Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1: Обоснование необходимости исследования эксплуатационной эффективности трайб аппарата
1.1. Основные положения теории эффективности 8
1.2. Факторы, определяющие эффективность трайбаппарата 13
1.3. Показатели и критерии эффективности 23
1.4. Системные принципы исследования эксплуатации машин 29
1.5. Задачи исследования 35
ГЛАВА 2: Принятие решений обеспечивающих повышение эффективности эксплуатируемых машин
2.1. Процесс выработки решений при исследовании эффективности с помощью экспертной системы
2.2. Экспертная система обследования машин 41
2.2.1. Состав базы знаний экспертной системы 46
2.2.2. Организация базы моделей в экспертной системе 51
2.3. Выводы 55
ГЛАВА 3: Оптиматизационные модели планирования и обслуживания технических систем
3.1. Модели и оптимизация межремонтных периодов 56
3.2 Оптимизационные модели расчет числа запасных частей трайбаппарата
3.3. Диагностика и её роль при оценке технического состояния машин (выбор основных параметров приборов)
3.4. Выводы 81
ГЛАВА4: Надежность и прогнозирование . технического состояния трайбаппарата
4.1. Повышение надежности трайбаппаратов при действии внезапных отказов 82
4.2. Повышение надежности трайбаппаратов при действии износовых отказов
4.3. Совместное воздействие внезапных и износовых отказов 99
4.4. Прогнозирование технического состояния элементов трайбаппарата 101
4.5. Выводы 111
ГЛАВА 5: Рекомендации по внедрению мероприятий по повышению эффективности производства и надежности трайбаппарата
5.1. Предложения по повышению надежности трайбаппарата, в зависимости от технологии изготовления и обработки подающих роликов
5.2. Технологические и конструктивные изменения изготовления роликов 119
5.2.1. Металловедческие исследования и результаты химико-термической обработки
5.3. Изменение конструкции механизма ввода проволоки 128
5.4. Определение деформации элементов участвующих в процессе подачи проволоки в расплав металла
Заключение 143
Список использованной литературы *44
Приложение 153
- Факторы, определяющие эффективность трайбаппарата
- Экспертная система обследования машин
- Повышение надежности трайбаппаратов при действии внезапных отказов
- Технологические и конструктивные изменения изготовления роликов
Факторы, определяющие эффективность трайбаппарата
Эффективность технических систем (ТС) определяется множеством различных по своей природе факторов. Под фактором понимают движущую силу какого-либо процесса или условие, которое влияет на тот или иной процесс. При исследовании эффективности технических систем, как правило, выделяют три группы факторов: качество ТС, условие функционирования ТС, способы использования (применения) ТС.[ 19,99,48,55,30] Для достижения определенной технологией цели создают систему металлургической установки вакуумирования стали с применением трайбаппарата. Рассматривают операцию, в которой анализируемая система (УПВС, трайбаппарат) является активным средством достижения поставленной цели (предназначена для ввода в ковш с расплавленным металлом раскислителя и легирующих компонентов в виде алюминиевой и порошковой проволоки, мерными длинами и с определенной скоростью определяемой АСУ (автоматической системой управления) и оператором). Определяют потенциальную эффективность операции при безотказном способе работы трайбаппарата и самой ТС. Эту потенциальную эффективность и принимают за характеристику качества ТС. Таким образом, положительными свойствами работы трайбаппарата, являются свойства, способствующие достижению заданной цели, т.е. получению сплавов черных металлов с определенным химическим составом. Т.к. сбой в работе любого механизма, а тем более трайбаппарата может повлиять на выпуск некачественной продукции (марок стали) и следовательно привести к значительным материальным потерям для металлургического комбината. Для наглядного объяснения понятия качества технической системы удобно воспользоваться упрощенной геометрической моделью [56,47]. На рис. 1.1 изображена схема направленности свойств SB-СИСТЄМЬІ, на которой показана совокупность векторов в некотором пространстве свойств. Эта совокупность свойств характеризует качество системы в общем смысле. Предположим, что цель А определяет назначение системы, которая является активным средством в операции по достижении этой цели. Тогда цель А о задает определенную направленность свойств, т. е. определяет направление в пространстве свойств (линию цели SoA o). Полезными в смысле достижения системой цели А10 назовем свойства, отображаемые векторами, проекции которых на заданную линию цели направлены на цель. Противоположно направленные проекции имеют векторы, отображающие вредные в рассматриваемом смысле свойства. Нейтральные свойства отображаются векторами, ортогональными к линии цели.
