Оцінка можливих пошкоджень деталей металургійних машин при конструюванні і технічному обслуговуванні

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 669.02/.09 + 621.77.06 : 67.019 : 004.942

ОЦІНКА МОЖЛИВИХ ПОШКОДЖЕНЬ ДЕТАЛЕЙ МЕТАЛУРГІЙНИХ МАШИН ПРИ КОНСТРУЮВАННІ І ТЕХНІЧНОМУ ОБСЛУГОВУВАННІ

Спеціальність: 05.05.08. - “Машини для металургійного виробництва”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

РУЧКО ВЛАДИСЛАВ МИКОЛАЙОВИЧ

Донецьк 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донецькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник кандидат технічних наук, доцент ЧЕНЦОВ Микола Олександрович, Донецький національний технічний університет (м. Донецьк), доцент кафедри “Механічне обладнання заводів чорної металургії”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор СУГЛОБОВ Володимир Васильович, Приазовський державний технічний університет (м. Маріуполь), завідувач кафедри “Підіймально-транспортні машини і деталі машин”;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник МАХНИЦЬКИЙ Ігор Григорович, Національна металургійна академія України (м. Дніпропетровськ), доцент кафедри “Машини і агрегати металургійного виробництва”.

Провідна установа

Донбаська державна машинобудівна академія Міністерства освіти і науки України, кафедра “Автоматизовані металургійні машини і обладнання”, м. Краматорськ.

Захист відбудеться “22” червня 2006 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.052.01 в Донецькому національному технічному університеті (83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, I навчальний корпус, малий актовий зал).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донецького національного технічного університету (83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, II навчальний корпус).

Автореферат розісланий “19” травня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 11.052.01,

доктор технічних наук, професор О.В.Яковченко

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Подальше підвищення ефективності металургійного виробництва вимагає використання сучасних машин, що мають високі показники безвідмовності. Одиничність і унікальність більшості металургійних машин викликає необхідність застосування спеціальних методів і підходів до їх конструювання і технічного обслуговування, використання яких направлене на підтримку заданого рівня безвідмовності. Рішення цієї задачі дозволяє знизити матеріальні, трудові і часові витрати ремонтних служб, пов'язані з підготовкою і виконанням ремонтів.

Безвідмовна робота металургійних машин забезпечується своєчасним проведенням оглядів і технічного обслуговування деталей, що є складовими елементами вузлів і механізмів. Найбільшого поширення набула система планово-запобіжних ремонтів (ПЗР), заснована на ремонтах машин, деталі яких не досягли граничного технічного стану і не повністю вичерпали ресурс. Останнім часом, для оцінки поточного технічного стану (об'єму пошкоджень) деталей металургійних машин, застосовують дорогі методи технічного діагностування і неруйнуючого контролю. Відомі розрахункові методи оцінки пошкодження, які не враховують унікальність і одиничність машин і механізмів, що експлуатуються в металургійному виробництві, трудомісткі і мають низьку точність. Перераховані вище недоліки обмежують область застосування даних методів при обґрунтуванні дати проведення ремонту деталі, яка забезпечує максимальне використання її ресурсу при заданому рівні безвідмовності.

З вищевикладеного витікає необхідність вдосконалення розрахункових методів шляхом розробки математичної моделі оцінки можливих пошкоджень, що поступово накопичуються в невідновлюваній деталі машини або механізму (далі - математична модель оцінки пошкодження), в якій враховується характер її навантаження в рамках одного технологічного циклу і дані про виробничу програму. Математична модель оцінки пошкодження, що розробляється, повинна враховувати тип деталі, її розміри і механічні властивості матеріалу з метою вдосконалення методів забезпечення заданого ресурсу при конструюванні і обґрунтування дати технічного обслуговування під час експлуатації. Таким чином, подальший розвиток науково-методичних основ конструювання і технічного обслуговування деталей металургійних машин дозволить підтримувати необхідний рівень безвідмовності при експлуатації, що підкреслює актуальність рішення задачі, представленої в даній дисертаційній роботі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до планів науково-дослідних робіт кафедр: “Механічне обладнання заводів чорної металургії” - Г-14-95 “Розробка і впровадження теоретичних основ побудови експертно-діагностичних систем, що підвищують надійність металургійних машин” (№ГР 0195U009193) і Н-16-99 “Розробка методів проектування і технічного обслуговування металургійного обладнання”; “Обробка металів тиском” - Н-8-03 “Узагальнення і подальший розвиток теоретичних основ ресурсозберігаючих технологій виробництва листового, сортового прокату і залізничних коліс”, (№ГР 0103U002203) Донецького національного технічного університету (ДонНТУ), в яких здобувач брав безпосередню участь, як виконавець, а також відповідно до регіональної програми “Донбас - 2020: Наука і техніка - виробництву”.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є підтримка заданого рівня безвідмовності металургійних машин, що відносяться до допоміжного обладнання, за рахунок розробки математичної моделі оцінки пошкоджень, що поступово накопичуються в невідновлюваних деталях, і вдосконалення методів забезпечення заданого ресурсу при конструюванні і обґрунтування дати технічного обслуговування під час експлуатації.

Для досягнення цієї мети сформульовані наступні задачі:

- виконати аналіз існуючих моделей і методів, що застосовуються для оцінки можливих пошкоджень деталей металургійних машин, для розвитку теоретичних основ їх підсумовування і розширення класифікації факторів, що враховують особливості навантаження деталей в рамках технологічного циклу;

- розробити математичну модель оцінки пошкодження, в якій враховується характер навантаження деталі в рамках одного технологічного циклу, її розміри, міцностні властивості матеріалу і дані про виробничу програму, що реалізовується на досліджуваній металургійній машині;

- удосконалити з використанням математичної моделі оцінки пошкодження, методи забезпечення заданого ресурсу деталі при конструюванні і обґрунтування дати проведення технічного обслуговування під час експлуатації;

- реалізувати розроблену модель і вдосконалені методи у вигляді комп'ютерних програм і методичних вказівок до їх застосування, необхідних для впровадження і використання на металургійних і машинобудівних підприємствах.

