Способ контроля параметров трубы при многоколенной гибке

 

Использование: обработка металлов давлением, в частности контроль процесса гибки труб. Сущность изобретения: способ включает определение измерительной системой длин и пространственного положения в системе прямоугольных координат осей прямых участков колен трубы при ее гибке по шаблону и расчет параметров каждого из колен трубы. Расчет параметров гибки последующих колен трубы производят с учетом неточности гибки предыдущих. Параметры гибки определяют измерительной системой по двум излучателям сигналов, расположенным по прямой, совпадающей с осью начального прямого участка трубы или параллельной ей. Одну из осей координат совмещают с осью подачи трубы, другую направляют параллельно оси гибочного шаблона, а начало системы координат устанавливают в точке касания оси трубы и среднего радиуса гибочного шаблона. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к контролю параметров трубы при обработке металлов давлением и может быть использовано для точной гибки труб в судостроении, судоремонте, самолетостроении и других отраслях.

Известен способ контроля при гибке трубы угла пружинения с определением его отклонения от допустимого и последующей догибкой трубы на величину превышения допуска при повторном прижиме трубы к гибочному шаблону (авт.св. N 517356, кл. B 21 D 7/024).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является способ контроля параметров трубы [1], заключающийся в том, что копию многоколенной трубы изготавливают, выполняя следующие операции.

Снятие с модели серии замеров, определяющих ось для каждой из прямолинейных участков модели, при этом ось предыдущего прямолинейного участка в основном не пересекает ось последующего участка, а проходит в непосредственной близости от нее, разработку программы для ЭВМ, причем полученные замеры являются данными для расчета теоретической точки пересечения поименованных осей в районе каждого погиба, а также для введения в ЭВМ информации, базирующейся на данных о фиктивных осях, соединяющих названные теоретические точки пересечения, и представленной длинами каждой из поименованных прямолинейных частей и данными угловых размеров каждой из них относительно смежной части или частей; использование ЭВМ для подачи команд исполнительным механизмом станка в соответствии с программой гибки многоколенной трубы.

Недостатками способа контроля параметров многоколенной трубы являются высокая себестоимость и трудоемкость изготовления и сборки трубопроводов сложной конфигурации.

Целью изобретения является повышение точности многоколенной гибки трубы.

Это достигается тем, что способ контроля параметров трубы при многоколенной гибке, включающий определение измерительной системы длин и пространственного положения в системе координат осей прямых участков колен трубы, расчет параметров колен трубы, включает также операцию расчета параметров гибки последующих колен трубы с учетом неточности гибки предыдущих, при этом определение параметров каждого отогнутого колена и в целом трубы осуществляется измерительной системой непосредственно в процессе гибки по двум излучателям сигналов, расположенным на одной прямой, совпадающей с осью начального прямого участка трубы или параллельной ей, а измерительная система настраивается по указанным двум излучателям сигналов только перед гибкой первого колена трубы.

Систему координат принимают прямоугольной, при этом одну из осей координат совмещают с осью подачи трубы, другие направляют параллельно оси гибкого шаблона, а начало координат устанавливают в точке касания оси трубы и среднего радиуса гибочного шаблона.

На фиг.1 показана измерительная система для контроля параметров погиба, определяющих пространственное положение начального прямого участка трубы, точечных излучателей и приемников сигналов; на фиг.2 - контролируемые параметры гибки и схема положения начального прямого участка трубы, снабженного точечными излучателями, перед гибкой, после гибки и после отвода прижима от трубы после выполнения первого гиба; на фиг.3 - угол между плоскостями погибов, контролируемый в случае, когда погибы находятся в разных плоскостях; на фиг. 4 - схема положения начального прямого участка, снабженного точечными излучателями, при выполнении i-ого погиба; на фиг.5 - смещение рисок по отношению к началу и концу погиба; на фиг.6 - схема расчета величины l_н; на фиг.7 - эскиз трубы для контрольного расчета; на фиг.8 - схема расчета величин l_к и R_пог.

Способ осуществляется следующим образом.

