Аналіз факторів, які впливають на надійність машин для металургійного виробництва

Надійність машин для металургійного виробництва є однією з основних властивостей металургійного обладнання, яке безпосередньо бере участь у реалізації металургійних технологічних процесів, і багато в чому забезпечує якість продукції доменного, сталеплавильного і прокатного виробництв. У різні роки проблеми надійності машин для металургійного виробництва та їх елементів досліджувалися відомими вченими Гребеніком В.М., Цапко В.К., Проніковим А.С., Тилкіним М.А., Решетовим Д.Н., Седушем В.Я., Єлізаветіним М.А., Крагельським І.В., Полухіним В. П, Костецьким Б.К., Учителем О.Д. та іншими.

Надійність - комплексна властивість, яка для металургійного обладнання переважно визначається його безвідмовністю, довговічністю та ремонтопридатністю. Аналіз відомих даних щодо експлуатаційної надійності металургійних машин дозволив визначити види металургійного обладнання, які мають відносно низькі показники безвідмовності, довговічності та ремонтопридатності, а саме, грохоти систем подачі та гідравлічний привід механізмів завантажувальних систем доменних печей, теплозахисні елементи металургійних агрегатів, робочі валкі прокатних станів.

Потрібний рівень надійності формується під час проектування машин, забезпечується під час їх виготовлення та підтримується під час експлуатації машин для металургійного виробництва. Кожний період існування машин містить у собі схожі (за змістом задач) складові, а саме, дослідження, розробка технології здійснення та реалізація, які виконуються в певному порядку і пов'язані багатьма взаємозалежними інформаційними потоками (рис. 1).

Найважливіше значення для створення надійного металургійного обладнання і його ефективного використання мають глибокі дослідження металургійних процесів і їхнього впливу на працездатність машин, а також оптимальне проектування конструкцій машин і оптимальне керування машинами в ході реалізації металургійних технологічних процесів. Відомо велика кількість досліджень, присвячених цим проблемам, багато з яких успішно вирішено. Менша увага приділяється технологічному й організаційному забезпеченню надійності металургійного обладнання, тобто комплексу питань, які виникають при виготовленні, ремонті й обслуговуванні машин і агрегатів для металургійного виробництва. Питання формування та підвищення надійності машин для металургійного виробництва на етапі їх виготовлення досліджувалися в роботах Гребеніка В.М., Цапко В.К., Гордієнко А.В., Єлизаветина М.А., Сатель Э.А., Генкіна М.Д., Рижова М.А., Рижова Н.М., Тилкіна М.А., Кухтік Т.В., Морозенко В.Н., Проволоцкого А.Е., Пукаса В.В., Петко І.В., Муратова І.Е., Цекова В.І. та других учених. В роботах, в основному, наводяться рекомендації щодо використання окремих технологічних методів та їх результатів, спрямовані на підвищення надійності деталей, вузлів та машин для металургійного виробництва. Ефективність технологічних методів підвищення надійності істотно залежить от комплексного рішення групи взаємозалежних питань, поєднуваних загальною назвою - технологічне забезпечення надійності.

Рис. 1. Основні етапи формування та забезпечення надійності машин для металургійного виробництва.

Поняття технологічне забезпечення надійності металургійного обладнання включає декілька основних елементів: технологічність конструкцій машин для металургійного виробництва; технологічні процеси одержання оптимальних заготовок; технологічні процеси виготовлення, складання машин, контролю якості, технічного обслуговування та ремонту машин; технологічне обладнання та оснастка для виготовлення, обслуговування та ремонту машин. Організаційне забезпечення надійності машин для металургійного виробництва включає сукупність підсистем: діагностики та прогнозування стану металургійного обладнання; раціональної організації дослідження, проектування, виготовлення та експлуатації з використанням засобів автоматизації для виконання робіт та контролю їх результатів; підготовки висококваліфікованого персоналу та підтримка його кваліфікації на рівні, необхідним для рішення поточних та перспективних задач збереження та підвищення надійності.

