Диагностика металлургических машин

В. А. СИДОРОВ






ДИАГНОСТИКА
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ МАШИН




Учебное пособие




















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 669-9
ББК 34.7

С34

Рекомендовано ученым советом ГОУ ВПО «ДонНТУ» в качестве учебного пособия для обучающихся образовательных учреждений высшего образования (протокол № 7 от 29 ноября 2022 г.)

Рецензенты:
д. т. н., заведующий кафедрой наземных транспортно-технологических комплексов и средств ГОУ ВПО «ДонНАСА» Пенчук Валентин Алексеевич;
д. т. н., профессор, заведующий кафедрой горных машин ГОУ ВПО «ДонНТУ» Шабаев Олег Евгеньевич


            Сидоров, В. А.


С34 Диагностика металлургических машин : учебное пособие / В. А. Си-

доров. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 172 с. : ил., табл. ISBN 978-5-9729-1440-1

      Изложен опыт решения ряда проблем технического диагностирования металлургических машин в промышленных условиях. Показаны особенности проявления и выявления поломок металлургических машин, причины ускоренного износа опорного кольца механизма поворота свода электродуговой печи. Исследования проводились на действующих металлургических предприятиях.
      Для обучающихся по направлению подготовки 15.03.02 «Технологические машины и оборудование» (профиль «Инжиниринг и технический менеджмент металлургического оборудования») квалификационного уровня «бакалавр», преподавателей образовательных организаций высшего образования. Может быть полезно мастерам и механикам металлургических предприятий, занимающихся эксплуатацией и ремонтом механического оборудования.

УДК 669-9
ББК 34.7

ISBN 978-5-9729-1440-1

© Сидоров В. А., 2023
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

            СОДЕРЖАНИЕ



Введение............................................................4
1. Вибрация металлургических машин..................................5
1.1. Информационные основы виброметрии..............................5
1.2. Изучение стандартов ИСО 10816, 2372, VDI 2056, DIN 45655......20
1.3. Металлургические машины.......................................22
1.4. Проявление неисправностей комбинированного редуктора..........27
1.5. Допустимые вибрации редуктора металлургической машины.........35
Вопросы для самоконтроля по главе 1................................38
2. Оценка технического состояния механизмов........................39
2.1. Диагностические признаки развития повреждений виткоукладчиков проволочных прокатных станов.......................................39
2.2. Использование информации о техническом состоянии при проведении ремонта скиповой лебедки............................55
2.3. Диагностирование скиповой лебедки С3-15-180...................66
2.4. Оценка технического состояния насосов и вентиляторов..........77
2.5. Исследования вибрации привода прокатных клетей................83
Вопросы для самоконтроля по главе 2................................98
3. Примеры диагностирования металлургических машин.................99
3.1. Особенности проявления и выявления поломок металлургических машин..............................................................99
3.2. Причины ускоренного износа опорного кольца механизма поворота свода электродуговой печи..........................................102
3.3. Определение границ работоспособного состояния столов качания сортовых МНЛЗ.....................................................113
3.4. Сезонные отказы металлургических машин.......................137
3.5. Стационарные системы вибрационного контроля металлургических машин.............................................................149
Вопросы для самоконтроля по главе 3...............................167
Список использованных источников..................................168

3

                             При наблюдении случай благоприятствует лишь подготовленным.
(Луи Пастер)


