О нас   |    Контакты   |    Новости   |    Услуги   |    Форум ГМ
Поиск:       
О нас
О журнале
 
  •  
  • Архив номеров
     
  •  
  • № 1
  •  
  • № 2
  •  
  • № 3
  •  
  • № 4
  •  
  • № 5
  •  
  • № 6
  •  
  • Спецвыпуск № 1
  •  
  • Спецвыпуск № 2
  •  
  • Спецвыпуск № 3
  •  
  • Спецвыпуск № 4
     
  •  
  • В.А. Сидоров (1)
  •  
  • В.А. Сидоров (2)
  •  
  • С.К. Минин
  •  
  • А.В. Таран
  •  
  • С.А. Амалицкий
  •  
  • Спецвыпуск № 5
  •  
  • Наши читатели
  •  
  • Карта покрытия
    О Форуме
    Новости
    Мероприятия
    Литература
    Наши авторы
    Наши партнеры
    Фотоальбом







    Форум Главных Механиков

    Украина
    г. Киев



    Обоснование необходимости проведения ремонтов механического оборудования металлургических предприятий



    В.А. Сидоров, Донецкий национальный технический университет (Донецк, Украина)

    В истории эксплуатации механического оборудования металлургических предприятий следует выделить три основных подхода к проведению ремонтов оборудования.

    1. Вынужденные ремонты, или ремонты после отказа – этот подход характерен для 30-х годов прошлого века. Основание – малое количество металлургических машин, низкий уровень квалификации обслуживающего и ремонтного персонала, отсутствие ремонтной базы. Главная задача – остановить эксплуатируемую машину при первых признаках повреждений и не допустить значительных повреждений из-за разрушений элементов. Последствием такой внезапной остановки становится нарушение технологического режима агрегата или установки.

    Техническое состояние механизмов оценивалось при помощи органолептических методов. Основные методы контроля: анализ шумов механизмов; восприятие вибрации, включая методы визуализации механических колебаний; определение степени нагрева деталей; визуальный осмотр механизма; методы осязания. Накопление опыта происходило медленно, по мере ликвидации последствий аварий, и не всегда полно передавалось последующим поколениям. Методическое обоснование – правила технической эксплуатации механического оборудования по переделам металлургического производства и отдельным агрегатам [1–5], разрабатывались до 90-х годов прошлого века.

    Последствия такого подхода известны – внеплановые остановки из-за внезапных отказов, потеря производительности металлургического агрегата, неподготовленность ремонта. Это во многом определяет и низкое качество неподготовленных, аварийных ремонтов. Механизация металлургических процессов, совершенствование металлургических машин потребовали разработки более эффективных, плановых методов восстановления работоспособного состояния.

    2. Планово-предупредительные ремонты и регламентные ремонты.

    Увеличение парка металлургических машин, количества металлургических предприятий, использование одинаковых технологий и оборудования потребовали повышения безотказности работы механического оборудования. Проведенные исследования долговечности деталей металлургических машин позволили получить статистические данные и выдать рекомендации о времени принудительных замен. Предполагалось, что проведение определенного объема ремонтных работ через равные промежутки позволит обеспечить безотказную работу механизмов.

    Методическое обеспечение – положение о планово-предупредительных ремонтах (ППР) механического оборудования предприятий черной металлургии [6, 7]. Разработка и внедрение основных положений данных документов позволили сформировать систему технического обслуживания и ремонта (ТОиР). Были решены вопросы содержания системы ТОиР; периодичности, продолжительности и трудоемкости ремонтов; организации, планирования и выполнения ремонтов; отчетности о проведении ремонтов; обеспечения запасными частями и др. Систематизированы ремонтные термины, определены формы технической документации, содержание типовых и специфических работ, выполняемых при плановых ремонтах металлургического оборудования.

    Основным событием в системе ТОиР принят отказ – нарушение работоспособного состояния механизма или машины. Использовались методы статистического и вероятностного анализа событий. Данные исследования активно проводились в 70–80-х годах прошлого века [8–10], продолжаются и сейчас [11; 12]. Это позволяет эффективно решать вопросы моделирования параметров надежности при проектировании, эксплуатации, обеспечении запасными частями.

    Системный подход, использовавшийся при учете и анализе отказов, использование полученных данных ремонтными службами позволили повысить безотказность работы металлургических машин. Практически система ППР и в настоящее время используется на металлургических предприятиях при проведении ремонтов. Проведенные исследования указывали на значительный разброс ресурса однотипных деталей из-за различий в качестве изготовления и эксплуатации. Уточнение фактического состояния механического оборудования потребовало использования методов безразборного технического диагностирования.

    Установить срок службы элементов оборудования индивидуального и мелкосерийного изготовления, работающего в условиях нестабильных нагрузок, невозможно. Поэтому в рамках системы ППР была предусмотрена возможность корректировки сроков замен путем проведения ревизий – осмотров деталей и узлов при неполной разборке механизма, проводимых во время текущих ремонтов механизмов. Известно, что лишние разборки даже исправного оборудования приводят к ухудшению общего технического состояния механизма. Решение данного вопроса также возможно при использовании методов технического диагностирования.

    3. Ремонты по состоянию – решение о ремонте принимается на основании информации о техническом состоянии механизма. Организационно – предполагалось достаточным формирование отделов или бюро диагностирования в структуре ремонтных служб предприятия. Основной метод контроля – измерение параметров вибрации и сравнение с нормативными значениями. Метод апробирован на энергетических машинах роторного типа, где показал высокую эффективность. Поэтому в «Положении о техническом обслуживании оборудования предприятий горно-металлургического комплекса» [13] декларируются лишь принципы, которым должна отвечать диагностика оборудования: «проведение диагностики и документирование изменений технического состояния, определение причин, которые их вызвали; проведение диагностики технического состояния методами неразрушающего контроля преимущественно без разборки и остановки оборудования; определение объемов ремонтных работ и технического обслуживания по результатам диагностического контроля». Многие вопросы диагностирования в настоящее время не решены и для энергетических машин, а диагностирование металлургических машин имеет индивидуальные особенности. Решение данной проблемы требует разработки концепции технологической безопасности.

