источников поддер­живается регулирующим устройством 15. Переключение измери­теля толщины с одного диапазона на другой производится с по­мощью набора подстроечных пластин 7, а также введением или выведением подстроечного образца 6.

Измерительный блок рентгеновского толщиномера типа ИТГ-5680 предназначен для измерения стальной полосы толщиной до 12 мм при температуре полосы до 1200^º С. Измерительные блоки толщиномеров ИТХ-6170 и ИТХ-7140 работают при темпе­ратуре полосы до 150ºС и предназначены для измерения толщины полосы до 6 мм.

Рентгеновские толщиномеры обладают высоким быстродей­ствием (0,06—0,1 с) и точностью в пределах ± 1 % oт измеряемой толщины. Поэтому, несмотря на сложность установки, они при­меняются очень широко.

На рис. 1.21 представлена функциональная схема γ-толщиномера типа ЦИТРА, предназначенного для непрерывного бескон­тактного измерения толщины стальной полосы в процессе горячей прокатки.

Рис. 1.21. Функциональная схема толщиномера типа ЦИТРА

Принцип действия этого прибора основан на измерении поглощения γ-излучения, проходящего через контролируемый лист. В качестве источника γ-излучения используется радиоактив­ный изотоп цезия ¹³⁷ Cs, детектором служит сцинтилляционный счетчик, состоящий из кристалла NaI(Tl) и фотоумножителя. Поток γ-излучения от источника 1 проходит через измеряемый лист 2 и падает на детектор 3. Детектор излучения преобразует поток γ-излучения в электрический сигнал, который в виде напря­жения поступает на вход измерительной схемы 4. Далее сигнал проходит по двум каналам. По одному каналу сигнал, пропорци­ональный измеряемой толщине, через запоминающее устройство 6 выдается на световое табло 9. Результат измерения регистрируется цифро-печатающим механиз­мом 10 со скоростью до двух заме­ров в секунду. По другому каналу в виде переменного напряжения сигнал поступает в дешифратор регулирова­ния 8, с помощью которого устанав­ливается компенсация в блоке изме­рения. Диапазон измерения задается блоком 5. Управление настраивается блоком 7.

Измерительная головка толщино­мера монтируется на тележке, пере­мещающейся по рельсам, и может работать при температуре контроли­руемого листа до 1300 °С.

На рис. 1.22 представлена функ­циональная схема радиоизотопного толщиномера, предназначенного для непрерывного бесконтакт­ного измерения толщины стальной полосы в процессе холодной прокатки. Принцип действия

Рис. 1.22. Функциональная схема толщиномера

такого прибора основан на из­мерении поглощения радиоактивного излучения, проходящего через контролируемый лист. В качестве источника β-излучения используется радиоактивный изотоп ⁹⁰ Sr, а в качестве детектора излучения — дифференциальная ионизационная камера. Поток радиоактивного излучения от основного источника 2 проходит через контролируемый лист 1 и попадает на одну половину 3 диф­ференциальной ионизационной камеры. Во вторую ее половину 4 попадает излучение от компенсационного радиоактивного источ­ника излучения 5. Сравнение величины излучения от источника 2 с величиной компенсирующего потока от источника 5 осущест­вляется при помощи измерения возникающего напряжения по­стоянного тока на нагрузочном сопротивлении R , включенного последовательно с собирающим электродом дифференциальной ионизационной камеры. Это напряжение того или иного знака да­лее усиливается и поступает на измерительный прибор. Для повышения точности измерения в приборе использована компенса­ционная схема, в которой реверсивный двигатель 8, включенный на выходе усилителя 7, перемещает шторку 6 компенсирующего источника излучения 5 до момента наступления компенсации токов ионизационных камер, при этом сигнал на сопротивлении R будет отсутствовать. Угол поворота шторки при помощи следящего устройства передается на показывающий прибор 9.

Радиоизотопные измерители толщины полосы в процессе хо­лодной прокатки (типы ИТ-5465 и ИТ-5555) измеряют толщину на площадке диаметром 25 мм при минимальной ширине измеря­емой полосы 55 и 30 мм. Диапазон измерения составляет 0,02-1 мм, погрешность измерения ±1-1,5% от измеряемой тол­щины.

Радиоизотопные приборы проще в эксплуатации, имеют мень­шие габариты и дешевле рентгеновских, однако по быстродей­ствию они значительно уступают последним.

Определение толщины методом рассеяния

Для измерения толщины листа, труб, стенок различных изде­лий, когда доступ к объекту контроля возможен только с одной стороны, используют метод отраженного рассеяния. γ-лучи, попадающие в вещество, рассеиваются электронами атомов, вхо­дящих в состав данного материала. При этом интенсивность обратного рассеяния изменяется в зависимости от числа электро­нов в атомах и от толщины вещества. Так как для ряда материалов число электронов пропорционально плотности, то при прокатке металла с одинаковой плотностью по рассеянию γ-лучей можно делать заключение о толщине этих материалов. Зависимость плот­ности потока обратного рассеянного излучения от толщины рассеивателя определяется выражением:

, (9)

где - плотность потока электромагнитного излучения на входе в металл;

δ - толщина металла;

k - коэффициент обратного рассеяния, зависящий от телесного угла, в котором регистрируется рассея­ние;

т - постоянный коэффициент, зависящий от энергии из­лучения (к и т определяются эмпирическими форму­лами).

На принципе рассеяния работает отражательный переносный толщиномер ТОР-1. Измерение толщины этим прибором осущест­вляется путем регистрации обратного рассеяния γ-излучения, интенсивность которого пропорциональна толщине.

Функциональная схема отражательного толщиномера ТОР-1 изображена на рис. 1.23.

Рис. 1.23. Функциональная схема прибора для измерения толщины листа методом рассеяния

При облучении контролируемого объ­екта 1 источником излучения 2 часть отраженных γ-лучей попадает в кристалл сцинтилляционного счетчика 3, вызывая световые вспышки. Фотоэлектронный умножитель 4 преобразует эти вспышки в электрические импульсы. Последние усиливаются в усилителях 5-7, преобразуются и затем регистрируются изме­рительным прибором 8. Питание электрической схемы произ­водится от стабилизатора напряжения 9 и преобразователя 10.

Современный ультразвуковой измеритель толщины металла

«Т-М ike ЕМ»

Ультразвуковой метод контроля толщины металла основан на формировании в преобразователе узкого слаборасходящегося ультразвукового пучка. Такой пьезопреобразователь, способный излучать и принимать короткие акустические импульсы, обеспечивает режим контроля толщины, близкий к оптимальному.

Структурная схема ультразвукового измерителя толщины (рис. 1.24) состоит из ряда систем, обеспечивающих наиболее удобную эксплуатацию аппаратуры и высокую точность измерений.

Рис. 1.24. Структурная схема ультразвукового измерителя толщины

Генератор зондирующих импульсов 7 вырабатывает импульс электрических колебаний, возбуждающий ультразвуковые колебания в преобразователе 3. Отраженные от края или дефекта полосы ультразвуковые сигналы принимает совмещено-раздельный преобразователь и трансформирует их в электрические импульсы, которые поступают на вход усилителя 1. Коэффициент усиления регулируется во времени с помощью системы 4 временного регулирования чувствительности (ВРЧ). Усиленный до требуемой величины сигнал поступает на вход электронно-лучевого индикатора 6 и системы АСД 2. Синхронизатор 8 обеспечивает требуемую временную последовательность работы всех узлов измерителя одновременно с запуском генератора импульсов или с некоторой заданной задержкой. Он приводит в действие генератор развертки 9 электронно-лучевого индикатора. Развертка позволяет различать по времени приход сигналов от объектов отражения, расположенных на разном расстоянии от преобразователя, например, сигналы от дефектов отличать от донного сигнала. Синхронизатор также управляет работой блоков ВРЧ и АСД.

Современные измерители типа «Т-М ike ЕМ» снабжены устройствами для измерения амплитуды и времени прихода отраженного сигнала. Схему их включения выполняют по-разному. На рис. 1.24 показана одна из возможных структурных схем толщиномера. Здесь измерительное устройство 5 обрабатывает сигналы, поступившие от усилителя, с учетом времени поступления сигнала от синхронизатора и выдает цифровую информацию на электронно-лучевой индикатор или на отдельное табло.

Основными элементами генератора зондирующих импульсов является колебательный контур, включающий передающий пъезоэлемент и электронная схема, обеспечивающая генерацию коротких импульсов той или иной формы, заполненных высокочастотными колебаниями. Наибольшее распространение получили так называемые генераторы ударного возбуждения.

Перейдем к описанию приемно-усилительного тракта дефектоскопа. Этот тракт содержит предусилитель, измеритель амплитуд сигналов, усилитель высокой частоты, детектор и видеоусилитель.

Амплитуды сигналов чаще всего измеряют с помощью градуированного делителя напряжения – аттенюатора. При этом сравнивают амплитуды двух или нескольких сигналов в относительных единицах. За единицу (0 дб.) обычно принимают максимальный сигнал, соответствующий амплитуде акустического зондирующего импульса. Иногда за исходное значение принимают амплитуды других сигналов, например донного сигнала для контролируемого изделия. Требуемый диапазон измерения 60 – 80 дб. В последнее время разработаны автоматические измерители амплитуды с цифровым выходом, как в толщиномере «Т-М ike ЕМ» .