Сучасні методи дослідження, проектування, виготовлення і використання машин для металургійного виробництва базуються на застосуванні математичного моделювання, яке має специфічні особливості для металургійного обладнання. Одна з важливих особливостей полягає в складності експериментального вивчення унікальних дорогих систем металургійних машин і виникаючий через це дефіцит інформації про їхній стан і поводження. Основи теорії математичного моделювання машин для металургійного виробництва, які базуються на фундаментальних положеннях механіки, прикладної математики, системного аналізу і математичної статистики, були розроблені в працях відомих учених Целікова О.І., Корольова А.А., Іванченко Ф.К., Щиренко М.С., Павленко Б.О., Чекмарева О.П., Кожевнікова С.М., Празднікова О.В., Полухіна П.І., Зюзіна В.І., Левіна М.З., Дружиніна Н.Н., Комарова М.С., Полухіна В.П., Потураева В.І., Цехновича Л.І., Большакова В.І. та інших. Подальший розвиток призвів до формування теорії математичного моделювання машин для металургійного виробництва і металургійного машинобудування як специфічного наукового напрямку в системі металургійних наук.

Обов'язковою умовою застосування математичного моделювання є наявність відповідності машини для металургійного виробництва і її математичної моделі. Незважаючи на велику кількість наукових публікацій, присвячених специфіці математичного моделювання металургійного обладнання і металургійних технологічних процесів, питання практичної оцінки і забезпечення відповідності машин для металургійного виробництва і їхніх математичних моделей досліджені недостатньо. Мало вивчені також способи визначення раціональних витрат на математичне моделювання, важливе значення яких обумовлюється високою вартістю металургійного обладнання.

Таким чином, існує комплекс проблем, рішення яких спрямовано на підвищення надійності металургійного обладнання і пов'язаних з технологічним та організаційним забезпеченням надійності і практичним використанням математичного моделювання машин і агрегатів для металургійного виробництва та металургійного машинобудування й оптимізації їхніх конструктивно-технологічних параметрів.

Експериментальні дослідження впливу експлуатаційних, конструктивних та технологічних факторів на надійність машин для металургійного виробництва

Комплекс експериментальних досліджень виконано для грохотів систем подачі та гідравлічного приводу механізмів завантажувальних систем доменних печей, теплозахисних елементів металургійних агрегатів, робочих валків прокатних станів.

Серед чисельної групи грохотів доменного та сталеплавильного виробництва грохоти гарячого агломерату систем подачі доменних печей виділяються екстремальними умовами функціонування, які складаються з комплексу факторів (інтенсивних неоднорідних теплових та динамічних впливів, агресивних хімічних властивостей шихтових матеріалів, абразивного пилу тощо). Закономірності зміни температур та механічних напружень в основних елементах грохоту визначають кількісні оцінки та особливості цього впливу (циклічність (відповідно до циклу роботи грохота), перепад температур до 400-500^оС між різними елементами грохота та запізнення механічних напружень). Основним фактором, який негативно впливає на процеси зменшення працездатності елементів грохота, є неоднорідний тепловий вплив. Показники безвідмовності та ремонтопридатності основних елементів грохота (розраховані за статистичними даними) вказують найменш надійні елементи грохота (прийомну плиту та вібратор). Спрямованість теплових потоків призводить до одностороннього нагріву елементів вібраторів, що веде до їх анізотропних теплових деформацій, підвищеному зносу та відмовам. Аналогічні процеси для приймальних плит грохотів ускладнюються інтенсивним абразивним та агресивним хімічним впливом шихтових матеріалів.

