автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Система диагностирования механического оборудования электропривода тянущих роликов машины непрерывного литья

004615461

КОНОВАЛОВ Максим Владимирович

СИСТЕМА ДИАГНОСТИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ТЯНУЩИХ РОЛИКОВ МАШИНЫ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

,, „ д £«2010

Магнитогорск - 2010

004615461

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор ЛУКЬЯНОВ Сергей Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

ОНИЩЕНКО Георгий Борисович

кандидат технических наук, доцент ИШМАТОВ Закир Шарифович

Ведущая организация:

ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат»

Защита состоится 17 декабря 2010 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.111.04 при ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, Челябинская обл., г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, ауд. 227.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «МГТУ». Автореферат размещен на сайте http://www.magtu.ru.

Автореферат разослан_ноября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совет; канд. техн. наук., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Производство заготовок для прокатного передела способом непрерывной разливки стали является неотъемлемой частью современного металлургического цикла. Конструкция машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), отдельных её агрегатов и устройств, постоянно совершенствуется в целях повышения производительности МНЛЗ, улучшения качества непрерывнолитых заготовок и снижения эксплуатационных затрат. Основным направлением совершенствования электрооборудования зоны вторичного охлаждения МНЛЗ является замена электроприводов постоянного тока с групповой схемой силового питания электродвигателей тянущих роликов (ТР) от одного тиристорного преобразователя (ТП) на электроприводы переменного тока с индивидуальной схемой силового питания электродвигателей ТР по системе ПЧ-АД. В 2006 г. на ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ОАО «ММК») введена в эксплуатацию слябовая МНЛЗ №5 производства ОАО «Уралмаш», на которой применен индивидуальный электропривод ТР.

Обеспечение требуемого качества литой заготовки и высокой производительности МНЛЗ возможно лишь при непрерывном, непосредственно во время разливки стали, контроле технического состояния оборудования МНЛЗ и своевременной замене вышедших из строя узлов.

На большинстве российских слябовых МНЛЗ контроль технического состояния электроприводов ТР МНЛЗ осуществляется системами диагностирования роликовой проводки (СДРП) разработки ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» (ГОУ ВПО «МГТУ») и автоматическими системами токовой диагностики (АСТД) разработки ОАО «Уралмаш», построенными на основе анализа изменения мгновенных значений токов нагрузки электродвигателей ТР. Указанные системы применяются для диагностирования механического оборудования электроприводов ТР с групповой схемой силового питания электродвигателей ТР от одного ТП.

Применение методик, используемых в системах АСТД и СДРП, для диагностирования механического оборудования электропривода ТР МНЛЗ №5 показало, что они не обеспечивают требуемою достоверность выявления таких видов дефектов как прогиб бочки ТР и периодическая буксовка ТР по слитку. Кроме этого, в указанных системах не диагностируются такие типовые дефекты механического оборудования электропривода ТР, как износ уп-лотнительных колец и износ зубьев шестерней навесного редуктора.

Создание эффективной системы диагностирования индивидуального электропривода ТР позволит своевременно обнаружить дефекты его механического оборудования, обосновать виды, сроки и объем ремонтных работ, сократить время их выполнения за счет целенаправленной замены неисправного оборудования и, как следствие, повысить качество непрерывнолитых заготовок и увеличить производительность МНЛЗ. ч

Цель работы. Создание новой системы технического диагностирования механического оборудования электроприводов ТР МНЛЗ по характеру изменения мгновенных значений моментов нагрузки электродвигателей ТР, обеспечивающей увеличение производительности МНЛЗ за счет сокращения времени простоев машины на выполнения ремонтных работ.