В ультразвуковом толщиномере для излучения и приема ультразвуковых волн используются пьезопреобразователи. Преобразователи контактного типа предназначены для работы по совмещенной схеме, где один элемент исполняет роль излучателя, а другой – приемника ультразвуковых волн. В толщиномере датчиком служит раздельно - совмещенный преобразователь (рис. 1.25). Пьезопластина изготовлена из керамики ЦТС (рис. 1.25). На поверхности пьезопластины методом напыления в вакууме нанесены серебряные электроды,

Рис. 1.25. Схема датчика ультразвукового толщиномера

которые системой проводников соединены с кабелем, и через него – с измерителем толщины. Для настройки на резонансную частоту колебаний служит катушка индуктивности. Катушка размещена в демпфере, который изготовлен из звукогасящего материала. В раздельно-совмещенных преобразователях излучатель 1 и приемник 3 (см. рис. 1.25) разделены акустически и электрически экраном 2. В то же время они объединены конструктивно корпусом 4. Благодаря разделению зондирующий импульс, подаваемый на излучающий элемент практически не попадает в приемник. Варьируя углы призм 5 и 6 (от 0 до 10 градусов), расстояние между ними и размеры пьезоэлементов, можно изменять минимальную и максимальную глубину зондирования. Эхоимпульсный ультразвуковой толщиномер «Т-М ike ЕМ» позволяет контролировать изделие с гладкими параллельными и криволинейными поверхностями. Этот прибор работает по принципу измерения времени распространения акустических импульсов от поверхности ввода до донной поверхности и обратно. Это время определяется как толщиной изделия, так и скоростью распространения ультразвуковых волн по нему. Поэтому толщиномер нуждается в предварительной калибровке по стандартным образцам, в которых скорость распространения волн такая же, как и в контролируемом изделии. Для достижения наилучших результатов при использовании эхо методов определения толщины и внутренних дефектов металла требуется минимальная шероховатость поверхности и применение контактных жидкостей. В качестве таких жидкостей применяют машинное масло, а на вертикальных и наклонных поверхностях следует применять более вязкие материалы типа вазелина или тавота.

Измерение толщины листового металла в локальных компьютеризированных системах автоматического регулирования толщины (САРТ)

Структурная схема системы косвенного регулирования толщины прокатываемой полосы, основанная на использовании зависимости Головина-Симса применительно к регулятору толщины одной клети, приведена на рис. 1.26.

Рис. 1.26. Структурная схема САРТ, реализующей зависимость Головина-Симса

Система реализует зависимость:

h ₁ = S ₀ + P /М _к , (10)

где h ₁ - толщина прокатываемой полосы; S ₀ - раствор ненагруженных валков;

P - усилие прокатки; М _к - коэффициент жесткости клети.

САРТ косвенного регулирования регуляторами толщины оснащаются все клети чистовой группы непрерывного полосового стана (рис. 1.27).

Рис. 1.27. Структурная схема САРТ косвенного регулирования: ДП - датчик положения (S ); М - месдоза для измерения Р ; НУ - нажимное устройство; ФЭП - фотоэлектрический пирометр; РИТ - рентгеновский измеритель толщины; УКР - устройство коррекции размера; УКФ - устройство коррекции по температуре; РТ - регулятор толщины; Т _вх - температура полосы на входе стана; Н _вых - толщина полосы

на выходе стана

Здесь толщиномер имеется только за последней клетью стана. Точность работы таких систем, из-за отсутствия в их составе толщиномеров за каждой клетью, ограничена и зависит от изменяющихся по ходу прокатки свойств металла.

В локальных системах прямого регулирования толщины листового металла обычно используют рентгеновские и радиоизотопные толщиномеры.

На рис. 1.28 показана упрощенная структурная схема регуляторов толщины по возмущению и отклонению.

Во входной части регулятора по возмущению вычисляется толщина полосы в соответствии с уравнением:

h = k ₁ S ₀ + k ₂ Р _пр + k ₃ Р _пр , (11)

где k ₁ , k ₂ , k ₃ - коэффициенты пропорциональности.

Рис. 1.28. Упрощенная структурная схема регуляторов толщины по

возмущению и отклонению и контура автоматической

настройки

1.1.7. Рекомендуемая литература

1. Технологические измерения и контрольно-измерительные приборы / Беленький А.М., Бердышев В.Ф., Блинов О.М., Морозов В.А. – М.: Металлургия, 1981. – 264 с.

2. Р.Л.Шаталов, Т.А.Койнов, Н.Н.Литвинова Автоматизация технологических процессов прокатки и термообработки металлов. – М.: Металлургия, 2008. – 402 с.

3. Климовицкий М.Д., Шишкинский В.И. Приборы автоматического контроля в металлургии: Справочник. – М.: Металлургия, 1979. – 296 с.

4. Автоматические приборы, регуляторы и вычислительные системы: Справочное пособие / Под ред. Б.Д. Кошарского. – Л.: Машиностроение, 1976. – 485 с.

5. Шевакин Ю.Ф., Рытиков А.М., Касаткин Н.И. Технологические измерения и приборы в прокатном производстве. – М.: Металлургия, 1973. – 368 с.

6. Выдрин В.Н., Федосиенко А.С. Автоматизация прокатного производства: Учебник для вузов. М.: Металлургия. 1984. – 472 с.

7. Лямбах Р.В., Шишкинский В.И. Автоматизация технологических процессов холодной прокатки листов. М.: Металлургия. 1981. – с. 264.

8. Ленович А.С. Автоматические системы управления технологическими процессами и установками прокатных цехов: Учебник для ВУЗов. М.: Металлургия, 1979. – 368 с.

1.2. Проведение циклов занятий на тему «Традиционные и современные

информационные и технические средства контроля толщины стальных

полос» на Московском трубном заводе ОАО «Филит» (МТЗ ОАО «Филит»)

17 мая 2011 г. со специалистами ОАО «МТЗ Филлит» было проведено занятие по теме «Классификация методов определения толщины стальных полос».

Протокол № 1 от 17 мая 2011 г.

проведения занятия по теме «Классификация методов определения толщины стальных полос»

Присутствовали: от МГОУ – зав. каф ММиОМД, д.т.н., проф. Шаталов Роман Львович; к.т.н., доц. Алдунин Анатолий Васильевич; к.т.н., проф. Верхов Евгений Юрьевич; к.т.н., доц. Литвинова Надежда Николаевна; к.т.н., доц. Морозов Юрий Анатольевич;

от ОАО «МТЗ» – гл. инженер Тарасов В.В.; директор по производству Гричановский Ю.Н.; начальник ЭТСЦ-1 Стадник Н.В.; зав. лабораторией, к.т.н. Манохина Н.Г.; старший мастер ЭТСЦ-1 Рябинин Е.М.; мастер ЭТСЦ-1 Архипов А.Е.; мастер ЭТСЦ-1 Крупенченков А.М.; помощник мастера ЭТСЦ-1 Жирнов А.В.; начальник ГЗС Абрамов В.И.; мастер ЭТСЦ-2 Ткаченок В.В.; помощник мастера ЭТСЦ-2 Кулютин С.А.; главный механик Сидоров А.А.; механик по ремонту электрооборудования ЭТСЦ №1, 2, ЦРиХМ Максимов Л.А.; заместитель главного механика ПМУ Богданов А.Ф.; механик по ремонту металлургического оборудования ЭТСЦ №1, 2 ЦРиХМ Зимин С.А.; механик по ремонту оборудования ЭТСЦ №1, 2 ЦРиХМ Арен Э.А.; ведущий специалист по инструменту Идесис В.Г.; инженер по инструменту Голубев Д.П.; главный электрик Хомюк А.В.; старший мастер по ремонту электрооборудования ЭТСЦ №1, 2 ЦРиХМ Бобров В.Н.; мастер по ремонту электрооборудования ЭТСЦ №1, 2, ЦРиХМ Толкачев Е.Н.;

приглашенные участники – ведущий научный сотрудник ИПУ РАН, д.т.н. Генкин А.Л.; профессор НИТУ «МИСиС», д.т.н. Самусев С.В.

Всего 28 человек.

Занятие проводили : д.т.н., проф. Шаталов Р.Л. , к.т.н., доц. Алдунин А.В.

На занятии были рассмотрены вопросы: два метода измерений приборами и системами автоматического контроля толщины полос – метод непосредственной оценки и метод сравнения известной и измеряемой величин; разновидности метода сравнения – разностный (диф­ференциальный), нулевой и метод совпадения; классификация измерительных приборов и систем автоматического контроля по следующим признакам: виду измеряемой величины, принципу действия, назначению, характеру представления информации, числу контролируемых величин, дистанционному признаку, характеру контроля во времени, размерам приборов.

Вопросы задавали : Гричановский Ю.Н., Архипов А.Е., Максимов Л.А..

Заданные вопросы касались достоинств и недостатков метода непосредственной оценки и метода сравнения известной и измеряемой величин, а также их практического применения в заводских условиях.

Зав. лабораторией ОАО МТЗ «Филит»,

к.т.н. Манохина Н.Г.

Зав. каф. ММиОМД

МГОУ, проф., д.т.н. Шаталов Р.Л.

31 мая 2011 г. со специалистами ОАО «МТЗ» было проведено занятие по теме «Структурные схемы и характеристики средств измерений».

Протокол № 2 от 31 мая 2011 г.

проведения занятия по теме «Структурные схемы средств измерений и измерительные преобразователи»

Присутствовали: от МГОУ – зав. каф ММиОМД, д.т.н., проф. Шаталов Роман Львович; к.т.н., доц. Алдунин Анатолий Васильевич; к.т.н., проф. Верхов Евгений Юрьевич; к.т.н., доц. Литвинова Надежда Николаевна; к.т.н., доц. Морозов Юрий Анатольевич;

от ОАО «МТЗ» – зав. лабораторией, к.т.н. Манохина Н.Г.; специалист по ремонту и наладке систем автоматического управления Автономов М.И.; специалист по неразрушающему контролю Холявко В.П.; мастер по ремонту электрооборудования ЭТСЦ №1, 2 ЦРиХМ Акатов Н.В.; инженер по техническим средствам Попов П.И.; Сергеев Н.А. – специалист по КИПиА; ведущий специалист по ремонту электрооборудования ЭТСЦ №1, 2 ЦРиХМ Журавлев А.А.; специалист по ремонту электрооборудования ЭТСЦ №1, 2 ЦРиХМ Белов Д.В.; специалист по ремонту электрооборудования ЭТСЦ №1, 2 ЦРиХМ Харламов А.М.; инженер по ремонту электрооборудования ЭТСЦ №1, 2 ЦРиХМ Дормидошин О.В.; сменный мастер по ремонту электроборудования ЭТСЦ №1, 2 ЦРиХМ Васильев А.П.; сменный мастер по ремонту электроборудования ЭТСЦ №1, 2 ЦРиХМ Ганиев Р.Р.; сменный мастер по ремонту электроборудования ЭТСЦ №1, 2 ЦРиХМ Гулов А.А.; сменный мастер по ремонту электроборудования ЭТСЦ №1, 2 ЦРиХМ Журбенко М.Ю.; сменный мастер по ремонту электроборудования ЭТСЦ №1, 2 ЦРиХМ Камынин А.В.; главный энергетик Макаров А.А.; мастер по ремонту энергооборудования Кузьменко А.Н.; инженер по надзору и охране труда Демин А.И.; инженер по нормированию энергоресурсов Беляева Н.В.; начальник проектно-конструкторского отдела Шевченко М.М.; инженер-конструктор проектного отдела Морозов Е.А.; директор по качеству и технологии Клестов В.Ф.

