CC BY
93
УДК 658.82.018.
ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АГРЕГАТОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН ПО ОБРАБОТКЕ БЕЛЬЯ В ПЕРИОД
ЭКСПЛУАТАЦИИ
Даниил Вадимович Шумов, аспирант, e-mail: danil.s@bk.ru
ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», Москва
Проанализированы изменения параметров технического состояния машин в период эксплуатации, а также пределы изменения этих параметров, которые ограничены максимально допустимыми отклонениями их от номиналов; выявлено, что работоспособность машин может быть обеспечена путем осуществления комплекса периодических технических воздействий; рассмотрена модель составляющих элементов вращающегося барабана; показано, что по характеру работы система технической эксплуатации машин предусматривает следующие стратегии: по состоянию (ежемесячное обслуживание), в случае внезапного отказа, плановые по наработке.
The author analyzed the changes in the parameters of the technical state of machines during the operation period, as well as the limits of these parameters, which are limited to the maximum permissible deviations from their nominal values. The article revealed that the efficiency of machines can be achieved through the implementation of complex periodic technical effects. The author considered the model of the constituent elements of the rotating drum and showed that the nature of the system of technical operation of machines includes the following strategies: status (monthly service), in the case of sudden failure, plan on an operating time.
Ключевые слова: параметры технического состояния, потеря работоспособности, отказ стирально-отжимных машин.
Keywords: parameters of the technical state, loss of efficiency, failure of washer-extractors machines.
Технологический процесс обработки белья преследует основную цель - улучшение эстетических и восстановление гигиенических свойств текстильных изделий. Эта цель может быть достигнута благодаря использованию машин, аппаратов и устройств. Совокупность машин, аппаратов и устройств, предназначенных для механизированной обработки белья, назовем парком машин. Этот парк машин формируется с помощью некоторых экономических и организационно-технологических мероприятий с целью приближения его к определенной структуре, видам работ и программе предприятия.
Наиболее важными, выполняющими основные объемы работ и определяющими все показатели предприятия, являются стирально-отжимные машины автоматического управления (далее машины). Каждая такая машина представляет собой определенную
упорядоченную структуру связанных между собой элементов (деталей, узлов и агрегатов). Взаимодействие между отдельными элементами зависит от их геометрических размеров, а также механических, электрических и других величин. Эти величины назовем параметрами технического состояния, которые с течением времени эксплуатации машины изменяются.
Анализ работы машин показывает, что изменение параметров технического состояния происходит вследствие одновременного воздействия случайных повреждений и постепенных процессов изнашивания элементов машин, которые по своему составу являются неоднородными. Разрыв между наибольшим и наименьшим значениями параметров целесообразно характеризовать кратностью.
С течением времени машина теряет свою работоспособность. Обеспечить долголетнюю работу машины по мере потери ее работоспособности можно путем комплекса воздействий, восстанавливающих в известных пределах эту работоспособность. В числе таких воздействий является техническая эксплуатация.
Под технической эксплуатацией следует понимать комплекс мероприятий, осуществляемых обслуживающим персоналом, по обеспечению нормального функционирования машины при сохранении установленных технико-экономических показателей. Эти мероприятия включают управление технологическим процессом и работой машины при выполнении ей заданных функций, технические воздействия и ремонт машины.
Стирально-отжимные машины представляют собой систему с последовательной схемой соединения элементов, при которой выход из строя одного из них приводит к отказу всей системы. Поэтому при определении потребности технических воздействий необходимо рассматривать интенсивность отказов не машины в целом, а интенсивность отказов ее невосстанавливаемых и восстанавливаемых элементов, таких как электронагревательные элементы, клапаны, уплотнительные устройства и др.
По имеющимся данным, число отказов отдельных элементов машин в процентах к общему числу отказов следующее:
• микровыключатели и краны с электромагнитным управлением - 15... 20%;
• клапаны холодной и горячей воды (пара) - 4. 8%;
• фильтры - 12.20%;
• трубопроводы металлические - 1,3.. .1,4%;
• трубопроводы гибкие (шланги) - 2,5.3%;
• пружинные подвески - 7.7,8%;
• нагревательные элементы - 4.6%;
• уплотнительные элементы - 15.20%;
• ремни клиноременной передачи -9.16%;
• подшипники качения - 2,5.. .3,5%;
• электродвигатели - 2,2.2,6%.
Возникновение отказов зависит от различных факторов, определяемых как внутренними свойствами элементов, так и воздействием внешних условий. Это приводит к тому, что процесс возникновения отказов носит случайный характер.
