CC BY
47
Серiя: Техшчш науки
УДК 62-412.002.5+669.018.258
Сотшков О.Л.1
Д1АГНОСТУВАННЯ П1ДШИПНИК1В ВАЖ1ЛЬНОГО МЕХАН1ЗМУ ХИТАННЯ КРИСТАЛ1ЗАТОРА МБЛЗ
У cmammi розглянуто перспективний в1брометричний метод д1агностування су-марного зазору в тдшипниках важыьного мехашзму хитання на ocHoei ducKpuMi-нантного аналiзу.
Ключовi слова: зазор, сумарний зазор, метод дiагнocтування, кpucталiзатop, ва-жшьний мехатзм хитання.
Сотников А.Л. Диагностирование подшипников рычажного механизма качания кристаллизатора МНЛЗ. В статье рассматривается перспективный виброметрический метод диагностирования суммарного зазора в подшипниках рычажного механизма качания на основе дискриминантного анализа.
Ключевые слова: зазор, суммарный зазор, метод диагностирования, кристаллизатор, рычажный механизм качания.
Sotnikov A.L. The diagnostics of the bearings of the linkage titling mechanism of the CCM crystallizer. A promising vibromeasurement method for the diagnostics of the total clearance in the linkage titling mechanism bearings on the basis of the discriminant analysis is considered.
Keywords: clearance, total clearance, diagnostic method, crystallizer, linkage titling mechanism.
Постановка проблеми. На вгтчизняних металургшних шдприемствах техшчне обслуго-вування та ремонт (TOiP) важшьного мехашзму хитання кристалiзатора машини безперервного лиття заготовок (МБЛЗ), як правило, здшснюеться в перюди планових зупинок за результатами попереднього огляду. Застосовуваш при цьому органолептичш методи дiагностування (аналiз шуму, вiзуальний огляд тощо) не дозволяють повнощнно проводити обстеження мехашзму хитання з метою ощнки i прогнозування змши техшчного стану його деталей, вузлiв i приводу, а також планування робгт з TOiP.
AH^i3 останшх дослщжень i публжацш. Серед приладових методiв дiагностування мехашзму хитання кристалiзатора МБЛЗ широке поширення, в основному на закордонних металургшних шдприемствах, отримали вiброметричнi методи [1], засноваш на аналiзi загального рiвня вiбрацil i параметрiв коливального руху у часовiй i частотнш областях. У першому випа-дку задачi дiагностування вирiшуються шляхом накопичення статистично! шформацп щодо змiни параметрiв вiбрацil механiзму хитання в процес експлуатацп з фiксацiею !х вщхилень вiд заданих значень, а в другому випадку - шляхом вiзуальноl ощнки вщповщносп фактичного коливального руху кристатзатора МБЛЗ заданому з фшсащею наявностi в ньому "паразитних" коливань. Таким чином, рiшення задач дiагностування в дiйсностi пiдмiняеться мониторингом вiдхилень параметрiв коливального руху ^брацп) столу хитання - вихщно1 ланки мехашзму хитання, на якому розташований кристатзатор МБЛЗ, за винятком дiагностування приводу ме-ханiзму хитання загальноприйнятими методами вiбрацiйноl дiагностики обладнання роторного типу [2 та ш.].
Це пов'язано з тим, що для розробки методiв дiагностування механiзму хитання необхщ-но проведення велико1 кшькосп теоретичних i експериментальних дослiджень щодо встанов-лення взаемозв'язку мiж вщхиленнями параметрiв коливального руху столу хитання i техшч-ним станом мехашзму хитання. Загальною ж тенденцiею металургшного машинобудування е створення конструкцiй мехашзму хитання, що виключають застосування потенцшно ненадш-них деталей i вузлiв. Так, у цей час на закордонних металургшних шдприемствах активно впро-ваджуеться ресорний мехашзм хитання кристатзатора МБЛЗ з гiдравлiчним приводом [3 та ш].
