автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Модернизация привода эксплуатируемых горизонтальных цементных мельниц

На правах рукописи

ТРОШИНА Анна Геннадьевна

МОДЕРНИЗАЦИЯ ПРИВОДА ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ЦЕМЕНТНЫХ МЕЛЬНИЦ

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

10 ОКТ 2013

Тула-2013

005534553

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Научный руководитель: Трушин Николай Николаевич,

доктор технических наук, доцент

Официальные оппоненты: Анцев Виталий Юрьевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», кафедра «Подъёмно-транспортные машины и оборудование», заведующий кафедрой

Ханин Кирилл Николаевич, кандидат технических наук, заместитель главного инженера проекта ОАО "Тулагипрохим"

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный

технологический университет им. В.Г. Шухова»

Защита состоится «30» октября 2013 г. в 14-00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.271.10 при Тульском государственном университете по адресу: 300012. г. Тула, просп. Ленина, 92 (учеб. корп. 9. ауд. 101).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Автореферат разослан <'¿0 » « » 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Крюков Владимир Алексеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Цементная промышленность является базовой в комплексе отраслей, производящих строительные материалы и конструкции. Процесс производства цемента требует объедения в одной линии множества машин и агрегатов. Одним из таких агрегатов является цементная мельница с ее приводом. По состоянию на 2012 г. на территории России действует 51 цементное предприятие, на которых функционирует порядка 700 цементных и сырьевых мельниц, мощностью от 500 до 10000 кВт. Однако основные фонды цементной промышленности России характеризуются высоким прогрессирующим износом, который к началу 2013 г. превышает 70%. Очевидно, что для поддержания цементного производства на актуальном техническом уровне необходимы ремонт и модернизация многих цементных мельниц и их приводов.

Порядка 90 % эксплуатируемых цементных мельниц имеют горизонтальную компоновку с мелющими телами в форме стальных шаров. Главный привод такой мельницы содержит электродвигатель, редуктор, соединительные муфты. При этом возможно использование различных компоновок приводов в зависимости от расположения компонентов привода относительно цементных мельниц и с различным исполнением редукторов.

Анализ эксплуатации шаровых цементных мельниц показывает, что, несмотря на примерно равный срок службы всех компонентов их приводов, наибольшему износу подвергается редуктор. Замена изношенного редуктора на новый редуктор, точно такого же типа практически невозможна, так как за 3050 лет эксплуатации мельницы происходят неизбежные изменения в конструкциях редукторов и технологии их изготовления. Если восстановление работоспособности приводного электродвигателя цементное предприятие еще может выполнить собственными силами, то для модернизации привода путем установки нового тяжелого редуктора цементному предприятию необходимо привлекать специализированные проектные и производственные предприятия.

Очевидно, что в сложившихся технико-экономических условиях разработка методики структурно-параметрического синтеза приводов в процессе проведения модернизации цементных мельниц является актуальной научно-технической задачей, имеющей существенное значение для изучения машин, агрегатов и процессов отраслей машиностроения. Решение данной задачи позволит цементным предприятиям повысить эффективность модернизации приводов эксплуатируемых горизонтальных цементных мельниц.

Цель работы заключается в обосновании варианта модернизации привода эксплуатируемых горизонтальных цементных мельниц на основе структурно-параметрического синтеза мельничного привода и интегрированного критерия.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие основные задачи исследования:

1) на основе анализа процесса модернизации приводов горизонтальных цементных мельниц выявить характеристические особенности приводов, определяющие качество проектных решений при модернизации;

2) сформировать банк данных приводов горизонтальных цементных мельниц и определить реализуемые варианты конструктивного исполнения редукторов главного привода цементных мельниц;

3) выявить зависимости между морфологическими признаками приводов цементных мельниц и оптимальными параметрами приводов и разработать методику структурно-параметрического синтеза привода при модернизации цементной мельницы с учетом технических и производственных требований цементного предприятия;

4) разработать программное обеспечение синтеза и обоснования выбора оптимального с точки зрения эффективности модернизации привода эксплуатируемых горизонтальных цементных мельниц и его графического моделирования.

Методы и средства исследования. Для решения поставленных задач применялись следующие методы исследований: методы теории систем и системного анализа, методы морфологического анализа и синтеза, методы оптимизации, методы многокритериального анализа, методы математической логики, объектно-ориентированного программирования. Для проверки результатов исследований. а также в ходе сбора необходимой информации, использовались методы экспертных оценок.

Объект исследования — горизонтальная цементная мельница.

Предмет исследования — закономерности влияния параметров и морфологических признаков привода цементной мельницы на его технико-экономические и эксплуатационные характеристики.

Наиболее существенные научные результаты, полученные лично соискателем:

1) система технических и технологических параметров и морфологических признаков приводов, определяющая качество проектных решений при модернизации цементных мельниц;

2) классификация приводов цементных мельниц и банк данных приводов цементных мельниц, используемые в процедурах оценки эффективности модернизируемых приводов цементных мельниц;

3) методика структурно-параметрического синтеза привода цементной мельницы с учетом фактора использования существующей производственной площадки.

Научная новизна результатов исследования заключается в выявлении и раскрытии взаимосвязей между морфологическими признаками и параметрами привода цементной мельницы и вариантами модернизации, учитывающие существующие производственные условия цементного предприятия.

Теоретическое значение результатов работы заключается в том, что разработанная методика структурно-параметрического синтеза привода в соответствии с техническими условиями цементного предприятия с точки зрения модернизации может использоваться с соответствующими небольшими изменениями и дополнениями и для иных приводов тяжелых машин (например, приводов сталепрокатных станов, компрессорных установок, вращающихся печей, мельниц измельчения и самоизмельчения и др.).

