Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу генерирования модели прогнозирования овальности стальной трубы, который является способом генерирования модели прогнозирования овальности, которая прогнозирует овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы на этапе изготовления стальной трубы, используя способ гибки давлением, способу прогнозирования овальности стальной трубы, способу регулирования овальности стальной трубы, способу изготовления стальной трубы и устройству для прогнозирования овальности стальной трубы.
Уровень техники
Способы изготовления стальных труб, имеющих большой диаметр и большую толщину, используемых в трубопроводах и т.п., включают в себя широко распространенный способ изготовления стальной трубы (называемой стальной трубой тика UOE) посредством штамповки стального листа, имеющего заданные длину, ширину и толщину, для придания ему U-образной формы, формования листа для придания ему O-образной формы и сварки стыкуемого участка для придания листу формы трубы и экспандирования диаметра стальной трубы (называемого экспандированием трубы) для улучшения овальности. Однако этап изготовления стальной трубы типа UOE требует большой силы давления на этапе выполнения штамповки стального листа для придания ему U-образной формы и O-образной формы, что обязательно требует использования крупногабаритного прессового оборудования.
Для решения этой проблемы существует предлагаемый способ изготовления стальной трубы, имеющей большой диаметр и большую толщину стенки, который является способом формования с уменьшенным давлением формования. В частности, способ, внедренный в практическое использование, является способом, в котором после гибки концов стального листа в направлении ширины (называемого гибкой концов) множество раз выполняется этап трехточечной гибки давлением посредством вдавливания для получения формованной заготовки, имеющей U-образное сечение (далее называется U-образной формованной заготовкой), после чего выполняются этап уменьшения зазора под сварку на участке зазора под сварку формованной заготовки, имеющей U-образное сечение, для получения открытой трубы, сварка стыкованных участков для получения стальной трубы и, наконец, в стальную трубу вставляется устройство для экспандирования трубы с целью экспандирования внутреннего диаметра стальной трубы. Используемое устройство для экспандирования трубы является устройством, которое содержит множество инструментов для экспандирования трубы, каждый из которых имеет криволинейную поверхность, полученную посредством деления дуги на множество участков, и приводит криволинейную поверхность инструмента для экспандирования трубы в контакт с внутренней поверхностью стальной трубы для экспандирования стальной трубы и фиксации формы стальной трубы.
На этапе гибки давлением увеличение числа нажатий при выполнении трехточечной гибки уменьшает овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы, хотя для формования стальной трубы с целью получения U-образного сечения требуется много времени. С другой стороны, уменьшение числа нажатий при выполнении трехточечной гибки создало бы проблему, состоящую в том, что сечение стальной трубы имело бы, по существу, форму многоугольника, затрудняя получение сечение круглой формы. Для решения указанной проблемы числа нажатий при выполнении трехточечной гибки (например, 5 - 13 нажатий для стальной трубы диаметром 1200 мм) определяется эмпирически во время работы в зависимости от размеров стальной трубы. Что касается рабочих условий этапа гибки давлением для уменьшения овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы, было сделано много предложений в отношении разработки способа его выполнения.
Например, в Патентной литературе 1 описывается способ выполнения формования трехточечной гибкой в минимальном количестве, и способ экспандирования трубы посредством приведения множества инструментов для экспандирования трубы, расположенных в окружном направлении устройства для экспандирования трубы, в контакт с недеформированным участком, который не был деформирован посредством формования трехточечной гибкой.
В Патентной литературе 2 описывается способ уменьшения овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы посредством задания радиуса кривизны наружной периферийной поверхности пуансона, используемого в формовании трехточечной гибкой, и радиуса кривизны наружной периферийной поверхности инструмента для экспандирования трубы, удовлетворяющих заданному относительному соотношению.
В Патентной литературе 3 описывается способ, представляющий собой способ изготовления, обеспечивающий эффективное изготовление стальной трубы с надлежащей овальностью без необходимости прикладывания излишнего давления на этапе гибки давлением, в котором при выполнении формования трехточечной гибкой предусмотрен легко обрабатываемый участок, имеющий очень небольшую кривизну по сравнению с другими областями, или необрабатываемый участок, на котором обработка гибкой отсутствует, по меньшей мере, в части стального листа. В Патентной литературе 3 также описывается операция на этапе уменьшения зазора под сварку, которая представляет собой прикладывание усилия давления к участку, удаленному на заданное расстояние от центра легко обрабатываемого участка или необрабатываемого участка, без удерживания легко обрабатываемого участка или необрабатываемого участка. В этой связи устройство для придания заготовке O-образной формы используется на этапе уменьшения зазора под сварку после этапа гибки давлением.
В этом отношении в Патентной литературе 4 описывается другой способ уменьшения зазора под сварку (далее называемый «способом формования с замыканием»), в котором некруглая заготовка (формованная заготовка с U-образным сечением) формуется посредством трехточечного формования, и затем вместо этапа O-формования к некруглой заготовке снаружи прикладывается толкающее усилие с помощью толкающего инструмента, расположенного на верхнем участке и обращенного к нижним опорным роликам, при этом заготовка поддерживается двумя опорными роликами, в результате чего уменьшается зазор под сварку. Этот способ отличается тем, что прикладывание толкающего усилия посредством использования толкающего инструмента снаружи некруглой заготовки может упростить конструкцию устройства, устраняя необходимость подготовки матрицы согласно наружному диаметру стальной трубы в качестве устройства для придания заготовке O-образной формы. В Патентной литературе 4 также описывается способ обеспечения наличия специально предусмотренной относительно легко формуемой области для формования трехточечной гибкой и прикладывания толкающего усилия в указанной области к формованной заготовке, имеющей U-образное сечение в способе формования с замыканием на этапе уменьшения зазора под сварку.
С другой стороны, в Непатентной литературе 1 описывается способ выполнения анализа с расчетом, в котором используется метод конечных элементов и влияние рабочих условий этапа экспандирования трубы на овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы.
Перечень противопоставленных документов
Патентная литература
Патентная литература 1: JP 2012-170977 A
Патентная литература 2: JP 5541432 B1
Патентная литература 3: JP 6015997 B1
Патентная литература 4: JP 2012-250285 A
Непатентная литература
Непатентная литература 1: Journal of the Japan Society for Technology of Plasticity, vol.59, No. 694 (2018), p. 203-208
Сущность изобретения
Техническая проблема
Способ, описанный в Патентной литературе 1, является способом уменьшения овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы за счет связи между позицией формования пресса для трехточечной гибки и позицией формования инструмента для экспандирования трубы. Однако этап изготовления стальной трубы включает ряд этапов, включающих, по меньшей мере, этап гибки давлением, этап уменьшения зазора под сварку, этап сварки и этап экспандирования трубы. Таким образом, способ, описанный в Патентной литературе 1, не учитывает влияние рабочих условий на других этапах на овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы, затрудняя постоянное обеспечение уменьшения овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы.
Сходным образом со способом, описанным в Патентной литературе 1, способ, описанный в Патентной литературе 2, является способом, в котором радиус кривизны задается таким образом, что радиус кривизны наружной периферийной поверхности пуансона, используемого в формовании методом трехточечной гибки, в качестве рабочего условия этапа гибки давлением, и радиус кривизны наружной периферийной поверхности инструмента для экспандирования трубы в качестве рабочего условия этапа экспандирования трубы удовлетворяют заданному соотношению, в результате уменьшается овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы. Однако в способе, описанном в Патентной литературе 2, сходным образом со способом, описанным в Патентной литературе 1, существует проблема невозможности принятия во внимание других этапов помимо этапа гибки давлением, а именно, этапа уменьшения зазора под сварку.
Способ, описанный в Патентной литературе 3, является способом уменьшения овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы посредством изменения рабочего состояния пресса для трехточечной гибки на этапе гибки давлением в зависимости от позиции стального листа и задания рабочего состояния, связанного с условием формования на этапе уменьшения зазора под сварку. Однако способ, описанный в Патентной литературе 3, имеет проблему, состоящую в том, что отклонения толщины листа или материала стального листа вызывают колебания овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы даже при одном и том же условии формования.
Способ, описанный в Патентной литературе 4, также является способом уменьшения овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы посредством задания таких условий, что условие формования заготовки U-образного сечения на этапе гибки давлением и условие формования на этапе уменьшения зазора под сварку связаны друг с другом. Однако в способе, описанном в Патентной литературе 4, также имеется проблема, состоящая в том, что отклонения толщины листа или материала стального листа вызывают колебания овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы даже при одном и том же условии формования.
С другой стороны, как описано в способе из Непатентной литературы 1, влияние рабочего параметра этапа экспандирования трубы на овальность может быть спрогнозировано в количественном отношении посредством выполнения анализа этапа экспандирования трубы, используя метод конечных элементов для расчета в автономном режиме. Однако способ, описанный в Непатентной литературе 1 также имеет проблему, связанную с невозможностью принимать во внимание влияние рабочих условий других этапов на овальность. Кроме того, выполнение такого численного анализа также включает в себя проблему длительного времени, необходимого для вычисления, что затрудняет прогнозирование овальности в реальном режиме времени.
Настоящее изобретение было разработано для решения указанных проблем, и его первая задача состоит в том, чтобы предложить способ генерирования модели прогнозирования овальности стальной трубы, способный генерировать модель прогнозирования овальности, которая точно и быстро прогнозирует овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы на этапе изготовления стальной трубы, включающем в себя ряд этапов. Другая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить способ прогнозирования овальности стальной трубы и устройство для прогнозирования овальности стальной трубы, способные точно и быстро прогнозировать овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы на этапе изготовления стальной трубы, включающем в себя ряд этапов. Другая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить способ регулирования овальности стальной трубы, способный точно регулировать овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы на этапе изготовления стальной трубы, включающем в себя ряд этапов. Другая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить способ изготовления стальной трубы, способный обеспечивать изготовление стальной трубы, имеющей требуемую овальность, с хорошим выходом продукции.
Решение проблемы
Способ генерирования модели прогнозирования овальности стальной трубы по настоящему изобретению генерирует модель прогнозирования овальности, которая прогнозирует овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы посредством экспандирования внутреннего диаметра стальной трубы, концы которой соединены друг с другом, в процессе изготовления стальной трубы, который включает в себя: этап гибки давлением для обработки стального листа с образованием формованной заготовки, имеющей U-образное сечение, посредством множества нажатий пуансоном; этап уменьшения зазора под сварку посредством уменьшения участка зазора по сварку формованной заготовки, имеющей U-образное сечение, для формования открытой трубы; этап сварки для соединения концов открытой трубы друг с другом; и этап экспандирования трубы, и включает в себя: этап сбора исходных данных, на котором выполняют численную операцию, имеющую в качестве входных данных набор данных рабочих условий, включающий один или более параметров, выбранных из атрибутивной информации о стальном листе, один или более параметров, выбранных из рабочих параметров этапа гибки давлением, и один или более параметров, выбранных из рабочих параметров этапа уменьшения зазора под сварку, и имеющую в качестве выходных данных овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы, при этом расчет выполняется множество раз, с изменением набора данных рабочих условий, и посредством указанного расчета генерируется множества наборов данных об овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы, соответствующих наборам данных рабочих условий, в автономном режиме в качестве обучающих данных; и этап генерирования модели прогнозирования овальности, на котором генерируется модель прогнозирования овальности, имеющая указанный набор данных рабочих условий в качестве входных данных, и овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы в качестве выходных данных, генерирование модели выполняется в автономном режиме с помощью машинного обучения, используя указанное множество наборов обучающих данных, полученных на этапе сбора исходных данных.
Этап сбора исходных данных может включать в себя этап расчета с использованием метода конечных элементов овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы с помощью набора данных рабочих условий.
Модель прогнозирования овальности может включать в себя один или более параметров, выбранных из рабочих параметров этапа экспандирования трубы в качестве набора данных рабочих условий.
Этап изготовления стальной трубы может включать в себя этап гибки концов посредством гибки концов стального листа в направлении ширины перед этапом гибки давлением, и модель прогнозирования овальности может включать в себя один или более параметров, выбираемых из рабочих параметров этапа гибки концов в качестве набора данных рабочего условия.
Рабочий параметр этапа гибки давлением может включать в себя: информацию о позиции формования и величину вдавливания при формовании, относящиеся к операции, на которой пуансон, используемый на этапе гибки давлением, выполняет формование стального листа; и число нажатий, выполняемых на этапе гибки давлением.
Машинное обучение, подлежащее использованию, может быть типом машинного обучения, выбранным из следующих алгоритмов: нейронная сеть, древовидная схема решений, случайный лес, регрессия на основе гауссовских процессов и регресссия опорных векторов.
Способ прогнозирования овальности стальной трубы по настоящему изобретению включает в себя: этап сбора рабочих параметров, на котором собирают в режиме реального времени набор данных рабочих условий, которые должны быть заданы в качестве рабочих условий этапов процесса изготовления стальной трубы, в виде входных данных модели прогнозирования овальности стальной трубы, генерируемой с помощью способа генерирования модели прогнозирования овальности стальной трубы по настоящему изобретению; и этап прогнозирования овальности, на котором прогнозируют информацию об овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы посредством ввода набора данных рабочих условий, полученного на этапе сбора рабочих параметров, в модель прогнозирования овальности.
Способ регулирования овальности стальной трубы по первому аспекту настоящего изобретения включает в себя: этап сбора набора данных рабочих условий, включающего фактическую величину из атрибутивной информации о стальном листе, заданную величину рабочего параметра этапа гибки давлением и заданную величину рабочего параметра этапа уменьшения зазора под сварку; прогнозирование овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы посредством ввода полученного набора данных рабочих условий в модель прогнозирования овальности, причем прогнозирование выполняется перед началом этапа гибки давлением посредством использования способа прогнозирования овальности стальной трубы по настоящему изобретению, и изменение заданной величины рабочего параметра этапа гибки давлением и/или заданной величины рабочего параметра этапа уменьшения зазора под сварку таким образом, чтобы уменьшить прогнозируемую овальность.
Способ регулирования овальности стальной трубы по второму аспекту настоящего изобретения включает в себя: этап прогнозирования информации об овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы, причем прогнозирование выполняется перед началом намеченного этапа для внесения изменений, выбираемого из этапа гибки концов, этапа гибки давлением, этапа уменьшения зазора под сварку и этапа экспандирования трубы, которые включены в этап изготовления стальной трубы, причем прогнозирование выполняется, используя способ прогнозирования овальности стальной трубы по п. 7, и изменение одного или более рабочих параметров, выбираемых, по меньшей мере, из рабочих параметров намеченного этапа для внесения изменений, или одного или более рабочих параметров, выбираемых из рабочих параметров этапов обработки формованием, выполняемых после намеченного этапа для внесения изменений, причем изменение выполняется на основании прогнозируемой информации об овальности стальной трубы.
Предусмотрен процесс изготовления стальной трубы с использованием способо регулирования овальности стальной трубы по настоящему изобретению.
Устройство прогнозирования овальности стальной трубы по настоящему изобретению прогнозирует овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы посредством экспандирования внутреннего диаметра стальной трубы, концы которой соединены друг с другом, в процессе изготовления стальной трубы, который включает в себя: этап гибки давлением для обработки стального листа с образованием формованной заготовки, имеющей U-образное сечение, посредством множества нажатий пуансоном; этап уменьшения зазора под сварку посредством уменьшения участка зазора под сварку формованной заготовки, имеющей U-образное сечение, для формования открытой трубы; этап сварки для соединения концов открытой трубы друг с другом; и этап экспандирования трубы, и содержит: блок сбора исходных данных, предназначенный для выполнения численной операции, имеющей в качестве входных данных набор данных рабочих условий, включающий один или более параметров, выбранных из атрибутивной информации о стальном листе, один или более рабочих параметров, выбранных из рабочих параметров этапа гибки давлением, и один или более рабочих параметров, выбранных из рабочих параметров этапа уменьшения зазора под сварку, и имеющей в качестве выходных данных информацию об овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы; причем расчет выполняется множество раз, с изменением набора данных рабочих условий, и с помощью указанного расчета генерируется множество наборов данных в отношении информации об овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы, соответствующих наборам данных рабочих условий, в качестве обучающих данных; блок генерирования модели прогнозирования овальности, выполненный с возможностью генерирования модели прогнозирования овальности, имеющей в качестве входных данных набор данных рабочих условий, и имеющей в качестве выходных данных информацию об овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы, причем генерирование модели выполняется с помощью машинного обучения, используя множество наборов обучающих данных, генерируемых блоком сбора исходных данных; блок сбора рабочих параметров, который получает в режиме реального времени набор данных рабочих условий, которые должны быть заданы в качестве рабочих условий этапов изготовления стальной трубы; и блок прогнозирования овальности, который прогнозирует информацию об овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы, соответствующую набору данных рабочих условий получаемому блоком сбора рабочих параметров, причем прогнозирование выполняется в режиме реального времени, используя модель прогнозирования овальности, генерируемую блоком генерирования модели прогнозирования овальности.
Устройство прогнозирования овальности стальной трубы может содержать терминальное устройство, содержащее входной блок, который собирает входную информацию на основании операций пользователя, и блок индикации, который отображает информацию об овальности, и блок сбора рабочих параметров может обновлять часть или весь набор данных рабочих условий на этапах изготовления стальной трубы на основании входной информации, получаемой входным блоком, и блок индикации может отображать информацию об овальности стальной трубы, прогнозируемую блоком прогнозирования овальности, используя обновленный набор данных рабочих условий.
