Разработка методики расчета долговечности элементов приводов прокатных станов

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 ДУСМ40 (рис.В.1,г).

Электростапьского политехнического института (филиала московского института стали и сплавов). а) о) в).

Г).

Рис. В, 1. Общий вид приводов клетей прокатных станов.

В диссертации получены новые научные результаты: 1. Построены блоки нагружения деталей приводов клетей прокатных станов на основе данных цикловой нагруженности этих деталей с учетом годовою сортамента.

2. Выполнен расчет усталостной долговечности деталей приводов с учетом постепенного 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 .тля 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-ИО 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 тензодатчиков, свободно размешаются 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].

ВЫВОДЫ.

1. Разработана новая методика расчета циклической нагруженности и усталостной долговечности деталей приводов клетей прокатных станов с учетом снижения предела выносливости и с учетом истории нагружения.

2. Срок службы предохранительного шпинделя автоматстана 220 ПНТЗ, спрогнозированный по существующей методике без учета снижения предела выносливости, превысил более чем на 40% фактический срок службы, что неприемлемо для практики эксплуатации.

3. Расчеты по разработанной новой методике с учетом снижения предела выносливости, а также с учетом истории нагружения посредством ранжирования нагрузки, определяют срок службы предохранительного шпинделя достаточно близко к фактическому, с ошибкой менее 17%.

4. С целью предотвращения аварий необходимо предусматривать в конструкциях прокатных станов средства мониторинга остаточного ресурса, для чего в рамках диссертации разработаны соответствующая аппаратура и программное обеспечение.

5. Проведено испытание аппаратуры для мониторинга на стане ДУО-140 с определением остаточного ресурса универсального шпинделя после прокатки серии заготовок и составлен протокол мониторинга технического состояния этой детали.

6. Разработанная аппаратура для мониторинга имеет преимущества перед зарубежными аналогами, поскольку позволяет вычислять остаточный ресурс и значительно дешевле фирменной продукции, что делает ее конкурентоспособной и импортозамещающей.

7. Программное обеспечение для мониторинга остаточного ресурса построено по принципу открытой архитектуры и служит основой создания самостоятельной информационно-справочной базы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Усталостное разрушение вызывает более 80% всех внезапных поломок деталей. Расчет усталостной долговечности детали может быть выполнен при условии, что известен блок нагружения. Но построение самого блока нагружения при различных режимах эксплуатации прокатного стана с учетом всего сортамента — сложная задача. Предпочтительным методом решения этой задачи является экспериментальный метод, который неприемлем на стадии проектирования оборудования. Поэтому на стадии проектирования необходима методика оценки циклической нагруженности деталей привода клети прокатного стана путем математического моделирования. Большинство прокатных станов относится к классу уникальных машин, которые изготовляются по индивидуальным проектам, что препятствует накоплению статистической информации о долговечности их деталей, поэтому необходима новая, более точная методика расчета долговечности этих деталей. Существующие системы диагностики и мониторинга оборудования не рассчитаны на прогноз остаточного ресурса деталей привода клети прокатного стана. Большинство отечественных организаций и заводов предпочитают приобретать дорогую зарубежную диагностическую аппаратуру, хотя в России имеются как свои производители, так и теоретические разработки в области диагностики и прогнозирования. Разработанная методика расчета усталостной долговечности деталей приводов прокатных станов дает возможность оценить остаточный ресурс привода, выявить его слабые места, технологические и силовые резервы, дать обоснованные рекомендации по интенсификации прокатки и по реконструкции стана. Расчет усталостной долговечности с учетом постепенного снижения уровня предела выносливости детали (при неавтомодельном процессе накопления усталостных повреждений), с учетом истории нагружения, а также с учетом остаточного ресурса, оказался более достоверным, чем обычный расчет долговечности (при автомодельном процессе накопления усталостных повреждений). Разработанная 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. Аппаратура имеет малые габариты и легко транспортируется одним человеком. Программное обеспечение для мониторинга остаточного ресурса построено по принципу открытой архитектуры, что позволяет пополнять базу данных и адаптировать аппаратуру к каждому новому объекту мониторинга.