Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы прокатных станов 7
1.1. Недостатки методов расчета усталостной долговечности $
1.2. Необходимость мониторинга остаточного ресурса 15
1.3. Патентный поиск 19
1.4. Выводы по главе 22
Глава 2. Расчет долговечности деталей приводов рабочих клетей при неавтомодельных процессах накопления усталостных повреждений 23
2.1. Крутильные колебания в приводе клети прокатного стана 28
2.2. Определение моментов прокатки для всего сортамента стана 37
2.3. Определение параметров кривой усталости для заданной детали 40
2.4. Построение блока нагружения 44
2.5. Расчет долговечности без учета истории нагружения 49
2.6. Расчет долговечности с учетом истории нагружения 56
2.7. Прогнозирование остаточного ресурса 69
2.8. Выводы по главе 73
Глава 3. Мониторинг остаточного ресурса 74
3.1. Разработка измерительного блока аппаратуры 75
3.2. Оцифровка сигналов с датчиков 82
3.3. Разработка программного обеспечения 87
3.4. Результаты экспериментов на промышленном оборудовании 91
3.5. Выводы по главе 93
Заключение 94
Выводы 96
Список литературы
- Необходимость мониторинга остаточного ресурса
- Определение моментов прокатки для всего сортамента стана
- Расчет долговечности без учета истории нагружения
- Разработка программного обеспечения
Введение к работе
Потери из-за недостаточной долговечности металлургического оборудования очень велики: на все виды ремонта ежегодно расходуется около 25% капитальных вложений в металлургию, кроме того, на ремонтных работах занято более 20% рабочих отрасли и примерно треть металлорежущих станков [1]. Разработана федеральная программа «Техническое перевооружение и развитие металлургии России», в рамках которой предусмотрен переход от системы планово-предупредительных ремонтов (ППР) к новой системе ремонтов по фактическому состоянию на основе результатов диагностирования. Серьезный недостаток системы ППР заключается в том, что план ремонтов составляется по среднестатистическим данным о выходе из строя деталей и узлов. Ремонт по регламенту зачастую приводит к замене исправного оборудования и не исключает аварии между ремонтами. Подсчитано, что затраты на ремонт оборудования без системы диагностики составляют, в среднем, 60% от его первоначальной стоимости, а с системой диагностики такие затраты в десять раз меньше. Существующие системы диагностики прокатных станов имеют недостаток: при диагностировании не вычисляется остаточный ресурс — это подчеркивает актуальность диссертационной работы.
С целью предотвращения аварий прокатных станов, вызванных внезапным разрушением высоконагруженных деталей приводов клетей, в диссертации разработана методика расчета усталостной долговечности с учетом истории нагружения, а также программное обеспечение и аппаратура для мониторинга остаточного ресурса.
Методика проиллюстрирована на примере автоматстана 220 ПНТЗ Первоуральского новотрубного завода (рис.В.1,а), трехвалкового стана ЭЗТМ-80 Электростальского завода тяжелого машиностроения (рис.В.1,б), клети 350 (рис.В.1,в) сортового стана Бхилайского металлургического комбината (Индия), лабораторно-промышленного стана ДУО-140 (рис.В.1,г)
Электростальского политехнического института (филиала московского института стали и сплавов).
CW1
Рис. В.І. Обший вид приводов клетей прокатных станов
В диссертации получены новые научные результаты:
1. Построены блоки иагружения деталей приводов клетей прокатных
станов на основе данных цикловой нагруженности этих деталей с учетом
годового сортамента.
2. Выполнен расчет усталостной долговечности деталей приводов с
учетом постепенною снижения предела выносливости после каждой ступени
блока нагружения.
3. Учтено влияние истории нагружения на оценку долговечности
деталей приводов и построены функции распределения долговечности.
4. Разработан мониторинг остаточного ресурса деталей приводов с
использованием специальной аппаратуры и программного обеспечения.
Аппаратура для мониторинга остаточного ресурса включает канал измерения крутящего момента и дополнительные каналы измерения температуры и вибрации. Аппаратура пригодна для промышленного использования и способна контролировать температуру масла редуктора, вибрацию электродвигателя и корпуса редуктора, крутящие моменты на шпинделях прокатного стана (рис.В.2).