Перед началом гибки трубы 1 производят настройку относительного гибочного шаблона 2 измерительной системы, состоящей из штанги 3 с излучателями 4 и 5 и двух измерительных стоек, несущих жесткие треугольные рамки 6 и 7, содержащие в углах приемники (излучатели) 8-13 (фиг.1).

Настройка измерительной системы производится следующим образом.

Штанга 3 с излучателями 4 и 5 сигналов через вкладыш устанавливается в рабочем ручье гибочного шаблона и ползуна трубогибочного станка таким образом, чтобы излучатель 4 совместился с точкой 0 в торцовой плоскости ползуна, являющейся точкой касания среднего радиуса гибочного шаблона и оси обрабатываемой трубы. В точку 0 помещается начало декартовой системы отсчета, при этом ось Х совмещена с осью начального прямолинейного участка трубы 1 перед началом гибки, т.е. осью подачи трубы.

Измерительные стойки с рамками 6 и 7 размещаются произвольно вне рабочей зоны с данной трубой, но так, чтобы приемники (излучатели) каждой из рамок имели возможность принять сигналы излучателей 4 и 5 в любом пространственном положении начального прямолинейного участка гнутой трубы, несущей штангу 3 с излучателями 4 и 5, а также взаимные сигналы приемников (излучателей) в режиме излучения. При этом каждая из рамок имеет возможность углового поворота относительно корпуса измерительной стойки.

Каждый приемник одной измерительной стойки, приняв сигналы от всех излучателей (приемников) другой измерительной стойки и излучателей 4 и 5 штанги 3, фиксирует свое положение относительно другой измерительной стойки и начала координат. Последовательно задействовав каждый из приемников 8-13 (излучателей) обеих измерительных стоек с помощью ЭВМ, рассчитывают базу измерения для данного положения измерительных стоек относительно гибочного шаблона 2 и обрабатываемой трубы 1.

Существенным преимуществом расчетной базы измерения перед способами измерения с фиксированной материальной базой измерения является то, что увеличение объекта измерения в габаритах, не влечет за собой увеличение массогабаритных характеристик измерительного устройства, а также исключает влияние на точность измерения его собственных деформаций зависящих от условий эксплуатации и массогабаритных характеристик, а потому не ухудшаются условия работы с измерительным устройством .

.

После настройки измерительной системы штанга 3 с излучателями 4 и 5 извлекается из рабочего ручья гибочного шаблона. Обрабатываемая труба 1 устанавливается на станке произвольно относительного базового торца ползуна. Во внутреннюю полость трубы 1 заводится и закрепляется штанга 3 с излучателями 4 и 5.

Включаются в работу приема сигналов измерительные стойки, и приемники 8-13 принимают сигналы излучателей 4 и 5 для определения точного перемещения трубы по оси подачи на длину начального прямого участка l_н, заданного чертежом. Далее подача трубы прекращается. Труба закрепляется в зажиме и включается механизм поворота гибочного шаблона на заданный угол. При этом пластическая деформация изгиба начинается после перемещения трубы по оси Х на некоторую величину l_н (фиг.5), выражающую смещение риски начала погиба от теоретической линии сопряжения радиуса погиба с прямым участком трубы.

Величина смещения определяется конструктивным исполнением станка, износом его механизмов и размерами гибочного шаблона. При обычной традиционной гибке эта величина, так же как и l_к определяется опытной гибкой трубы данного диаметра на угол 90^о с определением величин а и б и расчетом l_н и l_к. В предлагаемом способе контроля параметров трубы величина l_нопределяется максимальной координатой Х излучателей 4 и 5 до появления координаты Y, свидетельствующей о фактическом начале пластической деформации изгиба. По величине l_н определяется угол поворота _н(фиг.6) гибочного шаблона до начала фактической пластической деформации изгиба: =tg_н; _н=arctg Полный угол поворота гибочного шаблона _к определяется как сумма углов: _к = ₁ + _н .

Угол погиба с учетом пружинения ₁ равен ₁ = m , где m - усредненный коэффициент, учитывающий упругую деформацию в зависимости от материала; - угол погиба.