            ВВЕДЕНИЕ


    Современное состояние металлургической промышленности претерпело значительные изменения - возросли требования к качеству выпускаемой продукции, к срокам выполнения заказов, к конкурентоспособности металлопроката. Одновременно меняются подходы к конструкции механического оборудования металлургических предприятий. Металлургические машины становятся менее металлоёмкими, более энергоёмкими, всё более приспособленными к оперативному изменению сортамента и технологии производства продукции.
    Всё это определяет и новые требования к техническому обслуживанию и ремонту металлургического оборудования. Стратегия ремонтов по состоянию становится необходимым компонентом успешной деятельности предприятия в условиях рынка. Основное направление в развитии деятельности ремонтных служб связано с обеспечением бесперебойной работы оборудования, исключением внеплановых простоев с одновременным снижением расходов на поддержание работоспособного состояния машин и механизмов.
    Решение этой проблемы непрерывно сопряжено с использованием методов безразборной технической диагностики. Современный этап развития диагностики в большей степени характеризуется не поиском решения теоретических задач, а практическим применением известных решений. Особенности металлургического оборудования, обусловленные конструкторскими решениями и эксплуатационными отличиями, усложняют процесс широкого внедрения средств диагностирования, зачастую ограничивая область применения энергетическим оборудованием, работающим в длительном режиме.
    Работа посвящена исследованию и решению ряда проблем технического диагностирования металлургических машин в промышленных условиях. Исследования проводились на действующих металлургических предприятиях. Подход к решению некоторых диагностических задач может быть использован в работе служб технического диагностирования. Книга представляет интерес для студентов-механиков, которые обучаются по направлению подготовки «Технологические машины и оборудование» с профилем «Инжиниринг и технический менеджмент металлургического оборудования» при изучении курса «Техническая диагностика оборудования», а также может быть полезна мастерам и механикам металлургических предприятий, занимающихся эксплуатацией и ремонтом механического оборудования.


4

ГЛАВА 1. ВИБРАЦИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ МАШИН



            1.1. Информационные основы виброметрии


    Среди методов технического диагностирования механического оборудования виброметрия является наиболее часто используемой при оценке фактического состояния. Большая часть повреждений деталей механизмов приводит к возникновению механических колебаний. Преимущества анализа вибрационного сигнала заключаются в универсальности, доступности средств измерения, разработанной методологии анализа параметров вибрации, возможности регистрации сигналов при различных режимах работы. Последовательность распознавания повреждений рассмотрена в работах Балицкого Ф.Я., Генкина М.Д., Соколовой А.Г., Коллакота Р.А., Ширмана А.Р., Соловьева А.Д., Баркова А.В., Барковой Н.А., Русова В.А., Гольдина А.С., Розенберга Г.Ш., Мадорского E.3., Голуба Е.С. и др., где наибольшее внимание уделяется идентификации причин повреждений в механических системах путём анализа спектрального состава вибрации.
    Проведенные измерения вибрации являются основанием для принятия решений по поддержанию или восстановлению работоспособного состояния в деятельности ремонтных служб промышленных предприятий. В общей структуре информационных потоков следует выделить информационные возможности виброметрии как источника обратной связи в процессе управления техническим состоянием восстанавливаемых механических систем, в частности металлургических машин.
    Актуальность данного вопроса при эксплуатации механического оборудования определяется практическим аспектом использования информации о техническом состоянии: распознавание и мониторинг повреждений на ранней стадии, отслеживание тенденций развития, подготовка ремонтов. Внеплановая остановка металлургических машин нарушает ход технологического процесса, приводя к значительным потерям из-за срыва сроков поставок продукции, большей длительности ремонта ввиду отсутствия подготовленных материальных и трудовых ресурсов. Принудительные замены и необоснованные ремонты увеличивают риск появления дефектов в результате ошибок монтажа, нарушений технологии изготовления и снижают ресурс оборудования из-за возобновления процесса приработки. Возможное решение - проведение ремонтов по техническому состоянию, обеспечивающих возможность управления безотказностью механического оборудования, на основе информации полученной после диагностирования.
    Термин «информация» активно используется в научной литературе, начиная с 30-40-х годов XX века. Первоначально термин обозначал «сведения» или 5

