CC BY
10
УДК 621.771.06; 621.892
РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЭНЕРГОСИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ ПРИ ПОДАЧЕ СМАЗОЧНОГО МАТЕРИАЛА НА ВАЛКИ
С.И. Платов, Р.Р. Дёма, Р.Н. Амиров, О.Р. Латыпов, К. А. Кондрин
В 2008 году на стане «2000» ПАО ММК впервые в России была установлена и испытана система MIDAS подачи водно-масляной дисперсии (смазочного материала) на опорные валки трех клетей чистовой группы стана. Применение смазочного материала при горячей прокатке позволило добиться снижения сил внешнего трения на контактных поверхностях и в очаге деформации, что в свою очередь оказало значительное влияние на энергосиловые параметры процесса. В работе представлены аналитические результаты оценки влияния смазочного материала на изменение энергосиловых параметров процесса прокатки, а также разработанные модели прогнозирования энергосиловых параметров при подаче смазочного материала на валки.
Ключевые слова: горячая прокатка, смазочный материал, энергосиловые параметры.
Известно, что применение в технологии листовой горячей прокатки, системы подачи технологической смазки способствует снижению энергосиловых параметров процесса [1-3]. В настоящее время применение подобных систем становится актуально, особенно при производстве листового проката с высоким классом прочности.
Специалистами ПАО «ММК» путем экспериментальных исследований определены режимы подачи смазочного материла (СМ), обеспечивающие стабильный процесс прокатки [4]:
- верхние опорные валки 0,08-0,10 л/мин;
- нижние опорные валки 0,08 - 0,10л/мин.
С целью оценки влияния СМ на энергосиловые параметры процесса листовой горячей прокатки была произведена статистическая обработка массива экспериментальных данных в условиях действующего производства (стан 2000 горячей прокатки ПАО «ММК»). На рис. 1 и 2 представлены усредненные значения измеренных технологических параметров - сила тока (А) на валу главного привода клети и технологического воздействия (усилие прокатки, МН).
Предварительный анализ результатов исследования показывает, что среднее зафиксировано снижение силы тока при прокатке со СМ составило 10,33%, снижение усилия прокатки - 11,79%. При этом, данное изменение энергосиловых параметров наблюдается на всей чистовой группе клетей прокатного стана. Максимальная энергоэффективности процесса наблюдается для клетей № 12 (относительное изменение параметра «сила тока» составило 12,18%, параметра «усилие прокатки» 13,91%) и № 10 (10,33% и 13,59% соответственно).
Рис. 1. Усредненные значения силы тока по клетям чистовой группы при прокатке с использованием и без использования смазочного материала
зооо 2500 2000 1500 1000 500 0
■ с применением, см
III Illa
клеть клеть 2139,2 2160.2
9
клеть
10 клеть
11 клеть
12 клеть
13 клеть
■ без применения СМ
2282 2434,4
1862,2
1720,4
1378,6
Рис. 2. Усредненные значения давления по клетям чистовой группы при прокатке с использованием
и без использования смазочного материала
Для учета неравномерности влияния СМ в процессе прокатки в зависимости от механических свойств металла массив данных был разбит на пять групп по выкатываемости, в соответствии с технологической инструкцией стана 2000 горячей прокатки ПАО «ММК». Расчет производили по известной методике Андреюка-Тюленева [5], результаты расчета приведены на рис. 3.
Рис. 3. Усредненное сопротивление деформации в зависимости от группы выкатываемости, согласно требованиям стана 2000 г.п. ПАО «ММК»
Анализ полученных результатов показывает, что эффективность применения СМ для различных марок стали значительно изменяется в зависимости от рассматриваемой клети. Наибольшее изменение энергосиловых параметров при работающей системе подачи СМ достигается для третьей группы выкатываемости (сила тока в среднем на всех клетях снижается на 24,53% и усилие прокатки - на 30,90%). Наименьший эффект наблюдается при прокатке металла второй группы выкатываемости (11,58% и 8,91% соответственно).
