ИЗМЕРИТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО ДИАМЕТРА ОБОДА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО КОЛЕСА ПРИ ПРОКАТКЕ Российский патент 1997 года по МПК G01B7/12 B21C51/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении внутреннего диаметра ободов железнодорожных колес в процессе прокатки на колесопрокатном стане.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является измеритель внутреннего диаметра обода железнодорожного колеса при прокатке, содержащий датчик перемещения каретки коренных валков, датчик перемещения салазок нажимных валков, два узла суммирования, три узла вычитания, два преобразователя, узел задания начального внутреннего диаметра колеса, соединенные между собой определенным образом.

К достоинствам данного измерителя следует отнести то, что он выполняет измерения внутреннего диаметра обода колеса, приращений его внутреннего и внешнего диаметров в процессе раскатки с учетом меняющихся из-за переточек и износа радиусов коренных и нажимных валков.

Данное устройство имеет недостаток, заключающийся в том, что при его работе не учитывается нестабильность в работе механизмов колесопрокатного стана, в результате чего каретка и салазки стана подходят к колесу неодновременно, а также не учитывается нестабильность в работе предыдущего в линии агрегата-пресса усилием 10 тыс. тонн, заключающаяся в том, что вследствие выработки наружного формовочного кольца верхнего полуштампа этого пресса и его периодической замены очередная прокатываемая на стане заготовка может иметь различный наружный диаметр по отношению к эталонной заготовке.

Так как в данном устройстве одними из основных функций являются суммирование и вычитание приращений перемещений каретки и салазок стана относительно их шаблонов, указанные выше нестабильности в его работе приводят к появлению значительных искажений в начальной части шкалы измерителя.

Важность начального участка измерений приращений внутреннего и наружного диаметров обода железнодорожного колеса определяется тем, что именно на этом участке выполняется измерение интенсивности процесса раскатки, что позволяет оптимально управлять работой механизмов стана, а именно запиранием клапана, подводящего давление в гидроцилиндр прямого хода салазок стана, с учетом нестабильности температуры прокатываемой заготовки и давления в гидросистеме.

Недостатком данного устройства также является наличие дополнительной погрешности при измерении приращения внутреннего диаметра обода колеса и самого внутреннего диаметра, определяемая тем, что при работе измерителя не учитывается износ наклонных валков стана.

Технической задачей изобретения является повышение точности измерения приращения внутреннего диаметра обода железнодорожного колеса при прокатке, а также повышение точности измерения его внутреннего диаметра.

Технический результат достигается тем, что в измеритель введены четвертый и пятый узлы вычитания, первый и второй регистры хранения информации, первый и второй узлы сравнения, первый, второй, третий, четвертый ключи, блок определения направления движения каретки, блок определения скорости каретки стана, узел сравнения скорости каретки стана с уставкой, первый четырехвходовый элемент И, первый R-S-триггер, элемент задержки сигнала, узлы ввода сигналов "ПУСК", "ПОЛИРОВКА", узлы ввода и сброса шаблонов каретки и салазок стана, третий и четвертый узлы суммирования, узел мультиплексированных данных, узел задания числовых значений поправок на износ наклонных валков, двоичный счетчик, кольцевой счетчик, второй элемент И, второй R-S-триггер, датчик цикла прокатки колеса на стане, при этом выход датчика перемещения каретки стана подключен ко входам первого узла сравнения, четвертого узла вычитания, блока определения направления движения каретки стана, блока определения скорости каретки стана, первого ключа, выход которого подключен ко входу первого регистра хранения информации, второй вход первого узла сравнения объединен со вторым входом четвертого узла вычитания, выход которого подключен ко входу второго ключа, а третий управляющий вход к выходу первого узла сравнения и одному из входов элемента И, второй вход которого подключен к выходу узла сравнения скорости каретки стана с уставкой, вход которого подключен к выходу блока определения скорости каретки стана, вход которого подключен к выходу блока определения направления движения каретки стана, выход датчика перемещения салазок стана подключен ко входам второго узла сравнения, пятого узла вычитания, третьего ключа, выход которого подключен ко входу второго регистра хранения информации, второй вход второго узла сравнения объединен со вторым входом пятого узла вычитания, выход которого подключен ко входу четвертого ключа, а третий управляющий вход к выходу второго узла сравнения и третьему входу элемента И, четвертый вход которого подключен к прямому выходу первого R-S-триггера, к S-входу которого подключен узел ввода сигнала "ПУСК", а к R-входу через элемент задержки сигнала подключен узел ввода сигнала "ПОЛИРОВКА", выход элемента И подключен к управляющим входам второго и четвертого ключей, при этом выход второго ключа подключен к первым входам первых узлов вычитания и суммирования, выход четвертого ключа соединен с их вторыми входами, выход первого узла вычитания соединен со входом первого преобразовательного элемента, выход датчика цикла прокатки колеса подключен к одному из входов второго элемента И, к другому входу которого подключен прямой выход второго R-S-триггера, S-вход которого подключен к выходу узла сброса шаблонов и входам установок в "0" двоичного счетчика и кольцевого счетчика, вход которого подключен к выходу второго элемента И, а выход ко входу двоичного счетчика, выход которого подключен ко входу управления узла мультиплексирования данных, входы которого подключены к выходам узла задания числовых значений поправок на износ наклонных валков, выход узла мультиплексирования данных подключен к одному входу третьего узла суммирования и одному входу четвертого узла суммирования, другой вход которого подключен к выходу второго регистра хранения информации, а его выход подключен ко входу второго узла сравнения, другой вход третьего узла суммирования подключен к выходу первого регистра хранения информации, а его выход подключен ко входу первого узла сравнения.