Об'єкт дослідження. Невідновлювані деталі, які поступово накопичують пошкодження, що приводять до відмов металургійних машин, які відносяться до допоміжного обладнання.

Предмет дослідження. Математична модель оцінки пошкодження деталей, методи забезпечення заданого ресурсу при конструюванні і обґрунтування дати технічного обслуговування під час експлуатації.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження базувалися на методах теорій: міцності; тертя і зношування; надійності машин і механізмів; проектування машин. Вони містять: статистичну обробку даних, механіку руйнування, технічне діагностування і неруйнуючий контроль, розрахунки на міцність і зносостійкість, аналіз кінематичної структури механізму, планування ремонтів. Рішення задачі розробки конструкції нової металургійної машини було виконане з використанням елементів теорії міцності, яка включає методи аналізу динаміки машини, теорії проектування машин, розрахунку геометричних параметрів і вибір матеріалу з необхідними механічними властивостями. Експериментальні дослідження включали проведення активного експерименту по вивченню процесу накопичення пошкоджень в різних типах досліджуваних деталей (валах, підшипниках ковзання (ПКв), підшипниках кочення (ПКч)) на лабораторному стенді, методи технічного діагностування стану і вимірювання розмірів, розрахункову оцінку можливих пошкоджень.

Наукова новизна отриманих результатів

1. Отримала подальший розвиток класифікація факторів, використовуваних при оцінці можливих пошкоджень деталей металургійних машин шляхом її доповнення новою групою, що визначає функціональні особливості деталей, елементи якої дозволяють врахувати характер їх навантаження в рамках технологічного циклу.

2. Вперше розроблена математична модель оцінки пошкодження деталі, яка разом з її конструктивними особливостями, розмірами і механічними властивостями матеріалу, враховує характер зміни в рамках одного технологічного циклу навантаження, що діє на деталь, яке представляється даними про виробничу програму, що реалізується на досліджуваній металургійній машині.

3. Вдосконалені методи забезпечення заданого ресурсу деталей при конструюванні і обґрунтування дати проведення технічного обслуговування під час експлуатації за рахунок врахування оцінки можливих пошкоджень, що дозволяє підтримувати необхідний рівень безвідмовності металургійних машин. металургійний деталь навантаження технологічний

4. Вперше отримані залежності, що дозволяють побудувати теоретичну криву навантаження ролика задавача, в рамках одного технологічного циклу задавання заготівки у валки прокатної кліті, яка використовується в математичній моделі оцінки пошкодження деталі при конструюванні нової металургійної машини.

Обгрунтування і достовірність отриманих наукових результатів. Отримані основні положення дисертації, що складають наукову новизну, сформульовані висновки і рекомендації науково обґрунтовані із залученням математичних методів і засобів експериментальних досліджень. Виконані дослідження по оцінці пошкодження деталей на лабораторному стенді і невідновлюваних деталей металургійних машин проведені за допомогою сучасного математичного апарату. Достовірність розрахункових значень оцінок можливих пошкоджень і отриманих на їх підставі ресурсів деталей доведена шляхом їх порівняння з результатами аналізу фактичних термінів ремонту і даних про міжремонтні періоди досліджуваних металургійних машин. Порівняння виконане на підставі літературних джерел і інформації, отриманої з цехових агрегатних журналів, з використанням методів статистичної обробки даних. Висновки щодо можливості застосування розробленої математичної моделі оцінки пошкодження, стосовно деталей металургійних машин, підтверджені шляхом порівняння даних експериментальних досліджень на лабораторному стенді і розрахункових значень пошкоджень, визначених з використанням ЕОМ.

Наукове значення отриманих результатів. Наукове значення роботи полягає в розвитку методів підтримання безвідмовності металургійних машин на стадіях конструювання і експлуатації шляхом розвитку підходів до оцінки можливих пошкоджень деталей з урахуванням характеру їх навантаження в рамках одного технологічного циклу і даних про виробничу програму, що реалізується.

Отримало подальший розвиток уявлення про фактори, що впливають на процес поступового накопичення пошкодження в деталях металургійних машин. Зокрема, виділена нова група факторів, що характеризують функціональні особливості експлуатації деталі, і описані її елементи.

З урахуванням даних про виробничу програму, які не використовуються в даний час при вирішенні аналогічних задач, обґрунтована можливість отримання чисельної оцінки пошкодження деталі. Це дозволяє удосконалювати методи вирішення конструкторських і експлуатаційних задач.

Виконано дослідження особливостей навантаження елементів нової сконструйованої машини - задавача металу, з метою отримання залежностей і побудови теоретичної кривої навантаження його деталей. Представлена методика досліджень, направлена на отримання кривої навантаження, може бути застосовна при конструюванні інших металургійних машин.

Практичне значення отриманих результатів. Практичну цінність виконаного дослідження представляють наступні його основні результати:

- програмне забезпечення, яке реалізовує математичну модель оцінки пошкодження невідновлюваних деталей металургійних машин, що відносяться до допоміжного обладнання, в якому враховується його конструктивні особливості, розміри і механічні властивості матеріалу, а також характер зміни в рамках одного технологічного циклу навантаження, що діє на деталь, представленого даними про виробничу програму, яка реалізується на досліджуваній металургійній машині;

- програмне забезпечення, яке реалізовує метод забезпечення заданого ресурсу деталей при конструюванні, котре дозволяє здійснити вибір раціональних параметрів, що знижує їх матеріаломісткість і дає можливість проведення технічного обслуговування відповідно до прийнятого міжремонтного періоду;

- програмне забезпечення, яке реалізовує метод обґрунтування дати технічного обслуговування деталей під час експлуатації, котре дозволяє обґрунтовано підійти до вибору дати найближчого планового ремонту, що забезпечить зниження витрат на його здійснення і повніше використання ресурсу деталей при підтримці заданого рівня безвідмовності.