Технические результаты изобретения
Согласно способу генерирования модели прогнозирования овальности стальной трубы по настоящему изобретению, существует возможность генерирования модели овальности стальной трубы, которая точно и быстро прогнозирует овальность стальной трубы, получаемой после этапа экспандирования трубы, в процессе изготовления стальной трубы, включающем в себя ряд этапов. Кроме того, согласно способу прогнозирования овальности стальной трубы и устройству для прогнозирования овальности стальной трубы по настоящему изобретению существует возможность точного и быстрого прогнозирования овальности стальной трубы, получаемой после этапа экспандирования трубы, в процессе изготовления стальной трубы, включающем в себя ряд этапов. Кроме того, согласно способу регулирования овальности стальной трубы по настоящему изобретению существует возможность точного регулирования овальности стальной трубы, получаемой после этапа экспандирования трубы, в процессе изготовления стальной трубы, включающем в себя ряд этапов. Кроме того, согласно способу изготовления стальной трубы по настоящему изобретению существует возможность изготовления стальной трубы, имеющей требуемую овальность с хорошим выходом продукции.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - схема, иллюстрирующая изготовление стальной трубы согласно варианту выполнения настоящего изобретения;
фиг. 2 - схема, иллюстрирующая пример этапа формования заготовки, имеющей U-образное сечение, используя устройство для гибки давлением;
фиг. 3 - схема, иллюстрирующая пример этапа формования заготовки, имеющей U-образное сечение, используя устройство для гибки давлением;
фиг. 4 - схема, иллюстрирующая пример конструкции устройства для придания заготовке O-образной формы;
фиг. 5 - схема, иллюстрирующая пример конструкции устройства для формования с замыканием;
фиг. 6 - схема, иллюстрирующая пример конструкции устройства экспандирования трубы;
фиг. 7 - схема, иллюстрирующая пример конструкции устройства для измерения формы наружного диаметра стальной трубы;
фиг. 8 - блок-схема, иллюстрирующая конфигурацию устройства генерации модели прогнозирования овальности стальной трубы по варианту выполнения настоящего изобретения;
фиг. 9 - блок-схема, иллюстрирующая конфигурацию устройства расчета овальности в автономном режиме, показанного на фиг. 8;
фиг. 10 - график, показывающий пример изменения взаимосвязи между величиной формования и овальностью стальной трубы после этапа экспандирования трубы в соответствии с изменением рабочих условий на этапе гибки давлением;
фиг. 11 - таблица, иллюстрирующая пример позиции вдавливания при формовании и величины вдавливания при формовании для каждого нажатия из ряда нажатий;
фиг. 12 - схема, иллюстрирующая последовательность выполнения операций прогнозирования овальности стальной трубы после экспандирования трубы, прогнозирование выполняется перед началом этапа гибки трубы;
фиг. 13 - схема, иллюстрирующая пример конечно-элементной модели;
фиг.14 - перспективный вид, иллюстрирующий в целом конструкцию устройства для придания заготовке C-образной формы;
фиг. 15 - вид в разрезе, иллюстрирующий конструкцию механизма формования;
фиг. 16 - схема, иллюстрирующая способ регулирования овальности стальной трубы по варианту выполнения настоящего изобретения;
фиг. 17 - схема, иллюстрирующая конфигурацию устройства для прогнозирования овальности стальной трубы по варианту выполнения настоящего изобретения.
Описание вариантов осуществления изобретения
Этап изготовления стальной трубы
На фиг. 1 показана схема, иллюстрирующая этап изготовления стальной трубы по варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг. 1, на этапе изготовления стальной трубы по варианту осуществления настоящего изобретения в качестве материала используется толстый стальной лист, изготавливаемый на этапе прокатки толстого листа, который является этапом предварительной обработки перед этапом изготовления стальной трубы. В данном случае толстый стальной лист имеет предел текучести 245 - 1050 МПа, предел прочности при растяжении 415 - 1145 МПа, толщину 6,4 - 50,8 мм, ширину 1200 - 4500 мм и длину 10 - 18 м. Кроме того, конец толстого стального листа в направлении ширины предварительно шлифуется для получения скошенной кромки, называемой скосом кромки. Этот этап выполняется для предотвращения перегрева углового участка наружной поверхности конца листа в направлении ширины для стабилизации прочности сварки на последующем этапе сварки. Кроме того, поскольку ширина толстого стального листа будет влиять на наружный диаметр после формования стальной трубы, ширина регулируется до заданного диапазона с учетом изменения деформации на последующих этапах.
Этап изготовления стальной трубы иногда включает в себя этап выполнения гибки концов посредством гибки концов стального листа по ширине. На этапе гибки концов, выполняемом с помощью устройства для придания заготовке C-образной формы, выполняется обработка посредством гибки (также называемая подгибкой) концов стального листа по ширине. Устройство для придания заготовке C-образной формы содержит пару матриц - верхнюю и нижнюю - и пару зажимов - верхний и нижний, - которые удерживают центральный участок стального листа, по ширине. Поскольку длина матрицы меньше длины стального листа, процесс гибки концов повторяется во время последовательной подачи стального листа в продольном направлении. Такой процесс гибки концов выполняется на обоих концах стального листа по ширине. Поскольку прикладывание изгибающего момента к концам, по ширине, в прессе для трехточечной гибки является затруднительным, этап гибки концов выполняется с помощью указанных матриц заранее. Это позволяет уменьшить овальность готовой стальной трубы. В данном случае примеры рабочих параметров для задания условий механической обработки включают в себя: ширину обработки путем гибки концов, которая равна длине, на которой матрица входит в контакт со стальным листом от конца, по ширине, стального листа к центру, по ширине, листа; усилие захватывания зажима; величину подачи стального листа, когда процесс гибки концов повторяется в продольном направлении стального листа, направление подачи, число подач и т.п.
Последующий этап гибки давлением является этапом обработки для получения формованной заготовки U-сечения посредством выполнения трехточечной гибки, многократно используя пуансон устройства для гибки давлением. Последующий этап уменьшения зазора под сварку является этапом уменьшения зазора под сварку в формованной заготовке, имеющей U-образное сечение, используя устройство для придания заготовке O-образной формы для формования открытой трубы. Следует отметить, что способ формования с замыканием, описанный в Патентной литературе 4, может использоваться вместо устройства для придания заготовке O-образной формы. Последующий этап сварки является этапом ограничения участка зазора под сварку, образованного на конце открытой трубы, так чтобы концы могли контактировать друг с другом, и соединения концов друг с другом. На этом этапе из формованной заготовки изготавливают стальную трубу, имеющие концы, соединенные друг с другом. Последующий этап экспандирования трубы является этапом использования устройства экспандирования, содержащего множество инструментов для экспандирования трубы, каждый из которых имеет криволинейную поверхность, полученную делением дуги на множество участков для экспандирования стальной трубы посредством приведения криволинейной поверхности инструментов для экспандирования трубы в контакт с внутренней поверхностью трубы. На этапе проверки изготовленной таким образом стальной трубы проверяют, соответствует ли ее качество, а именно, свойства материала, внешний вид и размеры, установленным техническим условиям, после чего стальная труба отгружается в виде готового изделия. В настоящем варианте выполнения этап проверки включает в себя этап измерения овальности стальной трубы.
В настоящем варианте осуществления изобретения этап гибки концов, этап гибки давлением, этап уменьшения зазора под сварку и этап экспандирования трубы из последовательности этапов изготовления, включающие формование стального листа в открытую трубу и этап экспандирования трубы после сварки, называются «этапом обработки формованием». Эти этапы являются общими этапами регулирования размеров и формы стальной трубы посредством пластической деформации стального листа. Ниже со ссылкой на чертежи приведено подробное описание отдельных этапов, включенных в этап изготовления стальной трубы.
Этап гибки концов
Ниже со ссылкой на фиг. 14 и 15 приведено подробное описание устройства для придания заготовке C-образной формы, которое выполняет обработку посредством гибки концов. На фиг. 14 показан перспективный вид общей компоновки устройства для придания заготовке C-образной формы. Как показано на фиг. 14, устройство 30 для придания заготовке C-образной формы содержит: транспортирующий механизм 31, который транспортирует стальной лист S в продольном направлении, т.е. в направлении транспортирования; формующий механизм 32A, который выполняет гибку одного конца, по ширине, Sc листа до получения заданной кривизны, при этом сторона выхода стального листа S в направлении транспортирования является передней стороной; формующий механизм 32B, который выполняет гибку другого конца, по ширине, Sd листа до получения заданной кривизны; и внутренний механизм регулирования (не показан), который регулирует расстояние между формующими механизмами 32A и 32B слева и справа по ширине стального листа S, который подвергается обработке посредством гибки концов. Транспортирующий механизм 31 содержит множество приводимых во вращение транспортирующих роликов 31a, расположенных впереди и сзади формующих механизмов 32A и 32B. Следует отметить, что ссылочное обозначение Sa на чертеже обозначает ведущий конец (передний конец в продольном направлении) стального листа S.
На фиг. 15(a) показан вид в разрезе формующего механизма 32A в направлении ширины, который выполняет обработку посредством гибки на одном конце Sc в направлении ширины стального листа S, если смотреть по направлению транспортирования стального листа S от входа (в процесс обработки) к выходу (из процесса обработки). Формующий механизм 32A и формующий механизм 32B двусторонне-симметричны и имеют идентичную компоновку. Формующие механизмы 32A/32B содержат верхнюю полуматрицу 33 и нижнюю полуматрицу 34 в качестве пары полуматриц, обращенных друг к другу в вертикальном направлении, и гидравлический цилиндр 36 в качестве средства перемещения полуматрицы, которое выдвигает вверх нижнюю полуматрицу 34 вместе с держателем 35 инструмента (движется в направлении приближения к верхней полуматрице 33) и зажимает полуматрицы с заданным усилием сжатия. Формующие механизмы 32A и 32B могут содержать зажимной механизм 37, который захватывает стальной лист S c внутренней стороны, по ширине листа, верхней полуматрицы 33 и нижней полуматрицы 34. Длина стального листа S в продольном направлении верхней полуматрицы 33 и нижней полуматрицы 34 меньше длины стального листа S. В этом случае обработка посредством гибки концов выполняется множество раз с периодической подачей стального листа S в продольном направлении транспортирующим механизмом 31 (см. фиг. 14).
На этапе гибки концов нижняя полуматрица 34, соприкасающаяся с поверхностью стального листа с наружной стороны, по отношению к направлению гибки, концов Sc и Sd стального листа по ширине, который подвергается обработке посредством гибки концов, имеет формующую поверхность 34a, обращенную к верхней полуматрице 33. Верхняя полуматрица 33 имеет формующую поверхность 33a выпуклой криволинейной формы, обращенную к формующей поверхности 34a, и радиус кривизны, соответствующий внутреннему диаметру стальной трубы, подлежащей изготовлению. Формующая поверхность 34a имеет вогнутую криволинейную поверхность, приближающуюся к верхней полуматрице 33 с наружной стороны по ширине. Однако, несмотря на то, что формующая поверхность 34a нижней полуматрицы 34 имеет форму вогнутой криволинейной поверхности, формующая поверхность может быть любой поверхностью, которая приближается к верхней полуматрице 33, когда она продолжается наружу в направлении ширины, и может быть наклонной плоскостью. Форма криволинейной поверхности верхней полуматрицы 33 и нижней полуматрицы 34 рассчитывается надлежащим образом в соответствии с толщиной, наружным диаметром стальной трубы и т.п. стального листа S и может выбираться и использоваться в соответствии с заданным материалом.
На фиг. 15(b) показан вид в разрезе формующего механизма 32A по ширине в таком же положении, как и на фиг. 15(a), отображающий состояние, в котором нижняя полуматрица 34 выдвигается вверх гидравлическим цилиндром 36 и зажимается. Нижняя полуматрица 34 выдвигается вверх гидравлическим цилиндром 36, и конец Sc стального листа S по ширине подвергается обработке посредством гибки и формуется в соответствии с формой по направлению дугообразной формующей поверхности 33a верхней полуматрицы 33. Ширина, на которой выполняется гибка конца (ширина обработки посредством гибки конца), варьируется в зависимости от ширины стального листа S и в общем составляет приблизительно 100 - 400 мм.
Этап гибки давлением
На фиг. 2 показан пример этапа формования формуемой заготовки, имеющей U-образное сечение, используя устройство для гибки давлением. На чертеже поз. 1 обозначена матрица, расположенная на пути транспортировки стального листа S. Матрица 1 содержит стержневые элементы 1a и 1b, левый и правый, для поддержки стального листа S в двух местах в направлении транспортирования, и расстояние ΔD между указанными элементами может изменяться в зависимости от размера стальной трубы, подлежащей формованию. Кроме того, поз. 2 обозначен пуансон, который может перемещаться в направлении к матрице 1 и от нее. Пуансон 2 имеет: передний конец 2a пуансона, имеющий направленную вниз выпуклую обрабатывающую поверхность, которая непосредственно контактирует со стальным листом S и прикладывает к нему давление, придавая стальному листу вогнутую форму; и опору 2b пуансона, которая соединена с задней поверхностью переднего конца 2a пуансона и поддерживает передний конец 2a пуансона. Максимальная ширина переднего конца 2a пуансона равна ширине (толщине) опоры 2b пуансона.
При выполнении обработки посредством гибки стального листа S, используя устройство для гибки давлением, имеющее вышеописанную конструкцию, стальной лист S помещают на матрицу 1, и формование трехточечной гибкой последовательно выполняется пуансоном 2 с обеих сторон стального листа S по ширине в направлении к центральному участку, как показано на фиг. 3, при периодической подаче стального листа S с заданной величиной подачи. На фиг. 3 представлен этап формования формуемой заготовки S1, показанной в правом ряду (j), на котором стальной лист S, предварительно обработанный посредством гибки концов, обрабатывается как показано сверху вниз в левом ряду (первая половина обработки (a) - e)) и затем обрабатывается как показано сверху вниз в центральном ряду (вторая половина обработки (f) - i)) с помощью операций, включающих в себя обработку посредством гибки и подачу стального листа S. На фиг. 3 стрелки возле стального листа S и пуансона 2 указывают направление движения стального листа S и пуансона 2 на отдельных этапах. Формованная заготовка S1, имеющая U-образное сечение в результате обработки на этом этапе, имеет зазор между концами, называемый «зазором под сварку».
В настоящем документе примеры рабочих параметров для установки рабочих условий на этапе гибки давлением включают в себя число нажатий, информацию о месте формования, величину вдавливания при формовании, расстояние между элементами матрицы, кривизну пуансона и т.п.
Число нажатий относится к общему числу нажатий на стальной лист в направлении ширины при формовании трехточечной гибкой. Большее число нажатий обеспечивает получение более плавной криволинейной формы формуемой заготовки, имеющей U-образное сечение, и большее уменьшение овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы.
Информация о месте формования относится к позиции в направлении ширины стального листа, подлежащей формованию пуансоном. В частности, указанная позиция может определяться расстоянием от одного конца стального листа в направлении ширины или расстоянием на основе центрального участка стального листа в направлении ширины. Информация о месте формования предпочтительно обрабатывается в виде данных, связанных с числом нажатий (последовательности, включающие в себя число нажатий от первого до N-го).
Величиной вдавливания при формовании называется величина перемещения пуансона 2 в каждой позиции вдавливания при формовании. Величина вдавливания при формовании определяется как величина, на которую нижняя концевая поверхность переднего конца 2a пуансона выступает вниз от линии, соединяющей точки самых верхних поверхностей матрицы 1, показанной на фиг. 2. В этом случае, поскольку величина перемещения переднего конца 2a пуансона может задаваться индивидуально для каждого нажатия, предпочтительно, чтобы число нажатий и величина вдавливания при формовании обрабатывались как связанные данные. Таким образом, когда число нажатий равно N, рабочее состояние на этапе гибки давлением определяется наборами данных от 1 до N, при этом число нажатий, информация о позиции формования и величина вдавливания при формовании составляют один набор из наборов данных.
Причина, по которой используются указанные наборы данных, состоит в том, что за счет частичного изменения позиции формования и величины перемещения пуансона на этапе гибки давлением вся форма сечения трубы в состоянии открытой трубы изменяется, что оказывает влияние на овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы. Вместе с тем нет необходимости использовать все N наборов данных в качестве входных переменных модели прогнозирования овальности, которая будет описана ниже. Допускается использование способа выбора условия, оказывающего большое влияние на овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы и генерирование модели прогнозирования овальности, используя информацию о позиции формования и величину вдавливания при формовании в начале (первый раз) или конце (N-ый раз) этапа гибки давлением.
Зазор в нижней матрице представляет собой расстояние между стержневыми элементами 1a и 1b, левым и правым, показанными на фиг. 2, и является параметром, обозначенным ΔD на чертеже. Увеличение зазора в нижней матрице будет изменять локальную кривизну стального листа даже при одной и той же величине вдавливания при формовании и оказывать влияние на овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы. Таким образом, в качестве рабочего параметра на этапе гибки давлением предпочтительно использовать зазор в нижней матрице, установленный в соответствии с размером стальной трубы, подлежащей формованию. Кроме того, в случае, когда зазор в нижней матрице изменяется при каждом нажатии на пуансон, данные, связанные с числом нажатий, могут использоваться в качестве рабочих параметров.
Кривизна пуансона относится к кривизне переднего конца пуансона, используемого для формования. Увеличение кривизны пуансона также увеличивает локальную кривизну стального листа во время формования трехточечной гибкой, оказывая влияние на овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы. Однако, поскольку при формовании одного стального листа сложно изменять кривизну для каждого нажатия, предпочтительно использовать кривизну пуансона, заданную в соответствии с размером стальной трубы, подлежащей формованию, в качестве рабочего параметра на этапе гибки давлением.
