Метод обеспечения заданного ресурса деталей промышленного оборудования при проектировании Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Ручко В.Н. МЕТОД ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЗАДАННОГО РЕСУРСА ДЕТАЛЕЙ ПРОМЫШЛЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ

Дальнейшее повышение эффективности производства требует использования современных машин, обладающих высокими показателями безотказности [0]. Единичность и уникальность большинства машин, используемых в различных отраслях тяжелой промышленности (металлургическая, машиностроительная, горнодобывающая, химическая и т.д.), вызывает необходимость применения специальных методов и подходов к их конструированию, использование которых направлено на поддержание заданного уровня безотказности [0]. Решение этой задачи позволяет снизить материальные, трудовые и временные затраты ремонтных служб, связанные с подготовкой и выполнением ремонтов на стадии эксплуатации [0]. Применение в современном производстве единичного технологического оборудования, спроектированного и изготовленного по специальному заказу применительно к условиям конкретного предприятия, создает необходимость использования различных математических методов, позволяющих описывать процессы накопления повреждений в деталях, входящих в различные узлы и механизмы машин [0].

Для решения указанных выше задач разработана математическая модель оценки возможных повреждений деталей металлургических машин [0], которая может быть адаптирована к различному виду промышленного оборудования. Полученная модель используется при решении задач развития методов конструирования нового и совершенствования уже существующего оборудования. Главной целью предлагаемого метода является конструирование деталей, обладающих требуемой прочностью при минимальных габаритах и материалоемкости, что минимизирует время и материальные затраты на осуществление технического обслуживания и снизит энергетические затраты во время эксплуатации [0].

Для деталей промышленного оборудования целью проектирования, следовательно, наиболее существенными критериями, определяющими их достоинства, являются: повышение производительности (Xpr), снижение энерго-и материалоемкости (Хеш), повышение или обеспечение принятых показателей надежности (Xnd). Для оценки эффективности разработанной конструкции необходимо разработать комплексный критерий оценки Xkom, учитывающий функцией Q уровень влияния каждого критерия конструирования [0]:

Xkom = &{Xpr XemXnd ) . (1)

На практике достаточно часто ограничиваются использованием одного из критериев, представив другие как фиксированные. При конструировании деталей металлургических машин наиболее часто таким критерием выступает обеспечение (повышение) заданного уровня одного из показателей надежности (Xnd). В этом случае функция (1) при условии, что pnd ^ min, примет вид [0]:

Xkom = (W„d)] = max . (2)

При конструировании деталей металлургических машин одной из наиболее важных задач является обеспечение заданного уровня безотказности [0]. Следовательно, функция (2), с учетом замены обобщенной оценки возможного повреждения по критерию надежности pnd на оценку возможного повреждения по критерию безотказности pbot, наиболее приемлема к использованию в решении задачи обеспечения заданного ресурса деталей металлургических машин при их конс труиро в а нии.

Значения ресурсов деталей $i, являющихся составными элементами узла (механизма, машины) дают, в большинстве случаев, произвольное их соотношение, для произвольно взятых деталей исследуемого узла:

#i (По*) : #2 (По*) : #з (По*) :■■■:#„ (По*) . (3)

где ^i(pbot), ^2(Pbot)f ^3(Pbot), ••• ^n(Pbot) - ресурсы деталей, входящих в исследуемый узел, подсчитанные на

основе приведенного к показателям безотказности критерия Xnd относительно оценки возможных повреждений при конструировании pbot.

С точки зрения обоснования даты технического обслуживания деталей металлургических машин кроме представленной функции (2), максимизирующей ресурс каждой детали, необходимо минимизировать количество ремонтов Прем

конструируемого узла (механизма, машины) за время оптимального ресурса всей машины $маш . В этом случае функ-

ция (1) при условии, что (Прем ^ min), примет вид:

Xkom2 = ^kPnd (прем)] = min . (4)

Использование функции (4) позволит обоснованной подойти к устранению недостатков существующей системы ППР [0]. Для этого при конструировании каждой детали узла (механизма) металлургической машины необходимо совместно учитывать функции (2) и (4), рассматривая их как систему:

f Xkomi = Q[Pnd (Vnd)] = max

1 . (5)