    Изменения, произошедшие за последние 20 лет в технологии металлургического производства, меняют подходы к обеспечению безотказности механического оборудования. Появление агрегата «печь-ковш» объединяет технологические характеристики электродуговых печей и МНЛЗ в один металлургический комплекс. Разливка непрерывных серий из 30…70 плавок возможна лишь при полном восстановлении работоспособного состояния механического оборудования в ремонтные дни на основании информации о техническом состоянии. Только полное отсутствие отказов в процессе эксплуатации позволяет обеспечить в сложившихся условиях технологическую безопасность металлургического предприятия. Механическое оборудование в данном металлургическом комплексе выполняет задачу обеспечения непрерывности технологического процесса в рамках заданных параметров. Необходимым представляется разработка следующего уровня методического обеспечения – обоснования необходимости проведения ремонтов на основании информации о техническом состоянии. Разработка данного документа возможна лишь с учетом реализации ранее накопленного опыта при техническом обслуживании и ремонте механического оборудования.

    Основными этапами решения представляются:

    1. Уточнение терминологии

    В первую очередь необходимо уточнить термин «техническое состояние». Современное определение (ГОСТ 20911-89) – состояние, которое характеризуется в определенный момент времени при определенных условиях внешней среды значениями параметров, установленными технической документацией на объект. Предлагаемое толкование не удовлетворяет требования информационного обеспечения стратегий, использующих данные о фактическом состоянии оборудования. Для восстанавливаемых механических систем задача обеспечения работоспособности сводится к определению методов и сроков ремонтных воздействий в рамках принятой системы технического обслуживания и ремонта. Поэтому с практической стороны знание технического состояния необходимо для принятия решения о необходимости и сроках мероприятий по восстановлению или поддержанию работоспособности технической системы (объекта) на должном уровне.

    Предлагается следующее определение технического состояния. Техническое состояние механической системы – совокупность признаков, определяющих степень необходимости проведения операций по техническому обслуживанию или ремонтных воздействий.

    Термин «система технического обслуживания и ремонта техники» в настоящее время имеет такое определение: совокупность взаимосвязанных средств, документации, технического обслуживания и ремонта, исполнителей, необходимых для поддержания и восстановления качества изделий, входящих в эту систему. В определяемые функции системы не входит управление безотказностью механического оборудования.

    С позиций кибернетики управление – это получение, хранение и обработка информации для организации целенаправленных действий. Следовательно, для управления безотказностью механического оборудования система технического обслуживания и ремонта должна содержать функции получения и обработки информации о техническом состоянии оборудования. Наличие информации преобразует техническую систему с непредсказуемыми реализациями, обычно представляемую в виде «черного ящика» в объект управления с обратной связью на основании анализа информации о результатах функционирования.

    Отсутствие информации о техническом состоянии механического оборудования формирует пассивную позицию ремонтных служб, что приводит к внеплановым простоям, которые становятся традиционным явлением. В то же время задачей ремонтных служб является адаптация механизма к меняющимся условиям эксплуатации – параметрам технологического процесса, меняющимся свойствам деталей и узлов механизма, качеству технического обслуживания и ремонта.

    Следует определить содержание термина «информация» в конкретном приложении к техническому состоянию механического оборудования, удовлетворяющем решение задач управления безотказностью механического оборудования. Предлагается рассматривать информацию как результат преобразования исходных данных для уменьшения степени неопределенности технического состояния системы. Полученное информационное сообщение должно позволить обоснованно принять решение о необходимости проведения мероприятий по поддержанию или восстановлению работоспособного состояния механизма.

    Информация должна пониматься не просто как любые сведения и данные о системе, а как сведения, которые бы одновременно характеризовали степень неопределенности системы (синтаксический уровень), имели бы определенное содержание, смысл (семантический уровень), были бы полезны потребителю информации (прагматический уровень). Именно такая информация должна быть получена для управления. Эта информация должна быть обработана по определенным правилам и использована для выработки управляющих решений, которые должны быть реализованы в конкретное действие.

    2. Формирование основных положений

    Аксиомы работоспособного состояния механического оборудования предлагается сформулировать следующим образом: низкий уровень шума и вибрации; минимизация динамических, в частности, ударных процессов; непревышение допустимых значений температуры деталей механизма; отсутствие недопустимых внешних нагрузок, отсутствие трещин и подтеканий масла. Безусловно, это положение является дополнением к определению работоспособного состояния – выполнение всех функций механизмом в пределах заданных параметров.

    Классификация видов ремонтных воздействий и технического обслуживания, используемых на этапах эксплуатации механического оборудования. Работы по техническому обслуживанию: осмотр механизма, очистку механизма, защиту от коррозии, смазку механизма и затяжку резьбовых соединений. Ремонтные воздействия для механического оборудования: регулировка (регулировка зазоров и взаимного расположения деталей, балансировка), замена быстроизнашивающихся деталей и восстановление корпусных деталей, узлов и деталей. Необходимость каждого воздействия можно определить несколькими решающими правилами, сопоставив их с ограниченным числом диагностических признаков.

    Определение факторов работоспособного состояния: состояние неподвижных соединений; состояние контактирующих поверхностей; взаимное расположение деталей; равномерное распределение сил; накопление усталостных повреждений. Для каждого из факторов, исходя из необходимости проведения ремонта, определены четыре уровня: исправного состояния, малых отклонений, необходимости проведения ремонтных воздействий и предотказный. Уровни факторов установлены по изменениям физических и химических процессов износа, качественных параметров взаимодействия элементов. Границы уровней соответствуют изменению скорости износа, разделяя границы естественного и патологического старения.

    Состояние неподвижных соединений можно оценить как удовлетворяющее проектные требования, в случае, если сопрягаемые детали относительно друг друга неподвижны при приложении нагрузки. Это относится к резьбовым, шпоночным, шлицевым соединениям, посадкам подшипников и зубчатых колес на вал и в корпус. При неподвижной посадке наружного кольца подшипника поверхность, сопрягаемая с валом, матовая (рис. 1).

    Перемещение сопрягаемых деталей при появлении малых зазоров, под воздействием переменных сил или вибраций, при наличии окислителя приводит к появлению механо-химического процесса износа – фреттинг-коррозии. Это активизирует условия для развития повреждений сопрягаемых деталей, приводит к появлению стуков. Визуально проявляется в виде интенсивного окисления поверхностей, появления продуктов коррозии на поверхности деталей в виде темных пятен на посадочных поверхностях колец подшипников (рис. 2).

