Совершенствование процессов и машин для изготовления холоднопрофилированных труб на основе моделирования очага деформации (стр. 1 )

На правах рукописи

ПАРШИН СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ И МАШИН ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ХОЛОДНОПРОФИЛИРОВАННЫХ ТРУБ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ОЧАГА ДЕФОРМАЦИИ

Специальность 05.03.05 - Технологии и машины обработки давлением

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Екатеринбург

2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет – УПИ им. первого Президента России .

Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
доктор технических наук, профессор
доктор технических наук, профессор
Ведущая организация:	ГОУ ВПО Южно - Уральский государственный университет

Защита состоится 20 ноября 2009г. на заседании диссертационного совета Д.212.285.10 при ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ им. первого Президента России », 9, в 14 час.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского государственного технического университета – УПИ им. первого Президента России .

Автореферат разослан «_____» ___________________ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современным требованиям энерго - и ресурсосбережения отвечают изделия, которые обеспечивают лучшее соотношение экономического эффекта от их применения к стоимости производства и эксплуатации. К их числу относятся профильные трубы, имеющие некруглое поперечное сечение и обладающие пониженной металлоемкостью, рациональной формой, изготовленные из материалов, наиболее точно отвечающих требованиям эксплуатации. Применение этих изделий в различных отраслях машиностроения, строительстве, металлургии, нефтяной и газовой, аэрокосмической отрасли, атомном машиностроении, производстве теплообменных аппаратов, высокочастотной аппаратуры, и др. обеспечивает получение значительного технического и экономического эффекта. Потребности промышленности приводят к необходимости расширения типоразмерного ряда освоенных видов труб, более широкого применения для их производства материалов, обладающих повышенными механическими свойствами, растет потребность в изготовлении ранее неосвоенных видов профильных труб. Для известных в производстве типов профильных труб требуется углубленное исследование процесса с целью расширения сортамента, определения рациональной формы рабочего инструмента, а также установления влияния на процесс изготовления материалов, ранее не применявшихся для производства таких труб. Сказанное выше относится и к изготовлению новых видов профильных труб. Основными проблемами при получении профильных труб являются недостаточная точность трубного профиля и необходимость учета упругой деформации, а также возникновение разрушения труб из малопластичных материалов непосредственно в процессе профилирования или при их нормальной эксплуатации.

Объектом изучения в работе выбраны профильные трубы, процесс деформации которых протекает путем изгиба стенки трубы. Это позволяет для исследования использовать единые методические подходы. Вместе с тем, даже для таких типов труб величина и направление деформации стенки отличаются, что определяет особенности того или иного очага деформации, причем рабочие нагрузки, вызывающие деформации, также могут быть различными. В настоящее время не существует единого методического подхода к построению всей гаммы моделей для исследуемых типов профильных труб.

Указанные особенности приводят к необходимости создания методики построения геометрических и математических моделей процессов профилирования труб и разработке компьютерной базы данных, позволяющей производить оперативное построение или выбор необходимой модели профилирования. Требуется также параметрический анализ процесса, отвечающий целям, которые ставит производство профильных труб. Существующие процессы профилирования, рабочий инструмент и устройства необходимо совершенствовать и разрабатывать новые технологические решения с целью повышения эффективности процессов и качества труб, отвечающего требованиям потребителей. Потребность в решении указанных выше задач определяет актуальность темы работы.

Работа выполнена в соответствии с комплексным планом научно-исследовательских работ ГОУ ВПО УГТУ – УПИ по темам «Теоретические основы разработки новых процессов и машин, обеспечивающих повышение уровня конкурентоспособности производимых изделий», «Разработка теоретических основ технологий и оборудования, обеспечивающих производство новых видов металлопродукции», а также 9 хозяйственными договорами с Татарским научно-исследовательским и проектно – конструкторским нефтяным институтом (ТатНИПИнефть) по созданию технологии и оборудования для получения профильных перекрывателей. Перекрыватели подобного типа применены при бурении более 1200 скважин на нефтяных месторождениях
Урало-Поволжья, Восточной и Западной Сибири и др.

Цель диссертации. Целью работы является совершенствование процессов и машин для изготовления холоднопрофилированных труб на основе создания общей методики моделирования этих процессов, разработка базы данных широкого класса моделей, исследование ряда конкретных процессов профилирования, представляющих большой интерес для важных отраслей промышленности, проведение экспериментов по оценке точности моделей, и создание новых технических решений по реализации процессов профилирования труб.

Задачи исследования.

1. Разработка общего метода построения в компьютерной среде корректных геометрических моделей очагов деформации, применимых для выбранных классов профильных труб.