Результати дисертаційної роботи у вигляді програмного забезпечення, методичних вказівок, практичних рекомендацій, технічній документації до конструювання і розрахунку геометричних параметрів деталей задавача металу у вали прокатної кліті, стосовно БЗС 850-610-550 ВАТ “Єнакіївський металургійний завод”, передані для використання на ЗАТ “Ново-Краматорський машинобудівний завод ” (м. Краматорськ). Очікуваний річний економічний ефект склав 46 965 грн.

Результати дисертаційної роботи у вигляді програмного забезпечення, методичних вказівок і практичних рекомендацій до обґрунтування дати технічного обслуговування елементів ножиць з паралельними ножами передані для використання в обтисковому цеху ЗАТ “ММЗ “ІСТІЛ (Україна)” (м. Донецьк). Очікуваний економічний ефект на один капітальний ремонт склав 79 579 грн.

Результати дисертаційної роботи у вигляді програмних продуктів і практичних рекомендацій по конструюванню і розрахунку технологічних і енергосилових параметрів металургійних машин використовуються на кафедрах МОЗЧМ і ОМТ ДонНТУ. Даний матеріал застосовується в рамках викладання спеціальних дисциплін і при виконанні курсових, дипломних проектів і магістерських робіт студентами спеціальностей 8.090218 “Металургійне обладнання” і 7.090404 “Обробка металів тиском”.

Особистий внесок здобувача. Основні ідеї роботи, а також методики теоретичних і експериментальних досліджень належать авторові. Результати досліджень, виконаних спільно з працівниками ДонНТУ, опубліковані із співавторами. Конкретний особистий внесок претендента в цих роботах представлений у вигляді коротких анотацій після вказівки їх номерів в списку опублікованих робіт по темі дисертації.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи освітлені і обговорені на III-ій Міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні проблеми машинобудування і технічний прогрес” (м. Севастополь, 1996 р.); науково-технічній конференції молодих фахівців “Азовсталь-98” (м. Маріуполь, 1998 р.); міжнародній науково-технічній конференції “20-річниця Старооськольської філії МІСіС” (м. Старий Оскол, 1999 р.); міжнародній конференції "Оцінка і обґрунтування продовження ресурсу елементів конструкцій" (м. Київ, 2000 р.); науково-практичній конференції “Донбас-2020: Наука і техніка-виробництву” (м. Донецьк, 2002 р.); 6-ій міжнародній практичній конференції-виставці "Технологія ремонту, відновлення, зміцнення і оновлення машин, механізмів, обладнання і металоконструкцій" (м. Санкт-Петербург, 2004 р.); II-ому міжнародному молодіжному форумі “Інформаційні технології в XXI столітті” (м. Дніпропетровськ, 2004 р.); II-ій міжнародній науково-технічній конференції "Вібрація машин: Вимірювання, зниження, захист" (м. Донецьк, 2004 р.); міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми механіки гірничо-металургійного комплексу” (м. Дніпропетровськ, 2004 р.); XII-ій міжнародній конференції ”Сучасні методи і засоби неруйнуючого контролю і технічної діагностики” (м. Ялта, 2004 р.); XLIII-ій міжнародній конференції "Актуальні проблеми міцності" (м. Вітебськ, 2004 р.), XV-тих Петербурзьких читаннях з проблем міцності, присвячених 100-річчу з дня народження академіка С.М.Журкова, (м. Санкт-Петербург, 2005 р.), на наукових семінарах кафедр: ПТМ і ДМ та МОЗЧМ (ПДТУ, м. Маріуполь), МіАМВ (НметАУ, м. Дніпропетровськ), АММ і О (ДДМА, м. Краматорськ), МОЗЧМ та ОМТ (ДонНТУ, м. Донецьк).

Публікації. По темі дисертаційної роботи опубліковано 39 праць. Основні положення дисертації викладені в 12 наукових роботах. З них, 8 статей в збірках наукових праць і 1 стаття в науковому журналі, рекомендованих ВАК України, 2 статті в збірках праць конференцій. Отриманий патент України на корисну модель.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел, що включає 212 найменувань на 20 сторінках, а також 29 додатків на 175 сторінках. Повний обсяг дисертації 375 сторінок, загальний обсяг дисертації 180 сторінок, включаючи 34 рисунка (зокрема 27 на окремих сторінках) і 26 таблиць (зокрема 10 на окремих сторінках).

Основний зміст роботи

У розділі 1 “АНАЛІЗ СТАНУ ПРОБЛЕМИ І ПОСТАНОВКА ЗАВДАННЯ ДОСЛІДЖЕННЯ” міститься огляд робіт, присвячених ролі і місцю математичних моделей пошкодження в забезпеченні надійності промислового обладнання, аналізу існуючих методів, підходів і залежностей до оцінки пошкоджень різних деталей металургійних машин з урахуванням впливу особливостей конструювання і експлуатації.

Аналіз ролі і місця моделей пошкодження в забезпеченні надійності металургійних машин показав, що чисельна оцінка пошкоджень деталей є відправною точкою у вирішенні багатьох задач дослідницького, технологічного і техніко-економічного напряму. Їх рішення дозволяє підтримувати заданий рівень безвідмовності деталей і забезпечувати безперервність технологічного процесу, що дає можливість підвищити техніко-економічні показники виробництва.