    Увеличение диаметральных размеров посадочных мест, например, ослабление посадки подшипников качения, приводит к проворачиванию колец подшипников на валу и в корпусе (рис. 3). Это увеличивает скорость развития процессов износа. Проворот подшипника в корпусе или по валу сопровождается увеличением температуры корпусных деталей подшипникового узла, изменением характера шума и вибрации и приводит к недопустимому износу корпусных деталей.

    Появление зазора в неподвижном соединении приводит к возникновению ударов, при этом меняется характер и значения действующих сил. Возникающие динамические явления в узлах механизма увеличивают контактные напряжения и напряжения в деталях. Трещины поперек беговых дорожек – результат воздействия динамических нагрузок, ударов (рис. 4а). Сколы бортов колец – результат динамических воздействий осевой силы (рис. 4б).

    Факторы и уровни работоспособного состояния приведены в таблице 1.

    Исходя из анализа рассмотренных факторов работоспособности механизма, предлагается гипотеза о том, что переход от одного уровня технического состояния к другому должен осуществляется ступенчато. Определение ступенчатого изменения значений диагностических параметров при изменении уровня факторов работоспособности и, соответственно, технического состояния позволит определить причину неисправности, а следствие в виде неисправности узлов.

    3. Формирование критериев необходимости проведения ремонта механического оборудования в виде абсолютных значений диагностических параметров, типовых спектрограмм и зависимостей.

    Абсолютные значения вибрационных параметров являются наиболее часто применимыми при техническом диагностировании механического оборудования.

    Относительно значений виброскорости, границы категорий технического состояния для металлургических машин совпадают с рекомендациями стандарта ГОСТ 10816-1-97 для класса машин 1. При этом следует учитывать индивидуальные особенности, массивность металлургических машин. Отношение вибрации на холостом ходу и под нагрузкой не должно превышать 10-тиратного увеличения. Изменение состояния происходит при увеличении вибрации более чем в 2,6 раза. Установлено, что верхней границей плохого состояния металлургических редукторов является общий уровень виброскорости: 4,5 мм/с для жестких фундаментов и 7,1 мм/с – для гибких фундаментов. Более высокие значения характерны для аварийного состояния, рассматриваемого, как потеря контроля за техническим состоянием механизма. Следует отметить, что запас прочности механизма позволяет выдержать и более высокие значения виброскорости, но это приводит к резкому уменьшению долговечности элементов. Необходима корректировка частотного диапазона измерения рекомендованного стандартом 10…1000 Гц. Частотный диапазон следует устанавливать 2…400 Гц при диагностировании механизмов с частотой вращения менее 600 об/мин.

    Исследования, проведенные на комбинированных редукторах мелко- и среднесортных прокатных станов, показали необходимость регламентировать значения виброускорения. Рекомендуется использовать соотношения пикового и среднеквадратичного значений виброускорения в частотном диапазоне 10…4000 Гц.

    Спектральная картина вибрационного сигнала резко меняется при изменении технического состояния. Для эффективного мониторинга технического состояния необходимо ежемесячно проводить спектральный анализ составляющих виброскорости. В истории развития повреждений существует несколько этапов:

    - хорошее состояние характеризуется низким уровнем составляющей оборотной частоты и наличием большого числа гармоник малой амплитуды (рис. 5а);

    - начальная неуравновешенность – появление гармоник оборотной частоты с преобладанием первой гармоники (рис. 5б) наиболее благоприятное время для проведения балансировки, регулировки, затяжки резьбовых соединений;

    - средний уровень повреждений – появляются многочисленные гармоники с преобладанием полуторных гармоник (1½, 2½, 3½….оборотной частоты), свидетельствующие о наличии зазоров между сопрягаемыми деталями, в этом случае требуется восстановление посадочных поверхностей подшипников (рис. 5в);

    - значительные повреждения приводят к значительному преобладанию первой гармоники, в этом случае необходимо и восстановление фундамента (рис. 5г).

    Для подшипников качения также можно выделить характерные спектрограммы виброускорения, связанные с различной степенью повреждения (рис. 6). Исправное состояние характеризуется наличием незначительных по амплитуде составляющих в низкочастотной области исследуемого спектра 10…4000 Гц (рис. 6а). Начальная стадия повреждений имеет несколько составляющих с амплитудой 3,0…6,0 м/с2 в средней части спектра (рис. 6б). Средний уровень повреждений связан с образованием «энергетического горба» в диапазоне 2…4 кГц с пиковыми значениями 5,0…7,0 м/с2 (рис. 6в). Значительные повреждения приводят к увеличению амплитудных значений составляющих «энергетического горба» свыше 10 м/с2 (рис. 6г).

    Замену подшипника следует проводить после начала снижения значений пиковых составляющих. При этом меняется характер трения – в подшипнике качения появляется трение скольжения, тела качения начинают проскальзывать относительно беговой дорожки.

    Практически исправный механизм будет иметь минимальный уровень вибрации с минимальными случайными отклонениями отдельных параметров. Ухудшение состояния приводит к увеличению вероятностных характеристик случайных отклонений – происходит накопление малых повреждений и выбор дальнейшего развития повреждения. При дальнейшем развитии конкретного повреждения возрастают значения детерминированных процессов и уменьшаются изменения случайных отклонений. Закономерности развития повреждений, имея общее проявление, индивидуальны для каждого механизма, что усложняет задачу распознавания технического состояния.

    Зависимости между параметрами могут служить наиболее обобщающей характеристикой технического состояния, учитывающей изменения частоты вращения, нагрузки. Некоторые примеры зависимостей показаны на рисунках 7–10.

    Неизменность вибрационного поведения механизма при изменении внешних параметров для металлургических машин являются наиболее надежными «диагностическими портретами». Изменение контрольных зависимостей свидетельствует об изменении технического состояния. Это следует рассматривать как обоснование первого, индикаторного метода технического мониторинга, предшествующего методу диагностирования.

