Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние теории и практики обеспечения технического обслуживания оборудования производства целлюлозы вибрационным диагностированием 14
1.1. Краткие сведения о варочном оборудовании и методах его диагностирования 14
1.2. Обзор работ по вибрационному расчету оборудования целлюлозного производства и аналогичных аппаратов химической промышленности 20
1.3. Обзор работ по измерению вибрации и техническому диагностированию оборудования 22
1.4. Обзор работ по уменьшению колебаний оборудования целлюлозного производства и аналогичных аппаратов других производств 31
1.5. Обзор работ по влиянию коррозионного износа на прочность варочных котлов 33
1.6. Методические основы организации ремонтов оборудования по состоянию на основе вибрационного диагностирования 35
1.6.1. Общие и специфические критерии вибрационного диагностирования 35
1.6.2. Выбор критериев для обоснования ремонтов 37
1.7. Цель и задачи обоснования обслуживания оборудования производства целлюлозы по состоянию 43
2., Теоретические исследования вибрации варочного оборудования 47
2.1. Вынуждающие силы, действующие на варочные котлы 47
2.1.1. Вынуждающие силы в виде удара 47
2.1.2. Вынуждающие силы от циклических изменений эксплуатационных характеристик варочных котлов 51
2.1.3. Динамические нагрузки периодического действия 53
2.2. Вибрационный расчет варочных котлов 54
2.2.1. Расчетная вибрационная модель варочных котлов 54
2.2.2. Расчет парциальных собственных частот колебаний варочного котла 60
2.2.3. Расчет низших собственных частот колебаний варочного котла 68
2.3. Исследование влияния внутреннего давления на колебания варочных котлов 71
2.3.1. Влияние циклических изменений размеров корпуса варочного котла на осевую силу 71
2.3.2. Влияние колебаний варочного котла на осевую силу от внутреннего давления 74
2.3.3. Влияние внутреннего давления на собственные частоты колебаний варочных котлов 77
2.4. Влияние массы и агрегатного состояния сырья на
собственные частоты колебаний варочного котла 79
2.5. Определение виброперемещений варочного котла от сейсмических воздействий 81
2.6. Влияние циклических изменений нагрузки на осесиммет-ричные колебания корпуса варочного котла 87
2.7. Выводы 91
3. Экспериментальные и расчетные исследования вибрации оборудования варочного производства 93
3.1. Методика проведения экспериментальных исследований вибрации варочного оборудования 93
3.2. Исследование колебаний варочных котлов 97
3.3. Исследование распространения вибрации в технологической щепе 102
3.4. Исследование колебаний корпуса варочного котла, загруженного обрабатываемым сырьем 108
3.5. Силы, возбуждающие колебания трубопроводов варочных котлов 115
3.6. Собственные частоты колебаний трубопроводов 119
3.7. Экспериментальное обследование колебаний трубопроводов загрузки варочных котлов 122
3.8. Исследования колебаний роторных машин целлюлозного производства 126
3.9. Диагностика сит питателя высокого давления 133
3.10. Выводы 141
4. Диагностирование технического состояния варочного оборудования вибрационными методами 143
4.1. Методы диагностирования технического состояния оборудования 143
4.2. Вибрационный метод диагностирования оборудования 144
4.3. Измерение вибрационных функций оборудования 148
4.4. Режим работы оборудования при измерении вибрации 151
4.5. Допустимые диагностические параметры вибрационной функции отклика 152
4.6. Периодичность вибрационного обследования оборудования производства целлюлозы при эксплуатации 166
4.7. Вибрационное диагностирование оборудования целлюлозного производства при пуске в эксплуатацию 167
4.8. Прогнозирование технического состояния варочного оборудования при проектировании 174
4.9. Контроль общего коррозионного износа варочных котлов по собственным частотам колебаний 177
4.10. Выводы 180
5. Обоснование концепции ремонтов оборудования производства целлюлозы по состоянию при вибрационном диагностировании 181
5.1. Концепция диагностирования технического состояния элементов 187
5.1.1. Исследование множества технических состояний элементов 187
5.1.2. Графы изменения технического состояния элемента 192
5.1.3. Обоснование ремонта элементов по техническому состоянию 196
5.1.4. Обоснование концепции ремонта сложных объектов при техническом диагностировании 200
5.2. Влияние изменений технического состояния на ресурс наработки и восстановление элемента 203
5.3. Расчет вероятности технического состояния элемента 216
5.4. Обоснование остаточного ресурса и времени восстановления сложных объектов 223