Этап уменьшения зазора под сварку
Этап уменьшения зазора под сварку является этапом уменьшения зазора под сварку формованной заготовки, имеющей U-образное сечение и образованной на этапе гибки давлением, и прикладывания изгибающего усилия и сжимающего усилия для приближения друг к другу концов формованной заготовки U-образного сечения. В этом случае, несмотря на прикладывание изгибающего усилия или сжимающего усилия к формованной заготовке U-образного сечения, зазор под сварку увеличивался бы из-за упругого возврата к прежним размерам (пружинения) при снятии нагрузки. Таким образом, принимая в расчет явление пружинения, прикладывается значительное изгибающее усилие или сжимающее усилие для обеспечения деформации и изменения U-образного сечения формованной заготовки в целом в продольном направлении.
На фиг. 4 показан пример конструкции устройства для придания заготовке O-образной формы, используемого на этапе уменьшения зазора под сварку. Как показано на фиг. 4(a), благодаря использованию верхней полуматрицы 3 и нижней полуматрицы 4, устройство для придания заготовке O-образной формы обеспечивает деформацию сжатия в продольном направлении формованной заготовки S1, имеющей U-образное сечение. В этом случае поверхности верхней полуматрицы 3 и нижней полуматрицы 4, контактирующие с формованной заготовкой S1, имеющей U-образное сечение, обрабатываются таким образом, чтобы они имели форму криволинейной поверхности. Благодаря сближению верхней полуматрицы 3 и нижней полуматрицы 4 друг с другом нижний участок формованной заготовки S1, имеющей U-образное сечение, удерживается вдоль криволинейной поверхности нижней полуматрицы 4. Верхний участок формованной заготовки S1, содержащий концы, воспринимает изгибающее усилие и сжимающее усилие, создаваемые верхней полуматрицей 3, для сближения концов друг с другом вдоль криволинейной поверхности верхней полуматрицы 3.
Это временно уменьшает зазор под сварку между концами, обращенными друг к другу в окружном направлении. В дальнейшем после снятия давления матрицы зазор под сварку в результате пружинения расширяется, и определяется окончательная величина просвета на участке G зазора под сварку в открытой трубе S2, как показано на фиг. 4(b). В этом случае величина вдавливания при O-формовании является величиной, которую получают вычитанием из заданного наружного диаметра стальной трубы расстояния между самой верхней точкой вписанной поверхности верхней полуматрицы 3 и самой нижней точкой вписанной поверхности нижней полуматрицы 4 во время сжатия матрицы. Этот показатель также именуется показателем уменьшения зазора под сварку при O-формовании, где используется отношение величины вдавливания при O-формовании к наружному диаметру стальной трубы.
Здесь примеры рабочих параметров для задания рабочих условий на этапе уменьшения зазора под сварку помимо величины вдавливания при O-формовании включают в себя позицию вдавливания при O-формовании, R матрицы при O-формовании и т.п.
Позицией вдавливания при O-формовании называется угол, образованный вертикальной линией и линией, соединяющей конец участка зазора под сварку формованной заготовки S1, имеющей U-образное сечение, и позицию в центре формованной заготовки S1 по ширине. Кроме того, R матрицы для O-формования относится к кривизне области верхней полуматрицы 3 и нижней полуматрицы 4, контактирующей с формованной заготовкой S1. Чем больше величина вдавливания при O-формовании в устройстве для придания заготовке O-образной формы, тем больше кривизна формованной заготовкой S1 вокруг положений «3 часа» и «9 часов», что уменьшает овальность готовой стальной трубы.
С другой стороны, при использовании способа замыкающего формования вместо устройства для придания заготовке O-образной формы, устройство для замыкающего формования, показанное на фиг. 5, используется в качестве устройства для формования открытой трубы S2 из формованной заготовки S1. Как показано на фиг. 5, устройство для замыкающего формования содержит нижние инструменты 10a и 10b. Нижние инструменты 10a и 10b расположены с интервалами друг от друга, и каждый из них содержит приводной механизм, способный реверсировать направление вращения. Кроме того, нижние инструменты 10a и 10b поддерживаются пружинными средствами 11a и 11b и т.п. Верхний инструмент 13, содержащий пуансон 12, расположен таким образом, что он обращен к нижним инструментам 10a и 10b. С наружной стороны с помощью пуансона 12 к формованной заготовке S1, имеющей U-образное сечение, прикладывается толкающее усилие.
Формованная заготовка S1, имеющая U-образное сечение, формуется для получения открытой трубы S2 с помощью двух этапов. На первом этапе позиция формования формованной заготовки S1 позиционируется с помощью поворотных инструментов 10a и 10b таким образом, что область R1, которая находится с правой стороны от участка G зазора под сварку и является заданной областью прикладывания деформации изгиба, позиционируется вблизи положения «три часа», как схематично показано с помощью штрих-пунктирной линии. В дальнейшем с помощью пуансона 12 прикладывается толкающее усилие, и после прикладывания толкающего усилия выполняется снятие нагрузки пуансона 12. Далее сходным образом с первым этапом выполняется операция на втором этапе, на котором место формования располагается таким образом, что область R2, которая находится с левой стороны от участка G зазора под сварку и является заданной областью прикладывания деформации изгиба, позиционируется вблизи положения «девять часов». После этого с помощью пуансона 12 прикладывается толкающее усилие, и после прикладывания толкающего усилия выполняется снятие нагрузки пуансона, в результате чего из формованной заготовки S1 получают открытую трубу S2.
Позиция формования на первом и втором этапах обозначается углом, который образует линия, соединяющая центр участка G зазора под сварку и центральную позицию стального листа по ширине (угол, образованный штрих-пунктирной линией на фиг. 5 и вертикальной линией). Толкающее усилие на первом и втором этапах относится к усилию формования, прикладываемому к формованной заготовке S1 пуансоном 12.
Этап сварки
В дальнейшем торцевые поверхности участка с зазором под сварку открытой трубы S2 стыкуются друг с другом и свариваются в сварочной машине (соединительном средстве) для получения стальной трубы. Используемая сварочная машина (соединительное средство) является, например, устройством, содержащим сварочные машины трех типов, т.е. сварочную машину для сварки труб прихваточным швом, сварочную машину для сварки внутренней поверхности труб и машину для сварки наружной поверхности труб. В этих сварочных машинах сварочная машина для сварки труб прихваточным швом непрерывно приводит поверхности, стыкуемые с помощью формующих валков, в плотный контакт друг с другом при соответствующем взаимном расположении и сваривает участок плотного контакта по всей длине в направлении оси трубы. Далее труба, сваренная прихваточным швом, сваривается (дуговой сваркой под флюсом) со стороны внутренней поверхности состыкованного участка с помощью сварочной машины для сварки внутренней поверхности труб и затем сваривается (дуговой сваркой под флюсом) со стороны наружной поверхности состыкованного участка с помощью сварочной машины для сварки наружной поверхности труб.
Этап экспандирования трубы
Стальная труба, имеющая заваренный участок зазора под сварку, обрабатывается таким образом, что устройство для экспандирования трубы вставляется в стальную трубу для экспандирования диаметра стальной трубы (называемого экспандированием трубы). На фиг. 6(a) - 6(c) показан пример конструкции устройства для экспандирования трубы. Как показано на фиг. 6(a), устройство для экспандирования трубы содержит множество сегментов 16 для экспандирования трубы, имеющих криволинейные поверхности, полученные посредством деления дуги на множество дуг в окружном направлении конической наружной периферийной поверхности 17. При экспандировании стальной трубы, используя устройство для экспандирования трубы, как показано на фиг. 6(b) и 6(c), сегмент 16 для расширения трубы сначала выравнивается с позицией начала экспандирования трубы посредством перемещения стальной трубы P, используя устройство для перемещения стальной трубы. Далее посредством втягивания тяговой штанги 18 из начального положения экспандирования трубы выполняется первая обработка по экспандированию трубы.
Это позволяет каждому из сегментов 16 для экспандирования трубы в скользящем контакте с конической наружной периферийной поверхностью 17 перемещаться в радиальном направлении за счет клинового действия, экспандируя стальную трубу P. Это уменьшает уровень неправильности формы сечения стальной трубы P, приближая форму сечения стальной трубы к идеальной круглой форме. Далее, тяговая штанга 18 выдвигается в исходное положение экспандирования трубы для возврата сегментов 16 экспандирования трубы внутрь в вертикальном осевом направлении с помощью механизма высвобождения, и после этого стальная труба P дополнительно перемещается на расстояние, соответствующее шагу (длине по оси) сегментов 16 для экспандирования трубы. Сегменты 16 для экспандирования трубы регулируются в соответствии с новой позицией экспандирования трубы, и затем вышеописанная операция повторяется. Это позволяет выполнять первую обработку для экспандирования трубы по всей длине стальной трубы P в соответствии с шагом сегментов 16 для экспандирования трубы.
Примеры рабочих параметров для определения рабочих условий этапа экспандирования трубы включают в себя коэффициент экспандирования трубы, число сегментов для экспандирования трубы и диаметр сегментов для экспандирования трубы. Коэффициентом экспандирования трубы называется отношение разницы между наружным диаметром после экспандирования трубы и наружным диаметром перед экспандированием трубы к наружному диаметру перед экспандированием трубы. Наружный диаметр перед экспандированием трубы и после экспандирования трубы может быть подсчитан посредством измерения длины по окружности стальной трубы. Коэффициент экспандирования трубы может регулироваться посредством величины хода, когда сегменты для экспандирования трубы расширяются в радиальном направлении. Число сегментов для экспандирования трубы - это число сегментов, которые упираются в стальную трубу, расположенную в окружном направлении, когда выполняется экспандирование трубы. Диаметр сегмента для экспандирования трубы относится к кривизне участка каждого сегмента для экспандирования трубы, который упирается в стальную трубу.
Наряду с этими параметрами, коэффициентом экспандирования трубы является рабочим параметром, который может легко регулировать овальность после этапа экспандирования трубы. Увеличение коэффициента экспандирования трубы обеспечивает кривизну области контакта с сегментом для экспандирования трубы равномерно по всей окружности трубы согласно R сегментов для экспандирования трубы, позволяя уменьшить овальность. Чем больше число сегментов для экспандирования трубы, тем большая локальная вариация кривизны в окружном направлении стальной трубы может устранена, позволяя достичь удовлетворительной овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы.
Однако, с другой стороны, излишне высокий коэффициент экспандирования трубы мог бы снизить предел текучести при сжатии готовой стальной трубы из-за эффекта Баушингера. Когда стальная труба используется в качестве трубы для трубопровода, в окружном направлении трубы действуют высокие напряжения сжатия. Таким образом, материал стальной трубы должен иметь высокий предел текучести при сжатии, и увеличение коэффициента экспандирования трубы более, чем это необходимо, является неприемлемым. Соответственно, коэффициент экспандирования трубы в фактических условиях задается таким образом, чтобы овальность стальной трубы находилась в пределах заданной величины при коэффициенте экспандирования трубы ниже заданного верхнего предельного значения коэффициента экспандирования трубы.
Этап измерения овальности
На этапе проверки, который является последним этапом при изготовлении стальной трубы, проверяют качество стальной трубы и измеряют овальность стальной трубы. Овальность, измеряемая на этапе измерения овальности, является показателем, представляющим степень отклонения формы наружного диаметра стальной трубы от идеальной окружности. Как правило, чем ближе овальность к нулю, тем ближе форма сечения стальной трубы к идеальной окружности. Овальность вычисляется на основе информации о наружном диаметре стальной трубы, измеряемом с помощью устройства для измерения овальности. Например, труба разделяется на равные части в окружном направлении в определенном месте по длине трубы, после чего измеряются наружные диаметры в противолежащих позициях. Когда из числа указанных диаметров максимальный диаметр и минимальный диаметр определяются как Dmax и Dmin, соответственно, овальность может быть определена как Dmax - Dmin. Чем больше число разделений на равные части, тем более меньшие неправильности формы стальной трубы после этапа экспандирования могут быть числовым показателем, что является предпочтительным. В частности, предпочтительно использовать информацию, получаемую при разделения на равные части в количестве 4 - 36000. Более предпочтительно использовать деление на 360 и более равных частей.
Однако овальность необязательно должна быть представлена разницей между максимальным диаметром и минимальным диаметром. Также допускается использовать способ расчета эквивалентной временной идеальной окружности (диаметра), имеющей такую же площадь, как и площадь внутри кривой фигуры, представляющей форму наружного диаметра стальной трубы на непрерывной диаграмме, и определения на основе временной идеальной окружности области, отклоняющейся от формы наружного диаметра стальной трубы, в виде изображения. В качестве средства измерения формы наружного диаметра стальной трубы, к примеру, могут использоваться следующие методы.
(a) Как показано на фиг. 7(a), с помощью устройства, содержащего штангу 20, которая может поворачиваться на 360 градусов относительно, по существу, центральной оси стальной трубы P, щупы 21a и 21b перемещения, прикрепленные к дальнему концу штанги 20, и датчик 22 угла поворота, который определяет угол поворота поворотного вала штанги 20, измеряется расстояние между центром вращения штанги 20 и точкой измерения на наружной периферии стальной трубы P с помощью щупов 21a и 21b перемещения для каждого угла поворота штанги 20 в минутах, после чего определяется форма наружного диаметра стальной трубы P на основе измеренного значения.
(b) Как показано на фиг. 7(b), с помощью устройства, содержащего поворотную штангу 25, которая поворачивается относительно центральной оси стальной трубы P, раму (не показана), которая расположена на торцевой стороне поворотной штанги 25 и может перемещаться в радиальном направлении стальной трубы P, пару прижимных роликов 26a и 26b, которые приходят в контакт с наружной поверхностью и внутренней поверхностью конца стальной трубы P и вращаются при вращении поворотной штанги 25, и пару нажимных пневматических цилиндров, прикрепленных к раме, которые прижимают прижимные ролики 26a и 26b к наружной поверхности и внутренней поверхности стальной трубы P, форма наружного диаметра стальной трубы P определяется на основе величины перемещения в радиальном направлении рамы и позиций прижимных роликов 26a и 26b, прижимаемых с помощью отдельных пневматических цилиндров.
В настоящем варианте выполнения за счет сравнения результата прогнозирования овальности, полученного с помощью модели прогнозирования овальности, описанной ниже, с измеренной величиной овальности, полученной на этапе проверки, описанном выше, можно подтверждать точность прогнозирования овальности. Таким образом, что касается результата прогнозирования с помощью модели прогнозирования овальности, описанной ниже, также можно повысить точность прогнозирования посредством добавления фактической величины погрешности прогнозирования к результату прогнозирования с помощью модели прогнозирования овальности.
Устройство для генерации модели прогнозирования овальности стальной трубы
На фиг. 8 показана схема конфигурации устройства для генерации модели прогнозирования овальности стальной трубы по варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг. 9 показана схема конфигурации блока 112 расчета овальности трубы в автономном режиме из фиг. 8.
Как показано на фиг. 8, устройство 100 для генерации модели прогнозирования овальности стальной трубы по варианту осуществления настоящего изобретения содержит устройство обработки информации, такое как рабочая станция, и содержит блок 110 сбора исходных данных, базу данных 120 и блок 130 генерирования модели прогнозирования овальности.
Блок 110 сбора исходных данных содержит набор данных 111 для рабочих условий, полученный посредством определения количества факторов, оказывающих влияние на овальность стальной трубы на этапе гибки давлением, этапе уменьшения зазора под сварку, этапе сварки и этапе экспандирования трубы; и блока 112 расчета овальности трубы в автономном режиме, который выдает данные об овальности после этапа экспандирования трубы, используя набор данных 111 для рабочих условий в качестве условия на входе.
В настоящем варианте выполнения набор данных 111 для рабочих условий включает в себя, по меньшей мере, атрибутивную информацию, относящуюся к стальному листу, используемому в качестве материала, рабочему параметру этапа гибки давлением и рабочему параметру этапа уменьшения зазора под сварку. Это связано с тем, что указанная информация оказывает большое влияние на овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы и оказывает влияние на колебание овальности. Вместе с тем могут быть приняты во внимание другие рабочие параметры этапа сварки и этапа экспандирования трубы. Данные, используемые для набора данных 111 для рабочих условий, будут описаны ниже.
Блок 110 сбора исходных данных выполняет численные операции с помощью блока 112 расчета овальности трубы в автономном режиме, различным образом изменяя параметры, включенные в набор данных 111 для рабочих условий, тем самым, рассчитывая овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы, соответствующего множеству набору данных 111 для рабочих условий. Диапазон изменения параметра, включенного в набор данных 111 для рабочих условий, определяется на основании диапазона, который может изменяться в качестве нормального рабочего условия согласно размеру стальной трубы, подлежащей изготовлению, техническим условиям на оборудование для каждого этапа и т.п.
Блок 112 расчета овальности трубы в автономном режиме рассчитывает форму стальной трубы после этапа экспандирования трубы с помощью численного анализа для группы этапов изготовления от этапа гибки давлением до этапа экспандирования трубы, и получает овальность стальной трубы, исходя из формы после этапа экспандирования трубы. В этом случае этапы изготовления включают в себя этап гибки давлением, этап уменьшения зазора под сварку и этап экспандирования трубы. Как показано на фиг 9, блок 112 расчета овальности трубы в автономном режиме содержит: блоки 112a - 112c генерирования конечно-элементной модели для соответствующих этапов; и решатель 112d для конечно-элементного анализа. Следует отметить, что блок 112 расчета овальности трубы в автономном режиме может содержать блок генерирования конечно-элементной модели, соответствующий этапу гибки концов.
