Введение к работе
Актуальность темы. Одна из наиболее важных задач современной металлургической промышленности связана со значительным повышением эффективности производства готовой продукции за счет повсеместного перехода на использование непрерывных технологических процессов. Однако техническое перевооружение производства тяжелой промышленности показало, что ввод в строй непрерывных технологических линий как с использованием зарубежной техники, так и на основе отечественных разработок наталкивается на большие трудности, заключающиеся в том, что у вновь спроектированного и введенного в строй оборудования в течение длительного периода его доводки наблюдается явное несоответствие между предъявляемыми к этому оборудованию требованиями по обеспечению непрерывности и интенсивности технологического процесса и препятствующим реализации данного требования низким уровнем его эксплуатационной надежности.
На нерешенность вопроса обеспечения необходимой эксплуатационной надежности создаваемого технологического оборудования неоднократно указывали в своих работах: Ф.К. Иванченко, Л.В. Коновалов, С.Н. Кожевников, В.М. Гребеник, Н.А. Северцев, В.В. Болотин, В.Т. Трощенко, К. Капур, Л. Ламберсон, В.П. Полухин, И.Н. Потапов, А.Н. Скороходов, В.П. Когаев, СВ. Серенсен и другие видные ученые. Попытки решить проблему создания надежного оборудования на стадии его проектирования с использованием известных вероятностных методов или путем увеличения масс и габаритов наиболее ответственных деталей пока желаемых результатов не дали. Уже стало очевидным, что достижение принципиальных положительных результатов в решении этой безусловно актуальной проблемы обеспечения надежности непрерывных технологических линий на стадии их проектирования требует не столько совершенствования существующих методов расчета, сколько дополнения их новыми подходами в формировании такого вида комплексов оборудования.
Можно утверждать, что сформулированная важная хозяйственная задача по достижению высокой производительности непрерывных технологических линий за счет интенсификации и непрерывности вновь вводимых производств остается не решенной. Она требует разработки и внедрения методологических и методических подходов к формированию оборудования, позволяющих рассматривать непрерывные технологические линии как единый взаимосвязанный комплекс технологических агрегатов.
Целью исследования является разработка научных основ, методологии и новых методов формирования параметров технологических комплексов с характеристиками безотказности, долговечности и плановоремонтопригодности, обеспечивающих реализацию непрерывных технологий и сокращающих период доводки оборудования на начальной стадии его эксплуатации.
Задачи исследования:
произвести полную оценку характера нагрузок, возникающих в объединенном в непрерывную технологическую линию оборудовании, и влияние их на работоспособность технологических машин;
разработать критериальную базу и методологию определения работоспособности элементов технологического оборудования;
обосновать основные понятия, закономерности и принципы формирования сложных устойчиво функционирующих технологических комплексов;
выработать методы оценки прочности и работоспособности конструкционных материалов, используемых в элементах технологических машин;
разработать методику оценки основных размеров элементов оборудования с учетом технологии ремонта и обслуживания;
оценить надежность прокатных комплексов, их агрегатов, узлов и деталей и установить особенности применения теории сложных технических систем для организации планомерных работ по эксплуатации обслуживанию и ремонту оборудования, поддержанию его в работоспособном состоянии;
разработать основные принципы формирования системы проектирования плановоремонтопригодного оборудования повышенной надежности и предложить алгоритм проектирования непрерывных технологических комплексов, учитывающий опыт эксплуатации надежного оборудования в практике;
разработать основные расчетные операции аналитических блоков программы определения параметров прокатного комплекса и его агрегатов.
Предметом исследования является научная проблема, возникшая в результате противоречия между значительными возможностями непрерывных технологических процессов и сдерживающими реализацию этих возможностей техническими ограничениями, вызванными низким методическим и методологическим обеспечением эксплуатационной надежности объединенного в непрерывные технологические линии оборудования. Рассматривается проблема на примере оборудования технологических линий прокатного производства.
Методы исследования. Основой методологии исследования является системный подход, в качестве ключевых моментов которого используются диалектическая логика, теория движения и развития, метод энергетических и временных балансов, теория самоорганизации сложных систем, теория фрактальности сложных систем. При выполнении работы использовались фундаментальные методы теоретической и прикладной механики, в частности: аналитические методы решения прочностных и вероятностных задач, методы проведения численного эксперимента, статистические и вероятностные методы оценки статистического материала, вероятностные методы оценки адекватности аналитических и экспериментальных данных, методы структурирования, анализа и синтеза сложных систем. Широко применены также такие физические методы исследования, как тензометрия нагрузок в элементах оборудования, регистрация динамических характеристик движения металла и волновых процессов с помощью акселерометров, скоростная киносъемка очага деформации, сбор и обработка статистического материала.