5.5. Выводы 228
6. Комплексная виброзащита оборудования целлюлозного производства 230
6.1. Конструктивные разработки по виброзащите оборудования целлюлозного производства 232
6.1.1. Снижение вибрации питателя высокого давления 232
6.1.2. Снижение колебаний варочных котлов применением динамических виброгасителей 238
6.1.3. Применение демпферов для уменьшения колебаний варочных котлов 249
6.1.4. Вибродемпфирующие опоры трубопроводов варочных котлов 251
6.1.5. Обоснование конструкции опорных лап варочных котлов с учетом сейсмических нагрузок 256
6.2. Комплексное обеспечение виброзащиты оборудования производства целлюлозы 260
6.3. Выводы 262
Выводы и заключение 263
Список использованных источников
- Обзор работ по вибрационному расчету оборудования целлюлозного производства и аналогичных аппаратов химической промышленности
- Вынуждающие силы от циклических изменений эксплуатационных характеристик варочных котлов
- Исследование колебаний корпуса варочного котла, загруженного обрабатываемым сырьем
- Допустимые диагностические параметры вибрационной функции отклика
Введение к работе
^ Актуальность темы. Объектом исследования является оборудование
производства целлюлозы установок периодического и непрерывного спосо
бов варки с вертикальными варочными котлами. Предмет исследования —
вибрационные характеристики и техническое состояние оборудования. В
России на предприятиях целлюлозно-бумажной промышленности износ ос
новных фондов составляет 60...70 %. Почти 50 % варочных котлов периоди
ческого действия находятся в эксплуатации более 45 лет, 80 % установок не
прерывной варки целлюлозы - более 25 лет.
С Отказы оборудования производства целлюлозы при высоком уровне
износа представляют потенциальную опасность для обслуживающего персонала и сопровождаются длительными ремонтно-восстановительными работами. Применение технического диагностирования для обнаружения неис-
(ф. правностей является одним из методов предотвращения отказов и обеспече-
ния эксплуатационной эффективности варочного оборудования.
Преимущественное развитие вибрационных методов технического диагностирования обусловлено возможностью формирования диагностических оценок оборудования при проектировании, изготовлении, эксплуатации и модернизации. Вибрационное диагностирование концептуально рассматривается как составная часть технического обслуживания оборудование производства целлюлозы. При проектировании вибрационное диагностирование применяется для определения вибрационных характеристик и предотвращения возможных резонансных колебаний внесением изменений в проектно-
fdl конструкторскую документацию.
Опыт применения методов расчета вибрационных характеристик аппаратов колонного типа для варочных котлов выявил значительное расхожде-
8 ниє расчетных и экспериментальных данных. Котлы в отличие от аппаратов колонного типа имеют не постоянную, а переменную жесткость изгйбаУсо"^ значительными перепадами по смежным участкам.
Для расчетного определения вибрации варочного котла необходимо разработать и исследовать диагностическую модель, учитывающую особенности конструкции, технологии и возможность установки устройств, снижающих колебания.
На этапе эксплуатации вибрационное диагностирование применяется для контроля технического состояния оборудования. Сдерживающим фактором в развитии вибрационного диагностирования является низкий уровень использования диагностической информации о техническом состоянии контролируемых узлов (деталей, сборочных единиц, механизмов). Методическое обеспечение виброизмерительной диагностической аппаратуры ограничивается в основном оценкой технического состояния контролируемых узлов.
Отечественными и зарубежными учеными исследованы системы распознавания образов, сочетающие параметрические методы диагностирования и топологические (на основе ориентированных графов) описания состояния объекта. Переход от параметрических оценок технического состояния узлов к диагностическим графам сложных объектов (машин, аппаратов) повышает уровень использования диагностической информации. Диагностические графы можно рассматривать как основу для оценки технического состояния объектов и прогнозирования ремонтов по критериям диагноза работоспособного технического состояния узлов. Применение диагностических графов для контроля оборудования связано с теоретическим обоснованием и экспериментальной проверкой методики формирования оценочных подмножеств диагностических графов и исследованием интенсивностей переходов технического состояния диагностируемых узлов по оценочным подмножествам.
