автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Разработка методики и системы вибродиагностики технологического оборудования для производства комбикормов

На правах рукописи

ТЕРЕХИН СЕРГЕЙ ЮРЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И СИСТЕМЫ ВИБРОДИАГНОСТИКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КОМБИКОРМОВ

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы

(пищевых производств)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2014 005547919

|../ ¿.и ¡4

005547919

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств»

Научный руководитель - Яблоков Александр Евгеньевич

кандидат технических наук, доцент.

Официальные оппоненты - Семенов Евгений Владимирович доктор технических наук, проф. кафедры «Технологии продуктов из растительного сырья и парфюмерно-косметических изделий» ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет технологий и управления»;

Зверев Сергей Васильевич

доктор технических наук, проф. ГНУ «Всероссийский научно-исследовательского института зерна и продуктов его переработки» (ВНИИЗ).

Ведущая организация - ЗАО «Совокрим».

Защита диссертации состоится «29» мая 2014 г. в 14:00 на заседании Диссертационного совета Д.212.148.10 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств» по адресу: 109316, г. Москва, ул. Талалихина, д.ЗЗ, конференц-зал.

Просим Вас принять участие в заседании Диссертационного совета или прислать отзыв в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, по вышеуказанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств»

Автореферат размещен на сайтах ВАК при Министерстве образования и науки РФ http://vak.ed.gov.ru и ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств» http://www.mgupp.ru.

2014 г.

Никифоров Л.Л.

Автореферат разослан апреля Ученый секретарь диссертационного совета,

д.т.н., проф.

Актуальность исследования. Комбикормовое производство является важнейшим звеном в цепочке обеспечения населения сырьем и продуктами питания животного происхождения. Экономическая эффективность и техногенная безопасность комбикормового производства напрямую зависят от качества его технического обслуживания (ТО).

В настоящее время для поддержания оборудования в работоспособном состоянии на комбикормовых предприятиях используется два вида ТО: реактивное обслуживание (после выхода из строя) и система плановых предупредительных ремонтов (ППР). Оба метода имеют свои недостатки. Неожиданная поломка оборудования повышает вероятность возникновения взрывоопасной ситуации, влечет за собой внеплановый простой предприятия. Применение системы ППР в большинстве случаев экономически неоправданно.

Более эффективным методом ТО является обслуживание по фактическому состоянию (ОФС) оборудования. При этом сроки и виды ТО и ремонтов (Р) оборудования определяются по результатам его технической диагностики. Среди различных методов технической диагностики наиболее универсальным и эффективным является метод функциональной вибродиагностики, который позволяет оценить техническое состояние машины в процессе эксплуатации по результатам анализа ее вибрации. Несмотря на успешное применение методов вибродиагностики в различных отраслях промышленности, на комбикормовых предприятиях эти методы практически не используются из-за отсутствия методик вибродиагностики, учитывающих специфику технологического оборудования отрасли.

Объектом рассмотрения в диссертации является разработка и повышение эффективности методов диагностики машин комбикормового производства в целях продления ресурса, обеспечения надежной и безопасной эксплуатации.

Предметом исследования являются методы определения технического состояния машин комбикормового производства по параметрам их вибрации.

Целью исследований является совершенствование технического обслуживания, повышение надежности и безопасности эксплуатации технологического оборудования комбикормового производства.

Задачи исследований:

1. Провести анализ современных подходов к ТО и изучить методы технической диагностики машин по параметрам их вибрации в диапазоне частот от 2 до 10 ООО Гц.

2. На основе анализа статистики аварий на комбикормовом производстве выделить машины для дальнейшего исследования, которые представляют наибольшую техногенную опасность в случае внезапной поломки.

3. Создать математические модели исследуемых машин с возможностью моделирования их типовых неисправностей.

4. Методом математического моделирования на ЭВМ определить и провести ка-

чественный анализ зависимостей параметров вибрации машин от наличия механических дефектов при различной технологической нагрузке.

5. Создать лабораторную установку на базе молотковой дробилки и методом натурного моделирования дефектов определить зависимости между параметрами вибрации и наличием дефектов с целью оценки адекватности построенных математических моделей.

6. Провести натурные исследования на комбикормовом заводе и опытным путем определить диагностические признаки различных дефектов оборудования.

7. Разработать алгоритм, техническое и программное обеспечение вибродиагностической системы для машин комбикормового производства.

8. Провести проверку результатов научных исследований на производстве.

Методологической основой диссертационного исследования являются теоретические и экспериментальные методы. Теоретические исследования проведены с использованием разработанных математических моделей машин. Динамические модели машин построены на основе законов теоретической механики, теории колебаний и динамики машин. Дифференциальные уравнения движения решены численным методом Рунге — Купы на ПК. Обработка вибрационных сигналов проводилась с использованием алгоритмов БПФ на современных микропроцессорных приборах. Результаты измерений обработаны методами математической статистики. Экспериментальные исследования проведены методом натурного моделирования на специально созданной установке в лаборатории кафедры ТМО МГУПП, а также на оборудовании ОАО «Болшево-Хлебопродукт».

Научная новизна работы выражается в следующем:

• разработаны кинематические диагностические модели оборудования комбикормового производства: молотковой дробилки А1-ДМР, вентилятора ВЦП, смесителя СГК-2,5, гранулятора ДГ-1, устанавливающие зависимости между скоростью вращения рабочих органов машин и частотными характеристиками диагностических признаков различных дефектов;

• разработаны динамические диагностические модели экспериментальной молотковой дробилки, дробилки А1-ДМР, вентилятора ВЦП-8, устанавливающие зависимости между кинематическими (зазоры в сопряжениях) и динамическими (жесткость узлов, сила сопротивления, инерционные характеристики, внешние силы) отклонениями от технической документации в работе машин и частотными характеристиками их диагностических признаков;

• в результате математического моделирования различных условий эксплуатации машин определены зависимости между дефектами и параметрами колебаний машин;

• проведен статистический анализ вибрационных колебаний в различных зонах

машин, и выявлены наиболее информативные места для отбора диагностической информации;

• в результате статистического анализа вибрационных характеристик машин, находящихся в работоспособном и дефектном состояниях, определены значения диагностических признаков различных дефектов.

Практическая ценность работы:

• в результате анализа кинематических моделей оборудования комбикормового производства определен частотный диапазон диагностических признаков, на этом основании подобрана аппаратная часть системы вибродиагностики, модернизировано программное обеспечение;

• в результате диагностического моделирования и статистического анализа вибраций исправных и дефектных машин разработан способ диагностирования оборудования комбикормового производства по СКЗ виброскорости и узкополосному спектру вибрации;

• на ОАО «Болшево-Хлебопродукт» проведена проверка полученных научных результатов, внедрены разработанные методы организации ТО по фактическому состоянию, технические и программные средства вибродиагностики, метод экстрапо-ляционного прогнозирования изменения технического состояния и усталости машин по тренду вибрационных характеристик объекта прогнозирования;

• результаты исследования легли в основу создания опытного образца стационарной системы диагностики (ССД-01) молотковой дробилки и аналогичного оборудования.

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационного исследования были представлены на VI научно-технической конференции с международным участием «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства их реализации» в МГУПП, 2008 г., на расширенном заседании кафедры ТОПХ МГУПП в 2010 г. Диссертация обсуждалась на заседании кафедры ТМО МГУПП в 2013 г. и была рекомендована к защите.

По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в т. ч. патент № 2366506 РФ. МПК7 В02С 4/06, опубл. 10.09.2009, бюл. № 25.

Объем работы. Диссертационная работа изложена на 158 странице, основной текст — на 144 страницах, содержит 69 иллюстраций и 18 таблиц. Включает введение, 5 глав, выводы и приложения. Список использованной литературы включает 119 наименования, в том числе 16 иностранных источников.

