Розвиток наукових основ надійності машин та агрегатів для переробки твердих вуглецевих матеріалів у камерних печах

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

УДК 662.741.3:628.54+628.47(043.3)

Спеціальність: 05.05.13 - машини та апарати хімічних виробництв

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

РОЗВИТОК НАУКОВИХ ОСНОВ НАДІЙНОСТІ МАШИН ТА АГРЕГАТІВ ДЛЯ ПЕРЕРОБКИ ТВЕРДИХ ВУГЛЕЦЕВИХ МАТЕРІАЛІВ У КАМЕРНИХ ПЕЧАХ

Парфенюк Олександр Сергійович

Київ - 2010

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Донецькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України, на кафедрі машин та апаратів хімічних виробництв.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Юшко Віталій Ларионович, Державний вищий навчальний заклад "Український державний хіміко-технологічний університет" Міністерства освіти і науки України, м. Дніпропетровськ, завідувач кафедри обладнання хімічних виробництв

доктор технічних наук, професор Сахаров Олександр Сергійович, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України, м. Київ, професор кафедри хімічного, полімерного і силікатного машинобудування

доктор технічних наук, професор Грес Леонід Петрович, Національна металургійна академія України Міністерства освіти і науки України, м. Дніпропетровськ, професор кафедри теплотехніки та екології металургійних печей

Захист відбудеться « 15 » червня 2010 р. о 1430 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.05 у Національному технічному університеті України “КПІ” за адресою: 03056, м. Київ, просп. Перемоги, 37, корпус 19, аудиторія 345.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, просп. Перемоги, 37.

Автореферат розісланий « 12 » травня 2010 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.002.05. кандидат технічних наук, доцент О.М. Мовчанюк

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасний стан економіки України потребує більш швидкого та ефективного використання наявних промислових потужностей для отримання енергії і сировини для різних галузей промисловості. Коксохімічна галузь є однією з базових у ресурсному забезпеченні металургійної промисловості, а за технічним рівнем і потенціалом наша країна входить до першої п'ятірки світових лідерів у виробництві коксу. Однак ці наявні потужності національної економіки на коксохімічних заводах (КХЗ) використовуються менше ніж на дві третини, що є значним промисловим резервом не лише за своїм прямим призначенням, а й у вирішенні проблем екологічної та енергетично-сировинної безпеки країни.

Разом з тим в Україні, а найбільш у Донецько-Дніпровському регіоні, накопичено запаси вторинної вуглецевої сировини, що вимірюються багатьма сотнями мільйонів тонн у вигляді відвалів і шламів вуглезбагачення, фусів, смоло- і мулонакопичень, відходів коксохімічного виробництва, побутових відходів та інше. Звичайно, що це водночас створює довготривалу і зростаючу екологічну небезпеку і є величезним невикористаним енергохімічним потенціалом.

Поступове погіршення сировинної бази коксування в останні десятиліття змушувало коксохіміків України й Росії вести пошук у напрямку все більшого використання відносно дешевих марок вугілля шляхом упровадження технологій, що поліпшують умови спікання і коксування слабоспікливих компонентів шихти. Найбільш ефективними з них визнано ущільнення вуглешихтового завантаження камерних коксових печей з використанням брикетування, трамбування, пресування без зниження якості кінцевої продукції та ін.

Таким чином, наявність технічно розвинутої коксохімічної галузі в Україні з переробки твердих вуглецевих матеріалів у камерних печах, з одного боку, і значні сировинні запаси відносно дешевого вугілля й накопичення звалищ вуглецевих відходів промислового та побутового походження, з другого боку, створюють потребу і надзвичайно сприятливі можливості для суттєвого доробку у вирішенні стратегічних, економічних і екологічних завдань, що постають перед нашою державою. У той же час виробництво коксу, що ґрунтується на традиційному процесі коксування вугільних шихт у камерних печах періодичної дії, не повністю відповідає сучасним вимогам надійності та ефективності, а підвищення одиничної потужності агрегатів і машин, поряд з очікуваними позитивними результатами, пов'язане зі збільшенням матеріальних утрат і екологічного збитку при відмовах, простоях і ремонтах. І все ж традиційна технологія коксування вугільних шихт у камерних печах періодичної дії ще тривалий час буде залишатися домінуючою.

Процес забезпечення необхідного рівня експлуатаційної надійності машин, агрегатів та іншого обладнання за своєю суттю є системним і потребує відповідного підходу на різних етапах життєвого циклу технічних об'єктів від їх розробки й виготовлення, де закладається базовий рівень надійності, і протягом усього періоду експлуатації, де надійність підтримується завдяки модернізації, відновленням і технічному обслуговуванню.

Поряд із цим усе більше загострюється необхідність створення нових, більш надійних та ефективних машин і агрегатів для переробки вуглецевих мас широкого спектра вихідних властивостей, включаючи тверді промислові й побутові відходи. Значні труднощі створення технологій й обладнання переробки такої сировини обумовлені відсутністю наукового обґрунтування шляхів забезпечення необхідного рівня надійності роботи обладнання з урахуванням зміни властивостей робочої маси в процесі переробки, а також багатьох факторів, що включають роботу операторів з технікою, і рівня технічного обслуговування та ремонту обладнання.

Основна вимога до технічних об'єктів - це забезпечення необхідного рівня надійності, що багато в чому зумовлює його ефективність, безпеку роботи, економічність і мінімальне забруднення навколишнього середовища.