Проверка значимости изменений энергосиловых параметров с применением СМ (гипотеза
H0: xl = Х2 о равенстве средних двух генеральных совокупностей) проводилось на основе t-статистики
Стьюдента. Результаты проверки приведены в табл. 1 и 2.
Таблица 1
Оценка значимости изменений параметра силы тока при применении смазочного материала
в процессе горячей прокатки
Номер клети Сила тока без СМ (I без см, А) Сила тока с СМ (1с см, А) Абс. изменение (А) Относит. изменение (%) t- статистика расчетная tKp (а) табличное Гипотеза Но (значимые изменения отсутствуют)
7 9007,6 8135,2 872,4 9,7 5,90044 2,32 опровержение
8 8481,4 7627,0 854,4 10,1 -3,9499 1,65 опровержение
9 9136,6 8513,6 623,0 6,8 5,00619 2,33 опровержение
10 7725,8 6927,6 798,2 10,3 -7,0837 2,33 опровержение
11 8470,4 7886,2 584,2 6,9 -1,4628 1,04 опровержение
12 6823,4 5992,6 830,8 12,2 -3,6241 2,58 опровержение
13 5636,2 5025,3 610,9 10,8 6,30291 2,33 опровержение
Таблица 2
Оценка значимости изменений параметра «усилие прокатки» при применении смазочного
материала в процессе горячей прокатки
Номер клети Усилие прокатки без СМ (P без см, МН -10-2) Усилие прокатки СМ (P с см МН 10-2) Абс. изменение (МН ■10-2) Относит. изменение (%) t- статистика расчетное W (а) табличное Гипотеза Но (значимые изменения отсутствуют)
7 2282,0 2139,2 142,8 6,26 6,22358 2,33 опровержение
8 2434,4 2160,2 274,2 11,26 -4,9487 1,65 опровержение
9 1862,2 1705,8 156,4 8,40 6,07607 2,33 опровержение
10 1382,0 1194,2 187,8 13,59 -7,13267 2,33 опровержение
11 1720,4 1558,8 161,6 9,39 -4,5587 2,33 опровержение
12 1378,6 1186,8 191,8 13,91 -6,0162 2,33 опровержение
13 983,8 867,3 116,5 11,84 1,537554 1,36 опровержение
В результате проверки гипотезы Но для двух выборок на основе 1;-критерия Стьюдента было установлено, что изменение параметра «сила тока» для клетей №№ 7-10, 12 является значимым при уровне надежности 99%, для клети № 13 - при уровне надежности - 90%, для клети № 11 - 85%. Изменение параметра «усилие прокатки» для клетей №№ 7-13 является значимым при уровне надежности 99%.
Анализ полученных результатов позволил сделать следующие выводы:
1. Подача СМ на валки чистовой группы клетей листового стана оказывает значимое влияние на изменение энергосиловых параметров процесса горячей прокатки при уровне надежности 85-99 % для различных клетей.
2. Применение СМ при прокатке в клетях №№7-9 оказывает влияние на изменение значение параметра силы тока, наблюдается его снижение снижается на 6,69 - 26,62% (623 - 1478 А), а также усилие прокатке на 6,24-11,65% (142 - 297 МН>10-2).
3. Технологическая смазка оказывает косвенный эффект в клетях, на валки которых СМ непосредственно не подается, и выраженный в следующем:
- наибольший косвенный эффект наблюдается в снижении энергосиловых параметров в клетях № 10 и № 12;
- значение силы тока снижается в относительном и абсолютном отношении на 9,39% (798 А) и 11,62% (831 А) соответственно, значение параметра «усилие при прокатке» - 13,45% (188 МН'10"2) и 13,76% (192 МН> 10-2) соответственно.
