Содержание к диссертации
Введение
1. Методы обеспечения качества изделий ответственного назначения 15
1.1. Современные методы обеспечения качества сложных технических систем 22
1.2. Проблемы обеспечения качества продукции ответственного назначения при интеграции элементов в техническую систему 43
1.3. Обеспечение качества при техническом совмещении разнородных элементов на примере ТС «ЭП-ЗА-СУ» 49
1.4. Анализ возможности комплексного обеспечения качества систем ответственного назначения, совмещающих динамические, механические и управляющие элементы 74
Выводы 79
2. Разработка теоретической модели процесса обеспечения качества в системе разнородных элементов на примере ТС «ЭП-ЗА-СУ» 80
2.1. Исследование структуры ТС 86
2.2 Функциональное описание ТС 97
2.3 Расчет базовых характеристик типовой ТС 115
2.4. Оценка функциональной эффективности ТС 128
2.5 Модель процесса обеспечения качества в системе с разнородными элементами 130
ВЫВОДЫ 135
3. Экспериментальная проверка адекватности модели процесса обеспечения качества в системе разнородных элементов на примере ТС «ЭП-ЗА- СУ» 138
3.1 Экспериментальное подтверждение рассогласованности ТС «ЭП-ЗА СУ» по силовым характеристикам 142
3.2. Экспериментальное подтверждение значимости факторов, влияющих на вариабельность качества ТС «ЭП-ЗА-СУ» 148
3.2.1. Оценка влияния совокупности параметров ЭП (частоты вращения и инерции) и СУ (времени запаздывания) 155
3.2.2. Оценка влияния параметров ЗА (жесткости) 164
3.3. Оценка влияния внешних факторов на вариабельность качественных характеристик в ТС «ЭП-ЗА-СУ» 166
Выводы 170
4. Методология обеспечения качества продукции ответственного назначения при интеграции разнородных элементов в техническую систему 170
4.1. Методика согласования выходных характеристик при повышении быстродействия ТС «ЭП-ЗА-СУ» 171
4.2. Определение критериев и условий технической совместимости элементов в рамках системы 185
4.3 Методика обеспечения качества в системе разнородных элементов 191
4.4. Методология обеспечения качества продукции ответственного назначения при интеграции разнородных элементов в техническую систему 225
Выводы 233
5. Использование методологии обеспечения качества продукции при проектировании ТС «ЭП-ЗА-СУ» 235
5.1 Обеспечение баланса энергий в ТС «ЭП-ЗА-СУ» 236
5.2. Классификации ТС «ЭП-ЗА-СУ» с позиции источников энергий, используемых для выполнения рабочего цикла «открыто - закрыто»... 245
5.3. Повышение помехоустойчивости ТС «ЭП-ЗА-СУ» 248
5.4 Технические предложения по повышению качества 254
Выводы 264
Общие выводы 266
Список литературы 270
- Проблемы обеспечения качества продукции ответственного назначения при интеграции элементов в техническую систему
- Расчет базовых характеристик типовой ТС
- Экспериментальное подтверждение значимости факторов, влияющих на вариабельность качества ТС «ЭП-ЗА-СУ»
- Методика обеспечения качества в системе разнородных элементов
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Функционирование сложных технических объектов во многом определяется качеством и надежностью оборудования. Повышение качества оборудования обычно реализуют за счет повышения качества отдельных элементов, деталей, узлов, совмещаемых в рамках единой технической системы (ТС). Как показывает практика, эффект не всегда является аддитивным.
Вариабельность выходных характеристик, определяющих качество ТС, обусловлена появлением при техническом совмещении разнородных элементов в рамках системы новых «системных качеств», которые могут положительно сказываться на качестве целостной системы, либо являться причиной нарушения безопасности эксплуатирующих их объектов.
Источниками повышенной опасности являются ТС, обслуживающие объекты нефтегазового комплекса и энергетики (ТЭС, ТЭЦ, АЭС и т.д.), предприятий химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности, газопроводы и очистные сооружения.
В данной работе проблема совмещения разнородных (механических, электрических, управляющих) элементов в единую ТС с заданными характеристиками качества рассмотрена на примере систем «электропривод – запорная арматура – система управления» (ЭП–ЗА–СУ) как одних из основных систем, обеспечивающих надежность функционирования наиболее опасных с точки зрения техногенных катастроф объектов – атомных электростанций (АЭС).
Важнейшими показателями качества ТС «ЭП–ЗА–СУ» являются герметичность, надежность, безопасность, а также быстродействие, определяющее время перекрытия трубопровода при аварийной ситуации. К быстродействующему оборудованию II класса безопасности относятся около 40 % ТС «ЭП–ЗА– СУ», эксплуатируемых на АЭС (600 ед. из 1500 ед. на одном блоке АЭС). Данный тип оборудования предназначен для трубопроводов с газовым теплоносителем, где отсутствует риск возникновения гидравлического удара.