Достоверность и обоснованность полученных результатов, выводов и рекомендаций работы подтверждаются корректным использованием апробированных математических методов; обоснованным использованием научных теорий; адекватностью разработанных в диссертации моделей; экспериментальными материалами, полученными в процессе проведения лабораторных и промышлен-
ных исследований с применением современных методов обработки статистических данных; сопоставлением полученных результатов с ранее известными данными и проверкой их в промышленных условиях.
На защиту выносятся следующие основные научные разработки и положения:
методология и методы оценки нагруженности элементов тяжелых технологических машин прокатного производства, учитывающие, кроме технологических нагрузок, сопутствующие им динамические и волновые процессы, а также влияние статических и динамических составляющих нагрузок соседних агрегатов непрерывной технологической линии;
критериальная база проектирования надежного оборудования исходя из наперед заданных требований, основанная на уточненном понятии его работоспособности в смысле способности выполнять возложенную на данное оборудование работу с вполне определенной вероятностью;
закономерности изменения показателя работоспособности машин и агрегатов в зависимости от условий их эксплуатации, позволяющие отслеживать по заданному ресурсу работы оборудования его прочностные характеристики;
новые зависимости усталостной прочности материалов в координатах «напряжение - объем работы», дающие возможность упростить расчет деталей оборудования на необходимую исходя из условий проектирования надежность;
основы теории формирования прокатных комплексов как устойчиво функционирующих сложных технических систем, в которых установлены закономерности, обеспечивающие уравновешенные количественно-качественные пропорции элементов;
принципы и методика формирования параметров прокатных комплексов и входящего в них оборудования как сложного технического объекта, отвечающего требованиям безотказности, долговечности и плановоремонтопригодно-сти;
методики определения основных параметров всего технологического комплекса прокатного производства, его агрегатов, машин, узлов и деталей;
основы создания системы расчета прокатных комплексов и элементы расчетно-аналитических программ определения основных параметров прокатных агрегатов с требуемыми для реализации непрерывных технологических процессов безотказностью, долговечностью и плановоремонтопригодностью.
Научная новизна диссертации:
обоснована методология проектирования технологических комплексов,
которая реализуется путем разрешения взаимосвязанного ряда следующих част
ных задач: нахождения всех видов технологических нагрузок, их динамических
составляющих и волновых процессов; определения связей между нагрузками и
универсальным показателем работоспособности оборудования; установления
показателей работоспособности применяемых в оборудовании материалов и
определения долговечности его элементов; выявления специфики проектирова
ния оборудования как сложной технической системы с учетом его технологиче
ских особенностей; формирования основных элементов системы проектирования
надежного технологического оборудования;
доказано, что причинами высоких динамических нагрузок в машинах технологических агрегатов непрерывных прокатных станов являются высокоскоростные условия прокатки, форма переднего конца полосы в момент ее входа в клеть, взаимовлияние клетей и волновые процессы, вызванные нестационарным характером движения полосы в очаге деформации клетей;
установлено, что универсальным параметром оценки способности элементов сложных машин сопротивляться действующим нагрузкам может служить показатель работоспособности агрегатов, понимаемый как способность агрегата выполнить заданную работу с определенной вероятностью, который как комплексный показатель органически связан с процессом мятия материала детали и зависит от динамических нагрузок в агрегате;
доказана необходимость и возможность использования в расчетах так называемых невелеровских характеристик долговечности материала в координатах «напряжение - объем работы мятия материала», что позволяет связывать работоспособность материала детали с ее надежностью; сопоставление работоспособности детали и материала как показателя их надежности служит основой метода, обеспечивающего решение задачи безотказность - долговечность - габариты элемента машины;
показано, что формирование тяжелого многофункционального оборудования, к которому относятся и непрерывные прокатные станы, может быть осуществлено на основе теории формирования сложных технических систем; в этой теории дано понятие сложного технического объекта, выявлены количественно - качественные пропорции его элементов в устойчивом состоянии, рассмотрен механизм анализа объектов, показана его адекватность практическим данным и возможность использования для формирования прокатного оборудования;
дано полное обоснование общих подходов к разработке основ системы проектирования и комплектования технологических комплексов, узлов и деталей, входящих в них машин исходя из требований эксплуатации, ремонта и обслуживания оборудования; в основу системы проектирования ставится принцип преемственности, который реализуется с помощью двух типов моделей - формирования сложных объектов и определения габаритов деталей и узлов машин исходя из заданных первой моделью показателей безотказности и долговечности.