    4. Формирование типовых решений

    Несмотря на различие конструкций, технических характеристик и режимов работы, элементы металлургической машины в основном имеют одинаковое функциональное назначение. Конструкция металлургической машины обычно включает двигатель, редуктор и исполнительный орган (рис. 11). Данные элементы имеют отличия в выполняемых функциях и режимах нагружения.

    Двигатель

    Основной вид повреждения механической части двигателя – постепенные повреждения подшипников в результате осповидного выкрашивания или нарушения режима смазывания. Время развития повреждений, 1…2 месяца, позволяет использовать изменения трендов для распознавания появления неисправностей. Нарушения центрирования, своевременная замена роторов, имеющих повреждения, выявление повреждений электрической части двигателей должно осуществляться ремонтной службой цеха во время проведения текущих ремонтов.

    Постепенное накопление повреждений при эксплуатации электродвигателя позволяет использовать для контроля текущего состояния значения общего уровня вибрации: среднеквадратичного значения виброскорости в частотном диапазоне 2…400 Гц; среднеквадратичное и пиковое значения виброускорения в частотном диапазоне 10…5000 Гц. Частотные диапазоны необходимо уточнить после проведения вибрационных исследований подшипниковых узлов двигателей.

    Принимаемые решения: дополнительное смазывание, затяжка резьбовых соединений, замена подшипников. Основание для принятия решения – увеличение текущих значений вибрации свыше допустимого значения, стабильное увеличение значений вибрации, отсутствие снижения вибрации после проведения ремонтных воздействий.

    Возможно применение решающих правил, приведенных в ГОСТ 25364-97: допустимое значение после ремонта – 2,8 мм/с; эксплуатация без ограничений – 4,5 мм/с; эксплуатация в ограниченном временном интервале (до семи дней) – 7,1 мм/с; эксплуатация не допускается при значениях виброскорости превышающем 7,1 мм/с.

    При одновременном увеличении вибрации двух опор на 1,0 мм/с при стабилизации частоты вращения должны быть приняты оперативные меры для выяснения причин изменения. Возрастание вибрации подшипниковой опоры двигателя на 2,0 мм/с за период до 3-х суток или увеличение на 3,0 мм/с независимо от продолжительности возрастания должно служить основанием для принятия оперативных мер по выявлению причин, для чего может осуществляться остановка двигателя.

    Точки контроля располагаются в вертикальном направлении, в нижней точке подшипниковых узлов электродвигателя.

    Дополнительные диагностические параметры для принятия решения об остановке двигателя: увеличение температуры подшипников свыше 60 0С; увеличение тока холостого хода до 10% от номинальных значений; нестабильность частоты вращения свыше 3,0 об/мин.

    Периодичность опроса – 1 раз в 15 минут, длительность опроса – 1 минута, период между измерениями – 100 мкс. Для построения трендов используется ежечасное значение, для архива выбирается ежесменное значение, еженедельное значение. Выбор значений осуществляется оператором стационарной системы.

    Редуктор

    Причины повреждения редуктора:

    – постепенные повреждения подшипников, зубчатых передач в результате осповидного выкрашивания, ослабления посадки подшипников и ослабление резьбовых соединений;

    - внезапные повреждения, связанные с нарушением режима смазывания, разрушением резьбовых соединений, зубчатых передач или подшипников качения. Время развития данных повреждений составляет от 5 минут до нескольких часов.

    Для своевременного обнаружения постепенных и внезапных повреждений предлагается использовать для контроля текущего состояния значения общего уровня вибрации и изменения спектральной картины вибрации. Контролируемые параметры при измерении общего уровня вибрации: среднеквадратичного значения виброскорости в частотном диапазоне 2…400 Гц; среднеквадратичное и пиковое значения виброускорения в частотном диапазоне 10…5000 Гц.

    Контроль спектральной картины вибрации осуществляется по трем максимальным значениям составляющих виброскорости и виброускорения при работе на заданной частоте вращения. Признак изменения спектральной картины – изменение амплитуд составляющих вибрации более чем в 2,6 раза, изменение частотных характеристик максимальных значений.

    Изменение частоты вращения может приводить к изменению спектральной картины, но это не является признаком повреждения. Изменение спектральной картины подшипников входного вала редуктора привода прокатной клети при изменении частоты вращения приведено на рисунке 12. Изменение нагрузки на редуктор также изменяет вид спектрограммы. В механическом оборудовании наряду с детерминированными процессами присутствуют и стохастические. Стабильность вероятностных характеристик последних определяется техническим состоянием системы. Амплитуда составляющих виброскорости и стабильность значений виброускорения могут быть связаны с изменением скоростного режима или технического состояния комбинированного редуктора. Однако данные значения должны оставаться практически неизменными при стабильных внешних воздействиях и иметь однотипное изменение при изменении частоты вращения.

    Частоты возможных повреждений элементов механизма необходимо связать с фактической частотой вращения вала двигателя.

    Принимаемые решения: остановка механизма, осмотр механизма, затяжка резьбовых соединений, замена элементов. Основание для принятия решения – превышение значений вибрации допустимого значения, стабильное увеличение значений вибрации, отсутствие снижения вибрации после проведения ремонтных воздействий, резкое изменение спектральной картины по сравнению с предыдущими реализациями при неизменном характере нагружения. Изменение спектральной картины виброускорения – основание для проведения дополнительного осмотра механизма. Изменение спектральной картины виброскорости требует срочного принятия решения по ремонтным воздействиям по восстановлению работоспособного состояния механизма – затяжке резьбовых соединений, замене элементов. Уточнение содержания ремонта необходимо осуществить после проведения визуального осмотра механизма.

    Для оценки технического состояния предпочтительным является метод относительного сравнения измеренных значений во времени эксплуатации. Дополнительные диагностические параметры для принятия решения об остановке редуктора: увеличение разницы температур на входе и выходе системы смазывания свыше 10 0С; увеличение тока холостого хода до 10% от номинальных значений; нестабильность частоты вращения свыше 3,0 об/мин.

    Исполнительный элемент

    Состояние исполнительного элемента во многом определяют внешние воздействия на механизмы привода. Наиболее информативным в случае прокатной клети является контроль временной формы вибрационного сигнала в момент захвата слитка. Это позволит контролировать износ посадочных поверхностей подушек и подшипников, наличие зазоров между корпусом клети и плитой фундамента, ослабление крепления клети в процессе прокатки.

