專利名稱：一種限動芯棒連軋機(jī)組中芯棒限動速度的處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及確定限動芯棒連軋機(jī)組中芯棒限動速度的一種處理方法，更具體的說
是在綜合考慮芯棒使用長度和使用壽命的基礎(chǔ)上對芯棒限動速度的一種設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
在金屬變形過程中，體積不變和秒流量相等是建立軋制過程的基本原則。限動芯 棒連軋技術(shù)就是依此原則建立的，并且以軋制過程中芯棒速度恒定為特征，從而可以消除 浮動芯棒連軋機(jī)軋制的鋼管上產(chǎn)生的"竹節(jié)"缺陷，提高產(chǎn)品的壁厚精度。因此，芯棒是限 動芯棒連軋管機(jī)組中最重要的熱變形工具，通過軋輥與芯棒的共同作用，毛管被軋制到精 確范圍內(nèi)，實現(xiàn)減壁目的。芯棒表面質(zhì)量和芯棒限動速度直接關(guān)系著產(chǎn)品精度和管體內(nèi)表 面質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在綜合考慮芯棒使用長度和使用壽命基礎(chǔ)上的確定芯 棒限動速度的一種處理方法。利用該方法可以得到最佳的芯棒限動速度，有效地提高芯棒 的使用壽命，降低生產(chǎn)成本。 按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述限動芯棒連軋機(jī)組中芯棒限動速度的處理方 法，包括如下步驟 (1)芯棒由進(jìn)入連軋機(jī)組第一機(jī)架時的咬鋼速度加速到限動速度后保持不 變直到軋制結(jié)束，由連軋時各機(jī)架秒流量相等的原則和芯棒與軋件相對運動的速度狀
態(tài)計算芯棒與軋件接觸的總長度，得到芯棒參與軋制的工作長度LL的計算表達(dá)式 -1 / w-l r 其中Vi為第i臺軋機(jī)的軋制速度(m/s) ， 1為荒管的長度，Li為第i臺與第i+1臺 軋機(jī)間的距離(m)， i為芯棒限動速度(m/s); (2)在軋制過程中芯棒與軋件產(chǎn)生摩擦，芯棒單位面積上的摩擦熱量等于軋件與 芯棒間摩擦力與相對位移的乘積，由芯棒與軋件相對運動的速度狀態(tài)計算得到有載荷時芯 棒工作段長度上單位面積產(chǎn)生摩擦熱量Q的計算表達(dá)式 Q( J = t 乂 & _ ;)丄+ / ( ，。)2 ; 其中&為第i機(jī)架中軋件與芯棒對應(yīng)的摩擦力，&為芯棒加速時的加速度(m/s2)， vma。芯棒的咬鋼速度(m/s); (3)根據(jù)上述兩步驟的計算結(jié)果，求解合適的限動速度vma使芯棒工作長度LL最 短，艮卩(？inQ(v柳)凍解合適的限動速度Vma使單位面積摩擦熱量Q最小，即？in20J ，綜
合考慮限動速度Vma的取值范圍并使芯棒工作長度減短和芯棒使用壽命提高，形成如下的多目標(biāo)優(yōu)化形式^n丄i:(v郵)，mne(v則);
vm。 'ma
max(v, —4.5},mi+,，Vw。02+Vl
1，2，. ，4，5。 其中，min :是求最小化的數(shù)學(xué)符號；max :是求最大化的數(shù)學(xué)符號；LL :芯棒參與 軋制的工作長度；Q :芯棒工作段長度上單位面積產(chǎn)生摩擦熱量；Vma :芯棒限動速度(m/s); V邁ao :芯棒的咬鋼速度(m/s) ;Vi :第i臺軋機(jī)的軋制速度(m/s) ;1 :荒管的長度;1^ :第i臺 與第i + 1臺軋機(jī)間的距離(m) ;fi :第i機(jī)架中軋件與芯棒對應(yīng)的摩擦力A :芯棒加速時的 加速度(m/s2); 最后3個公式合在一起是多目標(biāo)優(yōu)化的一種數(shù)學(xué)符號表達(dá)，其中，in^^^》和 ming(XJ是兩個優(yōu)化目標(biāo)，分別表示求解Vma，使芯棒工作長度LL(Vma)最小和使單位面積vm。
摩擦熱量Q(vJ最小。vff
max{" _4,5},min"，-
2
1，2，... ，4，5是芯棒限
動速度vma的取值范圍。最終求解這個多目標(biāo)優(yōu)化可以得到滿足條件的芯棒限動速度，即一
種確定合理芯棒限動速度綜合考慮減短芯棒工作長度和提高芯棒使用壽命。 限動芯棒連軋技術(shù)是依在金屬變形過程中體積不變和秒流量相等這兩個基本原