Практическое значение результатов работы заключается в создании программно-методического обеспечения, предназначенного для автоматизированного структурно-параметрического синтеза привода цементной мельницы с учетом технических и производственных требований цементного предприятия. Разработанное программное обеспечение нашло применение в деятельности фирмы ООО «Свента-Машпром» (г. Москва) при подготовке технических и коммерческих предложений по модернизации приводов горизонтальных цементных мельниц предприятий Российской Федерации и стран СНГ.

Публикации и апробация работы. По теме диссертации автором опубликовано 15 научных работ (7 - в соавторстве, остальные - единолично), в том числе 8 статей в периодических изданиях, рекомендованных ВАК России.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на научных конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета в 2011-2013 гг., на международной научной конференции «Моделирование-2010» (г. Киев), на Всероссийской научно-технической конференции «Студенческая весна 2011: Машиностроительные технологии» (г. Москва, 2011 г.), на Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения» (г.Москва, 2011 -2012 гг.), на международной научно-технической конференции «Автоматизация: проблемы, идеи, решения (АПИР-16)» (г. Тула, 2011 г.). Научно-исследовательская работа «Автоматизированная система выбора оптимального варианта модернизации привода цементной мельницы», содержащая основные положения диссертации стала лауреатом Всероссийского конкурса научно-исследовательских работ студентов и аспирантов в области технических наук в 2012 г. (г. Санкт-Петербург).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений, изложенных на 201 странице машинописного текста. Содержит 10 таблиц, 47 рисунков, библиографический список из 102 наименований и трех приложений на 20 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, изложена её структура и кратко раскрыто содержание разделов диссертации.

В первом разделе рассмотрен анализ причин и методов проведения модернизации приводов цементных мельниц. Проведенный анализ современного положения цементных предприятий в России показал, что значительная часть цементных линий требует проведения их модернизации с внедрением решений, повышающих их долговечность, надежность и энергетическую и экономическую эффективность используемого оборудования.

Был проведен анализ горизонтальных цементных мельниц и их приводов. Типовая схема компоновки редукторного привода центрального или смещенного типа приведена на рисунке 1. В ходе исследований было выявлено, что из привода цементной мельницы на редуктор приходится наибольшая доля эксплуатационных затрат. Кроме того, его ремонт и поддержание работоспособно-

сти на заданном уровне зачастую невозможны только силами цементного предприятия.

Сравнительный анализ использования старого, уже исчерпавшего свой ресурс редуктора привода цементной мельницы показывает, что, например, для мельницы мощностью 3450 кВт разница в затратах на эксплуатацию за один год между новым приводом и приводом, отработавшим 35 лет, составляет порядка 14 млн. руб.

В результате структурно-функционального моделирования процесса модернизации приводов цементных мельниц было выявлено, что такой этап модернизации приводов цементных мельниц как оценка альтернативных проектов модернизации представляет наибольшую важность, так как решения принятые на этом этапе оказывают влияние на эффективность работы предприятия на несколько десятилетий. С другой стороны, компании-производители приводов затрачивают значительные объемы времени (от 2 дней до нескольких недель) на подготовку технического предложения по модернизации приводов цементных мельниц с учетом производственных условий.

Исследованиям проблем проектирования и модернизации приводов цементных мельниц посвящены работы многих отечественных и зарубежных ученых: B.C. Богданов, В.А. Бауман, Ю.А. Лоскутов, В.Н. Лямин, М.Н. Горобовец, В. Акле, Р. Амато. В. Дуда, М. Капфан и многих других. Однако задача выбора оптимального варианта модернизации привода цементной мельницы в заданных производственных условиях не нашла своего окончательного решения.

На основе материалов первого раздела сформулированы задачи исследования, которые ставятся и решаются в настоящей работе.

Во втором разделе представлены результаты анализа процесса модернизации приводов горизонтальных цементных мельниц и выявлены наиболее значимые технические параметры и характерные признаки приводов горизонтальных цементных мельниц, оказывающие влияние на выбор привода цементной мельницы.

На основе анализа и аккумуляции данных о существующих решениях конструкций приводов цементных мельниц был сформирован банк данных приводов. Некоторые варианты приводов горизонтальных цементных мельниц,

нашедшие наибольшее применение в России и СНГ, представлены на рисунке 2. На основании анализа известных решений в области приводной цементной техники была разработана классификация приводов цементных мельниц. Среди приводов для горизонтальных цементных мельниц были выделены следующие основные группы по положению элементов привода: центральный, смещенный и венцовый (периферийный) привод. Каждая из групп подразделяется на соответствующие группы в зависимости от вида и количества передаточных механизмов (центральный редукторный привод с планетарным редуктором, с редуктором типа «Симметро», центральный безредукторный привод, смещенный привод с цилиндрическим и планетарным редуктором, одноприводное и двухприводное решение для мельниц с венцовым приводом). Введение такого деления приводов горизонтальных цементных мельниц необходимо для определения эффективности проведения процесса модернизации приводов, поскольку при проведении модернизации необходимо учитывать имеющиеся производственные условия, а тип эксплуатируемого привода накладывает ограничения на возможность или целесообразность использования иных вариантов приводов.

мельница

-вН^)-®- Дк® -©-{л?)

В) г)

Рисунок 2 — Варианты кинематических схем приводов цементных мельниц: а) Венцовый привод б) Смещенный привод в) Центральный привод с редуктором «Симметро» г) Центральный привод с планетарным редуктором Для выявления влияния параметров и морфологических признаков привода цементной мельницы на его технические и эксплуатационные характеристики был проведен причинно-следственный анализ. Были выделены две группы параметров и характеристик приводов: технические (КПД привода, коэффициент стандартизации, ремонтопригодность, эргономичность и др.) и экономические (затраты на приобретение, монтаж и эксплуатацию привода). В процессе анализа модернизации привода цементной мельницы с привлечением сторонних проектных и производственных организаций необходимо дополнительное выделение групп параметров, характеризующих производителя привода или его компонентов, а именно: параметры географического расположения и надежности поставщика.