Відомі дослідження надійності традиційної техніки й технології коксового виробництва не повною мірою охоплюють проблему забезпечення необхідного рівня надійності техніки коксохімічного виробництва у взаємозв'язку її з конструктивними параметрами агрегатів і машин, властивостями робочої маси, факторами умов експлуатації, технічного обслуговування й ремонту (ТОіР). У зв'язку із цим розвиток наукових основ забезпечення необхідного рівня експлуатаційної надійності техніки для переробки твердих вуглецевих матеріалів у камерних печах і створення на цій основі нових, більш досконалих і надійних машин, агрегатів та обладнання є актуальним завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація є підсумком пошукових, теоретичних і прикладних досліджень надійності техніки, застосовуваної в коксовому виробництві й створення нової техніки для термічної переробки твердих вуглецевих матеріалів відповідно до тематики науково-дослідних робіт ДонНТУ: "Розробити й упровадити технологію часткового брикетування вугільних шихт для коксування" (Х82-254, 1982 р., № ГР 01824042240; замовник - ВУХИН (Єкатеринбург, Російська Федерація); автор - виконавець теми); "Розробити й упровадити комплекс заходів, що забезпечує підвищення надійності коксових машин в умовах КХЗ за рахунок удосконалення системи попереджувальних ремонтів і планування запасних частин" (Х82-253, 1982 р., № ГР 01826042238; замовник - Авдіївський КХЗ; автор - керівник); "Розробити і впровадити технологію нанесення торкрет-покриттів жаростійких блоків дослідно-промислової батареї №4 і дверей в умовах Стаханівського КХЗ" (Х85-253, 1985 р., № ГР 01850055000; замовник - Стаханівський КХЗ; автор - керівник); "Дослідити фізико-механічні характеристики вуглешихтових сумішей із в'яжучими добавками та коксобрикетів; розробити рекомендації з апаратурного оформлення виробництва коксобрикетного палива" (Х84-254, 1984-1986 р. г., № ГР 01840056744; замовник - ВУХИН (Єкатеринбург, Російська Федерація); автор - керівник); "Розробка й упровадження ремонту й технічних рішень, спрямованих на підвищення експлуатаційної надійності й довговічності системи «анкераж - двері - кладка»" (86-251, 1986-1987 р.р., № ГР 01860024621; замовник - Авдіївський КХЗ; автор - керівник); "Розробити технічні рішення і рекомендації із забезпечення надійності коксового (із частковим брикетуванням) і коксобрикетного виробництва з урахуванням фізико-механічних властивостей вуглебрикетних мас" (Х87-251, 1989 р., № ГР 01870031191; замовник - ВУХИН (Єкатеринбург, Російська Федерація); автор - керівник); "Створення системи забезпечення надійності коксового виробництва" (88-251, 1988-1990 р.р., № ГР 01880007999; замовник - Авдіївський КХЗ; автор - керівник); "Розробка зміцнення блочної кладки методом компенсації тріщин і нанесенням термостійких покриттів під час виготовлення та монтажу" (Х90-253, 1990-1991 р.р., № ГР 01900068167; замовник - Стаханівський КХЗ; автор - керівник); "Розробка фізико-технічних основ забезпечення надійності коксового виробництва й створення нової технології коксування" (Г10-88, 1988-1992 р.р., № ГР 01880007998; замовник - Міністерство освіти; автор - керівник); "Пошук та розробка шляхів і засобів переробки вуглецевих промислових та побутових відходів" (Г11-97, 1997 р., № ГР 0197U008273; замовник - Міністерство освіти й науки України; автор - керівник); "Розробка, дослідження й освоєння у виробничих умовах монолітної футеровки дверей коксових печей, виконаної на фосфатних в'яжучих" (Х84-253, 1984-1985 р.р., № ГР 01840042563; замовник - Госстрой СРСР; автор - виконавець); "Удосконалити конструкцію й досліджувати в промислових умовах оптимальні параметри роботи завантажувального пристрою, що забезпечує збільшення щільності вугільного завантаження в коксових печах" (Х84-255, 1984-85 р.р., № ГР 01840077975; замовник - Донецький КХЗ; автор - виконавець); "Підвищення надійності й довговічності елементів коксових батарей з вогнетривких бетонів" (Х89-256, 1989-1990 р.р., № ГР 01890087427; замовник - Стаханівський КХЗ; автор - керівник); "Розробка наукових основ створення техніки і технології глибокої переробки багатокомпонентних сумішей промпобутвідходів" (Г19-2000, 2000-2002 р.р., № ГР 0100U01042; замовник - МОН України; автор - керівник); "Розробка нової екологічно чистої технології виробництва коксу в нахилених коксових печах з попереднім пресуванням завантаження" (Г30-91, 1991-1996 р.р., № ГР 01910043363; замовник - МОН України; автор - керівник); а також іншим темам, виконуваним по міжгалузевих програмах Міністерств металургії СРСР і України, КНП-2000 і планам Мінвузу й Міносвіти України.

Мета і завдання дослідження. Мета роботи - підвищення надійності машин, агрегатів та іншого обладнання для термічної переробки твердих вуглецевих матеріалів у камерних печах.

Для досягнення цієї мети поставлені й вирішені такі завдання:

проаналізувати сучасний стан проблеми надійності традиційних і сформовані на даному етапі можливості створення нових більш надійних і ефективних машин, агрегатів і обладнання для термічної переробки вуглецевих спікливих матеріалів у камерних печах;

розробити методику й виконати системне дослідження експлуатаційної надійності машин, агрегатів й обладнання для термічної переробки твердих вуглецевих матеріалів у камерних печах, що включають, поряд із традиційною технологією, часткове брикетування вугільної шихти, коксування трамбованих і попередньо спресованих робочих мас та їх переробку в камерних печах безперервної дії;

визначити кількісні значення характеристик надійності машин, агрегатів і обладнання, виявити закономірності зміни цих характеристик у процесі експлуатації, визначити найбільш відмовонебезпечні елементи й обґрунтувати шляхи й способи підвищення надійності;

виявити закономірності зміни параметрів надійності традиційної дрібноштучної і перспективної крупноблочної кладки коксових батарей і обґрунтувати способи й засоби продовження ресурсу пічних агрегатів;

розкрити закономірності зміни фізико-механічних характеристик твердої, консолідованої й сипучої робочої маси в процесі термічної переробки, визначити їх кількісні значення й дослідити вплив механічного поводження робочої маси в процесі переробки на надійність роботи обладнання виробничого комплексу;

обґрунтувати ефективні технічні рішення традиційних і нових машин і агрегатів для термічної переробки твердих вуглецевих матеріалів і відходів у камерних печах. агрегат консолідований експлуатація сипучий

Об'єкт дослідження - процес забезпечення необхідного рівня експлуатаційної надійності машин і агрегатів для термічної переробки твердих вуглецевих матеріалів у камерних печах.