1 канд. техн. наук, доцент, ДВНЗ "Донецький нацюнальний техтчний утверситет ", м. Донецьк
Серiя: Технiчнi науки
Однак питання дiагностування такого мехашзму також не втрачае свое! актуальности оскiльки акцент змiщуеться з одних вищв дiагностованих несправностей мехашзму на шшь На вггчиз-няних же металургшних пiдприемствах продовжують експлуатувати важшьний механiзм хи-тання в силу вщсутносп коштiв у шдприемств на модернiзацiю технологiчного обладнання та практичного досвщу експлуатацп та ТОiР складних сервогiдроприводiв.
Тому питаннями розробки перспективних методiв дiагностування механiзму хитання кристатзатора МБЛЗ активно займаються в основному вггчизняш фахiвцi та вчеш [4,5 i др.]. Зокрема, таю роботи ведуться i спiвробiтниками кафедри "Мехашчне обладнання о! металурги" ДВНЗ "Донецький нацiональний технiчний унiверситет" [6].
Метою щет роботи е аналiз можливостей одного з розроблених автором методу дiагнос-тування шдшипниюв важiльного механiзму хитання кристалiзатора МБЛЗ.
Виклад основного матерiалу. Метод дiагностування сумарного зазору в пiдшипниках важшьного механiзму хитання був запропонований автором за результатами теоретичних i екс-периментальних дослiджень [6]. Як було встановлено в ходi дослщжень, саме збiльшення зазору в тдшипниках механiзму хитання в процес експлуатацп призводить до найбiльших вщхи-лень параметрiв коливального руху кристатзатора МБЛЗ вiд заданих значень. У силу того, що характер змши параметрiв коливального руху столу хитання е наслщком несправностей меха-шчно! системи механiзму хитання, в основу розроблюваного методу дiагностування закладали-ся методи вiброметрil [1,2]. Дане ршення також було продиктоване, з одного боку, широкою поширенютю методiв i засобiв вiбрацiйноl дiагностики механiчного обладнання [2], а з шшого боку, активним впровадженням на металургшних шдприемствах систем мошторингу та дiагно-стики мехашзму хитання кристатзатора МБЛЗ [1].
Розробка методу дiагностування здiйснювалася на основi математично1 моделi механiзму хитання кристатзатора МБЛЗ [7], за допомогою яко! були проведенi дослiдження закономiрно-стей вiдхилення параметрiв коливального руху столу хитання при змш техшчного стану (ви-никнення та розвитку несправностей деталей i вузлiв) мехашзму хитання. За результатами цих дослщжень визначеш дiагностичнi параметри, розробленi виршальш правила i позначенi границ розрiзнення несправностей пiдшипникiв механiзму хитання [8 и др.].
У зв'язку зi складнютю вирiшення нелiнiйних диференщальних рiвнянь руху важiльного механiзму хитання кристатзатора МБЛЗ з урахуванням зазорiв у пiдшипниках розробка мате-матично1 моделi була виконана iз застосуванням сучасного програмного комплексу моделю-вання кшематики i динамiки механiчних систем "Ушверсальний механiзм" (ПКУМ) [7,9].
У ходi теоретичних дослiджень механiзму хитання кристатзатора МБЛЗ за допомогою розроблено1 математично1 моделi було встановлено, що через складний просторовий коливаль-ний рух столу хитання, контроль тшьки одного з параметрiв його руху не дасть повного уяв-лення як про характер рух, так i про стан деталей, вузлiв i приводу механiзму хитання, що за-безпечуе даний рух. Тому необхщний контроль всiх параметрiв руху з використанням штегра-льних показниюв. В якостi таких показникiв автором запропоновано використовувати дискри-мiнантнi функцп параметрiв коливального руху в вертикальному та горизонтальному напрямку i радiуса хитання [10] контрольно1 точки столу хитання.
Дискримшантний аналiз е одним з метсдов багатовимiрного статистичного анашзу, мета яко-го полягае в тому, щоб на основi вимiрювання рiзних характеристик (параметрiв) об'екта класифь кувати його, тобто в1днести до одного з декшькох класiв деяким оптимальним способом. П1д опти-мальним способом розумiеться або мiнiмум математичного очiкування втрат, або мiнiмум ймовiр-ностi помилково1 класифiкацil [11 та ш]. Данi методи класифiкацil знайшли широке поширення в медицинi (щагностика хвороб), економiцi (управлiння п1дприемством, контроль якосп) i т.п.