Наиболее востребованной является стирально-отжимная машина промышленного назначения ЛО-15 с максимальной загрузочной массой 15 кг белья и электрическим обогревом. При электрическом нагреве водяной ванны предусмотрен блок электронагревателей. В блоке размещены три электронагревателя трубчатых (ТЭН-100В 13/50) 220В, каждый мощностью 5кВт.
Термические условия работы являются главными факторами, влияющими на надежность и долговечность работы ТЭНов. Зависимость сопротивления наполнителя ТЭНа от рабочей температуры определяется соотношением
где Я - сопротивление изоляции при температуре оболочки Т < 400° С; Я0 -сопротивление изоляции обесточенного ТЭНа; Т0 - температура оболочки обесточенного
Это соотношение не зависит от времени работы ТЭНа и позволяет сравнивать их работу при различных тепловых режимах.
На основе анализа экспериментальных исследований и опыта эксплуатации установлено, что основными дефектами ТЭНов являются отложения на стенках трубки (накипь или нагар), а также ослабление крепления проводов на клеммах подсоединения и ТЭНов к коробке блока.
Эти неисправности определяются визуальной дефектоскопией и устраняются по мере их появления. Однако не все неисправности можно обнаружить визуальной дефектоскопией. Пробой изоляции на корпус в результате разрушения герметичности, перегоревшую спираль и другие неисправности, которые носят скрытый характер, можно определить приборной дефектоскопией с помощью мегомметра М1101М. Срок службы нагревателей может быть определен по формуле
(1)
ТЭНа.
Сн = Kтd.,
(2)
где К - коэффициент, учитывающий форму сечения нагревателя (для круглой проволоки К =1); п - срок службы нагревателя из проволоки диаметром 1мм; ё - диаметр проволоки, мм (по данным [1], срок службы трубчатых нагревателей составляет 8.10 тыс. ч).
Главным рабочим органом стиральной машины является вращающийся внутренний барабан, в котором происходит процесс обработки белья. Вращение внутреннего барабана осуществляется с помощью электродвигателя через клиноременную передачу (рис. 1).
Рис. 1. Кинематическая схема машины: 1 - электродвигатель АИР 100 S4 У3 3кВт 1500об/мин; 2 - шкив 080 мм; 3 - шкив 0345мм; 4 - ремень SPA 1800; 5 - подшипник № 312;
6 - подшипник № 3612; 7 - барабан внутренний; 8 - барабан наружный
Наружный барабан служит кожухом внутреннего барабана и резервуаром для стиральной жидкости.
В процессе работы машины элементы вращающегося барабана подвергаются различным разрушающим воздействиям. Для оценки надежности этой системы предлагается модель, изображенная на рис. 2.
Электродвигатель -► Клиноременная -► Внутренний
передача барабан
К-
\:
Подшипники вала опоры барабана
Торцевые уплотнения
Рис. 2. Модель расчета надежности системы машины
В любой момент времени система может находиться в одном из двух возможных состояний: исправном или неисправном. Для безотказной работы этой системы требуется, чтобы функционировали все ее составляющие. При выходе из строя одного из элементов система становится неработоспособной.
Рассмотрим влияние каждого элемента на работу машины. Для преобразования электрической энергии в механическую служит асинхронный электродвигатель. Установлено, что в процессе эксплуатации электродвигателей возникают неисправности, которые по характеру происхождения можно подразделить на механические и электрические. Возникающие в процессе эксплуатации механические неисправности большей частью выражаются в ослаблении крепления проводов на клеммах подсоединения, в износе подшипников из-за несвоевременной замены смазки, в повреждении подшипниковых щитов и др.
Электрические неисправности являются чаще всего следствием длительной работы электродвигателя, износа и повреждения статорных обмоток.
На основе изучения опыта эксплуатации электродвигателя установлено, что процесс износа обмоток электродвигателя заключается в старении изоляции, т.е. изменении структуры и потере электроизоляционных качеств. Обмотка под действием протекающего в ней тока нагревается, этот нагрев передается изоляции. При нагревании в изоляции происходят необратимые химические и физические процессы, которые ухудшают ее электрические и механические свойства. Скорость износа изоляции зависит от условий эксплуатации стиральной машины, повышении момента сопротивления на валу электродвигателя вследствие перегрузки и проникновения влаги.