Предмет дослідження - закономірності зміни експлуатаційної надійності машин і агрегатів для термічної переробки твердих вуглецевих матеріалів у камерних печах під впливом комплексу конструктивних, технологічних і експлуатаційних факторів.

Методи дослідження. Методологічною основою роботи є системний підхід, що включає поряд зі стандартними методами статистичного аналізу експериментальних і виробничих даних з надійності традиційної техніки виробництва коксу, вивчення фізико-механічних характеристик вуглешихтових, вуглебрикетних та інших вуглецевих сировинних мас широкого спектра вихідних властивостей за різних режимів термообробки, використання теорії граничної рівноваги матеріалів в імовірнісній інтерпретації, загальної теорії надійності, дослідно-промислові й промислові випробування коксових агрегатів і машин з використанням розроблених технічних і технологічних рішень підвищення їх надійності.

Теоретичні дослідження базуються: на фундаментальних положеннях теорії надійності й застосуванні імовірнісної моделі «навантаження - міцність» для розрахунку механічного поводження робочих мас у технологічному процесі; статистичній обробці й узагальненні представницького обсягу виробничих даних про роботу машин, агрегатів й обладнання коксових цехів восьми коксохімічних підприємств України й Російської Федерації; застосуванні числових методів, що забезпечують докладний аналіз процесів у досліджуваних технічних об'єктах.

Експериментальні дослідження базуються на методі фізичного моделювання, а саме, на комплексних випробуваннях робочих мас, з використанням методик і приладів, що дають адекватні практиці результати для різних сипучих, зв'язних і кускових робочих середовищ при статистичній обробці експериментальних даних на основі дисперсійного й кореляційного аналізу.

При виконанні роботи використані методи аналізу й статистичної обробки результатів промислових випробувань крупноблочних коксових батарей і виробничі дані експлуатаційної надійності коксових машин та агрегатів.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в розвитку наукових основ забезпечення необхідного рівня надійності машин та агрегатів для переробки твердих вуглецевих матеріалів у камерних печах з урахуванням комплексу фізико-механічних властивостей вихідної сировини і робочої маси в процесі переробки, що забезпечує можливість визначення раціональних структурних рішень виробничих комплексів, конструкцій обладнання та режимів роботи агрегатів.

Уперше одержані наступні наукові результати:

Розроблено основні наукові положення моделювання надійності функціонування обладнання виробничого комплексу з переробки твердих вуглецевих матеріалів у камерних печах на основі системного підходу, а саме в структурно-логічному поданні процесу функціонування комплексу як макросистеми, що поєднує підсистеми та елементи.

Розроблено узагальнену структурно-логічну модель експлуатаційної надійності комплексу машин, агрегатів та обладнання традиційного коксового виробництва як єдиної макросистеми, що дозволяє проводити аналіз і прогнозувати параметри надійності макросистеми з урахуванням характеристик потоку відмов підсистем і елементів.

Установлено залежності середнього часу простоїв і параметри потоку відмов підсистем і елементів комплексу коксового виробництва залежно від одиничної потужності агрегатів, тривалості експлуатації та рівня ТОіР, оцінюваного коефіцієнтом готовності коксових машин.

Отримали подальший розвиток засоби і способи вивчення залежності зміни міцності матеріалу крупноблочної кладки коксових батарей від часу експлуатації й розташування відносно поверхні камери коксування і взаємодії робочої маси з матеріалом поверхні кладки і вузлами коксових машин.

Розроблено математичну модель прогнозування тріщиноутворення в елементах конструкції камерних печей, що враховує теплофізичні характеристики робочої маси, матеріалу кладки, режим обігріву й геометричні параметри камери.

Отримано кореляційну залежність показника міцності коксу й показника границі міцності матеріалу нелеткого залишку досліджуваної вугільної шихти, що дозволяє прогнозувати міцнісні характеристики вуглецевих матеріалів на різних стадіях термічної деструкції і механічну поведінку робочої маси.

Отримано, уточнено й узагальнено закономірності зміни міцнісних характеристик ущільнених вуглешихтових мас із різними в'яжучими, що полягають у зниженні міцності консолідованої робочої маси при досягненні температури 140…170 С і визначені температурні режими, за яких міцнісні характеристики робочої маси в процесі термічної переробки приймають мінімальні значення, що дозволяє визначити найбільш сприятливі режими роботи печей.

Отримано рівняння залежностей комплексу фізико-механічних характеристик (ФМХ) робочої маси, а саме, міцносних характеристик на розрив, стиск, початковий опір зсуву, коефіцієнтів внутрішнього й зовнішнього тертя, модулів деформації, коефіцієнтів Пуассона від температури й складу суміші вуглешихтових матеріалів і відходів.

Для коксових агрегатів з камерними печами розроблено математичну модель напружено-деформованого стану робочої маси з урахуванням зміни її структури й характеру взаємодії з робочими поверхнями агрегату, що досягнуто рішенням задачі розподілу температурних полів і фазових перетворень, з використанням залежностей, отриманих при дослідженні ФМХ робочої маси.

Розкрито закономірності зміни парметров експлуатаційної надійності машин, агрегатів та обладнання для переробки твердих вуглецевих матеріалів у камерних печах для різних сировинних вуглецевих композицій, у тому числі з використанням твердих відходів, і урахуванням комплексу конструктивних, технологічних та експлуатаційних факторів.

На підставі принципу максимізації інформаційної ентропії й теорії надійності отримано математичну залежність імовірності безвідмовної роботи підсистеми "оператор-машина" від часу її функціонування, з урахуванням часу наробітку й коефіцієнта готовності.

Отримали подальший розвиток наукові передумови створення нових більш надійних машин та агрегатів для термічної переробки вуглецевих мас різного складу й вихідних властивостей при шаровому нагріванні в печах камерного типу із забезпеченням необхідного рівня надійності.