Достижение поставленной цели потребовало решения в диссертационной работе следующих основных задач:

- анализа технических особенностей электроприводов ТР с групповой и индивидуальной схемами силового питания электродвигателей ТР;

- анализа возможных дефектов электропривода ТР МНЛЗ, негативно влияющих на качество непрерывнолитых заготовок;

- анализа функциональных возможностей и экспериментальной оценки эффективности промышленных систем диагностирования электропривода ТР для диагностирования механического оборудования индивидуального электропривода ТР;

- статистического и частотного анализа временных диаграмм изменения мгновенных значений моментов нагрузки электродвигателей ТР;

- определения диагностических признаков проявления дефектов механического оборудования электропривода ТР в характеристиках изменения моментов нагрузки электродвигателей ТР;

- разработки методик и алгоритмов диагностирования механического оборудования электропривода ТР по частотным характеристикам изменения мгновенных значений моментов нагрузки электродвигателей ТР;

- разработки обобщенного алгоритма и функциональной схемы системы диагностирования механического оборудования электропривода ТР;

- экспериментальной оценки эффективности предлагаемых методик и алгоритмов диагностирования механического оборудования электропривода ТР.

Методы исследований. Теоретические исследования проводились с использованием статистических и частотных методов анализа временных рядов, методов машинного моделирования и методов дискретной математики. Результаты работы базировались на большом объеме экспериментальных исследований, статистической обработке расчетных и экспериментальных материалов, полученных при исследовании электропривода ТР МНЛЗ №5 ОАО «ММК».

Обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций

подтверждается достоверностью диагностирования дефектов механического оборудования электропривода ТР в период опытно - промышленной эксплуатации системы и результатами внедрения системы технического диагностирования механического оборудования электропривода ТР на слябовой МНЛЗ №5 ОАО «ММК».

К защите предоставляются следующие основные положения:

1. Результаты экспериментальных и теоретических исследований функциональных возможностей известных систем диагностирования механического оборудования применительно к электроприводам ТР с индивидуальным силовым питанием электродвигателей ТР по системе ПЧ-АД.

2. Результаты статистического анализа временных диаграмм и частотных характеристик изменения мгновенных значений моментов нагрузки электродвигателей ТР при прогибе бочки ТР, периодической и случайной буксовках ТР по слитку, износе уплотнительных колец навесного редуктора и износе зубьев шестерней навесного редуктора.

3. Диагностические признаки прогиба бочки ТР, периодической буксовки ТР по слитку, износа уплотнительных колец навесного редуктора и износа зубьев шестерней навесного редуктора на основе анализа амплитуд компонент спектральной плотности изменения мгновенных значений моментов нагрузки электродвигателей ТР.

4. Методики и алгоритмы диагностирования прогиба бочки ТР, периодической и случайной буксовок ТР по слитку, износа уплотнительных колец навесного редуктора и износа зубьев шестерней навесного редуктора.

5. Технические решения и обобщенный алгоритм диагностирования механического оборудования электропривода ТР слябовой МНЛЗ с учетом технологических особенностей непрерывной разливки стали.

6. Результаты внедрения и экспериментальной оценки эффективности разработанной системы диагностирования механического оборудования электропривода ТР.

Научная новизна:

1. По статистическим показателям изменения мгновенных значений моментов нагрузки электродвигателей ТР МНЛЗ определены диагностические признаки идентификации следующих дефектов механического оборудования электропривода ТР:

- прогиба бочки ТР;

- периодической буксовки ТР по слитку;

- случайной буксовки ТР по слитку;

-износауплотнительных колец навесного редуктора;

- износа зубьев шестерней навесного редуктора.

2. Разработаны методики диагностирования прогиба бочки ТР, периодической и случайной буксовок ТР по слитку, износа уплотнительных колец и износа зубьев шестерней навесного редуктора.

3. Разработан обобщенный алгоритм новой системы технического диагностирования механического оборудования электропривода ТР с учетом технологических особенностей непрерывной разливки стали на слябовой МНЛЗ.

4. Разработаны алгоритмы диагностирования:

1) прогиба бочки ТР, периодической буксовки ТР по слитку и износа уплотнительных колец навесного редуктора;

2) износа зубьев шестерней навесного редуктора;

3) случайной буксовки ТР по слитку.

Практическая значимость работы. Разработанная система технического диагностирования механического оборудования электропривода ТР позволяет в реальном масштабе времени выявлять дефекты механического оборудования электропривода ТР и своевременно подготовиться к выполнению ремонтных работ. Созданы предпосылки улучшения качества непрерьшнолшых заготовок и увеличения производительности МНЛЗ за счет сокращения времени простоев машины.