    Временная форма является наиболее информативным параметром при оценке технического состояния механизмов кратковременного и повторно кратковременного режимов работы. Быстропротекающие процессы с переменными ускорениями трудно диагностировать, т. к. процесс измерения требует определенного промежутка времени, в течение которого измеряемый параметр не остается постоянным. В этом случае целесообразно проводить совместную регистрацию не средних, а мгновенных значений вибрации и получать для анализа их временную развертку (рис. 13).

    5. Формирование перечня решающих правил

    По отношению к техническому состоянию механического оборудования предлагается следующее определение информации: сообщение, полученное на основе анализа данных, характеризующих изменение параметров технической системы с использованием решающих правил, используемое для определения необходимости проведения ремонтного воздействия. Решающие правила необходимо разработать относительно измерения общего уровня вибрации, спектрального анализа и анализа временного проявления вибрационного сигнала.

    Измерение общего уровня вибрации

    Первый этап диагностирования механического оборудования обычно связан с измерением общего уровня вибрационных параметров. Для оценки технического состояния проводится измерение среднеквадратичного значения (СКЗ) виброскорости в частотном диапазоне 10…1000 Гц (для частоты вращения меньше 600 об/мин используется диапазон 2…400 Гц). Для оценки состояния подшипников качения проводится измерение параметров виброускорения (пикового и СКЗ) в частотном диапазоне 10…5000 Гц, параметров ударных импульсов на резонансной частоте датчика 30 кГц или огибающей виброускорения в частотном диапазоне 10…30 кГц. Низкочастотные колебания свободно распространяются по металлоконструкциям механизма. Высокочастотные колебания быстро затухают по мере удаления от источника колебаний, что позволяет локализовать место повреждения. Измерение в бесконечном количестве точек механизма ограничиваются измерениями в контрольных точках (подшипниковых узлах) в трех взаимоперпендикулярных направлениях: вертикальном, горизонтальном и осевом (рис. 14).

    Результаты измерения представляются в табличном виде (табл. 2) для последующего анализа.

    Первый уровень анализа – оценка технического состояния – выполняется по максимальному значению виброскорости, зафиксированному в контрольных точках. Допустимый уровень определяется из стандартного ряда значений по ГОСТ 10816-1-97 (0,28; 0,45; 0,71; 1,12; 1,8; 2,8; 4,5; 7,1; 11,2; 18,0; 28,0; 45,0). Увеличение значений в данной последовательности в среднем составляет 1,6. В основе данного ряда положено утверждение – увеличение вибрации в два раза не приводит к изменению технического состояния, полученного экспериментально специалистами ВМФ Канады. В стандарте предполагается, что увеличение значений на два уровня приводит к изменению технического состояния (1,62 = 2,56). Следующее утверждение – увеличение вибрации в 10 раз приводит к изменению технического состояния от хорошего до аварийного. Следовательно, отношение вибрации на холостом ходу и под нагрузкой не должно превышать 10-тикратного увеличения.

    Для определения допустимого значения предлагается использовать минимальное значение виброскорости, зафиксированное в режиме холостого хода. Стандарт 10816-1-97 регламентирует допустимые значения в зависимости от мощности механизма, что приводит к ошибкам в оценке технического состояния. Допустимое значение вибрация металлорежущего станка должно обеспечивать качество выпускаемой продукции (точность и шероховатость поверхности) безотносительно к мощности привода и частоте вращения.

    Предположим, что во время предварительного обследования на холостом ходу было получено минимальное значение виброскорости 0,25 мм/с. Тогда, принимая ближайшее большее значение из стандартного ряда 0,28 мм/с как границу хорошего состояния, имеем следующие оценочные значения при работе под нагрузкой: 0,28…0,71 мм/с – функционирование без ограничения сроков; 0,71…1,8 мм/с – функционирование в ограниченном периоде времени; свыше 1,8 мм/с – возможны повреждения механизма.

    Для оценки состояния подшипников качения при частоте вращения до 3000 об/мин можно использовать следующие соотношения пикового и СКЗ значений виброускорения в частотном диапазоне 10…5000 Гц: 1) хорошее состояние – пиковое значение не превышает 10,0 м/с2; 2) удовлетворительное состояние – СКЗ не превышает 10,0 м/с2; 3) плохое состояние наступает при превышении 10,0 м/с2 СКЗ; 4) если пиковое значение превышает 100,0 м/с2, состояние становится аварийным.

    Второй уровень анализа – локализация точек, имеющих максимальную вибрацию. В виброметрии предполагается, что чем меньше значения параметров вибрации, тем техническое состояние механизма лучше. Не более 5% возможных повреждений связано с повреждениями при низком уровне вибрации. В целом большие значения параметров указывают на большее воздействие разрушительных сил и позволяют локализовать место повреждения. Различают следующие варианты увеличения (более 20%) вибрации:

    1) увеличение вибрации по всему механизму или станку наиболее часто связано с повреждениями основания – рамы или фундамента;

    2) одновременное увеличение вибрации в точках 1 и 2 или 3 и 4 (рис. 14) свидетельствует о повреждениях, связанных с ротором данного механизма – дисбалансом, изгибом;

    3) увеличение вибрации в точках 2 и 3 (рис. 1) является признаком повреждений, потери компенсирующих возможностей соединительного элемента – муфты;

    4) увеличение вибрации в локальных точках указывает на повреждения подшипникового узла.

    Третий уровень анализа – предварительный диагноз возможных повреждений. Направление большего значения вибрации в контрольной точке с большими значениями наиболее точно определяет характер повреждения. При этом используются следующие правила и аксиомы:

    1) значения виброскорости в осевом направлении должны быть минимальны для роторных механизмов, возможная причина увеличения виброскорости в осевом направлении – изгиб ротора, несоосность валов;

    2) значения виброскорости в горизонтальном направлении должны быть максимальны и обычно превышают на 20% значения в вертикальном направлении;

    3) увеличение виброскорости в вертикальном направлении – признак повышенной податливости основания механизма, ослабление резьбовых соединений;

    4) одновременное увеличение виброскорости в вертикальном и горизонтальном направлении указывает на дисбаланс ротора;

    5) увеличение виброскорости в одном из направлений – ослабление резьбовых соединений, трещины в элементах корпуса или фундаменте механизма.