Практичне значення одержаних результатів досягнуто на основі експериментальних і теоретичних досліджень, узагальнень, розробок, методик, алгоритмів і промислових випробувань, спрямованих на підвищення надійності існуючих і створення нових більш досконалих машин та агрегатів для переробки твердих вуглецевих матеріалів в камерних печах, а також визначення раціональних параметрів режимів їх експлуатації, а саме:

На Стахановському КХЗ впроваджені і освоєні перші у світовій практиці коксові батареї із крупнорозмірних вогнетривких бетонних блоків і виконано комплекс наукових робіт з підвищення їх довговічності (за цю роботу автора у складі авторського колективу відзначено Премією Ради Міністрів СРСР № 09446 від 11.10.91). Створено технічні рішення конструкцій коксових батарей, і розроблено робочий проект перекладки коксової батареї Стахановського КХЗ із вогнетривких бетонних блоків (А.с. 1723093, патент Російської Федерації 1806163).

Рекомендації зі складу й технології нанесення захисних покриттів, виконання матеріальних швів і компенсації тріщин в елементах крупноблочної бетонної кладки коксових батарей (А.с. 1481227, А.с. 1806163).

Регламентація ремонтно-профілактичних робіт для традиційних коксових батарей з урахуванням ступеня руйнування кладки, методика планування ремонтно-профілактичних робіт відновлення вогнетривкої кладки простінків коксових печей в умовах коксових цехів № 3, № 4 Авдіївського КХЗ.

Технічні рішення й рекомендації із забезпечення надійності коксового (із частковим брикетуванням) і коксобрикетного виробництва з урахуванням фізико-механічних властивостей вуглебрикетних мас, що здійснено на Криворізькому КХЗ з науково-дослідними інститутами УХІН, ВУХІН, ГІПРОКОКС (А.с. 1511268, патент 13893).

На Авдіївському КХЗ впроваджена система забезпечення надійності коксових машин шляхом оптимізації ТОіР, що була рекомендована Мінчорметом України для використання на підприємствах галузі.

На Алчевському КХЗ впроваджено технічні рішення планирного пристрою коксовиштовхувача, спрямовані на підвищення його надійності зі збільшенням виробництва коксу в кожній коксовій печі (А.с. 1237697, А.с. 1682378).

Результати досліджень ФМХ сипучих і зв'язних вуглецевих матеріалів і відходів у широкому діапазоні зміни складу сумішей і умов випробувань використані ВУХИНом (Єкатеринбург, Російська Федерація), ВНИИМетМашем (Москва), МГУИЭ (Москва), Маріупольським КХЗ, ДонНТУ. Прилади захищені свідоцтвами на винахід (А.с. 1663013, А.с. 1796976).

Технічні рішення й рекомендації, спрямовані на підвищення надійності та герметичності стикувальних вузлів батарей коксових печей. Пристрої ущільнення дверей коксових печей (патенти України № 52037, № 54132), рекомендації з проведення ремонтно-відбудовчих робіт елементів дверей коксових печей (футеровки, ущільнювальних рамок), кладки простінка використані на ВАТ "Авдіївський КХЗ".

Технічні рішення й рекомендації щодо здійснення процесу термічної переробки сумішей вуглецевих промислових і побутових відходів у нахилених термолізних печах з отриманням твердого палива, летючих хімічних продуктів і зольних залишків для виробництва будматеріалів з використанням А.с. 1738824, А.с. 1455716 і патенту України 13893 надані для використання ВАТ "Авдіївський КХЗ" і Донецьку державну обласну адміністрацію для включення в програму "Донбас 2020".

Результати роботи використовуються також у навчальному процесі підготовки фахівців-механіків для хімічних виробництв і підприємств будівельних матеріалів у ДонНТУ та інших вузах при вивченні дисциплін "Надійність технологічного обладнання", "Механіка дискретних матеріалів", "Техніка екологічно чистих технологій", "Експлуатація технологічного обладнання".

При впровадженні результатів роботи, включаючи 11 авторських свідоцтв і патентів на винаходи, отримано значний економічний ефект.

Особистий внесок здобувача. Основні результати теоретичних і експериментальних досліджень, отриманих здобувачем, які виносяться на захист, полягають у постановці й обґрунтуванні наукового напрямку, формулюванні мети роботи, розробленні й обґрунтуванні методик експериментальних досліджень, участі в постановці й проведенні експериментальних досліджень, розробленні математичних моделей, установленні математичних залежностей, аналізі й узагальненні отриманих результатів досліджень, формулюванні новизни й висновків.

Експериментальні дослідження фізико-механічних властивостей робочих мас і продуктів переробки, розроблення моделей, числове моделювання параметрів і механічної поведінки робочої маси та конструкцій приладів і агрегатів виконані спільно з к.т.н. доцентом Веретельником С.П. і аспірантами Дедовцем І.Г., Кутняшенко І.В., Костіною О.Д., Топоровим А.А., Антонюком С.І., Алексєєвою О.Є. і Трет'яковим П.В. під керівництвом здобувача. Конкретний внесок автора в опубліковані у співпраці наукові роботи наведено у списку наукових праць за темою дисертації.

Апробація результатів дисертації. Основні положення й результати досліджень доповідалися: на науково-технічних конференціях ДонНТУ (1990-2009), МИХМа (1987, 1989, 1990), Всесоюзній науково-технічній конференції "Качество и надежность продукции" (Куйбишев, Російська Федерація, 1989), Всесоюзній конференції по механіці сипучих матеріалів (Одеса, 1991), Всесоюзній нараді з брикетування вугілля (Кривій Ріг, 1989), у ВУХИНе (Єкатеринбург, Росія, 1989-1991), Гипромезе (Москва, 1991), на Всесоюзній конференції "Техноекологія-91" (Донецьк, 1991), ВДНГ СРСР й УРСР (отримані бронзова й дві срібні медалі), Науково-технічна конференція "Процес і технології використання відходів хімічного виробництва" (Донецьк, 2005), Міжнародних конференціях "Машинобудування та техносфера XXI століття" (Севастополь, 1997-2008), "Углехимия-1999" (Звенигород, Російська Федерація, 1999); Дніпропетровськ, 2001; "Екологічні проблеми індустріальних технологій" Донецьк, 2004, 2006, 2008; Москва, 2005, 2007, 2009 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 85 наукових праць, з них 49 у провідних фахових виданнях, 25 патентів та авторських свідоцтв, 11 у збірниках праць конференцій. Одноосібно автором опубліковано 14 наукових статей.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація включає вступ, шість глав основного тексту, висновки, список використаних джерел і додатки, має загальний обсяг 405 сторінок, у тому числі 9 додатків на 104 сторінках і перелік використаних джерел з 292 найменувань на 21 сторінці, містить 102 рисунки та 36 таблиць.

