CC BY
67
УДК 004.891.2
Н.Н. Трушин, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-18-87, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
А.Г. Трошина, асп., (8920) 275-40-00, atro [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ РЕМОНТА И МОДЕРНИЗАЦИИ ТЯЖЕЛЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН
Рассмотрены основные этапы процесса модернизации привода тяжелой технологической машины, осуществляемого в ходе ремонта горизонтальной шаровой мельницы. Приводятся логико-математические зависимости проекта модернизации и технические параметры программного обеспечения, разработанного с целью автоматизации процедур информационной поддержки данного проекта.
Ключевые слова: шаровая мельница, привод, модернизация, проектирование, компьютерная система.
Тяжелые технологические машины классифицируются в первую очередь по величине своей массы и мощности приводных двигателей. Масса таких машин превышает 10 тонн, а суммарная мощность приводных двигателей составляет десятки и тысячи кВт. К рассматриваемой группе технологического оборудования принадлежат прокатные станы, металлорежущие станки, кузнечно-прессовые машины. К группе тяжелых технологических машин относятся также различного рода мельницы и дробильные машины, предназначенные для получения мелких фракций материала. Так, например, шаровые мельницы широко используются на предприятиях цветной и черной металлургии, химической промышленности, глиноземного производства, в цементной промышленности, на кирпичных заводах, угольных тепловых электростанциях, предприятиях горнодобывающего профиля.
Наиболее широко применяется в отечественной промышленности барабанно-шаровая мельница, представляющая собой контейнер цилиндрической формы (барабан), ось вращения которого располагается горизонтально. В барабан помещаются стальные размольные (измельчающие) тела и размалываемый материал (пульпа). Размольные тела имеют, как правило, округлую форму (шары), но могут использоваться тела других форм (цилиндры, призмы).
Во многих случаях вращение барабана такой мельницы осуществляется от электродвигателя посредством планетарного редуктора. Мощность синхронного электродвигателя может достигать 1000...2000 кВт, а масса редуктора - 20.40 т. Аналогичную конструкцию привода рабочих органов имеют, например, прокатные станы, валковые дробилки и другие машины.
Срок непрерывной эксплуатации тяжелых приводов во многих случаях составляет от 20 до 50 лет. В отечественной промышленности в настоящее время осуществляется повсеместная реновация цементных мельниц, большинство из которых были введены в эксплуатацию до 1990 г. Основные фонды цементной промышленности России характеризуются высоким прогрессирующим износом, который достиг к 1996 г. 57 %, а в активной части оборудования износ превышает 70 %. При этом производственные мощности большинства цементных предприятий используются только на 35.40 % [1].
После выработки своего технического ресурса технологические машины и их приводы неизбежно подвергаются реновации. Анализ статистических данных предприятий цементной промышленности показывает, что наиболее изнашиваемым элементом привода горизонтальной шаровой мельницы является редуктор. В процессе реновации шаровой мельницы осуществляется также модернизация ее привода, в ходе которого производятся проектирование и изготовление нового редуктора, а также создается проект монтажа нового редуктора на существующей производственной площадке предприятия.
Проблемы сокращения времени проектирования новых изделий и технологических процессов актуальны в различных отраслях промышленности. В настоящее время процесс разработки и согласования проекта заказа на сложную техническую продукцию между клиентом и поставщиком занимает довольно много времени вследствие необходимости детализации проекта и подготовки рабочих чертежей. Сократить время проектирования сложного технического изделия возможно при помощи современных компьютерных средств и технологий [2].
С помощью разработанной системы компьютерного моделирования можно по исходным данным разработать эскизный проект, выбрать оптимальный способ модернизации привода и объем работ участников. Рассмотрим далее структурно-функциональную организацию компьютерной системы и методические аспекты ее практической реализации.
Уже при разработке эскизного проекта модернизации привода мельницы возникают трудности, обусловленные противоречиями между требованиями цементного предприятия и техническими возможностями изготовителя редуктора. В процессе модернизации привода принимают участие три стороны: клиент (или заказчик), производитель (или поставщик) и агент.
Клиент - это цементное предприятие, обладающее мельницей, привод которой израсходовал свой технический ресурс.
Производитель - фирма, занимающаяся производством и поставкой приводов цементных мельниц (в первую очередь, такого компонента, как редуктор).