Перспективным направлением исследования процесса является разработка адекватной и достаточно точной модели, позволяющая на основе теоретических данных о прокатываемом сортаменте прогнозировать параметр «сила тока (I, А)» на стане 2000 горячей прокатки. Разрабатываемая модель позволит рассчитывать момент на валу главного привода (1), через прогнозные токовые характеристики для различных марок стали, в том числе ранее не прокатываемые:
л* = (и) - (12 ) - (Ц'х) - ^-А ))т (1)
а а
где Ыде - мощность прокатки, Вт; а - угловая скорость, рад/с; I- коэффициент передачи; Т - КПД стана; 1ХХ - ток холостого хода, 1ХХ =5% Iном , А; Яя - сопротивление в якорной цепи, Ом.
В качестве методики построения модели было выбрано регрессионное моделирование. При этом в модель были включены как количественные, так и качественные переменные (рис. 4) что позволило существенно повысить точность рассматриваемой модели.
Мдв =-
Рис. 4. Экзогенные переменные модели
Для учета влияния качественных характеристик в модель было введено 7 фиктивных переменных (рис. 5) принимающих значения 0 или 1. Оценки коэффициентов регрессионного уравнения были найдены с помощью обобщенного метода наименьших квадратов. Для исключения из модели незначимых переменных была применена процедура последовательного исключения факторов из модели.
В результате регрессионного анализа было получено общее уравнение регрессии (2). Коэффициент множественной корреляции для данной модели Я = 0,7785. Коэффициент детерминации Я2 = 0,6061. Таким образом, 61% вариации результирующего показателя объясняется вариацией факторных переменных. Значение Г-статистики для данного уравнения регрессии ^ = 646,47, что значительно превосходит критическое значение ^кр(0,05; 14; 5881) = 1,693. Следовательно, уравнения является статистически значимым. Полученные коэффициенты регрессионного уравнения являются значимыми при уровне надежности 95%.
1(10) = 2• (-1264,5 + 3541,92- ^--968,76• 723 -2253,7 • 722 +
Р
(1,0)
Ь
Ь
+ 263,05 - — - 726,47 - 725 + 43,4 - к -1465,14 - 724 +1,12 - и
(1,0)
- 790,67 - 726 -1803,51 - 721 - 63,16 - Щ(1'0) + 3654,09 -
Б.
верх I
- 67,32 - 71 -10,46 -8).
Б,,
(2)
Рис. 5. Фиктивные переменные модели
Частные регрессионные уравнения для каждой клети чистовой группы, как при подаче СМ, так и без нее были получены путем подстановки в общее регрессионное уравнение конкретных значений фиктивных переменных (3 - 5):
- для клети №9 (723 = 1; 7ъ = 0, где I = 1, 2, 4...6):
/-(1,0) 9
Р(1,0) ь
■ 2 - (-2232,81 + 3541,92 - — + 263,05 — + 43,4 - к +
Ь Ь
+1,12 - и91,0) - 63,16 -Щ
(1,0)
+ 3654,09 --
Б
верх 9
Б,
- 67,32 - 71 -10,46 -8);
нижн 9
- для клети №8 (722 = 1; 7ъ = 0, где I = 1, 3.6)
Р(1,0) ^ с
Т (1,0) 8
= 2 - (-3517,75 + 3541,92 -
Ь
+ 263,05 — + 43,4 - к + ЬЬ
Б.
+1,12 - и8(10) -63,16 - щ8(10) + 3654,09 —верх8- - 67,32 - 71 -10,46 - 8);
Б,
- для клети №7 (¿21 = 1; ^ = 0, где I = 2.6):
Р(1,0)
(1,0) 7
= 2 - (-3067,55 + 3541,92 -
Ь
+ 263,05 — + 43,4 - к + ЬЬ
+1,12 - и71,0) - 63,16 -Щ
(1,0)
+ 3654,09 --
Б
верх7
Б
- 67,32 - 71 -10,46 -8).