Предположим, что установка порционного вакуумирования стали с применением трайбаппарата, является системой многоцелевого назначения. Т.е. установка вакуумирования стали, сочетает в себе вакуум - камеру и установку продувку аргоном с трайбаппаратом который подает проволоку в ковш с расплавленным металлом. В этом случае необходимо последовательно рассмотреть все цели, для достижения которых предназначена техническая система. По каждой из них ввести соответствующую операцию (S o-систему для достижения цели А о), в которой исследуемая система SB используется как активное средство, а затем по каждой операции определять ее потенциальную эффективность. Вектор показателей потенциальных эффективностеи введенных операций является векторным показателем качества технической системы. На рис. 1.1 вторая цель А20, для достижения которой также предназначена Эв-система, формирует в пространстве свойств другое направление (линяя - цели SBA 0). Совокупность свойств SB-СИСТЄМЬІ, отображаемых векторами, проекции которых на линию цели SBA20 направлены на цель А о, является множеством полезных свойств системы SB- в смысле достижения цели А о- Эти свойства обусловливают потенциальную эффективность операции, направленной на достижение цели А20 . Таким образом, качество технической системы в данном случае определяется двумерным показателем, компонентами которого являются показатели потенциальной эффективности в операции по достижению цели А!0 и в операции, направленной на достижение цели А20.
Описанный подход к определению качества ТС не является всеобщим. При таком подходе полезность системы целиком определяется ее способностью достичь определенную цель. Но полезность в этом смысле не может охватить все возможные подходы к определению качества объекта. В практике довольно часто качество объектов определяют с позиции его ценности, которую далеко не всегда связывают с целевым назначением рассматриваемого объекта. Однако качество технических средств достаточно полно определяется как совокупность полезных, с точки зрения целевого назначения, свойств этих средств. Поэтому, когда говорят об эффективности технической системы, понимают ее потенциальную эффективность как основную характеристику качества системы.
В практике оценивания качества технических систем не всегда используют в полном объеме подход, основанный на определении потенциальной эффективности операции. В зависимости от сложности системы, цели исследования признают целесообразным введение нескольких уровней качества (рис. 1.2). Эмпирически установлены уровни качества, получившие название: устойчивость, помехоустойчивость, управляемость, способность, самоорганизация [56,58]. Первичным качеством любой системы является её устойчивость [98], без которого любые системы не могут существовать. Для простых систем устойчивость объединяет такие свойства, как прочность, стойкость к воздействию внешних факторов, стабильность, гомеостазис. Для сложных систем характерны различные формы структурной устойчивости, такие, как надежность, живучесть и т.д. Под помехоустойчивостью понимается, способность системы без искажений воспринимать и передавать по каналам сообщений информационные потоки. Помехоустойчивость объединяет ряд свойств, присущих в основном системам управления. Управляемость это способность системы переходить за конечное (заданное) время из одного состояния в другое (требуемое) под влиянием управляющих воздействий. Для сложных систем управляемость включает в себя способность выработки решений, на основе которых формируются управляющие воздействия. В ряду усложнения качеств следующее место после управляемости занимает способность системы. Данное качество объединяет совокупность свойств системы, определяющих ее функциональное назначение (производственное, транспортное, информационное и т.д.). Способность системы является необходимым (но не достаточным) условием эффективности операции, ее важнейшим фактором. Однако высокая эффективность операции обусловлена не только способностью системы, но и рациональным ее использованием.
Экспертная система обследования машин
В течение последнего десятилетия в рамках исследований по искусственному интеллекту (ИИ) сформировалось самостоятельное направление - экспертные системы (ЭС) или инженерия знаний.
Экспертная система представляет собой компьютерную программу, которая на основе фактов, нормативов и опыта в некоторой специальной области знаний имитирует способность человека выявлять проблемы и решать их, объяснять решения и приобретать знания.