則建立的，并且以軋制過程中芯棒速度恒定為特征。芯棒是限動芯棒連軋鋼管機(jī)組中最重
要的熱變形工具，通過軋輥與芯棒的共同作用，毛管被軋制到精確范圍內(nèi)，實現(xiàn)減壁目的。
芯棒表面質(zhì)量和狀態(tài)的好壞直接關(guān)系生產(chǎn)能否順利進(jìn)行、產(chǎn)品精度以及管體內(nèi)表面質(zhì)量。
本發(fā)明通過建立限動芯棒連軋機(jī)組中芯棒運動的數(shù)學(xué)模型，在綜合考慮芯棒使用壽命和工
作長度的基礎(chǔ)上，給出了一種芯棒限動速度的計算方法。利用該方法可以得到最佳的芯棒
限動速度，有效地提高芯棒的使用壽命，降低生產(chǎn)成本。


圖1芯棒限動速度和行程曲線。
具體實施例方式
在限動芯棒連軋的工藝流程中，毛管在預(yù)穿線定位后進(jìn)行芯棒預(yù)穿，然后由限動 齒條帶動芯棒進(jìn)行二次插入到設(shè)定位后，芯棒和毛管一起送入連軋機(jī)進(jìn)行軋制。連軋機(jī)軋 制中，荒管由脫管機(jī)從芯棒脫出，當(dāng)荒管從連軋最后架脫出后，芯棒由限動齒條帶動返回。 實際生產(chǎn)中限動齒條的運行過程由六個速度段組成，分別為插入速度、咬鋼速度、限動速 度、返回低速、返回高速和定位速度，如圖l所示。在最后第二機(jī)架扎制結(jié)束后經(jīng)過很短的 延時后由限動齒條帶動芯棒減速并返回。
為保證連軋機(jī)的正常生產(chǎn)，芯棒限動速度需要滿足下列3項基本原則 a)避免因沒有芯棒造成空軋，即使芯棒前端比軋件先到，或至少是同時到達(dá)最后機(jī)架。 b)軋件與芯棒的相對速度方向同向，即軋制中金屬的縱向流動速度大于限動速
度，因此芯棒的限動速度Vma滿足Vm。 ^ ，式中V 。為第1機(jī)架入口速度，即咬鋼速度
4(m/s) ， Vl為第1機(jī)架軋制速度(m/s)。 c)提高芯棒使用壽命，根據(jù)經(jīng)驗，第i機(jī)架軋件與芯棒的相對速度AVi =
Vi-V邁a《4. 5，式中Vi為第i機(jī)架的軋制速度(m/S) ， V邁a為芯棒的限動速度(Hl/s)。 根據(jù)上述限動芯棒連軋的工藝流程和限動速度選定的基本原則，本發(fā)明按下列步 驟進(jìn)行 1)根據(jù)芯棒運動模型建立芯棒工作長度的計算方法。 2)建立有載荷時芯棒工作段長度上單位面積產(chǎn)生摩擦熱量的計算方法。 3)建立優(yōu)化芯棒工作長度和芯棒使用壽命的多目標(biāo)優(yōu)化并求解。 先設(shè)連軋機(jī)組由n臺軋機(jī)組成，其中第i臺軋機(jī)的軋制速度為、，第i臺與第i+1
臺軋機(jī)間的距離為b (i = 1， 2，. . . ， n)，芯棒的限動速度為vM(m/S)，連軋后荒管長度為1。
如圖1所示，在最后第二機(jī)架扎制結(jié)束后經(jīng)過很短的延時后由限動齒條帶動芯棒減速并返回。 1)根據(jù)芯棒運動模型建立芯棒工作長度LL的函數(shù)表達(dá)式 根據(jù)連軋秒流量相等的原則FJi = F2V2 = F3V3 = =FnVn = cons tan。 其中&為第i機(jī)架軋后鋼管斷面積(mm2) ， Vi為第i機(jī)架鋼管出口速度(m/s)，即
軋制速度。由體積不變原則得出，各機(jī)架純軋時間相等，艮卩 TK1 = TK2 = TK3= =TKn = TK; 其中TKi為第i機(jī)架純軋時間(s)，考慮最后一臺機(jī)架n的軋制情況，可以得到 / 乙=一； 、 設(shè)IV為軋件充滿全部軋機(jī)的時間，亦即軋件從進(jìn)入第一臺機(jī)架至軋件到達(dá)最后一
臺機(jī)架的時間，則有^=!;2; 芯棒的咬鋼速度為Vma。，并且在進(jìn)入第2臺軋機(jī)時已經(jīng)達(dá)到了要求的限動速度Vma，
其芯棒的加速度為A，加速時間為tp則有J加<formula>formula see original document page 5</formula> 則芯棒的工作段長度LL(芯棒參與軋制段的長度，亦即每扎一根管子時，芯棒與 管子接觸的總長度)"=+ vm?！?7>) = J]A + vm。(一 — J]~1); 2)建立有載荷時芯棒工作段長度上單位面積產(chǎn)生摩擦熱量Q的函數(shù)。 設(shè)在軋機(jī)有載荷時芯棒工作段長度上單位面積產(chǎn)生摩擦熱量為Q，設(shè)第i機(jī)架中