В случае, когда блок генерирования конечно-элементной модели, соответствующий этапу гибки концов, включен в состав блока 112 расчета овальности трубы в автономном режиме, блок генерирования конечно-элементной модели этапа гибки концов выполняет разделение на элементы внутри стального листа на основе атрибутивной информации о стальном листе. Разделение на элементы выполняется автоматически на основании заданного условия разделения на элементы. Конечно-элементная модель этапа гибки концов, которая претерпела разделение на элементы, передается в решатель 112d для конечно-элементного анализа вместе с условиями расчета на этапе гибки концов. Условия расчета на этапе гибки концов включают в себя рабочие параметры этапа гибки концов и также включают в себя всю информацию, необходимую для выполнения конечно-элементного анализа, точно определяющего все граничные условия, такие как величины физических свойств обрабатываемого изделия, инструмента и т.п., геометрические граничные условия и механические граничные условия. Форма стального листа и распределение зависимости деформаций от напряжений, полученные посредством конечно-элементного анализа на этапе гибки концов, передаются в блок 112a генерирования конечно-элементной модели на этапе гибки концов в качестве исходных условий, относящихся к обрабатываемому изделию на этапе гибки концов.
Решатель 112d для конечно-элементного анализа может быть создан в виде целого ряда доступных для приобретения универсальных модулей программного обеспечения для анализа, и, таким образом, существует возможность надлежащего выбора и внедрения некоторых из них для эффективного применения. Как вариант, также допускается использовать режим, в котором решатель 112d для конечно-элементного анализа устанавливается в компьютер отдельно от блока 112 расчета овальности трубы в автономном режиме, и входные данные, включающие в себя конечно-элементную модель, и выходные данные в виде результата расчета передаются в блок 112 расчета овальности трубы в автономном режиме и принимаются от него. Это связано с тем, что после генерирования конечно-элементной модели, соответствующей каждому этапу, численный анализ может выполняться с помощью одиночного решателя для конечно-элементного анализа.
Метод конечных элементов является методом приближенного решения путем разделения непрерывного тела на конечные элементы. Несмотря на то, что метод конечных элементов является приближенным решением, он представляет собой метод получения решения, которое удовлетворяет равновесию сил и непрерывности перемещения в узловых точках элементов, позволяя получать высокоточное решение при неравномерной деформации. В методе конечных элементов напряжение, деформация и смещение в элементе определяются независимо для каждого элемента и связаны со смещением (скоростью) узла и определяются как задача решения системы уравнений. В широко используемом методе деформация (приращение) или напряжение оценивается посредством использования приращения (скорости) в узле элемента в качестве неизвестной величины.
Кроме того, метод конечных элементов характеризуется тем, что расчет выполняется на основании принципа возможных перемещений, выраженного в интегральной форме относительного равновесного состояния напряжения в элементе. Точность результата анализа варьируется в зависимости от условий, таких как разделение на элементы. Кроме того, время расчета, необходимое для выполнения анализа, как правило, является длительным. Кроме того, метод конечных элементов характеризуется способностью к получению решения проблемы, которое трудно обеспечить другими методами, причем указанное решение удовлетворяет основному уравнению пластической механики в узле или элементе. Таким образом, даже в случае усложненного процесса формования на этапе изготовления стальной трубы существует возможность получения решений в отношении перемещения, поля механических напряжений и поля деформаций обрабатываемого изделия, близких к реальности.
Часть решателя для конечно-элементного анализа может быть заменена различными методами численного анализа или приближенными решениями, такими как теория поля линий скольжения или энергетический метод. Это позволяет сократить общее время расчета. Кроме того, конечно-элементный анализ, используемый в настоящем варианте осуществления изобретения, выполняет упруго-пластичный анализ и не включает в себя анализ температурного поля, такой как анализ теплопроводности. Однако, когда скорость обработки является высокой, и температура обрабатываемого изделия сильно повышается из-за генерирования тепла при обработке, допускается выполнять анализ, комбинируя анализ теплопроводности и упруго-пластичный анализ. Кроме того, упруго-пластичный анализ в настоящем варианте осуществления изобретения является двухмерным поперечным анализом на любом из этапов, к которым относятся этап гибки давлением, этап уменьшения зазора под сварку и этап экспандирования трубы, и является достаточным для выполнения численного анализа U-образного сечения, сечения неподвижного участка в продольном направлении, когда стальной лист формуется для получения открытой трубы, и стальной трубы. Для прогнозирования высокой точности формы подвижного участка, такого как передний конец и задний конец стальной трубы, предпочтительным является наличие блока генерирования конечно-элементной модели, который выполняет трехмерный анализ, включая передний и задний концы.
Атрибутивная информация о стальном листе, который является обрабатываемой заготовкой, на этапе гибки давлением выдается в качестве входных данных. Если в качестве этапа, предшествующего этапу гибки давлением, предусмотрен этап гибки концов, форма стального листа и распределение в нем напряжений/деформаций, полученные в результате выполнения конечно-элементного анализа этапа гибки концов, будут исходными условиями для обрабатываемой заготовки на этапе гибки давлением. Здесь блок 112a генерирования конечно-элементной модели на этапе гибки давлением выполняет разделение на элементы внутри стального листа на основании размера и формы стального листа перед этапом гибки давлением. Разделение на элементы выполняется автоматически на основании заданного условия разделения на элементы. Распределение напряжения и деформации внутри заготовки может быть назначено для каждого элемента на основании истории изготовления, относящейся к стальному листу, на предшествующем этапе. Это связано с тем, что на этапе гибки давлением, главным образом включающем в себя обработку давлением, исходные остаточные напряжения также оказывают влияние на форму U-образной формуемой заготовки из обрабатываемого стального листа.
Совместно с конечно-элементной моделью этапа гибки давлением, генерируемой указанным образом, условие расчета на этапе гибки давлением передается в качестве входных данных в решатель 112d для конечно-элементного анализа. Предусматривается, что условия расчета на этапе гибки давлением включают в себя рабочие параметры этапа гибки давлением и всю информацию, необходимую для выполнения конечно-элементного анализа, точно определяющего все граничные условия, такие как величины физических свойств обрабатываемого изделия, инструмента и т.п., геометрические граничные условия и механические граничные условия.
Решатель 112d для конечно-элементного анализа выполняет численный анализ согласно условиям расчета, как указано выше, для получения формы U-образной формованной заготовки и распределения напряжения и деформации, оставшихся внутри заготовки после этапа гибки давлением. Результат, полученный посредством такого расчета, используется в качестве входных данных для следующего этапа уменьшения зазора под сварку в блоке 112 расчета овальности трубы в автономном режиме. На основании рассчитанной формы после этапа гибки давлением блок 112b генерирования конечно-элементной модели этапа уменьшения зазора под сварку выполняет разделение на элементы в U-образной формованной заготовке. Разделение на элементы выполняется автоматически на основании заданного условия разделения на элементы. Предпочтительно следует задать распределение напряжения и деформации, рассчитанное для предыдущего этапа на каждом элементе. Причина такого задания является сходной с причиной, описанной выше.
Совместно с конечно-элементной моделью этапа уменьшения зазора под сварку, генерируемой указанным образом, условия расчета на этапе уменьшения зазора под сварку передаются в качестве входных данных в решатель 112d для конечно-элементного анализа. Предусматривается, что условия расчета на этапе уменьшения зазора под сварку включают в себя рабочие параметры этапа уменьшения зазора под сварку и всю информацию, необходимую для выполнения конечно-элементного анализа, точно определяющего все граничные условия, такие как физические свойства обрабатываемого изделия, инструмента и т.п., геометрические граничные условия и механические граничные условия.
Решатель 112d для конечно-элементного анализа выполняет численный анализ согласно условиям расчета, как указано выше, для получения формы открытой трубы и распределения остаточных напряжения и деформации внутри заготовки после этапа уменьшения зазора под сварку Результат, полученный посредством такого расчета, используется для входных данных в блоке 112c генерирования конечно-элементной модели следующего этапа, а именно, этапа экспандирования трубы. На этапе сварки на участке зазора под сварку открытой трубы остаточные напряжение и деформация, генерируемые в стальной трубе после сварки, могут быть получены с помощью численного анализа на этапе сварки.
Однако во многих случаях выполнение точного численного анализа на этапе сварки вызывает затруднение по таким причинам, как характер изменения теплопроводности из-за расплавления стального листа во время сварки, и влияние на механические свойства зоны термического влияния. Кроме того, зона термического влияния в результате сварки оказывает влияние только на часть формы стальной трубы и оказывает незначительное влияние на остальные участки стальной трубы. Таким образом, допускается игнорирование влияния зоны термического влияния стального листа на этапе сварки на овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы.
На этапе сварки выполняется сварка с удерживанием открытой трубы с наружной стороны для уменьшения зазора в открытой трубе, что изменяет распределение напряжений и деформаций из-за изменения упругой деформации на участке, который не расположен вблизи участка зазора под сварку. Таким образом, используя решатель 112d для конечно-элементного анализа, можно выполнять численный анализ применительно к характеристикам удерживания зазора под сварку открытой трубы с наружной стороны для задания зазора под сварку открытой трубы, равного нулю, с помощью метода конечных элементов, и результат может соответствовать напряженно-деформированному состоянию после этапа сварки.
Вместе с тем, когда этап уменьшения зазора под сварку на таком этапе сварки соответствует упругой деформации, распределение напряжений/деформаций после этапа сварки может быть получено посредством совмещения аналитического решения в отношении напряжений и деформации с балкой с криволинейной осью согласно теории балок при распределении напряжений и деформаций в открытой трубе, подсчитанном с помощью конечно-элементного анализа. Это позволяет сократить время расчета.
На основании формы стальной трубы после этапа сварки, полученной, как описано выше, блок 112c генерирования конечно-элементной модели на этапе экспандирования трубы выполняет разделение на элементы внутри стальной трубы. Разделение на элементы выполняется автоматически на основании заданного условия разделения на элементы. Предпочтительно следует задать распределение напряжения и деформации, рассчитанное, как описано выше, для каждого элемента. Генерируемая конечно-элементная модель этапа экспандирования трубы передается в решатель 112d для конечно-элементного анализа вместе с условиями расчета на этапе экспандирования трубы. Предусматривается, что условия расчета на этапе экспандирования трубы включают в себя рабочие параметры этапа экспандирования трубы по настоящему варианту выполнения и также включают в себя всю информацию, необходимую для выполнения конечно-элементного анализа, точно определяющего все граничные условия, такие как физические свойства обрабатываемого изделия, инструмента и т.п., геометрические граничные условия и механические граничные условия.
Решатель 112d для конечно-элементного анализа выполняет численный анализ согласно расчету, как указано выше, для получения формы стальной трубы и распределения внутренних напряжений и деформаций после этапа экспандирования трубы. Рассчитанная форма стальной трубы имеет неравномерное распределение кривизны в окружном направлении, и овальность стальной трубы получают согласно определению овальности на этапе измерения овальности. Численный анализ с помощью блока 112 расчета овальности трубы в автономном режиме, используя метод конечных элементов, иногда требует времени вычисления приблизительно 1 - 10 часов для одного набора данных рабочих условий (отдельный случай).
Однако, поскольку обработка выполнятся в автономном режиме, ограничение времени вычисления не предусмотрено. Для сокращения времени вычисления для большого числа наборов данных рабочих условий численные операции, соответствующие множеству наборов данных рабочих условий, могут выполняться параллельно с помощью нескольких компьютеров. Это позволяет формировать базу данных для генерирования модели прогнозирования овальности в течение короткого периода времени. Кроме того, в последние годы время вычисления для отдельного случая с помощью графических процессоров общего назначения (GPGPU) составляет приблизительно от 1/2 до 1/10 от обычного времени вычисления, и такие вычислительные средства могут быть использованы.
Со ссылкой на фиг. 8 в базе 120 данных хранится набор 111 данных рабочих условий и соответствующие данные, относящиеся к овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы. Данные, хранящиеся в базе 120 данных, могут быть получены в автономном режиме. В отличие от базы данных, собираемой как фактические значения фактических операций, набор данных рабочих условий может быть гибким набором данных, делая базу данных пригодной для машинного обучения с меньшей вероятностью возникновения статистической ошибки в рабочем условии набора данных. Кроме того, поскольку результаты расчета, полученные с помощью точного численного анализа, накапливаются без сохранения обучающих данных, колеблющихся во времени, поэтому чем больше данных собирается, тем более полезная база данных может быть получена.
Блок 130 генерирования модели прогнозирования овальности генерирует модель M прогнозирования овальности, обучаемую с помощью машинного обучения, для получения овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы для набора 111 входных данных рабочих условий на основании взаимосвязи между множеством данных из наборов 111 данных рабочих условий и данных об овальности стальной трубы, хранящихся в базе 120 данных. В частности, взаимосвязь между рабочими условиями на каждом этапе и овальностью стальной трубы после этапа экспандирования трубы может иметь тенденцию к сложной нелинейности. Таким образом, хотя моделирование, предполагающее линейность, имело бы результатом прогнозирование с низкой точностью, метод машинного обучения, использующий функцию, имеющую нелинейность, такой метод, как нейронная сеть, может выполнять прогнозирование с высокой точностью. Здесь моделирование означает замену соотношения входные данные - выходные данные при числовой операции эквивалентной функциональной формой.
Желательно, чтобы количество баз данных, необходимых для генерирования модели M прогнозирования овальности, равнялось 500 или большему количеству блоков данных, хотя оно варьируется в зависимости от условий, таких как размер стальной трубы, подлежащей изготовлению. Предпочтительно, должны использоваться 2000 или больше блоков данных и более предпочтительно 5000 или больше блоков данных. Способ машинного обучения может быть известным способом обучения. Машинное обучение внедряется посредством использования, например, известного способа машинного обучения, такого как нейронная сеть. Примеры других способов включают в себя древовидную схему решений, случайный лес, регрессию на основе гауссовских процессов, регресссию опорных векторов и метод k-ближайших соседей. Несмотря на то, что модель M прогнозирования овальности генерируется в автономном режиме, блок 130 генерирования модели прогнозирования овальности может быть внедрен в систему регулирования в реальном режиме, и модель прогнозирования овальности может периодически обновляться, используя при необходимости базу данных, рассчитываемую и накапливаемую в автономном режиме.
Модель M прогнозирования овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы, генерируемая, как описано выше, имеет следующие характеристики. В качестве атрибутивной информации о стальном листе, например, предел текучести, толщина листа и т.п. имеют определенный уровень вариации при изготовлении стального листа в качестве материала, что оказывает влияние на кривизну стального листа и кривизну после снятия нагрузки во время толкания пуансона при формовании трехточечной гибкой на этапе гибки давлением. Таким образом, посредством выбора атрибутивной информации об указанных стальных листах в качестве входных параметров для модели M прогнозирования овальности, генерируемой в автономном режиме, можно прогнозировать влияние атрибутивной информации, такой как предел текучести и толщины листа на овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы. Кроме того, этап уменьшения зазора под сварку является этапом прикладывания изгибающего усилия и сжимающего усилия, используя матрицу или т.п., а также изменений кривизны стального листа после снятия нагрузки в зависимости от предела текучести, толщины листа и т.п. и, таким образом, указанная информация должна использоваться в качестве входных параметров модели M прогнозирования овальности.
Кроме того, поскольку этап гибки давлением является этапом выполнения непрерывной обработки посредством прикладывания кривизны множество раз в направлении ширины стального листа, локальное распределение кривизны происходит в направлении ширины стального листа. После этого, когда на этапе уменьшения зазора под сварку прикладывается комбинированная деформация сжатия и изгиба, изгибающий момент, прикладываемый на этапе уменьшения зазора под сварку, распределяется локально согласно локальному распределению кривизны стального листа, прикладываемой на этапе гибки давлением, сходным образом со случаем, когда изгибающий момент, действующий на балку, называемую «криволинейной балкой», варьируется в зависимости от кривизны балки перед деформацией. Это приводит к тому, что рабочие условия этапа гибки давлением оказывают влияние на распределение кривизны в направлении ширины стального листа после этапа уменьшения зазора под сварку. В этом отношении важно использовать оба рабочих параметра этапа гибки давлением и этапа уменьшения зазора под сварку в качестве входных параметров для модели M прогнозирования овальности.
Например, на фиг. 10 показаны результаты измерения овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы (при одних и тех же рабочих условиях этапа экспандирования трубы), при изменении показателя уменьшения зазора под сварку при O-формовании при использовании устройства для придания заготовке O-образной формы на этапе уменьшения зазора под сварку, при условии, что число нажатий при формовании на этапе гибки давлением задано равным девяти при изготовлении стальной трубы с наружным диаметром 30 дюймов и толщиной стенки трубы 44,5 мм. На фиг. 10 показаны результаты изменения величины вдавливания (величины вдавливания при окончательном проходе) во время последнего (девятого) нажатия на трех уровнях, при этом использованы одинаковые настройки для других рабочих условий на этапе гибки давлением.
Как показано на фиг. 10, показатель уменьшения зазора под сварку при O-формовании, представляющий собой величину формования на этапе уменьшения зазора под сварку, имеет оптимальное значение для уменьшения овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы, и можно видеть, что оптимальное значение изменяется в зависимости от окончательной величины вдавливания на этапе гибки давлением, что является рабочим условием этапа гибки давлением. Другими словами, ясно, что для уменьшения овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы существует необходимость изменения рабочих условий этапа уменьшения зазора под сварку в зависимости от рабочих условий этапа гибки давлением, при этом не всегда существует возможность задания соответствующих рабочих условий только посредством фокусирования внимания на том, что рабочие условия этапа гибки давлением и этапа уменьшения зазора под сварку оказывают влияние на овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы в качестве независимых параметров.
В этом отношении модель прогнозирования овальности по настоящему варианту осуществления изобретения может принимать во внимание влияние таких рабочих параметров нескольких этапов изготовления на овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы, что позволяет прогнозировать овальность с высокой точностью. Кроме того, поскольку генерируется модель прогнозирования овальности, обучаемая посредством машинного обучения, можно сразу же рассчитывать овальность на выходе, даже когда изменяется переменная, которая должна быть входным условием, что позволяет незамедлительно задавать и корректировать рабочие условия даже в случае использования в режиме реального времени. Ниже приведено описание каждого параметра, используемого для входных данных для модели прогнозирования овальности.