Існуючі моделі оцінки пошкодження деталей металургійних машин розроблялися з використанням великої кількості методів і підходів, що мають різні теоретичні основи і базуються на різноманітних вихідних даних. При цьому кожна з моделей призначена тільки для деталей одного типу. Дослідження по розробці і використанню моделей оцінки пошкоджень проводилися вітчизняними і зарубіжними вченими: А.І.Бергом, І.О.Біргером, В.В.Болотіним, М.Г.Бруевичем, В.Вейбуллом, І.Б.Герцбахом, Б.В.Гнеденко, Ю.М.Дроздовим, Г.В.Дружиніним, В.П.Когаєвим, Д.Коксом, Дж.Коллінзом, Х.Б.Кордонським, Д.Ллойдом, М.О.Махутовим, О.С.Проніковим, Д.М.Решетовим, С.В.Серенсеном, Б.С.Сотсковим, Б.Флехінгером, Я.Б.Шором та іншими.

В результаті проведеного аналізу встановлено, що при вирішенні задач конструювання металургійних машин найбільшого поширення набули математичні моделі оцінки пошкодження деталей, в яких використані напівемпіричні залежності для визначення їх ресурсу. Вид таких залежностей визначається типом деталі (вал, підшипник, ін.), а їх параметри обумовлені використовуваним підходом до врухування сил, що діють на деталь під час її експлуатації. Проте відомі моделі не враховують характер зміни навантаження в рамках одного технологічного циклу роботи металургійної машини і параметрів, які визначають особливості вироблюваної продукції, що знижує їх точність.

Усунення цих недоліків вимагає від фахівців розробки нових моделей оцінки пошкоджень, а також удосконалення методів забезпечення заданих ресурсів при конструюванні і обґрунтування дати проведення технічного обслуговування під час експлуатації, які б враховували унікальність і одиничність кожної металургійної машини.

Велику наукову і практичну цінність мають наукові роботи, які базуються на розроблених методиках і промислових дослідженнях, що виконані провідними фахівцями в області механіки пошкодження і надійності металургійних машин, серед них доктори технічних наук: В.І.Большаков, В.М.Гребеник, В.Я.Седуш, Г.В.Сопілкін, В.К.Цапко, В.Д.Плахтін, В.О.Гордієнко, В.В.Суглобов, А.О.Іщенко, В.М.Кравченко і кандидати технічних наук: М.О.Ченцов, І.Г.Махницький, В.А.Сидоров, О.М.Маковський, О.В.Ошовська.

Аналіз особливостей побудови математичних моделей оцінки пошкоджень різних деталей металургійних машин дозволив встановити наступні шляхи їх вдосконалення:

- врахування характеру прикладання навантаження до деталей в рамках одного технологічного циклу роботи металургійної машини;

- виявлення функціональних особливостей машини, що впливають на характер зміни навантаження в рамках одного технологічного циклу;

- врахування навантажень, що діють на деталь, через дані про виробничу програму, яка реалізовується на досліджуваній металургійній машині протягом деякого періоду часу.

У розділі 2 “МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ ОЦІНКИ ПОШКОДЖЕННЯ ДЕТАЛІ МЕТАЛУРГІЙНОЇ МАШИНИ” вперше розроблена математична модель оцінки пошкодження невідновлюваної деталі металургійної машини, що відноситься до допоміжного обладнання, яка враховує характер її навантаження в рамках одного технологічного циклу і використовує дані про виробничу програму. Вказані особливості дозволяють застосувати розроблені в моделі положення при вирішенні науково-виробничих задач, що виникають при конструюванні і технічному обслуговуванні металургійних машин.

Наявність у вузлах і механізмах металургійних машин різних деталей вимагало при розробці математичній моделі оцінки пошкодження забезпечити можливість використання одиниці вимірювання ресурсу (рис. 1), який визначається типом деталі.

Розглядаючи один з можливих типів силової дії на деталь, представлений у вигляді кривої зміни навантаження Q(о), в рамках технологічного циклу тривалістю о_ц виділено два інтервали навантажень. У межах першого інтервалу навантаження Q(о)<Q_нак пошкодження практично відсутні. На другому інтервалі навантаження Q(о)?Q_нак, якому відповідає період о_ш, обмежений моментами початку О_a і закінчення О_b, відбувається накопичення пошкоджень. Період о_ш розбитий на p_пр рівних інтервалів. Кожному інтервалу p=1…p_пр відповідає використана частина ресурсу деталі о_p і середнє значення навантаження Q_p, що діє на деталь. Для цього навантаження, використовуючи традиційні методи конструювання металургійних машин, розрахований ресурс деталі о_д.р. Відносна оцінка пошкодження деталі на інтервалі p складе ш_p=о_p/о_д.р., і може лежати в межах 0 < ш_p ? 1. Підсумовування значень відносних оцінок пошкодження деталі на кожному інтервалі p, дає оцінку пошкодження деталі ш(о_ш) за один технологічний цикл

. (1)

В умовах реального виробництва значення оцінки пошкодження за один технологічний цикл незначне, а характер силової дії на деталь визначається особливостями виробленої продукції на машині, що досліджується. Для обліку цих особливостей в роботі використовувана нормована оцінка ш_s, що відповідає пошкодженню деталі при виробництві 1000 т продукції s-типу. Тоді, нормоване значення оцінки пошкодження ш_s, визначиться як

, (2)

де ш(о_{ш. s}) - оцінка пошкодження деталі за один технологічний цикл від дії навантаження, визначеного виробленою продукцією s-типу; M_s - кількість технологічних циклів, що впливали на деталь при виробництві 1000 т продукції s-типу.