У данш роботi об'ектом дискримiнантного аналiзу е мехашзм хитання кристалiзатора МБЛЗ, для якого необхщно за результатами вимiрювання параметрiв коливального руху столу хитання вщнести стан пiдшипникiв механiзму до одного iз кiлькох класiв, що вщповщають хо-рошому, задовiльному або аваршному стану для наступного планування робгг з ТОiР.
Для виршення завдання було виконано дискримiнантний анатз, заснований на геомет-ричному уявленш про подiл класiв в просторi ознак [11]. Наприклад, е п станiв пiдшипникiв механiзму хитання кристатзатора МБЛЗ з т характеристиками (параметри коливального руху контрольное' точки столу хитання). У результат вимiрювання останшх кожний стан характери-зуеться вектором у\,..., ут, т>1. Завдання полягае в тому, щоб за результатами вимiрювань вiд-
Сер^я: Техшчш науки
нести стан до одного з декшькох класiв G1,..., Gk, к>2, тобто не-обхiдно побудувати виршальш правила, що дозволяють за результатами вимiрювань характеристик стану вказати клас, до якого вш належить. Число кла-сiв (що характеризують техшч-ний стан шдшипниюв) заздале-гiдь вiдомо.
Сукупшсть т характеристик, що вГдносяться до одного класу станiв, сконцентровано в деякш областi простору ознак ^ъ... ,^т. Основною характеристикою даних областей е поло-ження центро1да областi - центру класу - точки, щодо яко1 рГвно-вiддалена сукупнiсть т характеристик. Дискримшантш функцй визначають щ областi за допомогою опису 1х границь у просторi ознак (рис. 1). Кожна дискримшантна функцш мае вигляд:
т -
Рг = а01 + Х (ау ' Ху ),(* = 1 k),
У=1
де а0 - вiльний член ^й функцй; аУ- - ваговий коефщент функцй у-й характеристики; к- кiлькiсть класiв станiв.
У цьому випадку виршальне правило формулюеться як "вГдносити стан до класу з най-ближчим центром", що полягае в обчисленш вiдстанi г1,.,г]с вщ класу стану, що дiагностуеться до центрiв вiдомих класiв у просторi канонiчних дискримiнантних функцiй ознак ¥\,...,¥т. Мь нiмальна вiдстань г до центру класу G визначае приналежнють стану, що дiагностуеться до да-ного класу. Можливi ситуацЙ невизначеностГ, коли мiнiмальна вiдстань буде одночасно до центру двох прилеглих класiв стану. У цьому випадку необхГдно виконання додатково1 експер-тно1 оцшки або збiльшення числа m-мiрностi простору ознак.
За допомогою спещашзованого програмного забезпечення (ПЗ) "Statistica", ПКУМ i створено!' математично1 моделi механiзму хитання кристалiзатора МБЛЗ був сформований план чисельних екс-периментш, визначенi параметри вГдгуку i розрахованi коефiцiенти дискримшангних функцш.
Для класифiкацГí станiв шдшипниюв було застосована така характеристика, як сумарний зазор (Д2, мм) [12], рГвний сумГ зазорГв всГх шдшипниюв важГльного механГзму хитання крис-талГзатора МБЛЗ. Загальне число теоретичних експериментГв було роздГлено на 3 класи станГв, що характеризуються сумарним зазором вГд 0,3 до 5 мм. Кшькють класГв вибрано за умови найменшо1 кГлькостГ перетинГв областей класГв у просторГ канонГчних дискримГнантних функ-цГй. Нижчий клас (1-й клас) вГдповГдае гарному стану пГдшипникГв механГзму хитання (Д7=0,3...0,8 мм), вищий клас (3-й клас) - аваршному (Д7>4 мм), промГжний клас (2-й клас) -задовшьному (Д7=0,8.. .4 мм).