Агент - представитель производителя, осуществляющий функции
посредника между двумя вышеуказанными сторонами в процессе совершения сделки и исполнения контракта на модернизацию привода.
С целью выявления трудностей компоновки нового привода на существующей производственной площадке необходимо определить, какие данные необходимо собрать от участников проекта.
Типовая компоновка привода горизонтальной цементной мельницы или иной технологической машины аналогичной компоновки содержит следующие узлы (рис. 1):
- приводной электродвигатель;
- быстроходную соединительную муфту;
- понижающий редуктор (как правило, планетарный);
- тихоходную соединительную муфту;
- вспомогательный привод;
- станцию централизованной смазки редуктора (маслостанцию).
Рис. 1. Планировка привода с размерами
Данные, необходимые для разработки проекта модернизации, получаемые от клиента:
- параметры фундаментов и параметры старого привода (размеры ям: 1я1, 1я2 - длина каждой ямы и ^я1 , wя2 - ширина каждой ямы; расстояние от фланца мельницы до первой ямы и расстояние между ямами ^; расстояние осей анкерных болтов от фланца мельницы al и между собой a2 и aз, а также расстояния между анкерными болтами на одной оси
^, ^11, ^12, ^21, ^22, ^31 и ^32);
- информация о том, будет ли перемещаться электродвигатель (если
60
да, то рассчитывается необходимая величина перемещения электродвигателя - разница между исходным L и после расчета, если нет, то клиент предоставляет данные о точном расстоянии между валом электродвигателя и фланцем мельницы);
- данные о заменяемых узлах привода (меняются ли муфты, меняется ли вспомогательный привод и, если да, то, будет ли он установлен за главным электродвигателем или же между ним и редуктором).
От производителя редуктора в зависимости от принятого типоразмера редуктора и рассчитанных параметров соединительных муфт для данного крутящего момента поступают следующие данные:
- габаритные ограничения на муфты (минимальные и максимальные размеры от ^ т^п до ^ тах и от 1м т^п до 1м тах для каждой из муфт соответственно - в случае их замены);
- параметры редуктора (габаритные размеры: длина g} и ширина
gw; минимальные и максимальные размеры лап ga| и gaw; длины выступающих за эти границы быстроходного g|б и тихоходного g|т валов редуктора);
- параметры вспомогательного привода (в случае, если вспомогательный привод интегрирован с быстроходной муфтой, то его длина равна длине быстроходной муфты).
В результате совместного анализа перечисленных исходных данных необходимо получить следующе:
- тип (способ) модернизации привода (выбор одного из существующих типов модернизации, описывающий возможность установки на старые анкерные болты или необходимость проведения соответствующих фундаментных работ);
- параметры монтажа привода (ga|, gaw, т, б, L).
Кроме этого, следует получить графическое отображение результатов работы компьютерной системы:
- эскизный проект модернизации привода;
- 3D-модель редуктора для визуализации принимаемого решения.
Выполнение всех расчетов и чертежей проекта модернизации привода мельницы только вручную является довольно трудоемким процессом, требующим большого опыта и объема знаний от проектировщика. Для автоматизации процесса проектирования формализуем данную задачу.
Основными типами (способами) модернизации горизонтальных шаровых мельниц с центральным или смещенным приводом, а также других технологических машин аналогичной компоновки являются следующие.
Тип 1 - приводной двигатель остается на прежнем месте, а редук-
тор устанавливается на существующие анкерные болты имеющегося фундамента.
Тип 2 - двигатель также остается на прежнем месте, а редуктор устанавливается на новые анкерные болты, закрепленные на вновь изготавливаемой переходной раме, которая, в свою очередь, монтируется на существующие анкерные болты.
Тип 3 - двигатель переносится на новое место, редуктор устанавливается на существующие анкерные болты, меняется кинематическая схема передаточных валов.
Тип 4 - двигатель переносится на новое место, редуктор устанавливается на вновь изготавливаемую переходную раму, которая монтируется на существующие анкерные болты.
Тип 5 - предполагается модернизация фундаментов элементов технологической машины и ее привода, в ходе которой может удаляться часть существующего фундамента для прокладки новых коммуникаций. При этом в существующем фундаменте сверлятся отверстия, в которые с помощью специального эпоксидно-цементного раствора устанавливаются новые анкерные болты.