Основными компонентами ЭС являются база знаний (БЗ), механизм вывода, рабочая память (РП), компоненты приобретения знаний, объяснительный и диалоговый. [32,79,106,80,81,83,24,15,102,105,7]. База знаний в ЭС содержит данные и факты, описывающие предметную область, и правила, устанавливающие ситуационные, концептуальные и причинные взаимосвязи между ними, используемые для преобразования данных этой области. Рабочая память предназначена для хранения исходных и промежуточных данных решаемой в текущий момент задачи. Механизм вывода (решатель, интерпретатор), используя исходные данные из РП и знания из БЗ, формирует такую последовательность правил, которые, будучи примененными к исходным данным, приводят к решению задачи. Компонент приобретения знаний автоматизирует процесс наполнения ЭС знаниями, осуществляемый экспертом. Объяснительный компонент объясняет, как система получила решение задачи (или почему она не получила решения) и какие знания она при этом использовала, что облегчает эксперту тестирование системы и повышает доверие пользователя к полученному результату. Диалоговый компонент ориентирован на организацию дружелюбного общения со всеми категориями пользователей как в ходе решения задач, так и приобретения знаний, объяснения результатов работы.
В настоящее время ЭС применяются в различных областях человеческой деятельности: в медицине, электронике, вычислительной технике, геологии, математике, космосе, сельском хозяйстве, финансах, юриспруденции и т.д. Разработки ЭС ведутся для раннего предупреждения национальных и международных конфликтов и поиска компромиссных решений, принятия решений в кризисных ситуациях, охраны правопорядка, для законодательства, образования, планирования и распределения ресурсов, для систем организационного управления (кабинета министров, муниципалитета, учреждения) и т.д. В последние годы он все чаще стали рассматриваться задачи о применении экспертных систем в ремонтном хозяйстве [24,105,15]. Рассмотрим факты, которые свидетельствуют о возможности и необходимости применения экспертных систем в сфере ремонтной службы.
В настоящее время ЭС используются для следующих типов применений [102,40]: интерпретаций, прогнозирования, диагностирования, проектирования, планирования, мониторинга и обучения. По данным [38] в 1987 г. для 152 рассмотренных систем распределение по областям применения составило: диагностика - 36 %; интерпретация - 15%; проектирование - 13%; управление
- 11%; планирование - 11%; мониторинг -8%; прогнозирование - 3%; обучение
- 2%. Перечень некоторых существующих ЭС указанных типов приведен в приложении А. 1.
Деятельность ремонтной службы связана с выполнением всех перечисленных функций. В таблице А 1.1 приведено соответствие областей применения ЭС и задач ремонтной службы, которое доказывает возможность применения ЭС.
На 21-м заседании Технического комитета Международного Института чугуна и стали (IISI),. состоявшегося 25 апреля 1989 г. в Чикаго, было представлено 15 проектов, посвященных использованию экспертных систем в металлургической промышленности. При этом 7 из них ориентировались на применение в ремонтном хозяйстве. Однако, область их действия ограничивалась только диагностикой [105].
Первой ЭС, установленной в ремонтном хозяйстве, была система Delta, разработанная для поиска и устранения неполадок в дизельных локомотивах на фирме "General Electric". Эта система разрабатывала мероприятия по выполнению ремонтов и сообщала о них ремонтному персоналу. В 1984 г. "General Motors" совместно с "Ford" разработала и внедрила экспертную систему Dex.C3, которая автоматически проверяла и контролировала выпускаемые узлы на наличие неисправностей. Узлы с неполадками маркировались соответствующим кодом и направлялись на доработку в ремонтные мастерские.
Еще одна экспертная система Dixpert разработана для диагностики неисправностей вращающихся машин: компрессоров, турбин, генераторов и др. Эта система способна распознать 17 типов неполадок, среди которых дебаланс, неточная центровка, волнистость поверхности, погрешность зубчатых колес, биение частей ротора, ослабление опорного подшипника и др. Диагностирование машин ведется с помощью 20 датчиков, которые позволяют измерять около 200 параметров. Время диагностирования составляет 1мин.20 с.