Основные положения, выносимые на защиту:

• предложение использовать методы и средства вибрационной диагностики для объективного определения текущего технического состояния машин комбикормового производства с целью его ТО по фактическому состоянию;

• предложение использовать методы математического моделирования для

нахождения зависимостей между параметрами вибрации (диагностическими признаками) и видом дефекта машины;

• математические диагностические модели молотковой дробилки А1-ДМР, вентилятора ВЦП, смесителя СГК-2,5, гранулятора ДГ-1;

• зависимости между параметрами вибрации исследуемых машин и видом дефекта, полученные с помощью вычислительного и натурного экспериментов;

• зависимости между параметрами вибрации экспериментальной молотковой дробилки и режимами ее работы;

• диагностическая карта соответствия диагностических признаков различным механическим дефектам машин.

Во введении обоснована актуальность темы исследований, дана характеристика диссертационной работы.

В первой главе сделан обзор современного состояния вопроса технического обслуживания технологического оборудования, методов и средств вибродиагностики, определена цель и поставлены задачи исследования.

Разработки в области надежности машин выполнены В. С. Авдуевским, И. А. Ушаковым, А. С. Пронниковым и др. В работе А. А. Вайнберга подчеркивается взаимосвязь между эксплуатационной надежностью машин зерноперераба-тывающих предприятий и технической диагностикой.

Основы технической диагностики механических систем, в т. ч. по параметрам их вибрации, раскрыты в работах В. В. Клюева, И. А. Биргера, П. П. Порхоменко, М. Д. Генкина, A.B. Баркова и пр. Общими вопросами диагностического моделирования механических систем занимались: Э. JI. Айрапетов, А. Г. Соколова, Ф. Я. Ба-лицкий, Ю. Г. Баринов, М. Д. Генкин, В. К. Гринкевич и др.

Вибрационной диагностикой оборудования мукомольных заводов занимались: А. Б. Демский, М. У. Кацнельсон, М. Д. Руб, JI. А. Глебов, А. Е. Яблоков и др.

Исследование колебательных процессов машин целесообразно проводить с использованием их динамических моделей. Динамическим моделированием зер-ноперерабатывающих машин занимались: М. М. Гернет, В. И. Денисов, А. И. Иванов и др.

Анализ научных работ показал, что методы вибродиагностики позволяют оптимизировать ТО, повысить безопасность эксплуатации оборудования, однако исследований в области вибродиагностики машин комбикормового производства не проводилось.

Во второй главе представлено описание аппаратуры и программных средств вибродиагностики машин, описано технологическое оборудование комбикормового производства, определены методологические основы измерения вибрации машин.

В лаборатории МГУПП была создана экспериментальная лабораторная установка на основе молотковой дробилки для исследования зависимости параметров вибрации дробилки от наличия дефектов при различной частоте вращения. Общий вид, а также кинематическая схема установки показаны на рисунке 1.

щэнжиотяз

Рис. 1. Экспериментальная установка на базе молотковой дробилки: а) общий вид; б) кинематическая схема.

Практические исследования проведены на комбикормовом заводе ОАО «Болшево-Хлебопродукт». Были исследованы: молотковые дробилки А1-ДМР, пресс-грануляторы ДГ-1, смесители СГК-2,5, центробежные вентиляторы ВЦП-6. Общие виды исследуемых машин представлены на рисунке 2.

Рис. 2. Общие виды исследуемых машин: а) дробилка марки А1-ДМР; б) смеситель марки СГК-2,5; в) пресс-гранулятор марки ДГ-1; г) вентилятор марки ВЦП.

Места измерений вибродиагностической информации были предварительно отобраны исходя из конструкций машин с учетом рекомендаций, содержащихся в стандартах ISO, ГОСТ ИСО 10816-1-97, и уточнены в результате исследований. Схема установки датчиков для измерения вибрации представлена на рисунке 3.

в) г) р

ис. 3. Точки измерения вибрации исследуемого оборудования: а) дробилка марки А1-ДМР; б) смеситель марки СГК-2,5; в) пресс-гранулятор марки ДГ-1; г) вентилятор марки ВЦП.

Третья глава посвящена разработке и использованию математических диагностических моделей машин комбикормового производства для решения прикладных задач вибродиагностики. В рамках настоящей работы предложено использовать в качестве диагностических моделей динамические модели машин, в которых предусмотрена возможность моделирования различных дефектов (дисбаланс, дефекты подшипников, изменение жесткости опор и пр.).

Динамические модели экспериментальной дробилки, вентилятора и дробилки А1-ДМР разработаны с использованием уравнения Лагранжа второго рода: а {дТ ] ВТ дП п

ж V дц,) % а?,-

где — обобщенная координата; </, — обобщенная скорость; <2,1( и <2,Р — обобщенные силы, соответствующие силам сопротивления к, и возмущающим силам ^ ;ТчП — кинетическая и потенциальная энергии системы; / = 1, 2,..., 5-, где ^ — число степеней свободы механизма.

(1)

Расчетная схема экспериментальной молотковой дробилки представлена на рисунке 4. Ротор дробилки консольно установлен в опорах А и В. В разрабатываемой модели учитывается их жесткость, демпфирование и возможные зазоры. К шкиву ротора посредством ременной передачи приложен момент от электродвигателя Т/(1). Рабочая нагрузка на ротор дробилки моделируется моментом Т2(1) = Р(1)-Рм, где Р(1) — сила воздействия на молотки со стороны продукта; Ям— плечо силы Р(1). Рассматриваемая система имеет шесть обобщенных координат: углы поворота ротора в вертикальной ау и горизонтальной «г плоскостях, угол поворота ротора относительно горизонтальной оси <р, линейные перемещения центра тяжести ротора (точка С) в трех направлениях (хс,ус, гс). Момент сопротивления в подшипниках ротора — 7д. Т. к. силовых факторов вдоль оси ОХ нет, рассмотрим модель с пятью обобщенными координатами.

Рис. 4. Расчетная схема экспериментальной молотковой дробилки.

Разрабатываемая математическая модель позволит моделировать ряд типовых дефектов дробилки:

■ изменение жесткости подшипниковых опор А и В;

■ кинематические погрешности и Ав(1) в подшипниках опор А и В;

• дефект ремня (моделируется функцией изменения крутящего момента Т^))',

■ наличие сил инерций Р" и Р" от дисбаланса молотков и шкива. Кинетическая энергия рассматриваемой системы рассчитывается по формуле:

Т = - Спагс + ту2с + 1гсаг + 12Са2 + 1хф2),

где т — масса ротора (в сборе с дисками, молотками и шкивом), кг; Iгс' [2С > 1 х — осевые моменты инерции ротора, кг-м2.

Потенциальная энергия системы складывается из потенциальной энергии деформации опор и потенциальной энергии ротора в поле силы тяжести:

П = ^[сЛу(ус -д„('))2 +CaÁzc +liaz +

+ СВу(Ус +/3«1' ~АВу(О)2 +CbAZC ~haz -Д&(0)2]-W-g-J'c,

где /2, /3 — расстояния от подшипниковых опор до центра тяжести ротора, м; Д^ (О, , Д&(0—кинематические погрешности в подшипниках, м;

с£>) и cAz, св, —жесткости подшипниковых опор в вертикальном и горизонтальном направлениях, Н/м.

Обобщенная сила сопротивления в общем виде рассчитывается по формуле:

dq,

где q¡ — обобщенная скорость; R — диссипативная функция рассеивания колебательной энергии:

R = \[bÁy{yc ~12«гУ + М*с +/2«г)2 +ЬВу(ус +¡3 áyf + (5)

+ bB:(¿C +Ькфг],

где bAy, b^, bBy, bBz —коэффициенты сопротивления в соответствующих опорах;

Ьк— коэффициент сопротивления кручению ротора в опорах.