Використовуючи нормовані значення оцінок пошкодження ш_s і дані виробничої програми, що відповідає інтервалу часу t та включає s=1…k типів продукції об'ємами П_s(t), отримана математична модель оцінки пошкодження деталі ш(t)

. (3)

В рамках дисертаційної роботи представлені підходи до визначення значень о_p та о_д.р. для випадків найбільш поширених деталей металургійних машин (валів, ПКв, ПКч та пружин стиснення).

Вдосконалено метод забезпечення заданого ресурсу деталей при конструюванні металургійних машин на підставі положень розробленої математичної моделі (3) для оцінки пошкодження ш(t) деталі.

Запропоновано при конструюванні вузла металургійної машини, що складається з n деталей, спочатку виконувати оцінку пошкодження прийнятої деталі-еталону (стандартній деталі, наприклад, ПКч). На основі даних про середньорічну виробничу програму визначено значення оцінки пошкодження деталі-еталону ш_e. У випадку, якщо деталь-еталон має ресурс менше 1 року, значення оцінки її пошкодження за рік може перевищувати встановлені межі, тобто ш_e > 1. При цьому розрахункове значення ресурсу о_р.е деталі-еталону складе

. (4)

На підставі значення о_р.е приймають заданий ресурс деталі-еталону о_.е (о_.е < о_р.е), який узгоджений з періодичністю ремонтів конструйованої машини.

Заданий ресурс i-тої деталі о_i повинен задовольняти умові

, (5)

де k_о - коефіцієнт співвідношення ресурсів деталей вузла, який, згідно з існуючими нормативними даними на проведення технічного обслуговування металургійних машин, може, за розсудом конструктора, приймати значення k_о = 1/12; 1/6; 1/4; 1/3; 1/2; 1; 2; 4; 5; 10; 20 ; k_З - коефіцієнт, що враховує запас ресурсу щоб уникнути виникнення аварійної відмови під час експлуатації конструйованої деталі вузла, приймає, згідно інженерним розрахункам, значення k_З = 1,15.

Відповідно значення заданого ресурсу i-тої деталі вузла о_i металургійної машини, з використанням положень розробленої математичної моделі оцінки пошкодження, виконують її конструювання, яке включає облік конструктивних особливостей, розрахунок розмірів і вибір матеріалу з необхідними механічними характеристиками.

Вдосконалений метод обґрунтування дати технічного обслуговування деталей під час експлуатації, що враховує дані про реалізовану і плановану виробничу програму, в основу якого покладена розроблена математична модель (3) для оцінки пошкодження ш(t) деталі.

В рамках методу, задається значення періоду експлуатації t_екс, визначають відповідний йому обсяг виробничої програми і розраховують оцінку пошкодження ш(t_екс) досліджуваної деталі, з використанням положень розробленої математичної моделі. Для обґрунтування дати технічного обслуговування T_обс прийнято, що значення отриманої оцінки пошкодження ш(t_екс) повинне лежати в межах:

., (6)

де ш_{нижн гр} та ш_{верх. гр} - прийняті значення оцінок пошкодження деталі, що відповідають нижній і верхній границям області граничних значень, подальша експлуатація при перевищенні якої, не дозволяє підтримувати заданий рівень безвідмовності.

Дату, коли виконується умова: ш(t_екс) = ш_{нижн гр} = 0,9, приймають нижньою границею обґрунтованої дати технічного обслуговування T_{нижн. обс.}. Дату, що відповідає виконанню умови: ш(t_экс) = ш_{верх гр} = 0,95, приймають верхньою границею обґрунтованої дати технічного обслуговування T_{нижн. обс.}. І, нарешті, дату, що відповідає виконанню умови: ш(t_екс) = 1, приймають датою аварійної відмови T_ав..

Обґрунтованою датою технічного обслуговування деталі T_обс, вважають дату найближчого планового ремонту машини T_Р.i, при виконанні умови

.(7)

Від дати T_оцн, на яку проводиться оцінка пошкодження, до дати найближчого технічного обслуговування T_Р.i залишається інтервал часу t_Т.О., що визначається як

. (8)

Оцінка пошкодження деталі ш[T_обс] на момент часу, що відповідає обґрунтованій даті технічного обслуговування T_обс, з урахуванням планованої на інтервалі t_Т.О. виробничої програми, розраховується як:

. (9)

У розділі 3 “АПРОБАЦІЯ МОДЕЛІ ОЦІНКИ ПОШКОДЖЕНЬ ДЕТАЛІ В ЛАБОРАТОРНИХ УМОВАХ” приведені методика і результати експериментального і теоретичного дослідження процесу накопичення пошкоджень в різних деталях.

Розроблена конструкція лабораторного стенду на базі двохопорного валу, деталі якого (ПКв, ПКч, вал) послідовно протягом експерименту піддавали змінному навантаженню, яке приводило до накопичення пошкоджень. Навантаження деталей змінювали в процесі експерименту, подібно до зміни навантажень на деталі реальних металургійних машин під час їх експлуатації.

В рамках лабораторного експерименту проведено дослідження пошкоджень 5-ти пар ПКв, 4-х пар ПКч і 12-ти валів. При проведенні експериментів дослідження процесу пошкодження і розрахунок оцінки пошкоджень проводили окремо, для втулок ПКв і ПКч - з приводного і холостого боку, а для валів розрахунок оцінки пошкоджень виконували окремо за фактичним і усередненим значеннями.

Набутих значень відносних помилок експериментальних і розрахункових оцінок пошкодження деталей склали: для втулок ПКв 9,56%<_вт<12,18%; для ПКч 3,58%<_пкч<8,11%; для валів по фактичним 4%<_{вал ф} <9%, і усередненим 0%<_{вал у}<23% дослідним даним. Розраховані значення довірчих інтервалів відносних помилок дозволяють стверджувати, що експерименти проведені без грубих помилок і доводять їх однорідність. Значення розмаху відносних помилок оцінки пошкодження дозволяють стверджувати про хорошу збіжність розрахункових і експериментальних даних, високу точність проведених вимірювань і необхідність використання фактичних дослідних даних при оцінці пошкодження кожної деталі. Набуте значення коефіцієнта парної кореляції r = 0,98, доводить адекватність моделі, стосовно досліджених деталей.