2. Создание компьютерной базы данных геометрических моделей выбранных видов профильных труб, в том числе с продольным и винтовым профилированием, труб специального назначения и многопереходных процессов продольного профилирования.

3. Разработка математического описания очагов деформации выбранных классов труб при холодном профилировании с учетом их геометрии и механических свойств металла, а также с учетом упругой деформации трубного профиля. Для многопереходных процессов требуется учет пластической неоднородности металла.

4. Выполнение анализа влияния параметров процесса профилирования, в том числе относительной толстостенности заготовки и трения на контактной поверхности на формоизменение, напряженное и деформированное состояние и поврежденность металла, энергосиловые параметры процессов, точность размеров труб, а именно:

-для продольно профилированных на примере прямоугольных и квадратных труб изучить влияние особых режимов приложения рабочих нагрузок;

-для винтовых труб изучить влияние операции кручения, выбрать рациональную поперечную форму профиля, позволяющую получить равномерное распределение по его сечению поврежденности, исследовать изменение формы поперечного сечения и размеров трубы с целью корректировки размеров заготовки;

-для профильных экспандируемых труб найти рациональную форму профиля, позволяющую после выправления трубы в скважине иметь наиболее равномерное и минимальное по сечению значение поврежденности и рациональные параметры рабочего инструмента, а также определить параметры процесса при раздаче цилиндрических концов труб роликовым инструментом; исследовать процессы получения чехловых и винтовых граненых труб;

-для многопереходных процессов на примере многолучевых, овальных и прямоугольных труб с большим отношением сторон профиля, определить влияние количества переходов на распределение механических свойств материала, неоднородность деформаций по сечению трубы, а также поврежденность металла.

5. Выполнить комплексные экспериментальные исследования процессов профилирования труб, включающие изучение формоизменения труб, определение влияния параметров процесса на геометрию получаемых изделий и энергосиловые параметры, определение размеров и формы очага деформации и готовых труб лазерным и светоотраженным сканированием, изучить деформированное состояние металла.

6. Определить рациональную форму рабочего инструмента для волочения профильных труб, позволяющую при ее использовании повысить стойкость и упростить его изготовление.

7. Разработать и защитить патентами новые технические решения, позволяющие повысить эффективность процесса профилирования и качество труб, предложить новый инструмент и устройства для профилирования, а также создать техническое задание на проектирование нового стана с расширенными технологическими возможностями.

Научная новизна:

1. Разработана общая методика построения геометрических моделей процессов изготовления широкого класса профильных труб, создана на этой основе база данных очагов деформации и разработана математическая модель процессов холодного профилирования, которые, в совокупности, позволяют находить формоизменение труб, компоненты напряженно – деформированного состояния металла в очаге деформации, прогнозировать его поврежденность, определять энергосиловые параметры, устанавливать рациональные схемы приложения рабочих нагрузок, разработать рекомендации по совершенствованию существующих и эффективному применению новых процессов и устройств для изготовления профильных труб, обладающих необходимым для потребителей уровнем качества.

2. Разработана методика определения рационального профиля поперечного сечения труб при последовательной двукратной деформации для случая волочения и кручения, а также профилирования роликами и раздачи конусом, применение которой позволяет получить равномерно распределенную по сечению и наименьшую поврежденность металла, выполнить поиск конфигурации катающей поверхности роликов, обеспечивающей наиболее равномерное распределение давления на контакте роликов и металла.

3. Предложена математическая модель процесса раскатки концов труб цилиндрическими роликами, позволяющая определить деформационные и силовые условия процесса, поврежденность металла, установить влияние дробности деформации на пластичность металла.

4. Создана математическая модель процессов многопереходной деформации, изучено волочение многолучевых, овальных и прямоугольных труб с большим отношением сторон профиля за несколько переходов без промежуточных отжигов.

5. Разработана модель для определения рациональных геометрических параметров продольного и поперечного сечения профильных волок и проектирования инструмента для их изготовления.

Практическая значимость работы

1. Разработана база данных, примененная при моделировании реальных процессов, а также обобщенный алгоритм конечно-элементного описания, позволяющий систематизировать процесс моделирования на основе параметризованных записей базы данных по процессам профилирования.

2. Разработаны модели процессов профилирования труб многогранного сечения волочением и кручением, что позволило предложить параметры инструмента и профиля трубы, и установить рациональные схемы приложения рабочих нагрузок, которые, в свою очередь, предоставили возможность снижения протяженности рабочего цикла профилирования путем исключения промежуточных этапов термообработки, а также профилирования труб из малопластичных материалов и, в необходимых случаях, повышения их точности.

3. Рассмотрены процессы профилирования труб – профильных перекрывателей нефтяных и газовых скважин, исследована раздача цилиндрических концов труб, их применение позволяет получить значительный технический и экономический эффект.