нижн 7
(3)
(4)
(5)
Всего возможны 14 различных комбинаций значений фиктивных переменных (табл. 3) и соответственно 14 частных уравнений для определения параметра «Сила тока» для клетей чистовой группы №№7 - 13 как с применением смазочного материала, так и без него.
Таблица 3
Комбинации значений фиктивных переменных в модели прогнозирования «Силы тока»
№ п/п № клети Применение СМ Zi Z21 Z22 Z23 Z24 Z25 Z23
1 7 клеть Да 1 1 0 0 0 0 0
2 Нет 0 1 0 0 0 0 0
3 8 клеть Да 1 0 1 0 0 0 0
4 Нет 0 0 1 0 0 0 0
5 9 клеть Да 1 0 0 1 0 0 0
6 Нет 0 0 0 1 0 0 0
7 10 клеть Да 1 0 0 0 1 0 0
8 Нет 0 0 0 0 1 0 0
9 11 клеть Да 1 0 0 0 0 1 0
10 Нет 0 0 0 0 0 1 0
11 12 клеть Да 1 0 0 0 0 0 1
12 Нет 0 0 0 0 0 0 1
13 13 клеть Да 1 0 0 0 0 0 0
14 Нет 0 0 0 0 0 0 0
Пример расчета «Силы тока» для марки стали 08пс с размерными характеристиками 3,2х1275 мм при работающей системе подачи СМ приведен в табл. 4, пример расчета момента на валу главного привода для рассматриваемой марки стали представлен в табл. 5. Полученная регрессионная модель обладает достаточно высокой точностью прогнозирования, относительные ошибки отклонения не превышают 20 % для различных марок стали. Максимальные абсолютные ошибки прогнозирования силы тока достигают 981 А. Средняя относительная ошибка расчета момента на валу главного привода при использовании в расчетах прогнозного значения силы тока составляет 7,66%.
Таблица 4
Пример прогнозирования энергосиловых параметров для марки стали 08пс с размерными характеристиками 3,2 мм х 1275 мм при работающей системе подачи смазочного материала
№ клети Угловая скорость валков (ю, 1/с) Рабочее напряжение (U, В) Распределенная погонная нагрузка (P/L0, МН-10-2/м) Коэф. использования бочки рабочего валка, (B/L) Отношения диаметров бочек валков (Оверх/Ониж) Сила тока (I, A) прогн. Сила тока (I, A) набл. Абс. ошиб ка (А) Относит. ошибка (%)
7 4,576 694,79 1,1061 0,6375 1,0007 8560,3 9333,8 773,5 8,29
8 6,799 879,91 0,9573 0,6375 1,0009 6740,6 7206,0 465,4 6,46
9 10,78 735,3 0,7165 0,6375 1,0002 6773,8 6821,3 47,5 0,70
10 15,99 894,67 0,762 0,6375 0,9997 5800,8 6782,2 981,4 14,47
11 20,02 849,79 0,6439 0,6375 0,999 5828,2 6051,2 222,9 3,68
12 23,44 874,29 0,5771 0,6375 0,999 4850,9 5678,0 827,1 14,57
13 28,72 813,22 0,4022 0,6375 1,000 4392,2 4732,3 340,1 7,19
Таблица 5
Пример расчета момента на валу главного привода для марки стали 08пс с размерными характеристиками 3,2 мм х 1275 мм при работающей системе подачи смазочного материала.
№ клети Сила тока (I, A) прогн. Момент на валу главного привода (Мпр, МНм) прогн. Сила тока (I, A) набл. Момент на валу главного привода (Мпр, МНм) набл. Абсолютная ошибка момента (МНм) Относительная ошибка момента (%)
7 8560,3 0,992388 9333,8 1,067000 0,0746124 6,99%
8 6740,6 0,706086 7206,0 0,751917 0,0458313 6,10%
9 6773,8 0,370152 6821,3 0,372580 0,0024275 0,65%
10 5800,8 0,265045 6782,2 0,308882 0,0438369 14,19%
11 5828,2 0,201092 6051,2 0,208658 0,0075654 3,63%
12 4850,9 0,147365 5678,0 0,172687 0,0253219 14,66%
13 4392,2 0,100486 4732,3 0,108476 0,0079908 7,37%
Заключение по работе.