На чертеже приведена блок-схема измерителя внутреннего диаметра обода железнодорожного колеса при прокатке.

Устройство содержит датчик 1 перемещения каретки коренных валков, выход которого соединен со входами первого узла 2 сравнения, четвертого узла 3 вычитания, блока 4 определения направления движения каретки стана, блока 5 определения скорости каретки стана, первого ключа 6. Выход ключа 6 подключен ко входу первого регистра 7 хранения, выход которого подключен к одному из входов третьего узла 8 суммирования, выход которого подключен ко вторым входам узлов 2, 3.

Выход узла 3 подключен ко входу второго ключа 9, третий управляющий вход узла 3 подключен к выходу первого узла 2 сравнения и одному из входов первого элемента И 10.

Второй вход первого элемента И 10 подключен к выходу узла 11 сравнения скорости каретки стана с уставкой. Вход узла 11 подключен к выходу блока 5 определения скорости каретки стана, вход которого подключен к выходу блока 4 определения направления движения каретки стана.

Выход датчика 12 перемещения салазок нажимных валков стана подключен ко входам второго узла 13 сравнения, пятого узла 14 вычитания и третьего ключа 15, выход которого подключен ко входу второго регистра 16 хранения информации, выход которого подключен к одному из входов четвертого узла 17 суммирования, выход которого подключен ко вторым входам узлов 13, 14. Выход узла 14 подключен ко входу четвертого ключа 18, третий управляющий вход узла 14 подключен к выходу второго узла 13 сравнения и третьему входу первого элемента И 10.

Четвертый вход элемента И 10 подключен к прямому выходу первого R-S-триггера 19. К S-входу первого R-S-триггера 19 подключен выход узла 20 ввода сигнала "ПУСК", к R-входу этого триггера через элемент 21 задержки сигнала подключен узел 22 ввода сигнала "ПОЛИРОВКА". Выход элемента И 10 подключен к управляющим входам второго ключа 9 и четвертого ключа 18.

Выход ключа 9 подключен к первым входам первых узлов 23, 24 вычитания и суммирования. Выход ключа 18 подключен ко вторым входам узлов 23, 24.

Выход узла 23 подключен ко входам первого преобразовательного элемента 25, второго узла 26 вычитания и второго преобразовательного элемента 27. Выход элемента 25 соединен со вторым входом узла 26. Выход узла 24 соединен со входом третьего узла 28 вычитания, второй вход которого соединен с выходом элемента 27. Выход узла 28 подключен к одному из входов второго узла 29 суммирования, ко второму входу которого подключен выход узла 30 задания начального внутреннего диаметра обода колеса.