Механізми бесконусних завантажувальних пристроїв доменних печей (які визнаються найбільш ефективними) мають гідравлічний привод, який значною мірою обумовлює загальний рівень надійності завантажувальних пристроїв. У свою чергу надійність гідравлічного приводу залежить від надійності основних елементів приводу, до яких відносяться гідравлічні машини (насоси і двигуни) і управляюча апаратура (розподільники, дроселі, клапани і т.д.). Характерною конструктивною рисою цих елементів є наявність у їхньому складі великої кількості прецизійних вузлів тертя, які в основному і визначають їхню надійність. Аналіз результатів іспитів і експлуатації елементів гідроприводу показує, що відмови вузлів тертя складають значну частку від загальної кількості відмов. Загальними конструктивно-технологічними особливостями більшості пар тертя є висока точність конструктивних параметрів, низька шорсткість і велика твердість робочих поверхонь, застосування спеціальних видів термообробки і фінішних методів механічної обробки, нанесення антифрикційних покрить, використання високоміцних конструкційних матеріалів, які традиційно відносять до групи важкооброблюваних. Забезпечення необхідного рівня надійності для таких відповідальних і складних елементів гідроприводів обумовлює велику трудомісткість і вартість виготовлення і ремонту елементів гідравлічного приводу. Конструктивно-технологічні особливості вузлів тертя, деталі яких виготовлені з важкооброблюваних матеріалів, істотно впливають на надійність гідравлічного приводу.

Експериментальне вивчення деталей пар тертя включало комплексні дослідження поверхонь тертя зразків деталей, виконані на трьох етапах: дослідження вихідних зразків; дослідження зразків після короткотермінових іспитів агрегатів; дослідження після експлуатації (або ресурсних довготермінових іспитів) агрегатів.

На кожному етапі проводили: візуальне вивчення зони тертя; вибір найбільш характерної зон для подальших досліджень; фотографування зони тертя і побудова фотопанорами; вимір мікротвердості зони тертя; вимір мікропрофілю поверхні в зоні тертя; спільний аналіз фотопанорам, величин мікротвердості і профілограм поверхонь; дослідження тонких структур поверхні обраної зони. Характерні результати отримані при дослідженні пари поршень-циліндр вузла нахилу диска аксіально-поршневого гідронасоса і деяких інших пар тертя. Основним процесом, який зменшує працездатність гідравлічних машин є знос (комбінація ерозійного та абразивного) поверхонь пар тертя.

Надійність машин для металургійного виробництва суттєво залежить від ефективності засобів захисту від інтенсивного теплового впливу різного походження. Механізми та елементи доменних, сталеплавильних, нагрівальних печей, ковшів, прокатних валків та інших машин і агрегатів виконують свої функції в умовах високотемпературного нагріву від розпеченого металу та інших джерел. Відомим засобом захисту від впливу тепла є застосування композиційних матеріалів з підвищеними теплостійкими властивостями для виготовлення деталей та використання теплостійких екранів. Композиційні матеріали забезпечують високий рівень працездатності елементів у агресивних середовищах з високою температурою (до 2500^оС), але мають недостатньо вивчені технологічні особливості пов'язані з анізотропією властивостей та суттєвими реологічними особливостями.

Експериментальне вивчення включало комплексні дослідження зразків, деталей та виробів, які виготовлені з композиційного матеріалу (склопластик марки СТЕФ). В наслідок експериментів встановлено закономірності поведінки композиційного матеріалу при основних видах механічних навантажень (удавлюванні, розтяганні, зрушенні, вигині та ударному навантаженні); впливу основних технологічних факторів механічної обробки (глибина, подача, швидкість різання, геометрія різального інструменту, послідовність етапів обробки тощо) на енергосилові показники та стійкість різального інструменту; впливу реологічних особливостей композиційних матеріалів на зміну геометричних параметрів виробів.

Довговічність робочих валків прокатних станів в основному обумовлюється зносостійкістю робочих поверхонь, яка досягається застосуванням високоміцних матеріалів (наприклад, легованих чавунів та сталей) та спеціальних методів зміцнення робочих поверхонь валків, що створює значні технологічні проблеми під час виготовлення валків із поверхонь валків, що створює значні технологічні проблеми під час виготовлення валків із заданими експлуатаційними властивостями.

Комплекс експериментальних досліджень із застосуванням теорії планування експериментів, відповідних іспитового обладнання і вимірювальних засобів, а також сучасних методів обробки експериментальних даних дозволив установити закономірності впливу конструктивно-технологічних особливостей елементів грохотів, прецизійних деталей і вузлів гідравлічних машин, теплостійких елементів конструкцій металургійного обладнання та робочих валків прокатних станів на зміну характеристик їхньої працездатності в процесі виготовлення й експлуатації.