Был рассмотрен структурный анализ конструкций компонентов приводов цементных мельниц с использованием средств морфологического анализа. Разработана морфологическая таблица конструктивных вариантов модернизации приводов цементных мельниц, которая предусматривает синтез 1 327 104 различных вариантов модернизации приводов. Однако, при изменении типа привода и при задании начальных технических условий-ограничений, только часть вариантов будет отвечать заявленным требованиям, делая неперспективным рассмотрение остальных вариантов. Для этого в морфологическую таблицу вводятся функции, определяющие свойства исходного и модернизированного приводов Фрагмент разработанной морфологической таблицы, на основании которой осуществляется синтез вариантов привода цементной мельниц, представлен в таблице 1.

Таблица 1 - Фрагмент морфологической таблицы вариантов модернизации

приводов цементных мельниц

Функция

Т1 Количество ступеней редуктора

Т2 Тип ступеней редуктора

Т10 Качество зубчатого зацепления

Т11 Тип используемых в редукторе подшипников

Т12 Конструкция корпуса редуктора

Аи 2 ступени 0.522

А2| Все планетарные

0,427 _

А|0! С26 по стандартам ЛОМА

0.403

Аш Подшипники качения

0,160 _

Аш Литой 0,254_

АцЗ ступени 0,200

Альтернатива (Ад)

А22 Планетарные+ цилиндрические

0,183

А,п205 по стандартам АСМА

0,258

А| 12 Подшипники скольжения

0,600

Аи 4 ступени 0,190

А23 Планетарные с разделением потока мощности 0,246 _

А,оз <34 по стандартам ЛСМА

0,186

А113Исполь-зуются оба вида подшипников 0,240_

Ам5 ступеней 0,088

А24 Все цилиндрические 0,144

А,си <33 по стандартам АСМА 0,153

А |22 Сварной 0,746

Т13 Входная муфта редуктора

Т13.1 Варианты замены входной муфты

Т13.2 Тип входной муфты

Т14 Варианты замены выходной муфты редуктора

Ai3.ii Остается прежней

0,163

Аид Зубчатая муфта

0,671__

АшОстается прежней 0,292_

Заменяется на аналогичную

0,400

Аи 22 Гибкая муфта

0,150

Амг Заменяется 0,708_

А|з.1з Заменяется на муфту интегрированную с вспом. приводом 0,437

А|3.23 Муфта с торсионной промежуточной частью 0,179 _

Т15 Система смазки редуктора

Т 15.1 Наличие нагревателей

Т15.2 Наличие маслоохладителе

Т15.3 Наличие резервного насоса

Аци Имеется 1,000

А15 2] Имеется 1,000

А^ и Имеется 1,000_

А15,2Отсутствует 0,000 _

А|5п Отсутствует 0,000

А.5 32 Отсутствует 0,000 __

Функция Альтернатива (Ад)

Т16 Варианты замены вспомогательного привода АшОстаегсх прежним 0,179 А162 Заменяется на аналогичный 0,375 А|бз Заменяется на интегрированный с быстроходной муфтой 0,446

Т17 Наличие системы мониторинга А171=Температура масла+ давление масла 0,192 А.|72= Ап1+ температура подшипников 0,250 Аш= Ап2+ вибрация 0,325 Ап4 Он-лайн мониторинг состояния 0,233

Т18 Местоположение главного электродвигателя А,81 Остается прежним 0,646 Аш Изменяется 0,354

В третьем разделе представлена разработанная математическая модель выбора оптимального в заданных производственных условиях редуктора привода горизонтальной цементной мельницы.

Для оценки эффективности модернизации привода цементной мельницы была разработана математическая оптимизационная модель:

п тс т I

2(4Р) = (Ет1; "И'1/)'м/1 + тгШ '№2 —>■ тах (1)

;=1 1 ^ 1=1 1=1 где 71 Т-х Тл - значение ¡ - го технического параметра (признака) привода,

параметра местоположения или параметра надежности поставщика, , щ., и'4,— весовой коэффициент ¡-го параметра (признака) привода в соответствующей группе, п, т , /— общее число параметров и (или) морфологических признаков привода в соответствующей группе, -и>\ - н'4 — весовые коэффициенты групп параметров приводов, ГС1Пц, и ТС - минимальные затраты на покупку и эксплуатацию привода и затраты текущей альтернативы соответственно.

Для определения суммарных затрат была введена следующая формула, учитывающая затраты на протяжении всего жизненного цикла оборудования:

П т

ТС = Снач • (1 - -—) + (Сэл. +СМ-(Ум- пм + Умп) +поб -Соб+ £ Сзч, ■ +

Шиуо /=1 (¿)

+ Схр +пр'Ср+ Спр ' (см " пм +{об'поб +1р'пр))' Тэксп + С()ем ~ Сут где ТС - суммарные затраты; Снач - первоначальные затраты; Сэп - стоимость электроэнергии; См - стоимость смазочного масла; Соб - стоимость обслуживания; СЗЧ1 — стоимость покупки ¡-ого наименования запасных частей; т - число наименований запасных частей; Схр - затраты на хранение материалов; Ср - затраты на ремонт; Спр - потери от простоя; Сдгм - затраты на демонтаж; Сут - деньги, вырученные за счет утилизации определенных частей; О -скидки в процентах;

Ум - объем необходимого смазочного масла; Умп - объем потерь смазочного масла; пм - число замен масла в год; пад — число обслуживании редуктора в год; пзч1 — количество запасных частей ¡-ого наименования;

пр - число ремонтов в год; tM - время на замену масла; to6 - время обслуживания; tp - время ремонта; Тэксп - срок службы в годах.

