Процесс и инструменты для оребрения труб лентой

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

В последние годы особенно быстрыми темпами развиваются такие отрасли промышленности, как химическая, нефтеперерабатывающая, производство минеральных удобрений, транспортировка и переработка газа, что обусловило большую потребность в аппаратах воздушного охлаждения (АВО), предназначенных для охлаждения технологических сред и аппаратуры.

Увеличение объема производства АВО до требуемых народным хозяйством масштабов возможно только на базе прогрессивной технологии их изготовления.

В принятом Постановлении Совета Министров СССР от 26 июля 1974 года № 603 «О дополнительных мероприятиях по выполнению Директив ХХ1У съезда КПСС по развитию производства минеральных удобрений и сырья для них в 1975 году» перед министерствами химического и нефтяного машиностроения и станкостроительной и инструментальной промышленности СССР поставлена, в частности, задача по созданию принципиально новых процессов оребрения труб для АВО и станочного оборудования для этих целей.

Необходимость еще более резкой интенсификации производства АВО вытекает от решений ХХУ1 съезда КПСС /I, 2/, который определил программу строительства магистральных газопроводов в СССР на одиннадцатую и двенадцатую пятилетки.

Одним из перспективных направлений в технологии оребрения труб является метод оребрения лентой с завальцовкой в винтовой канавке на поверхности трубы, который, наряду с расширением эксплуатационных возможностей и повышением эффективности работы аппарата, позволяет снизить на 20% металлоемкость трубных секций по сравнению с существующим способом поперечно-винтового накатывания ребер.

Поэтому создание нового процесса оребрения на базе применения высокопроизводительных инструментов и стандартных исходных заготовок является актуальной научно-технической проблемой, решение которой значительно расширяет область применения АВО и создает условия широкого внедрения металлосберегающей технологии в производстве теплообменных труб.

Особенность процесса характеризуется взаимодействием звеньев технологических пар «инструмент-заготовка» в едином процессе оребрения трубы. Именно эта совокупность всех стадий процесса: формообразование винтовой канавки, формообразование винтовых ребер с укладкой их в канавку и механическое соединение ребер с трубой определяют принципы проектирования оборудования, его инструментальную оснащенность, кинематику процесса, энергосиловые параметры.

Учитывая валкость инструментального обеспечения процесса, было необходимо создать научно обоснованную систему расчета и проектирования инструментов, позволяющих реализовать данный процесс, что и определило цель настоящей работы.

Диссертационная работа базируется на ряде научно-исследовательских работ, выполненных во БНИИПТХимнефтеаппаратуры в период 1970;1978 гг. под руководством или с участием автора и направленных на создание процесса, инструментов и оборудования для оребрения труб лентой.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Изучить и обосновать возможность создания нового трехетадийного процесса оребрения труб лентой, сочетающего три самостоятельных, технологически предпочтительных метода обработки — накатывание на трубе винтовой канавки комплектом кольцевых роликов, формообразование винтовых витков из плоской ленты и заделку их в винтовой канавке закатывающими инструментами. Обосновать комплекс научных положений по проектированию инструментов, обеспечивающих реализацию нового процесса.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. Работа выполнялась теоретическими и экспериментальными методами исследований процесса и инструментов, работающих в условиях кинематически согласованного взаимодействия на стадиях оребрения. Экспериментальное обеспечение работы базировалось на применении специально спроектированного оборудования для исследований с возможностью тензометрирования, применении стандартной измерительной и регистрирующей аппаратуры. Закономерности основной стадии процесса изучались с применением регрессионного анализа при изменяемых конструктивных и технологических факторах воздействия на изучаемый объект. Обработка результатов и их анализ выполнены с применением математической статистики и ЭВМ.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Методами теоретического и экспериментального исследования обоснована возможность создания нового трехста-дийного процесса оребрения труб лентой, в котором объединены, путем определения и согласования кинематических и энергосиловых параметров, три эффективных метода обработки — накатывание на длинномерной полой заготовке винтовой канавки комплектом кольцевых роликов, формообразование специальными деформирующими инструментами винтовых ребер из плоской ленты и заделки их в канавке закатывающими дисками. Для рассматриваемого процесса определены граничные условия и формализованы закономерности, связывающие основные конструктивные и установочные параметры применяемых комплектов инструментов с энергосиловыми параметрами процесса, характером деформации при накатывании трубчатой длинномерной заготовки и при формообразовании ребер винтового типа, что в совокупности позволило создать обоснованную систему расчета и проектирования инструментов для данного и подобных процессов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. Результаты исследований использованы при разработке нового процесса оребрения труб лентой, инструментов и станочного оборудования для этих целей.