Теоретичні дослідження впливу експлуатаційних, конструктивних та технологічних факторів на надійність машин для металургійного виробництва

Для ефективного застосування математичного моделювання під час дослідження та оптимізації параметрів металургійних машин їх математичні моделі повинні мати необхідний рівень відповідності оригіналам, досягнення та оцінка котрого викликає певні складнощі за умов дефіциту інформації про металургійне обладнання та обмежених ресурсів часу та коштів. Рішення проблеми відповідності машини для металургійного виробництва і її математичної моделі доцільно здійснювати за універсальною схемою із допомогою непараметричних критеріїв перевірки стохастичних гіпотез про однорідність сукупностей вихідних випадкових перемінних машини і моделі для конкретних умов дослідження машин для металургійного виробництва (Рис. 2). Основна гіпотеза, котра підлягає перевірці, полягає в припущенні, що обидві вибірки і (які є реалізаціями вихідних перемінних машини і моделі) витягнуті з однієї і тієї ж генеральної сукупності і, виходить, функції розподілу і випадкових величин і однакові.

Рис. 2 Оцінка відповідності математичної моделі та оригіналу.

(1)

(2)

Використання основних непараметричних критеріїв (Смірнова та Колмогорова) для оцінки відповідності обмежується відносно великими за обсягом вибірками (не менш 6 даних). Дещо більші можливості має критерій Вілкоксона, який застосовується для вибірок не менш 4 даних.

(3)

(4)

(5)

Для інших випадків запропоновано критерій для малих вибірок, який дозволяє диференційовано оцінювати кожний елемент вибірки.

(6)

(7)

(8)

Відповідність машини для металургійного виробництва і її математичної моделі забезпечується коректним виконанням ідеалізації, формалізації та ідентифікації при створенні моделей, а також точністю вхідних і вихідних даних (для однієї і багатьох вибірок) при використанні моделей машин для металургійного виробництва.

На основі аналізу відомих прикладів математичного моделювання машин для металургійного виробництва і металургійних процесів встановлено середні значення відносних погрішностей моделювання металургійного обладнання та процесів для етапів їх дослідження (25%), проектування (15%) та експлуатації (5%).

Створено концепцію формування вартості математичного моделювання і визначення витрат, досліджено взаємозв'язок витрат і погрішностей при застосуванні математичного моделювання під час дослідження, проектування, виготовлення і використання машин для металургійного виробництва. Вартість математичного моделювання під час створення (С₁) та використання (С₂) обумовлюється вартістю металургійної продукції (с), для виготовлення якої застосовуються машини та процеси, що моделюються:

, , (9)

Достовірність та ефективність рекомендацій щодо оцінки та забезпечення відповідності математичної моделі та оригінала апробовано на тестових задачах, у якості яких використано відомі математичні моделі машин та процесів доменного, сталеплавильного та прокатного виробництв інших авторів (наприклад, Полухіна В.П., Сургучова Г.Д., Цимбала В.П., Рожкова І.М. тощо).

Із застосуванням розроблених рекомендацій створено математичні моделі грохотів систем подачі та гідравлічного приводу механізмів завантажувальних систем доменних печей, теплозахисних елементів металургійних агрегатів, робочих валків прокатних станів, які використано для дослідження впливу конструктивно-технологічних та експлуатаційних факторів на процеси, обумовлюючі працездатність металургійного обладнання.

За допомогою математичної моделі теплових процесів в основних елементах грохота гарячого агломерату (прийомній плиті та вібраторі)

(10)

де T - температура;

- час;

x, y, z - просторові координати;

- коефіцієнт температуропроводності,

яка при прийнятих припущеннях та граничних умовах перетворюється до плоского квазістаціонарного випадку, отримано теплові поля (рис.6). Велика різниця величин та інтенсивний характер зміни температур у виділеній області підтверджують можливість виникнення анізотропних теплових деформацій деталей грохота (які мають до того ж різні коефіцієнти теплового розширення). Теплові поля при застосуванні теплових екранів з теплостійких матеріалів мають більш рівномірний характер при менших величинах температур (рис. 3).