Выход узла 31 ввода шаблонов каретки и салазок стана подключен к управляющим входам ключей 6, 15 и к S-входу второго R-триггера 32, выход узла 33 сброса шаблонов каретки и салазок стана подключен ко входам сброса регистров 7, 16 хранения информации, R-входу второго R-S-триггера 32 и входам установки в "0" кольцевого счетчика 34 и двоичного счетчика 35.

Выход второго R-S-триггера 32 подключен к одному из входов второго элемента И 36, к другому входу которого подключен выход датчика 37 цикла прокатки колеса на стане. Выход элемента И 36 подключен ко входу кольцевого счетчика 34, выход которого подключен ко входу двоичного счетчика 35, выход которого подключен ко входу управления узла 38 мультиплексирования данных, входы которого подключены к выходам узла 39 задания числовых значений поправок на износ наклонных валков. Выход узла 38 подключен ко вторым входам третьего узла 8 суммирования и четвертого узла 17 суммирования.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом прокатки партии колес в стан загружается холодная заготовка, имеющая определенную форму и размеры, а именно:
заготовка имеет форму и средний внешний диаметр обода горячей заготовки, прошедшей технологическую операцию осадки на колесопрокатном стане, т.е. имеет сформированные гребень и поверхность катания колеса;
внутренний диаметр этой холодной заготовки равен известному среднему значению внутреннего диаметра горячей заготовки.

Сначала на заготовку опускается верхний наклонный вал стана, затем путем подачи рабочей жидкости низкого давления в гидроцилиндр салазок стана подводят нажимные валки до упора в нее, а потом к этой заготовке подводят коренные валки. Эти положения механизмов стана принимаются за начала отсчетов перемещений каретки и салазок стана, т.н. шаблон каретки Ш_к и шаблон салазок Ш_с. При поступлении сигнала с узла 31 ввода шаблона данные с датчиков 1, 12 перемещений каретки и салазок стана через ключи 6, 15 записываются в регистры 7, 16 хранения информации, а также этим сигналом второй R-S-триггер 32 устанавливается в единичное состояние. Так как первый R-S-триггер 19 при первоначальном включении установлен в нулевое состояние, сигнал на выходе элемента И 10 также равен нулю. При этом данные на выходах ключей 9, 18 и на всех выходах измерителя ΔD, Δα, α равны нулю.

После ввода шаблонов все механизмы стана отводятся в исходное положение, в котором значения на выходе датчика 12 перемещения салазок стана имеют величину, меньшую, чем Ш_с, а значения на выходе датчика 1 перемещения каретки стана имеют величину, большую, чем Ш_к.

С выхода узла 7 данные (Ш_к) через третий узел 8 суммирования поступают на входы узлов 2, 3, а с выхода узла 16 данные (Ш_с) через четвертый узел 17 суммирования поступают на входы узлов 13, 14, при этом на вторые входы третьего и четвертого узлов 8, 17 суммирования корректирующие воздействия с выхода узла 38 не поступают.

На втором узле 13 сравнения сравниваются данные с текущем состоянии датчика 12 перемещения салазок стана Х_с.тек и данные шаблона салазок Ш_с. Так как в данный момент времени Х_с.тек. < Ш_с, сигнал на выходе узла 13 равен логическому нулю. Соответственно, разница между Х_с.тек. и Ш_с в этом режиме узлом 14 не вычисляется. Кроме этого, нулевой сигнал с выхода узла 13 через элемент И 10 дополнительно блокирует ключи 9, 18.

На первом узле 2 сравнения сравниваются между собой данные о текущем состоянии датчика 1 перемещения каретки стана Х_к.тек. и данные шаблона каретки Ш_к. Так как в данный момент времени Х_к.тек. > Ш_к, то сигнал на выхода узла 2 равен логической единице. Узел 3 при этом вычисляет разницу между Х_к.тек. и Ш_к. Однако эти данные не подвергаются дальнейшей обработке, так как ключ 9 находится в закрытом состоянии.

Когда каретка и салазки стана находятся в неподвижном состоянии, сигнал на выходе блока 5 определения скорости равен логическому нулю. Соответственно, сигнал на выходе узла 11 сравнения скорости каретки стана с установкой равен логической единице.

При появлении сигнала с узла 20 ввода команды "ПУСК" все механизмы стана начинают двигаться к заготовке, а R-S-триггер 19 устанавливается в единичное состояние.