Математическое обеспечение решения поставленной задачи включает в себя определение выходных данных через входные и промежуточные данные. Для выбора оптимального типа модернизации необходимо учитывать как качественные, так и количественные параметры. К качественным параметрам относится комплектность поставки нового привода.
Рассмотрим в качестве пример выбор способа модернизации привода, основанный на качественных критериях. Имеется объект "привод" с атомами, определяющими состояния объекта:
C(i) - центральный привод г;
H(i) - меняется компонент г;
М(г) - изменяется местоположение компонента г;
Т(г) - производится попытка установить на старый фундамент привод г;
х - привод;
у - вспомогательный привод;
z - приводной двигатель;
k - фундаментные ямы;
р - соединительные муфты.
Логические условия, определяющие состояние объекта:
С(х) А — М^) А Т(х) А (Н(у) V —Н(у)) А ((Н(р) А X > Ц)) V
V (—Н(р) а х > к1)) з Тип1
С(х) А — М^) А (Н(у) V — Н(у)) А (—Т(х) V (Т(х) А ((Н(р) А ( )
а х < к^) V —Н(р))) з Тип2
(—С(х) V С(х)) л М^) л Т(х) л (Н(у) V —Н(у)) л ((Н(р) л х > Ц) V
V (—Н(р) л х > кі)) з Тип3
(—С(х) V С(х)) л М^) л (Н(у) V — Н(у)) л (—Т(х) V (Т(х) л ((Н(р) л (1)
л х < к^) V —Н(р)))з Тип4
—(Типі V Тип2 V Тип3 V Тип4) з Тип5 Несмотря на то, что по законам математической логики некоторые конструкции в вышеуказанных формулах взаимно уничтожаются (например, Н(у) V —іН(у)), их упоминание необходимо для выбора комплектности
поставки и для работы с проектом на следующих стадиях его разработки.
Кроме критериев качественных, необходимо учитывать и количественные критерии. Для установки редуктора на старые анкерные болты должны выполняться условия:
l6 + 1т + gl = L; a1 + a2 = Іт + §1т + Sal; a1 = Іт + ;
w > ^яі;
или
Іб + Іт + gl L; a1 + a2 + a3 = Іт + + gal;
a1 + a2 = ^ ;
w > ^я2-
(2)
Если эти условия не выполняются, то идет проверка выполняемости следующего условия (3) для установки редуктора на переходную раму, которая, в свою очередь, устанавливается на старые анкерные болты:
l6 + ^ + gl = L;
a1 + a2 + a3 = Іт + + gal;
a1 + a2 = ^ ;
(3)
При этом следует отметить, что при выполнении условий (2) и (3) необходимо выполнение следующих неравенств:
gaw min — w — gaw max;
gal min — gal — gal max;
1/ —i — i • (4)
lmmin - lm - lmmax’
/б min — 16 — 16 max
На основе построенной математической модели необходимо разработать программное обеспечение для решения указанной задачи. Выше уже были определены входные и выходные данные программы, а также основные задачи, решаемые компьютерной системой. Рассмотрим создание необходимого программного обеспечения по этапам.
Основным инструментом для создания нового программного обеспечения является система автоматизированного проектирования (САПР) КОМПАС. Данная САПР предоставляет своим пользователям возможность расширения ее функциональных возможностей путем создания новых программных модулей посредством различных сред программирования. Для решения рассматриваемой задачи использовалась система программирования Delphi.
Работа рассматриваемой компьютерной системы осуществляется на основе базы данных для хранения параметров редуктора и других компонентов привода, полученных от их изготовителей. База данных параметров редуктора должна включать все необходимые для выбора типа модернизации данные о типовых или теоретически возможных проектах, полученные от производителя. Решение выбирается в зависимости от типоразмера редуктора, который оценивается по передаваемой мощности и скорости вращения редуктора на входе и выходе. Организация базы данных выполнена на основе реляционных моделей. Учитывая, что с компьютерной системой должны работать и клиент, и агент, и производитель, система управления базой данных предусматривает следующие операции:
- для клиента - поиск по базе в соответствии с его кинематическими и динамическими параметрами;
- для производителя - редактирование базы данных (как добавление новых записей, так и редактирование уже имеющихся);
- для агента - обе указанные операции.
Разработка модуля расчета основных параметров и выбора типа модернизации производится на основе вышеизложенной математической модели. Следует также отметить, что данный модуль передает входные данные в модуль выбора оптимального варианта типа модернизации и модуль расчета трехмерной модели редуктора, а также объединяет их и передает рассчитанные параметры далее в модули работы с САПР. Модульная структура разработанного программного обеспечения представлена на рис. 2.