После поворота гибочного шаблона на угол _к станок выключается. Вычислительный комплекс по результатам замеров пространственного положения излучателей 4 и 5, определяющих положение в пространстве начального прямого участка трубы, выдает действительные параметры отогнутого колена. Для чего необходимо снять координаты излучателей 4 и 5 в трех положениях трубы: I - после подачи трубы на длину прямого участка; II - после поворота гибочного шаблона на угол _к без освобождения трубы из зажима; III - после освобождения трубы из зажима.

Освобожденная от зажима труба под действием упругой деформации отклоняется от гибочного шаблона (фиг.2) на угол пружинения _пр . При этом начальный прямолинейный участок трубы, несущий излучатели 4 и 5, получает значительные угловые перемещения, что способствует более точному определению параметров.

Математический аппарат подсчета параметров колена состоит в использовании свойств пересекающихся прямых, лежащих в плоскости изгиба и содержащих каждая по две точки, расстояние между которыми и координаты которых известны.

Уравнение прямой, проходящей через две точки А и В с известными координатами имеет описание:
= , которое при известных Х_А, Х_В, Y_A, Y_B приводится к виду Y = kx + b из которого и определятся величины k и b, где k = tg , где - угол наклона прямой к оси Х.

В предлагаемом способе контроля параметров трубы при многоколенной гибке точками с известными координатами являются излучатели 4 и 5 (соответственно точкой А обозначен излучатель 4, а точкой Б - излучатель 5 на фиг.1-3).

По координатам излучателей 4 и 5 на штанге 3 в положениях трубы I, II и III записывают уравнения прямых:
Y_I = k_I x_I + b_I
Y_II = k_II x_II + b_II
Y_III = k_III x_III + b_III
из которых определяют числовые значения угловых коэффициентов k_I, k_II, k_III, равных тангенсу угла наклона начального прямого участка трубы к оси Х до гибки, после гибки, когда труба еще в зажиме, и после гибки освобожденной из прижима трубы.

Тогда фактический угол гиба ⁱ на i-ом погибе (фиг.4) равен углу пересечения линий, совмещенных с отрезками АВ в положениях трубы I и III, т.е.

tgⁱ = ; ⁱ=arctg
Фактический угол пружинения на i-ом погибе равен углу пересечения линий, совмещенных с отрезками АВ в положениях трубы II и III, т.е.

tg_пр = ; _пр=arctg
Фактический угол гиба _i при зажатой трубе определяется по зависимости
^tgi ⁼
Для первого погиба направление отрезка АВ в положение трубы I совпадает с осью Х, поэтому:
k_I = 0
₁ = arctg k_{II пр}=arctg
= arctg k_III
Определив действительные значения углов ₁ ,_пр, , _н, l_н, l_н по известным зависимостям вычислительный комплекс выдает и все остальные параметры трубы и техпроцесса:
_к - угол поворота гибочного шаблона;
l₁ - смещение вершины угла второго погиба;
l_пог¹ - длина трубы, приходящаяся на первый погиб;
R_п - действительный радиус погиба;
l_к - смещение риски отметки конца погиба;
L_{остатка} - остаток прямой трубы после гибки первого погиба.

Таким образом, не снимая трубы со станка, после первого погиба получаем полную информацию о параметрах трубы и техпроцесса.

Задание параметров трубы последующих погибов удобнее пояснить на примере изготовления 4-коленной трубы с известными размерами (фиг.7).

На примере изготовления конкретной трубы (фиг.7) покажем каким образом после определения действительных параметров отогнутого колена происходит корректировка параметров последующих колен (длин, угловых размеров) в целях обеспечения изготовления трубы требуемой конфигурации.

Предположим, что необходимо изготовить трубу (фиг.7) из углеродистой стали диаметром 60 мм и размерами c, l₁, l₂, c₁, L,
при этом:
L = 2500 мм; l₁ = 500 мм; l₂ = 1500 мм; с₁ = 150 мм = = = = 90; С = 600 мм.