Практическая значимость исследования. Полученные в работе результаты позволяют разрабатывать методы формирования параметров прокатных комплексов, их агрегатов, машин и узлов, дающих возможность обеспечить на стадии проектирования необходимые показатели работоспособности и плановоре-монтопригодности. Применение предложенных методов на практике показало высокую их эффективность, что позволяет рекомендовать их для формирования оборудования современных непрерывных высокоскоростных технологических линий, обеспечения высокой эффективности организации труда ремонтных служб, механических цехов и заводов, выпускающих запасные части. Методики расчета машин на заданную работоспособность позволяют осуществить принципиальный для промышленности переход к созданию оборудования с необходи-
мыми для высокопроизводительных производств технологическими и эксплуатационными свойствами.
Личный вклад автора. Все научные результаты диссертационной работы получены лично автором диссертации либо при его непосредственном участии. Из 56 основных работ по теме диссертации 39 опубликованы совместно с соавторами. При этом основные идеи и научно-методические разработки совместных исследований, а также выводы по их результатам принадлежат исключительно диссертанту.
Реализация результатов работы в промышленности и учебном процессе. Результаты теоретических и экспериментальных исследований явились научной основой для разработки новых технических и технологических решений, использование которых на Орско-Халиловеком, Западно-Сибирском и Кузнецком металлургическом комбинатах обеспечило повышение безотказности и долговечности оборудования, снизило простои прокатного и других видов оборудования, дало значительный технико-экономический эффект (Акты внедрения технических предложений автор прилагает в диссертации).
Теоретические положения и алгоритмы программ, представленные в диссертации, используются в вузах при изучении дисциплин «Расчет и конструирование металлургических машин и аппаратов», «Оборудование цехов обработки металлов давлением». Основные результаты работы изложены в пяти учебных пособиях для студентов технических специальностей и монографии «Основы теории формирования сложных технических систем».
Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты работы докладывались и обсуждались на: Международной научно-технической конференции «Современные проблемы и пути развития металлургии» (Новокузнецк, 1998 г.); 5-ой Международной конференции «Актуальные проблемы материаловедения в металлургии» (Новокузнецк, 1997 г.); Международной конференции «Структурная перестройка металлургии: экономика, экология, управление, технология» (Новокузнецк, 1996 г.); ежегодных научно-технических конференциях по секции «Машиностроение и горные машины» Российской инженерной Академии (Новокузнецк, 1993-1998 гг.); Всесоюзном совещании «Моделирование физико-химических систем и технологических процессов в металлургии «(Новокузнецк, 1991 г.); Всесоюзном семинаре «Пластическая деформация материалов в условиях энергетических воздействий» (Новокузнецк, 1991 г.); Региональной научно-технической конференции, посвященной 60-летию СМИ (Новокузнецк, 1990 г.); Всесоюзной конференции «Социально-экономические проблемы достижения коренного перелома в эффективности развития производительных сил Кузбасса» (Новокузнецк, 1988 г.); Конференции СО АН СССР «Новые металлургические технологии и оборудование» (Новосибирск, 1988 г.); Всесоюзной конференции «Тензометрия-86» (Кишинев, 1986 г.); Всесоюзной научно-технической конференции «Металл и технический прогресс» (Москва, 1987 г.); Зональной научно-технической конференции «Повышение эффективности металлургического производства» (Кемерово, 1985 г.); научно-технических советах и совещаниях металлургических предприятий (ЗСМК, 1973-1999 гг., ОХМК , 1973-1990 гг., НКАЗ, 1993-1995 гг., КМК, 1974-1999 гг.); научных семинарах кафедры машин и агрегатов металлургических предприятий МИСиС и кафедры ОМД и металлур-
гического оборудования МГВМИ (1998 г.); второй Международной конференции «Модернизация Российской металлургии» (Москва, 2007 г.); ежегодных научно-практических конференциях по секции «Проблемы механики и машиностроения» Международной Академии наук высшей школы (Новокузнецк, 2001 - 2010 гг.)
Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует п.1 « Разработка научных и методологических основ проектирования и создания новых машин, агрегатов и процессов; механизации производства в соответствии с современными требованиями внутреннего и внешнего рынка, технологии, качества, надежности, долговечности и промышленной и экологической безопасности» и п. 4 «Методологические основы формирования количественной и качественной структуры парка машин и агрегатов в зависимости от функционального назначения, организационно-производственных и технических параметров, региональных и природно-климатических условий производства» паспорта специальности 05.02.13 «Машины, агрегаты и процессы (металлургическое производство)»
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 56 работах, включающих монографию, 5 учебных пособий, 46 статей (25 из них в рецензируемых журналах и изданиях) и четыре авторских свидетельства на изобретение.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и основных результатов и выводов по работе, изложенных на 378 страницах машинописного текста, включая 3 таблицы, 107 рисунков, библиографический список из 207 наименований и приложения.