Определение неисправностей в статорных обмотках сводилось к проверке сопротивления изоляции обмоток относительно корпуса электродвигателя, а также между обмотками различных фаз, и состояния изоляции обмоточных проводов (витковая изоляция). Для диагностики электродвигателей использовался индикатор дефектов ИДВИ-0,2.
Понижения сопротивления изоляции относительно корпуса измеряли мегомметром М1101М. Сопротивление изоляции обмоток (в МОм) относительно корпуса электродвигателя и сопротивление изоляции между обмотками должна быть не ниже значения, полученного по формуле
= —^Чг, (3)
1000 + -^-100
где Ун - номинальное напряжение обмотки двигателя, В; Рн - номинальная мощность электродвигателя, Вт.
Обычно считают, что сопротивление изоляции не должно быть менее 0,5МОм [2]. Если мегомметр показывает нулевое сопротивление, очевидно, имеется пробой изоляции.
Электродвигатели с низким или нулевым сопротивлением обмотки подлежат замене.
Элементами клиноременной передачи являются два шкива, охватываемые гибкими ремнями. Для ремней рабочими поверхностями служат боковые стороны клиновой канавки в ободе шкива. Ремни - наименее долговечные элементы передачи. Их разрушение вызывается следующими причинами: поскольку непременным условием работы ременных передач является создание трения между ремнем и шкивом, для ремня, после установки его на шкивах, создают предварительное натяжение ¥0. Чем больше ¥0, тем выше тяговая способность передачи. В состоянии покоя или холостого хода каждая ветвь ремня натянута одинаково с силой ¥о. При приложении рабочей нагрузки Р1 происходит перераспределение натяжений в ветвях ремня: ведущая ветвь дополнительно натягивается до силы ¥1, а натяжение ведомой ветви уменьшается до ¥2. Из условия равновесия моментов внешних сил относительно оси вращения окружная сила на шкиве будет равна ¥{ = ¥1 - ¥2.
Общая геометрическая длина ремня во время работы передачи остается неизменной, так как дополнительное удлинение ведущей ветви компенсируется равным сокращением ведомой ветви. Следовательно, насколько возрастает натяжение ведущей ветви ремня, настолько же оно снижается в ведомой, т.е. ¥1 + ¥2 = 2¥0. При обегании ремнем шкивов в нем возникает центробежная сила ¥ц, которая отбрасывая ремень от шкива, уменьшает полезное действие предварительного натяжения ¥0 и понижает нагрузочную способность передачи. Натяжение в ведущей и в ведомой ветвях ремня при работе будет соответственно ¥1 + ¥ц и ¥2 + ¥ц, а для холостого хода ¥0 + ¥ц.
При работе в ременной передаче, в результате разности натяжений ведущей и ведомой ветви, возникает упругое скольжение ремня. Оно вызывает его изнашивание и нагревание. Эти явления усугубляются неизбежным буксованием ремня, особенно при его перегрузках или слабом натяжении. В процессе огибания шкивов в ремне возникают напряжения изгиба. Поэтому долговечность ремня будет определяться и сопротивлением усталости, которое зависит не только от значений напряжений, но также от долготы циклов напряжений, т.е. от числа изгибов ремня в единицу времени. Под влиянием циклического деформирования и сопровождающего его внутреннего трения в ремне возникают усталостные разрушения.
В процессе эксплуатации натяжение ремня производят изменением межосевого расстояния с помощью перемещения шкива привода. Схема проверки натяжения ремня приведена на рис. 3. Установлено, что величину износа ремня целесообразно контролировать по величине зазора между торцом внутренней части ремня и канавкой в ободе шкива после его натяжения. Если зазор уменьшился до 2 мм, ремни подлежат замене. Ремни с трещинами, надрывами и расслоением тканей бракуют. Поскольку в рассматриваемой стирально-отжимной машине ЛО-15 установлено два ремня, при выходе из строя одного из них снимают и второй. Использование нового ремня с ремнем, бывшим в употреблении, недопустимо.
Рис. 2. Схема проверки натяжения ремня: I - расстояние от шкива до точки проверки натяжения ремня; у - прогиб ветви ремня от первоначального положения (у = 8,5мм при усилии Q=15,5±0,1кг для нового ремня и Q=11,8±0,1кг
для приработанного ремня)
Основным рабочим органом стиральной машины является вращающийся внутренний барабан, в котором белье обрабатывается путем трения и механического воздействия на бельевую ткань в моющем растворе. Вал барабана закреплен в двух подшипниках, смонтированных в опоре, установленной на задней стенке наружного барабана. Узлом, предотвращающим попадание моющего раствора в корпус опоры, является торцевое уплотнение.