«осведомление», что является переводом латинского слова «information». В конце 40-х, в связи с развитием кибернетики под «информацией» стали понимать функцию статистических характеристик букв языка. Начиная с шестидесятых годов, под влиянием работ Л. Бриллюзна, приобрел известность «негэнтропий-ный принцип информации», включающий содержательный и статистический аспект сообщений, являющийся противоположностью физической энтропии. Если энтропия рассматривается в качестве неупорядоченности системы, то негэнтропия - мера упорядоченности систем, определяющая интенсивность протекания антиэнтропийных процессов в физическом мире.
    В восьмидесятые годы «информация» - «.обмен сведениями между людьми, человеком и автоматом, автоматом и автоматом». Информация по Винеру не является «...ни материей и ни энергией». Согласно предположению, Р. Хартли, информация допускает количественную оценку. Например, для анализа механики движения необходимы лишь количественные характеристики движения, но не требуется анализа существа самого движения. Такая различная трактовка термина приводит к невозможности строгого определения и использования информации. Приходится либо отказаться от употребления этого термина, либо каждый раз давать ему свое, частное, определение.
    Отсутствие в теории информации определения самой информации и акцент, сделанный на количественном исчислении, делают любое заключение теории информации статистическим и лишают информацию семантической нагрузки. Ещё в 1963 году В.С. Флейшман писал, что «возникшая благодаря гениальной интуиции К. Шеннона теория информации испытывает кризис неадекватности физических представлений и своего аппарата». В то же время процессы управления, рассматриваемые кибернетикой, в понимании Винера, представляют собой получение, хранение и переработку информации. При этом информация понимается не просто любые сведения и данные о системе, а сведения, которые бы одновременно характеризовали степень неопределенности системы (синтаксический уровень), имели бы определенное содержание, смысл (семантический уровень), были бы полезны потребителю информации (прагматический уровень). Именно такая информация должна быть получена для управления. Эта информация обрабатывается по определенным правилам и используется для выработки управляющих решений, которые должны быть реализованы в конкретное действие.
    Поэтому предварительно следует определить содержание термина информация в конкретном приложении, удовлетворяющем решению задач управления безотказностью механического оборудования. Предлагается рассматривать информацию как результат преобразования исходных данных для уменьшения сте

6

пени неопределенности технического состояния системы. Полученное информационное сообщение должно позволить обоснованно принять решение о необходимости проведения мероприятий по поддержанию или восстановлению работоспособного состояния механизма. Таким образом, некоторая совокупность данных xi, Х2, хз, ..., хп, преобразуется при помощи алгоритма Ai, использующего решающие правила Ri в информационное сообщение I(xi):
(Х1, Х2, хз,., Хп) ^Ai = f (Ri) ^ I(xi).
     Совокупность информационных сообщений I(xi) в конечном итоге должна полностью раскрыть неопределенность технического состояния ТС в данный момент времени:
m
I (TC) = £ I (xₜ).
i = 1
     Диагноз механического оборудования, установленный после диагностирования, должен содержать: заключение о категории технического состояния, перечень возможных повреждений, рекомендации о необходимых операциях по техническому обслуживанию и ремонту. Эти данные служат основанием для проведения или оценки качества ремонта. Для этого выполняются измерения общего уровня, спектрального состава и временной формы вибрационного сигнала. Полученные данные следует преобразовать в информационные сообщения путем использования решающих правил. Данные правила должны учитывать особенности эксплуатации конкретного оборудования. Так, например, установлено несоответствие нормируемых уровней виброскорости стандартом ГОСТ ИСО 10816-1-97 при оценке технического состояния металлургических машин. Далее рассматриваются информационные основы - решающие правила, используемые при анализе вибрационных данных для получения информационных сообщений о фактическом состоянии оборудования.
     Измерение общего уровня вибрации.
     Первый этап диагностирования механического оборудования обычно связан с измерением общего уровня вибрационных параметров. Для оценки технического состояния проводится измерение среднеквадратичного значения (СКЗ) виброскорости в частотном диапазоне 10-1000 Гц (для частот вращения менее 600 об/мин используется диапазон 2-400 Гц). Для оценки состояния подшипников качения проводится измерение параметров виброускорения (пикового и СКЗ) в частотном диапазоне 10-5000 Гц, параметров ударных импульсов на резонансной частоте датчика 30 кГц или огибающей виброускорения в частотном диапазоне 10-30 кГц. Низкочастотные колебания свободно распространяются по металлоконструкциям механизма. Высокочастотные колебания быстро затухают по


7

мере удаления от источника колебаний, что позволяет локализовать место повреждения. Измерение в бесконечном количестве точек механизма ограничиваются измерениями в контрольных точках (подшипниковых узлах) в трёх взаимно перпендикулярных направлениях: вертикальном, горизонтальном и осевом (рисунок 1.1). Желательно выполнить измерения всех компонентов вибрации: виброперемещения, виброскорости и виброускорения в соответствующих частотных диапазонах (таблица 1.1).