При движении каретки стана к заготовке на выходе блока 4 определения направления ее движения появляется сигнал, равный логической единице. На выходе блока 5 определения скорости движения каретки сигнал имеет величину, равную скорости перемещения каретки. Соответственно, на выходе узла сравнения с установкой сигнал равен логическому нулю.

Данные с выходов узлов 3, 14 не обрабатываются при наличии любого из следующих трех условий:
Х_с.тек. <Ш_с;
Х_к.тек. <Ш_с, -
каретка движется к заготовке.

После того, как значение Х_с.тек. нажимных валков снят по величине, большей, чем Ш_с, сигнал на выходе узла 13 станет равным логической единице и на выходе узла 14 появится сигнал, равный приращению перемещения салазок относительно Ш_с.

Если в этом случае каретка стана ввиду нестабильностей в работе его механизмов еще продолжает движение по направлению к заготовке, то данные с выходов узлов 3, 14 не обрабатываются. После того, как каретка стана остановится, сигнал на выходе узла 11 станет равным логической единице. При выполнении условия Х_к.тек.≥Ш_к собираются все условия, необходимые для включения элемента И 10 ключей 9, 18.

При прокатке заготовки, диаметр которой меньше, чем диаметр эталонной заготовки, в момент времени, когда Х_с.тек.≥Ш_с Х_к.тек.<Ш_к с выхода узла 2 сигналом логического нуля через элемент И 10 обработка данных с выходов узлов 3, 14 блокируется. Следует отметить, что в процессе раскатки заготовки каретка движется по направлению к своему исходному положению, соответственно в этом режиме на выходах узлов 4, 5 сигналы равны логическому нулю, а на выходе узла 11 сигнал равен логической единице.

Таким образом, в процессе прокатки на выходах ключей 9, 18 формируются сигналы, пропорциональные приращению перемещения каретки стана D_к относительно Ш_к и приращению перемещения салазок нажимных валков Δ_с относительно Ш_с.

Определение величины приращения внешнего диаметра обода колеса осуществляется в соответствии с аналитическим выражением:
,
где R_т текущая величина внешнего радиуса обода колеса;
R_о известная величина внешнего радиуса обода заготовки перед прокаткой на стане;
S₁, S₂ радиусы коренных и нажимных валков, соответственно;
a, b расстояние между осью прокатки и осью коренного валка, осью прокатки и осью нажимного валка, соответственно,
следующим образом.

В узле 23 из величины Δ_к вычитается величина Δ_с. В первом преобразовательном элементе 25 эта величина преобразуется в величину
,
где ΔD приращение внешнего диаметра обода колеса;
ΔD = (R_т-R_o)•2
F₁ определяется путем построения с использованием ЭВМ граничных зависимостей и определения средних значений F₁ внутри этого сектора.

Одна граничная зависимость этого сектора определяется путем задания в (1) изменения величины Δ_к-Δ_с от нуля до максимального значения и получения в каждой точке задания значений R_т при полном взаимном переборе значений S₁ и S₂. При подстановке каждого значения R_т в (2) определяются соответствующие значения F, из которых в качестве F₁ выбирается максимальное значение. Другая граничная зависимость этого сектора определяется аналогично, при этом в качестве ее точек выбираются значения F, имеющие минимальную величину.

В узле 26 из величины Δ_к-Δ_с вычитается величина F₁, в результате чего на выходе этого узла получаем сигнал, пропорциональный приращению внешнего диаметра обода колеса ΔD..

Определение величины приращения внутреннего диаметра обода колеса осуществляется в соответствии с аналитическим выражением:
,
где Δ_r приращение внутреннего радиуса обода.

В узле 24 величины Δ_к и Δ_с суммируются. Одновременно во втором преобразовательном элементе 27, на вход которого подается сигнал с выхода узла 23, формируется сигнал

F₂ определяется тем же самым методом, что и F₁.

В узле 28 из величины Δ_к+Δ_с вычитается величина F₂, в результате чего на выходе этого узла получаем сигнал, пропорциональный приращению внутреннего диаметра Δα.
В узле 29 выполняется суммирование сигнала приращения внутреннего диаметра Δα., который поступает на него с выхода узла 28, и сигнала начального внутреннего диаметра, который поступает на другой вход узла 29 с выхода узла 30.