Рис. В.2. Общий вид аппаратуры для мониторинга остаточного ресурса
Аппаратура была установлена на стане ДУО-140 и на стане ЭЗТМ-80, в результате чего определен остаточный ресурс их деталей. Аппаратура развертывается (свертывается) за 5—10 минут при наличии прямого доступа к контрольным точкам оборудования. Все принадлежности системы, включая ноутбук, кроме уже установленных на контролируемом вале тензо датчиков, свободно размещаются в малогабаритном чемодане и легко транспортируются одним человеком-оператором.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции «Павловские чтения» в Московском институте стали и сплавов (2000г.); на всероссийской научно-технической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика А.И. Целикова в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана (2004г.); на научно-технических семинарах кафедры «Прикладная механика» и кафедры «Оборудование и технологии прокатки» Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана (2004г.). По теме диссертационной работы опубликовано девять статей [2,3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10].
Необходимость мониторинга остаточного ресурса
В современных портативных системах диагностики вращающегося оборудования, к которому относится привод клети прокатного стана, основным видом анализируемых процессов становится вибрация, активно вытесняя многие другие процессы, в том числе и тепловые. Вибрационная диагностика эффективнее и имеется тенденция к быстрому снижению затрат на ее реализацию. Большинство существующих систем вибрационной диагностики контролируют низкочастотную вибрацию машин, которая практически без потерь распространяется от места возникновения до удаленных точек контроля вибрации. Для аварийной защиты этого достаточно, так как каждый дефект на конечном этапе своего развития приводит к появлению цепочки других дефектов, хотя бы один из которых легко обнаруживается по низкочастотной вибрации. Разрабатываются эффективные методы обнаружения основных дефектов оборудования по вибрации на этапе их зарождения, основанные на анализе высокочастотной вибрации [32].
Достоверность долгосрочного прогноза технического состояния вращающегося оборудования только по вибрации пока еще низка. Система вибрационной диагностики не позволяет прогнозировать усталостное разрушение высоконагруженных элементов приводов клетей. Для предотвращения аварий прокатных станов необходим мониторинг остаточного ресурса по усталости — обязательный контроль крутящего момента.
Разработки новых систем диагностики и мониторинга технического состояния прокатных станов ведутся, как правило, параллельно развитию систем автоматического управления, и лишь при создании новых поколений прокатных машин делаются попытки объединить системы управления и системы диагностики (мониторинга) в единую систему.
Двадцать лет назад разрабатывались системы управления именно техобслуживанием и ремонтами. Существовали системы CMMS (Computerized Maintenance Management Systems).
Затем возникли системы комплексного управления основными фондами ЕАМ (Enterprise Asset Management). Планирование ремонтов выполнялось на основе нормативной базы — аналог отечественной системы планово-предупредительных ремонтов (ППР). Действительность же такова, что нормативная база не учитывает все существующие сочетания факторов, от которых зависит фактическое состояние оборудования. Современные интегрированные ЕАМ дают возможность вести статистику по объекту, проводить анализ множества параметров, и на этом основании создавать план ремонтов и технического обслуживания. Стандартизация интерфейсов позволила облегчить обмен информацией между ЕАМ и автоматизированной системой управления технологическим процессом (АСУТП), позволяя выполнять более глубокий и комплексный анализ.
В 1989г. корпорация Wonderware (США) предложила систему SCADA (Supervisory Control and Data Acqnisition). Система SCADA обрабатывает разнообразную производственную информацию. С одной стороны, поступает информация о работе предприятия в целом: бухгалтерский учет, управление финансами и материально-техническим снабжением, организация документооборота. С другой стороны от различных датчиков поступает информация, используемая для управления технологическим процессом (АСУТП). Корпорация предложила пакет из пяти ключевых программ In Touch (задание), In Track (отслеживание), In Support (поддержка), In Batch (группа), In Control (управление). Особый интерес представляет In Support — итерактивная система нахождения и устранения неисправностей, которая обеспечивает легкий итерактивный доступ к экспертной системе и технической документации по ремонту, что помогает быстро диагностировать и ремонтировать сложное производственное оборудование. Однако встроенная экспертная система программы In Support только анализирует симптомы неисправностей, определяет степень их опасности, учитывает время и стоимость ремонта с учетом вероятности неудачи, но не прогнозирует долговечность деталей и узлов оборудования.
Это обстоятельство, впрочем, не помешало появлению новой концепции, «выросшей» из концепции ремонтов по фактическому состоянию — стратегии функционирования без отказов ZBS (Zero Breakdown Strategy). Она представляет собой идеал, к которому следует стремиться, используя для этого все лучшее из практики. Подход к реализации этой задачи получил название ТРМ (Total Productive Maintenance) — всеобщее и продуктивное управление ремонтами и техническим обслуживанием. Пока такой подход представляет собой набор общих принципов, по аналогии с концепцией всеобщего контроля качества TQM (Total Quality Management). Считается, что ТРМ есть TQM, примененная к ремонтам, диагностике и эксплуатации.