Одним из важнейших условий работы подшипников является их смазка. В качестве смазочного материала завод-изготовитель рекомендует масло Тап-15 ГОСТ 23652-79. Масло можно добавлять или полностью заменять. Если добавление смазочного материала определяется визуальной диагностикой, то замена производится по мере изменения эксплуатационных свойств масла, т.е. должны появиться такие выбраковочные признаки, как снижение способности масла уменьшать трение, возникающее во время работы машины между телами подшипников качения.
Для ускоренного определения износостойкости подшипников и смены смазочного материала использовался стенд ДМ28М для испытания подшипников. В качестве объекта испытания были взяты подшипники опоры внутреннего барабана №312 ГОСТ 8338-75 и
№3612 ГОСТ 5721-5-75, которые были монтированы в испытательную головку стенда. Наружные кольца испытываемых подшипников находились в общей обойме головки, внутренние - монтировались на вал, приводимый во вращение от электродвигателя через клиноременную передачу. Нагружение подшипников производилось винтом через наружные кольца, которые жестко связаны с обоймой головки. Величина нагрузки контролировалась силоизмеряющим устройством в виде динамометрической скобы. Масло, объем которого, по рекомендации завода-изготовителя, должен составлять 0,22 л, заливалось в корпус обоймы испытательной головки.
Косвенную оценку состояния подшипников вала опоры барабана производили на основе изменения поверхностного слоя деталей подшипника, вызванного трением, которое сопровождается возникновением колебаний, измеряемых в децибелах. Для этих целей использовали прибор ФВД АЛ-2-3МТ, принцип действия которого основан на контроле вибрации проверяемого подшипника путем мгновенной оценки технического состояния в работающем механизме.
Основным показателем состояния масла является вязкость. Она контролировалась с помощью вискозиметра, в котором сравнивались скорости протекания испытываемого и эталонного масел.
Характер изменения технического состояния подшипников и свойств смазочного материала приведен на рис 4.
----------------------------------------------------------------^
Время, час.
Рис. 4. Условные периоды изменения технического состояния подшипников: I - начальный; II-установившейся работы; III - нарушенной работы, вызванной увеличением шума и нагрева (кривая 1 - изменение технического состояния подшипников; кривая 2 - изменение свойств масла)
В начальный период испытания подшипников важную роль играет шероховатость поверхностей его деталей, т.е. совокупность отношений неровностей, образующих рельеф поверхностей деталей. Наружная поверхность деталей подшипника всегда имеет неровности различных форм и высоты в виде выступов. При испытании во вращающихся парах наблюдается непосредственный контакт между поверхностями трения и, как
следствие - интенсивный процесс изменения геометрических размеров сопрягаемых деталей подшипника. Вызвано это тем, что в процессе работы подшипника осуществлять трение качения в чистом виде не представляется возможным. Тела вращения не могут катиться без скольжения одновременно по поверхностям разных радиусов, между которыми они заключены в подшипнике. Кроме того, движение тела вращения по поверхности связано с деформацией в месте контакта. В результате такой деформации создается участок контакта конечной протяженности, удлиненный в направлении движения. Очевидно, что качение не может не сопровождаться проскальзываниями на отдельных участках суммарной площади контакта.
Таким образом, в начальный период работы I процесс изменения геометрических размеров сопрягаемых деталей подшипника идет интенсивно и положение максимума на соответствующем этому периоду участке кривой 1 зависит от давления на трущиеся тела качения и от их твердости. В результате исходная шероховатость поверхностей переходит в эксплуатационную, т.е. ту, при которой происходит основная работа поверхностей трения. Этот период достаточно короткий и составляет около 25 ч работы подшипниковой пары. Вязкость смазочного материала остается неизменной.
Далее наступает следующий период - период установившейся работы II, в котором причиной возникновения шероховатости поверхностей является непосредственный контакт между поверхностями деталей подшипника и связанное с этим периодическое изменение силы трения при относительном перемещении поверхностей. Изменение шероховатости поверхности вызывается тем, что в процессе работы подшипника нагрузки на тела качения действуют неравномерно. Срок службы подшипникового узла зависит от качества смазочного материала.
