Часть 1. факторы, определяющие техническое состояние восстанавливаемых механических систем

Одной из задач технической диагностики является прогнозирование состояния технической системы. Актуальность решения данной задачи для механического оборудования, в частности, металлургических предприятий, не вызывает сомнений. Возможность предвидения поведения такой сложной технической системы, как механическое оборудование, позволяет обеспечить техногенную безопасность и высокую эффективность работы всего предприятия.

Существующие подходы к прогнозированию не всегда позволяют получить приемлемое решение для практического использования. В одной статье невозможно отразить все аспекты и возможные пути решения данной проблемы. Поэтому вниманию читателей журнала предлагается короткий цикл из нескольких статей, посвященных техническому состоянию, некоторым вопросам существующей теории прогнозирования, практическим примерам и возможному решению.

Среди работ по прогнозированию особое место занимает работа В.В. Болотина [1], в которой на основании теории долговечности машин и конструкций предложены модели накопления повреждений и распространения трещин в деталях машин и элементах конструкций. Проблема прогнозирования ресурса и срока службы решается на основании информации о материалах, узлах, деталях, а также о нагрузках и воздействиях. Это позволяет выполнить прогнозирование показателей долговечности на стадии проектирования, однако использовать данный подход в условиях функционирующего предприятия для оценки и прогнозирования индивидуального остаточного ресурса узлов и деталей, механизмов невозможно. Причина — отсутствие фактической информации о действующих нагрузках, неучтенные воздействия: окружающей среды и рядом расположенных узлов, технологического процесса и операций по техническому обслуживанию и ремонту.

Руководящий документ [2] по прогнозированию остаточного ресурса разработан в предположении, что известной является основная причина потери работоспособности оборудования, определены фактически действующие на оборудование нагрузки, спектры нагрузок, и условия эксплуатации соответствуют требованиям стандартов. Это совпадает с выводами, сделанными в работе [3] о том, что если на стадии эксплуатации исключить отказы вследствие нерасчетных перегрузок, природных воздействий, ошибок при проектировании, ремонте или эксплуатации, то остальные случаи отказов связаны с образованием и ростом усталостных трещин и снижением толщин несущих элементов в результате коррозии.

Стандарт [4], регламентирующий подходы к прогнозированию технического состояния машин, устанавливает основные принципы прогнозирования технического состояния и необходимые исходные данные для этой процедуры: перечень агрегатов машин и узлов, подлежащих контролю; все контролируемые параметры; записи эксплуатационных параметров данных технического обслуживания; записи об отказах; условия работы и технического обслуживания контролируемых объектов; первоначальный диагноз, включая идентификацию всех развивающихся неисправностей; процедуры моделирования отказов, которые могут включать в себя статистические характеристики, влияющие факторы, критерии зарождения неисправностей и точки отказов для всех контролируемых параметров; методы обработки кривых (подгонка, проектирование, наложение); уровни предупреждения и останова; результаты расследований отказов; параметры готовности, ремонтопригодности и безопасности; данные о зарождающихся и прогрессирующих неисправностях. Не вызывает сомнения необходимость данной информации для решения задач прогнозирования. Подвергается сомнению возможность получения этих данных в полном объеме и методология обработки полученного объема информации.

Комплекс металлургических машин, обеспечивающих непрерывную работу металлургического агрегата, отличается уникальностью изготовления, специфическими условиями силового и теплового нагружения. Безотказность и работоспособность этой сложной технической системы поддерживается своевременным проведением комплекса работ по техническому обслуживанию и ремонту.

В работе [3] указывается, что формирование теории безопасности промышленных объектов характеризуется переходом от доминирующей ранее концепции «нулевого риска», базирующейся на нормативных коэффициентах надежности и безопасности, к концепции «приемлемого риска», согласно которой управление безопасностью, по сути дела, является управлением рисками.

Риск можно представить как функцию двух переменных — частоты аварийных отказов и интенсивности ущерба [5]. Эти переменные взаимозависимы и связаны постулатом Ф. Фармера — более тяжкие по ущербу аварии происходят реже, нежели более мелкие. В целом это утверждение верно для длительного периода наблюдений за эксплуатацией некоторого количества однотипных технических систем. Однако набирать статистику в условиях индивидуального производства нецелесообразно. Об этом следующее высказывание А.И. Целикова [6] — «индивидуальный характер производства металлургических машин, их исключительно высокая стоимость, металлоемкость и специфические условия эксплуатации, относительно большой интервал времени между изготовлением машинпрототипов — все это делает невозможным применение для расчетов количественных методов теории надежности, основанной на законах больших чисел. Нельзя совершенствовать надежность прокатного стана такими же методами, как это делается, например, в автотракторной промышленности. Не статистика отказов является ключом для обеспечения надежности металлургических машин, а целенаправленное воздействие на эксплуатационные свойства элементов».