    При измерении виброускорения достаточны измерения в радиальном направлении – вертикальном и горизонтальном. Желательно проводить измерения в районе эмиссионного окна – зоны распространения механических колебаний от источника повреждения. Эмиссионное окно неподвижно при местной нагрузке и вращается, если нагрузка имеет циркуляционный характер. Увеличенное значение виброускорения наиболее часто возникает при повреждениях подшипников качения.

    В общем случае для оценки состояния механической системы могут быть использованы методы:

    1) взаимной оценки – при сравнении однотипных узлов и механизмов;

    2) относительная оценка предполагает контроль временных изменений;

    3) абсолютная оценка проводится при сравнении измеренных значений со стандартными значениями.

    После проведения анализа общего уровня вибрации 16…20 цифровых данных преобразуются в 2…3 информационных сообщения о техническом состоянии механизма.

    Спектральный анализ вибрационных параметров проводится для уточнения причины повреждения. Спектральный анализ – это метод обработки сигналов, который позволяет выявить частотный состав сигнала. Известны такие методы обработки вибрационного сигнала: корреляционный, автокорреляционный, спектральной мощности, кепстральных характеристик, расчета эксцесса, огибающей. Наибольшее распространение получил спектральный анализ как метод представления информации из-за однозначной идентификации повреждений и понятных кинематических зависимостей между происходящими процессами и спектрами вибрации.

    Наглядное представление о составе спектра дает графическое изображение вибрационного сигнала в виде спектрограмм. Выявлением повышенных амплитуд вибрации позволяет идентифицировать неисправности оборудования. Анализ спектрограмм виброускорения позволяет идентифицировать повреждения на ранней стадии. Спектрограммы виброскорости используются при мониторинге развитых повреждений. При составлении словаря неисправностей кроме частоты колебаний учитывают значение амплитуды на данной частоте и фазу – угол сдвига сигнала данной частоты относительно опорного сигнала. Поиск повреждений проводится на заранее определенных частотах возможных повреждений. Для анализа вибрационного спектра определены составляющие спектрального сигнала:

    1. Оборотная частота – частота вращения приводного вала механизма или частота рабочего процесса – первая гармоника. Гармоники – частоты, кратные оборотной частоте. Превышают оборотную частоту в целое число раз (2, 3, 4, 5, …). Часто гармоники называют супергармониками. Гармоники характеризуют такие неисправности, как несоосность, изгиб вала, повреждения соединительной муфты, износ посадочных мест. Количество и амплитуда гармоник показывают степень повреждения механизма.

    2. Субгармоники – дробные части первой гармоники (1/2, 1/3, 1/4, …оборотной частоты вращения), их появление в спектре вибрации свидетельствует о наличии зазоров, повышенной податливости деталей и опор.

    3. Резонансные частоты – частоты собственных колебаний деталей механизма. Резонансные частоты остаются неизменными при изменении частоты вращения вала. Резонансные частоты могут проявляться во всем частотном диапазоне.

    4. Негармонические колебания – на данных частотах проявляются повреждения подшипников качения. При значительном развитии повреждения появляются гармонические частоты.

    5. Зубцовые частоты – частоты, равные произведению частоты вращения вала на число элементов (число зубьев, число лопастей, число пальцев). Повреждения, проявляемые на зубцовой частоте, могут генерировать гармонические составляющие при дальнейшем развитии повреждения.

    6. Боковые полосы – модуляция процесса, появляются при развитии повреждений зубчатых колес, подшипников качения. Причина появления – изменение скорости (увеличение и уменьшение) при взаимодействии поврежденных поверхностей. Значение модуляции указывает на источник возбуждения колебаний. Анализ модуляций позволяет узнать происхождение и степень развития повреждения.

    7. Вибрация электрического происхождения обычно наблюдается на частоте 50 Гц, 100 Гц, 150 Гц и других гармониках. Частота вибрация электромагнитного происхождения исчезает в спектре при отключении электрической энергии.

    8. Шумовые составляющие, возникающие при заеданиях, механических контактах. Характеризуются большим числом составляющих различной амплитуды. При наличии знаний о составляющих спектра появляется возможность различения их в частотном спектре и определения причин и следствий повреждения (рис. 15).

    Правила анализа спектральных составляющих

    1. Большее число гармоник характеризует большие повреждения механизма.

    2. Амплитуды гармоник должны уменьшаться с увеличением числа гармоники.

    3. Амплитуды субгармоник должны быть меньше амплитуды первой гармоники.

    4. Увеличение числа боковых полос свидетельствует о развитии повреждения.

    5. Большее значение должна иметь амплитуда первой гармоники.

    6. Глубина модуляции (отношение амплитуды гармоники к амплитуде боковых полос) определяет степень повреждения механизма.

    7. Амплитуды составляющих виброскорости не должны превышать допустимых значений, принятых при анализе общего уровня вибрации. Одним из признаков наличия значительных повреждений является присутствие в спектре виброускорения составляющих со значениями свыше 9,8 м/с2.

    Запись каждого спектра состоит из 800…6400 линий, определяющих частоту и амплитуду составляющих. Анализ одной спектрограммы позволяет сформировать 2…4 информационных сообщения. Эти сообщения могут быть аналогичными или отличными от информационных сообщений по контрольным точкам механизма.

    Анализ временной формы вибрационного сигнала

    Вибрационный сигнал может быть представлен во временной форме, являющейся основной формой представления временного сигнала. Наиболее эффективно использование анализа временной формы вибрационного сигнала для диагностирования переходных, нестационарных, ударных процессов. Для этого используются периоды 30…400 мкс, количество измерений 10000…16000 и более. Примеры временной формы вибрационного сигнала приведены на рисунке 16.

    Анализ изменения формы временного сигнала позволяет выполнять раннее обнаружение повреждений. Трудность анализа заключается в отсутствии правил формализации и обработки временных реализаций параметров быстропротекающих процессов. Во многом данный процесс субъективен и зависит от опыта специалиста. Спектральные составляющие вибрационного сигнала часто остаются практически без изменений из-за усреднения вибрационного сигнала, необходимого для получения достоверной оценки. В то же время анализ фактического сигнала несет дополнительную информацию о техническом состоянии механизма.