軋件與芯棒對應(yīng)的摩擦力為fi，其對應(yīng)的相對位移為Si，則有 <formula>formula see original document page 5</formula>
<formula>formula see original document page 5</formula>mo0
)2 ^y;(v,一v卿)丄+ y;^ 3)建立優(yōu)化芯棒工作長度和芯棒使用壽命的多目標(biāo)優(yōu)化并求解。
從提高芯棒使用壽命的角度來看，即對摩擦產(chǎn)生熱量的優(yōu)化毋in^XJ ; 從提高芯棒利用率的角度來看，優(yōu)化的目的是使芯棒的工作長度LL能夠盡量短，
這樣可以減少芯棒的使用成本或可以有效地調(diào)頭使用芯棒，并且也可以減少芯棒潤滑劑石
墨的使用量，B卩？inZ"v J; 同時考慮到芯棒限動速度選取的3項基本原則，Vma應(yīng)滿足max{" — 4.5} S v卿《min〗
2
1，2， ，4，5 ;

即建立如下關(guān)于芯棒限動速度的多目標(biāo)優(yōu)化
min。(v加。)；mini:Z(v附)；
V咖
fl
max(v,. - 4.5}, minj v,， V。 ; Vl
1，2， ，4，5 ;
關(guān)于上述多目標(biāo)優(yōu)化的求解本發(fā)明列舉兩種解決方案
方法1 :將上述多目標(biāo)優(yōu)化轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)優(yōu)化形式mi4^20卿)+ ^"0卿))
max
{v. _ 4.5), —-1 Vw。0 + Vl
，min<j v,.，
2
1，2， . ，4，5 其中a 、 |3分別為表示芯棒使用壽命和工作長度重要性的權(quán)重，取a > 13表示 優(yōu)化的目標(biāo)側(cè)重于提高芯棒的使用壽命，反之取13 > a。 方法2 :從經(jīng)濟(jì)角度考慮，在實際生產(chǎn)中只能有一定數(shù)量的芯棒規(guī)格，即實際中可 以選取的芯棒長度是具有一定規(guī)格的，因此可以首先合理的取定芯棒的單次工作長度最長
為L'，有LL(vJ《L';即
K一^ 從而問題轉(zhuǎn)化為對芯棒使用壽命的單目標(biāo)優(yōu)化，即7inG0U)
'卿
z'-
、，
'卿o
2
^一；
1，2，. ，4，5。
權(quán)利要求
一種限動芯棒連軋機(jī)組中芯棒限動速度的處理方法，其特征在于，所述處理方法包括如下步驟(1)芯棒由進(jìn)入連軋機(jī)組第一機(jī)架時的咬鋼速度加速到限動速度后保持不變直到軋制結(jié)束，由連軋時各機(jī)架秒流量相等的原則和芯棒與軋件相對運動的速度狀態(tài)計算芯棒與軋件接觸的總長度，得到芯棒參與軋制的工作長度LL的計算表達(dá)式 <mrow><mi>LL</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>v</mi><mi>ma</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mrow><mi>n</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></munderover><msub> <mi>L</mi> <mi>i</mi></msub><mo>+</mo><msub> <mi>v</mi> <mi>ma</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mn>1</mn><msub> <mi>v</mi> <mi>n</mi></msub> </mfrac> <mo>-</mo> <munderover><mi>&Sigma;</mi><mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn></mrow><mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn></mrow> </munderover> <mfrac><msub> <mi>L</mi> <mi>i</mi></msub><msub> <mi>v</mi> <mi>i</mi></msub> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo>;</mo> </mrow>(2)在軋制過程中芯棒與軋件產(chǎn)生摩擦，芯棒單位面積上的摩擦熱量等于軋件與芯棒間摩擦力與相對位移的乘積，由芯棒與軋件相對運動的速度狀態(tài)計算得到有載荷時芯棒工作段長度上單位面積產(chǎn)生摩擦熱量Q的計算表達(dá)式 <mrow><mi>Q</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>v</mi><mi>ma</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi></munderover><msub> <mi>f</mi> <mi>i</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>v</mi><mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>v</mi><mi>ma</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mfrac> <mn>1</mn> <msub><mi>v</mi><mi>n</mi> </msub></mfrac><mo>+</mo><msub> <mi>f</mi> <mn>1</mn></msub><mfrac> <msup><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>v</mi><mi>ma</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>v</mi><mrow> <mi>ma</mi> <mn>0</mn></mrow> </msub> <mo>)</mo></mrow><mn>2</mn> </msup> <msub><mrow> <mn>2</mn> <mi>a</mi></mrow><mn>1</mn> </msub></mfrac><mo>;</mo> </mrow>(3)根據(jù)上述兩步驟的計算結(jié)果，求解合適的限動速度vma使芯棒工作長度LL最短，即求解限動速度vma，使單位面積摩擦熱量Q最小，即綜合考慮限動速度vma的取值范圍，并使芯棒工作長度減短和芯棒使用壽命提高，形成如下的多目標(biāo)優(yōu)化形式 <mrow><munder> <mi>min</mi> <msub><mi>v</mi><mi>ma</mi> </msub></munder><mi>LL</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>v</mi><mi>ma</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>;</mo> </mrow> <mrow><munder> <mi>min</mi> <msub><mi>v</mi><mi>ma</mi> </msub></munder><mi>Q</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>v</mi><mi>ma</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>;</mo> </mrow> <mrow><msub> <mi>v</mi> <mi>ma</mi></msub><mo>&Element;</mo><mo>[</mo><mi>max</mi><mo>{</mo><msub> <mi>v</mi> <mi>i</mi></msub><mo>-</mo><mn>4.5</mn><mo>}</mo><mo>,</mo><mi>min</mi><mo>{</mo><msub> <mi>v</mi> <mi>i</mi></msub><mo>,</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>v</mi> <mrow