приглашенные участники – ген. директор ВНИПИ САУ, к.т.н. Дроздин А.Э.; ведущий научный сотрудник ИПУ РАН, д.т.н. Генкин А.Л.

Всего 29 человека.

Занятие проводили : к.т.н., доц. Алдунин А.В., к.т.н., доц. Морозов Ю.А.

На занятии были рассмотрены вопросы: состав структурных схем средств измерений; статические и динамические характеристики средств измерений; типы потенциометрических преобразователей — с каркасом в виде стержня, с кольцевым каркасом, с дуговым каркасом; индуктивные, индукционные ферродинамические, частотные, электросиловые и пневмосиловые преобразователи; системы дистанционной передачи показаний – потенциометрическая, дифференциально-трансформаторная и ферродинами-ческая.

Вопросы задавали : Холявко В.П., Журбенко М.Ю., Васильев А.П., Кузьменко А.Н.

Заданные вопросы касались преимуществ отдельных типов потенциометрических преобразователей, а также точности различных систем дистанционной передачи показаний.

Зав. лабораторией ОАО МТЗ «Филит»

к.т.н. Манохина Н.Г.

Зав. каф. ММиОМД

МГОУ, проф., д.т.н. Шаталов Р.Л.

2. (5.4.1.4.2) Создание системы изучения и освоения современных информационных компьютеризированных технологий при производстве сварных прямошовных труб из стали

2.1. Научно-образовательный материал «Применение информационных систем при формовке, сварке и прокатке стальных сварных труб».

Авторы: Шаталов Р.Л., Верхов Е.Ю., Морозов Ю.А., Жильцов А.Я., Литвинова Н.Н.

2.1.1. Теоретическое введение

Создание системы управления любым технологическим процессом требует знания параметров этого процесса.

Наиболее современным способом формовки трубной заготовки является непрерывная формовка на многоклетевых валковых станах, применяемая при производстве труб из рулонной заготовки электрической сваркой. Плоская лента, проходя через валки трубоформовочного стана, сворачивается в круглую трубную заготовку в калибрах с постепенно уменьшающимся радиусом кривизны. Зазор между кромками полосы расположен в верхней части заготовки [1, 2].

Формовочный стан включает 6…11 горизонтальных приводных и 6…8 вертикальных холостых валков. Вертикальные валки предназначены для предотвращения распружинивания трубной заготовки, но иногда используются и для увеличения деформации гиба. Последовательность операций формовки на непрерывных валковых станах определяется выбранными условиями изгиба полосы, обеспечивающими технологичность процесса и минимальные напряжения в полосе. В первых формовочных клетях применяются калибры открытого типа, в последних – закрытого типа. Верхние валки клетей с закрытыми калибрами имеют шовнаправляющие шайбы, которые удерживают трубную заготовку от проворачивания и обеспечивают правильное ее вхождение в сварочную клеть [3].

При формовке трубной заготовки на непрерывных валковых станах деформирующий инструмент формует лишь участок полосы определенной длины: следовательно, неизбежно наличие переходной зоны от одного профиля к другому. В этом случае всегда имеет место неравномерная деформация продольных элементов полосы, причем элементы, находящиеся у кромок, испытывают максимальное растяжение. Неравномерность деформации продольных элементов уменьшается с увеличением длины переходной зоны, а отсутствовать может лишь при бесконечной длине зоны деформации (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Схема деформации полосы в непрерывном формовочном стане:

1 – очаг деформации ; 2 – участок внеконтактной деформации ; 3 –недеформированный участок трубной заготовки ; 4 – участок распружинивания

Анализ деформации полосы в валковом стане показывает, что в связи с формовкой валками только определенного участка полосы, между смежными профилями неизбежна переходная зона, в которой происходит неравномерное растяжение элементов полосы, причем максимальному растяжению подвергаются ее кромки. Растяжение кромок начинается на участке внеконтактной деформации и достигает наибольшей величины к началу геометрического очага деформации (рис. 2.2). В очаге деформации растяжение кромок уменьшается.

Рис. 2.2. Изменение относительного удлинения кромки полосы

по длине очага формовки

Согласно напряженно-деформируемому состоянию материала в очаге деформации, создаваемая кривизна листа вызывает появление тангенциальных деформаций удлинения и укорочения вблизи выпуклой и вогнутой поверхности листа. Согласно условию постоянства объема, появляющиеся при этом радиальные деформации, будут направлены на изменение геометрических размеров трубной заготовки, и в первую очередь – к уменьшению ее толщины, что в совокупности с удлинением кромки заготовки вынуждает более ответственно подходить к выбору ширины заготовки для формовки трубы.

Данная проблема связана с тем, что увеличение ширины полосы приводит к необходимости введения дополнительной операции обрезки излишней кромки. Уменьшение размера связано с некачественным сварным швом и несоответствием геометрических размеров. Поэтому процесс формовки требует точной отработки кинематических и геометрических параметров формовки и прежде всего параметров гибки.

Интенсивность утонения полосы происходит с увеличением ее толщины и радиусом кривизны. При допущении плоской деформации , значение радиальной деформации

.

В свою очередь деформация, обусловленная формовкой полосы может быть определена на основании зависимости [4]

,

где – радиус нижнего калибра;

– радиус формующего верхнего ролика.

Соответственно деформированная толщина полосы

.

Или толщина полосы по размеру

.

2.1.2. Адаптивная система управления прокатки труб

Широкое применение автоматических поточных линий на трубных заводах предъявляет возрастающие требования к точности геометрических размеров труб, что в свою очередь заставляет искать новые пути к повышению точности выпускаемой продукции. Одним из таких путей является применение адаптивной системы управления станом ТЭСА.

Агрегат ТЭСА состоит из формовочного стана, трубосварочной клети и профильно-калибровочного стана. Штрипс сворачивается на формовочном стане в трубную заготовку, свариваемую прямым продольным швом в трубосварочной клети. Чистовая обработка трубы осуществляется на профильно-калибровочном стане. Предполагается, что толщина стенки трубы при калибровке не изменяется. Калибровочный стан несколько уменьшает диаметр трубы и в результате этого улучшает качество ее поверхности.

Опыт аналогичных производственных процессов показывает, что система автоматического управления и стабилизации в первую очередь строится на средних размерных показателях внутри партии и может работать как обычная система с обратной связью: усреднять выходной размер по нескольким трубам и при накоплении ошибки, большей, чем чувствительность системы, будет вырабатывать управляющее воздействие [5]. Такая система технически осуществима и оправдана экономически. Недостатком ее следует признать тот факт, что система будет реагировать на медленно меняющиеся дестабилизирующие факторы, например, вызванные износом валков, но совсем не будет реагировать на возмущения, меняющиеся от трубы к трубе. Приведенные значения разброса наружных диаметров говорят о преобладающем влиянии на точность трубы быстро меняющихся дестабилизирующих факторов.

Следствием происходящих в материале деформационных процессов при сворачивании трубной заготовки являются колебания расчетных диаметра и толщины стенки трубы, вызванные особенностями калибровки, настройки стана, шириной и толщиной штрипса и др.

Учесть влияние быстро меняющихся дестабилизирующих факторов можно только при помощи системы, в состав которой входит математическая модель стана. Такая система будет «поднастраивать» стан перед прокаткой каждой трубы в соответствии с параметрами поступившей заготовки. Однако, поскольку параметры стана в процессе работы изменяются, математическая модель также не может оставаться постоянной. Кроме того, для каждого вида проката потребовалась бы своя модель. Поэтому наиболее рациональным решением в данном случае было применение адаптивного управления, в процессе которого модель постоянно приспосабливается к изменяющимся условиям работы стана.

Общее схематическое представление процесса трубопрокатки на основе формализованного представления реального процесса, может быть представлена в виде блок-схемы (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Схематическое представление трубопрокатного агрегата

Из такого упрощенного представления процесса видно, что агрегат ТЭСА рассматривается как система, преобразующая одни входные функции в другие выходные функции. В группу входных переменных, которые описываются n -мерным вектором

,

входят данные о заготовке – ширина и толщина штрипса и другие показатели, а также значения, характеризующие состояние технологического процесса (диаметр валков, расстояние между валками, усилие прокатки и т.д.). В группу выходных переменных, описываемых m -мерным фактором

,

входят переменные состояния технологического процесса, связанные с результатами работы, – диаметр и толщина стенки трубы, качество поверхности, производительность процесса и т.п.

Из сказанного следует, что каждый из объектов ТЭСА (формовочный и профильно-калибровочный стан) можно рассматривать как динамические системы, осуществляющие преобразование функций.

2.1.3. Принцип работы системы и схема расположения датчиков

Из оборудования, входящего в состав ТЭСА, наиболее значительное влияние на геометрические размеры сварной трубы оказывают формовочный и профильно-калибровочный станы. Поэтому система автоматического управления должна регулировать процесс прокатки в первую очередь именно на этих станах.

Если предположить, что исследуемый объект описывается уравнением

,

то следует искать математическую модель этого объекта в виде

. (1)

В этом выражении – оценка выхода объекта в N -м наблюдении по результатам измерения входных переменных в том же наблюдении. Для вычисления этой оценки выхода можно использовать только предыдущие оценки соответствующих коэффициентов объекта . Для получения оценок параметров требуется со значением выхода объекта осуществить некоторые вычисления. Если вычисления не безынерционны (а это всегда так), то для получения оценки выхода объекта в момент времени N можно пользоваться только значениями коэффициентов модели, полученными, по крайней мере, в предыдущем наблюдении [6].

При составлении адаптивной модели ТЭСА истинный параметр указывает долю в отклонении выхода от изменения входного параметра штрипса . Число входных параметров, влияющих на величину полного отклонения , вообще говоря, неизвестно. Если бы имелись значения в любой момент времени с учетом всех возмущений , то можно было бы точно прогнозировать величину отклонения на выходе стана для любой трубы.

Учесть влияние всех параметров невозможно, да в этом и нет необходимости, так как можно выделить главные, которые в основном и определяют величину отклонения выходного размера. Для первого формовочного стана таких главных параметров четыре: ширина штрипса , толщина штрипса , радиус образующей калибра и раствор между валками .