Таким образом, в методическом обеспечении технического обслуживания по состоянию применяются разработки вибрационного диагностирования, теории распознавания образов и теории надежности.
На этапе модернизации вибрационное диагностирование применяется для оценки технического состояния оборудования производства целлюлозы, обоснования средств виброзащиты и вибрационных испытаний. Обеспечение вибрационного диагностирования оборудования при модернизации производилось известными методами измерений и контроля. Опыт вибрационных испытаний оборудования выявил необходимость разработки норм вибрации, методических рекомендаций по уменьшению колебаний, методических руководств по проведению вибрационного обследования, учитывающих технологическую и конструкционную специфику оборудования производства целлюлозы.
Цель работы. Повышение эффективности технического обслуживания на основе разработки и исследования вибрационных диагностических моделей, прикладных вибрационных методов раннего обнаружения неисправностей и организации ремонтов оборудования производства целлюлозы по техническому состоянию. Выводы и результаты работы базируются на многолетних исследованиях вибрационных диагностических характеристик оборудования производства целлюлозы.
Методические основы диссертации. Теоретические исследования основаны на: развитии прикладной теории колебаний тонкостенных аппаратов и труб; развитии прикладной теории технического диагностирования машин и оборудования; статистическом исследовании изменения структурных параметров технического состояния оборудования; развитии метода организации технического обслуживания и ремонта по техническому состоянию на основе комплексного применения вибрационного диагностирования оборудования; разработке прикладных методов динамического гашения вибрации и
10 расчета демпферов для варочных аппаратов и труб; вероятностных методах расчета множеств работоспособных технических состояний диагностических графов контролируемых объектов; экспериментальной апробации рекомендаций, разработанных на основе теоретических исследований диссертации, в производственных условиях.
Достоверность результатов. Результаты исследований основаны на фундаментальных положениях теории колебаний, теории надежности, методах технического диагностирования машин и математической статистики. Достоверность результатов исследований вибрационных диагностических характеристик по вибрационным диагностическим моделям подтверждается применением методов математической статистики для обработки опытных данных и оценки погрешностей, экспериментальной проверкой основных теоретических разработок, моделей и методов расчета в производственных условиях на реальной диагностической информации.
Научная новизна
- 1. Разработана расчетная вибрационная модель варочных котлов, позволяющая объяснить закономерности изменения вибрационных диагностических функций в зависимости от технологических факторов режима варки целлюлозы и структурных параметров технического состояния оборудования.
Впервые выявлены закономерности изменения собственных частот колебаний варочных котлов за цикл варки и период эксплуатации.
Установлены закономерности изменения неупругих сопротивлений в технологической щепе при воздействии вибрации в зависимости от параметров вибрационного поля. Получены уравнения для расчета затухания вибрации в технологической щепе.
Впервые разработана модель вибрационного диагностирования засорения сит систем циркуляции варочных котлов.
Разработана методика вибрационного диагностирования, включающая математические зависимости для расчета диагностических критериев и алгоритм оценки технического состояния оборудования по результатам экспериментальных измерений вибрации.
Впервые разработаны диагностические графы и модели формирования диагностических кортежей для оценки технического состояния и обоснования технического обслуживания оборудования производства целлюлозы по состоянию.
7. Разработаны методы уменьшения колебаний оборудования произ
водства целлюлозы. Обоснована виброзащита оборудования изменением
конструкций, применением динамических виброгасителей и демпферов.
Практическая ценность. Теоретические положения работы применены в качестве концепции формирования норм вибрации, организации вибрационного мониторинга и вибрационного диагностирования при обосновании технического обслуживания варочного оборудования. Результаты работы внедрены в целлюлозно-бумажной промышленности в нормативных государственных и отраслевых материалах:
ГОСТ 25673-83. Вибрация. Методы и средства вибрационной диагностики технического состояния оборудования целлюлозно-бумажного производства.
ГОСТ 26493-85. Вибрация. Технологическое оборудование целлюлозно-бумажного производства. Нормы вибрации. Технические требования.
Методические рекомендации по уменьшению колебаний рабочих мест, машин и аппаратов целлюлозно-бумажной промышленности.
Методическое руководство по проведению вибрационного обследования технологического оборудования целлюлозно-бумажного производства.