Рис. 1. Факторы, определяющие техническое состояние механизма

Основная задача технической диагностики заключается в определении технического состояния. Но в работах И.А. Биргера, А.Б. Логова, Р.Ю. Замараева, Е.С. Голуба, Е.З. Мадорского, Г.Ш. Розенберга, Б.В. Павлова термин «техническое состояние» имеет различное толкование. В основополагающих работах И.А. Биргера, В.В. Клюева, А.В. Мозгалевского, П.П. Пархоменко акцент сделан на способах получения информации, приемах ее обработки, алгоритмах поиска дефектов. Иногда техническое состояние определяется как совокупность признаков (параметров), характеризующих изменение свойств объекта в процессе эксплуатации (также испытаний после изготовления или ремонта), установленных нормативно-технической документацией. В ГОСТ 20911-89 техническое состояние характеризуется в определенный момент времени при определенных условиях внешней среды значениями параметров, установленными технической документацией.

Процесс функционирования механизма определяют не только внутренние свойства элементов механизма. На работоспособность механической системы влияют равнозначно прикладываемые силы и качество технического обслуживания. Именно эти три фактора: внутренние свойства элементов, прикладываемые силы, качество технического обслуживания и ремонта определяют такое понятие, как техническое состояние (рис. 1). Техническое состояние восстанавливаемых механических систем должно указывать на необходимость восстановления работоспособного состояния. Проявление технического состояния происходит в виде отказов (поломок) деталей или с позиций технической диагностики — в виде изменения диагностических параметров.

К сожалению, по отношению к металлургическим машинам изменение свойств объекта в процессе эксплуатации не устанавливается нормативно-технической документацией. Совокупность признаков, определяющих техническое состояние, не регламентируется проектной документацией, так же как сроки службы деталей и нормативы технического обоснования необходимости проведения ремонта. Выбор оптимальных диагностических параметров — сложная теоретическая задача, пока не имеющая обоснованных решений.

Диагностические параметры должны отражать характер прикладываемых сил, внутренних характеристик элементов, качество технического обслуживания и качество проведенного ремонта. На основе анализа полученных значений диагностических параметров принимается решение о необходимости проведения ремонта или возможности дальнейшей эксплуатации механизма.

Сложилась ситуация, когда практическое использование данных о техническом состоянии нашло реализацию в нормативной и справочной литературе, а терминология не отвечает изменившимся требованиям. В настоящее время становится все более обоснованным переход на техническое обслуживание оборудования по фактическому состоянию. Однако предлагаемые толкования технического состояния не удовлетворяют требованиям информационного обеспечения стратегий, использующих данные о фактическом состоянии оборудования.

Применительно к восстанавливаемым механическим системам знание технического состояния необходимо для принятия обоснованного решения о проведении операций по техническому обслуживанию и ремонту. Следовательно, информация о техническом состоянии должна определять степень необходимости восстановления работоспособности системы.

Предлагается следующее определение технического состояния. Техническое состояние механической системы — степень соответствия внутренних параметров системы внешним воздействиям и необходимости компенсации потери работоспособности путем проведения ремонтных операций, что проявляется при изменении выходных параметров (физических полей).

На основании предложенного прочтения термина «техническое состояние» предлагается последовательно рассмотреть внешние воздействия (условия эксплуатации), внутренние параметры (факторы, обеспечивающие безотказность), выходные параметры (диагностические), состав и содержание ремонтных операций (техническое обслуживание и ремонт). Далее рассмотреть математический аппарат, используемый для прогнозирования, модели развития повреждений, и на основании анализа развития аварийных ситуаций разработать подход, обеспечивающий безотказное (непрерывное) функционирование технологического процесса.

Внешние воздействия (входные параметры) — внешние условия и управляющие воздействия (частота вращения, прилагаемый момент, сила, мощность, давление, подача, скорость). Включение механизма для выполнения технологических операций формирует циклы внешних воздействий: влияния окружающей среды; температурного и силового воздействия технологического процесса. На это накладывается человеческий фактор, реализующий управляющее воздействие.

Воздействие окружающей среды на металлургическом предприятии может быть постоянным или сезонным, в зависимости от расположения оборудования. Расположение оборудования на открытой площадке требует учета ветровой нагрузки, сезонных колебаний температур и осадков. Наибольшую опасность вызывают переходные сезоны таяния и появления снежного покрова. Участие в технологическом процессе определяет характер преобладающего действия коррозии: атмосферной, газовой, жидкостной или наиболее часто встречающейся комбинированной.

Температурное воздействие на детали металлургических машин в зависимости от выполняемых операций и длительности использования может быть: длительным; кратковременным; циклическим; тепловой удар.

Рис. 2. Проявление силового воздействия в зубчатой передаче: отсутствие деформаций на торцевой поверхности (а); осповидное выкрашивание (б); пластические сдвиги (в); излом зубьев (г)

Силовое воздействие определяется: характером приложения; длительностью воздействия; скоростью приложения; возникающими напряжениями. Действие переменных, частых, ударных нагрузок увеличивает риск разрушения деталей.

Изменение режима эксплуатации механизма определяется частотой и продолжительность включения — циклограммой. Нарушение цикла технологической операции приводит к возникновению дополнительных сил.