Определение моментов прокатки для всего сортамента стана
Для двухвалковых прокатных станов симметричное нагружение верхней и нижней ветвей линии привода является редким случаем. Возникновению разности моментов прокатки на верхнем и нижнем рабочих валках способствует большое количество факторов. Среди них можно выделить три группы. К технологической группе относятся конусность слитка, наличие несплошностей и окалины, влияние собственного веса раската, разница в уровнях установки станинных роликов и нижнего валка. К механической группе относятся разница в моменте инерции линий верхнего и нижнего валков, величины зазоров в соединениях. К электрическим факторам относятся разница в жесткости характеристик приводов верхнего и нижнего валков (если привод валков индивидуален).
Попытки добиться полностью симметричной работы двигателей приводов трехвалкового стана ЭЗТМ-80, при наличии существенной асимметрии со стороны нагрузки, также пока безуспешны.
Момент прокатки при установившемся процессе подсчитывается либо по усилиям, действующим на валки, либо по экспериментальным данным о расходе энергии при прокатке. Первый способ дает более точные результаты при прокатке профилей прямоугольного сечения (листов, лент, блюмов, слябов). Второй способ расчета оправдывает себя при прокатке сортового металла непрямоугольного сечения, где определение контактной площади и контактного давления сложнее, чем при прокатке профилей прямоугольного сечения.
Для изучения процесса захвата заготовки рабочими валками стана при расчете момента прокатки первым способом рассматривается очаг деформации [28,29,30]. Например, при прокатке на автоматстане 220 ПНТЗ, в очаге деформации (рис.2.9) имеются два характерных участка. На первом участке длиной Li осуществляется редуцирование заготовки (гильзы) без изменения толщины стенки; на втором участке длиной L2 происходит
Рис.2.9. Очаг деформации автоматстана 220 ПНТЗ
обжатие стенки валками на оправке. Катающий диаметр DK — диаметр валка в сечении калибра, в котором скорости валка и трубы совпадают. Окружная скорость по ширине валка имеет минимальное значение в вершине калибра, а максимальное — в точках на поверхности валка, следовательно, в части калибра, имеющей диаметр, меньший DK, труба опережает валки в направлении прокатки, а в остальной части отстает от них, т.е. весь очаг деформации можно разделить на зону опережения и зону отставания.
Параметрами кривой усталости для материала, изображенной в двойных логарифмических координатах, являются: предел выносливости гладкого лабораторного образца при знакопеременном кручении т_щ; число циклов No, соответствующее точке перегиба кривой; коэффициент т, характеризующий наклон левого участка кривой. Традиционно при переходе к кривой усталости для детали основное внимание уделяется влиянию различных факторов только на предел выносливости. Расчеты пределов выносливости в опасных сечениях предохранительного, карданного, универсального шпинделей и рабочего валка выполнены на ЭВМ по эскизам (см. рис.2.2) с использованием Маткад — программы.
Эффективный коэффициент концентрации напряжений Кт и масштабный коэффициент єт могут быть найдены независимо друг от друга или по статистической теории подобия усталостного разрушения. Эта теория описывает совместное влияние концентрации напряжений и масштабного фактора на сопротивление усталости для детали [12].
При выполнении расчетов по статистической теории подобия, в диссертации сделаны некоторые допущения. Первое допущение заключается в пренебрежении влиянием второго и третьего компонента главных напряжений, действующих в зоне концентрации. Второе допущение состоит в пренебрежении влиянием длины детали и мотивируется тем, что переход от одного сечения детали к другому не приводит к новой комбинации в распределении дефектов по сечению при волокнистой структуре с волокнами вдоль детали. Третье допущение (ограничение), связанное с тем, что уравнения теории подобия усталостного разрушения применимы для радиусов закругления в зоне концентрации напряжений р 0,1- -0,3 мм, позволяет использовать эти уравнения для деталей металлургических машин. Четвертое допущение состоит в том, что взят параметр s» = 0,5, что приемлемо для пластичных конструкционных материалов.
Параметр L , характеризующий протяженность зоны концентрации напряжений, равен периметру рабочего сечения, если максимальные напряжения одинаковы по всему периметру (периметр рабочего сечения круглых валов L = nd), или части периметра, прилегающей к зоне повышенной напряженности для других случаев.
Относительный градиент первого главного напряжения определяется по формуле _ а 2 GT=7+d, (2.6) где а = 1 — для предохранительного шпинделя и а = 1,15 — для карданного шпинделя, рабочего валка и универсального шпинделя. Градиент напряжений характеризует скорость убывания напряжений по мере удаления от места концентрации напряжений. Чем выше этот градиент, тем в меньшем объеме концентрируются высокие напряжения, тем меньше зерен металла приходится на этот объем и тем меньше вероятность образования здесь усталостной трещины.