Диагностирование технического состояния бумагоделательного оборудования по измерению параметров вибрации переносной виброизмерительной аппаратурой. Методические рекомендации.
Временное положение о лаборатории (группе) диагностики технического состояния оборудования предприятий ЦБП.
7. Виброзащита и диагностика оборудования для варки целлюлозы.
Методические рекомендации.
Внедрение результатов работы осуществлялось на следующих предприятиях: Камском ЦБК, Сыктывкарском ЛПК, Архангельском ЦБК, Кондо-пожском ЦБК и «Соликамсбумпром». Основной итог внедрения - совершенствование организации технического обслуживания и ремонта оборудования на основе применения методов диагностирования технического состояния.
Методические разработки автора используются в учебном процессе при подготовке студентов по специализации 1704.04 «Машины и аппараты ЦБП», на курсах повышения квалификации по техническому диагностированию для инженеров механиков предприятий целлюлозно-бумажной промышленности.
Апробация работы. Основные положения работы и ее отдельные разделы докладывались и обсуждались на:
Всесоюзной конференции «Состояние и перспективы развития технологии и оборудования ЦБП». Ленинград, 1982 г.
Всесоюзном совещании по вибродиагностике оборудования и приборов. Иваново, 1985 г.
Региональной научно-технической конференции «Моделирование и автоматизация проектирования сложных технических систем». Калуга, 1990 г.
Областной научно-технической конференции «Вклад ученых и специалистов в развитие химико-лесного комплекса». Свердловск, 1991 г.
Научно-технической конференции «Дни науки-92». Озерск, 1999 г.
Международной научно-технической конференции «Социально-экономические и экологические проблемы лесного комплекса». Екатеринбург, 1999 г.
Научно-технических семинарах и конференциях «Виброакустические процессы в технологиях, оборудовании и сооружениях отраслей лесопромышленного комплекса». Екатеринбург, 1999-2002 г.
Апробация работы производилась на научно-практических конференциях, семинарах и технических совещаниях Минлесбумпрома (Москва, Архангельск, Соликамск, Балахна, Светлогорск), 1979...1989 г.г.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 62 работы, в том числе 10 в центральных изданиях, издано 2 ГОСТа и 4 отраслевые методические рекомендации.
Теоретические и экспериментальные исследования, представленные в диссертационной работе, выполнены автором в отраслевой лаборатории виброзащиты и вибродиагностики оборудования целлюлозно-бумажных и деревообрабатывающих предприятий, образованных совместными приказами Минбумпрома СССР и Минвуза РСФСР от 25.06.78 г. № 222/334, Минлес-прома СССР И Минвуза РСФСР от 7.05.87 г. № 193/365, в рамках программы Госстандарта и АН СССР № 450 - 1.02.80 комплексной стандартизации по научно-технической проблеме «Вибрация. Виброзащита машин и оборудования» на 1980-1985 г.г. (шифры заданий: 1.012, 2.005, 3.009); Региональной программы междуведомственного координационного совета в Ленинграде АН СССР «Комплексное использование и воспроизводство лесных ресурсов на 1986-1990 г.г. и последующие годы».
Объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 6 разделов, заключения, библиографии из 178 наименований, 3 приложений. Объем работы 303 страницы машинописного текста, в т.ч. 78 иллюстраций и 23 таблицы.
Обзор работ по вибрационному расчету оборудования целлюлозного производства и аналогичных аппаратов химической промышленности
Для обеспечения экспериментальных измерений вибрации разработаны оснастка и диагностические стенды [21-26]. Перед исследованиями аппаратура синхронизировалась и тарировалась на вибростенде [21]. После исследований тарировка производилась на основных частотах, которые были выявлены при экспериментах.
Амплитудно-частотные характеристики измерялись при возбуждении моногармонических колебаний конструкций в широком диапазоне частот. Возбуждение этих колебаний производилось специально разработанным пневматическим вибратором [22]. Динамические характеристики массивных аппаратов (ВК, выдувных резервуаров) измерялись при возбуждении колебаний при импульсном приложении нагрузки от натяжного устройства с разрушающимся тарированным элементом [23]. По затухающим колебаниям конструкций от импульса силы определялись низшая собственная частота колебаний и логарифмический декремент колебаний. Проверка частотного состава вибрации от дефектов подшипников, формы спектрограмм и виброграмм производилась на специально разработанном стенде [24]. Наработанные материалы использовались для идентификации изменений структурных параметров ТС подшипников при измерении вибрации узлов машин.