Для обеспечения требуемого быстродействия управление запорной арматурой осуществляется высокооборотными электроприводами. Характеристиками, определяющими возможность совмещения элементов в рамках ТС «ЭП–ЗА–СУ», являются силовые параметры: крутящий момент и усилия, значения которых фиксируются в ТУ и номенклатурных каталогах. Расчет силовых параметров производится в соответствии с методиками статического силового расчета, представленными в СТ ЦКБА 002 – 2003 «Арматура трубопроводная. Задвижки. Методика силового расчета» и предназначенными для расчета ручной арматуры. Техническое совмещение запорной арматуры с высокооборотными электроприводами без учета «системных качеств», возникающих
при интеграции элементов, приводит к рассогласованию ТС «ЭП–ЗА–СУ» по фактическим и нормированным (расчетным) силовым характеристикам.
Указанное рассогласование является причиной возникновения существенных нагрузок в запорной арматуре со стороны электропривода, что повышает риск выхода систем из работоспособного состояния. Для обеспечения надежности быстродействующих ТС «ЭП–ЗА–СУ» отраслевые стандарты России (СТ ЦКБА) и КНР (JB/T) требуют проверки на прочность силовых элементов приводной арматуры по крутящему моменту, в 1,5–2 раза превышающему расчетный крутящий момент.
Экспериментально установлено, что превышение фактических крутящих моментов, развиваемых электроприводом, по отношению к расчетным может варьироваться от 1,5 до 4 раз в зависимости от жесткости запорной арматуры, частоты вращения электропривода и времени задержки системы управления электроприводом. Таким образом, действующие стандарты не отражают фактической ситуации, и во многих случаях запорная арматура эксплуатируется при многократных перегрузках.
Проблема обеспечения качества в условиях повышенных нагрузок при увеличении быстродействия ТС «ЭП–ЗА–СУ» в настоящее время решается путем модернизации каждого элемента системы в отдельности, без учета принципа комплексной стандартизации и в отсутствие единой цели у производителей, задействованных в цепочке создания ценности ТС: повышается прочность запорной арматуры, модернизируется конструкция электропривода, совершенствуется система управления. Все перечисленные методы повышают стоимость конечного продукта, но не являются гарантией его качества и ценности для потребителя. Даже в современных СУ, например Siemens, используемых в настоящее время на Тяньваньской АЭС, время задержки составляет порядка 60 мс, что достаточно для многократного увеличения нагрузок в запорной арматуре под действием электропривода.
Наряду с технической модернизацией элементов приоритетным становится дополнение систем демпфирующими устройствами, предназначенными для гашения избыточной энергии, аккумулируемой в системе, что со снижением нагрузок снижает и энергоэффективность систем.
В результате несогласованной работы производителей в отсутствие общей концепции комплексного обеспечения качества системообразующих элементов (электропривода, запорной арматуры и системы управления) как элементов единой системы увеличиваются массогабаритные и мощностные характеристики систем, возрастает их стоимость и отечественную продукцию вытесняют более легкие и дешевые западные аналоги.
По данным исследований Научно-промышленной ассоциации арматуро-строителей, опубликованным в апреле 2015 г., объем экспорта трубопроводной арматуры из РФ в 2014 г. сократился по сравнению с 2013 г. на 13 %, при этом объем импорта вырос. Тенденция замещения отечественной продукции западными аналогами наблюдается в нашей стране с 2008 г.
В современных условиях, когда приоритетным направлением развития экономики России является импортозамещение, обеспечение качества и конкурентоспособности быстродействующих ТС «ЭП–ЗА–СУ» представляет собой многогранную проблему, которая требует комплексного подхода к её решению.
Степень разработанности проблемы. В рамках решения общемировой проблемы обеспечения безопасности объектов атомной энергетики задача обеспечения качества ТС, предназначенных для минимизации последствий при аварийной ситуации, занимает одно из важнейших мест.
Теоретическую базу проводимого исследования составляют научные работы отечественных и зарубежных ученых, являющиеся основой современной теории управления качеством: Ю. П. Адлера, Г. Г. Азгальдова, Б. В. Бойцова, В. Ф. Безъязычного, В. Я. Белобрагина, В. А. Васильева, С. А. Васина, В. Г. Версана, Г. П. Воронина, А. В. Гличева, О. А. Горленко, У. Э. Деминга, В. А. Качалова, Т. Конти, В. Я. Кершенбаума, В. А. Лапидуса, А. Г. Суслова, В. В. Окрепилова, А. И. Субетто, И. И. Чайки, В. Л. Шпера и многих других ученых.
Над проблемами повышения качества электроприводной запорной арматуры работали такие ученые, как Д. Ф. Гуревич, В. В. Ширяев, И. X. Пайкин, О. Н. Шпаков, С. В. Сейнов, А. И. Гошко, О. Н. Заринский, С. И. Косых, Ю. И. Тарасьев, С. Х. Щучинский, А. Г. Гарганеев и др. Предложены различные технические решения проблемы, но вопросы эффективности технического совмещения запорной арматуры с высокооборотными электроприводами и системой управления в условиях постоянного повышения быстродействия систем до сих пор остаются открытыми. Для быстродействующих ТС «ЭП–ЗА–СУ», эксплуатируемых на трубопроводах с газовым теплоносителем, нет рекомендаций по нормированию силовых характеристик, необходимых для обеспечения нормальных условий эксплуатации и безопасности объектов.