Параметр уравнения подобия усталостного разрушения vT, характеризующий чувствительность к концентрации напряжений и масштабному фактору, определяется из таблицы [12, 13]. Чем больше величина vT, тем меньше чувствительность к концентрации напряжений и более резко проявляется масштабный фактор.
Расчет долговечности без учета истории нагружения
Расчет усталостной долговечности производится, если блок содержит повреждающие ступени с амплитудами выше уровня предела выносливости детали т_1д — в противном случае считается, что деталь не выходит из строя по причине усталости. Условно повреждающие ступени с амплитудами выше уровня кат 0,6 коэффициент, опрєдєляющий нижнюю границу повреждающих напряжений, обязательно учитываются при расчете усталостной долговечности, но только после первой повреждающей ступени с амплитудами выше уровня предела выносливости детали. Безопасные ступени имеют амплитуды ниже значения к х .ід [13].
Блок нагружения предохранительного шпинделя автоматстана 220 ПНТЗ содержит одну повреждающую (ті т _ід = 43 МГТа), четыре условно повреждающие (х2, х3, х4, т5 0,6 х _1д= 25,8 МПа) и две безопасные ступени.
Блок нагружения карданного шпинделя трехвалкового стана ЭЗТМ-80 имеет три повреждающие (її, х2, х3 т _ід = 185 МПа), три условно повреждающие (т4, х5, х6 0,6 т _їд = 111 МПа) и одну безопасную ступени.
Блок нагружения рабочего валка клети 350 сортового стана имеет одну повреждающую (ті х _ід = 33 МПа), четыре условно повреждающие (х2, х3, т4, х5 0,6 х _1Д= 19,8 МПа) и две безопасные ступени.
Блок нагружения универсального шпинделя стана ДУО-140 имеет две повреждающие (хь х2 т_ід= 103 МПа), четыре условно повреждающие (х3, т4, Х5, Хб 0,6 х_1Д= 61,8 МПа) и одну безопасную ступени.
При расчетах на усталостную долговечность обычно считается, что параметры кривой усталости для детали остаются неизменными во времени. Число циклов нагружений до разрушения N = N(x) при постоянном уровне амплитуд напряжений х определяется по кривым усталости, а процессы накопления усталостных повреждений v = v(x, ri) (хотя и могут быть нелинейными функциями от числа циклов нагружений п) считаются зависящими только от относительного числа циклов нагружений n/N (псевдоповреждений).
То есть считается, что кривые накопления усталостных повреждений при различных уровнях напряжений сливаются в одну кривую с уравнением v = v(n/N) (рис.2.17).
Это автомодельный процесс накопления усталостных повреждений [8], скорость которого может быть представлена в виде произведения двух функций, одна из которых cp(v) зависит только от накопленного усталостного повреждения v, а другая — только от уровня амплитуд напряжений т, т.е. имеем кинетическое уравнение усталостного разрушения в виде
Последнее равенство непосредственно следует также из линейной гипотезы накопления усталостных повреждений. То есть при автомодельных нелинейных процессах накопления усталостных повреждений условие линейного суммирования псевдоповреждений не нарушается.
Если амплитуды циклов напряжений т являются случайными величинами и задаются плотностью вероятности f(i), то из (2.11) следует, что число циклов нагружений до разрушения можно определить по формуле
Корректированная линейная гипотеза суммирования повреждений основана на предположении, что повреждение, вызванное циклом напряжений, не зависит от состояния детали в этот момент времени и от последовательности приложения амплитуд напряжений до этого (истории нагружения) и просто суммируется с повреждениями, вызванными предыдущими циклами.
Формула для вычисления долговечности имеет вид [13]: Т — 7 0 — Р "1д D Асл- б- yTmn " б (2.13) (т Кат,д) где X — ресурс детали, выраженный числом блоков нагружения до появления первой макроскопической трещины; в = 1 год — длина блока нагружения; Ка = 0,6 — постоянное число [16], определяющее нижнюю границу повреждающих напряжений; т _ід, N 0 , m — параметры кривой усталости, инвариантные относительно блока нагружения (см. табл. 4); т; _ ПІ — амплитуды и число циклов в і-той ступени блока нагружения (см. рис.2.16). Корректирующий коэффициент агр определяется как ap% _кт ; С= Z іГ"7Г (2Л4) где Тщах— максимальная амплитуда блока нагружения; Побщ— общее число циклов в блоке. Если по формуле (2.14) получается ар 0,2, то следует принимать ар = 0,2 по рекомендациям [13].