На систему действуют силы инерции от дисбаланса молоткового ротора и шкива ременной передачи, сила натяжения ременной передачи, крутящий момент от электродвигателя, момент сопротивления и сила взаимодействия продукта с молотками. Возмущающие обобщенные силы рассчитываются по формулам:

Qf,(0= Р" sin(eot + i/,)+Р2" sin(at + yf 2) - Sjy Qfi (О = Л" cos( at + y¡)+ Р2" cos( cut + у г~)

QFayi О = -Р" sin( Wt + Iff,) ■(/, + /2) + Р" sinf cot + Vl) •(/, + /4) - s^ (/, + /4)

QFaz (О = P" cos( о" + V1) • (/, + /2) - Рг C0S( at + у 2) • (/, + h ) QFrx=Tl{t)-T,t-F(t)-Rl

где P" и P2" — силы инерции от дисбаланса молотков и шкива, Н; T\(t) — крутящий момент, приложенный к шкиву ротора, как функция времени, Н-м; TR— крутящий момент от сил сопротивления при вращении ротора, Н-м; F(t) — сила воздействия продукта на молотки, как функция времени, Н; SPy— проекция силы

натяжения ременной передачи на ось OY, SPy = 4 • М, /0,5dl, Н; R¡ — радиус вра-

,(6)

щения молотков, м; со — средняя угловая скорость вращения ротора, с"'; у// и ц/2 — фазовые углы дисбаланса молотков и шкива, рад.

В результате подстановки выражений (2 - 6) в уравнение 1 получим систему дифференциальных уравнений динамики, описывающих колебания ротора экспериментальной дробилки:

Щ>с+ЬАу-(ус-1гсгг)+ЪВу(ус+1}аг)+слу' \Ус ~ к'аг ~ А^(0]+

псс+ЬА2-{гс+12а2)+ЬВ2-(:с-13а1)+сА2-(2с+12аг-АА2(1)]+ +сВг■ [гс - 1гаг - Ав (/)] = I? • в т(оХ+(/,)+% ■ 5 ¡п(аг+щ);

+сВу \ус+Наг-А^ОП = -/? -сов^*+(/,)•(/, +/2)+/2 •со5^Г+(/2) (/3+/4)-5'л„ •</3 +/4);

¡гсЩ +ЬАг'(-с+!2-ъУк-Ь^с-1га2)1г +сАг[:с +/2 аг-АЛ2{1)]!2-

-сВг-1-с-1з"г-^вМ Ь = Р1 ^Ш+у/2) (1г+14);

1хф+Ьпф = Т1(1)-Тк-Р(!)1\.

Численные эксперименты с использованием диагностической модели, описанной системой дифференциальных уравнений (7), проведены на ЭВМ в системе компьютерной алгебры МшИСАО. Результаты численного решения системы уравнений (7) методом Рунге — Кутгы представлены в виде графиков временных реализаций колебаний ротора дробилки. Спектральный анализ колебаний проведен с использованием метода быстрого преобразования Фурье (БПФ).

Жесткость подшипников в опорах А и В рассчитывается в системе Ма1ИСАБ с учетом величины нагрузки. Инерционные коэффициенты (масса, главные моменты инерции) и координаты центра тяжести системы определены аналитически путем построения в САО-системе БоПсНУогЬ электронной ЗО-модели ротора.

Рассмотрим некоторые результаты математического моделирования ряда характерных дефектов:

1. Дисбаланс молотков. Математическая модель (7) реализована со следующими параметрами: режим работы дробилки — холостой ход; частота вращения ротора пР = 2000 об/мин (/р = 33,33 Гц); крутящий момент от электродвигателя Т\ = 5,73 Н-м. Момент сил сопротивления вращению ротора: Тк = Т\. Влияние силы инерции от дисбаланса молотков на колебания системы подчинено гармоническому закону: Р2 (I) = О2сог Бт(<аг + у/г), где В2 — дисбаланс молотков, гсм.

Результаты решения математической модели при дисбалансе А = 350 гсм представлены на рисунке 5. График временной реализации колебаний (рис. 5а) ротора в опорах подтверждает, что вынужденные колебания ротора являются установившимися. Дисбаланс молотков проявляется в спектре колебаний (рис. 56) увели-

чением амплитуды колебаний на частоте вращения ротора^= 33,3 Гц. Амплитуда колебаний ротора в опоре А равна 19 мкм, а в опоре В — 2,6 мкм.

й. мкм

а) Колебания ротора в опорах

0.04

мкы

0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 о) Спектр колебаний

Рис. 5. Зависимость вибрации ротора экспериментальной дробилки от дисбаланса молотков = 350 г-см): а) форма колебаний; б) спектр.

2. Локальные дефекты дорожки качения (усталостное разрушение, выкрашивание, выбоины и пр.). Подобные дефекты предложено моделировать кусочно-заданной функцией изменения кинематической погрешности в опоре. Для моделирования локального дефекта наружного кольца подшипника опоры А такая функция имеет вид:

тк! н

АУ [0 пщк/Г^+ЗткКк+Х)//^ ' здесь /тк/н — частота перекатывания тел качения по локальному дефекту наружной дорожки качения, Гц; 5т — время нахождения тела качения в зоне дефекта, с; АДу — кинематическая погрешность внешней дорожки качения, мкм; к- 1,2, ...,

т — переменная для задания временного ряда функции.

В результате численного эксперимента для величины кинематической погрешности ЛАу = 10 мкм в опоре А получен спектр колебаний ротора (рис. 6). Из рисунка видно, что данный дефект характеризуется увеличением амплитуды колебаний на частоте, кратной /„„,„ = 192 Гц.

3 /„¿ЙГ

I 4/U

Л_

\

TOO 300 900 1003

/;гц

Рис. 6. Зависимость спектра вибрации ротора экспериментальной дробилки от локального дефекта (ААу = 10 мкм) внешнего кольца подшипника опоры А.

С помощью аналогичного подхода разработаны динамические модели вентилятора ВЦ и молотковой дробилки А1-ДМР. Расчетная схема дробилки представлена на рисунке 7. Разрабатываемая математическая модель позволит моделировать ряд типовых дефектов дробилки: изменение жесткости подшипниковых опор А и В; кинематические погрешности tS.A(t) и Ав(0 в подшипниках опор А и В; наличие сил инерций Р" от дисбаланса ротора, при этом положение точки приложения дисбаланса вдоль горизонтальной оси определяется координатой хрг, наличие сил инерций Р" от дисбаланса полумуфты; дефекты муфты (моделируется функцией крутящего момента T\(t))\ моделирование нагрузки от продукта (моделируется функцией крутящего момента T2(t)).

Рис. 7. Расчетная схема молотковой дробилки А1-ДМР.

Введя ряд упрощающих допущений, рассмотрим дробилку как механическую систему с пятью обобщенными координатами. Математическая модель дробилки описывается системой дифференциальных уравнений:

тУс+ьлу (Ус-1\-<Хг) + ьву(Ус + '2«)■) + сАУ - Ье-к аг ~ +

+ сВу[ус + 12аг -АВуО)] + т ■% = Р" -в\nicot + у/ у) + Р2 "8т(ш* + (У2); т'гс + Ь^ - (¿с + 11а2) + ЬВг (¿с ~12аг) + с^ -[гс + 1хаг - Д ^(/)] +

+ сВг [гс - 12а2 - Аг(0] = Р\ ■ соз(й>/ + (С,) + Р2 •«»(<»/ +

/гсас -(¿с " 'А + ЬВу - {у с + 12ау)-12-сАу [ус -/,аг - Д„у(0] 'А +

+ сДу "1>с + /2«г - ддД')Н2 = Л" "вт (со1 + у/1)-хп + Р" -в т( си/+ • (/2 +/3);

(9)

-с& -[гс -/2аг - Д&(0]'/2 = Л" + + К • соэС а>/ + • (/2 + /3);

1хф + ЪКхф = 7\(0 - Гя - Г2(0-

Основные результаты математического моделирования дефектов дробилки: 1. Дисбаланс ротора. Исходные данные для математической модели (9): частота вращения ротора пр = 2960 об/мин (/р = 49,3 Гц); крутящий момент Г/ = 322,8 Н-м; момент сил сопротивления — Тц = 20 Н-м; крутящий момент от продукта приближенно моделируется периодической функцией Г2(У = (Т\ - 7у-(0,8 + ОД-сов (4-со-ф. Возмущающая сила инерции от дисбаланса ротора носит гармонический характер: Р"(г) = О.о)181п(оя + (/,), где Вх = 500 г-см — модельный дисбаланс молотков. Координата дисбаланса хР/ = 100 мм.