На функцию (1) наложены ограничения: g>.gci ~ гарантийный период, предлагаемый производителем не меньше требуемого клиентом; Снач < СначС1 тах - размер первоначальных затрат не выше установленного

цементным предприятием максимума; zl{fiv) —> min - объем фундаментных работ стремится к минимуму.

Необходимость сведения к минимуму объема фундаментных работ обусловлена тем, что в зависимости от сложности проводимых работ время на подготовку фундамента может растягиваться от 2 недель до 2 месяцев, а дополнительные простои мельницы ведут к росту потерь от невыпуска продукции.

Для разработки проекта модернизации привода цементной мельницы необходимыми являются следующие исходные данные: данные имеющегося привода и параметры существующей производственной площадки, а также специальные требования цементного предприятия.

Решение задачи поиска оптимального объема фундаментных работ проводилось на основе классификации типов модернизации привода по признаку заменяемых узлов привода и необходимой модификации фундаментов. Примеры компоновок приводов цементных мельниц для центральных и смещенных приводов при замене на центральный привод, который в результате проведенного морфологического анализа был определен как наиболее перспективный, на имеющемся фундаменте представлены на рисунках 3-7.

Охарактеризуем каждый тип модернизации привода цементной мельницы:

1)Тип 1: главный электродвигатель не заменяется (или заменяется на аналогичный) и не изменяет свое местоположение на производственной площадке. Ось привода не изменяется. Тип привода может меняться в пределах своей группы из представленной во втором разделе классификации приводов цементных мельниц (например, существующий центральный привод может оснащаться планетарным редуктором или редуктором типа «Симметро»). Возможен монтаж редуктора на существующие анкерные болты (рисунок 3).

2) Тип 2: главный электродвигатель не заменяется (или заменяется на аналогичный) и не изменяет свое местоположение на производственной площадке. Ось привода не изменяется. Возможен монтаж редуктора на существующие анкерные болты через переходную раму (рисунок 4).

3) Тип 3: главный электродвигатель заменяется с изменением своего местоположения или существующий электродвигатель переносится для облегчения монтажа редуктора. Такой вариант модернизации может осуществляться в том числе с изменением типа привода (например, смещенного на центральный). Возможен монтаж редуктора на существующие анкерные болты (рисунок 5).

4) Тип 4: аналогично типу 3 главный электродвигатель либо заменяется с изменением своего местоположения или существующий электродвигатель пе-

реносится для облегчения монтажа редуктора. Возможен монтаж редуктора на существующие анкерные болты через переходную раму (рисунок 6).

5) Тип 5: главный электродвигатель заменяется с изменением своего местоположения или существующий электродвигатель переносится для облегчения монтажа редуктора. Такой вариант модернизации может осуществляться при изменении типа привода (любого горизонтального привода на любой). Установка на имеющийся фундамент невозможна, поэтому требуется создание нового или значительная модификация имеющегося, при которой удаляется часть фундаментов для прокладки новых коммуникаций (рисунок 7).

ноёыи старое лалсгение

ррддктпр / редуктора

кбдый

апфО? пв/юхвше ргсихпсрс-

с&игапЕГ.ь

7

3 1 /

дЬигатя'Ъ

Рисунок 3 — Тип 1 модернизации

нсйыи стсрс? я-халенс-р

/ С£й?кггф ^ ¡яЗумора

1 }-1 / "^.'с ПС'^Х^Шг

Рисунок 4 - Тип 2 модернизации

пврв (с&а* спорое г&'йхежЕ ¡репа / ррд&ясра

тирсе лжпыл?

ПЁЕ

8—

ЗХЗСтэ.'В :парсе псесхгые

Рисунок 5 — Тип 3 модернизации

Рисунок 6 - Тип 4 модернизации

Р

г* / :

ПС

из

Рисунок 7 — Тип 5 модернизации Для обоснованного выбора типа модернизации относительно объема фундаментных работ были выявлены аналитические зависимости между параметрами установки нового привода и параметрами существующей производственной площадки, а также специальными требованиями цементного предприятия. На рисунке 8 представлена схема компоновки редуктора цементной мельницы относительно приводного электродвигателя, соединительных муфт и установочного фундамента с указанием необходимых размеров производственной площадки.

эюетрвдбугввеп

Рисунок 8 - Схема компоновки элементов привода Для возможности установки редуктора на существующий фундамент необходимо соблюдение следующего условия:

Senvmin — w — Sawm ах >

Sal min - Sal - Sal max >

'"¡min ~ - '»'max' 'бmin - 'б - ^max •

(3)

Для установки редуктора на существующие анкерные болты должны выполняться условия:

к + lm +81= L> а1+°2 = lm + Sim + Sal '■> al ~ 1щ + Sim' W > и. я);

1б+1т +8 Г L> сц+а2+а3 = lm + gim + Sab а\ + a2=lm+ Sim>

W>M:h2;

(4)

Если эти условия не выполняются, то идет проверка выполнимости следующего условия (5) для установки редуктора на переходную раму, которая в свою очередь устанавливается на старые анкерные болты.

1б + 1т+8г

a¡+a2+a3 = lm + gím + Sah

a\ +a2=lm + Sim'

(5)

¡6 +Im+81= L>

■ Щ +a2 = lm + Slm +Sah или ßl =lm + Slm:

В случае невозможности реализации условий (4) и (5) модернизированный редуктор требует модернизации фундамента.