Следует понимать, что рассматриваемая проблема не ограничивается системами «ЭП–ЗА–СУ», а имеет более широкую направленность. В многообразии технических систем, обеспечивающих безопасность эксплуатации особо ответственных объектов, можно выделить: компрессорные и насосные станции, установки комплексной подготовки газа, комплектные буровые установки и т.д.. Обеспечение качества ТС, включающих разнородные элементы, интеграция которых приводит к возникновению новых качеств, отсутствующих у эле-
ментов и не сводящихся к сумме их качеств, требует комплексного решения: установления критериев и формирования требований к технической совместимости элементов, выявления всего спектра управляющих параметров и системообразующих факторов, формирования общей методологии как базовой основы для создания серии стандартов, направленных на гармоничное развитие отечественной продукции.
По этой причине научно-техническая проблема, связанная с комплексным обеспечением качества продукции ответственного назначения при интеграции разнородных элементов в единую техническую систему для обеспечения нормальных условий эксплуатации объектов энергетики и дальнейшего гармоничного развития отечественной продукции данного сектора, является весьма актуальной.
Цель исследования. Разработка положений комплексного обеспечения качества систем «ЭП–ЗА–СУ» для повышения результативности технического совмещения высокооборотных электроприводов с запорной арматурой на стадии проектирования и методологии обеспечения качества продукции ответственного назначения при интеграции разнородных элементов в единую техническую систему.
Задачи исследования
-
Провести анализ процесса построения технических систем, интегрирующих в своей структуре разнородные элементы (механические, электромеханические, электрические и т.д.), методов обеспечения качества и методов управления качеством на разных этапах жизненного цикла ТС.
-
Разработать теоретическую модель процесса обеспечения качества в системе разнородных элементов на примере «ЭП–ЗА–СУ».
-
Экспериментально установить соответствие теоретической модели обеспечения качества ТС реальной системе, подтвердить влияние выделенных факторов на вариабельность выходных характеристик быстродействующих систем «ЭП–ЗА–СУ».
-
Разработать методику назначения нормируемых силовых характеристик, направленную на минимизацию нагрузок в запорной арматуре под действием высокооборотных электроприводов и создание нормальных условий эксплуатации систем.
-
Представить теоретическое и экспериментальное обоснование возможности снижения энергопотребления систем «ЭП–ЗА–СУ» при увеличении их быстродействия и комплексном учете параметров запорной арматуры, электропривода и системы управления при проектировании.
-
Разработать математическую модель баланса погрешностей, позволяющую осуществлять корректное назначение технологических допусков на стадии проектирования и повысить помехоустойчивость систем.
-
Определить приоритетные направления повышения качества отечественных систем «ЭП–ЗА–СУ» и варианты технической модернизации базовой конструкции.
-
Сформулировать положения комплексного обеспечения качества ТС с учетом научно обоснованных принципов технической совместимости элементов и разработать методологию как базовую основу для создания стандартов для обеспечения качества сложной технической продукции.
Объект исследования – процесс обеспечения качества систем «электропривод – запорная арматура – система управления» на стадиях проектирования.
Предмет исследования – взаимосвязь между показателями качества, техническими характеристиками систем «электропривод – запорная арматура – система управления» и эффективностью технического совмещения элементов.
Научная новизна работы
-
Разработана методология обеспечения качества продукции ответственного назначения при интеграции разнородных элементов в единую техническую систему, заключающаяся в развертывании «системных качеств» и идентификации системообразующих факторов как основных критериев технической совместимости элементов и базирующаяся на принципах системности, совместимости, комплексной стандартизации, эффективности, полноты, развития, формализации и абстрагирования.
-
Решена актуальная научно-техническая проблема, связанная с комплексным обеспечением качества продукции ответственного назначения при интеграции разнородных элементов в единую техническую систему для обеспечения нормальных условий эксплуатации объектов энергетики и дальнейшего гармоничного развития отечественной продукции данного сектора.
-
В совокупности показателей, определяющих качество электропривода, запорной арматуры и системы управления, выделены показатели, влияющие на эффективность их технического совмещения (жесткость системы, частота вращения электропривода, время запаздывания системы управления), а также системообразующие факторы, управление которыми позволяет минимизировать на стадии проектирования энергопотребление систем и определить направления их комплексного развития (балансы энергий и жесткости).
Практическая значимость. Впервые получены уравнения балансов энергий и жесткостей для систем «ЭП–ЗА–СУ», позволяющие установить функциональные зависимости формирования нагрузочных характеристик в системах при выполнении рабочего цикла «открыто – закрыто». Полученные за-
висимости позволили разработать методику для назначения параметров настройки электропривода, обеспечивающих надежное функционирование систем и дать обоснование необходимости пересмотра существующей номенклатуры запорной арматуры на предмет снижения мощностных и массогабаритных характеристик электроприводов. Разработанные положения комплексного подхода к проектированию позволили теоретически и экспериментально обосновать возможность использования электроприводов меньшей мощности при увеличении частоты вращения выходного вала электропривода, т.е. при повышении быстродействия системы. Разработанная математическая модель баланса погрешности настройки электропривода позволяет на стадии проектирования минимизировать разброс выходных характеристик и повысить помехоустойчивость систем «электропривод – запорная арматура – система управления» путем корректного назначения производственных допусков. Разработаны типовые ряды, унифицирующие электроприводную запорную арматуру по параметру жесткости – основной качественной характеристике, определяющей эффективность технического совмещения элементов в рамках системы.