Атрибутивная информация о стальном листе
Необходимая атрибутивная информация о стальном листе, используемом в качестве материала, может быть любым параметром, оказывающим влияние на овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы, таким как предел текучести стального листа, предел прочности при растяжении, модуль упругости при растяжении, толщина листа, распределение толщины в плоскости листа, распределение предела текучести в направлении толщины стального листа, степень эффекта Баушингера и шероховатость поверхности. В частности, желательно использовать в качестве показателя фактор, оказывающий влияние на состояние деформации и пружинение стального листа при формовании трехточечной гибкой на этапе гибки давлением, и фактор, оказывающий влияние на состояние деформации и пружинение стального листа при обработке посредством сжатия/гибки на этапе уменьшения зазора под сварку.
Предел текучести стального листа, распределение предела текучести в направлении толщины стального листа и толщина листа оказывают прямое влияние на состояние напряжений и деформации при формовании трехточечной гибкой. Предел прочности при растяжении является параметром, отображающим состояние деформационного упрочнения при обработке гибкой, и оказывает влияние на напряженное состояние во время деформации изгиба. Эффект Баушингера оказывает влияние на предел текучести и последующие характеристики деформационного упрочнения при реверсировании нагрузки из-за деформации изгиба и оказывает влияние на напряженное состояние из-за деформации изгиба. Кроме того, модуль упругости при растяжении стального листа оказывает влияние на характеристики пружинения после обработки посредством гибки. Кроме того, распределение толщины в плоскости листа генерирует распределение кривизны изгиба на этапе гибки давлением, и шероховатость поверхности оказывает влияние на состояние трения между матрицей и стальным листом на этапе уменьшения зазора под сварку, что влияет на овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы.
Из этих блоков атрибутивной информации особенно предпочтительным является использование предела текучести, репрезентативной толщины листа, информации о распределении толщины листа и репрезентативной ширины листа. Указанные параметры, которые являются информацией, измеряемой на этапе контроля качества прокатки толстого листа, который является этапом изготовления стального листа, используемого в качестве материала, оказывают влияние на характеристики деформации на этапе гибки давлением и этапе уменьшения зазора под сварку, а также оказывают влияние на овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы, и, таким образом, предпочтительно должны использоваться в качестве атрибутивной информации о стальном листе в блоке 110 сбора исходных данных.
Предел текучести является информацией, которая может быть получена из испытания на растяжение небольшого образца для обеспечения качества, взятого от толстого стального листа, используемого в качестве материала, и может быть репрезентативной величиной в плоскости стального листа, используемого в качестве материала. Кроме того, репрезентативная толщина листа является толщиной листа, представляющей толщину листа в плоскости стального листа, используемого в качестве материала, и может быть толщиной центрального участка в направлении ширины стального листа в произвольном месте в продольном направлении или средней величиной толщины листа в продольном направлении. Кроме того, средняя величина толщины листа по всей плоскости стального листа может быть получена и использована в качестве репрезентативной толщины листа.
Помимо этого, информация о распределении толщины листа относится к информации, представляющей распределение толщины листа в направлении ширины стального листа. Типичным примером является утолщение, встречающееся в стальном листе. Утолщение представляет собой различие в толщине листа между центральным участком стального листа в направлении ширины и местом на удалении от конца стального листа в направлении ширины на заданном расстоянии (например, 100 мм, 150 мм и т.п.). Репрезентативная ширина листа является репрезентативной величиной, относящейся к ширине стального листа, используемого в качестве материала. Следует принять во внимание вариацию ширины толстого стального листа, используемого в качестве материала, или же ширина стального листа варьируется, когда конец листа шлифуется для получения скоса, что влияет на вариацию точности наружного диаметра изделия в виде стальной трубы.
Атрибутивная информация о вышеописанном стальном листе является информацией, используемой для задания рабочих условий на этапе изготовления стальной трубы в качестве информации, собранной главным компьютером во время работы в режиме реального времени. Блок 110 сбора исходных данных может выбирать из блоков информации соответствующую информацию, которая сочетается с атрибутивной информацией о стальных листах, собранной главным компьютером в режиме реального времени.
Рабочие параметры этапа гибки концов
Когда рабочие параметры этапа гибки концов используются для входных данных модели прогнозирования овальности, параметр для определения формы, образуемой формующей поверхностью 33a верхней полуматрицы 33, и формы, образуемой формующей поверхностью 34a нижней полуматрицы 34, который используется в устройстве 30 для придания заготовке C-образной формы, может использоваться в качестве рабочего параметра. Кроме того, также допускается использование в качестве рабочих параметров ширины при обработке посредством гибки концов (ширины, которая подвергается формованию при гибке концов), усилия толкания (усилия при C-формовании) и усилия захватывания зажимным механизмом 37 на этапе гибки конца. Это связано с тем, что указанные параметры являются факторами, оказывающими влияние на деформацию концов стального листа по ширине на этапе гибки концов. Когда на этапе гибки концов выполняется анализ пространственной деформации, величина подачи, направление подачи и число подач стального листа могут использоваться в качестве рабочих параметров на этапе гибки концов.
Следует принять во внимание случаи, когда форма, образованная формующей поверхностью 33a верхней полуматрицы 33, является формой, имеющей дуги с множеством радиусов кривизны в непрерывной форме, или форма является эвольвентой или т.п., допускающей использование параметра для определения геометрической формы сечения. Например, когда форма сечения образуется параболической формой, форма сечения может определяться посредством использования коэффициентов члена первого порядка и члена второго порядка квадратичного выражения, представляющего параболу, проходящую через начало отсчета, и, таким образом, коэффициент может использоваться в качестве рабочего параметра для этапа гибки концов.
С другой стороны, в случае, когда предусматривается несколько матриц для получения формы, образуемой формующей поверхностью 33a верхней полуматрицы 33, и матрицы соответствующим образом заменяются и используются согласно условиям, таким как наружный диаметр, толщина стенки и тип стальной трубы, подлежащей изготовлению, номер матрицы для определения матрицы, используемой на этапе гибки концов, может использоваться в качестве рабочего параметра этапа гибки концов.
Рабочие параметры этапа гибки давлением
В настоящем варианте осуществления изобретения рабочий параметр для этапа гибки давлением используется для входных данных модели прогнозирования овальности. Рабочие параметры для этапа гибки давлением могут быть различными параметрами, оказывающими влияние на величину локальной кривизны гибки стального листа и ее распределение по ширине стального листа, такими как вышеописанные: число нажатий при формовании трехточечной гибкой, информация о месте формования, величина вдавливания при формовании, зазор в нижней матрице и кривизна пуансона. В частности, предпочтительным является использование информации, включающей в себя всю информацию о позиции формования и величине вдавливания при формовании во время функционирования пуансона, формующего стальной лист, и число нажатий на этапе гибки давлением. Способ, представленный на фиг. 11, может быть приведен в качестве примера случая, включающего в себя все указанные блоки информации.
На фиг. 11(a) и 11(b) представлен пример позиции вдавливания при формовании и величины вдавливания при формовании, когда пуансон выполняет 16 вдавливаний / 10 вдавливаний в стальных листах, имеющих одинаковую ширину. Позиция вдавливания при формовании является информацией, указывающей расстояние от базового конца стального листа по ширине, и используется в качестве информации о позиции вдавливания при формовании. Кроме того, величина вдавливания при формовании соответствует каждой позиции вдавливания при формовании, и «число вдавливаний», «позиция вдавливания при формовании» и «величина вдавливания при формовании» могут быть объединены в набор данных. В примерах, показанных на фиг. 11(a) и 11(b), рабочие параметры этапа гибки давлением определяются 16 наборами данных и 10 наборами данных при числе нажатий 16 и 10, соответственно.
В настоящем варианте осуществления изобретения такой набор данных используется в качестве входных данных модели прогнозирования овальности в следующем виде. Например, в качестве входных данных модели прогнозирования овальности можно использовать позицию вдавливания при формовании и величину вдавливания при формовании при выполнении вдавливания при формовании в наиболее близкой позиции к концу на одном конце стального листа, и можно использовать позицию вдавливания при формовании и величину вдавливания при формовании в наиболее близкой позиции к концу на другом конце стального листа.
Когда величина вдавливания при формовании на одном конце стального листа увеличивается при формовании трехточечной гибкой, величина кривизны на участках стальной трубы, на фиг. 2, соответствующих примерно положению «один час», и участке, соответствующем приблизительно положению «одиннадцать часов», увеличиваются, что ведет к получению формованной заготовки, имеющей U-образное сечение, при этом в целом форма имеет большую длину в горизонтальном направлении. Кроме того, чем ближе позиция вдавливания при формовании к концу стального листа, тем ниже позиция участка зазора под сварку, что ведет к получению формованной заготовки, имеющей U-образное сечение, при этом в целом форма имеет большую длину в горизонтальном направлении. В результате стальная труба, подвергнутая формованию с получением открытой трубы и подвергнутая этапу сварки и этапу экспандирования трубы, также будет иметь в целом большую длину в горизонтальном направлении, что оказывает влияние на овальность. Кроме того, кривизна пуансона во время вдавливания при формовании, общее число вдавливаний при формовании и зазор между элементами нижней матрицы во время вдавливания при формовании также оказывают влияние на овальность.
Вместе с тем, посредством использования в качестве входных данных модели прогнозирования овальности всей информации о позиции вдавливания при формовании и данных о величине вдавливания при формовании вместе с числом нажатий можно дополнительно повысить точность прогнозирования для модели прогнозирования овальности. Например, с учетом предположительного максимального числа нажатий данные о позиции вдавливания при формовании и величине вдавливания при формовании сохраняются в соответствии с числом нажатий в случае выполнения формования. Позиция вдавливания при формовании и величина вдавливания при формовании при последующей обработке без формования задаются равными нулю. Например, в предполагаемом случае, где максимальное предположительное число нажатий в примерах на фиг. 11(a) и 11(b) равно 16, и когда число нажатий равно 10, данные о нажатии с 11-го по 16-ое, которые заданы равными нулю, будут входными данными для модели прогнозирования овальности.
Вышеописанные рабочие параметры этапа гибки давлением являются информацией, используемой в качестве рабочих условий, задаваемых главным компьютером при работе в режиме реального времени. Блок 110 сбора исходных данных предпочтительно выбирает параметр, который должен использоваться для входных данных для модели прогнозирования овальности, из рабочих параметров этапа гибки давлением, собираемых указанным образом главным компьютером при работе в режиме реального времени.
Рабочие параметры этапа уменьшения зазора под сварку
В настоящем варианте осуществления изобретения рабочие параметры этапа уменьшения зазора под сварку используются для входных данных в модель прогнозирования овальности. Когда на этапе уменьшения зазора под сварку используется устройство для придания заготовке O-образной формы, в качестве рабочих параметров могут использоваться величина вдавливания при O-формовании, позиция вдавливания при O-формовании и R матрицы при O-формовании. В другом случае, где используется способ формования с замыканием, на каждом вышеописанном этапе в качестве рабочих параметров используются позиция вдавливания для формования с замыканием и усилие толкания для формования с замыканием. В частности, когда используется устройство для придания заготовке O-образной формы, предпочтительным является использование величины вдавливания при O-формовании. Это связано с тем, что увеличение значения вдавливания при O-формовании привело бы к состоянию, в котором область между позицией, где стальная труба воспринимает удерживающее усилие формования от верхней полуматрицы, и позицией, где стальная труба удерживается нижней полуматрицей, главным образом, вблизи участков «трех часов» и «девяти часов» стальной трубы, не ограничивалась бы и где концентрировались бы деформации изгиба и сжатия. Эта область будет иметь увеличенную кривизну, что оказывает влияние на окончательную овальность.
Вышеописанные рабочие параметры этапа уменьшения зазора под сварку являются информацией, используемой в качестве рабочих условий, задаваемых главным компьютером при работе в режиме реального времени. Блок 110 сбора исходных данных предпочтительно выбирает параметр, который должен использоваться для входных данных для модели прогнозирования овальности, из рабочих параметров этапа уменьшения зазора под сварку, собираемых указанным образом главным компьютером при работе в режиме реального времени.
Рабочие параметры этапа экспандирования трубы
В добавление к вышеописанным рабочим параметрам, когда рабочие параметры этапа экспандирования трубы используются для входных данных в модель прогнозирования овальности, коэффициент экспандирования трубы может использоваться в качестве рабочего параметра этапа экспандирования трубы. Несмотря на то, что чем больше коэффициент экспандирования трубы, тем в большей степени уменьшается овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы, верхняя предельная величина коэффициента экспандирования трубы ограничивается с точки зрения предела текучести при сжатии готовой стальной трубы, и, следовательно, условие вычисления в блоке 110 сбора исходных данных должно определяться, используя значение в пределах диапазона. Поскольку коэффициент экспандирования трубы является информацией, необходимой для регулирования устройства экспандирования трубы, коэффициент экспандирования трубы может определяться установленным значением, задаваемым с помощью счетно-решающего устройства высокого порядка. В качестве рабочего параметра этапа экспандирования трубы в добавление к коэффициенту экспандирования трубы могут использоваться количество сегментов для экспандирования трубы и диаметр сегментов для экспандирования трубы.
Способ прогнозирования овальности
В настоящем варианте осуществления изобретения модель M прогнозирования овальности, генерируемая в автономном режиме с помощью вышеописанного блока 130 генерирования модели прогнозирования овальности, используется для выполнения прогнозирования овальности стальной трубы в режиме реального времени после этапа экспандирования трубы. Во время исходной процедуры прогнозирования овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы набор данных рабочих условий, которые должны быть заданы в качестве рабочих условий этапа изготовления стальной трубы, собирается в режиме реального времени (этап получения рабочих параметров). Это этап получения необходимых данных от главного компьютера, который выполняет общее управление этапом изготовления стальной трубы, или от отдельного управляющего компьютера на этапе обработки формованием в качестве набора данных рабочих условий, который соответствует входным данным для модели прогнозирования овальности, генерируемой, как описано выше. Здесь термин «в режиме реального времени» означает продолжительность серии этапов изготовления от момента времени перед началом этапа изготовления стальной трубы до завершения этапа экспандирования трубы. Таким образом, обработка необязательно должна заключаться в выполнении любого из этапов обработки формованием. Период ожидания во время транспортирования стального листа на следующий этап между каждыми двумя этапами изготовления также относится к «режиму реального времени». Кроме того, период перед началом этапа изготовления стальной трубы и после завершения этапа прокатки толстого листа при изготовлении стального листа также может быть отнесен к «режиму реального времени». Это связано с тем, что по завершении этапа прокатки толстого листа при изготовлении стального листа, используемого в качестве материала, может быть получен набор данных рабочего условия, которые должны быть введены в модель прогнозирования овальности настоящего изобретения. Модель, используемая в режиме реального времени, является моделью M прогнозирования овальности, обучаемой с помощью машинного обучения, и после задания рабочего параметра, который должен быть входным условием, можно сразу же рассчитывать овальность, которая должна быть выходным параметром, и быстро изменять рабочие условия и т.п.
Прогнозирование овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы может выполняться в любой момент времени перед этапом изготовления стального листа или во время указанного этапа. Набор данных рабочих условий, которые должны быть введены в модель M прогнозирования овальности, надлежащим образом генерируется в соответствии с временем выполнения прогнозирования. Другими словами, когда прогнозирование овальности стальной трубы после экспандирования трубы выполняется перед выполнением этапа гибки давлением, можно использовать фактические величины (фактические величины измерения) для атрибутивной информации о стальном листе, используемом в качестве материала, и заданная величина рабочего условия, предварительно устанавливаемая в главном компьютере, используется в качестве рабочего параметра следующего этапа изготовления, включающего этап гибки давлением.
Кроме того, когда этап гибки давлением заканчивается, и прогнозирование овальности стальной трубы после экспандирования трубы выполняется перед началом выполнения этапа уменьшения зазора под сварку, фактические величины (фактические величины измерения) для атрибутивной информации о стальном листе, используемом в качестве материала, и фактические величины рабочего условия, предварительно заданные главным компьютером, должны использоваться в качестве рабочих параметров следующего этапа изготовления, включающего этап уменьшения зазора под сварку. Следует отметить, что предварительно заданные величины рабочих условий являются заданными величинами, которые были заданы на основании предыдущих эксплуатационных характеристик и хранятся в главном компьютере.
Как описано выше, настоящий вариант осуществления изобретения использует группу наборов данных рабочих условий, полученных в соответствии с моментом времени прогнозирования овальности стальной трубы после экспандирования трубы для входных данных в модель прогнозирования овальности, и овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы, которая является выходным параметром, прогнозируется в режиме реального времени. Это позволяет выполнять изменение рабочих условий последующего этапа изготовления согласно прогнозируемой овальности стальной трубы, что ведет к дополнительному уменьшению овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы.
Способ регулирования овальности
Ниже приведено описание способа регулирования овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы по настоящему варианту осуществления изобретения. На фиг. 12 показана схема последовательности выполнения прогнозирования овальности стальной трубы после экспандирования трубы перед началом выполнения этапа гибки трубы. Как показано на фиг. 12, эта последовательность предусматривает получение данных, включающих в себя: фактические данные, относящиеся к атрибутивной информации о стальном листе, используемом в качестве материала; заданные величины (заданные рабочие величины), которые предварительно заданы в качестве рабочих условий этапа гибки давлением; и заданные величины (заданные рабочие величины), которые предварительно заданы в качестве рабочих условий этапа уменьшения зазора под сварку главным компьютером 140, и сбор этих блоков информации в качестве набора 111 данных рабочих условий. Кроме того, заданная величина овальности, которая предварительно задана в качестве заданной овальности стальной трубы после этапа гибки давлением, передается из главного компьютера 140 в блок 150 изменения рабочих условий.