Это позволило создать технологические возможности для массового изготовления труб с завальцованным оребрением, ранее не выпускавшихся отечественной промышленностью.

Результаты исследований могут быть использованы при дальнейшем развитии предложенного и подобных вариантных процессов и инструментов, а также при проектировании и эксплуатации резь-бонакатных инструментов для накатывания на полых заготовках.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты исследований легли в основу разработки нового процесса оребрения труб лентой и инструментов для его осуществления, использованы ВНИИПТХимнефте-аппаратурой для разработки обоснованных технических заданий на проектирование станков ГД81, ГД99, ГД99А и автоматизированной линии ГД109, а Лен. ОКБ АРС — при их проектировании. Станки серии ГД и автоматизированная линия ГД109, в соответствии с приказом Мин-станкопромах, изготовлены Гомельским станкозаводом им. Кирова. Процесс, инструменты и станочное оборудование, внедренные на Борисоглебском заводе химического машиностроения, позволили освоить производство труб с ленточным завальцованным оребрением для аппаратов воздушного охлаздения. ВНИИНЕФТЕМАШем (г.Москва) на основе.

Приказ министерства станкостроительной и инструментальной промышленности СССР № 280 от 26 августа 1974 года «О поставке оборудования предприятиям Минхиммаша» внедренного нового процесса и утвержденных временных ТУ «Трубы, оребренные алюминиевой лентой» внесены соответствующие дополнения в ОСТ 26−02−1521−77 по оребрению труб методом формообразования ребер из ленты с последующей закаткой их в винтовой канавке.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на Всесоюзном научно-техническом совещании по внедрению передовых методов обработки в химическом и нефтяном машиностроении (г.Волгоград, октябрь 1972 г.), на IX научно-технической конференции ВНИИПТХимнефтеаппаратуры (г.Волгоград, апрель 1974 г.), на научной конференции в Волгоградском политехническом институте (февраль 1984 г.), а также докладывались на научно-технических советах ВНИИПТХимнефтеаппаратуры и заседаниях кафедры инструментального производства Московского ордена Трудового Красного Знамени станкоинструментального института в период 1979;1983 годов.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ. Разработанные процесс, инструменты и оборудование защищены шестью авторскими свидетельствами СССР на изобретения.

Задача объединения в едином процессе трех самостоятельных стадий до настоящего времени не была решена. Оценивая возможность реализации нового процесса, можно отметить, что он может быть осуществлен только при условии решения проблемы инструментального обеспечения стадий, для чего необходимо разработать систему расчета инструментов, учитывающую особенности трехстадийного процесса, геометрические и физико-механические свойства материалов исходных заготовок.

В первую очередь, как составную часть всей системы, необходимо разработать методику расчета и проектирования инструментов для накатывания винтовой канавки без изменения рабочих размеров трубы. Естественно, что проведение исследований и работ в этом направлении базируется на созданных научных основах инструментального производства в целом, основоположниками которого являются: И. И. Семенченко, В. М. Матюшин, В. С. Люкшин, Г. Н. Сахаров, С. П. Карцев, Ю. В. Цвис, А. Я. Малкин и другие.