><mi>ma</mi><mn>0</mn> </mrow></msub><mo>+</mo><msub> <mi>v</mi> <mn>1</mn></msub> </mrow> <mn>2</mn></mfrac><mo>}</mo><mo>]</mo><mo>,</mo><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1,2</mn><mo>,</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>,</mo><mn>4,5</mn><mo>;</mo> </mrow>其中，min是求最小化的數(shù)學(xué)符號；max是求最大化的數(shù)學(xué)符號；LL芯棒參與軋制的工作長度；Q芯棒工作段長度上單位面積產(chǎn)生摩擦熱量；vma芯棒限動速度(m/s)；vma0芯棒的咬鋼速度(m/s)；vi第i臺軋機(jī)的軋制速度(m/s)；l荒管的長度；Li第i臺與第i+1臺軋機(jī)間的距離(m)；fi第i機(jī)架中軋件與芯棒對應(yīng)的摩擦力；a1芯棒加速時的加速度(m/s2)；和是兩個優(yōu)化目標(biāo)，分別表示求解vma使芯棒工作長度LL(vma)最小和使單位面積摩擦熱量Q(vma)最??； <mrow><msub> <mi>v</mi> <mi>ma</mi></msub><mo>&Element;</mo><mo>[</mo><mi>max</mi><mo>{</mo><msub> <mi>v</mi> <mi>i</mi></msub><mo>-</mo><mn>4.5</mn><mo>}</mo><mo>,</mo><mi>min</mi><mo>{</mo><msub> <mi>v</mi> <mi>i</mi></msub><mo>,</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>v</mi> <mrow><mi>ma</mi><mn>0</mn> </mrow></msub><mo>+</mo><msub> <mi>v</mi> <mn>1</mn></msub> </mrow> <mn>2</mn></mfrac><mo>}</mo><mo>]</mo><mo>,</mo><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1,2</mn><mo>,</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>,</mo><mn>4,5</mn> </mrow>是芯棒限動速度vma的取值范圍；最終求解這個多目標(biāo)優(yōu)化可以得到滿足條件的芯棒限動速度，確定合理芯棒限動速度綜合考慮減短芯棒工作長度和提高芯棒使用壽命。F200910211474XC00013.tif,F200910211474XC00014.tif,F200910211474XC00018.tif,F200910211474XC00019.tif
全文摘要
本發(fā)明涉及一種限動芯棒連軋機(jī)組中芯棒限動速度的處理方法，限動芯棒連軋技術(shù)是依在金屬變形過程中體積不變和秒流量相等這兩個基本原則建立的，并且以軋制過程中芯棒速度恒定為特征。芯棒是限動芯棒連軋鋼管機(jī)組中最重要的熱變形工具，通過軋輥與芯棒的共同作用，毛管被軋制到精確范圍內(nèi)，實現(xiàn)減壁目的。芯棒表面質(zhì)量和狀態(tài)的好壞直接關(guān)系生產(chǎn)能否順利進(jìn)行、產(chǎn)品精度以及管體內(nèi)表面質(zhì)量。本發(fā)明通過建立限動芯棒連軋機(jī)組中芯棒運動的數(shù)學(xué)模型，在綜合考慮芯棒使用壽命和工作長度的基礎(chǔ)上，給出了一種芯棒限動速度的計算方法。利用該方法可以得到最佳的芯棒限動速度，有效地提高芯棒的使用壽命，降低生產(chǎn)成本。
文檔編號B21B28/00GK101722198SQ20091021147
公開日2010年6月9日 申請日期2009年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月12日
發(fā)明者晏謝飛 申請人:無錫西姆萊斯石油專用管制造有限公司