Даш класи стану пГдшипникГв механГзму хитання кристалГзатора МБЛЗ досить грубо кла-сифжують технГчний стан, враховуючи вимоги, що пред'являються до механГзму хитання прое-ктно-конструкторською документацГею Г технолопчними режимами розливання сталГ на МБЛЗ. Проте в даний час на металургшних шдприемствах, по зауваженнях багатьох дослГдниюв [5,12,13], термГн експлуатацЙ пГдшипникГв такий, при якому сумарний зазор досягае значення сумГрного з амплпудою коливання кристалГзатора (вГд 3 до 5 мм), що само по собГ свГдчить про аваршний технГчний стан, Г вимагае невГдкладного проведення ТОГР механГзму хитання. При зниженш сумарного зазору в 2...3 рази, що буде вГдповГдати вГдповГдному збшьшенню точностГ коливального руху кристалГзатора МБЛЗ характеристику класГв станГв необхГдно уточнити, на-приклад, розглядати сумарний зазор в дГапазош вГд 0,3 до 2 мм. I так даль
Порядок дГагностування з застосуванням розробленого методу дГагностування наступний.
Рис. 1 - ДГаграма розсГювання класГв стану в площиш ¥1, ¥т
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХШЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2010 р. Серiя: TexHÏ4HÏ науки Вип. 21
За допомогою портативного ан^затора Bi6pa^ï в перiод планових i непланових зупинок процесу розливання стат на МБЛЗ виконуеться вимiрювання параметрiв коливального руху контрольноï точки столу хитання у вертикальному та горизонтальному напрямках, i визначення радiуса хитання ^eï точки. Результати заносяться в хронолопчному порядку до бази даних, спецiально роз-робленого ПЗ "МБЛЗ Зазор" (рис. 2), i по них обчислюються значення дискримшантних функцш i визначаеться поточний клас стану пщшипниюв механiзму хитання кристатзатора МБЛЗ.
Рис. 2 - Зовшшнш вигляд ПЗ "МБЛЗ Зазор"
У ПЗ "МБЛЗ Зазор" передбачено також ведення бази даних оглядiв мехашзму хитання МБЛЗ, що дозволяе вщслщковувати правильнють постановки дiагнозiв i тим самим накопичу-вати базу знань. З накопиченням досвщу дiагностування iз застосуванням розробленого методу, введенням нових дiагностичних параметрiв i уточненням дiагностичних правил постановку дiа-гнозу можна буде автоматизувати повнютю.
Дослiдно-промислове випробування розробленого методу дiагностування пiдшипникiв мехашзму хитання кристатзатора МБЛЗ проведено в умовах електросталеплавильного цеху ЗАТ "Мшметалургшний завод "1стш (Украïна) "(нинi ЗАТ "Донецький електрометалургiйний завод") (Украïна), в перюд з 2004 по 2008 р.р. на сортовий радiальноï МБЛЗ "DANIELI".
У бюро технiчноï дiагностики вiддiлу головного механiка заводу разом з ПЗ "МБЛЗ Зазор" була передана розроблена "1нструкщя з дiагностики мехашзму хитання кристатзатора МБЛЗ". Також даш матерiали були переданi в ТОВ "ГГЦ "Вiбродiагностика "(Северодонецьк, Украша) для застосування з вiбровимiрювальною техшкою, що серiйно виробляеться пiдприeмством [14].
В табл. 1 и на рис. 3 наведено приклад результата експериментального вимiрювання па-раметрiв коливального руху столу хитання, обчислення дискримшантних функцш i визначення вщповщного 1'м класу стану пiдшипникiв.
Таблиця 1
Приклад результата вимiрювання параметрiв коливального руху i визначення значень
дискримшантних функцш
Параметри коливального руху контрольно!' точки столу хитання Дискримшан-тш функцiï
в напрямку вимiрювання Радiус хитання, м
горизонтальному вертикальному
вiброшвидкiсть, мм/с вiброприско-рення, м/с2 вiброшвидкiсть, мм/с вiброприско-рення, м/с2 F! F2
7,42 0,17 114,78 2,75 4,9 2,777 0,34
На дiаграмi, представленш на рис.3, чгтко видно, клас що дiагностуeться розташовуеться в
Сер^я: Техшчш науки
4
3
сумежнш облает! 2-го { 3-го клас ¡в стан ¡в пщшипниьпв мехашзму хитання кристаль затора МБЛЗ.
2
^ Клас стану, що дiагностуeться (eкспериментальнi данi)
Мтмальна вщстань
ОТ о
-2
-1
буде вщ класу, що д!агнос-туеться до центру 3-го класу. Вщповщно був доставлений наступний д!агноз -аваршний стан пщшипниюв мехашзму хитання, а також дан! рекомендацп з ТСНР -провести позапланову замь ну пщшипниюв.