Автор висловлює щиру подяку професорам, д.т.н. Г.О. Власову, М.П. Зборщику і Ю.В. Коновалову за науково-методичну консультаційну допомогу при виконанні роботи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, показано зв'язок з науковими програмами й темами, визначено мета й завдання роботи, викладено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, особистий внесок здобувача, інформацію про апробацію результатів роботи та основні публікації.

Перший розділ присвячено аналізу проблеми експлуатаційної надійності машин й агрегатів виробництва коксу, необхідності створення наукових основ її забезпечення, характеристиці об'єктів дослідження й постановці мети й завдань роботи.

Питання теорії надійності складних систем досліджували та внесли значний вклад: В.В. Болотін, Б.В. Гнеденко, І.А. Ушаков, В.А.Каштанов, Н.А.Северцев, Р.Барлоу, Ф.Прошан, Б.Діллон, Ч.Сінгх, Э.Дж. Хенлі, Х.Кумамото, К.Капур, Л.Ламберсон та ін.; надійності в області машинобудування: А.С. Проніков, К.В. Фролов, А.І. Кубарев та ін.; надійності металургійного обладнання: В.І. Большаков, М.Я. Бровман, В.С. Горелик, В.М. Гребеник, В.Д. Плахтін, В.М. Синицький, В.Я. Седуш, Г.В. Сопілкін, А.С. Ткаченко, У.К. Цапко та ін.; і надійності хімічних виробництв: В.В. Кафаров, А.Ф. Зубова, І.Б. Жилинський, Ю.Л. Муромцев, В.С. Шубін та ін. Ці дослідження охоплюють широке коло питань надійності, однак у них не розглядається проблема експлуатаційної надійності машин та агрегатів виробництва коксу з урахуванням комплексу факторів. Специфіка експлуатаційної надійності машин та агрегатів виробництва коксу обумовлена значним впливом конструктивних і технологічних факторів, властивостей робочих мас, людського фактору й залежить від рівня ТОіР. Без урахування цього неможливе одержання задовільних результатів у забезпеченні необхідного рівня експлуатаційної надійності. Відомі дослідження питань надійності коксових машин й обладнання (В.Г. Гадяцький, Б.Д. Котляр, Г.О. Власов) не охоплюють проблему експлуатаційної надійності обладнання всього комплексу виробництва коксу, і, що дуже важливо, не враховують вплив властивостей робочих мас на експлуатаційну надійність обладнання.

Об'єкт статистичного дослідження надійності комплексу коксового виробництва - коксові батареї ряду підприємств України й Російської Федерації з печами ємкістю 41,6 м3 і з комплектом обслуговуючих машин й установками сухого й мокрого гасіння коксу. Об'єктом дослідження були також батареї коксових печей різної ємкості з мілкоштучних вогнетривів і крупноблочного бетону.

Аналіз інформаційних джерел показав актуальність розвитку основ надійності техніки коксового виробництва. У цій частині особливо важливе значення має встановлення закономірностей зміни ФМХ робочих мас з урахуванням широкого діапазону вихідних властивостей й умов протікання процесу.

На підставі аналізу існуючих результатів досліджень надійності машин та агрегатів для переробки твердих вуглецевих матеріалів у камерних печах було визначено напрямки розвитку наукових положень і сформульовані мета та завдання роботи.

У другому розділі розкрито питання, пов'язані з методологією дослідження надійності комплексу обладнання традиційної технології виробництва коксу, надано обґрунтування вибору методики дослідження, розкрито принципи розробки структурно-логічних моделей функціонування коксового виробництва й дослідження надійності людино-машинних систем, описано методику збору, обробки й видачі результатів дослідження надійності обладнання, визначено мінімальний обсяг спостережень і закони відмов, наведено номенклатуру показників надійності, розроблено форми проміжної й вихідної інформації, виводу результатів її обробки.

Для вирішення поставлених завдань ефективним є застосування одного з методів системного дослідження - методу дерева відмов (МДВ). Проте при всіх перевагах системного дослідження на основі методу дерева відмов істотним його недоліком є статичність, тобто відсутність реагування моделі на часові зміни, що протікають у системі й елементах у процесі експлуатації, а також неможливість швидкої перебудови моделі при зміні виробництва, його структури й стану і головне, відсутнє врахування часового фактору а відтак і трансформації схеми в нову з переходом у новий стан і забезпечення урахування подій і факторів різної природи.

Ці недоліки усунуті шляхом подальшого розвитку МДВ і створення на цій основі деревоподібної схеми функціонування (ДСФ), орієнтованої не тільки на подію відмови. Головною особливістю ДСФ є відсутність обмежень на уведення в структурно-логічну схему різних елементів, подій, факторів, характеристик й урахування їх зміни в процесі функціонування. Структура ДСФ може змінюватися в часі залежно від виконання системою тієї або іншої операції й у зв'язку з цим з'являється можливість розглядати різні альтернативні події відмов, шляхи розвитку ланцюжка подій у системі. Такий підхід до аналізу надійності методом ДСФ усуває недоліки МДВ й створює можливість розробки алгоритму управління побудовою структури моделі, включенням у роботу різних елементів, з визначенням характеристик надійності елементів, що відповідають їх даному тимчасовому стану й виконуваним функціям. Можна стверджувати, що в такій постановці ДСФ є найбільш універсальною для найширшого класу складних задач системного аналізу експлуатаційної надійності.

Реалізація виробничого процесу термічної переробки вуглешихтових мас у традиційній технології коксування забезпечується в результаті функціонування макросистеми - комплексу машин, агрегатів і обладнання коксового виробництва, що включає такі системи: блок із двох батарей великоємких камерних коксових печей, комплект коксових машин, установки сухого й мокрого гасіння коксу з коксосортуванням, засоби контролю й управління, система технічного обслуговування й ремонту обладнання, що забезпечує необхідний рівень його технічного стану й працездатності.