У розділі 4 “ВИКОРИСТАННЯ МАТЕМАТИЧНОЇ МОДЕЛІ ОЦІНКИ ПОШКОДЖЕННЯ ДЕТАЛІ ПРИ КОНСТРУЮВАННІ І ТЕХНІЧНОМУ ОБСЛУГОВУВАННІ МЕТАЛУРГІЙНИХ МАШИН” обґрунтована можливість використання вдосконалених методів забезпечення заданого ресурсу при конструюванні і обґрунтуванні дати проведення технічного обслуговування під час експлуатації деталей металургійних машин на підставі положень розробленої математичної моделі оцінки їх пошкодження.

Використання вдосконаленого методу забезпечення заданого ресурсу деталей при конструюванні показане на прикладі сконструйованої нової металургійної машини - задавача металу (далі - задавача), який вимагав вивчення характеру силової взаємодії металу з його деталями.

При вирішенні цієї задачі виконано аналіз теоретичних основ примусового завдання металу у валки прокатної кліті, на підставі якого досліджені особливості взаємодії заготівки з деталями задавача при її завданні у валки прокатної кліті. В результаті виконаного аналізу, вперше отримано залежності для розрахунку силових параметрів взаємодії деталей задавача із заготівкою, на підставі яких, встановлений теоретичний вид кривої навантаження його ролика в рамках одного технологічного циклу.

На підставі дослідження можливого подовжньо-поперечного вигину заготівки при завданні її у валки прокатної кліті визначені відстані (L₁=2,3 м та L₂=1,2 м) розташування роликів задавача відносно робочого рольганга і валків прокатної кліті стосовно БЗС 850-610-550 ВАТ “ЄМЗ”. Отримана поліноміальна залежність, що зв'язує критичну силу N_КР втрати стійкості заготівки з параметрами L₁ та L₂

, (10)

де ж₁,…, ж₁₀ - константи поліноміальної залежності: ж₁ = 2,6201*10⁸; ж₂ = -1,8824*10⁸; ж₃ = 3,77063*10⁸; ж₄ = 5,36543*10⁷; ж₅ = -1,0988*10⁸; ж₆ = -1,2477*10⁸; ж₇ = -4,6311*10⁸; ж₈ = -8,2644*10⁷; ж₉ = 7,79828*10⁷; ж₁₀ = -1,5*10⁶.

На підставі аналізу досліджуваного процесу складена схема сил, що діють на заготівку у момент завдання її у валки прокатної кліті (рис. 2).

Дослідивши схему сил, що діють на заготівку, отримали залежність для визначення необхідної сили притиснення N₂ ролика задавача до заготівки

, (11)

де G₃ - сила тяжіння заготівки; g - прискорення вільного падіння; a₃ - задане прискорення заготівки, при завданні її у вали прокатної кліті; F_задав - необхідна сила завдання заготівки у валки; R₁ - радіус ролика робочого рольганга; R₂ - радіус ролика задавача; f₁, f₂, f₃, - коефіцієнт тертя ковзання, відповідно, між заготівкою і роликами рольганга, заготівкою і роликами задавача, заготівкою і ввідною проводкою; k₁, k₂ - коефіцієнт тертя кочення, відповідно, між заготівкою і роликами рольганга, заготівкою і роликами задавача; k₃ - коефіцієнт, який враховує силу тяжіння заготівки, що доводиться на проводку.

Дослідивши особливості пружної взаємодії ролика задавача (циліндра) і заготівки (площини), на підставі формули Герца, отримали залежність для визначення коефіцієнта тертя кочення k₂ між роликом задавача і гарячою заготівкою, що входить в залежність (11).

Для опису особливості динамічної взаємодії заготівки з роликами, отримали аналітичний вираз для визначення коефіцієнта динамічності k_дин системи “ролик - пружинні амортизатори”

, (12)

де J₂ - момент інерції ролика задавача щодо осі обертання; v₂ - післяударна швидкість руху ролика задавача, який переміщається у момент удару в напрямних; l₂ - відстань між опорами ролика; б₂ - коефіцієнт, що враховує ступінчастість ролика задавача; Q₂ - сила тяжіння ролика задавача; k_прив - коефіцієнт приведення швидкості ролика до швидкості заготівки; в_пруж и г_пруж - характеристичні коефіцієнти пружинних опор.

Стосовно умов БЗС 850-610-550 ВАТ “ЄМЗ” отримали значення необхідної сили притиснення ролика задавача до заготівки N₂ = 12 кН, коефіцієнта тертя кочення між роликом задавача і заготівкою k₂ = 0,522 мм і коефіцієнта динамічності системи “ролик-пружні амортизатори” k_дин = 2,5.

На підставі проведених теоретичних досліджень по вивченню коливального руху ролика задавача, що виникає при подальших зіткненнях із заготівкою в процесі руху її до валків прокатного стана, уточнені рівняння, що описують переміщення і швидкість центру мас ролика між ударами

; (13)

(14)

,

де y₀ - координата центру мас ролика в перший і подальші моменти часу ф зіткнення заготівки з роликом задавача; v₀ - швидкість центру мас ролика в перший і подальші моменти часу ф зіткнення заготівки з роликом задавача; л₀ - зміщення початку координат, при ненапруженій пружині; k* - кругова частота коливань ролика; n* - коефіцієнт загасання коливань ролика.