Овальность стальной трубы после экспандирования трубы прогнозируется, используя набор данных 111 для рабочих условий, получаемых указанным образом в качестве входных данных для модели M прогнозирования овальности. В дальнейшем прогнозируемая овальность (прогнозируемая величина овальности) сравнивается с заданной овальностью (заданной величиной овальности), и когда прогнозируемая величина овальности меньше заданной величины овальности, стальная труба изготавливается без изменения заданных значений для рабочих условий этапа гибки давлением, этапа уменьшения зазора под сварку и этапа экспандирования трубы. В отличие от этого, когда прогнозируемая овальность больше заданной величины овальности, выполняется изменение рабочих условий этапа гибки давлением или этапа уменьшения зазора под сварку.
В частности, изменение выполняется один-два раза или больше для увеличения числа нажатий на этапе гибки давлением с меньшим расстоянием между позициями вдавливания для формования. Это уменьшает овальность стальной трубы после экспандирования трубы. Кроме того, заданная величина рабочего условия этапа гибки давлением, изменяемая таким образом, может снова использоваться в качестве входных данных для модели M прогнозирования овальности с целью повторного выполнения прогнозирования овальности, причем может выполняться подтверждение, является ли прогнозируемая овальность меньшей по сравнению с заданной величиной овальности, с целью определения величины изменения рабочего условия этапа гибки давлением.
Далее измененное рабочее условие этапа гибки давлением передается в блок регулирования рабочих условий этапа гибки давлением с последующим определением рабочих условий этапа гибки давлением. Посредством повторного многократного определения овальности в блоке 150 изменения рабочих условий может быть задано надлежащее рабочее условие этапа гибки давлением, даже когда заданная величина овальности задана как строгая величина, что позволяет изготавливать стальную трубу, дополнительно уменьшая овальность.
Вместе с тем, когда рабочий параметр этапа уменьшения зазора под сварку должен быть изменен, изменяется величина вдавливания при O-формовании. Например, множество условий величины вдавливания при O-формовании вводятся в модель M прогнозирования овальности, и среди условий, которые должны быть заданы, выбирается условие величины вдавливания при O-формовании для получения наименьшей овальности. Таким образом, измененные рабочие условия этапа уменьшения зазора под сварку передаются в блок регулирования рабочих условий этапа уменьшения зазора под сварку, и определяются рабочие условия этапа уменьшения зазора под сварку. В частности, изменение рабочих условий может выполняться как для рабочих параметров этапа гибки давлением, так и для рабочих параметров этапа уменьшения зазора под сварку. Способ изменения рабочих условий аналогичен вышеописанному способу. Чем больше количество рабочих параметров, подлежащих изменению, тем больше увеличивается диапазон регулирования овальности стальной трубы после экспандирования, что дополнительно уменьшает овальность.
Как описано выше, способ регулирования овальности по варианту выполнения настоящего изобретения использует модель прогнозирования овальности, способную одновременно учитывать изменение атрибутивной информации о стальном листе, используемом в качестве материала, и влияние на овальность из-за взаимосвязи этапа гибки давлением и этапа уменьшения зазора под сварку. Это позволяет задавать надлежащие рабочие условия для уменьшения овальности стальной трубы после экспандирования трубы и быстро выполнять изменение рабочих условий в режиме реального времени, обеспечивая изготовление стальной трубы, имеющей удовлетворительную овальность.
Ниже со ссылкой на табл. 1 и фиг. 16 приведено описание способа регулирования овальности по варианту осуществления настоящего изобретения, который является способом регулирования овальности для случая, включающего этап гибки концов стального листа перед этапом гибки давлением.
В настоящем варианте сначала выбирается намеченный этап для внесения изменений из ряда этапов обработки посредством формования, составляющих этап изготовления стальной трубы. Далее, перед началом намеченного этапа для внесения изменений прогнозируется овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы с помощью модели M прогнозирования овальности. Затем выполняется изменение одного или более рабочих параметров, выбранных, по меньшей мере, из рабочих параметров намеченного этапа для внесения изменений или одного или более рабочих параметров, выбранных из рабочих параметров этапа обработки посредством формования, который выполняется после указанного намеченного этапа для внесения изменений, так чтобы уменьшить овальность стальной трубы, полученную после экспандирования трубы.
Здесь к указанному ряду этапов обработки посредством формования, составляющих этап изготовления стальной трубы, относятся этап гибки концов, этап гибки давлением, этап уменьшения зазора под сварку и этап экспандирования трубы, которые являются этапами пластической деформации стального листа для его формования в заданную форму. Что касается намеченного этапа для внесения изменений, то из этих этапов обработки посредством формования выбирается определенный этап. Перед выполнением обработки посредством формования на выбранном этапе, намеченном для внесения изменений, прогнозируется овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы с помощью модели M прогнозирования овальности для стальной трубы. В это время, формование стального листа завершено на этапе формования перед намеченным этапом для внесения изменений, и, таким образом, когда должны использоваться рабочие параметры этого этапа обработки посредством формования со стороны входа, фактические данные по рабочим параметрам могут использоваться для входных данных в модель M прогнозирования овальности. В отличие от этого, фактические рабочие данные не могут быть собраны на последующих этапах формования, включая сюда намеченный этап для внесения изменений, и, таким образом, для входных данных в модель M прогнозирования овальности для стальной трубы используется заданная величина, предварительно установленная в главном компьютере или т.п. Таким образом, для заданного материала может быть спрогнозирована овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы.
В дальнейшем выполняется определение в отношении того, соответствует ли овальность, спрогнозированная в качестве овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы, овальности, допустимой для готового изделия. С помощью этой операции, когда полученная овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы меньше спрогнозированной величины, можно выполнять изменение рабочих условий на намеченном этапе для внесения изменений и на этапе формования, выполняемом после намеченного этапа для внесения изменений. Здесь рабочий параметр, подлежащий изменению, может быть рабочим параметром на намеченном этапе для внесения изменений или рабочим параметром на этапах формования, выполняемых после намеченного этапа для внесения изменений. Рабочий параметр этапа формования, подходящий для изменения овальности стальной трубы после экспандирования трубы, предпочтительно будет выбираться в соответствии с разницей между прогнозируемой овальностью и овальностью, допустимой для готового изделия. Кроме того, допускается изменять и рабочие параметры на намеченном этапе для внесения изменений и рабочие параметры на определенном этапе обработки посредством формования, выполняемом после намеченного этапа для внесения изменений. Это связано с тем, что овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы может эффективно изменяться, когда имеется большая разница между прогнозируемой овальностью и овальностью, допустимой для готового изделия.
В табл. 1 приведены примеры этапа обработки посредством формования, выбранного в качестве намеченного этапа для внесения изменений и этапа обработки посредством формования, в котором соответственно могут изменяться рабочие параметры. В случае 1 этап гибки концов выбран в качестве намеченного этапа для внесения изменений на стадии изготовления стальной трубы, включающей этап гибки концов. Перед началом этапа гибки концов прогнозируется овальность стальной трубы после экспандирования трубы, при этом овальность прогнозируется с помощью заданных величин рабочих параметров на этапе обработки посредством формования, включающем этап гибки давлением и этап уменьшения зазора под сварку. Когда прогнозируемая овальность большая, существует возможность изменить произвольный рабочий параметр на каждом этапе формования, а именно, на этапе обработки концов, этапе гибки давлением, этапе уменьшения зазора под сварку и этапе экспандирования трубы. Рабочие параметры, подлежащие изменению, не ограничиваются рабочими параметрами этапа гибки концов и они также могут быть рабочими параметрами других этапов обработки посредством формования. Когда атрибутивная информация о стальном листе включена в входные данные для модели M прогнозирования овальности, фактические данные, включающие измеренные значения и т.п., относящиеся к атрибутивной информации о стальном листе, могут использоваться для входных данных перед началом этапа гибки концов, который является намеченным этапом для внесения изменений.
В случаях 2 и 3 можно выбирать намеченный этап для внесения изменений и рабочие параметры, подлежащие изменению согласно идее, сходной со случаем 1. Случай 4 является случаем, где этап экспандирования трубы задается в качестве намеченного этапа для внесения изменений. При этом перед началом этапа экспандирования трубы овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы прогнозируется с использованием модели M прогнозирования овальности. В этом случае, по меньшей мере, фактические рабочие данные на этапе гибки давлением и этапе уменьшения зазора под сварку могут использоваться для входных данных в модель M прогнозирования овальности. Кроме того, также допускается использовать фактические данные из атрибутивной информации о стальном листе или фактические рабочие данные на этапе гибки концов. Таким образом, прогнозируемая овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы сравнивается с овальностью, допустимой для готового изделия, и при уменьшении овальности изменяется рабочий параметр на этапе экспандирования трубы. Предпочтительным является использование коэффициента экспандирования трубы в качестве рабочего параметра этапа экспандирования трубы, подлежащего изменению. Следует отметить, что величина изменения от исходной заданной величины коэффициента экспандирования трубы, подлежащего изменению, может быть задана на основании обретенного опыта. Однако, когда входные данные модели M прогнозирования овальности включают коэффициент экспандирования трубы на этапе экспандирования трубы, овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы может быть спрогнозирована повторно, используя повторно заданную величину коэффициента экспандирования трубы в качестве входных данных для модели M прогнозирования овальности, и может быть определено соответствие условий для внесения изменений.
- этап обработки посредством формования, для которого изменяется рабочий параметр
Ниже со ссылкой на фиг. 16 приведено описание способа регулирования овальности стальной трубы по варианту осуществления настоящего изобретения. Пример, показанный на фиг. 16, является случаем, где этап уменьшения зазора под сварку был выбран в качестве намеченного этапа для внесения изменений, этап гибки давлением был завершен, и формованная заготовка U-образной формы была передана на этап уменьшения зазора под сварку. При этом фактические рабочие данные, соответствующие этапу гибки давлением, передаются в блок 150 изменения рабочих условий. Фактические рабочие данные могут передаваться по сети от управляющего компьютера, предусмотренного на каждом этапе регулирования каждого этапа обработки посредством формования. Однако данные могут сразу же передаваться от управляющего компьютера на каждом этапе обработки посредством формования на главный компьютер 140, который выполняет общее управление этапом изготовления стальной трубы, после чего данные передаются от главного компьютера 140 в блок 150 изменения рабочих условий. Кроме того, при необходимости фактические данные, относящиеся к атрибутивной информации о стальном листе, передаются от главного компьютера 140 в блок 150 изменения рабочих условий. Кроме того, фактические рабочие данные на этапе гибки концов также могут передаваться при необходимости. Заданные величины рабочих параметров этапа уменьшения зазора под сварку и этапа экспандирования трубы, которые являются этапами обработки посредством формования, выполняемыми после намеченного этапа для внесения изменений, и заданные величины рабочих параметров намеченного этапа для внесения изменений передаются от управляющего компьютера для каждого этапа в блок 150 изменения рабочих условий. Однако, когда заданные величины рабочих параметров на этапе уменьшения зазора под сварку и этапе экспандирования трубы сохраняются в главном компьютере 140, заданные величины могут передаваться от главного компьютера 140 в блок 150 изменения рабочих условий. Следует отметить, что заданная величина овальности, определяемая согласно техническим условиям на готовую стальную трубу, передается от главного компьютера 140 в блок 150 изменения рабочих условий.
Блок 150 изменения рабочих условий прогнозирует овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы а основе указанных элементов информации, используя модель M прогнозирования овальности в реальном режиме времени, и сравнивает прогнозируемую овальность (прогнозируемую величину овальности) с заданной овальностью (заданной величиной овальности). Когда прогнозируемая величина овальности меньше заданной величины овальности, блок 150 изменения рабочих условий оставляет без изменения заданные рабочие условия оставшихся этапов формования: этапа гибки давлением, этапа уменьшения зазора под сварку, и этапа экспандирования трубы, и обеспечивает изготовление стальной трубы. И, наоборот, когда прогнозируемая величина овальности больше заданной величины овальности, блок 150 изменения рабочих условий изменяет, по меньшей мере, рабочее условие этапа уменьшения зазора под сварку или рабочее условие этапа экспандирования трубы. В частности, может быть изменена величина вдавливания при O-формовании и т.п. на этапе уменьшения зазора под сварку. Кроме того, может быть изменен коэффициент экспандирования трубы на этапе экспандирования трубы. Кроме того, могут быть изменены величина вдавливания при O-формовании и коэффициент экспандирования трубы.
Блок 150 изменения рабочих условий может повторно выполнять прогнозирование овальности, используя измененные таким путем рабочие параметры в качестве входных данных для модели M прогнозирования овальности, подтверждать, меньше ли прогнозируемая овальность, чем заданная величина овальности, и определять измененную величину рабочих условий этапа уменьшения зазора под сварку и этапа экспандирования трубы. Измененные рабочие условия этапа уменьшения зазора под сварку и этапа экспандирования трубы передаются в отдельные управляющие компьютеры для использования в качестве рабочих условий этапа уменьшения зазора под сварку и этапа экспандирования трубы. Посредством многократного повторного выполнения определения овальности в блоке 150 изменения рабочих условий соответствующие рабочие условия этапа уменьшения зазора под сварку и этапа экспандирования трубы могут быть заданы, даже когда задана строгая заданная величина овальности, что позволяет изготавливать стальную трубу с дополнительно уменьшенной овальностью. Кроме того, также допускается выполнять процессы, в которых регулирование овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы выполняется таким образом, что в качестве намеченного этапа для внесения изменений определяется этап уменьшения зазора под сварку; и снова выполняется для стальной трубы, сформованной и сваренной в открытую трубу, регулирование овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы, при этом этап экспандирования трубы определяется в качестве намеченного этапа для внесения изменений. Это связано с тем, что точность прогнозирования овальности стальной трубы дополнительно повышается благодаря тому, что были получены фактические рабочие данные этапа уменьшения зазора под сварку.
Как описано выше, в способе регулирования овальности стальной трубы по варианту выполнения настоящего изобретения используется модель M прогнозирования овальности, которая принимает в расчет влияние на овальность из-за взаимосвязи этапа гибки давлением и этапа уменьшения зазора под сварку, что позволяет задавать надлежащие рабочие условия для уменьшения овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы, обеспечивая возможность изготовления стальной трубы, имеющей приемлемую овальность. Кроме того, существует возможность регулирования овальности с высокой точностью, принимая во внимание изменения в атрибутивной информации о стальном листе, используемом в качестве материала.
Устройство для прогнозирования овальности стальной трубы
Ниже со ссылкой на фиг. 17 приведено описание устройства для прогнозирования овальности стальной трубы по варианту выполнения настоящего изобретения.
На фиг. 17 показана схема конфигурации устройства для прогнозирования овальности стальной трубы по варианту выполнения настоящего изобретения. Как показано на фиг. 17, устройство 160 для прогнозирования овальности стальной трубы по варианту выполнения настоящего изобретения содержит блок 161 сбора рабочих параметров, блок 162 хранения данных, блок 163 прогнозирования овальности и выходной блок 164.
Блок 161 сбора рабочих параметров содержит определенный интерфейс, способный собирать данные модели M прогнозирования овальности, генерируемой блоком машинного обучения из блока 130 генерирования модели прогнозирования овальности. Например, блок 161 сбора рабочих параметров предпочтительно содержит интерфейс связи для сбора данных модели M прогнозирования овальности из блока 130 генерирования модели прогнозирования овальности. В этом случае блок 161 сбора рабочих параметров может принимать модель M прогнозирования овальности из блока 100b машинного обучения, используя предварительно установленный протокол обмена данными. Кроме того, блок 161 сбора рабочих параметров собирает рабочие условия для оборудования для формования (оборудования для выполнения этапа обработки формованием) от управляющего компьютера или главного компьютера, установленного в оборудовании, используемом на каждом этапе обработки формованием. Например, блок 161 сбора рабочих параметров предпочтительно содержит интерфейс связи для сбора рабочих условий. Кроме того, блок 161 сбора рабочих параметров может собирать входную информацию на основании работы пользователя. В этом случае устройство 160 для прогнозирования овальности стальной трубы также содержит входной блок, содержащий один или более входных интерфейсов, которые обнаруживают ввод данных пользователем и собирают входную информацию на основании работы пользователя. Примеры входного блока включают в себя без ограничения аппаратный ключ, емкостный ключ, сенсорную панель, объединенную с дисплеем выходного блока, микрофон для голосового ввода данных и т.п. Например, входной блок принимает входные данные о рабочем условии для модели M прогнозирования овальности, получаемой от блока 130 генерирования модели прогнозирования овальности с помощью блока 161 сбора рабочих параметров.
Блок 162 хранения данных содержит по меньшей мере одно полупроводниковое запоминающее устройство, по меньшей мере одно магнитное запоминающее устройство, по меньшей мере одно оптическое запоминающее устройство или комбинацию по меньшей мере двух из указанных устройств. Блок 162 хранения данных функционирует, например, как основное запоминающее устройство, вспомогательное запоминающее устройство или сверхоперативное запоминающее устройство. Блок 162 хранения данных хранит любого рода информацию, используемую для работы устройства 160 для прогнозирования овальности стальной трубы. Блок 162 хранения данных хранит, например, модель M прогнозирования овальности, получаемую от блока 130 генерирования модели прогнозирования овальности с помощью блока 161 сбора рабочих параметров, рабочие условия, получаемые от главного компьютера с помощью блока 161 сбора рабочих параметров, и информацию об овальности, прогнозируемой устройством 160 для прогнозирования овальности стальной трубы. Блок 162 хранения данных может хранить системную программу, прикладную программу и т.п.