Если бы параметры стана были постоянны во времени и не изменялись от одного размера проката к другому и, кроме того, оператор успевал бы оценить количественно дестабилизирующие факторы на каждой трубе, то система управления не потребовалась бы. Сложность объекта и значительное число входов ограничивают возможности оператора по управлению станом: оператор вмешивается только при резких нарушениях обычного хода технологического процесса по какому-либо одному каналу, оставляя стан без вмешательства при нормальном темпе прокатки. Оператор осуществляет грубую настройку стана, а неизбежно получающийся при этом разброс геометрических размеров трубы определяет поле допусков на готовую продукцию.

Для снижения дисперсии геометрических размеров необходимо учитывать влияние большого числа дестабилизирующих факторов, для чего необходима математическая модель стана.

Если возникает задача определения изменения толщины стенки трубы в процессе формовки, то необходима модель стана по толщине стенки. В соответствии с формулой (1) оценку толщины стенки трубы на выходе следует искать в виде

, (2)

где – предсказанное отклонение толщины стенки трубы, которое получится после прокатки трубы с номером N ;

– оценка параметра полученная в предыдущем шаге.

Полный набор коэффициентов и представляет собой математическую модель стана по диаметру трубы. Уточнение модели осуществляют после прокатки каждой трубы, когда датчики позволяют получить истинное значение отклонения диаметра трубы, которое можно сравнить с предсказанным на основании формулы (2). Уточнение сводится к корректировке значений коэффициентов с использованием выражения

( ), (3)

где α – параметр ошибки, оцениваемый величиной дисперсии. Его оптимальное значение

,

– дисперсия;

m – среднее значение исходного параметра процесса.

Как видно из формулы (2), при построении модели связь между входами и выходом стана предполагается линейной. Это, конечно, упрощение, но вполне допустимое, так как входные параметры штрипса колеблются в узких пределах относительно средних значений. Непрерывное уточнение модели в процессе работы стана позволяет постоянно добиваться соответствия между коэффициентами уравнения (2) и действительными параметрами стана , которые изменяются во времени, например из-за износа валков.

Кроме толщины стенки, на формовочном стане необходимо учитывать наружный диаметр трубы, так как отклонения последнего от заданного значения не должны быть слишком большими, иначе профильно-калибровочный стан не сможет обеспечить получение оптимального наружного диаметра. Построение модели указанного стана по диаметру производится также по уравнению (1), которое в данном случае будет записано следующим образом

, (4)

где – предсказанное отклонение диаметра трубы с номером N ;

… – коэффициенты модели формовочного стана, полученные на предыдущей прокатке.

Формула для уточнения модели по диаметру

( ), (5)

где – отклонение наружного диаметра, замеренное датчиком после окончания прокатки.

На профильно-калибровочном стане осуществляют некоторое обжатие по наружному диаметру, и в результате этого улучшается качество поверхности трубы. Изменяя величину обжатия, можно, не нарушая качества наружной поверхности, изменять усредненный по длине наружный диаметр трубы, и тем самым представляется возможным уменьшать дисперсию средних диаметров в партии труб. Поскольку на данном стане также может происходить изменение толщины стенки и диаметра трубы, для него также строятся математические модели по аналогичной методике.

Система управления обоими станами включает в себя вычислительные машины, которые должны обеспечивать обработку поступающей со стана информации и построение моделей, систему датчиков и внешних логических устройств, а также устройства управления обоими станами. Так как геометрические размеры трубы зависят от рассматриваемых станов, то необходимо обеспечить управление в первую очередь именно двумя этими станами, для чего необходимо иметь модели каждого стана. Поскольку одна и та же труба проходит последовательно оба стана, то выходные параметры формовочного стана являются входными для профильно-калибровочного, что позволяет построить систему управления обоими станами с использованием одной машины. В действительности, экономии в датчиках не получается, так как между станами установлена промежуточная сварочная клеть, для которой происходит сжатие продольных кромок трубы, что изменяет ее диаметр. Данное обстоятельство заставляет измерять диаметр трубы после сварочной клети специальным датчиком. Что касается толщины стенки трубы, то ее влияние несущественно.

В связи с тем, что заготовка в виде штрипса последовательно формуется и калибруется в готовую сварную трубу, можно использовать одну вычислительную машину для управления одновременно обоими станами. Но с другой стороны разделение станов сварочной клетью может создать ряд неудобств в виде неправильного построения модели и увеличению дисперсии наружного диаметра. Из этих соображений более рациональным является раздельные адаптивные системы управление, одна из которых служит для формовочного стана, а вторая для профильно-калибровочного стана (рис. 2.4).

Блоки 26; 27; 28 входят в состав вычислительной машины формовочного стана, блоки 39, 40 – в состав профильно-калибровочного стана.

Блок 27 представляет собой модель формовочного стана по толщине стенки трубы. Для построения модели по формуле (3) необходимо знать толщину стенки трубы, прокатанной ранее, что может осуществляться, например, косвенным методом на основании показаний датчиков ширины и диаметра заготовки, позволяющих рассчитать утонение на основании радиуса придаваемой кривизны.

Параметры гильзы, входящие в уравнение (2), определяются при помощи установленных на стане датчиков (рис. 4) или рассчитываются на основании соответствующих математических теорий. Из формул (2) и (4) видим, что в обоих случаях используются одни и те же параметры, т.е. модели стана по диаметру и толщине стенки имеют общие входы. Контроль правильности модели по диаметру осуществляется по данным датчика диаметра 23.

Рис. 2.4. Блок-схема адаптивной системы управления:

1 – рулонный штрипс; 2 – петленакопитель; 3 – формовочный стан; 4 – промежуточная сварочная клеть; 5 – профильно-калибровочный стаи; 6 – датчик наличия штрипса; 7 – электронный блок датчика наличия штрипса; 8; 9; 10 – датчики измерителя толщины штрипса; 11 – электронный блок датчика толщины штрипса; 12 – телекамера датчика ширины штрипса; 13 – электронный блок датчика ширины штрипса; 14 – измерительный блок датчика скорости штрипса; 15 – электронный блок датчика скорости штрипса; 16 – датчики положения валков формовочного стана; 17 – двигатели перемещения валков формовочного стана; 18 – устройство управления; 19; 20; 21 – датчики измерителя толщины стенки трубной заготовки; 22 – электронный блок датчика измерителя толщины стенки трубной заготовки; 23 – оптико-механический блок датчика диаметра трубы; 24 – электронный блок датчика диаметра трубы; 25 – блок задания уставок формовочного стана; 26 – вычислительное устройство; 27 – модель формовочного стана по толщине стенки трубы; 28 – модель формовочного стана по диаметру; 29 – датчик контроля сварного шва; 30 – электронный блок датчика контроля сварного шва; 31 – оптико-механический блок датчика диаметра трубы перед профильно-калибровочным станом; 32 – электронный блок датчика диаметра трубы; 33 – датчики положения валков профильно-калибровочного стана; 34 – двигатели перемещения валков профильно-калибровочного стана; 35 – устройство управления; 36 – оптико-механический блок датчика диаметра трубы; 37 – электронный блок датчика диаметра трубы; 38 – блок задания уставок профильно-калибровочного стана; 39 – вычислительное устройство; 40 – модель профильно-калибровочного стана по диаметру

Система может работать в двух режимах: в режиме обучения и в режиме управления. Режим обучения необходим при подключении системы к стану, так как коэффициенты в выражениях (2) и (4) заранее не известны. Измеряя входные параметры гильзы, обе модели прогнозируют величины отклонений на выходе стана. После прокатки трубы, когда датчики выходных размеров сообщают моделям фактические величины отклонений, осуществляется уточнение обеих моделей по выражениям (3) и (5). Через несколько шагов ошибка предсказания уменьшается настолько, что можно включать систему в режим управления.

В режиме управления исходные данные гильзы вводятся в вычислительный блок машины, который по формуле (2) предсказывает величину отклонения толщины стенки, получаемой после прокатки данной трубы. Модель стана по толщине стенки «сообщает» вычислительному устройству оценки … , полученные в предыдущем шаге. Вычислительный блок сравнивает предсказанное значение с необходимым, которое задается блоком уставок 25. При расхождении между ними определяется величина и направление перемещения валков, требуемое для ликвидирования этого расхождения. Но изменение положения валков вызовет изменение наружного диаметра трубы, которое может быть настолько большим, что профильно-калибровочный стан не сможет выправить положение. Чтобы этого не произошло, на основании модели по диаметру вычислительный блок 26 проверяет величину отклонения диаметра , которое получится в результате перемещения валка, и если найденное значение диаметра будет превышать возможности калибровочного стана, то вычисленное корректирующее воздействие будет снижено с тем, чтобы труба не пошла в брак.

Определив величину необходимого перемещения валка, машина включает двигатели, которые переводят валки в новое положение. Штрипс задается в стан и формуется в трубную заготовку, замеряемую на выходной стороне стана выходными датчиками, показания которых служат для дальнейшего уточнения моделей. В режиме управления система не только пользуется найденными оценками параметров стана с целью уменьшения дисперсии геометрических размеров трубы, но и продолжает уточнять найденные в предыдущем режиме оценки параметров стана.

Следует отметить, что поднастройка стана осуществляется в постоянном режиме, но всегда начинается и заканчивается в промежутке между прокатками одного рулона штрипса, т.е. с точки зрения управления стан можно считать безынерционным объектом.

Система управления профильно-калибровочным станом аналогична разобранному выше случаю и по принципу действия и по схемным решениям.

Датчики

Проблема выбора датчиков имеет существенное, если не главное, значение при проектировании и эксплуатации системы, так как датчики устанавливают в производственной зоне, где имеется сильная запыленность и возможны механические повреждения.

Датчик длины штрипса

Измерение длины штрипса осуществляется бесконтактным методом, использующим алгоритм с учетом постоянства скорости его перемещения

, (6)

где – расстояние между фотодатчиками, измеряющими постоянную часть заготовки;

– расстояние между базовыми фотодатчиками;

– время измерения «хвоста» заготовки, т.е. части, которая превышает длину постоянной части ;

– время перемещения заготовки между базовыми фотодатчиками.

Способ замера длины заготовки обеспечивает измерение скорости каждой заготовки, так как вычисляется отношение .