В формулах 3-5 L - общая длина привода от конца вала электродвигателя до фланца мельницы; gawmm, 8 aw max = Saw и Sal min. gal max, Sal ~ минимальные, максимальные и расчетные установочные размеры редуктора по ширине и длине; g[, gw — габаритные размеры редуктора, а также длины

выступающих за эти границы концов вала редуктора быстроходного giQ и тихоходного glm\ l6min, 1бтах, 1б и lrnmmJmmax, lm - минимальные, максимальные и расчетные длины быстроходной и тихоходной муфт редуктора соответственно; у/я\, — ширина фундаментной ямы 1 и 2 (нумерация со стороны мельницы); aj - расстояние оси расположения анкерных болтов от фланца мельницы; aj и <33 — расстояние между осями расположения анкерных болтов, w — расстояния между анкерными болтами на одной оси.

Благодаря использованию разработанной математической модели выбора варианта монтажа редуктора и аппарата математической логики для учета технических требований цементного предприятия относительно замены отдельных компонентов привода был разработан алгоритм выбора оптимального варианта расположения нового привода на существующей производственной площадке.

Таким образом, с учетом разработанной математической модели оценки объема фундаментных работ, задача выбора оптимального технико-экономического варианта привода цементной мельницы (2) в общем виде была сформулирована следующим образом:

-(4Р) opt, где ^ и ^допуст. _ размерЫ ПрИВОда и поле до-

-ifiv) min; пуска на возможные размеры, и - параметры

■ - ^—допуст._ (6) привода, которые, согласно требованиям це-

' ментного предприятия должны находиться в

~ -допуст. -допуст.

е" • допустимых пределах и

Решение сформулированной задачи оптимизации находится следующими способами: сведением многокритериальной задачи к задаче с одним критерием, методом простого или направленного перебора решений. Первый из предложенных методов может использоваться в процессе проведения конкурса среди технико-коммерческих предложений на модернизацию привода цементной мельницей. Два последних метода поиска оптимального решения были реализованы в разработанном программном обеспечении.

В четвертом разделе рассмотрена практическая реализация разработанной методики.

С использованием методов объектно-ориентированного проектирования было разработано программное обеспечение синтеза привода и выбора оптимального проекта модернизации привода цементной мельницы. Разработанная компьютерная система предназначена для использования в следующих случаях:

- выбора оптимального проекта модернизации привода цементной мельницы из конечного набора альтернативных вариантов технико-коммерческих предложений;

- синтез приводов горизонтальных мельниц в соответствии с техническими условиями и требованиями цементного предприятия.

Компьютерная система выводит результат работы как на экран, так и в текстовый файл, дополнительно предусмотрена возможность графического моделирования привода цементной мельницы в форме эскизного проекта его модернизации.

В разделе приведен пример использования компьютерной системы для обоснования проекта модернизации центрального привода мельницы 04x13,5 м мощностью 3150 кВт с редуктором типа «Симметро» с передаточным отношением 30,67 и зубчатыми муфтами. Анализу и сравнению подвергались 7 альтернатив, используемых в настоящее время в России.

Благодаря применению программного обеспечения получены следующие результаты: наиболее эффективной является замена привода на центральный с планетарным редуктором. Данное решение (1 - на рисунках 9 и 10) по критерию экономической эффективности на 8 % превышает ближайший альтернативный вариант (7 - на рисунке 9) и на 11 % раз превышает общую эффективность модернизации ближайшей альтернативы (3 — на рисунке 10).

16000 14000 12000 10000 аооо 6000 4000 2000 о

П1±

......

:

Номер варианта

Рисунок 9 - Оценка экономической эффективности вариантов модернизации

4 5

Номер варианта

Рисунок 10 - Оценка эффективности вариантов модернизации

Использование разработанного программного обеспечения позволило сократить время подготовки технических предложений с 2-7 дней в зависимости от сложности проекта до нескольких часов, необходимых для заполнения форм данными.

В заключении сформулированы основные итоги работы и общие выводы по диссертации.

В приложении представлен акт о внедрении результатов работы на предприятии ООО «Свента-Машпром», данные сравнения предложений по модер-

низации приводов горизонтальных цементных мельниц на основе текущей ситуации, являющиеся базой для разработанного программного обеспечения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Представленная диссертационная работа является научной квалификационной работой, в которой на базе теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная научно-техническая задача разработки методики структурно-параметрического синтеза приводов в процессе проведения модернизации цементных мельниц. При этом получены следующие основные результаты и сделаны выводы:

1. В результате обобщения опыта эксплуатации цементных мельниц выявлено, что редуктор главного привода мельницы является наиболее изнашиваемым элементом привода и именно он требует замены в первую очередь.

2. На основе анализа процесса модернизации приводов цементных мельниц были выявлены технические параметры и морфологические признаки приводов, определяющие выбор оптимального варианта его модернизации для заданных производственных условий цементного предприятия. Для сравнительного анализа, а также осуществления синтеза приводов была разработана морфологическая таблица вариантов модернизации приводов цементных мельниц. На основании проведенного исследования был выявлен оптимальный вариант модернизации без учета существующих производственных условий цементного предприятия - двухступенчатый планетарный редуктор с подшипниками скольжения.

3. Была разработана методика структурно-параметрического синтеза привода в процессе проведения модернизации эксплуатируемых цементных мельниц с учетом существующих производственных условий цементного предприятия. Методика включает оптимизационную параметрическую модель оценки объема фундаментных работ и общую оптимизационную математическую модель оценки эффективности модернизации. Применение разработанной методики позволяет повысить эффективность модернизации приводов эксплуатируемых горизонтальных цементных мельниц за счет выбора оптимального как по техническим, так и по экономическим критериям привода. Экономическая эффективность решения, определенного с использованием разработанной методики на 8 % превышает традиционно выбираемое по наименьшим первоначальным затратам решение.