Исследование влияния нестационарных связей в машинах в виде сил трения в подшипниковых опорах, сальниковых уплотнениях производилось на экспериментальном стенде [23]. Установлено, что влияние нестационарных связей на динамические характеристики конструкции в нерабочем режиме выше, чем в рабочем. Нестационарные связи в нерабочем режиме оборудования незначительно (на 4...7 %) повышают собственные частоты колебаний и существенно (на 12...20 %) понижают логарифмический декремент колебаний при резонансе. Влияние нестационарных связей учитывалось при корректировке собственных вибрационных характеристик машин для рабочего режима и режима останова.
На первом этапе исследований определялась возможность применения вибрационных методов для оценки ТС, вибрационных испытаний и виброзащиты оборудования [26-29]. Произведена классификация машин и оборудования по динамичности, определены методы вибрационных испытаний и рассмотрены способы уменьшения колебаний.
На втором этапе исследований обосновывались методы ВД и формирования диагностических признаков ОПЦ. Материалы исследований ВД отражены в работах, выполненных при участии автора [30, 31]. Литературный обзор по ВД оборудования ЦБП [32-35] показал, что внедрение диагностирования экономически эффективно. На целлюлозных заводах Champion Paper Со [32], CEDRA [33] за время применения вибрационной диагностики было обнаружено и своевременно устранено большое число неисправностей оборудования. Целлюлозно-бумажный комбинат Georgia-Pacific [35], имеющий две установки непрерывной варки целлюлозы, увеличил степень использования производственных мощностей за счет эффективной системы диагностирования и технического обслуживания оборудования с 82,3 до 94 %.
Для оценки колебаний бумагоделательного оборудования на кафедре «Машины и оборудование ЦБП» Уральского лесотехнического института разработаны, а Минлеспромом СССР утверждены рекомендации по ограничению колебаний бумагоделательного оборудования [36].
В рекомендациях приведены предельные параметры вибрации для оценки колебаний узлов бумагоделательного оборудования. Интенсивность колебаний с частотой выше 10 Гц ограничивается СКЗ виброскорости, а в октавных полосах частот до 200 Гц - амплитудой или пиковым значением виброперемещений, определяемых по СКЗ виброскорости на частоте колебаний 10 Гц.
В работе [37] систематизированы основные причины возникновения отказов и методы выявления неполадок химического и нефтехимического оборудования, а также его диагностика.
В [38, 39] для контроля вибрации оборудования химических производств разработаны допустимые уровни вибрации роторных машин. В качестве критериев используются пики величин виброскорости и смещения пиков. Для анализа вибрации оборудования виброграммы выносятся на экран системы контроля. Параметры вибрации контролируемого оборудования сопоставляются с допустимыми значениями.
При экспериментальных исследованиях для оценки параметров колебаний широко применяют метод модального анализа. Метод направлен на определение собственных частот при силовом возбуждении вынужденных колебаний объектов [40, 41]. При этом методе измеряют функции частотной реакции при возбуждении системы в одной или нескольких точках. Возбуждение может быть узкополосным или широкополосным, а также случайным или детерминированным. Полученные функции частотной реакции используются как выходные данные для оценки параметров колебаний [42].
В [43] рассмотрены два метода диагностики узлов трения по высокочастотной вибрации: «метод ударных импульсов» и «метод огибающей». Ударные импульсы возникают в спектре высокочастотной вибрации при вращении узла с дефектами поверхности трения. Дефекты обнаруживаются по пик-фактору, т.е. по величине отношения максимального значения вибрационного сигнала к его СКЗ. Метод ударных импульсов неэффективен при прогнозировании развития дефектов. В методе огибающей анализируется не высокочастотная вибрация, а низкочастотные колебания ее мощности.
Вынуждающие силы от циклических изменений эксплуатационных характеристик варочных котлов
При эксплуатации ВК циклически изменяются температура, давление и масса обрабатываемого сырья. Изменения агрегатного состояния технологической щепы при варке в ВК периодического действия приводят к измене нию положения центра масс, что также отражается на динамических характеристиках аппаратов. Циклические изменения эксплуатационных параметров в большей степени характерны для ВК периодического действия и в / И? s меньшей - для ВК непрерывного действия. За цикл варки У J" температураЬК изменяется от 20...50 С до 140... 170 С ступенчато с периодичностью от 30 до 180 мин, внутреннее давление - от 0 до 0,8...1,2 МПа. Длительность периодов подъема и снижения давления составляет 20.. .200 мин.