                       а)                                       б)
Рисунок 1.1. Расположение контрольных точек измерения общего уровня вибрации турбокомпрессора (а) и измерение вибрации в трёх взаимно перпендикулярных направлениях (б)

    Результаты измерения представляются в табличном виде (таблица 1.1), для последующего анализа.


                                            Т а б л и ц а 1.1 Значения параметров вибрации для контрольных точек

                                      СКЗ        Виброускорение
  Точка   СКЗ виброперемещения   виброскорости   СКЗ/ПИК, м/с2 
измерения   (мкм), частотный   (мм/с), частотный   частотный   
           диапазон 2-400 Гц       диапазон         диапазон   
                                  10-1000 Гц       10-5000 Гц  
   1V             116                 4,3           1,9/7,9    
   1H              45                 2,2           1,6/5,9    
   1A              44                 1,9              -       
                                                               

    Первый уровень анализа - оценка технического состояния выполняется по максимальному значению виброскорости зафиксированному в контрольных точках. Допустимый уровень определяется стандартным рядом значений ГОСТ 10816-1-97 (0,28; 0,45; 0,71; 1,12; 1,8; 2,8; 4,5; 7,1; 11,2; 18,0; 28,0; 45,0). Увеличение значений в данной последовательности в среднем составляет 1,6. В основе данного ряда положено утверждение о том, что увеличение вибрации в

8

раза не приводит к изменению технического состояния. Предполагается, что увеличение значений на два уровня приводит к изменению технического состояния (1,6² = 2,56). Следующее утверждение - увеличение вибрации в 10 раз приводит к изменению технического состояния от хорошего до аварийного. Следовательно, отношение вибрации механизма на холостом ходу и под нагрузкой не должно превышать 10-кратного увеличения.
    Применительно к восстанавливаемым механическим системам категории технического состояния необходимы для принятия обоснованного решения о проведении операций по техническому обслуживанию и ремонту. Категории технического состояния, в этом случае, будут иметь следующую интерпретацию. Хорошее состояние - ремонт и дополнительное техническое обслуживание не требуется. Удовлетворительное состояние - ремонт и техническое обслуживание выполняются по графику или проводится осмотр оборудования с меньшей периодичностью. Плохое состояние наступает при необходимости проведения работ по поддержанию или восстановлению показателей работоспособности путем выполнения внепланового ремонта или технического обслуживания. Аварийное состояние требует принятия незамедлительных мер - необходим срочный ремонт, возможен непредсказуемый переход в неработоспособное состояние. В целом аварийное состояние следует рассматривать как невозможность управления процессами износа в механизме или потерю контроля над техническим состоянием.
    Стандарт ГОСТ ИСО 10816-1-97 регламентирует допустимые значения в зависимости от мощности механизма, что приводит к ошибкам в оценке технического состояния. Допустимое значение вибрации механизма должны обеспечивать качество выпускаемой продукции и длительную работу без отказов. В этом случае рекомендуется использовать значение 4,5 мм/с как допустимое. Можно использовать ограничение времени вибрационного воздействия высокой вибрации на механизм, аналогично ГОСТ 25364-97. Например, для оценки состояния дымососов газоочистки с частотой вращения 970 об/мин и мощностью 600 кВт приняты следующие значения виброскорости: до 4,5 мм/с - функционирование без ограничения сроков; 4,5-7,1 мм/с - функционирование в ограниченном периоде времени не более 30 суток; свыше 7,1 мм/с - работа в течение не более 7 суток, эксплуатация механизма с вибрацией более 11,2 мм/с не допускается. При одновременном внезапном изменении двух значений вибрации на 1,0 мм/с от любого начального уровня должны быть приняты оперативные меры для выяснения причин такого изменения. При возрастании любого компонента вибрации на 2,0 мм/с за период до трёх суток или увеличении на 3,0 мм/с независимо от продолжительности возрастания должны быть приняты оперативные меры для выяснения причин такого изменения, которые могут включать и остановку оборудования.