[Xkom2 = ^■iP’nd (прем )] = min

Решение системы (5) позволит в формуле (3), описывающей соотношения ресурсов деталей узла (механизма, машины) принять ряд коэффициентов соотношений ресурсов k$ ±, которые позволят обеспечить минимальное количество ремонтов (Прем ^ min) машины, на основании согласования их со схемой межремонтных периодов машин и оборудования, расположенных с ней в одной технологической линии. В этом случае соотношение (4), примет вид:

k# 1 • #1(Vbot) ~ k# 2 • #2(Vbot) ~ k# 3 • #3(По,) ~

# # # . (6)

■ ■■ ~ k# n • #n bot) ~ #маш

Полученное соотношение (6) должно обеспечивать при конструировании такие расчетные значения ресурсов $n(Pbot) отдельно взятых n деталей исследуемого узла, при котором количество его ремонтов и технического обслуживания будет минимально (npeM ^ min), а ресурс $n каждой отдельно взятой детали этого узла будет исчерпан максимально ($n(Pbot) ^ max).

Для решения данной задачи предложено, при конструировании узла металлургической машины, состоящей из n деталей, воспользоваться положениями разработанной математической модели оценки возможных повреждений [0], с целью усовершенствования метода обеспечения заданного ресурса $i деталей.

Разработанная математическая модель оценки повреждения детали позволяет при выполнении конструирования с учетом технологических нагрузок Q(t), как главного элемента внешних факторов q(t), обеспечить заданный ресурс каждой i-той детали узла металлургической машины на основании принятого ряда коэффициентов соотношений ресурсов k$ ±, в соответствии с заданным условием (6).

В отличие от стандартного подхода к расчету деталей машин при конструировании, использующего только максимальную нагрузку [0], нормированное значение элемента Q(t) внешних факторов q(t) задается в виде усредненной годовой производственной программы. В связи с этим, при конструировании металлургических машин необходимо обоснованно подойти к выбору данных, характеризующих особенности производственной программы.

В качестве исходной информации о производственной программе, предполагаемой к реализации на новой или совершенствуемой машине, принимаются данные о планируемом ассортименте производимой продукции за один календарный год на основании аналогичных машин. Однако наиболее правильным будет использовать данные, представленные в технологических инструкциях стана (цеха), которые содержат информацию о производственной программе, реализуемой на оборудовании, расположенном в технологической линии до или после конструируемой машины. При этом в случае отсутствия дополнительных данных, можно сделать допущение о равномерности распределения объемов каждой продукции г-типа в пределах срока эксплуатации конструируемого узла (механизма, машины).

На основании данных о планируемом ассортименте производимой продукции, в соответствии с положениями разработанной математической модели оценки возможных повреждений детали [0], а также предложенным подходом к параметризации данной модели, применительно к наиболее используемым деталям металлургических машин, осуществляется процедура расчета нормированных оценок возможных повреждений каждой 1-той детали узла (механизма, машины) на стадии конструирования, соответствующая 1000 т. каждого из г-типов производимой продукции. По результатам данной процедуры для каждой 1-той детали узла, формируется массив нормированных оценок возможных повреждений.

При определении значений нормированных оценок возможных повреждений необходимо обоснованно подойти к выбору детали-эталона, относительно которой будет осуществляться расчет значений ресурсов $1 других деталей узла. Наиболее целесообразным является использование в качестве детали-эталона стандартной детали. В большинстве конструируемых узлов такими деталями являются подшипники качения (ПК), ряд размеров которых строго стандартизирован, следовательно, поиск их конструктивных параметров, являющихся элементами внутренних факторов детали w(t), невозможен.

На основе данных о среднегодовой производственной программе и значений нормированных оценок повреждений определяется значение оценки возможного повреждения детали-эталона #е . В случае, если деталь-эталон имеет ресурс менее 1 года, значение оценки ее повреждения за год может превышать установленные пределы (0 < #е < 1), т.е. #е > 1. При этом расчетное значение ресурса $р.е детали-эталона, составит:

4РЯ = 1М • (7)

На основании значения Е,р.е принимают заданный ресурс детали-эталона $.е (£.е < £р.е), который согласовывается принятой периодичностью ремонтов конструируемой машины.