Методология и методы исследования. Теоретические исследования проводились с использованием принципов системного подхода, теории эффективности технических систем, теоретических основ механики, интегрального и дифференциального исчисления, теории размерности, методов робастного проектирования, современных методов менеджмента качества, методов комплексной стандартизации.
Экспериментальные исследования осуществлялись путем физического моделирования систем с использованием натурных образцов и моделей, средств измерений и испытательного оборудования, регистрирующего необходимый спектр выходных характеристик.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
методология обеспечения качества продукции ответственного назначения при интеграции разнородных элементов в единую техническую систему, включающая совокупность сформулированных базовых принципов и алгоритм обеспечения качества при создании технической системы из разнородных элементов;
положения комплексного повышения качества и конкурентоспособности систем «ЭП–ЗА–СУ», заключающиеся в научно обоснованном подходе к проектированию, с учетом аккумулируемых в системе энергий, жесткости интегрируемых элементов, погрешности силовых характеристик, альтернативных схем управления, включающих индукционные датчики и демпфирующие элементы;
основные положения технической совместимости элементов при проектировании систем «ЭП–ЗА–СУ»;
научная классификация систем «ЭП–ЗА–СУ» по видам энергий, используемых для реализации рабочего цикла «открыто – закрыто»;
структурные и математические модели, обеспечивающие баланс энергий в системах «ЭП–ЗА–СУ» при проектировании и позволяющие выявить характер связей между жесткостью запорной арматуры, качественными характеристиками функционально совмещаемых элементов и техническую эффективность систем;
уравнение баланса погрешности настройки электропривода, позволяющее на стадии проектирования корректировать производственные допуски, повышая помехоустойчивость системы при эксплуатации.
Соответствие научной специальности. Область исследования соответствует паспорту научной специальности 05.02.23 «Стандартизация и управление качеством продукции»:
п.1 Методы анализа, синтеза и оптимизации, математические и информационные модели состояния и динамики качества объектов;
п.3 Методы стандартизации и менеджмента (контроль, управление, обеспечение, повышение, планирование) качества объектов и услуг на различных стадиях жизненного цикла продукции.
Степень достоверности обеспечивается совпадением теоретических результатов с экспериментальными данными, полученными на физической модели системы с использованием натурных промышленных образцов.
Реализация и внедрение
В результате выполнения комплекса теоретических и экспериментальных исследований, проведенных при непосредственном участии автора совместно с ООО «Сплав – Привод» и АНО «Спецпромарматура», разработаны программа и методика испытаний на динамические нагрузки, возникающие под действием электропривода для клапанов запорных НГ 26526-065-АЭ и НГ 26524-050-МАЭ по ТУ 2607-1407-2008 (КПЛВ.303343.001 ПМ5).
Результаты научных исследований были использованы в ООО «Сфера» при выполнении разработок организации в рамках Договора–подряда № 11-12 от 15.12.2011 г. с ЗАО «Тяжпромарматура» (г. Алексин).
Результаты исследования и предложения по модернизации изделия включены в комплексный план развития ЗАО «Сплав» (г. Великий Новгород) на 2017 г.
Комплекс предложений по повышению качества продукции при интеграции разнородных элементов в единую техническую систему, включающий ме-
тодику расчета силовых характеристик быстродействующих систем «электропривод – запорная арматура – система управления», принят к внедрению в АО «Тяжпромарматура» (Алексинский завод тяжелой промышленной арматуры) для исследования и расчета запорной арматуры с прямолинейным перемещением запорного органа. Годовой экономический эффект от внедрения составил 3370284 рублей.
Математическая модель баланса погрешности настройки электропривода и методика расчета силовых характеристик систем рекомендованы к применению в ОАО «Болоховский завод полупроводниковых приборов» для исследования автоматизированных и автономных систем управления.
Отдельные научные результаты используются в учебном процессе Тульского государственного университета.
Апробация. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались в рамках 11-й Международной выставки PCVExpo 2012 «Насосы. Компрессоры. Арматура. Приводы и двигатели» на семинаре «Особенности изготовления насосного и арматурного оборудования для АЭС» (г. Москва, 2012 г.); V Международной технической конференции «Машиностроение – основа технического развития России» (г. Курск, 2013 г.); III Международной научно-практической конференции «Современные материалы, техника и технология» (г. Курск, 2013 г.); XI Международной научно-практической конференции «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (г. Курск, 2014 г.); Международной научной конференции «Актуальные вопросы технических наук» (г. Москва, 2014 г.); II Международной научно-практической конференции «Качество как условие повышения конкурентоспособности и путь к устойчивому развитию» (г. Улан-Удэ, 2014 г.); IV Международной научно-практической конференции «Перспективное развитие науки, техники и технологий» (г. Курск, 2014 г.); Научно-практической конференции «Обеспечение и контроль качества продукции и услуг» (г. Улан-Удэ, 2015 г.); Международной научно-технической конференции, посвящённой 60-летию Липецкого государственного технического университета, «» (г. Липецк, 2016 г.); Всероссийской конференции с приглашением зарубежных участников IT&MQ&IS–2016 «Менеджмент качества, транспортная и информационная безопасность, информационные технологии» (г. Нальчик, 2016 г.)