9

     Для оценки состояния подшипников качения при частоте вращения до 3000 об/мин предлагается использовать следующие соотношения пикового и СКЗ значений виброускорения в частотном диапазоне 10-5000 Гц: 1) хорошее состояние - пиковое значение не превышает 10,0 м/с²; 2) удовлетворительное состояние - СКЗ не превышает 10,0 м/с²; 3) плохое состояние наступает при превышении 10,0 м/с² СКЗ; 4) если пиковое значение превышает 100,0 м/с² - состояние становится аварийным. Для оценки значений виброперемещения следует использование рекомендации соответствующих стандартов с учётом особенностей конкретного механизма. В частности, для оценки виброперемещения подшипниковых опор вентиляторов ранее использовались рекомендации, приведенные в таблице 1.2.

Т а б л и ц а 1.2

Значения виброперемещения (мкм) для оценки состояния вентиляторов

 Частота         Категория технического состояния             
вращения, Отлично Хорошо Удовлетворительно   Требует   Опасно
 об/мин                                    исправления       
   300     0-27   27-70       70-140         140-260   > 260 
   500     0-25   25-60       60-125         125-240   > 240 
   600     0-22   22-56       56-118         118-230   > 230 
  1000     0-18   18-45       45-100         100-200   > 200 
  1500     0-15   15-40        40-85         85-170    > 170 

    Второй уровень анализа - локализация точек, имеющих максимальную вибрацию. Одна из аксиом виброметрии - чем меньше значения параметров вибрации, тем техническое состояние механизма лучше. Не более 5 % возможных повреждений связано с повреждениями при низком уровне вибрации. В целом большие значения параметров вибрации указывают на действие больших сил или на повышенную податливость, что позволяют локализовать место повреждения. Различают следующие варианты увеличения (более 20 %) вибрации:
    1)     увеличение вибрации по всему механизму наиболее часто связано с повреждениями основания - рамы или фундамента;
    2)     одновременное увеличение вибрации в точках 1 и 2 или 3 и 4 (рисунок 1.1) свидетельствует о повреждениях, связанных с ротором данного механизма - дисбалансом, изгибом;
    3)     увеличение вибрации в точках 2 и 3 (рисунок 1.1) является признаком повреждений, потери компенсирующих возможностей соединительного элемента -муфты;


10

     4)     увеличение вибрации в локальных точках указывает на повреждения подшипникового узла.
     Третий уровень анализа - предварительный диагноз возможных повреждений. Направление большего значения вибрации в контрольной точке с наибольшими значениями позволяет определить характер повреждения. При этом используются следующие правила и аксиомы:
     1)     значения виброскорости в осевом направлении должны быть минимальны для роторных механизмов, возможная причина увеличения виброскорости в осевом направлении - изгиб ротора, несоосность валов;
     2)     значения виброскорости в горизонтальном направлении должны быть максимальны и обычно превышают на 20 % значения в вертикальном направлении;
     3)     увеличение виброскорости в вертикальном направлении - признак повышенной податливости основания механизма, ослабление резьбовых соединений;
     4)     одновременное увеличение виброскорости в вертикальном и горизонтальном направлении может указывать на дисбаланс ротора;
     5)     увеличение виброскорости в одном из направлений - ослабление резьбовых соединений, трещины в элементах корпуса или фундаменте механизма.
     При измерении виброускорения достаточны измерения в радиальном направлении - вертикальном или горизонтальном. Желательно проводить измерения в районе эмиссионного окна - зоны распространения механических колебаний от источника повреждения (рисунок 1.2). Эмиссионное окно неподвижно при местной нагрузке и вращается, если нагрузка имеет циркуляционный характер. Значения виброускорения увеличиваются при повреждениях подшипников качения.


Рисунок 1.2. Расположение эмиссионного окна при измерении виброускорения подшипниковых узлов

11