Для реализации алгоритма (6) на участке между рулоном и петленакопителем установлены фотодатчика, а в машинном зале собрана логическая схема измерителя. Для снижения уровня помех в непосредственной близости к фотодатчнкам установлены усилители. Показания датчиков обрабатываются логической схемой, и результат измерения вводится в управляющий блок, в состав которого также входят контрольно-сигнальные устройства, позволяющие проверить работу схемы с пульта контроля и проверить уровни напряжения, поступающие с датчиков.

На точность измерения влияют в основном три фактора: неравномерность движения заготовки в зоне измерения, разрешающая способность датчиков и наличие скола на передней и задней кромках заготовки.

Для уменьшения первой составляющей ошибки необходимо располагать фотодатчики измерителя как можно ближе к разматывателю, так как чем больше путь, пройденный заготовкой, тем ближе ее скорость к установившемуся значению. Но нельзя располагать датчики слишком близко к разматывателю, так как возможно колебание штрипса, что может повторно засветить датчики с возможностью ложного показание измерителя. Кроме того, ошибка от неравномерности движения заготовки может быть уменьшена правильным расположением датчиков.

Датчик диаметра трубной заготовки

Для измерения диаметра трубной заготовки, передающая телекамера установлена сверху формовочного стана и визирована на выходящую из стана трубную заготовку. Электронный блок установлен в машинном зале системы. Искомый диаметр состоит из двух компонент

,

где – номинальный диаметр трубной заготовки;

– отклонения диаметра трубной заготовки от номинального размера.

На выходе электронного блока имеется напряжение , а размер задан переключателем и остается постоянным в продолжение прокатки. Этот размер вводится в машину через пульт сменных констант перед началом прокатки. В конструкции блока управления может быть предусмотрен вывод величины на прибор индикации с целью получения информации об отклонении диаметра трубной заготовки от уставки (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Блок-схема измерения диаметра трубной заготовки:

1 – труба; 2 – передающая телекамера; 3 – электронный блок; 4 – блок определения номинального размера; 5 – развязывающий усилитель; 6 – логическое устройство; 7 – цифровой вольтметр; 8 – вычислительная машина

Информация о диаметре трубной заготовке содержится в видеосигнале, поступающем с телекамеры на электронный блок, который определяет величину постоянной составляющей и отклонения . Напряжение, пропорциональное поступает на развязывающий усилитель, который превращает напряжение, плавающее относительно нуля, в напряжение, фиксированное относительно общего провода. С согласующего усилителя напряжение поступает на цифровой вольтметр, который преобразует аналоговый сигнал в цифровую форму. Логическое устройство обеспечивает начало преобразования через заданные промежутки времени. После ввода первого измерения в машину дается сигнал на повторное измерение. Логическое устройство вырабатывает импульс на повторный запуск цифрового вольтметра, и второй замер также вводится в машину. После определенного числа замеров блок логики прекращает дальнейшие измерения, а машина по произведенным замерам вычисляет среднее значение, которое в дальнейшем используется как отклонение от , заданного постоянным числом с пульта ввода исходных данных.

Аналогичный датчик измерения диаметра трубной заготовки в виде передающей телекамеры установлен сверху профильно-формовочного стана и визируется на его входную сторону.

Блок-схема измерения диаметра трубной заготовки совпадает с блок-схемой, приведенной на рис. 5. При движении штрипса к формовочному стану он попадает в поле зрения телекамеры, и схема логики дает команду на начало измерения. После заданного числа замеров дальнейший съем информации с датчика прекращается, а машина вычисляет среднее значение отклонения диаметра заготовки от уставки . Полный диаметр заготовки определяется по аналогии с формовочным станом

.

Окончательно, диаметр трубы измеряется оптико-механическим блоком, визируемым на выходную сторону профильно-калибровочного стана, установленным на стане рядом с измерителем длины трубы.

Как и для датчика диаметра трубной заготовки, результат измерения состоит из постоянной и переменной частей

,

где – абсолютный диаметр трубы;

– постоянная часть диаметра;

– отклонение от постоянной части.

Постоянная часть вводится в блок управления посредством сменных констант, а переменная часть в виде напряжения подается на цифровой преобразователь, с которого в виде кода вводится в машину. Для уточнеия модели по выражению (5) используется только отклонение .

Определение толщины стенки трубной заготовки

Этот параметр существенно влияет на выходные размеры трубы, и отказаться от учета его влияния нельзя. Для определения толщины стенки трубной заготовки можно воспользоваться определенным математическим аппаратом или использовать измерительные датчики. В результате для расчета толщины трубной заготовки используется отклонение от средней величины

, (7)

где – среднее значение толщины стенки трубной заготовки в течение промежутка времени.

Полученная таким образом толщина стенки трубной заготовки усредняется по всем замерам с тем, чтобы использовать ее для прогнозирования по формулам (2) и (4).

На основании статистической обработки результатов измерений определяется дисперсия толщины стенки и вычисляются доверительные интервалы с записью в постоянной памяти блока управления. В процессе работы могут быть случайные сбои или в датчиках, или в технологическом процессе. Например, заготовка может остановиться на позиции измерения длины заготовки, что приведет к неправильному показанию датчика длины заготовки и, как следствие, к ошибочному результату при вычислении толщины стенки. Программой вычисления толщины стенки должно быть предусмотрено сравнение отклонения с предельными граничными значениями. Если полученная величина находится внутри доверительных интервалов, то она считается достоверной и используется для вычислений в выражениях (2) и (4). В противном случае принимается средняя толщина стенки гильзы, при подстановке которой в выражение (7) получаем нулевое значение. Это приводит к тому, что в том шаге, в котором произошел сбой, поправки модели (вернее, искажения) не произойдет. Но сбой в определении стенки более опасен, если выражение (2) используется для определения величины управляющего воздействия, так как по неверному будет неверно определено необходимое перемещение валков и труба может пойти в брак.

Сравнение с доверительными интервалами позволяет исключить влияние неправильного замера стенки на вычисление корректирующего сигнала.

Датчик положения валка

Положение валков – это единственный параметр, который позволяет корректировать наружный диаметр и толщину стенки трубы после формовочного стана.

Ручная настройка осуществляется при переходе на другой размер проката путем одновременного перемещения всех валков. При этом положение оси прокатки не изменяется. Задачей адаптивной системы является поднастройка стана при стационарном процессе прокатки, а так как обычно не требуется перемещать валок больше, чем на ±2 мм от исходного положения, то поднастройка выполняется только при помощи верхнего валка. Возникающее при этом изменение положения оси прокатки не оказывает влияния на качество трубы.

Для уравнения (2) требуется не абсолютная величина калибра, а только отклонение калибра от исходного положения. В связи с этим оказалось возможным ограничиться только датчиком положения верхнего валка.

Конструкция датчика определяется схемой вычислительной машины. Так, считывание информации может осуществляться системой щеток, расположенных одна относительно другой по правилу V-образного кода. Датчик связан с двигателем перемещения валка через редуктор.

В состав датчика входит также ограничитель, срабатывающий при отклонении валка от исходного положения на величину свыше ±2 мм. Ограничитель используют в системе управления.

2.1.4. Обработка исходных данных

Основным звеном адаптивной системы управления является блок управления, решающий задачи по сбору и первичной обработке информации. Он оценивает параметры модели, определяет необходимую величину корректирующего импульса и осуществляет процесс управления станом.

Вся информация, необходимая для определения управляющего воздействия, накапливается в тот момент, когда штрипс уже движется в стан. Определив то новое положение, в каком должен находиться валок, машина выдает напряжение на канал включения механизмом нажима. Это напряжение поступает на внешнее логическое устройство, которое передает сигнал на тиристорную станцию управления, включающую двигатель в нужном направлении. Двигатель начинает перемещать валок и связанный с ним датчик положения валка.

Во время работы двигателя машина «следит» за положением валка, и в тот момент, когда остающийся до необходимого положения путь оказывается равным величине выбега двигателя, выдает команду на снятие напряжения с канала управления. Двигатель останавливается, через некоторое время штрипс достигает валков и начинается формовка.

При реализации режима управления возможны нарушения, от которых необходимо иметь защиту. Может случиться, что по тем или иным причинам двигатель не успеет отработать заданное машиной перемещение, до того как штрипс попадет в валки. Изменить положение валка во время прокатки двигатель не может, поэтому датчик положения валка не достигнет заданного положения, и двигатель будет оставаться включенным в течение всего времени прокатки, что приведет к выходу из строя привода. Для защиты от такого режима имеется датчик нагрузки, сигнал с которого поступает на логическое устройство управления и в машину, производя выключение двигателя сразу при появлении нагрузки независимо от того, пришел валок в заданное положение или нет. Кроме того, этот сигнал блокирует прохождение сигнала управления через логическую схему.

Во время работы системы может произойти сбой, отказ машины или нарушение работы какого-либо устройства, которое приведет к отсутствию команды на выключение двигателя. В этом случае при выходе валка за предел ±2 мм сработает конечный выключатель, который запретит прохождение сигнала через логическое устройство.

Основной задачей вычислительной машины является построение модели стана и определение корректирующего воздействия. Но это не все. Машина может быть использована для выполнения тех арифметических операций, которые обычно осуществляются самим датчиком. В этом случае внешние устройства значительно упрощаются, а надежность всей системы в целом возрастает. Примером такого использования является получение сведений о толщине стенки трубы путем обработки показаний других датчиков и оценивать достоверность показаний датчика сравнением вычисленного значения с границей доверительного интервала. Эта граница может быть вычислена заранее путем обработки статистических данных по многим партиям труб. В этом случае граница должна учитывать максимальные возможные колебания.

Естественно, что такая граница только в редких случаях будет отражать истинный диапазон колебаний, и обычно будет его превышать. Тем не менее, этот способ контроля является достаточно эффективной мерой защиты информации, так как сбой в одном из датчиков приводит к резкому выпаду замеренной величины за один из пределов.

Что же делать, если установлено ложное показание датчика?

Исправлять показание датчика нельзя, так как это первичная информация. Можно попытаться сделать повторное измерение, если труба еще остается на позиции измерения, либо делать сразу несколько замеров и по ним вычислять среднее значение, например, по итерационной формуле, которая применительно для толщины стенки трубы имеет вид

,

где – оценка среднего значения толщины стенки трубы с номером N ;

α – коэффициент усреднения;

– вычисленная толщина стенки для трубы номер N ;

Блок-схема подпрограммы вычисления среднего приведена на рис. 2.6. В блоке 1 подпрограммы выбирается константа усреднения α . После прокатки определенного числа труб, когда оценка уже стабилизировалась относительно фактического среднего, программа от блока 1 переключается на блок 3, где выясняется, что больше: оценка среднего в предыдущем шаге или текущее значение .