При заполнении ВК сырьем его масса увеличивается в 4...6 раз. Циклические отборы варочных растворов снижают массу ВК на 3...5 %. В процессе варки изменяется структура щепы. Часть древесного вещества (около 50 %) переходит в жидкую и газообразную фазы. Волокна целлюлозной массы после отделения жидкой и газообразной фаз, как более тяжелые, осаждаются в нижнюю часть ВК. При окончании варки содержимое ВК расслаивается на три части: внизу находятся волокна целлюлозной массы, в середине - щелок, вверху - парогазовая смесь [74]. Расслоение продуктов лр варки с осаждением тяжелых фракций приводит к смещению вниз центра масс ВК.
ВК имеют большую высоту (15...87 м). Циклические изменения температуры, давления, массы ВК и агрегатного состояния обрабатываемого сырья проявляются как медленно изменяющиеся динамические характеристики. Расчет вибрационных характеристик по динамической модели ВК следует производить с учетом циклического изменения эксплуатационных факторов. Циклические нагрузки приводят к периодическим перемещениям загрузочных горловин ВК. Эти нагрузки следует учитывать при разработке компенсационных устройств трубопроводов трактов загрузки и выгрузки. Расчет пе ф ремещений загрузочных горловин ВК от воздействия медленно изменяющих ся циклических нагрузок целесообразно производить по математической модели осесимметричных низкочастотных колебаний.
Периодическими являются нагрузки, возбуждаемые роторными, шне-ковыми и плунжерными машинами установок для варки целлюлозы, мешалками, насосами, вентиляторами и приводом. Роторные машины (дозаторы щепы, питатели высокого и низкого давления, мешалки, технологические насосы) возбуждают вибрацию с частотой соударения лопастей, с транспортируемой средой или с частотой опорожнения карманов (питатели низкого и высокого давления) [75, 76].
Винтовые питатели, валы-шнеки загрузочных устройств ВК непрерывного действия и варочных труб возбуждают вибрацию с частотой com=knz, (2.7) где к - число заходов лопастей винта; п - частота вращения винта; z - число патрубков загрузки и выгрузки шнека.
Машины, которыми оборудованы ВК, имеют специфические циклограммы рабочих режимов, обусловленные технологическим процессом. Периодические нагрузки от отдельных машин воздействуют на ВК в соответствии с циклограммами рабочих режимов. Каждая из машин ВК генерирует вибрацию на определенных дискретных частотах. Вынуждающие силы, возбуждаемые машинами на дискретных частотах, определяются по формуле Fji=mjVjicoicos(coit); i= 1,2,...,n; j = 1,2,...,к, (2.8) где т, - колеблющаяся j-я масса машины; Vjj - виброскорость колебаний j-й массы машины на дискретной і-й частоте; і-угловая частота i-x колебаний j-й массы машины; t - фактор времени. Динамические силы Fji создают равнодействующую силу v-й машины п Fv= Fjj cos jt). Силы Fv меньше сил сопротивления ВК и возбуждают i=l только местные колебания оболочек в зоне их действия. Силы Fr, Fv, FT создают вынуждающую силу динамического воздействия F(t)=f(Fzcos( Ozt);yz;t); z=r,T,v, (2.9) где Fz - амплитудное значение z-й вынуждающей силы; Qz - угловая частота колебаний z-й силы; Yz_ угол между вектором силы и направлением измеряемой вибрации. Вынуждающая сила F(t) совместно с сейсмическими воздействиями возбуждает вибрацию ВК на низших собственных частотах.
Исследование колебаний корпуса варочного котла, загруженного обрабатываемым сырьем
Технологическая щепа, загружаемая в ВК периодического действия, равномерно распределяется по объему таким образом, что в 1 м3 котла находится 38 0кг. щепы. В таком же соотношении технологическая щепа находится в ВК установок непрерывной варки.
Колебания ВК вызывают перемещение и деформацию технологической щепы, при этом происходит рассевание энергии колебаний.