    Правила анализа временного сигнала

    1. Необходимо оценить повторяемость параметров колебательного процесса. Одинаковым воздействиям должны соответствовать одинаковые реализации параметров колебаний. Можно использовать сравнительный анализ однотипных процессов в различных точках при использовании двухканального анализатора вибрации.

    2. Оценка симметричности сигнала относительно нулевого (начального) уровня колебаний. Наличие симметричного сигнала свидетельствует о хорошем состоянии (идеальным случаем является синусоидальная форма колебаний – абсолютно симметричная), отклонения – увеличивают степень асимметрии. Диагностические параметры для анализа – положительные и отрицательные значения амплитуд колебаний. Причины асимметрии – нелинейность характеристик системы, анизотропия деталей подшипникового узла.

    3. Наиболее значимым является время успокоения системы после возмущающего воздействия. Системы с малой жесткостью и малыми демпфирующими свойствами будут иметь большее время затухания. Следует определить причины, снижающие жесткость, и демпфирующие свойства системы. Оценить стабильность демпфирующих свойств механической системы возможно при определении декремента колебаний как натурального логарифма отношения двух последующих амплитуд.

    Характер изменения временной реализации вибрационного сигнала при изменении частоты вращения механизма также является диагностическим признаком:

    1) если при изменении частоты вращения происходит увеличение вибрации в линейной зависимости, причиной повреждений являются механические повреждения деталей;

    2) если при изменении частоты вращения происходит увеличение вибрации в квадратичной зависимости, причиной повреждений является дисбаланс ротора;

    3) если при изменении частоты вращения происходит увеличение вибрации в экспоненциальной зависимости, причиной повреждений является трещина в корпусной детали или в основании;

    4) резкое уменьшение вибрации электродвигателя при отключении питания (рис. 17а) – признак наличия повреждений в электрической части двигателя;

    5) постепенное снижение вибрации при остановке механизма (рис. 17б) – признак наличия повреждений в механической системе.

    6. Формирование визуальных признаков повреждений

    Внешние признаки разрушения деталей всегда оставляют характерные следы, по которым можно определить причину повреждения. Знание причины позволяет установить необходимые воздействия для предотвращения аналогичных отказов или повышению безотказности работы узла. После поломки проводится визуальный осмотр поврежденной детали. По следам изнашивания определяется вид изнашивания, характер действующих сил на подшипник, характер контакта поверхностей, сопрягаемых с подшипником. Этот подход использован при разработке классификации повреждений подшипников качения (табл. 3).

    Контролировать физические процессы, происходящие в зоне контакта зубчатого зацепления, невозможно в процессе эксплуатации. В то же время вид износа, характер разрушения, распределение действующих сил позволяет получить информацию о параметрах эксплуатации и характере старения.

    При разработке классификации повреждений зубчатых передач (табл. 4) учитывались следующие факторы: значение прикладываемой силовой нагрузки; внешние факторы; неподвижность посадочных поверхностей зубчатого колеса и вала; состояние контактирующих поверхностей; взаимное расположение валов; равномерность прикладываемых сил; образование усталостных трещин.

    Пределы использования зубчатых передач при различных видах износа, сформулированы в правилах технической эксплуатации:

    - при изломе зуба, наличии трещин возле основания зуба, пластической деформации материала зуба зубчатое колесо необходимо заменить;

    - при осповидном выкрашивании замена необходима при повреждении рабочей поверхности зубьев более чем на 20%, при глубине ямок выкрашивания – более 5% толщины зуба;

    - при абразивном износе – износ зуба на 10…20% от толщины зуба;

    - при наклепе, задирах на рабочей поверхности зуба – при повреждениях более 20% площади рабочей поверхности;

    - наличие цветов побежалости на рабочей поверхности зубьев не допускается; - по расположению пятна контакта – пятно контакта должно быть не менее 25…60% по высоте и 30…80% по ширине зуба.

    Предложенная классификация повреждений позволяет последовательно исследовать отклонения в работе зубчатых передач и принимать своевременные решения по увеличению срока службы зубчатых передач.

    7. Формирование информационных потоков

    Основным продуктом деятельности службы диагностирования является информация о техническом состоянии механического оборудования. Своевременное использование данной информации определяет эффективность работы ремонтной службы. Информация о фактически обнаруженных и устраненных повреждениях, проведенных работах позволяет оценить точность поставленного диагноза и внести коррективы в диагностические модели и решающие правила. Фактически необходимо сформулировать требования к источникам и объему информации, используемой для проведения ремонтов.

    Следует выделить три основных источника информации о техническом состоянии оборудования и причинах неисправностей:

    - анализ отказов;

    - результаты технического диагностирования;

    - определение причин поломок.

    Традиционно при анализе отказов рассматривается переход от работоспособного состояния к неработоспособному состоянию. Это приводит к рассмотрению прошлых состояний, без уверенности в повторении сочетаний факторов и условий эксплуатации, предшествующих отказу. Отказ является следствием развития повреждения под воздействием сложившихся на момент отказа взаимодействия факторов. Проведение ремонтных воздействий меняет сложившееся воздействие факторов, приводя к изменению характера накопления повреждений. Поэтому использование традиционных подходов при определении задач анализа отказов, связанное с определением законов распределения плотности вероятности потоков отказов, по отношению к металлургическим машинам не позволяет получить достоверных оценок параметров надежности.

    С позиций кибернетики отказ следует рассматривать как ошибку в системе управления надежностью комплекса металлургических машин, обусловленную несовпадением поставленных задач и внутренним состоянием механизма. Поэтому наряду с понятием отказа необходимо учитывать проведенные ремонтные воздействия, замеченные и устраненные отклонения от работоспособного состояния, не повлекшие за собой простой цеха. Только при данном рассмотрении анализ отказов может быть эффективным средством контроля за безотказностью механизмов. Следовательно, работы по техническому обслуживанию, проводимые ремонтной службой, могут предоставить информацию о возможных аварийных остановках. Исходными данными в этом случае являются работы, проводимые по устранению замечаний технологического персонала; нарушения режимов эксплуатации; дополнительные работы по техническому обслуживании. Как всякая сложная система, комплекс металлургических машин должен иметь свойства простейшего потока отказов и стационарности. Поэтому отклонения от традиционного объема и вида работ по техническому обслуживанию могут предшествовать предотказному состоянию.