Значительные данные теоретического и экспериментального характера были получены из проведенных, в последующие годы, серьезных работ, направленных на теоретическое развитие инструментальной проблематики Т. А. Султанова, А. Н. Малова, М. И. Басова, К.П.Ста-ева, В. И. Загурского, В. Г. Дейнеко, Ф. П. Кирпичникова, М.В.Василь-чикова, М. М. Волкова, И. М. Шифа и других.

В процессе дальнейшего развития теории проектирования инструментов было принято во внимание, что создание системы расчета роликов для накатывания на полых длинномерных заготовках необходимо базировать на изучении упруго-пластического состояния сечения заготовки, для чего потребовалось привлечение теории обработки металлов давлением, теории прокатки. В связи с этим возникла необходимость использования в работе материалов исследований таких крупных специалистов в данной и сопряженной областях, как А. И. Целикова, В. С. Смирнова, П. К. Тетерина, М. В. Сторожева и Е. А. Попова, Е. Н. Мошнина, А. А. Ильюшина, Ю. Г. Проскурякова.

Нельзя не отметить, что к моменту начала исследований и разработки процесса оребрения труб лентой отечественная промышленность по существу не располагала данными ни научного, ни практического характера. Этим можно объяснить то, что в диссертации значительное внимание уделяется анализу патентов, материалов фирм и образцов из закупленных по импорту аппаратов.

Анализ современного состояния проблемы и поставленная в работе цель определили, как главные, следующие этапы её осуществления: разработку нового процесса оребрения труб лентой на базе современной инструментальной оснащенностиисследование нового процесса оребрения и инструментовразработку научно обоснованной системы проектирования инструментов, обеспечивающих реализацию процесса.

Диссертация состоит из введения, шести разделов (глав) и общих выводов (что составляет 142 страницы машинописного текста, 48 рис., 12 табл.), а также списка основной использованной литературы из 106 наименований и четырех приложений.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Анализ литературных, патентных материалов, а также мирового промышленного опыта по оребрению труб лентой показывает, что наиболее предпочтительным может быть процесс, основанный на сочетании накатывания на длинномерной трубе винтовой канавки приводными накатными роликами, формообразования винтовых витков из плоской ленты деформирующими инструментами, завальцовке навитой ленты в винтовой канавке на трубе.

Однако известные научные данные в области резьбонакатывания и других сопряженных методов обработки не позволяют реализовать такой высокопроизводительный процесс, что обосновывает необходимость проведения соответствующих исследований процесса и инструментов, работающих в рассматриваемых условиях.

2. Определено, что для сочетания в едином новом процессе трех самостоятельных процессов необходимо:

2.1. Определить взаимосвязь конструктивных элементов накатных инструментов с условиями, позволяющими вести процесс накатывания без изменения рабочих размеров трубы.

2.2. Обосновать конструкцию и параметры взаимной установки инструментов для формообразования винтовой ленты.

2.3. Изучить и формализовать влияние конструктивных элементов инструментов на возникающие в процессе накатывания силы и крутящие моменты.

2.4. Изучить условия, обеспечивающие синхронность работы в едином процессе инструментов при накатывании канавки, навивке ленты и её завальцовке.

3. Дано научное обоснование и формализована методика выбора основных конструктивных элементов накатных инструментов первой стадии нового процесса — формообразования винтовой канавки: а) установлено, что минимальное число ниток заборной части инструмента должно определяться с учетом максимально допустимой упругой деформации трубы /см.(3.22)/ и соответствующей ей величиной деформируемого слоя каздым витком заборной части инструмента /см.(4.9)/- б) предложены уравнения регрессии типа (4.20) — (4.22), по которым возможно производить корректировку длины заборной части роликов относительно её минимального значения, а также использовать предложенные зависимости в качестве расчетных для всего процесса в целомв) экспериментально установлено, что величина действующей на каждый ролик комплекта радиальной силы существенно зависит от числа калибрующих ниток, составляя 20−50% от общей радиальной силы при изменении числа ниток от I до 3 шт. Поэтому при выборе числа ниток калибрующей части необходимо руководствоваться правильным сочетанием крутящих моментов на всех трех стадиях процесса.