С целью изучения влияния обрабатываемого сырья на колебания ВК исследовано распространение вибрации в технологической щепе [100]. Щепа, помещенная в резервуар, подвергалась вибрационному воздействию от погруженного вибровозбудителя, генерирующего колебания в вертикальной плоскости (рис. 3.5). Длина вибрационного поля от вибровозбудителя создавалась значительно меньше расстояния от стен, днища резервуара и поверхности щепы (т.е. вибрационное поле полностью располагалось в щепе). В зоне вибрационной обработки щепа подвергалась воздействию вибрации, которая имела следующие характеристики: частоту ш = 10...75 Гц; амплитуды виброперемещения A = 500 мкм и вынуждающей силы F = 34 Н; СКЗ вибро-скорости V=54 мм/с и виброускорения а = 2,8 м/с .
Частота вибрации регулировалась в интервале от 10 до 75 Гц с целью выбора эффективных характеристик вибрационного воздействия на обрабатываемый материал. При частотах вибрации ниже 15 Гц инерционным вибратором генерировались малые вынуждающие силы, быстро затухающие в материале. Максимальные уровни вибрации в материале наблюдались при частотах вибровозбудителя 20...40 Гц. Увеличение частоты вынуждающей силы от 40 до 75 Гц сопровождалось незначительным (до 5 %) возрастанием уровней вибрации щепы при больших энергетических затратах на виброуплотнение. Распространение вибрации в щепе зависит от направления бегущей волны. В горизонтальном направлении вынуждающая сила от вибровозбудителя генерирует в щепе вибрацию в частотном диапазоне 10...250 Гц с преобладающей интенсивностью в октавной полосе со среднегеометрической частотой 16 Гц. В вертикальном направлении от вибровозбудителя в щепе возбуждается вибрация в частотном диапазоне 10...375 Гц с преобладающими уровнями в октавах со среднегеометрическими частотами 16 и 31,5 Гц.
Характер изменения уровней вибрации в щепе в зоне вибрационного поля приведен на рис. 3.5. Контуры вибрационного поля в горизонтальной плоскости имеют симметричную форму, в вертикальной - не симметричную. Вибрационные волны от вибратора из глубины материала к поверхности затухают быстрее, чем от источника вибрации вглубь уплотняемого материала.
Распространение вибрации в щепе в горизонтальном ОХ и вертикальном OZ направлениях характерно для соотношения э«. Длина поля эффективной вибрационной обработки щепы определялась экспериментально при снижении общего уровня виброскорости до Vmjn. Принималось, что уплотнение щепы не происходит, если ее начальный объем не изменялся после обработки в течение 1 мин. Установлено, что уплотнение щепы прекращается при Vmin 2,2 мм/с. Длина поля эффективной вибрационной обработки щепы зависит от виброскорости.
При виброскорости на поверхности вибровозбудителя Vi = 35..50 мм/с э =900.. .1600 мм в направлении распространения волны. Общее затухание виброскорости на э ao /V, (3.7) где Vmin - виброскорость в щепе на расстоянии э от вибровозбудителя. Среднее затухание вибрации в октавной полосе преобладающей интенсивности колебаний 1 А V a =-4-1 -, (3-8) где п - число i-x точек контроля виброскорости на длине э; Vj - виброскорость щепы в і-й контрольной точке. Логарифмический декремент колебаний определялся по формуле D = In (Vi/Vi+1) . (3.9) При вибрационной обработке щепа подвергается периодическому сдвиговому деформированию, при котором происходит ее крошение. Установлено, что крошение щепы минимально при вибрационной обработке со среднегеометрическими частотами 16 и 31,5 Гц и виброскоростью до 40 мм/с, вызывающей малые деформации. Изменения упруговязких свойств сыпучих материалов при малых деформациях можно рассматривать как линейные [101].
Допустимые диагностические параметры вибрационной функции отклика
Загрузочные и выгрузочные трубопроводы эксплуатируются при переменных температурах, давлениях, динамических нагрузках и воздействии агрессивных транспортируемых сред с абразивными примесями. Длина трубопроводов составляет от 20 до 80 м, диаметр - от 300 до 600 мм.