После достижения внутренним диаметром колеса определенной величины с узла 22 ввода сигнала "ПОЛИРОВКА" через элемент 21 задержки на R-вход первого R-S-триггера 19 поступает сигнал, который устанавливает этот первый R-S-триггер в нулевое состояние, блокируя тем самым обработку данных с выходов узлов 3, 14. Элемент 21 задержки сигнала необходим для обеспечения измерений, так как после поступления сигнала "ПОЛИРОВКА" еще имеет место некоторый рост измеряемых величин.

При этом все механизмы стана возвращаются в исходное состояние, и процесс измерений повторяется только после поступления сигнала с узла 20 ввода сигнала "ПУСК".

После загрузки входным манипулятором заготовки в стан, ее прокатки и выгрузки из него с помощью выходного манипулятора датчик 37 цикла прокатки колеса формирует единичный импульсный сигнал, который через второй элемент И 36, на втором входе которого имеется единичный сигнал с выхода элемента 32, поступает на вход кольцевого счетчика 34.

Подсчитав определенное число прокатанных колес, например 300, кольцевой счетчик 34 формирует сигнал, который передается на двоичный счетчик 35, который выполняет подсчет количества циклов работы кольцевого счетчика 34.

Появление очередного единичного импульсного сигнала с выхода датчика 37 цикла прокатки колес возвращает кольцевой счетчик 34 в начальное состояние, и начинается новый цикл подсчета количества прокатанных колес.

Сигналом (в виде двоичного кода) с выхода счетчика 35 управляется узел 38 мультиплексирования данных, ко входам которого подключены выходы узла 39 задания числовых значений поправок на износ наклонных валков.

Таким образом, после прокатки указанных выше, например, 300 колес узел 38, установленный в определенное состояние сигналом на его управляющем входе, пропускает на свой выход с соответствующего выхода узла 39 сигнал, равный по величине износу, в горизонтальном направлении в сторону оси прокатываемой заготовки точки пережима нижнего наклонного валка за время прокатки указанных 300 колес 0,2 мм. Эта поправка корректирует значения шаблонов Ш_к, Ш_с.

Коррекция выполняется путем суммирования значений Ш_к, Ш_с с этой поправкой в третьем (8) и четвертом (17) узлах суммирования, соответственно.

После прокатки очередных, например, 300 колес величина поправки увеличивается и т.д. пропорционально общему количеству прокатанных колес.

При замене верхнего наклонного валка, который меняется вдвое чаще, так как изнашивается больше, чем нижний наклонный валок, или же при замене обоих наклонных валков в стан устанавливается эталонная заготовка.

Перед установкой этой заготовки сигналом с узла 33 сброса шаблонов данные в регистрах 7, 16 и счетчиках 34, 35 обнуляются.

Устройство обладает повышенной точностью измерения приращения внутреннего диаметра, а также повышенной точностью измерения внутреннего диаметра за счет исключения влияния износа наклонных валков стана на процесс измерения.

Использование: при измерении внутреннего диаметра ободов железнодорожных колес в процессе прокатки на колесопрокатном стане. Сущность изобретения: измеритель внутреннего диаметра обода железнодорожного колеса при прокатке содержит датчик 1 перемещения каретки коренных валков, датчик 12 перемещения салазок нажимных валков, четыре узла 8, 17, 24, 29 суммирования, пять узлов 3, 14, 26, 23, 28 вычитания, узел 30 задания начального внутреннего диаметра обода колеса, два преобразовательных элемента 25, 27, два регистра 7, 16 хранения информации, два узла 11, 13 сравнения, четыре ключа 6, 9, 15, 18, блок 4 определения направления движения каретки стана, блок 5 определения скорости каретки стана, узел сравнения скорости каретки стана с установкой, первый элемент И 10, первый R-S-триггер 19, элемент 21 задержки сигнала, узлы ввода сигналов "ПУСК" 20, "ПОЛИРОВКА" 22, узлы ввода 31 и сброса 33 шаблонов каретки салазок стана, узел 38 мультиплексирования данных, узел 39 задания числовых значений поправок на износ наклонных валков, двоичный счетчик 35, кольцевой счетчик 34, второй элемент И 36, второй R-S-триггер 32, датчик 37 цикла прокатки колеса на стане. 1 ил.