Назначаются технологические параметры гибки трубы на станке :
R_g - средний радиус гибочного шаблона для трубы диаметром 60 мм рекомендуется R_g = 160 мм;
_к- угол поворота гибочного шаблона по отсчетному устройству станка, равный сумме ₁ + _н , где _н- угол поворота гибочного шаблона до начала пластической деформации изгиба, определяется предлагаемым способом в начале гибки;
₁- угол гиба с учетом пружинения первоначально задается расчетом по формуле:
₁= m , где - угол погиба по чертежу;
m - усредненный коэффициент упругой деформации, учитывающий угол пружинения в зависимости от материала, для нашего случая:
m = 1,022
₁= 1,022 x 90^о = 92^о
l_н - длина начального прямого участка, которая рассчитывается по размеру l₁:
l_н = l₁ - R_п , где R_п - средний радиус погиба трубы после снятия упругой деформации:
R_п = R_g k где k - усредненный коэффициент упругой деформации, учитывающий марку материала трубы. Для нашего случая k = 1,024 .

R_п = 160 х 1,024 = 164 мм; l_н = 500 - 164= = 336 мм.

Далее устанавливаем на станок комплект гибочной оснастки с радиусом гибочного шаблона R_g = 160 мм, располагаем около станка измерительные системы и настраиваем ее стойки относительно круга и начала координат. Затем устанавливаем трубу на станок произвольно, но так чтобы конец трубы выступал относительно торца ползуна настолько, чтобы раскрепить по внутренней поверхности трубы штангу 3, несущую излучатели 4 и 5.

Труба подается по оси Х на длину прямого начального участка, т.е. до тех пор, пока координаты, выданные вычислительным комплексом излучателей 4 и 5, обозначенные точками А и В, будут иметь значения:
точка А (X_A = l_н; Y_A = 0)
точка В (X_B = l_н + ; Y_B = 0)
После этого трубу закрепляют прижимом к гибочному шаблону и включают станок на гибку.

Пластическая деформация изгиба не начинается сразу с момента начала вращения гибочного шаблона, а с некоторого перемещения l_н трубы вдоль оси подач. Момент начала пластической деформации изгиба фиксируется приращением координаты Х излучателей 4 и 5 до появления координаты Y. В нашем случае зафиксированная величина l_н = 5,2 мм, а угол поворота гибочного шаблона _н ( фиг. 8) и полный первоначальный угол поворота гибочного шаблона определяются по зависимостям: _н=arctg = arctg = 1,90
_к = ₁ + _н
к= 92 + 1,9^о = 93,9^о
После поворота гибочного шаблона на угол _к станок выключается. Начальный участок трубы при этом займет положение II (фиг.2) и будет наклонен к оси Х под углом ₁ , величина которого определяется по угловому коэффициенту k_II:
₁= arctg k_II = 92,3^о .

Далее труба освобождается от зажима. Начальный участок трубы займет положение II и будет наклонен к оси Х под углом , величина которого определяется по угловому коэффициенту k_III:
= arctg k_III = 90,3 .

Угол пружинения _пр можно определить как
_пр=arctg или _пр==92,3-90,3=2
Таким образом по результатам замеров и предложенному алгоритму вычислений выдаются после гибки первого погиба следующие параметры трубы и техпроцесса:
=90,3 = +0,3
_пр= 2^о l_н = 5,2 мм
₁= 92,3^о l_н = 336 мм
_н = 1,9^о
_к = 94,2^о l₁=Ctg=3,2 мм
Кроме того, после каждого погиба выдается длина остатка прямой трубы, исходя из длины отрезанной заготовки и длины трубы от начала до конца произведенного погиба.

Развернутая длина трубы:
L_раз = l_н + l_пр^1-2 +l_пр^2-3 + l_пр^3-4 + l_н + 4l_пог, где l_н = l₁-R_п; R_п = R_g х 1,024 = 163,8 = 164 мм
l_н = 500-164 = 336
l_пр^1-2 = с - 2R_п = 600 - 328 = 272 мм
l_пр^2-3 = l₂-l₁ - 2R_п = 1500 - 500 - 328 = 672 мм
l_н = L - l₂ - R_п = 2500 - 1500 - 164 = 836 мм
l_пр^3-4 = (с - с₁) - 2R_п = 450 - 328 = 122 мм
l_пог = = = 248,8 мм
4l_пог = 248,8 х 4 = 995 мм
L_раз. = 336 + 272 + 672 + 122 + 836 + 995= = 3233 мм
Допуск на отрезку 3 мм.