В период 1987 - 1988 гг. на заводе Hoesch Stahl AG была внедрена ЭС анализа неисправностей двухпроводной системы централизованной смазки (ZWEX), разработанная кафедрой "Организация производства и информация" Дортмундского Университета [38]. Необходимость внедрения такой системы была обусловлена наличием около 300 агрегатов такого типа, отказы в работе которых вызывали внеплановые простои, что приводило к потерям продукции. Поэтому быстрый и целенаправленный поиск и устранение неисправностей был необходим. Кроме того на заводе имелось всего 2 специалиста (эксперта) в этой области, которые скоро становились пенсионерами. Поэтому сохранить их знания и навыки было необходимо, т.к. приглашать специалистов по обслуживанию с фирмы-изготовителя очень дорого. Эти предпосылки послужили основанием для разработки ЭС ZWEX.
Повышение надежности трайбаппаратов при действии внезапных отказов
Надежность деталей и элементов машин в простейшем случае описывается экспоненциальным законом распределения вероятности[70,61]. Это значит, что профилактическая замена изделия, приработавшего tb не привысит надежности работы машины, так как вероятность отказа старого и нового изделиий на интервале промежутка времени (tb t2) одинаковая. При экспоненциальном законе отказов в отличие от нормального нельзя использовать значение Тср в качестве базовой величины для организации технического обслуживания металлургического оборудования, потому что вероятность безотказной работы при t - Тср очень мала и составляет (рис.4.2)Отказы металлургического оборудования чаще подчиняются этому закону, чем нормальному и экспоненциальному. Это объясняется тем, что в составе многих металлургических машин имеются детали, выходящие из строя внезапно и постепенно. Закон Вейбулла позволяет математически описать композицию постепенных и внезапных отказов.
Эта формула справедлива для всех деталей, элементов и простых устройств, которые прошли приработачный период. Период, в течение которого справедлива эта формула, называется периодом нормальной эксплуатации. Например, если период нормальной эксплуатации детали составляет 5000 часов, то, используя формулу (4.1.8), можно определить надежность для любого интервала времени, не превышающего 5000 часов. Формула (4.1.8) не применима для определения надежности за пределами нормальной эксплуатации. После периода нормальной эксплуатации интенсивность отказов начинается монотонно возрастать (рис.4.1).На рис.4.1. графически показано изменение интенсивности отказов в зависимости от наработка [33]. Приработачный период - участок кривой I , характеризуется двумя кривыми, из которых кривая а характеризуется возрастанием и последующим падением интенсивных отказов, другая [3 характеризуется монотонным возрастанием интенсивности до постоянного уровня участка П. Третий период характеризуется возрастанием интенсивности отказов до аварийного уровня[65]:
Графическая зависимость для экспоненциального распределения надежности представлена на рис. 4.2. Из него следует, что при t = 0; Р(0) = 1, а при t = со; Р(оо) = 0. Считать время неограниченным абсурдно. Однако если учесть, что рассматриваются только внезапные отказы, т.е. износ не учитывается, то вероятность надежности устройства равна единице только при неограниченном времени работы.
В ограниченный промежуток времени отказы могут и не произойти, тем не менее устройство рано или поздно выйдет из строя из-за износа. Для вывода формулы надежности примем следующие условия: в качестве модели используем испытание на надежность прижимных роликов трайбаппарата; испытания проводятся без замещения и ремонта отказавших прижимных роликов. На испытание поставлено N прижимных роликов, испытания продолжались t часов, при этом m роликов вышли из строя. К концу испытаний продолжало функционировать п роликов. Проанализируем формулы, примененные для описания интенсивности отказов. По условию А- = const, поэтому в выражении (4.1.19) произведение 1 dm - „ также должно быть величиной постоянной в процессе проведения испы п at 1 dm тании, то есть, -и— должны поддерживаться постоянными с начала испыта-п dt ний. Для определения интенсивности отказов на основании результатов испытаний необходимо применить метод немедленной замены вышедшего из строя ролика на новый. При такой ситуации число исправных роликов п будет всегда равно исходному числу роликов, поставленных на испытание. Следовательно, 1/n = 1/N и dm/dt, будут постоянными в силу постоянства X. Если m роликов отказало за время t, то число элементов за единицу времени будет m/n, следовательно, можно произвести замену dm dt т t 15п _ 1 N Тогда Л = 1п dm dt 1 т N T(4.1.25)
Формула (4.1.25) удобна для вычисления интенсивности отказов, так как требуется только подсчитать число отказавших роликов m и зафиксировать длительность испытаний t.