Макросистема поєднує елементи, які в процесі виробництва коксу постійно або циклічно утворюють проміжні функціональні структури або підсистеми. Елементи - це основні конструкції, вузли й механізми, для яких можна визначити їхнє функціональне призначення. Відповідно до функціонального призначення ті самі елементи можуть входити до складу різних функціональних структур, обумовлених досліджуваними функціями у виробничому процесі.

Система батареї коксових печей включає загальнобатарейні споруди, обладнання вугільної башти, підсистеми обігріву всієї батареї, газовідвідної арматури, поздовжнього та поперечного анкеражу, електрообладнання й автоматика та елементи печей: кладку, робочу масу (коксовий пиріг), вузли опалення, газовідвідні вузли печі, двері коксових печей, завантажувальні люки та ін. Структура й кодове позначення підсистем і елементів батареї коксових печей наведені на рис. 1.

Рис. 1. Структура і кодове позначення підсистем та елементів батареї коксових печей

При розгляді працездатності кожної окремої коксової печі важливим складовим елементом є робоча маса, що взаємодіє із кладкою й вузлами коксових машин при видачі коксу.

Батарею коксових печей обслуговує комплект коксових машин: вуглезавантажувальна, коксовиштовхувальна, дверезнімна машини та коксовізний вагон, які управляються операторами-машиністами й виконують функції у виробничому процесі. Набір функцій визначає призначення машин і її конструктивні особливості, зокрема, наявність в її складі того або іншого механізму.

Розкрито методологію експериментальних досліджень, наведено загальні відомості про комплекс приладів і методичне забезпечення визначення, дослідження ФМХ робочого середовища, а саме, компресійних, міцносних і зсувних випробувань, експрес-аналізу спікливості матеріалів, взаємодії робочої маси з конструкційними матеріалами.

Третій розділ присвячено системному дослідженню експлуатаційної надійності машин, агрегатів й обладнання традиційного коксового виробництва. Необхідний і достатній обсяг статистичної інформації зібрано на 8 коксохімічних підприємствах України й Росії. Методика збору, обробки й аналізу даних з надійності коксового виробництва була попередньо апробована (протягом 5 років) на Авдіївському КХЗ. Суть її полягає в забезпеченні безперервності, повноти, вірогідності й порівняності статистичної інформації, що надходить із різних джерел і комп'ютерного сортування, накопиченні бази даних та їх обробці.

Надійність традиційного виробництва коксу визначали на базі представницького статистичного матеріалу про відмови й простої печей ємкістю 41,6 м3 на коксохімічних заводах: Авдіївському (АКХЗ), Алтайському (Алт.КХЗ), Маріупольському, і коксохімічних виробництвах Західно-Сибірського (КХП ЗСМК), Магнітогірського (КХП ММК) і Нижнє-Тагільского (КХП НТМК) меткомбінатів (рис.2).

Аналіз рівня надійності батарей різної продуктивності Горлівського та Авдіївського КХЗ (печі ємкістю 16,5; 23,5; 30 й 41,6 м3) дозволив установити, що збільшення ємкості печей в 2…2,5 рази призводить до випереджального 25…50- разового зростання часу простоїв і скорочення в 2...8 разів наробітку комплексу на відмову (рис. 3). При цьому змінюється й співвідношення втрат виробництва через відмови різних категорій обладнання. Найбільшою мірою зростає інтенсивність відмов печей і вага їх наслідків. Ресурс батарей з печами ємкістю 30 й 41,6 м3 був менше відповідно в 2,5 й 3,2 рази, ніж батарей з печами ємкістю 23,5 м3.

У результаті розробки й дослідження математичної моделі функціонування виробництва на основі побудови й аналізу деревоподібної схеми функціонування (ДСФ) комплексу виробництва коксу в камерних печах періодичної дії (рис. 4) отримане рівняння у вигляді булевої тотожності, що характеризує виникнення відмови технологічного процесу Z. Установлено, що найбільший рівень значимості в події відмови технологічного процесу мають механізми знімання, повороту й переміщення дверей коксовиштовхувача й дверезнімної машини, 5 механізмів і пристроїв коксовиштовхувача, 2 - дверезнімної машини, 1 - вуглезавантажувальної машини, 2 - підсистеми батарей і 5 - підсистем елементів коксових печей.

Виділено найбільш значимі категорії втрат і відмов: коксових печей (самозаклинювання печей, відмова дверей, рам, анкеражу, порушення кладки, відмови систем обігріву й відсмоктування летючих продуктів коксування та ін.); коксових машин (коксовиштовхувачі, дверезнімні та вуглезавантажувальні машини, коксовізні або тушильні вагони та електровози); установок тушіння коксу сухим або мокрим способом (підйомники, механізми обслуговування, системи циркуляції газу та ін.); коксосортування (конвеєри, грохоти, пристрої перевантаження та ін.); були враховані також відмови й простої коксових батарей, викликані зовнішніми причинами (відсутність шихти, електроенергії, вагонів для коксу та ін.)

Аналогічно побудовано деревоподібні схеми функціонування й виконано порівняльний аналіз надійності часткового брикетування шихти, попереднього контейнерного пресування завантаження й коксування вуглецевих матеріалів у нахилених камерних коксових печах. Рівняння, що характеризує виникнення відмови установки часткового брикетування шихти мають вигляд:

Розраховано характеристики надійності обладнання установки часткового брикетування шихти Криворізького КХЗ, що наведено в табл. 1.

Таблиця 1 - Характеристики надійності обладнання УЧБШ Криворізького КХЗ

Рівняння, що характеризує виникнення відмови виробництва коксу з попереднім контейнерним пресуванням вугільної шихти:

Рівняння, що характеризує виникнення відмови функціонування батареї нахилених коксових печей:

Отримані математичні моделі надійності функціонування різних виробництв коксу в камерних печах дозволили провести якісний і кількісний аналіз надійності, що показав значні переваги виробництва коксу в нахилених коксових печах безперервної дії за рахунок відсутності у виробничій схемі участі операторів коксових машин, істотного скорочення операцій і обладнання для обслуговування батарей нахилених печей. Наявність конкретних даних з надійності функціонування підсистем і елементів дає можливість порівнювати дані схеми виробництва залежно від прийнятих структурних рішень і обґрунтовувати вибір найбільш надійних схем.