В зависимости от конструкции и назначения опорных устройств трубопроводы разделялись на плоские многопролетные и пространственные. Выгрузочные трубопроводы применяются для транспортирования суспензий, имеющих давление 0,2...0,5 МПа и температуру 120...170 С. Выгрузочные трубопроводы работают циклически (ВК периодического действия) или непрерывно (ВК установок непрерывной варки целлюлозы). Загрузочные трубопроводы применяются только у ВК непрерывной варки целлюлозы. Суспензия в трубопроводах загрузки имеет давление 1,0...1,2 МПа и температуру 100...140С. Пролеты трубопроводов опираются на неподвижные или скользящие опоры и подвески. Для предотвращения передачи сил от температурных деформаций на корпуса ВК, выдувных резервуаров и строительных конструкций устанавливаются компенсационные пролеты трубопроводов.
На трубопроводы, находящиеся в эксплуатации, действуют силы: внутреннего и гидростатического давления, весовой нагрузки, от изменений температуры, неравномерного нагрева, вибрационные.
Внутреннее давление имеет главное значение при определении необходимой толщины стенок трубопроводов (по условию обеспечения прочности). Давление создает наибольшую нагрузку на трубопроводы. Силы от давления следует отнести к циклическим нагрузкам , так как оно изменяется от нуля до рабочего значения в соответствии с графиком варки.
Гидростатическое давление зависит от плотности и перепадов высот уровней жидкости. При расчетах на прочность тонкостенных труб в соответ ствии с [18] гидростатическое давление учитывалась, если оно превышало 5 % от давления над поверхностью жидкости.
Весовая нагрузка состоит из сил тяжести: металла трубопроводов, арматуры, теплоизоляции, транспортируемой суспензии. Весовая нагрузка трубопроводов является распределенной. Нагрузка от арматуры (задвижек, шаровых клапанов и т.п.) рассматривалась как сосредоточенная. Циклическое изменение весовой нагрузки зависит от заполнения суспензией трубопроводов.
Колебания температур трубопроводов приводят к периодическим изменениям их длины. Температурное удлинение (укорочение) трубопровода определялась по формуле AL=a(tKH)L, где a - температурный коэффициент линейного расширения материала трубы; tK, tH - температуры соответственно конечного и начального нагрева; L- длина трубопровода. Удлинение и расширение трубопроводов вызывает их деформирование. Сила от температурных деформаций труб определялась по формуле F = ot A cos cat, где ot = Е a (tK - tH) - напряжения температурных деформаций; А - площадь сечения трубы; t - период изменения напряжений. Для протяженных трубопроводов силы и напряжения в элементах трубопроводов от температурных изменений могут быть очень большими. Силы от температурных изменений являются циклической нагрузкой. К циклической нагрузке относятся также смещения защемленных концов трубопроводов, которые вызываются, например, температурными расширениями корпуса ВК и питателя высокого давления, и монтажная растяжка.
Неравномерный нагрев трубопроводов вызывает местные температурные напряжения в стенках трубопроводов и возникает при нестационарном режиме работы (нагрев, охлаждение, аварийная ситуация). Возможно возникновение местных температурных напряжений в условиях стационарного режима, например, поток суспензии в трубопроводах имеет более низкую температуру по сравнению с температурой содержимого ВК. Неравномерный нагрев относится к циклическим нагрузкам. Местные температурные напряжения в трубопроводах также могут возникнуть из-за неравномерности температурного поля и соединения элементов из разнородных по теплофизиче-ским свойствам сталей.
Источниками вибрации трубопроводов являются возмущающее действие потока суспензии, вибрация агрегатов, к которым присоединен трубопровод, гидравлические удары и сейсмические силы.
Вибрационные нагрузки подразделялись:: на периодические и непериодические. К периодическим относятся нагрузки, возникающие от дисбалансов вращающихся роторов машин, от установившихся пульсаций давления потока в трубопроводах и т.д. Непериодические нагрузки в трубопроводах возбуждаются: реактивными силами при опорожнении аппаратов выдувкой; гидравлическими ударами; действием дисбалансов вращающихся роторов при разгоне или останове машин; изменением вынуждающих сил в источниках пульсации давления жидкости, например, при остановах или пусках циркуляционных насосов и т.д.
Наиболее распространенным источником вибрации трубопроводов является пульсация давления транспортируемой среды. Местные гидравлические сопротивления (повороты, изгибы, разветвления и т.п.) также являются причиной пульсации жидкости в трубопроводах.