-3
З д1аграми також
о Класс 1
видно, що класи сташв пщшипниюв мехашзму хитання кр и стал ¡затора МБЛЗ утворюють само-стшш, чггко виражен област1, частково перес1чн1
□ Класс 2
........................................... 0 класс 3 П1ДШИПН
-6-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 0 ™асс 6
д Центроид класса ХИТаННЯ
тз ~ 1 . МБЛЗ
Рис. 3 - Дтграма положення в1домих клас1в стану та стану, що .
1 77 77 ст1йн1,
дтгностуеться в площин! дискримшантних функц1й г1г2 ~
м1ж собою. Клас стану, вщповщний наявносл в подшипниках допустимого сумарного зазору, розташований на д1аграм1 бшя л1вого и краю. Клас стану, вщповщний сумарному зазору близько 5 мм, розташований на д1аграм1 у правого краю. М1ж ними знаходиться найбшьший за обсягом клас, вщповщний задовшьному стану пщшипник1в механзму хитання.
Чим ближче положення класу, що д1агностуеться до л1во1 границ обласп 2-го класу, тим менше сумарний зазор, тобто техшчний стан краще, н1ж якщо клас розташовувався б ближче до право!' границ обласп, що вщповщае як збшьшенню сумарного зазору, так 1 вщповщному попршенню техшчного стану пщшипниюв. При положенн класу, що д1агностуеться в обласп перетину 2-го 1 3-го класу його можна розглядати як пром1жний клас, який характеризуемся передаваршним станом пщшипниюв механзму хитання кристал1затора МБЛЗ.
Результати огляду замшених пщшипниюв [15] подтвердили, що на б1гових дор1жках кшець вс1х пщшипниюв важшьного мехашзму хитання присутш вм'ятини вщ тш кочення глибиною вщ 0,3 до 2 мм (рис. 4), а сумарний зазор складае 3,9 мм.
Незалежно вщ стану кожного пщшипника мехашзму хитання, вщповщно до вимог регламенту ТО1Р МБЛЗ ПDANIELIП [16] були замшен вс пщшипники. Ця вимога обумовлена особливостями конструкцн мехашзму хитання, яка не дозволяе провести розбирання одного подшипникового вузла без розбирання шших вузл1в, а також не допускае експлуатащю пщшип-ниюв з р!зним ступенем зносу.
Рис. 4 - Пошкодження б1гових дор1жок пщшипниюв мехашзму хитання кристал1затора МБЛЗ в процес експлуатацп
Робота фах1вщв бюро техшчно!' д1агностики вщдшу головного мехашка ЗАТ "Мш1мета-лургшний завод "1стш (Украина)" з д1агностування мехашзму хитання кристал1затора МБЛЗ
Серiя: Техшчш науки
"DANIELI" в перiод з 2004 по 2008 р.р. тдтверджуе отриманi при експериментальному досль дженн результати. Використання розробленого методу дiагностування дозволило знизити вщ-хилення параметрiв коливального руху кристалiзатора МБЛЗ (амплпуди коливання i радiуса хитання) з ±50 до ±10 % вщ проектних значень, а також продовжити термш служби гшьз крис-талiзатора МБЛЗ в 2 рази за рахунок своечасного виявлення, визначення та усунення несправ-ностей механiзму хитання, що пiдтверджено вiдповiдним актом впровадження.
Висновки
Таким чином, розроблений перспективний вiброметричний метод дiагностування тдши-пниюв важiльного механiзму хитання кристалiзатора МБЛЗ, що полягае у визначент сумарно-го зазору в пiдшипниках на основi використання в якостi дiагностичних параметрiв дискримь нантних функцiй, обчислюваних за результатами вимiрювання параметрiв коливального руху столу хитання i встановлених границь розрiзнення несправних станiв шдшипниюв.
Ефективнiсть та достовiрнiсть розробленого методу дiагностування пщшипникш механiзму хитання кристалзатора МБЛЗ пщтверджена результатами його дослщно-промислового випробування.