Для численних об'єктів було розраховано середні календарні наробки на відмову при однобічній довірчій імовірності 0,95 і відносній помилці 0,10 і визначено статистичні оцінки достатності мінімальної тривалості спостережень по коксових машинах, які не перевищували 8362 годин. Для коксових печей та інших категорій обладнання необхідна тривалість спостережень була на один-два порядки менше у зв'язку з наявністю значно більшої кількості спостережуваних об'єктів. У підсумку встановлено, що необхідна мінімальна тривалість безперервних спостережень повинна становити не менш ніж 11,5 місяців. У процесі виконання роботи мінімальна тривалість безперервного спостереження становила 2 роки.

Обробка статистичних даних показала, що інтенсивність відмов має виражену тенденцію до швидкого збільшення після восьми - дев'яти років експлуатації батарей. При цьому можна виділити характерні періоди життя батарей, що погоджуються зі змінами параметрів надійності: освоєння виробничої потужності, стабільна робота та наростання аварійних відмов.

У період освоєння потужності (1,5-2 року) робота батарей має нестійкий характер у зв'язку з пусконалагоджувальними роботами, усуненням помилок, допущених під час проектування, виготовлення й монтажу обладнання, виводом комплексу на заданий режим, недостатнім досвідом персоналу. Період відносно стабільної роботи спостерігається, в основному, від 2 до 8-9 років. Для нього визначено параметри надійності щодо всіх видів обладнання, використовувані надалі при аналізі надійності традиційної технології. Для періоду аварійних відмов (вік батарей більше 8-9 років) характерні прискорене зношування й "самозаклинювання" печей, зростання інтенсивності відмов по всіх категоріях обладнання зі збільшенням кількості важких аварій, особливо після 10 років експлуатації комплексу. Для всіх підприємств найбільші втрати виробництва пов'язані з відмовами коксових печей і машин при випереджальному зростанні частки відмов печей.

Інтенсивність відмов коксових машин залежить у меншому ступені від віку батарей. Основна кількість відмов і втрат від простоїв коксових машин (83-85 %) на всіх підприємствах припадає на коксовиштовхувачі та дверезнімні машини. Це обумовлено тяжкими умовами роботи цих двох типів машин і частими помилками операторів, що перебувають у безпосередній близькості від коксових печей, під впливом газопилових викидів та інтенсивного тепловипромінювання.

У результаті статистичного оброблення інформації встановлено кількісні значення параметрів потоку відмов підсистем і тенденції їх зміни, що у свою чергу визначило необхідність більш докладного дослідження надійності основних підсистем комплексу: анкеражу-дверей-кладки коксових печей (АДК); коксових машин (КМ) і впливу рівня ТОіР на надійність обладнання.

Подальший аналіз підсистеми АДК показав, що в експлуатації найменш надійна вогнетривка кладка, частка відмов якої в загальній їх кількості та простоїв комплексу виробництва досягає 60-70 %. Основні причини відмов кладки: вертикальні тріщини (33,4%); увігнутість простінка (27,3%); парні вертикальні тріщини - "стовпчики" (10,2%), причому коксова сторона батареї піддається дефектам в 1,2-1,3 рази частіше, ніж машинна. Відмови дверей коксових печей в основному пов'язані з руйнуванням корпуса дверей та її футеровки й обумовлені конструктивною недосконалістю затворів та низкою ремонтопридатністю дверей.

При докладному аналізі підсистеми КМ було розроблено модель процесу відмов і відновлень механізмів коксових машин, у якій зміна ймовірності безвідмовної роботи Р(t) визначається параметрами потоку поступових щпро й аварійних епро відмов за умови повного відновлення елементів для заданого моменту часу t:

де Кг - коефіцієнт готовності підсистеми.

Установлено загальні тимчасові закономірності зміни показників надійності підсистем коксових печей і машин з урахуванням рівня ТОіР у процесі всього періоду експлуатації комплексу, що дозволило обґрунтувати основні напрямки підвищення надійності обладнання комплексу: усунення основних причин відмов коксових машин і кладки коксових печей, оптимізація ТОіР і зменшення впливу помилок операторів на виробничий процес. Аналіз надійності підсистем дозволив сформулювати постановку завдань із вдосконалювання конструкцій машин та агрегатів.

Четвертий розділ присвячено експериментальним дослідженням ФМХ робочої маси й елементів конструкції.

Визначення ФМХ засновано на концепції випробувань і наближення умов експерименту до реальних умов виробництва; послідовність випробувань відповідає впливам на матеріал у реальних умовах; урахуванні фізичного змісту й аналітичного взаємозв'язку параметрів ФМХ; дотриманні всіх традиційних вимог точності, відтворюваності, зручності, простоти й продуктивності випробувань.

Для реалізації концепції розроблено комплекс приладів і методичне забезпечення випробувань. Теоретичною основою створення приладового комплексу є теорія граничної рівноваги Кулона-Мору й фундаментальні положення механіки дисперсних середовищ.

Поряд з дослідженням робочих мас різної вологості в якості домішок застосовували гідрофобні й гідрофільні в'яжучі на основі нафтового крекінгового пеку, лігносульфоната, кислої смолки та інших матеріалів. Установлено оптимальні значення вмісту вологи й в'яжучого, що забезпечують найбільшу міцність одержуваної спресованої й вихідної сировини та в процесі нагрівання її до температури формування напівкоксу ( = 0,52-0,65, де - безрозмірна температура = t°C/1000).

Під час пресування вологих вугільних шихт вирішальними факторами, що впливають на міцність зчеплення частинок, є тиск і вологість (рис. 6).