4. Рассмотрено получение труб-заготовок для производства забойных гидродвигателей с гипо - и эпитрохоидным профилем, процесс получения чехловых труб. Установлены рациональные параметры технологического процесса их получения, даны рекомендации по изготовлению труб повышенной точности.

5. Рассмотрено многопереходное профилирование многолучевых и овальных труб волочением, а также волочение прямоугольной трубы с большим отношением сторон. Выдвинуты предложения по рациональному ведению процесса, в частности, с целью повышения точности готового профиля.

6. Предложена процедура поиска конфигурации технологического инструмента для обработки рабочего канала волоки для многопереходных процессов, разработано техническое задание на проектирование стана для производства винтовых труб кручением, приведен ряд высокоэффективных технических решений. Новизна предложенного инструмента и устройств подтверждается 12 патентами РФ и наградами Евро-азиатской промышленной выставки, Екатеринбург, 2005 (серебряная медаль), и выставки Евразия-Машпром, Екатеринбург, 2006 (золотая медаль).

Реализация работы

Созданная модель процесса профилирования многолучевых труб, разработка рациональной формы поперечного сечения при двустадийном профилировании использованы институтом «ТатНИПИнефть» в расчетах и при отработке процессов получения профильных перекрывателей, которые применены для изоляции зон осложнений при бурении нефтяных скважин.

База данных процессов профилирования труб, методика расчетов параметров очага деформации и рабочего инструмента использована группа «Каркас» в расчетах процесса профилирования труб прямоугольного сечения из коррозионностойкой стали, что, при освоении производства промышленных партий таких труб, позволяет повысить их качество.

Методика моделирования процесса формоизменения труб при профилировании использована трубный завод» и трубный завод» для повышения эффективности применения методов профилирования, а также внедрения новых производственных технологий. По данным трубных заводов, экономический эффект от использования этих разработок составляет 135..190 тыс. руб. на один типоразмер труб. Разработано техническое задание на проектирование стана для кручения труб с рассчитанным экономическим эффектом, составляющим 3,7 млн. руб.

Научно – методические результаты, полученные в диссертационной работе, внедрены в учебный процесс кафедры «Металлургические и роторные машины» ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет им. , и используются при проведении занятий по дисциплине «Проектирование металлургических машин и оборудования», «Пакеты прикладных программ», «Автоматизированное проектирование», «Программное обеспечение САПР», в курсовом и дипломном проектировании.

Апробация

Результаты работы доложены и обсуждены на: Всероссийской научно-технической конференции «Энерго- и ресурсосбережение», Екатеринбург, 2000; Всероссийской научно – технической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения акад. , Москва, 2004; 1-я Российская конференция по трубному производству «Трубы России – 2004», Екатеринбург, 2004; V Всероссийская научно – практической конференции «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве». Новокузнецк, 2005; IV Международная научно – технической конференции «Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах, Череповец, 2005; Международная научно – техническая конференция «Современные достижения в теории и технологии пластической обработки металлов»: СПб, 2005; At the 7-th International Scientific and Technical Conference “The Plastic Deformation of Metals” (Ukraine, Dnipropetrovsk, 2005); Всероссийская научно – практическая конференция «Графические коммуникации в технике и дизайне», Тюмень, 2006; Международная научно – техническая конференция «Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии», Липецк, 2006; Четвертая международная научно-методической конференция ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, Екатеринбург, 2007; VI Всероссийская научно – практическая конференция «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве», Новокузнецк, 2007; Пятая международная научно-методическая конференция «Новые образовательные технологии в вузе (НОТВ-2008)», Екатеринбург, 2008; 1ая Международная научная конференция «Проблемы геометрического моделирования в автоматизированном проектировании и производстве», Москва, 2008; XII Всероссийская научно - практическая конференция "Металлургия: технологии, управление, инновации, качество", Новокузнецк, 2008;

Публикации: По материалам диссертации опубликовано 55 печатных работ, в том числе 19 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 1 монография, получено 12 патентов на изобретения РФ.

Объем и структура работы: Диссертация состоит из введения, 6 разделов, заключения и списка литературы из 216 наименований. Работа содержит 332 страницы, включая 115 рисунков, 9 таблиц и 6 приложений.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели работы, указаны ее научная и практическая значимость, и приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе работы рассмотрено современное состояние процессов производства профильных труб, приведена их классификация по основным признакам. В качестве объекта исследования определены те из них, которые могут быть получены путем деформации стенки без изменения ее толщины. Среди них выбраны трубы, являющиеся наиболее характерными представителями указанных классов. К таким относятся трубы с продольным и винтовым профилированием, а также некоторые виды труб специального назначения.