На підставі залежностей (11) - (14) побудована теоретична крива зміни сили, що діє на ролик задавача N_рол залежно від кута його повороту ц_рол при завданні заготівки у валки прокатної кліті (рис. 3). Вона складається з двох складових: динамічної взаємодії N_дин і сили притиснення N₂.

Використання залежностей (11) - (14) при конструюванні задавача дозволяє, змінюючи дискретні значення конструктивних особливостей, розмірів і механічних властивостей матеріалу деталей, забезпечити їх заданий розрахунковий ресурс. Згідно прийнятої в роботі схеми міжремонтних періодів деталей задавача (4: 4: 1: 1), відповідній схемі міжремонтних періодів машини, розташованої в одній технологічній лінії (робочого рольганга), отримані наступні їх основні параметри: підшипники опор - № 3128, d_підш = 140 мм, D_підш = 210 мм, B_підш = 53 мм; пружини: зовнішня - d_зов = 16 мм, D_зов = 96 мм, внутрішня - d_внут = 11 мм, D_внут = 66 мм, Сталь 60С2А; ролик - R₂ = 175 мм, R_внут = 157 мм, Сталь 45.

Вдосконалений метод забезпечення заданого ресурсу деталей при конструюванні, що використовує положення розробленої математичної моделі оцінки пошкодження, дозволив, згідно прийнятої схеми міжремонтних періодів, отримати наступні значення розрахункових ресурсів деталей задавача: підшипники опор ролика (деталь-еталон) t_підш=4,57 року, ролики t_рол=4,10 року, зовнішня t_{з пруж}=1,11 року і внутрішня t_{в пруж}=1,13 року пружини секцій опор ролика. Розрахунок параметрів і ресурсу деталей виконано за допомогою програми MathCad 7.0 Pro.

Відхилення розрахункових значень заданих ресурсів деталей задавача від прийнятої схеми міжремонтних періодів склав від 1,1 до 10,3 %.

Використання вдосконаленого методу обґрунтування дати технічного обслуговування деталі показане на прикладі втулки шатуна механізму різання ножиць № 1 з паралельними ножами для гарячого різання металу, встановлених в технологічній лінії обтискового стана 950/900 ЗАТ “ММЗ “ІСТІЛ (Україна)”. Проведена обробка даних про фактичні дати ремонтів механізму різання ножиць №1, на підставі яких з використанням програм STATGRAPHICS Plus та STATISTICA v5.11, визначений теоретичний вид закону розподілу напрацювання на ремонт і значення критерію згоди Колмогорова-Смирнова. Отримано базові значення показників: вид закону розподілу - нормальний; середній ресурс = 1197 діб; середньоквадратичне відхилення ресурсу = 206 діб; гамма-відсотковий ресурс t = 933 доби; рівень відповідності закону розподілу r₂ = 0,99.

Виконана параметризація математичної моделі оцінки пошкодження деталі для втулки шатуна механізму різання ножиць №1. Отримано розрахункове значення її середнього ресурсу t_ср = 1073 доби. Порівнюючи значення фактичного і розрахункового t_ср середнього ресурсу, отримано значення відносної помилки середнього ресурсу Д_{t ср} = 10,45 %, що дозволяє говорити про можливість застосування моделі оцінки пошкоджень стосовно втулки шатуна механізму різання ножиць №1.

Виконана апробація вдосконаленого методу обґрунтування дати технічного обслуговування деталі, стосовно втулки шатуна механізму різання ножиць № 1. На підставі даних про реалізовану виробничу програму, що характеризує технологічні параметри виробництва обтискового цеху ЗАТ “ММЗ “ІСТІЛ (Україна)”, розрахована оцінка пошкодження втулки шатуна ножиць № 1 за чотири роки (з 1995 по 1998 рр.) ш_{вт шт} = 0,52. Отримане значення дозволяє зробити твердження, що її ресурс був витрачений на ? 52 % або при помилці розробленої моделі в 10,45%, оцінити його на рівні 52 - 62,5 %. Порівняння отриманого результату, літературних даних і даних, отриманих на виробництві, показує, що при допустимому зносі - 5 мм значення зносу замінених втулок склало 2,5 - 3 мм.

Висновки

У роботі вирішена актуальна науково-технічна задача, що полягає в підтриманні заданого рівня безвідмовності металургійних машин, що відносяться до допоміжного обладнання, за рахунок розробки математичної моделі оцінки пошкоджень, що поступово накопичуються в невідновлюваних деталях, і вдосконалення методів забезпечення заданого ресурсу при конструюванні і обґрунтування дати технічного обслуговування під час експлуатації.

1. На підставі аналізу методів і підходів, які використовуються при розробці моделей пошкоджень деталей металургійних машин, отримала подальший розвиток класифікація факторів, що впливають на особливості процесу накопичення в них пошкоджень, шляхом її доповнення новою групою, що визначає функціональні особливості деталей, елементи якої враховують характер їх навантаження в рамках технологічного циклу.

2. Розроблена математична модель оцінки пошкоджень, що поступово накопичуються в різних невідновлюваних деталях, металургійних машин, які відносяться до допоміжного обладнання. Запропоновано, разом з конструктивними особливостями, розмірами і механічними властивості матеріалу деталі, враховувати особливості підсумовування пошкоджень і характер зміни навантаження, що діє на деталь та представляється даними про виробничу програму, яка реалізовується на досліджуваній металургійній машині, в рамках технологічного циклу.

3. На підставі математичної моделі оцінки пошкодження вдосконалено метод забезпечення заданого ресурсу деталей при конструюванні металургійної машини за рахунок врахування оцінки можливих пошкоджень. Прийнято, що заданий ресурс деталі визначається з урахуванням вибраного коефіцієнта співвідношення ресурсів k_о, що приймає значення k_о = 1/12; 1/6; 1/4; 1/3; 1/2; 1; 2; 4; 5; 10; 20, і коефіцієнта, що враховує запас ресурсу щоб уникнути виникнення аварійної відмови під час експлуатації k_З = 1,15, та дозволяє підтримувати заданий рівень безвідмовності.