1. Применение смазочного материала в технологическом процессе горячей прокатки оказывает значимое влияние на изменение энергосиловых параметров в клетях чистовой группы стана. Максимальная энергоэффективность достигается на 12 клети (относительное изменение параметра «сила тока» составило 12,18%, параметра «усилие прокатки» 13,91%).
2. Разработанная в ходе исследования модель прогнозирования параметра «сила тока» в зависимости от размерных и механических характеристик прокатываемого металла обладает достаточной точностью (средняя относительная ошибка модели - 7,91%), что позволяет сделать вывод о промышленной применимости данной модели.
3. Полученная прогнозная модель для параметра «Сила тока» может быть использована при расчете момента на валу главного привода для листовых станов горячей прокатки, например на этапе составления монтажных партий. Средняя относительная ошибка при расчете момента на основе прогнозных токовых характеристик составляет 7,66%.
Список литературы
1. Грудев А.П. Тилик В.Т. Технологические смазки в прокатном производстве Учебник для вузов. М.: Металлургия, 1975. 368 с.
2. Грудев А.П., Зильберг Ю.В., Тилик В.Т. Трение и смазки при обработке металлов давлением. Справочное издание. М.: Металлургия. 1982. 312 с.
3. Тубольцев Л.Г., Килиевич А.Ф., Адамский С.Д., Нетесов Н.П. Горячая прокатка листовой стали с технологическими смазками М.: Металлургия. 1982. 160 с.
4. Боровков И.В., Клименко В.В., Казаков И.В. и др. Разработка технологии эксплуатации рабочих и опорных валков чистовой группы стана 2000 с применением технологической смазки. Сб. трудов ЦЛК ОАО «ММК» №15 «Совершенствование технологии в ОАО «ММК». Магнитогорск 2011. С. 243 -252.
5. Андреюк Л.В., Тюленев Г.Г., Прицкер Б.С. Аналитическая зависимость сопротивления деформации сталей и сплавов от их химического состава // Сталь. 1972. № 6. C. 522-523.
Платов Сергей Иосифович, д-р тех. наук, профессор, заведующий кафедрой, psipsi@mail. ru, Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова,
Дёма Роман Рафаэлевич, канд. техн. наук, доцент, demarr78@mail. ru, Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова,
Харченко Максим Викторович, канд. техн. наук, доцент, kharchenko.mv@bk.ru, Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова,
Амиров Руслан Низамиевич, канд. техн. наук, доцент, ruslan246@mail. ru, Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова,
Латыпов Олег Рафикович, аспирант, latolegraf@list. ru, Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова,
Кондрин Константин Александрович, студент, kondrinkanmstu@list. ru, Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова
DEVELOPMENT MODEL OF PREDICTION POWER PARAMETERS HOT ROLLING AT A LUBRICANT
SUPPLY TO THE ROLLS
S.I. Platov, R.R. Dema, R.N. Amirov, O.R. Latypov, K.A. Kondrin
The MIDAS system for a water-oil dispersion (lubricant) supply onto the backup rolls of three stands of the mill finishing group was installed and tested at Mill 2000 at PJSC Magnitorsk Iron and Steel Works for the first time in Russia in 2008. The use of the lubricant during hot rolling made it possible to reduce the external friction forces on the contact surfaces and in the deformation zone, which in turn had a significant effect on the power parameters of the process. The paper presents the analytical results of evaluating the influence of the lubricant on changes in the power parameters of the rolling process, also presents the developed models for predicting the power parameters at a lubricant supply to the rolls.
Key words: hot rolling, lubricant, power parameters.