Во время работы подшипникового узла минеральное масло претерпевает изменения, постепенно теряя свои свойства, и становится непригодным для дальнейшего использования. Основной причиной, вызывающей химическое изменение масла в эксплуатации, является действие кислорода. Процесс окисления масел происходит с образованием ряда растворимых (кислот, смол) и нерастворимых (карбидов и др.) в масле продуктов. Нерастворимые продукты окисления масла образуют шлакообразные отложения на поверхностях деталей. Масло загрязняется от попадания в него частичек металла с трущихся поверхностей и абразивных частиц, проникающих вместе с воздухом. Кроме того, минеральные масла обладают некоторой гигроскопичностью, в результате чего масло обводняется.
Наступает период III, при котором измененные качественные показатели масла нарушают работу подшипников. Нарушение нормальной работы подшипников сопровождается повышением шума, колебаний и нагревом.
После смены масла техническое состояние подшипникового узла восстановливалось до состояния, характерного для начала периода II.
Таким образом, качественными показателями, определяющими необходимость смены смазочного материала, основанными на результатах проведенных испытаний, являются нарушение нормальной работы подшипникового узла, сопровождающееся повышением шумов, и разжижение смазочного материала.
Для объективного сравнения было организовано наблюдение за эксплуатацией четырех стирально-отжимных машин на прачечных ООО «Дина» в течение 170 дней, т.е. 1360 ч. Для диагностики использовались те же приборы, что и для лабораторных испытаний. В результате проведенных исследований подтвердился характер изменения свойств масла и состояния подшипников, а также подтвердилась целесообразность проведения плановых технических воздействий с периодичностью каждые 950.1000 ч работы (в соответствии с рекомендациями [1]). Кроме того, выяснилось, что от 10 до 15% рабочего времени, в зависимости от времени года, машины простаивают из-за отсутствия заказов. В этой связи необходимо на машинах иметь встроенные мотосчетчики времени работы в часах.
К числу основных направлений решения проблемы повышения эффективности эксплуатации машин относится и переход на техническое обслуживание машин по потребности за счет непрерывного отчета времени работы и технического состояния машины с помощью встроенных в их конструкцию автономных диагностических датчиков и измерителей времени работы в часах. Внедрение встроенного автономного диагностирования, в первую очередь, должно осуществляться по основным агрегатам машины, техническое состояние которых больше влияет на работу [3]. В основе эффективности встроенного автономного диагностирования и датчиков измерителей времени лежит то, что это направление обеспечит полную реализацию ресурса агрегатов машины и минимизацию эксплуатационных расходов запасных частей.
Таким образом, на основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы: возникновение отказов стирально-отжимных машин зависит от различных факторов, определяемых как внутренними свойствами составляющих элементов, так и воздействием внешних условий. Это приводит к тому, что процесс возникновения отказов носит случайный характер.
Отмечено, что особенностью построения системы технических воздействий на работу машины является то, что при определении потребности технических воздействий необходимо рассматривать интенсивность отказов не машины в целом, а интенсивность отказов невосстанавливаемых и восстанавливаемых элементов.
Также установлено, что основным рабочим органом стиральной машины является вращающейся барабан. Важнейшим условием его работы является смазка подшипникового узла. Качественными показателями, определяющими необходимость смены смазки, являются нарушение нормальной работы подшипникового узла и разжижение его смазочного материала.
Показано, что перспективным направлением в решении проблемы повышения эффективности эксплуатации машин является переход на техническое обслуживание по потребности за счет непрерывного контроля технического состояния с помощью встроенных в их конструкцию датчиков диагностических комплексов и измерителей времени работы.
Литература
1. Болгов И.В., Голиков А.И., Дзегиленок В.Н. и др. Инженерное обеспечение ремонта технологических машин и оборудования предприятий сервиса. М.: МГУСервиса. 2000.
2. Болгов И.В. Ремонт оборудования предприятий химической чистки и прачечных. 2-е изд. М.: Легпромиздат. 1989.
3. Болгов И.В. Точные системы диагностирования технического состояния бытовых машин и технологического оборудования // Мат. XI Междунар. научн.-практ. конф. «Наука - сервису». М. 2006.
4. Подшипники качения: Справочник-католог / Под ред. В.Н. Нарышкина и Р.В. Коросташевского. М.: Машиностроение. 1984.
5. Голиков А.И., Посеренин С.П., Болгов И.В., Климов В.С. Методы системного анализа при разработке рациональной системы технической эксплуатации технологических машин и оборудования // Мат. VII Междунар. научн. конф. «Наука -индустрии сервиса». М. 2002.
Поступила 15.11.2011 г.