4. На підставі положень розробленої математичної моделі оцінки пошкодження вдосконалено метод обґрунтування дати технічного обслуговування деталей під час експлуатації металургійних машин. Прийнято, що обґрунтована дата технічного обслуговування повинна відповідати значенню оцінки пошкодження, яке міститься в інтервалі 0,90...0,95. Прийнятий інтервал оцінки пошкодження дозволить більш повно вичерпати ресурс деталі при підтриманні заданого рівня безвідмовності.

5. На лабораторному стенді виконано дослідження процесу накопичення пошкоджень різних деталей (ПКч, ПКв, валів). Проведено порівняння значень теоретичних оцінок пошкоджень досліджених деталей по відношенню до експериментальних оцінок. Встановлено, що відносні помилки в оцінках лежать в інтервалі 3...12 %.

6. Виконано теоретичні дослідження способів примусового завдання металу у валки і характеристик процесу динамічного захоплення металу валками, на підставі яких отримано аналітичні залежності, що характеризують особливості взаємодії заготівки при завданні її у валки прокатної кліті з елементами сконструйованої металургійної машини - задавача металу. Ці залежності дозволяють визначити: силу притиснення N₂ ролика задавача до заготівки; коефіцієнт тертя кочення k₂ між роликом задавача і гарячою заготівкою; коефіцієнт динамічності k_дин системи “ролик-пружинні амортизатори”. За умови максимальної критичної сили, що виникає в перетині заготівки при можливому її подовжньо-поперечному вигині, отримана поліноміальна залежність для визначення відстаней L₁ та L₂ розташування роликів задавача щодо валків прокатної кліті і робочого рольганга. Уточнені рівняння, що описують переміщення і швидкість центру мас ролика задавача в моменти його зіткнення із заготівкою. Перераховані вище залежності і рівняння дозволили побудувати теоретичну криву зміни навантаження, що діє на ролик задавача у момент задавання заготівки у валки прокатної кліті. Указані параметри, стосовно умов БЗС 850-610-550 ВАТ “Єнакіївський металургійний завод”, склали: N₂ = 12 кН ; k₂ = 0,522 мм ; k_дин = 2,5 ; L₁ = 2,3 м і L₂ = 1,2 м.

7. Виконана розробка нової металургійної машини - задавача, відповідно до прийнятої схеми міжремонтних періодів його деталей (4: 4: 1: 1), з використанням вдосконаленого методу забезпечення їх заданого ресурсу при конструюванні. Отримано розрахункові значення ресурсів деталей задавача: підшипники опор ролика (деталь-еталон) t_підш = 4,6 року, ролики t_рол = 4,1 року, зовнішньої t_{з пруж} = 1,1 року і внутрішньої t_{в пруж} = 1,1 року пружини секцій опор ролика. Відхилення розрахункових значень заданих ресурсів деталей задавача від прийнятої схеми міжремонтних періодів склав від 1,1 до 10,3 %.

8. Проведений аналіз особливостей експлуатації, видів і причин відмов, даних про дати ремонтів механізму різання ножиць №1 для гарячого різання металу обтискового стана 950/900 ЗАТ “ММЗ “ІСТІЛ (Україна)”, на підставі якого вибраний об'єкт дослідження - втулка шатуна механізму різання. Отримано фактичне значення середнього ресурсу = 1197 діб. З використанням даних про виробничу програму, що реалізовується на ножицях № 1, виконана параметризація розробленої математичної моделі оцінки пошкодження на умови експлуатації втулки шатуна. Отримано розрахункове значення середнього ресурсу t_ср = 1073 доби. Значення відносної помилки між фактичним і розрахунковим значеннями середнього ресурсу склало Д_{t ср} = 10,45 %.

9. На підставі вдосконаленого методу обґрунтування дати технічного обслуговування під час експлуатації отримано значення оцінки пошкодження втулки шатуна ш_{вт шт} = 0,52. Розрахунок виконано на підставі даних про реалізовану на ножицях № 1 виробничу програму (за період 1995-1998 р.). Отримане значення ш_{вт шт} дозволяє стверджувати, що ресурс втулки шатуна, з урахуванням відносної помилки моделі Д_{t ср} = 10,45 %, був витрачений на рівні 52-62%, що підтверджується літературними даними про припустимий знос втулки - 5 мм та реальний знос 2,5-3 мм, які отримані на виробництві. Таким чином, дата технічного обслуговування механізму різання ножиць № 1, щодо оцінки пошкодження втулки шатуна не дозволила більш повно вичерпати її ресурс.

10. Розроблені і реалізовані у вигляді програмного забезпечення вдосконалені методи забезпечення заданого ресурсу при конструюванні і обґрунтуванні дати технічного обслуговування під час експлуатації деталей металургійних машин. Програмне забезпечення може бути основою для побудови автоматизованих систем конструювання нових і вдосконалення існуючих металургійних машин на машинобудівних підприємствах і створення автоматизованих робочих місць по організації і плануванню технічного обслуговування і ремонтів в ремонтних службах металургійних заводів. Дані результати передані до впровадження і використання на ЗАТ “Ново-Краматорський машинобудівний завод” (м. Краматорськ), ЗАТ “ММЗ “ІСТІЛ (Україна)” (м. Донецьк) і в Донецькому національному технічному університеті. Очікуваний річний економічний ефект від впровадження результатів дисертаційної роботи склав: при конструюванні задавача - 46 965 грн., при технічному обслуговуванні ножиць гарячого різання металу - 79 579 грн. Частка здобувача склала, відповідно, 23 482 грн. і 39 789 грн.

...