Расчет усталостной долговечности (без учета снижения предела выносливости, а также без учета рассеяния параметров блока нагружения и параметров кривой усталости) каждой из заданных деталей выполнен на ЭВМ при помощи разработанной Маткад-программы (табл. 5).
Срок службы предохранительного шпинделя автоматического стана 220 ПНТЗ по данным эксплуатации за 10 лет составляет 0,9 года (по данным ВНИИМЕТМАШ им. академика А.И. Целикова). Погрешность сравнения расчетного и эксплуатационного сроков службы предохранительного шпинделя составляет
Разработка программного обеспечения
Замер крутящих моментов на предохранительном шпинделе автоматстана 220 ПНТЗ при прокатке произведен специалистами ВНИИМЕТМАШ им. академика А.И. Целикова [29]. Осциллограммы показали, что после захвата трубы валками автоматического стана на предохранительном шпинделе возникают крутильные колебания длительностью не более одной секунды с соотношениями максимальных моментов к установившимся: 1,9—2,5 в первом проходе и 2,4—3,8 во втором проходе — и частотой колебаний 21—23 Гц. На основании этой ретроспективной экспериментальной информации в диссертации получены весовые коэффициенты долговечности для заготовки каждого типоразмера и вычислен ресурс предохранительного шпинделя Т СПЕР= 0.998 лет. Погрешность сравнения экспериментального и эксплуатационного ресурсов составила 10 % (табл. 11).
Для проведения эксперимента на трехвалковом стане ЭЗТМ-80 для измерения температуры масла в редукторе была изготовлена специальная сливная пробка со сквозным отверстием для щупа датчика температуры, а также с местами под сальниковые и резиновые уплотнения, которые зафиксированы еще одной пробкой с резьбой. Кроме того, на крышке корпуса редуктора, около узла подшипника, выточена и тщательно отшлифована горизонтальная поверхность для установки акселерометра на магнитной присоске. В ходе эксперимента стационарно установленный датчик температуры показал, что температура масла в редукторе не превышала допускаемое значение в 50С, при этом измеряемые параметры вибрации указывали на работоспособное состояние оборудования. Получены осциллограммы крутящих моментов, вычислен ресурс карданного шпинделя Т СПЕР = 3.179 лет. Погрешность сравнения экспериментального и эксплуатационного ресурсов составила 21 %.
Монтаж аппаратуры для мониторинга остаточного ресурса на лабораторно-промышленном стане ДУО-140 выполнен в следующем порядке: на универсальном шпинделе установлены тензодатчики, собранные по полумостовой схеме; в отдельном помещении установлены компьютер, измерительный блок вместе с усилителем ТА-5 и консольная тарировочная балочка. Аппаратура установлена стационарно: для соединения датчиков и электронных блоков, расположенных на значительном расстоянии, использованы экранированные кабели, размещенные внутри стальных труб малого диаметра. В результате эксперимента выполнены замеры крутящих моментов на универсальном шпинделе, проверено качество работы аппаратуры и вычислен ресурс универсального шпинделя Т СПЕР = 6.174 лет.
Данных по эксплуатационному ресурсу для универсального шпинделя нет, поскольку он ни разу не выходил из строя. По результатам эксперимента на стане ДУО-140 составлен протокол мониторинга технического состояния объекта и получен акт внедрения.
1. Виртуальный компьютерный осциллограф предоставляет своему владельцу большие возможности по сравнению с классическим осциллографом. Применение компьютерного осциллографа позволяет ограничиться минимальными затратами, если требования к измерительному комплексу не очень жесткие, что идеально соответствует нуждам исследователей, которые имеют дело с относительно медленными физическими процессами. Кроме того, к активной и полезной работе возвращаются морально устаревшие компьютеры.
2. Аппаратура для мониторинга остаточного ресурса применима в производственных условиях и способна контролировать температуру масла редуктора, вибрацию электродвигателя и корпуса редуктора, а также крутящие моменты на шпинделях прокатных станов.
3. Аппаратура для мониторинга остаточного ресурса имеет малые габариты и легко транспортируется одним человеком. Ноутбук является неотъемлемой частью аппаратуры, а программное обеспечение реализовано в среде Windows, что обеспечивает удобный пользовательский интерфейс. Информация отображается в реальном масштабе времени.
4. Программное обеспечение для мониторинга остаточного ресурса построено по принципу открытой архитектуры, что позволяет пополнять базу
данных и адаптировать аппаратуру к каждому новому объекту мониторинга.