    Результаты технического диагностирования должны предоставлять информацию о категории технического состояния, возможных повреждениях и рекомендации о времени и видах ремонтных воздействий. Периодичность диагностирования следует определить, исходя из скорости развития наиболее характерного повреждения. Необходимо выделить два уровня в оценке состояния механизма – индикаторный и диагностический.

    Результаты осмотра механизма во время ремонта, проведенные работы по восстановлению работоспособного состояния, необходимы для организации обратной связи между службой диагностирования и ремонтной службой. Эффективность диагностирования во многом определяется уровнем взаимопонимания и доверия между специалистами данных подразделений.

    Практическое решение задачи формирования потоков информации представляется в виде информационно-управляющей системы ремонтной службы (рис. 18).

    Система состоит из следующих основных компонентов:

    - статическая часть, включающая сведения, относительно неизменные во времени, – данные нормативно-технической документации, опыт эксплуатации, база дефектов оборудования и пр.;

    - динамическая часть – данные, накапливающиеся либо изменяющиеся во времени, характеризующие фактическое состояние, загруженность машин, результаты проведенных осмотров и ремонтов, смазки, диагностики;

    - информационная часть – формирование и представление итоговой информации: графиков ремонтов, смазки, диагностики, анализ возможности выполнения заказа на основе данных о текущем фактическом состоянии оборудования и прогнозируемых работах, разработка прочей отчетной документации.

    Программное обеспечение должно включать:

    - «Сведения об оборудовании» – статическая база данных, предназначенная для ввода, хранения и просмотра информации об оборудовании;

    - «Учет времени работы» – динамическая база данных, предназначенная для ввода и хранения информации о фактической продолжительности работы машин, предоставляет доступ к вспомогательному режиму «История», который позволяет определить среднюю загруженность механизма;

    - «Контроль состояния» – динамическая база данных, предназначенная для хранения информации о результатах диагностирования, проведенных операциях технического обслуживания и ремонта, а также смазки;

    - «График работ» – предоставляет доступ к автоматически формируемому на основе динамически корректируемых ремонтных циклов графику проведения технического обслуживания, ремонтов, смазки, а также диагностики;

    - «Технологический контроль» – основной модуль информационной подсистемы, предназначенный для оценки возможности выполнения плана (заказа), исходя из остаточных ресурсов машин, подбора альтернативных замен на основе разбиения на функциональные группы, внутри которых подразумевается частичная или полная взаимозаменяемость машин.

    8. Формирование критериев оценки качества проведенного ремонта

    Эффективность ремонтных работ зависит от трех основных факторов:

    - своевременности; - определения видов и объемов ремонта;

    - качества выполнения ремонтных работ.

    Относительно данных факторов необходимо разработать критерии оценки. Для своевременности проведения ремонта основным правилом является «лучше провести ремонт за час до отказа, чем через минуту после». Иногда избыточный объем ремонтных работ должен предупреждать возможность повреждения корпусных деталей. Несколькими правилами можно охарактеризовать и качество выполненного ремонта: безотказная работа на протяжении межремонтного срока, повторения отказов – результат низкого качества ремонта; улучшение диагностических параметров после проведения ремонта, в частности энергетических.

    Данная работа фактически формирует методическую основу проведения ремонтов по состоянию. Разработка данного документа и внедрение необходимо провести на предприятиях металлургической отрасли Украины.

    Таким образом, концепция технологической безопасности механического оборудования металлургических предприятий может быть сформулирована следующим образом: обеспечение безотказной работы комплекса металлургических машин в межремонтном периоде за счет проведения предупредительных ремонтов оборудования на основе информации о техническом состоянии механизмов.

    Литература

    1. Правила технической эксплуатации механического оборудования доменных цехов. ВНИИОЧЕРМЕТ. – М.: Металлургия,1968. – 212 с.

    2. Правила технической эксплуатации механического оборудования мартеновских цехов. ВНИИМЕХЧЕРМЕТ. – М.: Металлургия,1979. – 202 с.

    3. Правила технической эксплуатации механического оборудования блюмингов и непрерывно-заготовочных станов – М.: Металлургия, 1979. – С. 192.

    4. Правила технической эксплуатации механического оборудования агломерационных фабрик. ВНИИМЕХЧЕРМЕТ. – М.: Металлургия, 1985. – 143 с.

    5. Правила технической эксплуатации механического оборудования конвертерных цехов металлургических предприятий. ВНИИМЕХЧЕРМЕТ. – М.: Металлургия,1984. – 79 с.

    6. Положение о планово-предупредительных ремонтах (ППР) механического оборудования предприятий черной металлургии СССР (2-е издание), утв. 20 апреля 1972 г., ВНИИОчермет, 1973.

    7. Временное положение о техническом обслуживании и ремонтах (ТО и Р) механического оборудования предприятий системы министерства черной металлургии СССР. – Тула, 1983. – 390 с.

    8. Гребеник В.М., Цапко В.К. Надежность металлургического оборудования (оценка эксплуатационной надежности и долговечности). – М.: Металлургия, 1980. – 344 с.

    9. Организация технического обслуживания металлургического оборудования / В.Я. Седуш, Г.В. Сопилкин, В.З. Вдовин и др. – К.: Техника, 1986. – 124 с.

    10. Гребеник В.М., Гордиенко А.В., Цапко В.К. Повышение надежности металлургического оборудования: Справочник. – М.: Металлургия, 1988. – 688 с.

    11. Белодеденко С.В., Гануш В.И., Филипченков С.В., Цыбанев Ю.Г. Модели вероятности безотказной работы и безопасности при оценке технического состояния // Системные технологии. – 2010 г. – №2 (67). – С. 159–166.

    12. Белодеденко С.В., Угрюмов Д.Ю. Эффективность прогнозирования долговечности узлов прокатного оборудования и деформационные критерии усталости // Металлург. и горноруд. пром-ть. – 2003. – №5. – С. 86–90.

    13. Положение о техническом обслуживании оборудования предприятий горно-металлургического комплекса. Приказ Министерства промышленной политики Украины №285 от 15.06.2004 г.




    - города
    - предприятия