4. Разработано программное обеспечение синтеза привода и выбора оптимального проекта модернизации привода цементной мельницы, которое было внедрено на предприятии ООО «Свента-Машпром» (г. Москва). Использование разработанного программного обеспечения на проектном предприятии позволило сократить время подготовки технического предложения на приводы цементных мельниц в среднем 6 раз, при этом удалось добиться повышения качества проектных решений приводов за счет обоснованного выбора варианта монтажа привода на производственной площадке.

w

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Содержание диссертации отражено в 15 научных публикациях, основными

из которых являются:

1. Трошина А.Г., Трушин H.H. Программное обеспечение графического моделирования планетарного редуктора // Известия ТулГУ. Серия «Технические науки». Вып. 4. Ч. 1 - Тула: ТулГУ, 2009. - С. 79 - 87.

2. Трошина А .Г.. Трушин H.H. Система компьютерного моделирования привода шаровой мельницы // Моделирование и информационные технологии. Том 3. Сб. научных трудов. Спец. выпуск. Материалы межд. научн. конф. «Мо-делирование-2010». - Киев, HAH Украины, 2010. - С. 242 - 250.

3. Трошина А.Г., Трушин H.H. Компьютерное моделирование привода шаровой мельницы // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. - С. 168-174

4. Трошина А.Г., Трушин H.H. Автоматизированная система технической подготовки ремонта и модернизации тяжелых технологических машин // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 2. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2012.-С. 58-68.

5. Трошина А.Г., Трушин H.H. Автоматизированное управление процессом реновации тяжелой технологической машины // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 2. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. -С. 68-74

6. Трошина А.Г. Модернизация приводов горизонтальных шаровых мельниц // «Цемент и его применение». - 2009. - №3. - С. 26 - 31.

7. Трошина А.Г. Повышение качества разработки эскизных проектов в сфере цементного оборудования // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - №2/2 (280), 2010. - С. 136 - 142.

8. Трошина А.Г. Выявление основных показателей качества редукторов для цементной промышленности // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. №2/2 (286), март-апрель 2011. С. 109-114

9. Ш. Кельнер, А. Трошина. Интегрированная система периферийного привода // «Цемент и его применение». - 2012. - №5. - С. 62 - 63.

10. Трошина А.Г., Трушин H.H. Оценка надежности приводов машин сверхбольшой мощности // Машиностроение - основа технологического развития России ТМ-2013: сб. науч. ст. V Междунар. науч.-техн. конф. редкол.: Е.И. Яцун [и др.]; Юго-Зап. гос. ун-т. Курск, 2013. 608 с. - 143-147

Изд.лиц.ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 16.09.2013 Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага офсетная. Усл.печ. л. 0,9 Уч.изд. л. 0,8 Тираж 85 экз. Заказ 043 Тульский государственный университет. 300012, г. Тула, просп.Ленипа, 92. Отпечатано в Издательстве ТулГУ. 300012, г. Тула, просп.Ленина, 95.

ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ МЕХАНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ КАФЕДРА АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СТАНОЧНЫХ СИСТЕМ

04201362964 На правах рукописи

ТРОШИНА Анна Геннадьевна

МОДЕРНИЗАЦИЯ ПРИВОДА ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ЦЕМЕНТНЫХ МЕЛЬНИЦ

Специальность: 05.02.13 - машины, агрегаты и процессы (машиностроение)

(технические науки) Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -д.т.н., доц. Трушин Н.Н.

Тула-2013

АННОТАЦИЯ

к кандидатской диссертации на соискание ученой степени кандидата

технических наук «МОДЕРНИЗАЦИЯ ПРИВОДА ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ЦЕМЕНТНЫХ МЕЛЬНИЦ» выполненной Трошиной Анной Геннадьевной на кафедре АСС университета по специальности: 05.02.13 — машины, агрегаты и процессы (машиностроение) (технические науки)

Цель диссертации заключается в обосновании варианта модернизации привода эксплуатируемых горизонтальных цементных мельниц на основе структурно-параметрического синтеза мельничного привода и интегрированного критерия.

Объектом исследования является горизонтальная цементная мельница. Предметом исследования являются закономерности влияния параметров и морфологических признаков привода цементной мельницы на его технико-экономические и эксплуатационные характеристики.

Предпринятое исследование является первым комплексным исследованием в таком роде применительно к изучению роли процесса модернизации приводов с учетом условий существующей производственной площадки.

Ключевые слова: модернизация, привод, редуктор, цементная мельница, морфологические признаки, задача оптимизации.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................................5

1 ПРОБЛЕМЫ МОДЕРНИЗАЦИИ ПРИВОДА ЦЕМЕНТНЫХ МЕЛЬНИЦ...............11

1.1 Проблема модернизации промышленности в России................................................................................11

1.2 Проблемы цементной промышленности......................................................................................................13

1.3 Технологический процесс цементного предприятия.................................................................................18

1.4 Анализ причин проведения реновации и модернизации приводов........................................................25

1.5 Анализ способов проведения модернизации приводов цементных мельннц........................................32

1.6 Анализ процесса модернизации привода цементной мельницы.............................................................36

1.7 Выводы но главе...............................................................................................................................................42

2 АНАЛИЗ ПРОЦЕССА МОДЕРНИЗАЦИИ ПРИВОДОВ ЦЕМЕНТНЫХ МЕЛЬНИЦ .......................................................................................................................................44

2.1 Классификация приводов цементных мельннц........................................................................................44

2.2 Приводы вертикальных цементных мельннц............................................................................................45

2.3 Приводы горизонтальных мельннц.............................................................................................................52

2.3.1 Безред>кторные приводы 52

2.3.2 Центральный привод 55

2.3.3 Смещенный привод . 58

2.3.4 Венцовый (периферийный) привод . .59

2.4 Квалпметрпческпй подход к оценке эффективности модернизации приводов цементных мельниц ....................................................................................................................................................................................61