Результат решения математической модели представлен на рисунке 8. Дисбаланс ротора сопровождается увеличением амплитуды виброскорости на частоте вращения ротора^ = 49,3 Гц. Более высокая амплитуда колебаний в опоре В (\>в -0,04 м/с), чем в опоре А (уА = 0,01 м/с), связана со смещением к опоре В точки приложения дисбаланса на 100 мм относительно центра тяжести.

V. м/с

0.04

Опора А у Опора Ву 002

Слеюр копебаний

/Гц

Рис. 8. Зависимость спектра вибрации ротора молотковой дробилки А1-ДМР от дисбаланса (О/= 500 г-см,Хр/= 100 мм).

2. Локальные дефекты дорожки качения (усталостное разрушение, выкрашивание, выбоины и пр.) моделируются кусочно-заданной функцией (9) изменения кинематической погрешности в опоре. Зависимость спектра вибрации ротора молотковой дробилки А1-ДМР от дефекта внутреннего кольца подшипника опоры А (ДАу = 10 мкм) представлена на рисунке 9. Спектр виброскорости характеризуется увеличением гармонических составляющих частоты проявления дефекта — fmK/e = 384,5 Гц.

V, М/с 0.01

Опора. J r о-оо«

Опора By

_____O.OOó

0.004

0.00.2

О 100 200 300 400 500 600 ТОО 800 POO 1000 1100

/Гц

Рис. 9. Зависимость спектра вибрации ротора молотковой дробилки А1-ДМР от дефекта внутреннего кольца подшипника опоры А (АЛу= 10 мкм).

В рамках исследования разработаны кинематические диагностические модели смесителя СГК-2,5 и гранулятора ДГ-1. На рисунке 10 представлена кинематическая схема привода смесителя, в таблице 1 — результаты расчета детерминированных частот проявления различных дефектов привода смесителя в спектре колебаний. Здесь fii,fni,fiv— частоты вращения соответствующих валов редуктора.

/

Рис. 10. Кинематическая схема привода смесителя.

Таблица 1

Результаты расчета детерминированных частот проявления различных дефектов привода смесителя

Вид дефекта Частота колебаний, связанная с дефектом, Гц

Дисбаланс шкива электродвигателя 24,33

Дисбаланс входного вала, дефект зубьев шестерни /п

Дисбаланс промежуточного вала редуктора, дефект зубьев колеса 0,157/ц

Дисбаланс выходного вала редуктора, дефект зубьев колеса 0,03/,

Дефекты зацепления: — первой ступени — второй ступени 13/i 2,54/,

Дефекты муфты смесителя 4//г

Дефекты подшипников качения 1320 (ротор смесителя) fc =0,415\fa, /№)>=6,231/îk, /„,„=8,769/«., /™=2,834/,к,/„„#=35,46/Ж

Дефекты подшипников качения 7607 (входной вал редуктора) / =0,410/,/, /„,. =5,335/;, /„„,. =7,665//, /_ =2,650//, /^=57,98//

Дефекты подшипников качения 7609 (промежуточный вал редуктора) / =0,407/;,, /„,„ =5,294/,/, /„„,. =7,706///, /„ =2.555/1»,/_„ =54,04///

Дефекты подшипников качения 7516 (выходной вал редуктора) fc =0,434//и, /„„,„ = 7,805/и, /_,. = 10,195/к, fm* = 3,574//, /ткГф = 103,88/r

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям. В лаборатории МГУПП создана экспериментальная установка на базе молотковой дробилки. Проведены натурные эксперименты по моделированию различных дефектов, таких как: дисбаланс ротора, дефекты подшипников, дефект ремня, шкива и пр.

Векторная диаграмма зависимости амплитуды и угла колебаний от величины дисбаланса показала, что вынужденная частота колебаний является зарезонансной.

Дисбаланс молотков моделируется установкой дополнительных грузов различной массы на пластинчатые молотки дробилки. На рисунке 11 представлены зависимости спектров вибрации подшипникого узла дробилки в зависимости от величины дисбаланса ротора. В случае уравновешенного ротора по 5 кл, согласно ГОСТ 22061-76, амплитуда колебаний на частоте вращения ротора (fp = 33 Гц) составляет 11,2 мкм; при искусственно созданном дисбалансе ротора D = 525 г см вибрация возросла до 32,3 мкм. Таким образом, дисбаланс ротора можно диагностировать по амплитуде вибрации на частоте вращения ротора.

17

S. мкм

S. мкм

! a)

fp

!й

IF Pi 1 j - ' ...... g ......•......;""" •......:.....T "r "

1 e _ 4..'"

/Гц /Гц ри

с. 11. Зависимость спектра вибрации подшипникого узла от наличия дисбаланса: а) ротор уравновешен по ГОСТ; б) дисбаланс ротора дробилки 525 г-см.

Исследования зависимости между дефектом внешнего кольца подшипника и параметрами вибрации проведены на экспериментальной установке. Во внешнем кольце подшипника серии 7615 опоры А был сделан пропил шириной 3 мм, моделирующий дефект наружного кольца. На рисунке 12 представлены спектры виброскорости корпуса подшипника при наличии дефекта. Частота вращения ротора изменялась в диапазоне от 1000 до 3000 об/мин. При увеличении частоты вращения ротора/р в спектре прослеживается увеличение амплитуды колебаний с 0,18 до 1,08 мм/с на частоте попадания тел качения в зону дефекта (/„,„ = 5,76-/р). Таким образом, данные экспериментальных исследований подтверждают результаты математического моделирования.

пп/с з.си

О ЮО 200 ЗОО iOO 500 бОО 700 800 900 ЮОО Гц Рис. 12. Зависимость спектра вибрации экспериментальной дробилки от дефекта внешнего кольца подшипника при различной частоте вращения ротора: 1 — 1000 об/мин; 2—1500 об/мин; 3 — 2000 об/мин; 4 — 2500 об/мин; 5 — 3000 об/мин.

Изучение влияния продукта на параметры вибрации молотковой дробилки проведено в лаборатории кафедры ТМО путем измельчения зерна пшеницы влажностью 13,2 % при частоте вращения ротора 2500 об/мин.

Спектр виброскорости при работе дробилки под нагрузкой характеризуется незначительным снижением общего уровня (СКЗ) виброскорости (с 1,2 до 0,9 мм/с) по сравнению с режимом холостого хода. Амплитуда колебаний на частоте вращения ротора уменьшилась с 1,02 до 0,41 мм/с. Это связано с размытием информативных составляющих в спектре вибрации в связи с увеличением шумовой составляющей колебаний от измельчаемого продукта в диапазоне частот 60-480 Гц.

В рамках исследований разработана двухуровневая система контроля технического состояния оборудования: вибромониторинг и вибродиагностика. Вибромониторинг рассматривается как грубая оценка изменения технического состояния машины и основан на оценке отклонения от нормы среднеквадратиче-ского значения (СКЗ) виброскорости уровня вибрации в диапазоне частот от 10 до 1000 Гц. Согласно ГОСТ Р ИСО 10816-1-97, допустимые значения вибрации оборудования делятся на несколько классов: «норма» — эксплуатация допускается без ограничений; «требует осмотра» — допускается эксплуатация определенный промежуток времени; «аварийное состояние» — эксплуатация оборудования не допускается.

С целью определения значений СКЗ виброскорости по группе однотипных машин было исследовано пять молотковых дробилок типа А1-ДМР-12, четыре вентилятора ВЦП, шесть пресс-грануляторов ДГ-1 и четыре смесителя СГК-2,5. Измерение вибрации осуществлялось в течение 10 месяцев (с сентября 2007 г. по июнь 2008 г.) с периодичностью 2 раза в месяц.