Для зубчатого зацепления силовое воздействие является внешним фактором. Значение прикладываемой силовой нагрузки в данном случае определяется характером повреждений на рабочей и торцевой поверхности зубьев (рис. 2).

Воздействие окружающей среды приводит к абразивному износу, коррозии поверхности зубьев (рис. 3). Основная причина коррозии — наличие воды в смазочном материале — проявляется в виде слоя ржавчины на поверхности зубьев. Степень коррозии может быть различной и легко оценивается визуально.

Рис. 3. Воздействие окружающей среды на зубчатую передачу: следы коррозии – равномерный (а) и неравномерный (б) слой; абразивный износ – начальная (в) и заключительная (г) стадия

Внешнее воздействие на подшипники качения, кроме силового, включает различные факторы (рис. 4). При прохождении электрического тока через роликоподшипник на беговых дорожках появляются риски, параллельные оси вращения (рис. 4а). Необходимо отметить, что повреждения от прохождения электрического тока присутствуют лишь на одной беговой дорожке — это результат неравномерного распределения нагрузки по рядам тел качения двухрядного подшипника.

Коррозионный износ — результат конденсации влаги в корпусе подшипника при отсутствии смазочного материала (рис. 4б) или попадания воды в подшипник.

Бринеллирование проявляется в появлении вмятин на беговых дорожках с шагом, равным шагу тел качения, является следствием ударных воздействий во время монтажа (рис. 4в). Ложное бринеллирование возникает при оттоке смазки с поверхностей качения подшипников неработающей машины в результате механических колебаний, передающихся от работающих механизмов. Проявляется в виде повреждений, расположенных с шагом, равным шагу тел качения (рис. 4г).

Рис. 4. Виды повреждений, связанные с внешними воздействиями: прохождение электрического тока через тела качения и беговые дорожки подшипника (а); коррозия наружного кольца подшипника (б); истинное бринеллирование (в); ложное бринеллирование (г)

Человеческий фактор часто является решающим при возникновении аварийных ситуаций и обычно не учитывается при прогнозировании.

Пример 1. Не зафиксированный противоугонным устройством козловой кран на открытой площадке начинает движение под порывом ветра в отсутствие машиниста (рис. 5) и останавливается в конце пути практически без повреждений.

Рис. 5. Перемещение козлового крана при порыве ветра

Пример 2. Невнимательность машиниста при работе в конце обслуживаемого участка приводит к аварии — падению крана, находившегося в резерве (рис. 6).

Рис. 7. Падение мостового крана с эстакады из-за ошибки машиниста

Пример 3. Быстрое охлаждение предварительно нагретой (например, паром для очистки от мазута или отложений на стенках) закрытой цистерны (железнодорожной, автомобильной, стационарной) приводит к ее разрушению (рис. 7).

Пример 4. На одном из металлургических заводов доменная печь простаивала двое суток из-за аварии на шлаковой летке [7]. В течение этого времени в скруббер высокого давления подавался пар при почти закрытой свече, газ из скруббера был вытеснен, и пар занял весь его объем, постепенно охлаждаясь и приближаясь к точке росы.

Рис. 7. Разрушение цистерны

Обратив внимание на низкое давление пара в скруббере, работник цеха газоочистки дал в него воду вместо того, чтобы увеличить пар высокого давления. Первые же порции воды сконденсировали пар, и в скруббере образовался вакуум. Наружным атмосферным давлением скруббер был смят и обрушился, повредив находившиеся вблизи газопроводы. Из-за их ремонта печь простояла еще сутки. Она была задута на «свечи» на дутье, в два раза меньше нормального. Полный эксплуатационный режим был восстановлен только через полмесяца после подключения к системе газоочистки нового скруббера.

Список литературы:

  1. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций / В.В. Болотин // М.: Машиностроение, 1984. — 312 с.
  2. РД 26.260.004-91 «Методические указания прогнозирования остаточного ресурса оборудования по изменению параметров его технического состояния при эксплуатации».
  3. Клюев В.В. Подходы к построению систем оценки остаточного ресурса технических объектов / В.В. Клюев, А.С. Фурсов, М.В. Филинов // Контроль. Диагностика. №3. 2007 — С. 18—23.
  4. ГОСТ Р ИСО 13381 — 1 — 2011. Контроль состояния и диагностика машин. Прогнозирование технического состояния. Часть 1. Общее руководство.
  5. Белодеденко С.В. Методы количественного риск-анализа и безопасность механических систем / С.В. Белодеденко, Г.Н. Биличенко // Металлургическая и горнорудная промышленность. №7. 2015 — С. 2—9.
  6. Ловчиновский Э.В., Вагин В.С. Эксплуатационные свойства металлургических машин. — М.: «Металлургия», 1986. — 160 с.
  7. Жеребин Б.Н. Неполадки и аварии в работе доменных печей / Б.Н. Жеребин, А.Е. Пареньков, Новокузнецк, 2001. — 275 с.

Журнал Prostoev.NET № 4(9) 2016 
Автор: В. А. Сидоров Донецкий национальный технический университет