Измеритель внутреннего диаметра обода железнодорожного колеса при прокатке, содержащий датчик перемещения каретки коренных валков, датчик перемещения салазок нажимных валков, первый и второй узлы суммирования, первый, второй, третий узлы вычитания, узел задания начального внутреннего диаметра обода колеса, первый и второй преобразовательные элементы, отличающийся тем, что в него введены четвертый и пятый узлы вычитания, первый и второй регистры хранения информации, первый и второй узлы сравнения, первый, второй, третий, четвертый ключи, блок определения направления движения каретки стана, блок определения скорости каретки стана, узел сравнения скорости каретки стана с уставкой, первый четырехвходовый элемент И, первый RS-триггер, элемент задержки сигнала, узлы ввода сигналов "Пуск", "Полировка", узлы ввода и сброса шаблонов каретки и салазок стана, третий и четвертый узлы суммирования, узел мультиплексирования данных, узел задания числовых значений поправок на износ наклонных валков, двоичный счетчик, кольцевой счетчик, второй элемент И, второй RS-триггер, датчик цикла прокатки колеса на стане, при этом выход датчика перемещения каретки стана подключен к входам первого узла сравнения, четвертого узла вычитания, блока определения направления движения каретки стана, блока определения скорости каретки стана, первого ключа, выход которого подключен к входу первого регистра хранения информация, второй вход первого узла сравнения объединен с вторым входом четвертого узла вычитания, выход которого подключен к входу второго ключа, а третий управляющий вход к выходу первого узла сравнения и одному из входов элемента И, второй вход которого подиючен к выходу узла сравнения скорости каретки стана с уставкой, вход которого подключен к выходу блока определения скорости каретки стана, вход которого подключен к выходу блока определения направления движения каретки стана, выход датчика перемещения салазок стана подключен к входам второго узла сравнения, пятого узла вычитания, третьего ключа, выход которого подключен к входу второго регистра хранения информации, второй вход второго узла сравнения объединен с вторым входом пятого узла вычитания, выход которого подключен к входу четвертого ключа, а третий управляющий вход к выходу второго узла сравнения и третьему входу элемента И, четвертый вход которого подключен к прямому выходу первого RS-триггера, к S-входу которого подключен узел ввода сигнала "Пуск", а к R-входу через элемент задержка сигнала подключен узел ввода сигнала "Полировка", выход элемента И подключен к управляющим входам второго и четвертого ключей, при этом выход второго ключа подключен к первым входам первых узлов вычитания и суммирования, выход четвертого ключа соединен с их вторыми входами, выход первого узла вычитания соединен с входом первого преобразовательного элемента, первым входом второго узла вычитания и входом второго преобразовательного элемента, выход первого преобразовательного элемента соединен с вторым входом второго узла вычитания, выход второго преобразовательного элемента соединен с первым входом третьего узла вычитания, второй вход которого соединен с выходом первого узла суммирования, а выход с первым входом второго узла суммирования, второй вход которого подключен к выходу узла задания начального внутреннего диаметра обода колеса, выход узла ввода шаблонов каретки и салазок стана подключен к управляющим входам первого и третьего ключей, а выход узла сброса шаблонов каретки и салазок стана подключен к входам сброса первого и второго регистров хранения информации, выход датчика цикла прокатки колеса на стане подключен к одному из входов второго элемента И, к другому входу которого подключен прямой выход второго RS-триггера, S-вход которого подключен к выходу узла ввода шаблонов, R-вход этого триггера подключен к выходу узла сбросы шаблонов и входам установок в "0" двоичного счетчика и кольцевого счетчика, вход которого подключен к выходу второго элемента И, а выход к входу двоичного счетчика, выход которого подключен к входу управления узла мультиплексирования данных, входы которого подключены к выходам узла задания числовых значений поправок на износ наклонных валков, выход узла мультиплексирования данных подключен к одному входу третьего узла суммирования и одному входу четвертого узла суммирования, другой вход которого подключен к выходу второго регистра хранения информации, а его выход к входу второго узла сравнения, другой вход третьего узла суммирования подключен к выходу первого регистра хранения информации, а его выход подключен к входу первого узла сравнения.