а б

Рис. 3. Поля температур для області навколо прийомної плити короба: а - подовжній вертикальний перетин; б - подовжній вертикальний перетин при наявності теплозахисного екрану.

Таблиця.

Значення температур для області навколо прийомної плити короба.

Емпіричні нелінійні математичні моделі деформації складових композиційного матеріалу, які використовуються для оптимізації конструктивно-технологічних параметрів теплозахисних екранів елементів грохота гарячого агломерату (прийомній плити та вібратора), описують зміни геометричних параметрів деталей з композиційних матеріалів з урахуванням їх реологічних особливостей:

(11)

Процеси зниження працездатності елементів гідравлічного приводу механізмів завантажувальних систем доменних печей в наслідок зносу деталей пар тертя гідравлічних машин та апаратури описано за допомогою базової математичної моделі, яка враховує геометричні та фізико-механічні властивості поверхонь, особливості контактної взаємодії, зняття матеріалу та випадковий характер перемінних (G - математичне очікування; - середнє квадратичне відхилення величини зняття матеріалу):

, (12)

. (13)

Цю базову математичну модель використано для дослідження процесів та оптимізації конструктивно-технологічних параметрів деталей пар тертя на фінішних етапах їх виготовлення, які мають суттєву аналогію з процесами зносу під час експлуатації гідравлічного приводу металургійного обладнання.

Опис основних процесів комбінованої схеми поділу теплозахисних елементів металургійного обладнання (наприклад, теплозахисних екранів елементів грохота) здійснено за допомогою комбінованої математичної моделі, яка включає моделі руху при удавлюванні конуса (диференційне рівняння руху) та ударного (рівняння імпульсу сили) відокремлення елемента заданого розміру з урахуванням конструктивно-технологічних параметрів обладнання:

, (14)

. (15)

Для дослідження розподілу напружень () під час виготовлення прокатних валків з білих чавунів при реалізації схеми обробки з попереднім руйнуванням (швидкість руху тріщин W_z) поверхні конічним роликом застосовано математичну модель (у виді диференціального рівняння у часткових похідних)

. (16)

Для дослідження та оптимізації конструктивно-технологічних параметрів оснащення для електроіскрового зміцнення робочих поверхонь прокатних валків використано математичну модель руху електрода у виді диференціального рівняння зі змінною (в залежності від положення відносно пробійного проміжку ) правою частиною, яка описує сукупність діючих сил:

(17)

де m, , c - приведені маса, в'язкість, жорсткість рухливої частини електродної системи.

Для діагностики та оптимізації технічного рівня виробництва ремонтно-механічних цехів металургійних заводів розроблено багаторівневу ієрархічну математичну модель (К_туп), яка включає систему показників рівнів засобів виробництва (К_усп), предметів труда (К_упт) та технології виробництва (К_утп), об'єднаних за схемою лінійної згортки з відповідними ваговими коефіцієнтами ():

₍18)

; (19)

К_упт=К_мет; (20)

(21)

Окрім описаних математичних моделей, теоретичні дослідження різних видів металургійного обладнання здійснені за допомогою математичних моделей обладнання для руйнування футерівки металургійних агрегатів, калібрування інструментів станів холодної прокатки труб, обладнання для поділу труб клиновими роликами, оснащення для виготовлення прецизійних деталей та інших, а також деяких організаційних систем.

Розробка конструкторських та технологічних пропозицій для підвищення надійності машин для металургійного виробництва

На основі експериментальних і теоретичних досліджень розроблені конструктивні, технологічні та організаційні пропозиції щодо підвищення надійності грохотів систем подачі та гідравлічного приводу механізмів завантажувальних систем доменних печей, теплозахисних елементів металургійних агрегатів, робочих валків прокатних станів.

Зменшення негативних наслідків теплового впливу на елементи грохотів гарячого агломерату може бути досягнуто застосуванням теплових екранів (рис.7) з теплостійких матеріалів (наприклад, з композиційних матеріалів типу вугілляпластиків або склопластиків). Композиційні матеріали цього виду забезпечують високий рівень працездатності елементів у агресивних середовищах з високою температурою (до 2500^оС).