2.5 Выявление параметров и признаков приводов цементных мелыпщ.....................................................66

2.6 Совок) нность технических и эксплуатационных характеристик привода цементных мельннц.....73

2.7 Разработка морфологической таблицы модернизации привода цементных мелыпщ........................84

2.8. Определение значений функции альтернатив...........................................................................................97

2.9. Выводы по главе.........................................................................................................................................111

3 ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО ВАРИАНТА МОДЕРНИЗАЦИИ ПРИВОДОВ ЦЕМЕНТНЫХ МЕЛЬНИЦ..........................................................................................112

3.1 Методика принятия решения при выборе варианта привода цементной мельницы в процессе модернизации........................................................................................................................................................112

3.2 Анализ экономических показателей привода...........................................................................................114

3.3 Анализ признаков географического положения производителя привода........................................119

3.4 Совокупность параметров надежности поставщика привода...............................................................120

3.5 Расчет показателя эффективности замены имеющегося привода........................................................121

3.5.1. Определение объема фундаментных работ.......................................................................................122

3.5.2 Сравнительный анализ вариантов привода горизонтальных цементных мельниц.................136

3.6 Обший вид задачи выбора оптимального варианта привода цементной мельницы в процессе модернизации.........................................................................................................................................................149

3.7 Выводы по главе.............................................................................................................................................150

4 ПРАКТИЧЕСКАЯ РАЛИЗАЦИЯ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ПРОЕКТОВ МОДЕРНИЗАЦИИ ПРИВОДОВ ЦЕМЕНТНЫХ МЕЛЬНИЦ....................................151

4.1 Разработка программного обеспечения, решающего задачу оценки качества приводов.................151

4.2 Алгоритм работы системы поддержки принятия решения....................................................................155

4.3 Алгоритм работы экспертной системы......................................................................................................158

4.4 Интерфейс работы с пользователем............................................................................................................159

4.5 Пример использования программного обеспечения................................................................................164

4.6. Выводы по главе............................................................................................................................................168

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................................170

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.........................................................................172

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТЕКУЩЕГО ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРИВОДНЫХ СИСТЕМ НА РЫНКЕ РОССИИ........................................................182

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. РЕЗУЛЬТАТЫ СРАВНИТЕЛЬНОГО АНАЛИЗА ТЕКУЩЕГО ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРИВОДНЫХ СИСТЕМ НА РЫНКЕ РОССИИ..........................197

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. АКТ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ............201

ВВЕДЕНИЕ

Цементная промышленность является базовой в комплексе отраслей, производящих строительные материалы и конструкции. Процесс производства цемента требует объедения в одной линии множества машин и агрегатов. Одним из таких агрегатов является цементная мельница с ее приводом. По состоянию на 2012 г. на территории России действует 51 цементное предприятие, на которых функционирует порядка 700 цементных и сырьевых мельниц, мощностью от 500 до 10000 кВт [24]. Однако основные фонды цементной промышленности России характеризуются высоким прогрессирующим износом, который к началу 2013 г. превышает 70 % [24]. Очевидно, что для поддержания цементного производства на актуальном техническом уровне необходимы ремонт и модернизация многих цементных мельниц и их приводов.

Возможно несколько вариантов проведения работ на имеющемся оборудовании - это проведение его модернизации или реновации. Отдельно следует остановиться на различии этих понятий.

Модернизация - это усовершенствование, обновление объекта, приведение его в соответствие с новыми требованиями и нормами, техническими условиями, показателями качества [57].

Реновация - это технико-экономический процесс замещения выбывающих из производства вследствие физического и морального износа машин, оборудования, инструмента новыми основными средствами за счет средств амортизационного фонда [57].

В данной работе под реновацией понимается замена изношенного оборудования на аналогичное, а под модернизацией - замена оборудования на новое, отвечающее новым нормам и требованиям и, кроме того, позволяющее повысить производительность или предоставляющее полностью иные характеристики функционирования привода.

Отдельную группу систем, требующих модернизации, составляют высоконагруженные электроприводы тяжелых стационарных технологиче-

ских машин, т.е. производящая техника большой мощности. Согласно ГОСТ Р 50369-92 электропривод - электромеханическая система, состоящая из преобразователей электроэнергии, электромеханических и механических преобразователей, управляющих и информационных устройств и устройств сопряжения с внешними электрическими, механическими, управляющими и информационными системами, предназначенная для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением в целях осуществления технологического процесса [20].

Среди всех электроприводов следует выделить особую группу высо-конагруженных приводов. К ним относятся приводы главного движения металлорежущих станков большой мощности, приводы сталепрокатных станов, компрессорных установок, насосов высокой мощности, буровых установок, генераторов, цементных и угольных мельниц, вращающихся печей, мельниц измельчения и самоизмельчения, барабанных сушилок, сепараторов, мешалок, вальцовых прессов, ленточных конвейеров и другие.

Около 90 % эксплуатируемых цементных мельниц имеют горизонтальную компоновку с мелющими телами в форме стальных шаров. Главный привод такой мельницы содержит электродвигатель, редуктор, соединительные муфты. При этом возможно использование различных компоновок приводов в зависимости от расположения компонентов привода относительно цементных мельниц и с различным исполнением редукторов.

Анализ эксплуатации шаровых цементных мельниц показывает, что, несмотря на примерно равный срок службы всех компонентов их приводов, наибольшему износу подвергается редуктор. Замена изношенного редуктора на новый редуктор, точно такого же типа практически невозможна, так как за 30-50 лет эксплуатации мельницы происходят неизбежные изменения в конструкциях редукторов и технологии их изготовления. Если восстановление работоспособности приводного электродвигателя и необходимые ремонтные работы на мельнице цементное предприятие еще может выполнить собственными силами, то для модернизации привода, включающую модернизацию

редуктора цементному заводу необходимо привлекать специализированные проектные и производственные предприятия.