Полагаем, что отрезана заготовка длиною 3235 мм.

Остаток трубы после первого погиба:
L_ост = L_заг - [l_н + lн + l_пог¹ + l_к], где
l¹_пог = ; l¹_пог = =250,3
l_к - отклонение отметки риски конца погиба от теоретической линии сопряжения радиуса погиба с прямым участком трубы .

Фактические величины R_п и l_к определяются по зависимостям, отражающим условие равенства длины дуги погиба до и после освобождения согнутой трубы из зажима (фиг.7) и известную координату X_D точки D (конец погиба):
=
Для нашего случая l_к = 2,8 мм, R_п = 164 мм
L_ост = 3235 - 336 + 5,2 + 250,3 + 2,8 = 2640,7 мм
Таким образом, не снимая трубы со станка, после каждого погиба получаем полную информацию о параметрах трубы и техпроцесса.

Далее вычислительный комплекс задает параметры гибки второго погиба при соблюдении следующих условий:
угол второго погиба должен быть равен углу первого погиба, что обеспечит параллельность прямого остатка трубы после гибки второго погиба начальному прямому участку трубы;
длина прямого участка трубы между первым и вторым погибом определяется габаритным размером С .

Выдаваемые параметры гибки второго погиба:
Угол поворота гибочного шаблона :
= = 94,2
Длина прямого участка трубы между первым и вторым погибами (фиг.6):
=
По данным параметрам производим гибку второго погиба, т.е. вдоль оси Х труба подается на величину l_пр^1-2, закрепляется в зажиме, производится поворот гибочного шаблона на угол
= 94,2.

После гибки по методике, описанной для первого гиба, выдаются действительные значения: _пр, , ,по которым уточняются R_п, l_н, l_к, которые должны совпадать с величинами аналогичных параметров на первом погибе или незначительно отличаются от них в случае отклонения угла погиба от .

Далее задаются на станке технологические параметры гибки сразу последнего и предпоследнего погибов. При этом длины прямых участков между погибами и конечного участка, углы погибов и определяются из следующих условий:
углы третьего и четвертого погибов должны быть равны между собой, чтобы обеспечить параллельность прямых участков после второго погиба и конечного прямого участка;
сумма проекций участков трубы на оставшихся погибах на ось Y должна соответствовать размеру (С - С₁), а сумма проекций всех участков трубы на ось Х - размеру L.

Соблюдение перечисленных условий обеспечит собираемость трубы в трубопровод без отрезки припусков и подгибки трубы в процессе сборки за счет того, что предлагаемый способ контроля параметров трубы позволяет заданием откорректированных параметров на последнем и предпоследних погибах поместить конец многоколенной трубы в сборочную точку N (фиг.6) путем сравнения величины суммы проекций участков гнутой трубы на ось Х со сборочным размером L, а также определения отклонения остатка прямой трубы. Отклонение суммы проекций всех участков гнутой трубы на ось Х при изготовлении трубы традиционным способом может быть величиной отрицательной и положительной.

На практике заготовку отрезают заведомо длиннее, чтобы готовую трубу можно было обрезать в размер L, который имеет жесткий допуск на изготовление, и определением величины отклонения фактического остатка прямой трубы от теоретической развернутой длины заготовки, приходящейся на оставшиеся погибы.

Отклонение фактического остатка прямой трубы от теоретической развернутой длины заготовки может быть величиной положительной и минусовой. В случае минусового отклонения при традиционном методе изготовления многоколенной трубы его устраняют ручной тяжелой подгонкой формы трубы, а в случае плюсового отклонения этот припуск отрезают на готовой трубе после обмера трубы на измерительном стенде. В нашем случае величина отклонения компенсируется соответствующей корректировкой параметров трубы на оставшихся погибах (фиг.9).