В таблице 2 представлены результаты измерений: средние значения СКЗ виброскорости (мм/с) по группе однотипных машин и исправленное среднеквад-ратическое отклонение. Рекомендуемые предельные значения СКЗ определены с учетом результатов измерений, рекомендаций, представленных в ГОСТ 10816-197, а также с использованием предпочтительного ряда значений при нормировании среднеквадратической виброскорости (СКЗ) согласно ISO 2372.

На основе результатов исследований разработана методика технического мониторинга оборудования по СКЗ виброскорости, измеренному в реперных точках. Для автоматизации процедуры постановки диагноза разработан алгоритм диагностических правил и программное приложение для диагностической системы «Атлант» (ЗАО «Виброцентр»).

Таблица 2

Статистические характеристики значения СКЗ виброскорости оборудования комбикормового производства

Наименование Среднее значение Среднеквадрати- Рекомендуемое

оборудования и место СКЗ виброскорос- ческое отклоне- предельное значе-

измерении ти, мм/с ние, мм/с ние, СКЗ, мм/с

Дробилка А1-ДМР-12:

- электродвигатель 3,2 1,4 11,2

- дробилка 9,2 3,1 18,0

Вентилятор ВЦП:

- электродвигатель 3,4 1,2 7,1

- вентилятор 2,5 0,8 7,1

Гранулятор ДГ-1 2,2 0,7 4,5

Смеситель СГК 2,5:

- электродвигатель 1,6 0,5 2,8

- редуктор 2,4 0,4 2,8

- подшипники смесителя 0,7 0,2 1,8

Вибрационная диагностика позволяет идентифицировать повреждения в узлах оборудования при нарушении его работоспособности. Для анализа виброакустического сигнала и выделения наиболее информативных диагностических признаков используется спектральный анализ колебательных процессов в информативных точках. Ниже представлены основные результаты виброобследования оборудования комбикормового завода, которые сгруппированы по видам дефектов.

1 .Дисбаланс ротора. Спектральная диагностика дисбаланса, согласно выводам, полученным в результате аналитических исследований, базируется на контроле амплитуды колебаний на частоте вращения ротора.

На рисунке 13 показаны спектры колебаний подшипника в т. 1 (рис. 3) дробилки А1-ДМР-12 с предварительно отбалансированным ротором по 5-му классу, согласно ГОСТ 22061-76 (рис. 13а), и при наличии статического дисбаланса Ир = 600 г-см (рис. 136). Дисбаланс характеризуется увеличением амплитуды колебаний с 7,548 до 19,87 мм/с на частоте вращения ротора (£= 49,5 Гц).

Диагностическим признаком дисбаланса колеса вентилятора является рост амплитуды колебаний на его частоте вращения —/р = 18,5 Гц. На рисунке 14 представлен спектр вибросмещения подшипникого узла в т. 4 (рис. 3) вентилятора марки ВЦП-8. Причиной значительной амплитуды колебаний (70 мкм) является дисбаланс колеса вследствие налипания на лопасть продуктов относа.

V, мм/с \ /р

V, мм/с |

1'р

а)

З.Л Г

?и

Г ! Л I ;

б)

•.....г

......ч~

• .......I.......р

¡¡а. - -«ЦП, -

/, Гц /-Гц

Рис. 13. Спектры колебаний подшипникого узла дробилки А1-ДМР в зависимости от дисбаланса ротора: а) ротор отбалансирован; б) ротор имеет дисбаланс.

мкм | /"р

•—г,

/, Гц

Рис. 14. Спектр колебаний подшипникого узла вентилятора ВЦП-8 при наличии дисбаланса колеса.

2. Дефекты подшипников качения. Локальные дефекты подшипников выявляются в результате анализа амплитуды колебаний на детерминированных с дефектом частотах, полученных в результате кинематического моделирования.

На рисунке 15 показан спектр виброскорости работоспособного подшипника молотковой дробилки А1-ДМР (рис. 15а) и подшипника с дефектом наружного кольца (рис. 156). Спектр последнего характеризуется увеличением амплитуды колебаний на частоте попадания тел качения в зону дефекта/тк/И = 260 Гц. Амплитуда колебаний увеличилась на 1,55 мм/с (с 0,9 мм/с до 2,45 мм/с). После демонтажа подшипник был оценен экспертами (обслуживающим персоналом предприятия) как неработоспособный.

3. Дефекты зубчатой передачи проявляются в спектре колебаний на частоте пересопряжения зубьев —/3, а также на боковых частотах, отстоящих от частоты /3 на частоту вращения зубчатого колеса/.- и/или шестерни/,,.

v, мм/с

/, Гц /. Гц

Рис. 15. Спектры колебаний подшипникого узла дробилки А1-ДМР в зависимости от дефекта наружного кольца подшипника: а) работоспособный; б) дефектный.

На рисунке 16 показан спектр виброскорости колебаний корпуса гранулято-ра в т. 2 (рис. 3). В спектре прослеживаются амплитудные пики на частоте пересопряжения зубьев колес (/3 = 545 Гц) и на частотах, отстоящих от частоты /3 на частоту вращения шестерни /ш = 30 Гц. Такой спектр характерен при износе зубьев и погрешности монтажа зубчатого колеса (шестерни).

V, мм/с

/Гц

Рис. 16. Спектр колебаний подшипникого узла редуктора гранулятора ДГ-1.

4. Дефекты ременной передачи. Спектральная вибродиагностика технического состояния ремня заключается в контроле значений амплитуды колебаний на частоте, детерминированной с дефектом ремня.

Дефект ремня вентилятора ВЦП-8 проявляется на частоте попадания локального дефекта ремня на шкив ротора вентилятора/,кл< = 5,5 Гц. В спектре вибросмещения (рис. 17) подшипникого узла вентилятора наблюдается увеличение амплитуды колебаний на частоте, детерминированной с дефектом.

5. Спектральная вибродиагностика дефектов муфты. Дефекты муфты подразделяются на два типа: дефекты монтажа и общий износ сопрягаемых деталей муфты. В приводе молотковой дробилки А1-ДМР используется пальцевая муфта. Частота

проявления дефектов пересопряжения пальцев муфты при их износе составляет/^ = 296 Гц. На рисунке 18 представлен спектр колебаний подшипникого узла молотковой дробилки А1-ДМР при износе пальцев муфты. В спектре прослеживается увеличение амплитуды колебаний на детерминированной частоте — 296 Гц.

6'. мкм

Рис. 17. Спектр колебаний подшипникого узла вентилятора при наличии локального дефекта ремня.

1". мм с

¡(Ь.......г: и:-

ГМ 0 100 ио 320 400 400 560 640 ?20 1500 ЗвО 995 ЙЛЛМЛ .................. .':..--Ш)

/. Гд

Рис. 18. Спектр колебаний подшипникого узла молотковой дробилки при износе пальцев муфты.

По результатам исследований построена диагностическая карта неисправностей (табл. 3), которая включает в себя описание дефектов, точки измерения

вибрации, диагностические признаки дефектов.