Підвищення надійності елементів гідравлічного приводу механізмів завантажувальних систем доменних печей забезпечується при комбінованому застосуванні конструктивних (рис.8) та технологічних (рис.9) заходів. Конструктивні заходи спрямовано на зменшення інтенсивності процесів зниження працездатності основних елементів гідравлічних машин за рахунок вирівнювання тиску під час робочих процесів у гідравлічних машинах та підвищення їх ремонтопридатності. Технологічні заходи забезпечують стабільне отримання експлуатаційних характеристик основних елементів гідравлічних машин за рахунок застосування технологічного оснащення та оптимальних процесів виготовлення.

Для підвищення ремонтопридатності металургійного обладнання з теплостійкими елементами запропоновано обладнання для утилізації теплозахисних пластин з композиційних матеріалів (рис.8) за рахунок комбінованої схеми поділу, яка включає попереднє ослаблення за схемою прокатки через валки з конусами та послідуючому ударному відокремленню елемента потрібного розміру.

Підвищення зносостійкості робочих валків прокатних станів здійснюється електроіскровим зміцненням робочих поверхонь з застосуванням ефективного технологічного оснащення для обробки циліндричних та фасонних поверхонь.

Додатковим резервом підвищення надійності металургійного обладнання є організаційні системи (діагностики та прогнозування технічного рівня виробництва ремонтно-механічних цехів металургійних заводів; раціональної організації дослідження, проектування, виготовлення та експлуатації металургійного обладнання; підготовки висококваліфікованого персоналу для дослідження, проектування, виготовлення та експлуатації металургійного обладнання).

Оптимізація конструктивних та технологічних факторів, які визначають надійність елементів машин для металургійного виробництва

Для реалізації конструктивних, технологічних та організаційних пропозицій щодо підвищення надійності грохотів систем подачі та гідравлічного приводу механізмів завантажувальних систем доменних печей, теплозахисних елементів металургійних агрегатів, робочих валків прокатних станів сформульовано та вирішено задачі оптимізації їх конструктивно-технологічних параметрів за допомогою варіанту градієнтного метода, який базується на імітаційних експериментах з математичними моделями, відповідність яких машинам доведено раніше.

Ефективність захисту основних елементів грохота от неоднорідного теплового впливу обумовлюється працездатністю теплостійких екранів із композиційного матеріалу, яка залежить від однорідності деформації складових композита ( - критерій оптимізації) з урахуванням реологічних особливостей їх деформації та технологічних обмежень на точність, знос інструмента, час обробки, якість поверхні:

; (22)

; ; ; ; , (23)

В результаті рішення задачі визначена оптимальна технологія обробки теплозахисних композиційних екранів.

Оптимальні конструктивно-технологічні параметри пар тертя гідравлічних машин та апаратури гідравлічного приводу механізмів завантажувальних систем доменних печей визначено в наслідок рішення задачі оптимізації по критерію мінімального сумарного зносу з відповідними обмеженнями за допомогою базової математичної моделі контактної взаємодії поверхонь:

(24)

Базова математична модель контактної взаємодії поверхонь використана для рішення задачі оптимізації технологічних параметрів фінішної обробки деталей гідравлічних машин та апаратури гідравлічного приводу механізмів завантажувальних систем доменних печей за критерієм максимального зняття матеріалу з обмеженнями на знос інструмента та якість прецизійних поверхонь

(25)

L 0,2 мкм; Ra 0,32 мкм (інструмент); Ra 0,08 мкм (площина);

Ra 0,16 мкм (циліндр.).

Оптимізація конструктивно-технологічних параметрів обладнання та процесу утилізації теплозахисних елементів металургійного обладнання із композиційних матеріалів за критерієм мінімуму витрат енергії (мінімуму імпульсу сили поділу) здійснено при обмеженні на величину переміщення відокремлюваного елемента:

Ро·tи min, (26) x (t) tпл,