Как показано на рис. 2, модуль подключения к САПР и передачи данных из расчетного модуля в САПР объединяет процедуры и функции, необходимые для подключения к системе КОМПАС по АР1-интерфейсу, а также для передачи данных в САПР. Кроме того, он объединяет данные от модуля генерации двумерного чертежа и модуля перестроения 3D-модели по рассчитанным параметрам.
КОМПАС предоставляет большие возможности работы с его внутренними функциями по созданию как сторонних приложений, подключаемых к САПР, так и для создания встраиваемых библиотек сторонними разработчиками. Для этого используются средства разработки приложений КОМПАС-Мастер - набор динамически подключаемых библиотек (DLL), которые можно использовать из любой стандартной системы программи-
рования для операционной системы Windows на языках программирования
C/C++, Delphi, Visual Basic.
Main
•входные данные ■параметры модели редуктора -параметры установки привода
+Передача данных в процедуры расчета() +Вывод данных))
7Г
Connect with CAD
-данные для построения
+Подкпючение к САПР() +Создание 2D документа)) +Редактирование 3D документа))
Calculate
■входные данные
■параметры для получения выходных данных
+Объединение входных/выходных данных () +Вызов процедур расчета))
7V
? ? £
■параметры привода
Work with database
+Чтение базы данных))
+Поиск в базе данных)) +Редактирование базы данных))
Draw 2D
-параметры привода -вариант модернизации ■Ютрисовка чертежа))
Change&Rebuild 3D
-параметры редуктора
+Изменение переменных модели))
Calculate parameters of drive
-параметры привода
<h
+Расчет параметров привода))
+Расчет параметров установки редуктора))
Coupling
■вариант модернизации ■параметры муфты
+Определение параметров муфт))
Modernization of foundation
-вариант модернизации
-параметры фундаментов
+Определение параметров фундаментов))
Choose variant of modernisation
ft>
Analysis of completeness
■вариант модернизации ■параметры привода
+Определение оптимальной комплектности поставки))
•вариант модернизации •параметры привода
+Выбор типа модернизации()
Auxiliary drive
■вариант модернизации ■параметры привода
+Выбор типа модернизации))
Calculate parameters of gearbox
•параметры редуктора
+Расчет параметров компонентов редуктора))
7\ ZX ZY
Gear wheel Gearing Stage of gearbox
■параметры редуктора -параметры зубчатой передачи ■параметры ступени
+Расчет параметров компонентов редуктора)) +Расчет параметров зубчатой передачи)) +Расчет параметров ступени редуктора))
Рис. 2. Укрупненная модульная схема компьютерной системы
Отметим, что для работы с трехмерной сборкой редуктора из программного модуля предварительно была создана его параметрическая модель, часть параметров которой выражаются одна через другую уже внутри нее. Итоговые внешние переменные и будут меняться уже из программы. Ввиду большого количества (более 90) их расчет производится в отдельном модуле. К таким переменным относятся размеры корпусов, подшипников, числа зубьев всех зубчатых компонентов, длины валов и т.д.
При создании планетарного редуктора разработаны отдельные программные модули для расчета зубчатых колес, отдельно для расчета зацеплений и корпусов. Отдельные модули разработаны также и для расчета параметров соединительных муфт, вспомогательного привода, установочных фундаментов. С целью упрощения схемы (см. рис. 2) перечисленные вспомогательные модули на ней не отражены.
Интерфейс взаимодействия пользователя с компьютерной системой спроектирован по традиционной схеме в виде главного окна, содержащего меню выбора функций с несколькими вкладками (рис. 3). С помощью первой из них осуществляется выбор комплектности поставки привода. На второй вкладке вводятся параметры существующего фундамента. Далее идут выбор типа редуктора (для клиента) и редактирование базы данных (для агента и производителя). На последней вкладке осуществляется выбор представления результатов работы программы:
- вывод в текстовой файл;
- вывод в виде двумерного (2D) чертежа;
- генерация трехмерной (3D) модели редуктора.