Рис. 2.6. Блок-схема вычисления среднего значения:

1 – определение числа шагов усреднения; 2 – определение средней при большом коэффициенте усреднения; 3; 4 – определение средней при малом коэффициенте усреднения; 5 – возврат в основной программе

График на рис. 2.7. иллюстрирует взаимное поведение текущего и среднего значений толщины стенки трубы.

Рис. 2.7. Зависимость оценки среднего значения толщины стенки трубы

от числа итераций:

1 – текущее значение ; 2 – оценка среднего значения

2.1.5. Построение и использование модели

Построение модели происходит в режиме обучения и продолжается в режиме управления, что позволяет сделать систему нечувствительной к изменению параметров стана во времени. Конкретный вид базового алгоритма при построении модели стана по толщине дан уравнением (3), а по диаметру – уравнением (5). Порядок действий при построении обеих моделей одинаков, поэтому рассмотрим только построение модели по толщине стенки.

Для уточнения модели необходимо иметь результаты замеров всех учитываемых входных возмущений, относящихся строго к одной и той же трубе. На основании этих данных можно, используя найденные в предыдущем шаге коэффициенты модели, найти предсказанное отклонение толщины стенки трубы. Уточнение модели осуществляется после прокатки трубы в профильно-калибровочном стане и обмера ее соответствующим датчиком, по показаниям которого вычисляется фактическая толщина стенки трубы.

Блок-схема программы построения модели изображена на рис. 2.8.

Рис. 8. Блок-схема программы построения модели:

1 – распаковка; 2 – подпрограмма вычисления среднеквадратичного отклонения; 3 – подпрограмма вычисления предсказанного значения; 4 – подпрограмма вычисления ∆; 5 – подпрограмма уточнения коэффициентов модели

Программа уточнения модели начинается с выполнения подпрограммы распаковки, размещающей информацию в управляющем блоке согласно факторам, влияющим на изменение толщины стенки прокатываемой трубы. Поправка к каждому коэффициенту модели в соответствии с уравнением (3) пропорциональна ошибке предсказания. При известном фактическом отклонении толщины стенки трубы, блоком 3 программы определяется предсказанное значение толщины стенки по уравнению (2), т.е. используется старая модель. Исправление коэффициентов осуществляется по формуле

, ( ) (8)

где – величина ошибки.

Эта операция выполняется блоком 4.

После определения величины ошибки в блоке 5 вычисляются новые значения для всех коэффициентов модели по циклической программе в соответствии с уравнением (8). После чего нового значения сравнивается с пределами своего варьирования

,

и если выходит за один из пределов, то коэффициент принимается равным этому пределу.

На этом заканчивается уточнение модели. На рис. 2.9 показан график фактического и предсказанного отклонения толщины трубы для одного из прокатываемых размеров труб. Из графика видно, что средние значения для фактического и предсказанного отклонений практически совпадают, начиная с восьмой трубы.

Рис. 2.9. Зависимость предсказанной толщины стенки от времени обучения:

1 – фактическая толщина стенки трубы; 2 – предсказанная толщина

Модель стана по диаметру строится аналогично.

Система включается на управление станом после окончания режима обучения, когда ошибка предсказания становится достаточно малой, и в распоряжении машины будет иметься вся информация, необходимая для вычисления управляющего воздействия. Решение об окончании процесса обучения и о включении системы на управление обычно принимает оператор, который может судить об ошибке предсказания по фактическим результатам обучения.

Подналадка стана осуществляется в промежутках между прокатками двух соседних труб. В результате после прокатки должна получиться труба, имеющая толщину стенки . Чтобы получить такую трубу, нужно изменить раствор валков. Величину дополнительного отклонения валка можно найти по формуле

.

Следовательно, новое положение валка должно быть

.

При изменении расстояния между валками, кроме толщины стенки, изменяется и наружный диаметр трубы. При этом наружный диаметр трубы после формовочного стана должен получиться таким, чтобы обжатие на профильно-калибровочном стане находилось в допустимых пределах. Верхний предел по диаметру защищает стан от перегрузок. Нижний предел гарантирует минимальное обжатие на калибровочном стане, которое еще обеспечивает уменьшение дисперсии наружного диаметра черновой трубы.

Для того, чтобы оценить величину отклонения диаметра при изменении расстояния между валками на используется модель по диаметру. Сначала вычисляется которое получилось бы без изменения расстояния между валками, по формуле (4). Дополнительное изменение диаметра, которое получится в результате перемещения валка на величину , равно

.

Следовательно, полное отклонение диаметра будет

.

Найденное значение не должно выходить за известные пределы

.

Если неравенство не выполняется, то перемещать валок на нельзя, так как труба пойдет в брак по диаметру. В таком случае валок следует переместить не на несколько меньшую величину, чтобы не выйти за пределы и оставив стенку такой, какая получится.

2.1.6. Лазерное измерение толщины стенки

Широко используемым в настоящее время бесконтактным способом измерения толщины стенки является ультразвуковой, ставшим стандартным принципом измерения. Ультразвуковые волны, возбужденные на поверхности трубы, распространяются перпендикулярно к ней (продольные ультразвуковые волны). Достигнув стенки, волна отражается обратно, при этом в случае достаточно большой энергии происходит ее многократное отражение между стенками с повторным попаданием в место возбуждения, где они легко регистрируются. По времени и известной скорости распространения волны можно рассчитать толщину стенки трубы.

Этот принцип измерения обеспечивает точечное определение фактической толщины стенки трубы и позволяет использовать как на стороне возбуждения, так и на стороне детектирования различные способы. Ультразвук в ферромагнитной и проводящей электричество трубе можно генерировать электромагнитным бесконтактным способом. При этом ультразвуковая волна возбуждается силами, действующими на атомную решетку материала трубы.

В качестве альтернативного варианта ультразвуковую волну можно возбуждать в трубе с помощью искрового разряда или электроискровой коррозии. Например, катушкой зажигания создается высокое напряжение между одним электродом, расположенным вблизи от измеряемой трубы, и самой трубой (другой электрод). Действующая на трубу искра генерирует на ее поверхности плазму, что приводит к взрывоподобному испарению некоторого количества материала и возбуждению ультразвуковой волны.

Возбуждение ультразвука можно реализовать и с помощью лазерного излучения [7]. По аналогии с принципом искрового разряда посредством высокоэнергетического направленного на поверхность трубы импульсного лазерного излучения генерируется плазма, что также приводит к взрывоподоб-ному испарению некоторого количества материала (в диапазоне нанометра) и возбуждению в трубе ультразвуковой волны. Благодаря направленному лазерному излучению рабочее расстояние можно выбирать практически произвольно. Это позволяет конструировать приборы с рабочими расстояниями 100 и более миллиметров, что требует относительно небольших расходов с точки зрения организации системы охлаждения.

Лазерное пятно на поверхности трубы можно сфокусировать с помощью соответствующей оптики, например, до нескольких миллиметров, что позволяет производить точечное возбуждение ультразвуковой волны и, соответственно, измерение толщины стенки трубы.

Различные способы детектирования ультразвука

Для бесконтактной регистрации отраженного ультразвукового сигнала в основном используются два способа. Первый способ основывается на электромагнитном преобразовании, протекающем в порядке, обратном процессу генерирования ультразвука. Обусловленное распространением ультразвуковой волны движение атомной решетки материала создает в трубе в результате взаимодействия силы Лоренца и внешнего магнитного поля вихревые токи, которые в приемных катушках наводят токи, используемые для детектирования ультразвуковой отражен­ной волны. Для реализации этого эффекта требуются незначительное рабочее расстояние (несколько мм) между трубой и катушкой.

Второй известный способ бесконтактного детектирования ультразвуковой волны в трубе основан на процессах лазерной оценки с использованием эффекта Доплера. Поверхность трубы облучается лазером с меньшей шириной спектральной линии вблизи места возбуждения ультразвуковых волн. Отраженное лазерное излучение с помощью демодулятора, например интерферометра или фотоотражательного кристалла, преобразуется в модулированный по амплитуде сигнал (например, интенсивность светового излучения). В случае отраженного ультразвукового излучения на поверхности трубы происходит его смещение, что в соответствии с эффектом Доплера отражается на рассогласовании частоты отраженного лазерного излучения. На выходе демодулятора (например, интерферометра) измененная длина волны приводит к изменению интенсивности, что используется для детектирования отраженного ультразвукового излучения.

В табл. 2.1 приведены различные измерения с лежащими в их основе эффектами и особенностями. Можно сделать вывод, что способ измерения толщины стенки трубы на основе применения ультразвука, возбуждаемого лазерным импульсом и детектируемого с помощью лазерного доплеровского эффекта, имеет наибольшие преимущества. Компания SMS Meer в течение последних 12 лет принимала активное участие в совершенствовании этого метода измерения. В результате для коммерческого применения был создан одноканальный измерительный прибор Lasus (Laser Ultraschall – лазер-ультразвук).

Таблица 2.1.

Обзор потенциальных способов для определения

толщины стенки трубы в режиме реального времени

с полезным измерительным эффектом и особенностями

Таблица 2.1 (продолжение)

Таблица 2.1 (продолжение)

В новой версии Lasus компании SMS Meer – Lasus Multi-Scan для измерения толщины стенки трубы несколько лазерно-ультразвуковых систем, установленных на общем основании, функционируют параллельно. На современных прокатных агрегатах используют по три-четыре лазерно-ультразвуковые измерительные системы. По сравнению с традиционными способами эти системы обладают существенными преимуществами, о чем свидетельствует приведенный ниже пример трехканальной измерительной системы.

Система Lasus Multi-Scan обладает двумя рабочими состояниями (рис. 2.10). В первом рабочем состоянии все три измерительные головки вращаются вокруг трубы, во втором – три измерительные головки устанавливаются в положении V или анти-Y и вращаются вокруг индивидуальной точки вращения («качание») во время измерения толщины стенки. Измерительная станция может переключаться с одного рабочего состояния на другое до подачи новой трубы. Многократное измерение толщины стенки по окружности трубы происходит в режиме вращения, в результате чего определяются различные характеристики трубы, например эксцентриситет, проявление многоугольного сечения, а также локальная и средняя толщина стенки. В режиме качания, напротив, с высоким разрешением выявляется характер изменения толщины стенки в месте межвалкового зазора рабочей клети.