В процессе эксплуатации оборудования интенсивность отказов не останется постоянной, а изменяется в зависимости от ряда факторов, то есть скачкообразно изменяется от уровня А-1, до уровня А-2- Рассмотрим ситуацию надежности наладки многошпиндельного штучного станка - автомат, на котором обрабатываются детали, имеющие различную степень совершенства. В течение промежутка времени от 0 до t отрабатываются детали с минимальным припуском, от t до ti - со средним значением припуска и от Ц до t2 - с максимальным припуском. Очевидно, каждому интервалу времени будет соответствовать своя интенсивность отказов, так что А, А,2 А,з.
Формулу (4.1.26) можно распространить на случай, когда объект состоит из п последовательно соединенных элементов. Надежность такого объекта в течение времени t можно выразить в виде произведения надежностеи отдельных элементов. Если каждый элемент имеет свою интенсивность отказов Х\г %г, А,3, ..., Х\, то формула (4.1.26) примет вид
Полученная структурная формула (4.1.27) справедлива для описания надежности агрегатов при действии только внезапных отказов. Отсюда следует, что при выявлении внезапных отказов, надежность агрегата будет в частности завесить от технологии, качества и методов обработки запасных частей. Большое внимание необходимо уделять деталям, которые явно подвержены износо-вым отказам. Применяя к ним, как известные, так и новые технологии обработки, повышаем производительность и снижаем вероятность внезапных отказов.
Технологические и конструктивные изменения изготовления роликов
Этапы производственного процесса, на протяжении которых происходит качественные изменения объекта производства, называются технологическими процессами [99].
В данной работе, предложено к рассмотрению изготовление подающих роликов трайбаппарата (рис.5.7.) с применением химико-термической обработки и конструктивных изменений. Химико-термическая обработка, а непосредственно нитроцементация поверхностного слоя улучшит прочностные и износостойкие характеристики роликов. Изменение конструкции рифлений, позволяет уменьшить сильный износ зуба и исключить разрезание оболочки порошковой проволоки.
Изменение в изготовлении роликов трайбаппарата, привело к увеличению угла заострения зубцов с 38 ± 2 до 60 ± 1. Это изменение приводит к увеличению зоны поверхностной химико-термической обработки. Тем самым происходит более длительный срок истирания зубьев. При проделанных подсчетах число зубьев Z для угла заострения 60±1 равно 200 штук с шагом t = 2, 535 мм.Технология позволяет применить два вида изготовления зубьев:
1) накатка, производится на токарно-винторезном станке 16К20, специальным приспособлением для накатывания зубьев.
2) нарезание зубьев традиционным методом на зубофрезерном станке 53А50 и др. Нарезание производится незатылованной фрезой, заточка которой производится по передней кромке. Технологический процесс указан в приложении Г. 1.
В ходе подготовительных работ было принято решение применить сталь ЗОХГТ, которая по всем параметрам подходит для дальнейшей химико-термической обработки.
1. Металловедческие исследования и результаты химико-термической обработки.
Подача проволоки в трайбаппарате осуществляется с помощью двух стальных роликов разной ширины ( в дальнейшем приводной и прижимной). В процессе эксплуатации рабочая поверхность подвергается износу, приобретая дугообразную форму (рис. 5.10; 5.11)
При достижении определенной степени износа, сцепление подаваемого материала с роликами становится недостаточным и возникает необходимость в выводе трайбаппарата из работы для замены роликов.
Средняя работоспособность фирменных роликов составляет 3,5-4 месяца.
Как показали проведенные исследования, для изготовления прижимного ролика(верхнего) фирмой изготовителем применена сталь типа 50 ГОСТ 1050, для изготовления приводного(нижнего) - типа 40Х ГОСТ 4543.Как показали проведенные исследования, для изготовления прижимного ролика(верхнего) фирмой изготовителем применена сталь типа 50 ГОСТ 1050, для изготовления приводного(нижнего) - типа 40Х ГОСТ 4543.