Заданный ресурс 1-той детали узла $1 должен удовлетворять условию:

к? 1 -4 ^ кЗ -4 • (8)

где к$ ^ - коэффициент соотношения ресурсов деталей узла, который, согласно существующим нормативным данным на проведение технического обслуживания металлургических машин, может, по усмотрению конструктора, принимать значения к$ ± = 1/12; 1/6; 1/4; 1/3; 1/2; 1; 2; 4; 5; 10; 20 ;

кз - коэффициент, учитывающий запас ресурса во избежание возникновения аварийного отказа во время эксплуатации конструируемой детали узла, принимающий, согласно инженерным расчетам, значение кз = 1,15.

В соответствии с полученным значением заданного ресурса 1-той детали узла металлургической машины, с использованием положений разработанной математической модели оценки повреждения [0], выполняют ее конструирование, включающее учет конструктивных особенностей, расчет геометрических размеров и выбор материала с требуемыми механическими характеристиками.

Следующей конструируемой деталью, для которой будет осуществляться подбор параметров внутренних факторов w(t), рекомендуется деталь, которая контактирует с деталью-эталоном (ПК). Чаще всего такой деталью будет выступать деталь передачи вращательного движения: вал, ось, ролик.

Используя различные сочетания дискретных значений конструктивных параметров (с,, о1 и Ъ1), характеризующих внутренние факторы w(t) детали, получают ряд оценок повреждения, которые формируют трехмерный массив данных И1(р1).

Перебирая значения массива -МИ^), выбирают некоторое значение р1 с сочетанием конструктивных параметров исследуемой детали (с,, о1 и Ъ), которое позволяет определить ресурс $±(рг) из условия (8) с учетом заданного уровня безотказности. Полученное значение ресурса $±(рг) в сочетании с принятым коэффициентом соотношения ресурсов деталей узла к$ ^ должны обеспечить выполнение условия (6). Решение данной задачи необходимо для согласования со схемой межремонтных периодов машин, расположенных в одной технологической линии, и периодизации проведения технического обслуживания удовлетворяющей условию (6).

Аналогичная процедура выполняется для остальных деталей, входящих в кинематическую структуру узла (механизма, машины).

Усовершенствованный метод обеспечения заданного ресурса деталей при конструировании металлургических машин, включающий в себя положения разработанной математической модели оценки возможного повреждения, дает возможность решить задачу обеспечения заданного уровня безотказности и принимать ресурс каждой детали индивидуально, в соответствии со схемой межремонтных периодов машин и оборудования, расположенных с ней в одной технологической линии. Это позволит минимизировать габариты и материалоемкость детали, сохранив заданную прочность, а также минимизирует время и материальные затраты на осуществление ремонтных воздействий путем согласования схем межремонтных периодов, что предотвратит снижение технических и технико-экономических показателей производства.

ЛИТЕРАТУРА

1. Большаков В.И. Проблемы металлургического машиноведения в деятельности ИЧМ // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 1999. № 5. - С. 99-101.

2. Проников А.С. Параметрическая надежность машин. - М.: МГТУ им. Баумана, 2002. -560 с.

3. Ченцов Н.А. Организация, управление и автоматизация ремонтной службы / Под ред. докт. техн. наук

B.Я. Седуша. ДонНТУ, - Донецк: Норд-Пресс - УНИТЕХ, 2007 -258 с.

4. Цапко В.К., Гриневич В.И., Махницкий И.Г. Проектирование деталей металлургических машин с заданными характеристиками долговечности // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 1997. - № 3. -

C. 61-62.

5. Ручко В.Н., Ченцов Н.А. Использование модели оценки меры повреждения деталей металлургического оборудования при прогнозировании сроков их отказа // Материалы 11-й Международной научно-технической конференции "Вибрация машин: Измерение, снижение, защита", 25-26 мая 2004 года. - Донецк: ДонНТУ, 2004. - С. 128 - 134.

6. Ручко В.Н. Моделирование повреждений в деталях и надежность металлургического оборудования // Защита металлургических машин от поломок. Сборник научных трудов. Мариуполь. - 2003. Вып. № 7. - С. 7-12.

7. Ручко В.Н. Оценка меры повреждений детали в решении задачи оптимального проектирования металлургического оборудования // Металлургические процессы и оборудование. Вып. № 1. - Донецк: ДонНТУ-АссоМ, Норд Компьютер, 2005. - С. 39-42.