Таблица 3

Диагностическая карта неисправностей

Место и вид дефекта Точки измерения (рис. 3) Диагностические признаки Ср. значения диагн. признака, —р 11к Предельные значения диагн. признака по классам

параметры вибрации частотные хар-ки,/ (Гц) работо-способн., "шаг треб, осмотра,

1 2 3 4 5 6 7

Дисбаланс

Ротор дробилки А1-ДМР т. 1,2 v, (ПИК), мм/с 49,3 8 10 14

Рабочее колесо вентилятора т. 3,4 5, (РАЗ), мкм 18,5 30 70 100

1 2 3 4 5 6 7

Шкив электродвигателя вентилятора т. 1 л, (РАЗ), мкм 18,5 24 36 48

Дефекты подшипников

Подшипники ротора дробилки (№3614) т. 1,2 V, (ПИК), мм/с /-,. =255,4 1,2 1,8 2,4

/-,. =384,5 0,4 0,6 0,8

/«« =113,4 0,8 1,2 1,6

Подшипники ротора вентилятора (№314) т. 3,4 V, (ПИК), мм/с /..,.=58,5 0,3 0,4 0,6

0,4 0,6 0,8

/-« = 38,95 0,3 0,4 0,6

Подшипники ротора смесителя (№ 1320) т. 9, 10 V, (ПИК), мм/с /-,. =2,5 0,3 0,4 0,6

/„,.=3,5 0,4 0,6 0,8

/-=1.1 0,3 0,4 0,6

Подшипник гранулятора (№7312) т. 1,2,3,4 V, (ПИК), мм/с /„.,. = 135,9 0,3 0,4 0,6

/-,. = 195,5 0,4 0,6 0,8

/»< =62,25 0,3 0,4 0,6

Де<] )екты ременной передачи

Ремень вентилятора т. 3 (РАЗ), мкм 5,5 2 4 8

Де )екты зубчатой передачи

Редуктор смесителя 1-я ступень т. 3 V, (ПИК), мм/с /з=172,9 0,62 0,91 1,24

/з +/„ = 185,3 0,25 0,35 0,5

/з-/,= 158,7 0,25 0,35 0,5

/з+/,= 175,0 0,25 0,35 0,5

/)-/,= 170,8 0,25 0,35 0,5

2-я ступень т. 5 V, (ПИК), мм/с /з = 33,8 0,3 0,45 0,6

/з +./ш = 35,9 0,3 0,45 0,6

/з-/ш=31,7 0,3 0,45 0,6

./& + £ = 34,2 0,3 0,45 0,6

.£-/. = 33,4 0,3 0,45 0,6

Гранулятор ДГ-1 т. 9 т. 10 V, (ПИК), мм/с /з = 520,1 0,6 0,9 1,2

/>+/,= 544,4 0,5 0,75 1,0

/з -/,, = 497,0 0,5 0,75 1,0

/э +/ = 524,2 0,5 0,75 1,0

/з-/, = 517,2 0,5 0,75 1,0

Дефекты муфты

Дробилка А1-ДМР т. 2 V, (ПИК), мм/с 296 0,6 1,8 3

Смеситель СГК-2,5 т. 7 5, (РАЗ), мкм 1,6 0,4 0,6 1,0

В пятой главе представлены методики вибромониторинга машин по значению СКЗ виброскорости и вибродиагностики по спектрам вибрации. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение процедуры вибродиагностики машин

комбикормового производства на базе системы «Атлант». Предложена методика прогнозирования развития дефекта по тренду его диагностического признака. Представлены результаты промышленного внедрения методики вибродиагностики на ОАО «Болшево-Хлебопродукт». Даны рекомендации по созданию стационарной системы диагностики молотковой дробилки.

В приложении представлены программные реализации математических моделей и результаты численных экспериментов над ними. Представлены программы для вибродиагностики оборудования комбикормового производства, акты о внедрении результатов исследований в учебном процессе и на производстве.

Заключение и общие выводы по работе

1. В результате литературного обзора и экспертной оценки технического персонала ОАО «Болшево-Хлебопродукт» выявлено наиболее ответственное оборудование комбикормового производства, отказ которого может привести к аварийным ситуациям. К такому оборудованию относятся: молотковые дробилки, смесители, пресс-грануляторы, вентиляторы. Проведен статистический анализ неисправностей данного оборудования.

2. Разработана диагностическая модель экспериментальной молотковой дробилки, и проведена серия математических экспериментов по моделированию различных механических дефектов на ПК численным методом. В результате математического моделирования найдены зависимости между параметрами вибрации машины и ее техническим состоянием.

3. Разработаны математические модели промышленного оборудования: молотковой дробилки марки А1-ДМР, вентилятора типа ВЦП, смесителя СГК-2,5, гранулятора ДГ-1. Численные эксперименты на ЭВМ позволили определить диагностические признаки типовых дефектов рассматриваемого оборудования.

4. Аналитические исследования показали необходимость динамического расчета машин комбикормового производства с целью отстройки собственных частот колебаний механической системы от вынужденных частот.

5. На базе молотковой дробилки создана экспериментальная установка. Результаты проведенных натурных экспериментов подтвердили результаты математического моделирования. Это подтверждает целесообразность использования методов диагностического моделирования при разработке методик вибродиагностики оборудования отрасли.

6. Определены информативные точки для измерения вибродиагностической информации оборудования, обоснованы способы установки датчиков вибрации.

7. Практические исследования, проведенные на комбикормовом заводе ОАО «Болшево-Хлебопродукт», позволили определить зависимости между параметрами вибрации машин и наличием дефектов, определены значения ди-

агностических признаков по группе однотипных машин.

8. На основе результатов исследований разработаны методы вибромониторинга по значению СКЗ виброскорости и спектральной вибродиагностики оборудования. Построена диагностическая карта неисправностей рассматриваемого оборудования. С целью автоматизации процедуры постановки диагноза разработано алгоритмическое и программное обеспечение (на базе системы «Атлант») вибродиагностики для ЭВМ.

9. Внедрение разработанных методик вибродиагностики на ОАО «Болшево-Хлебопродукт» позволило выявить характерные дефекты оборудования. Достоверность диагноза составила 70-80 %.

10. Экономический эффект от внедрения разработанной методики вибродиагностики оборудования комбикормового производства достигается за счет упрощения процедуры дефектации узлов машин. В результате внедрения методики вибродиагностики на ОАО «Болшево-Хлебопродукт» только для молотковых дробилок экономия средств на ремонтное обслуживание машин за счет упрощения процедуры дефектации узлов составила порядка 120 тысяч рублей в год.

11. Результаты исследования легли в основу создания опытного образца стационарной системы диагностики (ССД-01) молотковой дробилки.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, и патенты:

1. Терехин С. Ю., Глебов JI. А., Яблоков А. Е. Разработка методов и средств виброакустической диагностики оборудования комбикормового производства [Текст] // Естественные и технические науки. 2008. № 5 (37). С. 245.

2. Терехин С. Ю., Яблоков А. Е. Вибродиагностика оборудования комбикормового завода [Текст] // Естественные и технические науки. 2014. № 1 (69). С. 136-138.

3. Терехин С. Ю., Крицкий М. С., Яблоков А. Е. Математическое моделирование дефектов экспериментальной молотковой дробилки [Текст] // Глобальный научный потенциал. 2013. №12 (33). С.87-90.

4. Патент 2366506 Российская Федерация МПК7 В02С 4/06. Мукомольный валец [Текст] / Терехин С. Ю., Глебов Л. А., Яблоков А. Е.; опубл. 10.09.2009, бюл. №25.

Публикации в других изданиях и материалах конференций:

5. Терехин С. Ю. Создание и использование измерительного комплекса для анализа вибрации подшипников качения [Текст] // Аналитические методы измерений и приборы в пищевой промышленности. М.: МГУПП, 2006. С. 172-175.

6. Терехин С. Ю., Яблоков А. Е., Чернышев Д. Ю. Информационные технологии в проектировании оборудования пищевых производств [Текст] // Сборник докла-

дов V юбилейной конференции «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации». М.: МГУПП, 2007. С. 396-397.

7. Терехин С. Ю. Качество работы оборудования — качество готовой продукции [Текст] // Сборник докладов V юбилейной конференции «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации». М.: МГУПП, 2007. С. 384-386.

8. Терехин С. Ю., Глебов Л. А., Яблоков А. Е. Техническая диагностика и обслуживание оборудования [Текст] // Комбикорма. Научно-технический и производственный журнал. 2008. № 6. С. 57.

9. Терехин С. Ю. Разработка методов и средств виброакустической диагностики оборудования комбикормового производства [Текст] И Сборник докладов VI научно-технической конференции с международным участием «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства их реализации: эффективное использование ресурсов отрасли» (г. Москва). М.: МГУПП, 2008. С. 183.