Блок 163 прогнозирования овальности содержит один или более процессоров. В настоящем варианте выполнения процессор содержит без ограничения универсальный процессор или специализированный процессор, адаптированный для специальной обработки. Блок 163 прогнозирования овальности соединен с возможностью связи с отдельными компонентами, составляющими устройство 160 для прогнозирования овальности стальной трубы, и управляет работой всего устройства 160 для прогнозирования овальности стальной трубы. Блок 163 прогнозирования овальности может быть любым универсальным электронным устройством, таким как персональный компьютер (ПК) или смартфон. Блок 163 прогнозирования овальности до этого не ограничивается и может быть одним серверным устройством или множеством серверных устройств, способных устанавливать связь друг с другом, или может быть другим электронным устройством, предназначенным для устройства 160 для прогнозирования овальности стальной трубы. Блок 163 прогнозирования овальности подсчитывает прогнозируемую величину информации об овальности стальной трубы, используя рабочие условия, получаемые с помощью блока 161 сбора рабочих параметров, и модель M прогнозирования овальности, получаемую от блока 130 генерирования модели прогнозирования овальности.
Выходной блок 164 выдает прогнозную величину, касающуюся информации об овальности стальной трубы, рассчитываемую блоком 163 прогнозирования овальности, устройству для задания рабочих условий для оборудования для обработки формованием. Выходной блок 164 может содержать один или более выходных интерфейсов, которые выдают информацию и уведомление пользователю. Выходной интерфейс является, к примеру, дисплеем. Примеры дисплея включают в себя ЖК-дисплей или органический электролюминесцентный дисплей. Выходной блок 164 выдает данные, полученные за счет функционирования устройства 160 для прогнозирования овальности стальной трубы. Выходной блок 164 может быть соединен с устройством 160 для прогнозирования овальности стальной трубы в качестве внешнего выходного устройства вместо размещения в устройстве 160 для прогнозирования овальности стальной трубы. В качестве способа установления соединения может использоваться любой способ, такой как USB, HDMI (зарегистрированная торговая марка) или Bluetooth (зарегистрированная торговая марка). Примеры выходного блока 164 включают в себя без ограничения дисплей, который выдает видеоинформацию, динамик, который выдает аудиоинформацию, и т.п. Например, выходной блок 164 выдает пользователю прогнозируемую величину, касающуюся информации об овальности, рассчитываемую блоком 163 прогнозирования овальности. Пользователь может надлежащим образом задавать рабочие условия для оборудования для обработки формованием на основе прогнозируемой величины овальности, выдаваемой выходным блоком 164.
Более предпочтительной формой устройства 160 для прогнозирования овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы, как описано выше, является терминальное устройство, такое как планшетный терминал, содержащее: входной блок 165, который собирает входную информацию на основании работы пользователя; и блок 166 индикации, который отображает прогнозируемую величину, касающуюся информации об овальности, рассчитанную блоком 163 прогнозирования овальности. Устройство этого типа имеет функцию получения входной информации на основании работы пользователя от входного блока 165 и обновления части или всех рабочих параметров оборудования для обработки формованием, уже введенных в устройстве 160 для прогнозирования овальности стальной трубы, используя полученную входную информацию. Другими словами, когда информация об овальности стальной трубы спрогнозирована блоком 163 прогнозирования овальности для стального листа, обрабатываемого в оборудовании для формования, может быть предусмотрена функция приема работы, выполненной оператором, используя терминальное устройство, и выполнения корректировки части рабочих параметров оборудования для формования, уже введенных в блок 161 сбора рабочих параметров. Блок 161 сбора рабочих параметров сохраняет исходные входные данные для рабочих параметров, для которых корректирующие входные данные не были получены от терминального устройства наряду с рабочими параметрами оборудования для формования, и изменяет только рабочий параметр, для которого были введены корректирующие входные данные. С помощью указанной конфигурации в блоке 161 сбора рабочих параметров генерируются новые входные данные для модели M прогнозирования овальности, и блок 163 прогнозирования овальности для стального листа рассчитывает прогнозируемую величину, касающуюся информации об овальности, на основании входных данных. Кроме того, рассчитанная прогнозируемая величина, касающаяся информации об овальности, отображается на блоке 166 индикации терминального устройства с помощью выходного блока 164. С помощью этой процедуры работник, например, оператор оборудования для формования и начальник производства могут незамедлительно уточнить прогнозируемую величину, касающуюся информации об овальности, когда рабочий параметр оборудования для формования был изменен, и могут в оперативном порядке изменять рабочее состояние на соответствующее рабочее состояние.
Примеры
Пример 1
В настоящем примере использовался стальной лист для трубопроводной трубы (API, марка X60) толщиной 38,0 - 38,4 мм и шириной 2700 - 2720 мм, и выполнялось генерирование модели прогнозирования овальности после этапа экспандирования трубы в автономном режиме в соответствии с условиями изготовления стальной трубы, имеющей диаметр 36 дюймов после этапа экспандирования трубы; при изготовлении трубы выполнялись следующие этапы: этап гибки давлением, этап уменьшения зазора под сварку, этап сварки и этап экспандирования трубы. На фиг. 13 показан пример конечно-элементной модели, генерируемой блоком генерирования конечно-элементной модели на этапе уменьшения зазора под сварку применительно к настоящему примеру. В качестве решателя для конечно-элементного анализа использовался Abaqus 2019, время вычисления на один случай составляло приблизительно три часа. Количество наборов данных, накопленных в базе данных, равнялось 300, и в качестве модели машинного обучения использовалась регрессия на основе гауссовских процессов, использующая в качестве базисной функции радиальную базисную функцию.
В качестве атрибутивной информации о стальном листе были выбраны репрезентативная толщина листа (средняя толщина листа по всей плоскости стального листа), ширина листа и предел текучести стального листа. Диапазон вариации в качестве рабочего условия был определен из записи о характеристиках изготовления, и входные данные для расчета изменялись в пределах этого диапазона. Что касается рабочих параметров этапа гибки давлением, были выбраны число вдавливаний при формовании и позиции вдавливания при формовании. В данном случае число вдавливаний при формовании изменялось в диапазоне от 7 до 15, при этом 11 вдавливаний в качестве исходного условия. Что касается позиции вдавливания при формовании, нажатия выполнялись с одинаковыми интервалами по ширине листа, в зависимости от числа вдавливаний, и позиция вдавливания при формовании определялась в соответствии с числом вдавливаний. Угол гибки при одном нажатии был задан равным 30°С, исходя из величины вдавливания при формовании, определяемой величиной, при которой передний конец пуансона достигает положения, находящегося на 15,8 мм от линии, соединяющей самые верхние участки стержневых элементов.
Далее стальной лист поместили на матрицу, с заданным расстоянием между стержневыми элементами равным 450 мм, и вдавливание посредством формования было начато с позиции, находящейся на расстоянии 1120 мм от центрального участка в направлении ширины стального листа, установленной в качестве исходной позиции, с помощью пуансона, имеющего обрабатывающую поверхность с радиусом 308 мм. Когда число нажатий при формовании было равно 11, вдавливание посредством формования выполнили пять раз с правой стороны, если смотреть на фиг. 2, в направлении центрального участка по ширине листа, при этом шаг подачи листа составлял 224 мм. После этого конец листа с левой стороны, если смотреть на фиг. 2, переместили близко к стержневому элементу, и вдавливание посредством формования выполнили шесть раз на левой половине стального листа, начиная с позиции 1120 мм от конца, при этом шаг подачи листа составлял 224 мм.
На этапе уменьшения зазора под сварку использовали устройство для придания заготовке O-образной формы. В качестве рабочего параметра этапа уменьшения зазора под сварку был выбран показатель уменьшения зазора под сварку при O-формовании, и рабочие условия варьировались в диапазоне 1,0 - 3,0%. В качестве другого рабочего условия, которое должно было быть задано, было условие, при котором верхняя полуматрица имела дугообразную поверхность радиусом R, равным 457,2 мм, и центральный угол θc, равный 60°, и плоскую поверхность, соединенную с дугообразной поверхностью под углом θd, равным 30°, и нижняя полуматрица имела вогнутую дугообразную поверхность радиусом R, равным 502,9 мм. С другой стороны, в качестве коэффициента экспандирования трубы использовалась постоянная величина 1,0%, которая являлась рабочим параметром этапа экспандирования трубы.
В настоящем примере условия анализа, как описано выше, были заданы в блоке расчета овальности трубы в автономном режиме, причем условия анализа изменяли в диапазоне вышеуказанных рабочих условий, и результаты расчета овальности после этапа экспандирования трубы, полученные с помощью анализа, накапливались в базе данных. Далее на основании накопленной базы данных выполняли генерирование модели прогнозирования овальности. В настоящем примере модель прогнозирования овальности, сгенерированную указанным образом, использовали в режиме реального времени. Овальность в настоящем примере определяли как овальность = Dmax - Dmin, когда наружные диаметры в позициях, обращенных друг к другу, выбирали посредством деления трубы на 360 равных частей в окружном направлении, и максимальный диаметр и минимальный диаметр определяли как Dmax и Dmin, соответственно.
На этапе в режиме реального времени перед началом этапа гибки давлением репрезентативная толщина листа и ширина стального листа были получены от главного компьютера в качестве фактических данных атрибутивной информации о стальном листе, используемом в качестве материала. Кроме того, были получены данные испытания на пределе текучести на этапе проверки на этапе прокатки толстого листа. Вместе с тем от главного компьютера были получены заданные величины рабочих условий этапа гибки давлением и этапа уменьшения зазора под сварку. На этапе изготовления стальной трубы применительно к настоящему примеру заданная величина рабочего условия, предварительно установленная главным компьютером, была выбрана таким образом, что число нажатий на этапе гибки давлением равнялось 11, место на расстоянии 1120 мм от центрального участка в направлении ширины стального листа было задано в качестве первого места вдавливания посредством формования, и места вдавливания посредством формования были заданы с шагом 224 мм в направлении ширины стального листа. Кроме того, величина вдавливания посредством формования в каждом месте вдавливания посредством формования была заданной величиной, равной 15,8 мм. Вместе с тем, на этапе уменьшения зазора под сварку с использованием устройства для придания заготовке O-образной формы показатель уменьшения зазора под сварку при O-формовании был задан равным 2% в качестве заданной величины рабочего условия, предварительно заданной главным компьютером.
В настоящем примере перед началом этапа гибки давлением прогнозируется овальность стальной трубы после этапа гибки давлением, используя указанные заданные величины совместно с репрезентативной толщиной листа и шириной листа, которые являются фактическими данными атрибутивной информации о стальном листе, в качестве входных данных для модели прогнозирования овальности. С другой стороны, в главном компьютере заданная величина овальности была задана равной 10 мм, прогнозируемая овальность стальной трубы (прогнозируемая величина овальности) сравнивалась с заданной величиной овальности, и когда прогнозируемая овальность превышала заданную величину овальности, изменяли рабочие условия этапа гибки давлением. Число нажатий выбирали в качестве рабочего условия, подлежащего изменению. В результате в примере изобретения было подтверждено, что средняя величина овальности составляла 4,0 мм, и показатель приемки равнялся 100%. Для сравнения, в случае, когда в качестве сравнительного примера изготовление выполнялось с рабочим условием этапа гибки давлением согласно заданной величине, предварительно заданной главным компьютером, средняя величина овальности составляла 11,2 мм, и показатель приемки равнялся 80%.
Пример 2
В настоящем примере использовался стальной лист для трубопроводной трубы (API, марка X60) толщиной 50,0 - 50,4 мм и шириной 4450 - 4460 мм, и выполнялось генерирование модели прогнозирования овальности после этапа экспандирования трубы в автономном режиме для случая изготовления стальной трубы, имеющей диаметр 56 дюймов после этапа экспандирования трубы, с выполнением этапа гибки давлением, этапа уменьшения зазора под сварку, этапа сварки и этапа экспандирования трубы. В этом случае параметры, которые должны быть введены в модель прогнозирования овальности стальной трубы, а именно, параметр атрибутивной информации о стальном листе, рабочий параметр этапа гибки давлением и рабочий параметр этапа уменьшения зазора под сварку, были выбраны таким образом, чтобы они были такими же параметрами, как и в примере 1. Однако диапазоны этих рабочих параметров отличались от диапазонов из примера 1. Набор данных рабочих условий был задан в диапазоне репрезентативной толщины листа 50,0 - 50,4 мм и ширины листа 4450 - 4460 мм, которые являются параметрами атрибутивной информации о толщине листа.
В качестве рабочего условия этапа гибки давлением расстояние между нижними элементами оборудования для гибки давлением было задано равным 620 мм, и в качестве исходной позиции вдавливания посредством формования с помощью пуансона, передний конец которого имел радиус кривизны 478 мм, было задано место на расстоянии 1824 мм от центрального участка стального листа в направлении ширины. Набор данных рабочих условий был задан в диапазоне, в котором число вдавливаний посредством формования на этапе гибки давлением составляло от 7 до 15. Число вдавливаний посредством формования, предварительно заданное в главном компьютере, равнялось 11. В этом случае рабочие условия были заданы таким образом, чтобы выполнять вдавливание посредством формования шесть раз, в частности, выполняя вдавливание посредством формования пять раз с заданным шагом подачи, равным 365 мм, от одной исходной точки вдавливания посредством формования для стального листа к центру стального листа в направлении ширины, и выполняя вдавливание посредством формования шесть раз с заданным шагом подачи, равным 365 мм, от другой исходной точки вдавливания посредством формования стального листа к центру стального листа в направлении ширины. Кроме того, величина вдавливания посредством формования составляла 33,8 мм при любом вдавливании посредством формования. Когда число вдавливаний посредством формования было разным, изменяли только шаг подачи, в то время как исходная позиция вдавливания посредством формования и величина вдавливания посредством формования задавались как постоянные заданные величины.
На этапе уменьшения зазора под сварку использовали устройство для придания заготовке O-образной формы. Верхняя полуматрица устройства для придания заготовке O-образной формы имела дугообразную поверхность радиусом R, равным 704,0 мм, и центральный угол θc, равный 60°, и плоскую поверхность, соединенную с дугообразную поверхностью под углом θd, равным 30°. Нижняя полуматрица имела вогнутую дугообразную поверхность радиусом R, равным 704,0 мм. Рабочим параметром этапа уменьшения зазора под сварку был показатель уменьшения зазора под сварку при O-формовании, и набор данных рабочих условий был задан в диапазоне 1,0 - 3,0%. Показатель уменьшения зазора под сварку при O-формовании, предварительно заданный в главном компьютере, составлял 2%. Кроме того, заданная величина коэффициента экспандирования трубы в качестве рабочего параметра на этапе экспандирования трубы составляла 0,9%.
Было подготовлено множество наборов данных рабочих условий, в которых заданы условия изготовления на этапе обработки формованием стальной трубы, как описано выше, и были изменены репрезентативная толщина и ширина листа, которые являются параметрами атрибутивной информации о стальном листе, число вдавливаний посредством формования, которое является рабочим параметром на этапе гибки давлением, и показатель уменьшения зазора под сварку при O-формовании, который является рабочим параметром на этапе уменьшения зазора под сварку. Используя указанные наборы данных, был выполнен конечно-элементный анализ в блоке сбора исходных данных, и в базе данных была накоплена информация об овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы. С помощью 300 наборов данных, накопленных в базе данных, в качестве выходных данных было выполнено генерирование модели прогнозирования овальности имеющей овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы, в автономном режиме с помощью регрессии на основе гауссовских процессов, использующей в качестве базисной функции радиальную базисную функцию, применительно к модели машинного обучения.
Модель прогнозирования овальности, сгенерированная, как описано выше, передается в блок изменения рабочих условий и конфигурируется для приема базы данных рабочих условий, получаемой от главного компьютера в качестве входных данных и конфигурируемой для выдачи прогнозируемой величины овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы. В настоящем примере этап гибки давлением выбирается в качестве намеченного этапа для внесения изменений, и перед началом этапа гибки давлением репрезентативная толщина листа и ширина листа, которые являются фактическими данными атрибутивной информации о стальном листе, а также рабочие заданные величины этапа гибки давлением и этапа уменьшения зазора под сварку извлекаются из главного компьютера для составления набора данных рабочих условий, и была спрогнозирована овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы, используя модель прогнозирования овальности. Здесь заданная величина овальности, устанавливаемая главным компьютером для заданной стальной трубы, составляла 14,2 мм, и овальность определяется путем сравнения заданной величины овальности и прогнозируемой величины овальности. Когда прогнозируемая величина овальности превышала заданную величину овальности, рабочее условие этапа уменьшения зазора под сварку, который является этапом обработки посредством формования, выполняемым после намеченного этапа для внесения изменений, должно было быть изменено. Рабочие условия, которые должны были быть изменены, представляли собой показатель уменьшения зазора под сварку при O-формовании.
Такой способ регулирования овальности использовали для изготовления 100 стальных труб. В результате средняя величина овальности стальной трубы после этапа экспандирования труб составляла 10,0 мм по отношению к заданной величине овальности 14,2 мм с показателем приемки 90%. Для сравнения, в случае, когда стальную трубу изготавливали без использования способа регулирования овальности из настоящего примера и без изменения рабочего условия, заданного в главном компьютере, средняя величина овальности составляла 14,4 мм с показателем приемки 60%.
Пример 3
В настоящем примере использовался стальной лист для трубопроводной трубы (API, марка X60) толщиной 38,0 - 38,4 мм и шириной 2700 - 2720 мм, и выполнялось генерирование модели прогнозирования овальности после этапа экспандирования трубы в автономном режиме для случая изготовления стальной трубы, имеющей диаметр 36 дюймов после этапа экспандирования трубы, с выполнением этапа гибки концов, этапа гибки давлением, этапа уменьшения зазора под сварку, этапа сварки и этапа экспандирования трубы. В этом случае параметры, которые должны быть введен в модель прогнозирования овальности стальной трубы, а именно, параметр атрибутивной информации о стальном листе, рабочий параметр этапа гибки давлением и рабочий параметр этапа уменьшения зазора под сварку, были такими же параметрами, как и в примере 1. Кроме того, диапазон каждого рабочего параметра, составляющий набор данных рабочих условий, также был таким же, как и диапазон в примере 1.