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка (192 наименований), 2 приложения. Объем работы: 298 страниц основного машинописного текста, 70 рисунков и 43 таблицы, 2 приложения на 9 страницах.
Проблемы обеспечения качества продукции ответственного назначения при интеграции элементов в техническую систему
В данном случае взаимодействие организаций обеспечивается путем реализации процесса соглашения, включающего процессы приобретения (определение стратегии приобретения, выбор поставщика, заключение соглашения, осуществление оплаты) и поставки (заключение соглашения о поставке, передача ответственности за продукт, осуществление взаиморасчета).
При реализации этапов ЖЦ ТС, предполагающих интеграцию разнородных элементов и взаимодействие нескольких организаций, одна из организаций всегда является «инициирующей», принимающей решение о разработке системы и большую часть ответственности за успешную реализацию проекта.
В зону ответственности «инициирующей организации» входят: - определение требований к ТС, выполнение которых может обеспечить функциональные возможности системы, необходимые потребителю; - преобразование требований потребителя в технические характеристики системы, выраженные в виде его представления о желаемых функциональных возможностях ТС; - определение набора системных элементов, которые будут удовлетворять требованиям, предъявляемым к системе и из которых будет компоноваться ТС; - распределение ответственности между организациями, обеспечивающими производство системных элементов; - осуществление комплексирования системных элементов согласно архитектурному проекту – сборка ТС; - проведение проверки соответствия ТС предъявляемым к ней требованиям и возможности ТС обеспечивать функциональное назначение в соответствии с требованиями потребителя; - передача ТС и приведение ее в рабочее состояние в рамках объекта, на котором далее система будет эксплуатироваться; - обучение персонала для работы в системе контроля выполнения функций ТС и ее рабочих характеристик; - обеспечение обслуживания ТС для поддержания способности системы выполнять заданные функции; - выполнение демонтажа и удаление системы из объекта эксплуатации, если данный этап ЖЦ ТС предусмотрен в договоре с потребителем.
Для решения вопроса обеспечения качества в рассмотренной форме взаимодействия предприятий необходимым условием является рассмотрение двух основных аспектов: обеспечения качества ТС и обеспечение качества процессов, что требует системного подхода и постоянного совершенствования производственной деятельности путем применения современных методов управления качеством.
Качество ТС определяется следующими характеристиками качества. 1. Устойчивость – первичное качество любой системы [180]. Для простых систем устойчивость объединяет такие свойства, как прочность, стойкость к внешним воздействиям, стабильность и т.д. Для сложных систем устойчивость определяется надежностью [126]. Системы, не обладающие этим качеством, не могут существовать.
2. Помехоустойчивость - способность системы без искажений воспринимать и передавать по каналам сообщений информационные потоки, т.е. противодействовать помехам. Помехоустойчивость определяет свойства, присущие в основном системе управления.
3. Управляемость - способность переходить за заданное время из одного состояния в другое под влиянием управляющего воздействия. Управляемость присуща только помехоустойчивым системам.
4. Способность – качество, которое объединяет совокупность свойств системы, определяющих ее функциональное назначение. Способность системы отражает потенциальную возможность решить поставленную задачу, под которой следует понимать эффективность операции (работы) при рациональном использовании системы [126].
5. Самоорганизация – качество, которым обладают системы большой сложности, способные изменять свою структуру, параметры, способные к адаптации и самообучению в целях повышения эффективности выполнения
Уровень сложности системы, ее функциональное предназначение позволяют ограничить набор качеств. Так, качество инженерных сооружений определяется их устойчивостью, качество приемника определяется помехоустойчивостью, а качество ТС, разрабатываемых для выполнения технологических операций, определяется способностью, включая при этом все качества более низкого уровня, но не имеет качеств более высокого порядка [126].
Обеспечение качества систем с различным набором качественных характеристик, суммирующихся по мере усложнения системы, позволяют современные методы управления качеством, составляющие основы современных методологий и системы менеджмента: Методология DMAIC, включающая количественные методы улучшения процессов "Шесть сигм" [42, 74, 190]; Менеджмент риска, методологическую основу которого составляют методы анализа надежности [63]; Методология робастного параметрического планирования экспериментов, базирующаяся на методах Г.Тагути [3, 115, 159 и т.д.]; Методы всеобщего управления качеством (TQM) [19, 54, 88, 93, 97 и т.д.]; Методы «Бережливого производства» [31, 49, 72, 110, 116 и т.д.]; Методы функционально-структурного исследования объектов [24, 47, 105, 109, 119 и т.д.] и т.д.
Расчет базовых характеристик типовой ТС
В настоящее время при оценке качества систем «ЭП – ЗА» приоритетными становятся требования к массогабаритным, мощностным и ценовым параметрам, а также гарантийному ресурсу и надежности систем, которые должны быть оптимизированы.