10. Терехин С. Ю., Глебов JI. А., Яблоков А. Е. Виброакустическая диагностика оборудования комбикормового производства [Текст] // Сборник докладов VI научно-технической конференции с международным участием «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства их реализации: эффективное использование ресурсов отрасли» (г. Москва). М.: МГУПП, 2008. С. 184— 185.

11. Терехин С. Ю., Глебов JI. А., Яблоков А. Е. Научно-практические аспекты диагностики оборудования зерноперерабатывающих предприятий [Текст] // Объединенный научный журнал. 2008. № 10 (216). С. 49-50.

12. Терехин С. Ю., Глебов Л. А., Яблоков А. Е. Информационное обеспечение функциональной диагностики оборудования пищевых предприятий [Текст] // Труды Московского государственного университета пищевых производств. Выпуск 1 / под общей редакцией С. А. Хуршудяна. М.: Издательский комплекс МГУПП, 2008. С. 235-244.

13. Терехин С. Ю., Соколов А. В., Яблоков А. Е. Разработка стационарной системы диагностики (ССД-01) технологического оборудования зерноперерабатывающих предприятий [Текст] // Живые системы и биологическая безопасность населения: Материалы X Международной научной конференции студентов и молодых ученых. М.: МГУПП, 2013. С. 258-260.

Подписано в печать: 31.03.14 Тираж: 100экз. Заказ№ 1100 Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, Ленинградский проспект, д. 74 (495)790-47-77; www.reglet.ru

ФГБУ ВПО

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ»

На правах рукописи

042014577£1

ТЕРЕХИН СЕРГЕЙ ЮРЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И СИСТЕМЫ ВИБРОДИАГНОСТИКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КОМБИКОРМОВ

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы

(пищевых производств)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: к.т.н., доц. Яблоков А. Е.

Москва 2014

Содержание

Введение.................................................................................. 6

Глава 1. Анализ современных методик и систем диагностики технологического оборудования предприятий пищевых производств................ 10

1.1. Общие вопросы надежности оборудования................................. 10

1.2. Современные стратегии технического обслуживания и ремонта (ТО-иР) технологического оборудования............................................... 15

1.3. Виды отказов и дефектов оборудования.................................... 18

1.4. Техническая диагностика как инструмент повышения эффективности ТОиР технологического оборудования...................................... 21

1.5. Методы и средства технической диагностики.............................. 24

1.6. Методы и средства вибрационной диагностики............................ 29

1.6.1. Анализ методов вибрационной диагностики............................ 29

1.6.2. Обзор современных технических и программных средств вибрационной диагностики механического оборудования............................... 34

1.6.3. Диагностическое моделирование в задачах вибрационной диагностики машин............................................................................. 39

1.7. Анализ возможностей вибрационного диагностирования оборудования для производства комбикормов.............................................. 42

1.8. Выводы............................................................................. 45

Глава 2. Описание объекта, средств диагностики и методик исследований 46

2.1. Описание виброанализирующей аппаратуры и программных средств 46

2.2. Экспериментальная установка и метрологические особенности измерения вибрации........................................................................... 49

2.3. Определение собственных частот экспериментальной дробилки путем анализа АФЧХ выбега ротора................................................. 52

2.4. Статистика отказов исследуемого оборудования........................ 53

2.5. Выбор информативных точек измерения вибрации машин.................. 54

2.6. Выводы по главе.................................................................. 59

Глава 3. Теоретические исследования в области диагностического

моделирования оборудования для производства комбикормов............ 60

3.1. Диагностическое моделирование экспериментальной молотковой дробилки 60

3.1.1. Кинематическая модель экспериментальной дробилки............... 60

3.1.2. Динамическая модель экспериментальной дробилки.................... 62

3.1.3. Реализация динамической модели экспериментальной дробилки на ЭВМ 67

3.1.4. Математическое моделирование различных дефектов экспериментальной дробилки на ЭВМ........................................................... 68

3.2. Создание диагностической модели молотковой дробилки

типа А1-ДМР............................................................................. 73

3.2.1. Кинематическая модель молотковой дробилки............................ 73

3.2.2. Динамическая модель молотковой дробилки.............................. 75

3.2.3. Реализация динамической модели дробилки на ЭВМ................... 79

3.3. Создание диагностической модели вентилятора марки ВЦП-8.......... 83

3.3.1. Кинематическая модель вентилятора....................................... 83

3.3.2. Динамическая модель вентилятора.......................................... 83

3.3.3. Реализация динамической модели вентилятора на ЭВМ............... 88

3.4. Создание кинематической диагностической модели смесителя

марки СГК-2,5........................................................................... 92

3.5. Создание кинематической диагностической модели гранулятора марки ДГ-1................................................................................ 94

3.6. Выводы по главе................................................................... 97

Глава 4. Экспериментальные исследования параметров вибрации оборудования комбикормового производства.................................... 98

4.1. Исследования зависимости вибрации экспериментальной дробилки

от наличия характерных неисправностей....................................... 98

4.1.1. Моделирование дисбаланса молотков экспериментальной дробилки 98

4.1.2. Моделирование дефектов внешнего кольца подшипника............ 101

4.1.3. Исследование параметров вибрации дробилки при работе

под нагрузкой............................................................................ 102

4.2. Исследования вопросов вибрационного мониторинга оборудования комбикормового завода ОАО «Болшево-Хлебопродукт»..................... 104

4.3. Спектральная вибрационная диагностика оборудования комбикормового завода ОАО «Болшево-Хлебопродукт»................................ 107

4.3.1. Спектральная вибрационная диагностика дисбаланса ротора....... 107

4.3.2. Спектральная вибрационная диагностика дефектов подшипников

качения.................................................................................... 109

4.3.3. Спектральная вибрационная диагностика дефектов зубчатой передачи.................................................................................. 111

4.3.4. Спектральная вибрационная диагностика дефектов

ременной передачи..................................................................... 113

4.3.5. Спектральная вибрационная диагностика дефектов муфты........... 113

4.3.6. Диагностическая карта неисправностей технологического

оборудования комбикормового завода............................................ 114

4.4. Выводы по главе................................................................... 118

Глава 5. Разработка и практическое внедрение автоматизированной системы вибродиагностики технологических машин

на ОАО «Болшево-Хлебопродукт»................................................ 119

5.1. Технические средства и алгоритм вибрационного диагностирования машин комбикормового производства........................................... 119

5.2. Прогнозирование изменения технического состояния диагностируемого оборудования................................................. 122

5.3. Автоматизация вибрационного диагностирования машин комбикормового производства с использованием системы «Атлант»......................... 125

5.4. Результаты внедрения методов и средств вибрационного диагностирования на производстве............................................................. 127

5.5. Дальнейшее развитие результатов исследований.......................... 128

Заключение и общие выводы по работе....................................... 132

Библиографический список....................................................... 134

Приложения............................................................................ 145

Введение

Актуальность исследования. Комбикормовое производство является важнейшим звеном в цепочке обеспечения населения сырьем и продуктами питания животного происхождения. Экономическая эффективность и техногенная безопасность комбикормового производства напрямую зависят от качества его технического обслуживания (ТО).

Подъем животноводства и птицеводства в России не возможен без обеспечения хозяйств качественными кормами. В настоящее время для поддержания оборудования в работоспособном состоянии на комбикормовых предприятиях используются два вида ТО: реактивное обслуживание (после выхода из строя) и система плановых предупредительных ремонтов (ППР). Оба метода имеют свои недостатки. В случае эксплуатации оборудования до выхода из строя высока опасность возникновения аварийной ситуации на производстве, что может привести к катастрофическому результату с человеческими жертвами. Применение системы ППР в большинстве случаях экономически неоправданно.

Более эффективным методом ТО является обслуживание по фактическому состоянию (ОФС) оборудования. При этом сроки и виды технического обслуживания и ремонтов (ТОиР) оборудования определяются по результатам его технической диагностики. Среди различных методов технической диагностики наиболее универсальным и эффективным является метод функциональной вибродиагностики, который позволяет оценить ТС машины в процессе эксплуатации по результатам анализа ее вибрации.