Изучено современное состояние технологии производства и машин, а также методов исследования напряженно – деформированного состояния таких видов труб. Большой вклад в исследование внесли , , , , -Аляев, , и др. На этой основе выполнена постановка задач исследования и совершенствования процессов и машин и разработки новых технических решений.

Во втором разделе разработана методика моделирования процессов профилирования, охватывающая выбранные классы труб. Использован системный принцип построения решений, включающий описание входа и выхода системы очага деформации, обратной связи, и на этой основе, предложена процедура корректировки элементов системы.

Функциональное и морфологическое описания системы представлены в виде множеств:

; ,

(1)

где Т – множество моментов времени; x – множество мгновенных входных воздействий; С – множество допустимых входных воздействий; Q – множество состояний; y – множество входных величин; - переходная функция состояния; h - выходное отображение; = - множество элементов подсистем и их свойств: вещественных, энергетических и информационных; - множество связей; - структура; k – композиция.

Функциональное описание использовано при построении алгоритмов решения задач. Морфологическое описание выполнено на основе трехуровневой параметризации. Первый уровень включает объектную параметризацию, второй уровень – размерную параметризацию, а третий – параметризацию по граничным условиям. Аналоговое описание объемного очага деформации выполнено с использованием внутреннего языка программирования APDL. На основе определяющих признаков сформирована открытая база данных выбранных моделей, содержащая записи 20 моделей процессов, и позволяющая параметризовать процедуру получения моделей конкретных процессов.

Пример записи базы данных, содержащей геометрическую модель для многопереходного процесса профилирования, приведен на рис.1. Поскольку рассматриваемые разновидности очага деформации при профилировании имеют сложную пространственную форму, то их аналоговое описание может быть выполнено, например, на основе аналитических функций. Однако численная реализация такой схемы представляется в настоящее время малоэффективной, поэтому необходимо использовать приближенные методы решения. С этой целью разработан обобщенный алгоритм конечно-элементного описания (рис. 2), основанный на использовании процедуры с обратной связью, включающий адаптацию описания по результатам расчетов. На этой же основе может быть выбран рациональный профиль рабочего инструмента или получаемого изделия с использованием наперед заданных критериев.

1. ПОЛУЧЕНИЕ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ТРУБ С БОЛЬШИМ СООТН. СТОРОН
1. Оправка – наличие	þ	2. Ролики – наличие	¨
Профиль оправки	þ	Количество роликов
Подвижность оправки	¨	Профиль роликов	¨
Вращение оправки	¨	Угол поворота роликов
Поступательн. движение оправки	¨	Наличие привода роликов	¨
Наличие привода оправки	¨
3. Приложение усилия к трубе	þ	5. Схема процесса
К переднему сечению трубы – протягивание	þ
К заднему сечению трубы – проталкивание	¨
Протягивание с подпором	¨
Протягивание с противонатяжением	¨
Проталкивание с противодавлением	¨
4. Волока - наличие	þ
Многопроходное волочение	þ

Рис. 1. Пример записи схемы очага деформации (база данных).

Поскольку существующие системы конечно – элементных расчетов являются, как правило, открытыми и настраиваемыми для решения класса конкретных задач, то для выбора опций решения следует задать уравнения, адекватно описывающие исследуемый процесс. Использована такая математическая модель (система определяющих уравнений), которая обладает рядом необходимых признаков, среди которых отметим: учет упрочнения материала, поддержку функционирования принятой модели трения, нахождение перемещений, деформаций и напряжений, как в пластической, так и в упругой зоне, определение давления металла на инструмент.

Рис. 2. Схема обобщенного алгоритма расчета процессов профилирования труб.

Кроме того, требуется нахождение инвариантов напряженного и деформированного состояния, вычисление главных напряжений, а также поддержка работы постпроцессора определения поврежденности металла. Эти параметры необходимо отслеживать по траекториям движения частиц металла на всем пути деформирования.

Следовательно, математическая модель, соответствующая выбранной трехмерной геометрической модели должна позволять находить 15 неизвестных: перемещения Ux, Uу, Uz, напряжения σx , .. , τzx и деформации εx , .. , γzx, а также необходимые инварианты напряженного и деформированного состояния, в частности, интенсивность напряжений , интенсивность касательных напряжений , гидростатическое давление, определяемое по формуле σ = (σ1+σ2+σ3)/3, и показатель напряженного состояния K = σ/Т.

Закон деформации за пределами упругости в деформационной теории пластичности обычно принимают в виде:

σi=E (1-) εi,

(2)

где =f (εi) – функция интенсивности деформации, отличная от нуля только в области пластических деформаций.