Рис. 2.10. Система Lasus Multi-Scan в режиме вращения с 3 • ±60° = 360° (крупное изображение), а также в режиме качания с 3 • ±15° (вставка)

Плотность регистрации измеренных значений толщины стенки трубы вдоль угла наклона и связанное с этим разрешение просканированных структур в случае Lasus Multi-Scan варьируется с измеряемым угловым диапазоном (в зависимости от рабочего состояния). Это значит, что угломерная плотность в режиме качания увеличивается в четыре раза по сравнению с режимом вращения. В связи с этим данный режим особенно хорошо подходит для инспекции малых по размерам трубных зон, например межвалкового зазора в клетях.

Лазерные системы позволяют измерять толщину стенки труб с точностью ±0,1 мм (вне зависимости от толщины стенки). Полная интеграция измерительных систем Lasus в концепцию автоматизации компании SMS Меег дает возможность получать идеальные исходные данные для оптимального использования разработанной этой же компанией платформы технологии прокатных станов Carta (Computer Aided Rolling Technology Application – компьютеризованное применение прокатных технологий). Платформа также обеспечивает функцию оптимизации настройки параметров прокатного стана, например регулирование СЕС (СЕС: Crop End Control – контроль обрезки концевого участка), регулирование «sharpening» (PQF) для минимизации утолщенных концевых участков труб и сокращению брака, а также WTCA (Wall Thickness Control Average – средний контроль толщины стенки) и WTCL (Wall Thickness Control Local – локальный контроль толщины стенки) для оптимизации среднего и локального изменений толщины стенки и экономии материала.

Другой проблемой в развитии системы Lasus Multi-Scan является обеспечение высокой степени ее использования. С этой целью в сотрудничестве с изготовителями лазерного оборудования были переработаны и оптимизированы конструкция системы и, особенно, легкость ее применения. Разработаны массивные воронкообразные направляющие для обеспечения лучшей защиты измерительного устройства от возможных ударов с выскакивающими трубами. Направляющие гарантируют принудительную задачу трубы и в случае аварии могут раскрываться. Благодаря улучшенной защите от удара и новой конструкции системы отпадает необходимость в установке защитной кабины. В результате упрощается манипулирование системой и улучшается ее эксплуатационная технологичность. Ниже в краткой форме изложены основные технологические преимущества системы Lasus Multi-Scan:

– локальное измерение толщины стенки, позволяющее обнаруживать местные дефекты трубы;

– сканирование толщины стенки трубы в диапазоне 3600 и высокая частота измерения (100 Гц), гарантирующие полный контроль трубы с высоким разрешением;

– три одновременных измерения толщины, позволяющие определять каждые 10 мс прямым способом локальный эксцентриситет стенки трубы;

– интегрированные датчики светового сечения для определения фактического контура трубы, позволяющие, например, обнаруживать так называемые провалившиеся трубы;

– возможность индивидуальной адаптации программного обеспечения;

– дистанционный доступ для диагностики и обслуживания;

– возможность производить измерение и установку измерительной системы Lasus практически в любом месте производственной линии;

– фактическое измерение толщины стенки с высоким разрешением, отсутствие измерения двойной стенки;

– работающие независимо друг от друга измерительные каналы;

– высокая надежность измерения;

– высокая степень использования, в частности, за счет инновационной конструкции лазерной системы и защиты от удара;

– отсутствие защитной кабины благодаря новой конструкции системы (лучший доступ);

– специальные рабочие состояния для обнаружения проявлений многоугольного сечения и линейных дефектов.

2.1.7. Рекомендуемая литература

1. Осадчий В.Я., Вавилин А.С., Зимовец В.Г., Коликов А.П . Технология и оборудование трубного производства. – М.: Интермет Инжиниринг, 2001. – 608 с.

2. Коликов А.П., Романенко В.П., Самусев С.В. и др . Машины и агрегаты трубного производства. – М.: МИСиС, 1998. – 536 с.

3. Потапов И.Н., Коликов А.П., Друян В.М . Теория трубного производства. – М.: Металлургия, 1991. – 424 с.

4. Кохан Л.С., Морозов Ю.А., Пунин В.И., Мочалов Н.А. Выбор размеров заготовки при формовке труб // Состояние, проблемы и перспективы развития металлургии и обработки металлов давлением: Сб. Трудов МГВМИ и Союза Кузнецов. – М.: МГВМИ, 2004. – вып. 4. – С. 349-357.

5. Данилов Ф.А., Имедадзе В.В., Клемперт Е.Д. и др . Адаптивное управление точностью прокатки труб. – М.: Металлургия, 1983. – 224 с.

6. Морозов Ю.А., Верхов Е.Ю., Шульгин А.В. Моделирование процессов и объектов в металлургии: учебное пособие. – М.: МГОУ, 2010. – 121 с.

7. Хаверкамп М., Зауэрланд М . Лазерное измерение толщины стенки для обеспечения качества бесшовных труб // Черные металлы. – М.: Руда и металлы, 2011. – март 2011. С. 32-37.

8. Волков В. В., Достенко М. А., Тетиор Л. Н . Автоматизация трубопрокатных и трубосварочных станов.– М.: «Металлургия», 1986.–248 с.

9. Ампилагов Г.А., Боброницкий Ю.П. Богоенко И.Н и др . Автоматизация технологических процессов в прокатном производстве . – М.: Металлургия, 1999. – 176 с.

10. Автоматизация прокатных станов: Сб. статей под ред. Тимофеева Б.Б. – М.: Металлургия, 1974. – 276 с.

2.2. Проведение на МТЗ «Филит» циклов занятий по теме: «Автоматизированные системы контроля и управления в производстве сварных труб»

На ОАО МТЗ «Филит» в период с 1 апреля по 30 июня 2011 г. со специалистами завода было проведено два научно-образовательных семинарских занятия в цикле «Автоматизированные системы контроля и управления в производстве сварных труб».

Протокол №1 от 21 апреля 2011 г.

проведения цикла занятий по теме:

«Автоматизированные системы контроля и управления

в производстве сварных труб»

Занятие 1. «Системы и технические средства контроля в производстве сварных прямошовных труб».

Руководители: д.т.н., проф. Шаталов Р.Л.; к.т.н., проф. Верхов Е.Ю.

В программе занятия были освещены вопросы:

1. Контроль качества заготовки, поступающей на участок формовки.

2. Процесс сварки трубной заготовки.

3. Технические средства контроля качества трубы.

По теме семинарского занятия приняло участие 33 человека.

ПРИСУТСТВОВАЛИ:

Профессорско-преподавательский состав кафедры ММиОМД МГОУ

1. д.т.н., проф. Шаталов Р.Л. – зав. кафедрой ММиОМД;

2. к.т.н., проф. Верхов Е.Ю.

Руководители и специалисты ОАО МТЗ «Филит»

1. Копытин В.Д. – директор по технич. развитию;

2. Поклонов Г.Г. – технический директор;

3. Тарасов В.В. – главный инженер;

4. Гричановский Ю.Н. – директор по производству;

5. Крупенченков А.М. – мастер ЭТСЦ-1;

6. Жирнов А.В. – помощник мастера ЭТСЦ-1;

7. Ткаченок В.В. – мастер ЭТСЦ-2;

8. Сидоров А.А. – главный механик;

9. Максимов Л.А. – механик по ремонту электрооборудования ЭТСЦ №1, 2, ЦРиХМ;

10. Голубев Д.П. – инженер по инструменту;

11. Бобров В.Н. – старший мастер по ремонту электрооборудования ЭТСЦ №1, 2, ЦРиХМ;

12. Холявко В.П. – специалист по неразрушающему контролю;

13. Попов П.И. – инженер по техническим средствам;

14. Журавлев А.А. – ведущий специалист по ремонту электрооборудования ЭТСЦ №1, 2, ЦРиХМ;

15. Харламов А.М. – специалист по ремонту электрооборудования ЭТСЦ №1, 2, ЦРиХМ;

16. Дормидошин О.В. – инженер по ремонту 1 электрооборудования ЭТСЦ №1, 2, ЦРиХМ;

17. Гулов А.А. – сменный мастер по ремонту электроборудования ЭТСЦ №1, 2, ЦРиХМ;

18. Макаров А.А. – главный энергетик;

19. Кузьменко А.Н. – мастер по ремонту энергооборудования;

20. Морозов Е.А. – инженер-конструктор проектного отдела;

21. Клестов В.Ф. – директор по качеству и технологии;

22. Маркина Т.А. – начальник ОТК;

23. Нечаев С.Ю. – контрольный мастер ОТК;

24. Фокина Т.А. – ведущий специалист-металловед;

25. Жилкин Е.В. – ведущий специалист-технолог;

26. к.т.н. Манохина Н.Г. – ведущий специалист хим. отдела;

27. Жаренов С.А. – начальник отдела информационных технологий;

28. Гаврилов Р.А. – специалист по маркетингу.

Приглашенные участники

1. к.т.н. Дроздин А.Э. – генеральный директор Всероссийского научно-исследовательского и проектного института систем автоматизации и управления (ВНИПИ САУ-40);

2. д.т.н. Генкин А.Л. – ведущий научный сотрудник института проблем управления (ИПУ РАН);

3. к.т.н., доц. Белелюбский Б. Ф. – служба ИТР ММЗ «Серп и Молот», Московский Государственный вечерний металлургический институт (МГВМИ), каф. Металловедение и обработка металлов давлением (МиОМД).

В самом начале проведения семинарского занятия, проф. Верхов Е.Ю. беглое внимание уделил технологии производства сварных прямошовных труб от пооперационного контроля стальных рулонов, до калибровки готовой трубы и резки ее на мерные длины. Высокое качество продукции определяется правильно подобранными деформационными режимами формовки, а точность геометрических показателей – правильно выбранной шириной штрипса и точностью его резки из широкополосной стали, обеспечиваемой агрегатом продольной резки. И если порезка на штрипс происходит на устаревшем, отработавшем свой нормативный срок оборудовании, с нарушением режимов резания и технологических процессов, то это неизбежно сказывается на качестве конечного продукта.