Различные методы технического диагностирования в настоящее время уже нашли широкое применение в энергетике, нефтегазовой промышленности [9; 45; 75; 76; 111; 117; 118], авиастроении [5; 95], машиностроении [6; 17; 60; 98; 105; 112; 115], целлюлозно-бумажном производстве [27], легкой и текстильной промышленностях [72]. Разработана и внедрена методика вибродиагностики оборудования мукомольных заводов [19; 71; 93], проведены научные исследования в области диагностирования и оптимизации технического обслуживания оборудования хлебопекарного производства [20; 67].

Несмотря на успешное применение методов технической диагностики в различных отраслях промышленности, на комбикормовых предприятиях эти методы практически не используются из-за отсутствия научно обоснованных методик диагностирования, учитывающих специфику технологического оборудования отрасли.

Таким образом, разработка нового высокоэффективного и конкурентоспособного оборудования для пищевой промышленности требует совершенствования конструкции, повышения надежности, а также разработки высокоэффективных методов контроля технического состояния.

Объектом рассмотрения в диссертации является разработка и повышение эффективности методов диагностики машин комбикормового производства в целях продления ресурса, обеспечения надежной и безопасной эксплуатации.

Предметом исследования являются методы определения технического состояния машин комбикормового производства по параметрам их вибрации.

Целью исследований является совершенствование технического обслуживания, повышение надежности и безопасной эксплуатации технологического оборудования комбикормового производства. Задачи исследований:

1. Провести анализ современных подходов к ТО и изучить методы технической диагностики машин по параметрам их вибрации в диапазоне частот от 2 до 10000 Гц.

2. На основе анализа статистики аварий на комбикормовом производстве выделить машины для дальнейшего исследования, которые представляют наибольшую техногенную опасность в случае внезапной поломки.

3. Создать математические модели исследуемых машин с возможностью моделирования их типовых неисправностей.

4. Методом математического моделирования на ЭВМ определить и провести качественный анализ зависимостей параметров вибрации машин от наличия механических дефектов при различной технологической нагрузке.

5. Создать лабораторную установку на базе молотковой дробилки и методом

натурного моделирования дефектов определить зависимости между параметрами вибрации и наличием дефектов с целью оценки адекватности построенных математических моделей.

6. Провести натурные исследования на комбикормовом заводе и опытным путем определить диагностические признаки различных дефектов оборудования.

7. Разработать алгоритм, техническое и программное обеспечение вибродиагностической системы для машин комбикормового производства.

8. Провести проверку результатов научных исследований на производстве.

Методологической основой диссертационного исследования являются теоретические и экспериментальные методы. Теоретические исследования проведены с использованием разработанных математических моделей машин. Динамические модели машин построены на основе законов теоретической механики, теории колебаний и динамики машин. Дифференциальные уравнения движения решены численным методом Рунге-Кутты на ЭВМ. Обработка вибрационных сигналов проводилась с использованием алгоритмов БПФ на современных микропроцессорных приборах. Результаты измерений обработаны методами математической статистики. Экспериментальные исследования проведены методом натурного моделирования на специально созданной установке в лаборатории кафедры «Технологические машины и оборудования» (ТМО) ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств» (МГУПП), а также на оборудовании ОАО «Болшево-Хлебопродукт».

Научная новизна работы выражается в следующем:

• разработаны кинематические диагностические модели оборудования комбикормового производства: молотковой дробилки А1-ДМР, вентилятора ВЦП, смесителя СГК-2,5, гранулятора ДГ-1, устанавливающие зависимости между скоростью вращения рабочих органов машин и частотными характеристиками диагностических признаков различных дефектов;

• разработаны динамические диагностические модели экспериментальной молотковой дробилки, дробилки А1-ДМР, вентилятора ВЦП-8, устанавливающие зависимости между кинематическими (зазоры в сопряжениях) и динамическими (жесткость узлов, сила сопротивления, инерционные характеристи-

ки, внешние силы) отклонениями от технической документации в работе машин и частотными характеристиками их диагностических признаков;

• в результате математического моделирования различных условий эксплуатации машин определены зависимости между дефектами и параметрами колебаний машин;

• проведен статистический анализ вибрационных колебаний в различных зонах машин, и выявлены наиболее информативные места для отбора диагностической информации;

• в результате статистического анализа вибрационных характеристик машин, находящихся в работоспособном и дефектном состояниях, определены значения диагностических признаков различных дефектов.

Практическая ценность работы:

• в результате анализа кинематических моделей оборудования комбикормового производства определен частотный диапазон диагностических признаков, на этом основании подобрана аппаратная часть системы вибродиагностики, модернизировано программное обеспечение;

• в результате диагностического моделирования и статистического анализа вибраций исправных и дефектных машин разработан способ диагностирования оборудования комбикормового производства по СКЗ виброскорости и узкополосному спектру вибрации;

• на ОАО «Болшево-Хлебопродукт» проведена проверка полученных научных результатов, внедрены разработанные методы организации ТО по фактическому состоянию, технические и программные средства вибродиагностики, метод экстраполяционного прогнозирования изменения технического состояния и усталости машин по тренду вибрационных характеристик объекта прогнозирования;

• результаты исследования легли в основу создания опытного образца стационарной системы диагностики (ССД-01) молотковой дробилки и аналогичного оборудования.

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационного исследования были представлены на VI научно-технической конференции

с международным участием «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства их реализации» в МГУ 1111 в 2008 г., на расширенном заседании кафедры «Технологическое оборудование предприятий хлебопродуктов» ТОПХ» (ТОПХ) МГУПГТ в 2010 г. Диссертация обсуждалась на заседании кафедры «Технологические машины и оборудование» (ТМО) МГУПП в 2013 г. и была рекомендована к защите.

По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в т. ч. патент № 2366506 Р.Ф. МПК7 В02С 4/06,. опубл. 10.09.2009, бюл. № 25.

Объем работы. Диссертационная работа изложена на 158 страницах, основной текст — на 144 страницах, содержит 69 иллюстраций и 18 таблиц. Включает введение, пять глав, выводы и приложения. Список использованной литературы включает 119 наименований, в том числе 16 иностранных источников.

Основные положения, выносимые на защиту:

• предложение использовать методы и средства вибрационной диагностики для объективного определения текущего технического состояния машин комбикормового производства с целью его ТО по фактическому состоянию;

• предложение использовать методы математического моделирования для нахождения зависимостей между параметрами вибрации (диагностическими признаками) и видом дефекта машины;

• математические диагностические модели молотковой дробилки А1-ДМР, вентилятора ВЦП, смесителя СГК-2,5, гранулятора ДГ-1 ;

• зависимости между параметрами вибрации исследуемых машин и видом дефекта, полученные с помощью вычислительного и натурного экспериментов;

• зависимости между параметрами вибрации экспериментальной молотковой дробилки и режимами ее работы;

• диагностическая карта соответствия диагностических признаков различным механическим дефектам машин.

Глава 1. Анализ современных методик и систем диагностики технологического оборудования предприятий пищевых производств 1.1. Общие вопросы надежности оборудования

Основополагающими в области надежности механических систем являются работы В.А. Авдуевского [55], А.С. Пронникова [69], И.Н. Кравченко [47], С.Н. Николаева, К. David и L. Myron [114]. Практическое применение теории надежности позволяет прогнозировать надежность машин на стадии проектирования с целью нахождения наиболее рациональных конструктивных и технологических решений, вырабатывать оптимальную стратегию эксплуатации, периодичности ТОиР, разработку методов технической диагностики с целью предотвращения внезапных отказов, уменьшения простоев и обеспечения безопасной работы [47].

Основные термины и определения в области надежности техники регламентированы в ГОСТ 27.002-2009 [29]. Понятие «надежность» трактуется как «свойство гот