Для нашего случая вычислительный комплекс выдал величину отклонения L = = -3 мм. В связи с тем, что параметры третьего и четвертого погибов назначаются с учетом условия огибания объектов на трассе трубопровода как слева, так и справа трубы, величину отклонения L делим на два, т.е. величину смещения вершины угла третьего погиба смещаем на величину = , а другую половину отклонения учитываем при назначении длины конечного прямого участка l_к.

Отклонение определяет угол корректировки углов третьего и четвертого погибов (фиг.9).

= sin
=arcsin - = arcsin 0,007
= -0,4
Таким образом, вычислительный комплекс расчетом выдает следующие корректированные параметры трубы для гибки последующих колен:
= -1,5 мм; == -0,4
==89,6 R_п=164 мм; l^2-_пр³=669,7 мм
l_пр^3-4 = 128,6 мм; l_к = 831,8 мм; ==93,59
Величина проекции трубы на ось Х должна быть равна 2500 мм; величина проекций участков трубы на ось Y - 600 мм.

Направление начального и конечного прямых участков трубы должно совпадать или быть параллельным относительно оси Х.

Составляем выражение для подсчета суммы проекций участков трубы на ось Х:
+
Сумма проекций на ось Y:

В связи с тем, что углы третьего и четвертого погибов равны между собой, обеспечивается взаимная параллельность прямых участков между собой и параллельность их оси Х.

Труба без последующей подгонки на сборке имеет сборочный размер L = 2500 мм, обеспечены габариты С = 600 мм и С₁ = =150 мм, габарит l₁ = 500 мм, а l₂ = 1500 мм в допуске на огибание трубой объектов по трассе.

Кроме того, труба оказалась замеренной по всем своим параметрам и нет необходимости помещать ее для измерения на контрольно-измерительный стенд.

Для точного изготовления многоколенной трубы не потребовалась труба-эталон или шаблон.

Реализация предлагаемого способа гибки обеспечивает следующие преимущества изготовления трубопроводов:
исключается подгибка труб - дополнительная трудоемкая операция, нередко сопряженная с тяжелым ручным трудом, которая позволяет довести пространственное положение концевых присоединительных участков трубы в пределах заданного допуска на их взаимное отклонение;
данное обстоятельство значительно облегчает условия сборки трубы с концевой арматурой (фланец, штуцер, ниппель), так как сборка выполняется перпендикулярно оси концевого участка и с помощью простейшей оснастки, на порядок снижая трудоемкость сборки;
создаются условия внедрения технологии изготовления труб с приварными до операции гибки фланцами, которая значительно облегчает и удешевляет создание средств механизации не только на основных, но и вспомогательных операциях (межоперационное транспортирование, установка и съем трубы со станка после обработки, межоперационное накопление);
создаются условия прокладки трасс трубопроводов в затесненных условиях;
устраняется необходимость создания дорогостоящих контрольно-измерительных стендов для измерения строительных размеров при изготовлении труб по эскизам, так как все параметры трубы определяются в процессе гибки.

Формула изобретения

1. СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ТРУБЫ ПРИ МНОГОКОЛЕННОЙ ГИБКЕ, включающий определение измерительной системой длин и пространственного положения в системе координат осей прямых участков колен трубы при гибке ее по шаблону и расчет параметров каждого из колен трубы, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, расчет параметров гибки последующих колен трубы производят с учетом неточности гибки предыдущих, при этом параметры каждого отогнутого колена и трубы в целом определяют посредством измерительной системы непосредственно в процессе гибки по двум излучателям сигналов, расположенным на прямой, совпадающей с осью начального прямого участка трубы или параллельно ей, а измерительную систему настраивают по указанным излучателям сигналов перед гибкой первого колена трубы.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что систему координат принимают прямоугольной, при этом одну из осей координат совмещают с осью подачи трубы, другую направляют параллельно оси гибочного шаблона, а начало системы координат устанавливают в точке касания оси трубы и среднего радиуса гибочного шаблона.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8