Список використаних джерел:
1. Сидоров В.А. Анализ систем контроля и диагностирования механизмов качания МНЛЗ / В.А. Сидоров, А.Л. Сотников // Наук. пращ Донец. нац. тех. ун-ту. - Донецьк: ДонНТУ, 2005. -Вип. 102. - С. 46-55. - (Сер.: металурпя).
2. Гольдин А.С. Вибрация роторных машин. - 2-е изд., исправл. - М.: Машиностроение, 2000. - 344 с.
3. Освоение устройства качания кристаллизатора Динафлекс на предприятии "Лех-Шталь-верке" / Р. Кёль, К. Мёрвальд, Й. Пйппль, Х. Тёне // Сталь. - 2001. - №2. - С. 52-55.
4. Эффективность микропроцессорных систем контроля оборудования МНЛЗ / В.А. Тихановс-кий, А.Л. Кузьминов, А.П. Щеголев и др. // Сталь. - 1993. - №1. - С. 38-41.
5. Титов О.П. Совершенствование методики расчета и средств контроля механизма качания кристаллизатора криволинейной МНЛЗ: дис. ... канд. техн. наук: 05.04.04 / Титов Олег Павлович; Череповец. гос-й ун-т. - Череповец, 1998. - 169 с.
6. Сотников А.Л. Предупреждение отклонений параметров колебательного движения кристаллизатора МНЛЗ на основе развития методов диагностики механизма качания: дис. ... канд. техн. наук: 05.05.08 / Сотников Алексей Леонидович; Донец. нац. тех. ун-т. - Донецк, 2008. - 216 с.
7. Ковальов Р.В. Моделювання несправних сташв мехашзму хитання кристатзатора МБЛЗ / Р.В. Ковальов, Н.Н. Лисшов, В.А. Сидоров, О.Л. Сотшков; вщп. ред. З.А. Стоцько // Автомати-защя виробничих процешв у машинобудуванш та приладобудуванш: Украшський мiжвiд. на-ук.-техн. зб. - Львiв: "Львiвська полгтехшка", 2007. - Вип. 41. - С. 116-127.
8. Кравченко В.М. Техническое диагностирование механического оборудования. / В.М. Кравченко, В.А. Сидоров, В.Я. Седуш // Учебн. пособие - Донецк: ООО "Юго-Восток, Лтд", 2009. - 459 с.
9. Программный комплекс "Универсальный механизм": руководство пользователя. - Брянск: Лаборатория вычислительной механики БГТУ, 2006. - 607 с.
10.Сидоров В.А. Метод оперативного контроля соосности кристаллизатора с технологической осью ручья МНЛЗ / В.А.Сидоров, А.Л. Сотников // Бюллетень научно-технической и экономической информации "Черная металлургия" ОАО "Черметинформация". - 2006. - №9. - С. 38-41.
11. Дюк В. Data mining: учебный курс (+CD) / В. Дюк, А. Самойленко // - СПб: Питер, 2001. - 368 с.
12.Петреев Д.В. Влияние зазоров в механизме качания кристаллизатора на время опережения / Сталь. - 2007. - №4. - С. 67-69.
13. Ротенберг А.М. Повышение конкурентоспособности сортовых МНЛЗ путем их модернизации / А.М. Ротенберг [и др.] // Электрометаллургия. - 2003. - №3. - С. 41-46.
14.Инженерно-технический центр "Вибродиагностика". - Режим доступа: http://zfs.lg.ua/.
15. Сидоров В.А., Сотшков О.Л., Цокур В.П. Анашз характеру i причин несправностей пщшипникових вузлш мехашзму хитання кристалiзатора / Гол. ред. Э.О. Башков // Науковi пращ Донец. нац. тех. уш-т. - Донецьк: ДонНТУ, 2009. - Вип. 6(154). - С. 226-235. - (Сер.: машинобудування i машинознавство).
16.Производственно-техническая инструкция "Техническое обслуживание МНЛЗ "DANIELI". ПТИ 234-3-52-2007. - Донецк: ЗАО "ММЗ Истил (Украина)", 2007. - 53 с.
Рецензент: С.П. Сронько
д-р техн. наук, проф., ДВНЗ «ДонНТУ» Стаття надшшла 1.11.2010