4. Установлено, что при выборе величины угла перекрещивания осей инструментов и заготовки необходимо учитывать следующие ограничения: завышенная величина угла (в экспериментах до 2°40*) приводит к образованию многозаходных винтовых канавок и росту сил, также как нулевые и малые значения угла (1°10*) приводят к росту сил /см.уравнение регрессии (4.17)/.

На основании экспериментальных исследований для рассматриваемого нового процесса с учетом ограничений рекомендована величина угла 1°50.

5. Показано, что образование винтовых витков ребер осуществляется за счет переменной, по высоте сечения ленты, степени обжатия, зависящей от параметров взаимной установки инструментов.

Угол между образующими инструментов — регулируемый технологический параметр, позволяющий влиять на размеры винтового витка. Предложена зависимость (5.9) для определения угла взаимной установки деформирующих инс трументо в.

6. Определено, что для осуществления процесса формообразования винтовых витков необходимо натяжение переднего конца ленты с тяговым усилием Р&- (5.14), а величина его не должна превышать предельного усилия Рт, при котором наступает пластическое течение ленты на выходе из инструментов (5.15).

7. Экспериментально установлено, что при завальцовке ленты в канавке на трубе величина радиальной силы составляет I000-II00 Н, а момент 30 Нм. Эти величины в сочетании с моментом формообразования винтовых ребер /см.(5.13)/ в сумме не должны превышать величины крутящего момента при накатывании винтовой канавки /см.(3.15)/.

8. Выполненные автором исследования и разработки автора и при его участии нашли следующее практическое применение:

8.1. Разработан и внедрен новый процесс изготовления ореб-ренных лентой труб (А.с. СССР № 548 167).

8.2. Разработаны, испытаны и внедрены инструменты, с помощью которых реализуется новый процесс.

8.3. Разработаны, испытаны и внедрены новые станки для изготовления оребренных труб моделей ГД99 и ГД99А.

8.4. Разработана, изготовлена, испытана и внедрена опытная автоматизированная линия для оребрения труб лентой (А.с. СССР 733 760).

8.5. Разработан и внедрен специальный станок (А.с. СССР 3560II) для оребрения теплоэлектронагревателей лентой на основе предложенного процесса (рабочие чертежи № 32 678).

8.6. Новый процесс, инструменты и оборудование внедрены на Борисоглебском заводе химического машиностроения и Волжском объединении «Энерготехмаш» .

Общая экономическая эффективность от внедрения результатов исследования и разработок составила около 435,3 тыс. рублей в год.

Заключение

.

Выполненные исследования и разработки нашли свое следующее практическое применение.

1. Разработан новый процесс изготовления оребренных труб (А.с. СССР № 548 167).

2. Разработаны, испытаны и внедрены инструменты, с помощью которых реализуется новый процесс оребрения.

3. Разработаны, изготовлены Гомельским станкозаводом имени С. М. Кирова, испытаны и внедрены станки для изготовления оребренных труб ГД99, ГД99А.

4. Разработана, изготовлена, испытана и внедрена опытная автоматизированная линия для оребрения труб лентой (А.с. СССР № 733 760).

5. Разработан, испытан и внедрен специальный станок.

А.с. СССР № 35601I) для оребрения теплоэлектронагревателей на основе предложенного процесса (рабочие чертежи № 32 678).

6. Новый процесс, инструменты и оборудование внедрены на Борисоглебском заводе химического машиностроения и Волжском объединении «Энерготехмаш» .

Общий эффект от внедрения результатов исследований и разработок составил 435,3 тыс. рублей в год.

Расчет экономического эффекта от промышленной реализации результатов исследований и разработок выполнен по методике, разработанной на основании основных положений «Методики определения экономической эффективности использования в народном хозяйстве новой техники, изобретений и рационализаторских предложений», утвержденной постановлением Государственного Комитета Совета Министров СССР по науке и технике, Госплана СССР, Академии наук СССР, Государственного Комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий за № 48/I6/I3/3 от 14.02.77 г.