Параметры надежности и гарантийный ресурс находятся в стандартных пределах, устанавливаемых нормативной документацией. По остальным параметрам имеет место существенный разброс (см. табл. 1.2, 1.3).
Сопоставив данные (табл. 1.2 и 1.3), можно утверждать, что на малых проходных диаметрах трубопровода российская арматура по массовым и силовым параметрам соизмерима и даже превосходит чешскую, а на средних и больших проходах значительно уступает ей.
Так, например, для управления клапаном DN = 65 мм в качестве управляющего устройства производитель «ARAKO» прописывает электропривод с мощностью электродвигателя 1,1 кВт. ОАО «Корпорация «Сплав» использует для управления аналогичной конструкцией клапана электропривод с более мощным двигателем (3 кВт), что существенно увеличивает стоимость системы и снижает конкурентоспособность продукции в условиях тендерных закупок.
Анализ работ [21, 50, 79-82, 117, 125, 166, 184 и т.д] позволил сделать вывод, что увеличение массогаборитных характеристик запорной арматуры связано прежде всего с необходимость обеспечения повышенной прочности конструкции. В процессе эксплуатации запорная арматура испытывает со стороны электропривода существенные нагрузки, значения которых с повышением быстродействия возрастают.
Причиной нагрузок является совокупность целого ряда факторов, например, неточность остановки электропривода. Особенно существенно последствия влияния неточности остановки электропривода проявляются в системах с прямолинейным перемещением запорного органа (клапаны, задвижки) [184]. Герметичность трубопровода при эксплуатации систем обеспечивается плотным соединением рабочего органа запорной арматуры с посадочным местом на трубопроводе. Даже незначительное перекручивание выходного вала электропривода в указанных системах приводит к дополнительным напряжениям в запорной арматуре, что увеличивает риск поломки элементов системы или разрушения трубопровода.
Опасность повышенных нагрузок в результате совмещения запорной арматуры с электроприводом отмечал в своих работах Д. Ф. Гуревич (1964 г) [81], что позволило автору сформулировать требования к надежности запорной арматуры и обосновать увеличение запаса прочности при выполнении проектных расчетов.
Исследованию причин возникновения повышенных нагрузок в электроприводной арматуре посвящена работа О. Н. Шпакова, основные результаты которой были опубликованы в 2005 г. [184]. В данном случае автор идентифицировал основные факторы, влияющие на нагрузки в запорной арматуре, и дал практические рекомендации по модернизации электроприводной арматуры, среди которых им были сформулированы следующие:
1. Усилить конструкцию арматуры, поскольку ей придется выдерживать нагрузки, существенно выше штатных.
2. При выборе асинхронных электродвигателей отдавать предпочтение двигателям с четырьмя парами полюсов, либо применять шаговые и бесконтактные электродвигатели, а также двигатели с повышенным скольжением.
3. Электропривод должен максимально «гасить» кинетическую энергию подвижных составляющих системы и т.д.
Причины неточности остановки электропривода достаточно хорошо изучены и являются одним из направлений развития теории электропривода. Большой вклад в развитие данного направления внес Ш. М. Марголин [118], в доступной форме описавший причины возникновения неточности остановки электропривода, связанной с погрешностью срабатывания датчиков положения и электроаппаратуры, временем запаздывания обработки сигнала и запасенной кинетической энергией.
Но обобщить имеющиеся теоретические знания при существующей дифференциации процессов проектирования электропривода и запорной арматуры как отдельных элементов системы не представляется возможным.
В результате стоимость указанных систем возрастает, массогабаритные характеристики увеличиваются, избыточные нагрузки рассеиваются в системах либо гасятся демпфирующими элементами, а для обеспечения герметичности трубопровода используется только малая часть мощности электродвигателя.
Всё перечисленное приводит к снижению результативности научно-технических достижений и не позволяет совершить качественный скачок, направленный на повышение конкурентоспособности систем «ЭП – ЗА». Пояснить сложившуюся ситуацию позволит анализ методик проектирования рассматриваемых систем
Экспериментальное подтверждение значимости факторов, влияющих на вариабельность качества ТС «ЭП-ЗА-СУ»
После соприкосновения запорного органа арматуры 8 (см. рис. 2.6 б) с посадочным местом на трубопроводе 9, перемещение запорного органа арматуры прекращается, и система переходит к выполнению II периода.