С другой стороны, на этапе гибки концов одну и ту же пару, состоящую из верхней и нижней полуматриц, установленных в устройстве для придания заготовке C-образной формы, использовали без изменений для каждого стального листа, причем ширина при обработке концов посредством гибки была выбрана в качестве рабочего параметра этапа гибки концов, и набор данных рабочих условий в блоке сбора исходных данных изменялся таким образом, что диапазон изменялся от 180 мм до 240 мм. Кроме того, в настоящем примере коэффициент экспандирования трубы был выбран в качестве рабочего параметра этапа экспандирования трубы, и набор данных рабочих условий в блоке сбора исходных данных изменялся таким образом, чтобы коэффициент экспандирования трубы изменялся в диапазоне 0,6 - 1,4%,
По вышеуказанным условиям в качестве решателя для конечно-элементного анализа использовали Abaqus 2019, и конечно-элементный анализ был выполнен с использованием набора данных рабочих условий, заданный в вышеуказанном диапазоне. Величины овальности после этапа экспандирования трубы, полученные с помощью анализа, накапливались в базе данных применительно к набору данных рабочих условий. Количество наборов данных, накопленных в наборе данных, равнялось 600. В качестве модели машинного обучения использовалась регрессия на основе гауссовских процессов, использующая в качестве базисной функции радиальную базисную функцию, и модель прогнозирования овальности, имеющая в качестве выходных данных овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы, генерировалась в автономном режиме.
Модель прогнозирования овальности, генерируемая как описано выше, внедрена в устройство прогнозирования овальности, которое выполняет прогнозирование овальности стальной трубы в режиме реального времени. Используя рабочий параметр на этапе изготовления стальной трубы, получаемый в режиме реального времени от главного компьютера в качестве входных данных, устройство прогнозирования овальности выдает прогнозируемую величину для овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы. Устройство прогнозирования овальности, используемое в настоящем примере, было планшетным терминалом, способным получать входную информацию от входного блока на основании работы оператора и способным обновлять за счет использования полученной входной информации некоторые или все рабочие параметры оборудования для обработки формованием, которые были введены в устройство для прогнозирования овальности. Указанный планшетный терминал имеет функцию распознавания рабочего параметра, для которого ввод поправок выполняется посредством действия оператора и вывода на блок индикации прогнозируемой величины из информации об овальности, отображающей ввод поправок.
На этапе изготовления в режиме реального времени в настоящем примере в качестве первого этапа перед началом этапа гибки концов блок сбора рабочих параметров получает фактические данные атрибутивной информации о стальном листе и предварительно заданные рабочие величины этапа гибки давлением, этапа уменьшения зазора под сварку и этапа экспандирования трубы от главного компьютера. Далее блок прогнозирования овальности выполняет вывод прогнозируемой величины овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы на блок индикации терминального устройства, используя полученный набор данных рабочих условий в качестве входных данных. В ответ на это оператор, который выполняет управление в процессе изготовления стальной трубы, подтверждает отображенную прогнозируемую величину овальности и сравнивает ее с величиной (7,0 мм в этом случае), установленной в качестве заданной величины овальности для требуемой стальной трубы. Если прогнозируемая овальность большая, рабочее условие в отношении ширины при обработке концов посредством гибки может быть скорректировано посредством ввода данных с панели управления устройства для придания заготовке C-образной формы.
В настоящем примере оператор корректирует величину ширины при обработке концов гибкой, которая является рабочим параметром этапа гибки концов и отображается на блоке индикации терминального устройства, в диапазоне 180 - 240 мм. Устройство прогнозирования овальности по настоящему примеру обновляет ширину обработки концов гибкой, скорректированную оператором, до скорректированной величины в качестве параметра, который должен быть входной величиной модели прогнозирования овальности. Устройство прогнозирования овальности отображает прогнозируемую величину овальности в терминальном устройстве, сохраняя величину, уже полученную блоком сбора рабочих параметров, применительно к другим входным данным. Оператор подтверждает отображаемую прогнозируемую величину овальности, определяет условие применительно к ширине обработки концов гибкой, что является рабочим параметром этапа гибки концов, и устанавливает новую заданную величину с панели управления устройства для придания заготовке C-образной формы.
Таким образом, используя устройство прогнозирования овальности из настоящего примера были изготовлены 50 стальных труб за счет действия оператора посредством изменения рабочих условий на этапе обработки стальной трубы посредством формования. В результате по сравнению с заданной величиной овальности 7,0 мм овальность стальной трубы в качестве средней величины после этапа экспандирования трубы составляла 4,2 мм, и показатель приемки равнялся 100%. Для сравнения, в случае, где стальную трубу изготавливали без использования устройства прогнозирования овальности из настоящего примера и без изменения рабочего условия, предварительно заданного в главном компьютере, средняя величина овальности составляла 9,1 мм с показателем приемки 35%. Другими словами, было подтверждено, что устройство прогнозирования овальности из настоящего примера эффективно помогает оператору в процессе изготовления стальной трубы.
Промышленная применимость
По настоящему изобретению предлагается способ генерирования модели прогнозирования овальности стальной трубы, способный генерировать модель прогнозирования овальности, которая точно и быстро прогнозирует овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы в процессе изготовления стальной трубы, включающем в себя множество этапов. Кроме того, по настоящему изобретению предлагается способ прогнозирования овальности стальной трубы и устройство прогнозирования овальности стальной трубы, способные точно и быстро прогнозировать овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы в процессе изготовления стальной трубы, включающем в себя множество этапов. Кроме того, по настоящему изобретению предлагается способ регулирования овальности стальной трубы, способный точно регулировать овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы в процессе изготовления стальной трубы, включающем в себя множество этапов. Кроме того, по настоящему изобретению предлагается способ изготовления стальной трубы, способный обеспечивать изготовление стальной трубы, имеющей требуемую овальность, с хорошим выходом продукции.
Перечень номеров позиций
1 - матрица
1a, 1b - стержневой элемент
2 - пуансон
2a - передний конец пуансона
2b - опора пуансона
3 - верхняя полуматрица
4 - нижняя полуматрица
10a, 10b - нижний инструмент
11a, 11b - пружинное средство
12 - пуансон
13 - верхний инструмент
16 - сегмент для экспандирования трубы
17 - коническая наружная периферийная поверхность
18 - тяговая штанга
20 - штанга
21a, 21b - щуп перемещения
22 - датчик угла поворота
25 - поворотная штанга
26a, 26b - прижимной ролик
30 - устройства для придания заготовке C-образной формы
31 - транспортирующий механизм
31a - транспортирующий ролик
32А, 32В - формующий механизм
33 - верхняя полуматрица
33a - формующая поверхность
34 - нижняя полуматрица
34a - формующая поверхность
36 - гидравлический цилиндр
37 - зажимной механизм
110 - блок сбора исходных данных
111 - набор данных рабочих условий
112 - блок расчета овальности трубы в автономном режиме
112a - блок генерирования конечно-элементной модели на этапе гибки концов
112b - блок генерирования конечно-элементной модели на этапе уменьшения зазора под сварку
112c - блок генерирования конечно-элементной модели на этапе экспандирования трубы
112d - решатель для конечно-элементного анализа
120 - база данных
130 - блок генерирования модели прогнозирования овальности
140 - главный компьютер
150 - блок изменения рабочих условий
160 - устройство прогнозирования овальности стальной трубы
161 - блок сбора рабочих параметров
162 - блок хранения данных
163 - блок прогнозирования овальности
164 - выходной блок
165 - входной блок
166 - блок индикации
G - участок зазора под сварку
M - модель прогнозирования овальности
P - стальная труба
R1, R2 - область
S - стальной лист
S1 - формованная заготовка
S2 - открытая труба
Изобретение относится к области обработки давлением и может быть использовано при изготовлении стальных труб. Изготовление трубы включает этап гибки стального листа, этап уменьшения зазора под сварку, этап сварки и этап экспандирования трубы. Способ генерирования модели прогнозирования овальности трубы включает выполнение численной операции, имеющей набор данных рабочих условий в качестве входных данных, и овальность стальной трубы после этапа экспандирования в качестве выходных данных. Операцию выполняют множество раз с изменением набора данных рабочих условий. В результате генерируют множество наборов данных об овальности стальной трубы после этапа экспандирования в автономном режиме в качестве обучающих данных. Производят генерирование модели прогнозирования овальности, имеющей набор данных рабочих условий в качестве входных данных и овальность стальной трубы после этапа экспандирования - в качестве выходных данных. Генерирование модели выполняют в автономном режиме с помощью машинного обучения, используя наборы обучающих данных. В результате обеспечивается возможность получения стальной трубы с требуемой овальностью. 6 н. и 6 з.п. ф-лы, 17 ил., 1 табл., 3 пр.
1. Способ генерирования модели прогнозирования овальности стальной трубы, характеризующийся тем, что модель прогнозирования овальности предназначена для прогнозирования овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы, на котором экспандируется внутренний диаметр стальной трубы, концы которой соединены друг с другом в процессе изготовления стальной трубы, который включает в себя:
этап гибки давлением, на котором обрабатывают стальной лист посредством множества нажатий пуансоном и получают формованную заготовку, имеющую U-образное сечение; этап уменьшения зазора под сварку, на котором уменьшают участок зазора под сварку формованной заготовки, имеющей U-образное сечение, для получения открытой трубы; этап сварки, на котором соединяют концы открытой трубы друг с другом; и этап экспандирования трубы;
указанный способ генерирования модели включает:
этап сбора исходных данных, на котором выполняют численную операцию, имеющую в качестве входных данных набор данных рабочих условий, включающий: один или более параметров, выбранных из атрибутивной информации о стальном листе, один или более параметров, выбранных из рабочих параметров этапа гибки давлением, и один или более параметров, выбранных из рабочих параметров этапа уменьшения зазора под сварку; и имеющую в качестве выходных данных овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы; причем расчет выполняют множество раз, изменяя указанный набор данных рабочих условий; и генерируют с помощью указанного расчета множество наборов данных по овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы, соответствующих указанным наборам данных рабочих условий, в автономном режиме в качестве обучающих данных; и
этап генерирования модели прогнозирования овальности, на котором генерируют модель прогнозирования овальности, содержащую в качестве входных данных указанный набор данных рабочих условий и в качестве выходных данных указанную овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы, при этом генерирование модели выполняют в автономном режиме с помощью машинного обучения, используя указанное множество наборов обучающих данных, полученных на этапе сбора исходных данных.
2. Способ генерирования модели прогнозирования овальности стальной трубы по п. 1, в котором этап сбора исходных данных содержит этап расчета овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы, который выполняют с использованием метода конечных элементов, исходя из указанного набора данных рабочих условий.
3. Способ генерирования модели прогнозирования овальности стальной трубы по п. 1 или 2, в котором модель прогнозирования овальности включает в себя в качестве набора данных рабочих условий один или более параметров, выбранных из рабочих параметров этапа экспандирования трубы.
4. Способ генерирования модели прогнозирования овальности стальной трубы по любому из пп. 1–3, в котором этап изготовления стальной трубы включает в себя этап гибки концов посредством гибки концов стального листа в направлении ширины перед этапом гибки давлением, и в качестве набора данных рабочих условий модель прогнозирования овальности включает в себя один или более параметров, выбранных из рабочих параметров этапа гибки концов.
5. Способ генерирования модели прогнозирования овальности стальной трубы по любому из пп. 1–4, в котором рабочие параметры этапа гибки давлением включают в себя: информацию о позиции формования и величину вдавливания при формовании, относящиеся к операции, в которой пуансон, используемый на этапе гибки давлением, выполняет формование стального листа; и число нажатий, выполняемых на этапе гибки давлением.
6. Способ генерирования модели прогнозирования овальности стальной трубы по любому из пп. 1–5, в котором указанное машинное обучение является типом машинного обучения, выбранным из следующих алгоритмов: нейронная сеть, древовидная схема решений, случайный лес, регрессия на основе гауссовских процессов и регресссия опорных векторов.
7. Способ прогнозирования овальности стальной трубы, включающий
этап сбора рабочих параметров, на котором в режиме реального времени собирают набор данных рабочих условий, который должен быть задан в качестве рабочих условий этапа изготовления стальной трубы, и который является входными данными модели прогнозирования овальности стальной трубы, генерируемой посредством способа генерирования модели прогнозирования овальности стальной трубы по любому из пп. 1–6, и
этап прогнозирования овальности, на котором получают прогнозную информацию, касающуюся овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы, посредством ввода в качестве входных данных в модель прогнозирования овальности набора данных рабочих условий, полученного на этапе сбора рабочих параметров.
8. Способ регулирования овальности стальной трубы, характеризующийся тем, что
выполняют этап сбора набора данных рабочих условий, содержащего фактическую величину из атрибутивной информации о стальном листе, заданную величину рабочего параметра этапа гибки давлением и заданную величину рабочего параметра этапа уменьшения зазора под сварку,
прогнозируют овальность стальной трубы после этапа экспандирования трубы посредством ввода полученного набора данных рабочих условий в модель прогнозирования овальности, причем прогнозирование выполняют перед началом этапа гибки давлением и с применением способа прогнозирования овальности стальной трубы по п. 7, и
изменяют заданную величину рабочего параметра этапа гибки давлением и/или заданную величину рабочего параметра этапа уменьшения зазора под сварку таким образом, чтобы уменьшить прогнозируемую овальность.
9. Способ регулирования овальности стальной трубы, характеризующийся тем, что
выполняют прогнозирование в отношении овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы, причем прогнозирование выполняют перед началом намеченного этапа для внесения изменений, выбранного из этапа гибки концов, этапа гибки давлением, этапа уменьшения зазора под сварку и этапа экспандирования трубы, которые входят в процесс изготовления стальной трубы, и прогнозирование выполняют с применением способа прогнозирования овальности стальной трубы по п. 7, и
изменяют один или более рабочих параметров, выбранных, по меньшей мере, из рабочих параметров намеченного этапа для внесения изменений, или одного или более рабочих параметров, выбранных из рабочих параметров этапов обработки формованием, выполняемых после указанного намеченного этапа для внесения изменений, причем указанное изменение выполняют на основании полученной информации по прогнозированию овальности стальной трубы.
10. Способ изготовления стальной трубы, характеризующийся тем, что изготавливают стальную трубу с применением способа регулирования овальности стальной трубы по п. 8 или 9.
11. Устройство прогнозирования овальности стальной трубы для прогнозирования овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы, на котором экспандируется внутренний диаметр стальной трубы, концы которой соединены друг с другом, в процессе изготовления стальной трубы, который включает следующие этапы: этап гибки давлением для обработки стального листа с образованием формованной заготовки, имеющей U-образное сечение, посредством множества нажатий пуансоном; этап уменьшения зазора под сварку посредством уменьшения участка зазора под сварку формованной заготовки, имеющей U-образное сечение, для получения открытой трубы; этап сварки для соединения концов открытой трубы друг с другом; и этап экспандирования трубы;
указанное устройство содержит:
блок сбора исходных данных, предназначенный для выполнения численной операции, имеющей в качестве входных данных набор данных рабочих условий, включающий: один или более параметров, выбранных из атрибутивной информации о стальном листе, один или более рабочих параметров, выбранных из рабочих параметров этапа гибки давлением, и один или более рабочих параметров, выбранных из рабочих параметров этапа уменьшения зазора под сварку; и имеющей в качестве выходных данных информацию об овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы, причем расчет выполняется множество раз при изменении набора данных рабочих условий, и с помощью указанного расчета генерируется множество наборов данных в отношении информации об овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы, соответствующих наборам данных рабочих условий, в качестве обучающих данных;
блок генерирования модели прогнозирования овальности, выполненный с возможностью генерирования модели прогнозирования овальности, содержащей набор данных рабочих условий в качестве входных данных, и содержащей информацию об овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы в качестве выходных данных, причем генерирование модели выполняется с помощью машинного обучения, используя множество наборов обучающих данных, генерируемых блоком сбора исходных данных;
блок сбора рабочих параметров, выполненный с возможностью получения в режиме реального времени набора данных рабочих условий, которые должны быть заданы в качестве рабочих условий этапов процесса изготовления стальной трубы; и
блок прогнозирования овальности, выполненный с возможностью прогнозирования информации об овальности стальной трубы после этапа экспандирования трубы, соответствующей набору данных рабочих условий, получаемому блоком сбора рабочих параметров, причем прогнозирование выполняется в режиме реального времени, используя модель прогнозирования овальности, генерируемую блоком генерирования модели прогнозирования овальности.
12. Устройство прогнозирования овальности стальной трубы по п. 11, содержащее
терминальное устройство, содержащее входной блок, выполненный с возможностью сбора входной информации на основании операций пользователя, и блок индикации, предназначенный для отображения информации об овальности,
причем блок сбора рабочих параметров выполнен с возможностью обновления части или всего набора данных рабочих условий в процессе изготовления стальной трубы на основании входной информации, получаемой входным блоком, и
блок индикации выполнен с возможностью отображения информации об овальности стальной трубы, прогнозируемой блоком прогнозирования овальности, используя обновленный набор данных рабочих условий.
| СПОСОБ И УСТРОЙСТВО МОДЕЛИРОВАНИЯ СГИБАНИЯ ТРУБЫ | 2006 |
|
RU2414317C2 |
| СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВАРНЫХ ТРУБ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА | 2011 |
|
RU2486981C1 |
| JP 4870200 B2, 08.02.2012 | |||
| JP 6519896 B1, 29.05.2019. | |||