Platov Sergej Iosifovich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, psipsi@mail.ru, Russia, Magnitogorsk, Nosov Magnitogorsk State Technical University,
Dema Roman Rafaelevich, candidate of technical sciences, docent, demarr78@mail. ru, Russia, Magnitogorsk, Nosov Magnitogorsk State Technical University,
Harchenko Maksim Viktorovich, candidate of technical sciences, docent, kharchenko. mv@bk. ru, Russia, Magnitogorsk, Nosov Magnitogorsk State Technical University,
Amirov Ruslan Nizamievich, candidate of technical sciences, docent, ruslan246@mail. ru, Russia, Magnitogorsk, Nosov Magnitogorsk State Technical University,
Latypov Oleg Rafikovich, post graduate, latolegraf@list. ru, Russia, Magnitogorsk, Nosov Magnitogorsk State Technical University,
Kondrin Konstantin Aleksandrovich, student, kondrinkanmstu@list. ru, Russia, Magnitogorsk, Nosov Magnitogorsk State Technical University
УДК 74: 614.8
ДИЗАЙН-ПРОЕКТ ВЕЛОЭКИПИРОВКИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ
ВЕЛОСИПЕДИСТОВ
С. А. Васин, А. А. Кошелева, О.Ю. Ведешкина
Рассмотрено значение защитных средств для обеспечения безопасности велосипедиста. Выявлены основные виды средств велозащиты, актуальные технологии и материалы, используемые при изготовлении велоэкипировки. Представлены основные этапы выполнения дизайн-проекта средств вело-защиты
Ключевые слова: велосипед, велозащита, экипировка, безопасность, дизайн-проектирование
Современный человек все большее внимание уделяет активному отдыху. Езда на велосипеде в России входит в пятерку самых популярных видов досуга. Велосипед - удобный, экологичный и полезный с точки зрения здоровья транспорт. Он чрезвычайно популярен в Европе, в ряде стран Азии и Америки.
В городах России в последние годы многие автовладельцы пересаживаются на велосипед. Это обусловлено целым рядом факторов: экономической ситуацией в стране, ростом внимания человека к своему здоровью, а также заботой об общей экологической ситуации на земле. Появляются новые велодорожки, велопарковки, пункты проката велосипедов. Однако в большинстве городов велоинфраструк-тура развита недостаточно, и велосипедистам зачастую приходится двигаться в плотном потоке машин и подвергать угрозе свою безопасность. Поэтому проектирование экипировки велосипедиста является актуальной задачей.
В связи с этим была поставлена задача дизайн-проектирования средств велозащиты с заданными функциональными, эргономическими, конструкторско-технологическими и художественно-компоновочными характеристиками [1, 2]. Проведенный статистический анализ причин аварий, сбор данных о ДТП с участием велосипедистов позволил выявить основные виды травм, а также определить части тела человека, которые контактируют с поверхностью дороги или препятствий при падении и в первую очередь нуждаются в защите.
Система велозащиты включает шлем, налокотники, наколенники, защиту спины и груди, вело-перчатки. Самым популярным видом защиты является велошлем. Остальными средствами, как показывает практика, велосипедисты зачастую пренебрегают, что повышает риск травматизма.
В результате проведенного предпроектного анализа были определены требования к велоэкипи-ровке, которые явились основой для проектирования средств защиты. Основные задачи проекта: обеспечение безопасности велосипедиста, достижение высоких функциональных, эргономических, конструк-торско-технологических, эстетических, экономических, эксплуатационных показателей [3].
Дизайн-проект начинается с поиска образа, вдохновения [4]. Для представленной работы источником вдохновения послужили бионические формы, а именно рыба-хирург и ее особенности: обтекаемость, малая уязвимость, яркая окраска, способность светиться в темноте. Отмеченные свойства легли в основу концепции проекта.
Обтекаемость - один из основополагающих параметров формообразования. Форма велозащиты должна обладать хорошей аэродинамичностью.