Контроль качества стальных рулонов, прежде всего, определяется толщиной листа, проверяемой зачастую вручную контактными микрометрами. Данный процесс можно автоматизировать, используя более перспективные бесконтактные толщиномеры, которые можно встроить в технологическую линию, дистанционно отбраковывая рулоны, не прошедшие входной контроль качества. Примером стала демонстрация подобного портативного ультразвукового толщиномера T-Mike EM (США) с последующим сравнением толщины представленных и предварительно замеренных образцов штрипса.

Далее, перейдя к технологии сварки трубной заготовки было отмечено, что качество всего тела трубы в первую очередь будет определяться качеством электросварки представляющей собой оплавление и сплавление между собой продольных кромок штрипса под действием электрического тока. Следовательно, выбор типа электросварки будет определяться ее способностью к соединению данной толщины используемого металла с учетом его химического состава. В качестве примера была приведена организация участка электросварки толстостенных труб Выксунского металлургического завода, с использованием трех- и пятидугового сварочного аппарата.

Однако для труб незначительной толщины до 4,5 мм, производимых на МТЗ «Филит» вполне достаточной является используемая здесь высокочастотная сварка (ТВЧ) с использованием контактных роликов. Обращая внимание на качества сварного шва, было отмечено, что в настоящее время помимо широко используемых ультразвукового или рентгеновского неразрушающего контроля начинают применяться другие, более эффективные методы автоматического контроля.

Данное заявление вызвало активное обсуждение в рядах собравшихся, и Холявко В.П. попросил поподробнее остановиться на сказанном. С разъяснением по данному вопросу выступил проф. Шаталов Р.Л., назвав одним из производителей подобных средств компанию «НКО-Урал», специализирующуюся на контроле в производственных линиях.

Для контроля сварных швов труб наилучшим образом подходит использование метода фазированных решеток , предлагающая электронное сканирование области сварки.

Возможность управления и фокусировки электронного луча уменьшает эффект смещения сварного шва и позволяет приспосабливаться к любой толщине контролируемых труб. Высокая чувствительность позволяет сократить число ложных срабатываний и улучшить повторяемость результатов контроля.

Подобное решение для контроля всего тела трубы вытесняет концепцию большого числа датчиков. Сканирующая головка, без дополнительных механизированных систем, позволяет этой системе соответствовать новым промышленным стандартам для обнаружения не только продольных и поперечных, но и разноориентированных дефектов, расслоений, а также осуществлять измерения толщины стенки.

Другим методом контроля электросварных труб является использование вихретоковых матриц , включающих в себя устройство магнитного насыщения постоянного тока, обеспечивающее максимальную чувствительность и покрытие области контроля. Использование сегментированных матриц позволяет при помощи одного датчика контролировать трубы различных диаметров.

Доклад на данную тему сопровождался показом слайдов с использованием мультимедийного проектора. Были представлены технические схемы указанных средств автоматического контроля, принцип действия и фотографии действующих трубоэлектросварочных станов оборудованных подобными сканирующими системами.

Протокол №2 от 26 мая 2011 г.

проведения цикла занятий на тему:

«Автоматизированные системы контроля и управления

в производстве сварных труб»

Занятие 2. «Методы управления геометрической точностью в производстве сварных труб».

Руководители: д.т.н., проф. Шаталов Р.Л.; к.т.н., доц. Алдунин А.В.

В программе занятия были освещены вопросы:

1. Деформации, испытываемые металлом при формовке его в трубу.

2. Влияние режимов обжатия в отделочной операции редуцирования трубы на ее геометрические размеры.

3. Изменение геометрических размеров трубы при волочении.

По теме занятия приняло участие 33 человека.

ПРИСУТСТВОВАЛИ:

Профессорско-преподавательский состав кафедры ММиОМД МГОУ

1. д.т.н., проф. Шаталов Р.Л. – зав. кафедрой ММиОМД;

2. к.т.н., доц. Алдунин А.В.;

3. к.т.н., доц. Морозов Ю.А.

Руководители и специалисты ОАО МТЗ «Филит»

1. Копытин В.Д. – директор по технич. развитию;

2. Корягина С.В. – начальник службы управления персоналом;

3. Тарасов В.В. – главный инженер;

4. Гричановский Ю.Н. – директор по производству;

5. Стадник Н.В. – начальника ЭТСЦ-1;

6. Рябинин Е.М. – старший мастер ЭТСЦ-1;

7. Крупенченков А.М. – мастер ЭТСЦ-1;

8. Кулютин С.А. – помощник мастера ЭТСЦ-2;

9. Сидоров А.А. – главный механик;

10. Максимов Л.А. – механик по ремонту электрооборудования ЭТСЦ №1, 2, ЦРиХМ;

11. Богданов А.Ф. – заместитель главного механика ПМУ;

12. Арен Э.А. – механик по ремонту оборудования ЭТСЦ №1, 2, ЦРиХМ;

13. Идесис В.Г. – ведущий специалист по инструменту;

14. Голубев Д.П. – инженер по инструменту;

15. Хомюк А.В. – заместитель гл. инженера – главный электрик;

16. Автономов М.И. – специалист по ремонту и наладке систем автоматического управления;

17. Попов П.И. – инженер по техническим средствам;

18. Сергеев Н.А. – специалист по КИПиА;

19. Белов Д.В. – специалист по ремонту электрооборудования ЭТСЦ №1, 2, ЦРиХМ;

20. Дормидошин О.В. – инженер по ремонту 1 электрооборудования ЭТСЦ №1, 2, ЦРиХМ;

21. Демин А.И. – инженер по надзору и охране труда;

22. Морозов Е.А. – инженер-конструктор проектного отдела;

23. Стрельникова С.А. – контрольный мастер ОТК;

24. Фокина Т.А. – ведущий специалист-металловед;

25. Фурсов Н.И. – начальник отдела стандартизации и технологии;

26. к.т.н. Манохина Н.Г. – ведущий специалист хим. отдела;

27. Срукова Н.Г. – инженер-технолог;

28. Жаренов С.А. – начальник отдела информационных технологий.

Приглашенные участники

1. д.т.н., проф. Самусев С.В. – Московский институт сталей и сплавов (МИСиС);

2. к.т.н., доц. Шульгин А.В. – МГВМИ, каф. МиОМД.

Начав доклад, доц. Морозов Ю.А. ознакомил присутствующих со схемами напряжений и деформаций, имеющих место в каждом процессе обработки металлов давлением. При этом он подчеркнул, что согласно условию постоянства объема, оказываемая на заготовку внешняя деформация (формоизменение под действие внешних сил) обязательно будет компенсироваться внутренней деформацией металла, приводящей к некоторому изменению геометрии готового изделия и, как следствие, к вынужденной настройке технологического оборудования. Поэтому использование определенных математических зависимостей позволяет оценить уровень деформации и обеспечить требуемые размеры и даже их регулирование в определенных пределах подбором геометрии деформирующего инструмента и режимов обработки.

В качестве иллюстрации к сказанному была представлена презентация, содержащая схему формовки трубной заготовки, а также методика расчета напряжений и деформаций. Было показано, что сворачивание штрипса сказывается на увеличении его ширины, приводящей к некоторому уменьшению толщины стенки.

Дальше выступление продолжил доц. Алдунин А.В., доклад которого касался калибровочных станов для отделки труб. Он отметил, что многоклетевые станы продольной прокатки непрерывного типа позволяют расширить сортаментные возможности в сторону получения труб меньшего диаметра.

В зависимости от принятого режима работы процесс может протекать с увеличением или уменьшением толщины стенки, что является ярким примером возможностью управления деформацией и оптимизацией маршрута прокатки, обеспечивающей стабильность качества, в том числе структуры деформированного металла и высокую производительность даже для труднодеформируемых материалов.

Внимание присутствующих было обращено на то, что в стенке трубной заготовки одновременно действует два различных компонента деформаций: обжатие в валковой клети приводит к осаживанию и утолщению стенки; натяжение в межклетевом промежутке, являющееся следствием обжатия, растягивает трубу в длину, тем самым уменьшая толщину стенки. Таким образом, управляя интенсивностью обжатия, натяжения и регулируя величину контактного трения в итоге можно получить трубы одного диаметра с различной толщиной стенки.

Наличие комплексной автоматизации трубоэлектросварочного стана позволяет направлять в информационный блок управления сигналы от соответствующих датчиков, например, нажимного устройства каждой рабочей клети и бесконтактных измерителей толщины. В результате сравнения сигналов с заданным алгоритмом и логической обработки информации по обратной связи осуществляется управление процессом редуцирования.

Идесис В.Г. поднял вопрос о натяжении трубы в процессе прокатки: – «Объясните поподробнее о взаимосвязи обжатия и натяжения, и механизм образования натяжения?». Данный вопрос был поддержан присутствующими Голубевым Д.П и Сергеевым Н.А.

С ответом на вопрос выступил доц. Морозов Ю.А. заявивший, что натяжение в межклетевом промежутке является следствием различия тянущих усилий соседних клетей: обжатие трубы впоследствии создает тормозящее действие, а рассогласование режима прокатки в сторону увеличения окружной скорости валков последующей клети увеличивает тянущее усилие, чему препятствует предыдущая клеть. Построенный таким образом маршрут обжатий обеспечивает прокатку трубы с регулируемым натяжением.

Продолжая тему занятия, доц. Морозов Ю.А. отметил, что с целью обеспечения высокоточных размеров трубы или для удаления оставшегося наружного грата на заводе также используется волочильное оборудование.

В проходящей через волоку трубной заготовке параллельно идут два процесса – изгиб трубы в конусе волоки и ее обжатие под действие усилия волочения. Фактически, труба растягивается под действием тянущего усилия, однако в процессе своего обжатия она испытывает деформацию осадки, следствием которой будет ее утолщение. Подобное изменение толщины всегда наблюдается при безоправочном волочении.

На вопрос Стрельниковой С.А.: – «имеются ли какие методики расчета увеличения толщины стенки трубы при волочении?», доц. Морозов Ю.А. ответил, что профессором Московского Государственного вечернего металлургического института Коханом Л.С. создана математическая теория изменения толщины листового металла, которая с успехом находит свое применение и для процессов безоправочного волочения. Соответственно при этом обращается внимание на геометрию рабочего канала волоки и на величину контактного трения, изменением которых можно также управлять точностью производства сварных труб.