Експериментально встановлено, що для спресованої робочої маси модуль деформації Es визначається об'ємною щільністю робочої маси сv, вологістю Wp, змістом в'яжучого Sв і температурою . При цьому зростання поперечних деформацій завжди більше росту поздовжніх, тобто навіть на початкових стадіях деформування в умовах вільного розширення відбувається розпушення ущільненої маси.

Міцносні й деформаційні характеристики напівкоксу-коксу залежать від змін об'ємної сv та істинної сі щільності, пористості П і залишкового виходу летких Vг.

Отримано кореляційний зв'язок (R = 0,88) між Es напівкоксу і його температурою . Коефіцієнт бічного розширення напівкоксу µ змінюється в межах 0,3-0,4, при цьому менші його значення відповідають більш високим температурам. Дисперсії всіх зазначених характеристик зростають у процесі термохімічних перетворень. Значення коефіцієнтів варіації ФМХ змінюються в межах 0,08...0,56.

Загальною закономірністю зміни ур, ус, ф0 ущільнених робочих мас є швидке підвищення міцносних характеристик при збільшенні об'ємної щільності пресовки до 1040-1120 кг/м3 навіть при відносно невеликих тисках пресування 1,6...2,0 МПа, але подальше збільшення тиску не дає істотного підвищення щільності й міцності, а в окремих випадках навіть спостерігається зниження міцносних характеристик.

Нагрівання ущільненої робочої маси до температури її переходу в передпластичний й пластичний стан ( = 0,2-0,4) веде до зниження міцносних характеристик ур, ус, ф0. При формуванні структури напівкоксу ( = 0,52-0,65) міцність на зрушення ф0 швидко зростає й перевищує початкову зсувну міцність ущільненої робочої маси ф0 більш ніж на 1-2 порядки. Потім спостерігається зменшення ф0 при формуванні структури коксу, що пояснюється збільшенням тріщинуватості.

Вивчено зміну міцності ур при вільному спучуванні в часі за температури = 0,65. Результати дослідження представлені графічно на рис. 7, 8. Зміна міцності на розрив залежно від часу нагрівання має виражений максимум, що збігається з моментом закінчення спучування; після закінчення спучування міцність нелеткого залишку із часом істотно знижується до 0,1-0,5 величини максимальної міцності.

Коефіцієнти сухого тертя f0 визначені на приладах для зсувних випробувань, адгезійні характеристики - на приладі для дослідження спікливості. Випробування полягали у вимірюванні напружень розриву ур робочої маси і її адгезійного відриву уа від зразків, виготовлених з різних конструкційних матеріалів. Установлено, що в температурному інтервалі = 0,57-0,81 напруження відриву уа менше, ніж напруження розриву ур, а найбільші значення уа проявляються на початку нагрівання (рис. 9), після чого значення стабілізуються.

Для всіх досліджених конструкційних матеріалів у тепловому полі зусилля адгезійної взаємодії з вугільною шихтою в початковий період в 1,25-2,5 рази більше, ніж після тривалого контакту, що пояснюється насиченням поверхні вуглецем протягом тривалого (3-6 годин) контакту, що призводить до ослаблення адгезії контакту.

Сімейства апроксимуючих залежностей ФМХ у процесі нагрівання робочих мас має коефіцієнт кореляції не нижче 0,84, при рівні значимості 0,95. Характерно, що до = 0,15-0,45 відбувається зниження міцносних характеристик ур, ус, ф0, потім вони швидко зростають до максимальних значень при = 0,4-0,6, а при завершенні процесу нагрівання ( = 0,7-0,9) їх значення поступово зменшуються. ФМХ робочої маси зведені в узагальнюючу таблицю 2 у вигляді математичних очікувань і середньоквадратичних відхилень відповідних характеристик. Позначені умовні стадії структурних перетворень робочої маси: A - волога шихта; B - суха шихта; C - передпластична маса; D - пластична маса; E - напівкокс; F - кокс.

Таблиця 2- Фізико-механічні характеристики робочої маси (Г-66%, ОС-34%) в процесі термічної переробки

Залежності математичних очікувань і коефіцієнтів варіації значень ФМХ робочих мас від температури описуються наступними рівняннями:

Для обґрунтування раціональних складів сумішей потенційної сировини - твердих вуглецевих промпобутвідходів для термічної переробки в коксових агрегатах камерного типу проведено комплексний аналіз кількісних значень основних ФМХ у широкому діапазоні зміни умов процесу. Результати випробувань наведені в табл. 3. Спресовані брикети піддавали випробуванням на статичну міцність при стиску й розтяганні. Міцносні характеристики брикетованих сумішей залежать від складу сумішей, змісту в'яжучого й тиску ущільнення. Для вологих шламів вуглезбагачення після пресування до тиску 5 МПа отримані міцнісні характеристики с = 0,15-0,22 МПа, р = 0,014-0,02 МПа.

Таблиця 3 - Початковий опір зсуву ф0 і коефіцієнти внутрішнього f0 і зовнішнього f тертя при різному вмісті в'яжучого (S) і вологості (W) сумішей промпобутвідходів і вуглецевих матеріалів

З використанням відпрацьованих методик досліджено міцносні характеристики крупноблочної кладки. Оскільки процес руйнування кладки, як правило, починається з утворення тріщин, що є результатом дії граничних розривних термонапружень, було проведено випробування на міцність р зразків матеріалу експлуатованих простінків й сирих блоків одержуваних із заводу-виробника. Виявлено суттєвий вплив покриття з алюмохромофосфатного в'яжучого на міцність динасокварцитових блоків. Для блоків, що знаходились в експлуатації р = 0,85 - 1,29 МПа, що в три рази більше за міцність сирих блоків (р = 0,3 - 0,4 МПа). Найбільшу міцність мають зразки з найменш підданому руйнуванню матеріалу серединних зон блоків (р = 0,94 - 1,53 МПа), а найменшу - з матеріалу зони заплічок (р = 0,64 - 1,19 МПа) (рис. 10). При цьому р змінюється залежно від глибини розташування матеріалу щодо поверхні камери. Найменшу міцність мають шари, розташовані на поверхнях камери коксування й опалювального каналу. Товщина найменш міцного шару (порушеного мікротріщинами) на поверхні камери головочної зони досягає 35 - 40 мм.