При реализации II периода работу системы можно условно разделить на три основных этапа (см. рис. 2.6 а): I этап - работа, производимая системой для обеспечения требуемой герметичности запорной арматуры, т.е. выполнения полезной для потребителя функции. I этап заканчивается при достижении параметров настройки системы на отключение, соответствующих значению крутящего момента Мн; II этап - работа, производимая системой с момента срабатывания микропереключателя до отключения электродвигателя, что приводит к приращению крутящего момента относительно нормированного значения (Мн) на величину АМот; III этап - работа, производимая системой под действием сил инерции, что приводит к дополнительному приращению крутящего момента на величину АМин. Следует понимать, что II и III этапы не представляют ценности для потребителя, они являются основным источником отклонения реальных характеристик качества ТС от нормированных параметров. При реализации всех выделенных этапов П-ого периода далее будут приняты следующие условия: 1) после достижения запорным органом арматуры посадочного места перемещение его отсутствует (Укл = 0); 2) в запорной арматуре возникает сила Pзак (см. рис. 2. 6 в), обеспечивающая герметичность рабочего органа арматуры с посадочным местом; 3) величина силы Pзак в i -тый момент времени будет зависеть от приращения крутящего момента на выходном валу электропривода (Мввi), обеспечивающегося на I, II этапах работающим электродвигателем, на III этапе - останавливающейся системой: [Н-м], (2.7) где L - плечо момента, значение которого для трапецеидальной резьбы при закрытии определяется зависимостью: \( ) [м], (2.8) где dcp - средний диаметр резьбы, у - угол подъема винтовой линии резьбы, р - угол трения. С учетом коэффициента полезного действия винтовой пары 772, плечо момента L можно определить как: \ ,[м] (2.9) где tgy - тангенс угла подъема винтовой линии резьбы определяется выражением: (2.Ю) где Pх.в. - ход резьбы; гхв - шаг ходового винта запорной арматуры; z - число заходов резьбы. С учетом зависимостей (2.8 - 2.10) формула (2.7) примет вид: 4) приращение крутящего момента на выходном валу электропривода Мввi в каждый текущий момент времени будет соответствовать повороту подвижного элемента ходового винта, преобразующего вращательное движение выходного вала электропривода в поступательное движение запорного органа арматуры, на угол Ащ, что обеспечит смещение резьбового клина и приведет к возникновению деформаций всех элементов запорной арматуры: линейную деформацию опор, угловую и линейную деформацию ходового винта и т.д. (рис. 2.8);
ЛI, Афн - суммарная деформация запорной арматуры и приращение угла при реализации I этапа, АII, Афот - суммарная деформация и приращение угла при реализации II этапа, ЛIII, Афин - суммарная деформация и приращение угла при реализации III этапа. 5) деформации i и приращения угла фi (см. рис. 2.8) связаны зависимостью: [м]. (2.12) 6) в пределах упругой деформации приращение силы Pзакi подчиняется линейному закону Гука и определяется выражением: . [H] (2.13) где Pзакi - сила, действующая на запорную арматуру, Скл - жесткость запорной арматуры, i - линейная деформация запорной арматуры; 7) при увеличении крутящего момента выходного вала электропривода Мввi свыше значения крутящего момента холостого хода Мхх ТС «ЭП-ЗА СУ» будет работать аналогично неравноплечим весам находящимся в равновесии, что определяется наличием в системе силоизмерительной пружины. Соответственно, соотношение сил сжимающей силоизмерительную пружину P прі и деформирующей запорную арматуру Pзак[ - будет иметь постоянное значение: — (2.14) где Ссист. - постоянный коэффициент, определяющий соотношения сил в условиях равновесия системы; 8) значение постоянного коэффициента Ссист. будет определять выражение, полученное в соответствии с формулами (2.5, 2.7): - - (2.15) 9) сила действующая на силоизмерительную пружину P пр1 (рис. 2.6 в), изменяется в соответствии с законом Гука и определяется выражениями: .\Щ (2.16) где кпр - жёсткость силоизмерительной пружины, Xi - деформация пружины; 10) соотношение деформации силоизмерительной пружины (Хi) и деформации запорной арматуры (А) в условиях равновесия системы будет определяться зависимостью (2.17), полученной с учетом формул (2.14, 2.13, 2.16): - — (2.17) Для дальнейшего описания ТС «ЭП-ЗА-СУ» представим ее кинематическую схему во второй период работы после соприкосновения запорного органа арматуры с посадочным местом на трубопроводе в виде структурной схемы (рис. 2.9). М - крутящий момент на выходном валу электродвигателя; со - угловая скорость выходного вала электродвигателя; Мв.в - крутящий момент на выходном валу электропривода; сОв.в - угловая скорость выходного вала электродвигателя; Екин - кинетическая энергия двигателя; Екин1 - кинетическая энергия первого потока; Екин2 - кинетическая энергия второго потока; Еп1 - потенциальная энергия пружины; Еп2 - потенциальная энергия деформируемой запорной арматуры; Рпр - сила сжимающая пружину; Рзак - сила, деформирующая запорную арматуру; кпр - жесткость силоизмерительной пружины; Скл - жесткость запорной арматуры; Х], Хц, Хщ - величины сжатия пружины при реализации системой I, II и III этапов соответственно; А, Ли, Лш - величины деформации запорной арматуры при реализации системой I, II и III этапов соответственно; ГЦ коэффициент полезного действия на первой ветви; ri2 - коэффициент полезного действия на второй ветви. Рис.2.9.Структурная схема ТС «ЭП-ЗА-СУ» и зависимости модуля внешних силы от координаты при сжатии силоизмерительной пружины и деформации запорной арматуры Анализ схемы (см. рис. 2.9) показывает, что после соприкосновения запорной арматуры с посадочным местом на трубопроводе кинетическая энергия двигателя (Екин) в точке а разделяется на два параллельных потока. Первый поток (Екин1) направлен на сжатие пружины, второй (Екин2) - на деформацию запорной арматуры.