Очевидно, что в сложившихся технико-экономических условиях разработка методики структурно-параметрического синтеза приводов в процессе проведения модернизации цементных мельниц является актуальной научно-технической задачей, имеющей существенное значение для изучения машин, агрегатов и процессов отраслей машиностроения. Решение данной задачи позволит цементным предприятиям повысить эффективность модернизации приводов эксплуатируемых горизонтальных цементных мельниц.

Цель работы заключается в обосновании варианта модернизации привода эксплуатируемых горизонтальных цементных мельниц на основе структурно-параметрического синтеза мельничного привода и интегрированного критерия.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие основные задачи исследования:

1) на основе анализа процесса модернизации приводов горизонтальных цементных мельниц выявить характеристические особенности приводов, определяющие качество проектных решений при модернизации;

2) сформировать банк данных приводов горизонтальных цементных мельниц и определить реализуемые варианты конструктивного исполнения редукторов главного привода цементных мельниц;

3) выявить зависимости между морфологическими признаками приводов цементных мельниц и оптимальными параметрами приводов и разработать методику структурно-параметрического синтеза привода при модернизации цементной мельницы с учетом технических и производственных требований цементного предприятия;

4) разработать программное обеспечение синтеза, обоснования выбора оптимального с точки зрения эффективности модернизации привода эксплуатируемых горизонтальных цементных мельниц и его графического моделирования.

Методы и средства исследования. Для решения поставленных задач применялись следующие методы исследований: методы теории систем и системного анализа, методы морфологического анализа и синтеза, методы оптимизации, методы многокритериального анализа, методы математической логики, объектно-ориентированного программирования. Для проверки результатов исследований, а также в ходе сбора необходимой информации, использовались методы экспертных оценок.

Объект исследования - горизонтальная цементная мельница.

Предмет исследования - закономерности влияния параметров и морфологических признаков привода цементной мельницы на его технико-экономические и эксплуатационные характеристики.

Наиболее существенные научные результаты, полученные лично соискателем:

1) система технических и технологических параметров и морфологических признаков приводов, определяющая качество проектных решений при модернизации цементных мельниц;

2) классификация приводов цементных мельниц и банк данных приводов цементных мельниц, используемые в процедурах оценки эффективности модернизируемых приводов цементных мельниц;

3) методика структурно-параметрического синтеза привода цементной мельницы с учетом фактора использования существующей производственной площадки.

Научная новизна результатов исследования заключается в выявлении и раскрытии взаимосвязей между морфологическими признаками и параметрами привода цементной мельницы и вариантами модернизации, учитывающие существующие производственные условия цементного предприятия.

Теоретическое значение результатов работы заключается в том, что разработанная методика структурно-параметрического синтеза привода в соответствии с техническими условиями цементного предприятия с точки зрения модернизации может использоваться с соответствующими небольшими

изменениями и дополнениями и для иных приводов тяжелых машин (например, приводов сталепрокатных станов, компрессорных установок, вращающихся печей, мельниц измельчения и самоизмельчения и др.).

Практическое значение результатов работы заключается в создании программно-методического обеспечения, предназначенного для автоматизированного структурно-параметрического синтеза привода цементной мельницы с учетом технических и производственных требований цементного предприятия. Разработанное программное обеспечение нашло применение в деятельности фирмы ООО «Свента-Машпром» (г. Москва) при подготовке технических и коммерческих предложений по модернизации приводов горизонтальных цементных мельниц предприятий Российской Федерации и стран СНГ.

Исследованиям проблем проектирования и модернизации приводов цементных мельниц посвящены работы многих отечественных и зарубежных ученых: B.C. Богданов, В.А. Бауман, Ю.А. Лоскутов, В.Н. Лямин, М.Н. Горбовец, В. Акле, Р. Амато, В. Дуда, М. Капфан и многих других. Однако задача выбора оптимального варианта модернизации привода цементной мельницы в заданных производственных условиях не нашла своего окончательного решения.

Диссертационная работа состоит из 4 разделов. В первом разделе рассмотрен анализ причин и методов проведения модернизации приводов цементных мельниц. Проведенный анализ современного положения цементных предприятий в России показал, что значительная часть цементных линий требует проведения их модернизации с внедрением решений, повышающих их долговечность, надежность и энергетическую и экономическую эффективность используемого оборудования.

Во втором разделе представлены результаты анализа процесса модернизации приводов горизонтальных цементных мельниц и выявлены наиболее значимые технические параметры и характерные признаки приводов гори-

зонтальных цементных мельниц, оказывающие влияние на выбор привода цементной мельницы.

В третьем разделе представлена разработанная математическая модель выбора оптимального в заданных производственных условиях редуктора главного привода горизонтальной цементной мельницы.

В четвертом разделе рассмотрена практическая реализация разработанной методики.

В заключении работы сформулированы основные итоги работы и общие выводы по диссертации.

1 ПРОБЛЕМЫ МОДЕРНИЗАЦИИ ПРИВОДА ЦЕМЕНТНЫХ

МЕЛЬНИЦ

1.1 Проблема модернизации промышленности в России

В настоящее время во многих отраслях промышленности России перед предприятиями стоит проблема модернизации производства. Наиболее остро эта проблема встала в период мирового финансового кризиса 2008 г., когда из-за недостатка финансирования обсуждение и реализация многих проектов была приостановлена. Однако для надежной работы предприятия и для поддержания работоспособности производственных линий, единственной возможностью выжить у предприятия в таких условиях является поддержание технического потенциала предприятия. В процессе выхода из кр