Основным преимуществом нитроцементации является возможность осуществления процесса при температурах 830 - 850 С, а не при 930-950 С, как при цементации. Это является следствием того, что скорость диффузии углерода, при совместном насыщении углеродом и азотом, существенно возростает. Более низкая температура процесса не приводит к большому росту зерна в стали и позволяет производить закалку с температур ХТО, без применения подстуживания.
Нитроцементацию осуществляют с использованием разных сред, чаще в эндотермической атмосфере с использованием 2-5 % аммиака.
Применение триэтаноломина позволяет избежать технологических проблем, связанных с обеспечением стабильного соотношения компонентов газовой среды и исключением такого дефекта нитроцементированного слоя, как темная составляющая. Нитроцементация опытных роликов проводилась по следующему режиму: температура - 850 С, время - 6 часов. Закалка производилась в масло, непосредственно после насыщения. Для снятия внутренних напряжений после закалки произведен отпуск при температуре 180 -200 С.
Толщина упрочненного слоя в обоих роликах составила 0.4 - 0.5 мм. Толщина слоя, в котором наблюдаются грубые выделения карбонитридов, не превышала 50 мкм. Темной составляющей в микроструктуре образцов не обнаружено.
В ходе работы рассмотрены варианты стабилизации необходимого количества проволоки в расплав металла. Произведен анализ изобретений, выполненных в этом направлении.
Наиболее близким по технической сущности является аналог установка ввода порошковой проволоки в жидкий металл содержащая опору для бунта проволоки, направляющую трубу, электродвигатель на подставке, позволяющий производить натяжение цепи, передающей вращение со звездочки электродвигателя на звездочку, закрепленную на входном валу блока редуктора приводных роликов. Также сдержит, подающее устройство, включающее станину, корпус, редуктор с закрепленными на входных валах роликами, на корпусе закреплены четыре блока роликов прижимных, каждый из которых имеет два ролика и два пневмоцилиндра. Прижимные ролики расположены над приводными и образуют две дорожки, в каждой из которых по четыре пары роликов.
Недостатками известной конструкции трайбаппарата с цепным приводом являются, высокие шумовые эффекты, ударные воздействия звездочек на звенья цепи, при резких включениях установки для подачи очередного количества проволоки возникают удары зубьев цепи о втулки цепных звеньев, данный недостаток приводят к разрушению щечек звеньев цепи; недостатком верхних роликов не соединенных приводом является проскальзывание проволоки при износе зубьев рифлей, поэтому разделение роликов на приводные и неприводные приводит к необходимости использовать излишне острый угол на вершине рифлений, что в свою очередь также ведет к быстрому износу роликов [94].
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному результату (прототипом), по мнению авторов, является установка для ввода проволоки в жидкий металл по патенту РФ № 2175676, кл. С21 С 7/00, 7/06, содержащая опору для бунта проволоки, направляющую трубу, электродвигатель, подающее устройство включающее станину и редуктор, мерительный ролик и тянущие ролики с приводом, закрепленные на поворотных рычагах, дополнительные тянущие ролики закреплены на станине и расположены напротив тянущих роликов в шахматном порядке относительно оси подачи проволоки. Первые по ходу подачи тянущие ролики кинематически соединены с прилежащими дополнительными тянущими роликами, расположенными в направлении подачи проволоки с одноименной стороны относительно ее оси. Ось крепления, каждого из поворотных рычагов размещена относительно оси вращения тянущих роликов в направлении подачи проволоки с одноименной стороны относительно оси подачи проволоки1.
Недостатком известной конструкции является, то что ролики верхние и нижние, соединяются цепной связью, что приводит к увеличению шумовых эффектов. Также цепи требуют периодического регулирования и монтажа натяжных устройств, что дополнительно усложняет конструкцию. Так как, трайбаппарат работает в непостоянном цикле, а периодически, то при резких пусках и отключениях установки, на звеньях цепей местами возникает усилие разрыва, что уменьшает работоспособность цепи и приводит к расслаблению ее звеньев. Указанные недостатки приводят к тому, что зубчатая насечка подающего ролика подвергается дополнительному износу роликов и нарушению стабильности подачи проволоки в расплав.
Изобретение направленно на повышение эксплуатационной надежности установки, и повышение точности в дозировании подаваемой легирующей проволоки, снижению шумовых эффектов и снижению ударных нагрузок на конструктивные элементы.