В текстовый файл выводятся исходные данные и рассчитанные параметры привода. Если пользователь задал вывод данных в 2D-чертеж, то с такого чертежа он может считать только размеры и уже сам для себя определить необходимый тип модернизации. Данный чертеж аналогичен рис. 1 с проставлением конкретных размеров указанного проекта. Такой чертеж является уже разработанным эскизным проектом, а, следовательно, достаточным результатом для согласования проекта между клиентом и агентом и для дальнейшей проработки проекта производителем. В случае осуществления генерации 3D-модели изменяются параметры редуктора в соответствии со значениями, заданными производителем и рассчитанными в процессе работы программы.
После построения чертежа проекта можно сохранить его в файл или распечатать для последующего обсуждения и построения технического проекта, опираясь на него.
Тип модернизации описывает как необходимые компоненты для замены привода (иногда возникают ситуации, когда выбранных компонентов для замены недостаточно для нормального функционирования нового привода), так и способы установки редуктора - на промежуточную раму, с изменением фундамента, на старые или новые анкерные болты. Параметры установки привода детализируют эти данные, указывает не только, как будет установлен редуктор, но и точные размеры крепежа. Обычный чертеж и трехмерная модель элементов служат для визуализации и более простого понимания полученных результатов. Кроме того, чертеж можно рассматривать как эскизный проект модернизации привода. С трехмерной модели пользователь может делать любые необходимые чертежи, а также дает представление о том, что будет ему поставлено в случае заказа (для клиента).
Рис. 3. Трехмерный эскизный проект редуктора
Разработанное методическое и программное обеспечение применяется в проектной деятельности предприятий, осуществляющих проекты модернизации приводов стационарных технологических машин на российских предприятиях. Эксплуатация данной компьютерной системы позволяет значительно сократить затраты времени на разработку эскизного проекта монтажа нового привода: с одного - двух дней до одного - двух часов. С учетом затрат времени на внесение исправлений в проект при необходимости уточнения требований клиента экономия времени также оказывается значительной. Кроме этого, если до внедрения компьютерной системы для разработки проекта требовался коллектив высококвалифицированных специалистов-проектировщиков, то в новых условиях технической подготовки ремонтного производства рассматриваемых машин требования к кадровому обеспечению проекта становятся менее жесткими. При этом в ряде случаев разработка проекта может идти параллельно с переговорами с заказчиком относительно согласования проекта.
Список литературы
1. Трошина А.Г. Модернизация приводов горизонтальных шаровых мельниц // Цемент и его применение. 2009. № 3. С. 4 - 8.
2. Трушин Н.Н. Организационно-технологическая структура производственного процесса на машиностроительном предприятии. Тула: Изд-во ТулГУ, 2003. 230 с.
N.N. Trushin, A.G. Troshina
THE AUTOMATED SYSTEM OF TECHNICAL TRAINING OF REPAIR AND MODERNIZATION OF HEAVY TECHNOLOGICAL MACHINES
The basic stages of process of modernization of a drive of the heavy technological machine which are carried out during repair of a horizontal spherical mill are considered. Logical-mathematical dependences of the project of modernization and technical parameters of the software developed for the purpose of automation of procedures of information support of the given project are resulted.
Key words: a spherical mill, a drive, modernization, designing, computer system.
Получено 20.01.12
УДК 004.942
Н.Н. Трушин, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-18-87, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
А.Г. Трошина, асп., 920-275-40-00, atro [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ РЕНОВАЦИИ ТЯЖЕЛОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ МАШИНЫ
Рассматривается методика применения принципов морфологического анализа при автоматизации технической подготовки ремонта и модернизации приводов горизонтальных шаровых мельниц.
Ключевые слова: автоматизация, модернизация, морфология, планетарный редуктор, привод, технологическая машина.
Разработка сложных проектов требует больших затрат труда и времени квалифицированных специалистов, большая часть которых уходит на выбор наилучшего решения из имеющихся вариантов. Для сокращения сроков подготовки проекта требуется автоматизация определенных этапов проектирования. Проблемы сокращения времени проектирования актуальны в различных отраслях промышленности.
Во многих отраслях промышленности для обеспечения заданного режима работы тяжелой машины используются редукторные приводы. Часто они используются в цементной промышленности. По состоянию на 2011 год в России расположены 50 предприятий, производящих цемент, из них 47 с полным циклом производства и 3 помольные установки общей мощностью 76,3 млн т цемента в год. Производство цемента в 2010 году составило 50,4 млн т. Средний коэффициент использования мощностей в