При статической настройке привода, соответствующей крутящему моменту настройки системы на отключение (Мн) (см. рис. 2.6 а), силоизмерительная пружина будет сжата на величину ХI+Х0. При полной остановке системы пружина сжимается на суммарную величину Х: (2.18)
Запорная арматура при статической настройке, соответствующей Мн (см. рис. 2.6 а), закрывается с деформацией I, а при полной остановке системы – с деформацией : . (2.19) Представленное описание позволяет определить структуру рассматриваемой системы в целом и раскрыть взаимосвязи между ее элементами. Целостность рассматриваемой системы обеспечивается достижением равновесия сил и энергий при взаимодействии подсистем электропривод и запорная арматура, а также системы управления. Характеристики указанных элементов, определяют качество ТС и влияют на согласованность ожидаемых и реальных выходных характеристик системы, определяющих ее целевое назначение и полезную для потребителя функцию. Далее путем функционального представления системы перейдем к установлению системообразующих факторов.
Методика обеспечения качества в системе разнородных элементов
В соответствии с полученными данными при совмещении электропривода SA10.2-14 с запорным клапаном НГ 26526-065АЭ-43 в рамках единой системы было зафиксировано значительное рассогласование входных и выходных характеристик системы по крутящим моментам.
Очевидно, что двукратное превышение крутящего момента по сравнению с заданными настройками на отключение электропривода не может положительно влиять на качество и безопасность рассмотренной системы и подтверждает ее низкую функциональную эффективность.
По результатам представленного эксперимента можно сделать вывод -электропривод может обеспечить надежную работу запорной арматуры при значительно меньших параметрах настройки, что позволит снизить нагрузки, возникающие в системе при герметизации трубопровода. Данный вывод сделан на основании сопоставления результатов эксперимента с основными техническими параметрами, указанными в ТУ 26-07-1407-2008 на клапан НГ 26526-065АЭ-43.
Крутящий момент, необходимый для обеспечения требуемых усилий в запорном органе с целью герметичного перекрытия трубопровода при давлении рабочей среды PN =2,5 МПа, указанный в ТУ соответствует Мкр.закр = 89 Н-м. Данное значение рассчитывается в соответствии с методиками силовых расчетов [81], т.е. без учета динамики привода, и используется для настройки муфты ограничения крутящего момента электропривода.
По результатам эксперимента (см. табл. 3.4) видно, что значение необходимого крутящего момента (Мкрзакр=89 Н-м) можно достичь при настройке электропривода на момент отключения Мн зак = 50 Н-м, причем с 10 % - ным запасом (Мфзак = 98 Н-м). Таким образом, необходимость в задании при настройке электропривода более высоких моментов отсутствует.
Проведенные экспериментальные исследования подтверждают необходимость корректировки методик силовых расчетов запорной арматуры с учетом математических зависимостей представленных во второй главе.
Путем внесения поправки при назначении параметров настройки электропривода на отключения с учетом приращения момента в период инерционного выбега и за время запаздывания системы управления при отключении электродвигателя можно существенно снизить значения крутящего момента настройки системы и уменьшить нагрузки, возникающие в запорном органе под действием электропривода.
Экспериментальное подтверждение значимости факторов, влияющих на вариабельность качества ТС «ЭП-ЗА-СУ» Последовательность проведения экспериментов, результаты экспериментов и расчетные значения коэффициентов К эл.дин для системы I «электропривод (SA10.2-14) - клапан запорный (НГ 26526-065АЭ-43 по ТУ 26-07-1407-2008)» были представлены в п.3.2, табл. 3.4 и 3.5.
При экспериментальном исследовании остальных систем последовательность была полностью соблюдена за исключением некоторых особенностей, связанных с пределами измерения используемых в системах блоков управления и техническими требованиями к управляемым элементам.
Так, при изучении системы II «электропривод (SA10.2-16) - клапан запорный (НГ 26526-065АЭ-43 по ТУ 26-07-1407-2008)» ввиду ограничения пределов измерения AUMATIC АС 01.2 (верхний предел 120 Нм) экспериментальные исследования проводились только при давлении рабочей среды на клапан PN=0 МПа, и для измерения фактического крутящего момента при настройке на момент закрытия Мнзак = 60 Нм потребовался динамометрический ключ модели ВДС 200 производства фирмы “Torguelader” (Англия): пределы измерений 0-200 Н-м; погрешность измерения ±3 %.
Замеры крутящих моментов динамометрическим ключом проводились по следующей схеме: 1. Произвели включение привода на закрытие. 2. Сняли электропривод после полной остановки и через специальный переходник на гайку ходового винта клапана установили динамометрический ключ. Учитывая, что пара «винт - гайка» самотормозящиеся, снятие привода с клапана не изменяет момент затяжки последнего.
Ввиду трудоемкости описанного эксперимента замеров фактических крутящих моментов при других настройках на отключение не производилось. Результаты экспериментов сведены в табл. 3.6, 3.7. 149 Таблица 3.6 Результаты эксперимента, зафиксированные блоком управления AUMATIC AC 01.2 Non-intrusive при функционировании системы «электропривод (SA10.2-16) - клапан запорный (НГ 26526-065АЭ-43 по ТУ 26-07-1407-2008)»