Экспериментально доказано, что применяемая в настоящее время на слябо-вых МНЛЗ система сбора данных может быть использована для реализации разработанных алгоритмов диагностирования механического оборудования электропривода ТР

Разработанные методики и алгоритмы диагностирования, а также результаты экспериментальных и теоретических исследований, могут быть использованы для создания систем диагностирования механического оборудования индивидуальных электроприводов ТР как на действующих слябовых МНЛЗ при реконструкции их электроприводов, так и на новых слябовых МНЛЗ.

Реализация работы. Разработанная система технического диагностирования механического оборудования электропривода ТР внедрена на слябовой МНЛЗ №5 ОАО «ММК». Ожидаемый экономический эффект от внедрения составил 4,515 млн. руб. в год.

Экспериментально подтверждена достоверность и эффективность методик и алгоритмов диагностирования таких дефектов электропривода ТР, как прогиб бочки ТР, периодическая буксовка ТР по слитку, износ уплотнитель-ных колец навесного редуктора и износ зубьев шестерней навесного редуктора. Проанализировано более 1100 временных диаграмм изменения мгновенных значений моментов нагрузки электродвигателей ТР. Достоверность выявления указанных видов дефектов составляет 93,8-94,8%

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: VI Международной (ХУЛ Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу (г. Тула, 2010 г.); Ш Международном промышленном форуме «Реконструкция промышленных предприятий -прорывные технологии в металлургии и машиностроении» (г. Челябинск, 2010 г.); IV Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (г. Казань, 2008 г.); III конгрессе металлургов Урала «Металлургия стали. Проблемы и решения» (г. Челябинск, 2008 г.); 66-ой, 67-ой, 68-ой научно-технических конференциях (г. Магнитогорск, 2008,2009,2010 гг.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 8 печатных трудах, в том числе 2 статьях в рецензируемых изданиях из перечня ВАК и патенте РФ на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 52 наименований. Работа изложена на 119 страницах, содержит 31 рисунок, 20 таблиц и 4 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, сформулированы цель и основные задачи работы.

В первой главе выполнен анализ технологических особенностей слябо-вых машин непрерывного литья заготовок на примере типовой конструкции МНЛЗ №5 ОАО «ММК» производства ОАО «Уралмаш». Дана характеристика кинематической схемы привода ТР и приведено описание типовых схем электроприводов ТР. Отмечено, что на МНЛЗ №5, одной из первых отечественных машин, применена индивидуальная схема силового питания электродвигателей ТР по системе ПЧ-АД вместо распространенной на более ранних по сроку изготовления машинах схемы группового силового питания электродвигателей ТР от одного ТП. Приведены результаты анализа дефектов электропривода ТР, возникновение которых приводит к снижению качества непрерывнолитых заготовок и уменьшению производительности МНЛЗ. Показано, что одним из резервов повышения качества заготовок и увеличения производительности МНЛЗ является непрерывный во времени контроль состояния механического оборудования электропривода ТР и оперативная замена неисправного оборудования. Выполнен анализ известных способов и систем диагностирования электропривода ТР. Показано, что наиболее эффективным способом диагностирования электропривода ТР является способ, основанный на выявлении дефектов по характеру изменения токов (моментов) нагрузки электродвигателей ТР. Выполнен анализ эффективности известных систем диагностирования СДРП и АСТД применительно к индивидуальному электроприводу ТР МНЛЗ №5. Экспериментально доказано, что указанные системы не обеспечивают требуемой достоверности диагностирования ряда дефектов механического оборудования электропривода ТР МНЛЗ №5 и ограничены по числу диагностических функций. Определен перечень дефектов электропривода ТР. Поставлена задача разработки новой системы технического диагностирования механического оборудования электропривода ТР на основе анализа компонент спектральной плотности изменения мгновенных значений моментов нагрузки электродвигателей ТР.

Типовая слябовая МНЛЗ криволинейного типа (рис. 1) состоит из: промежуточного ковша 1; кристаллизатора 2; зоны вторичного охлаждения (ЗВО), состоящей из форсунок распыления охладителя 3 и роликовой проводки с роликами различного диаметра 4, 5 в верхнем и нижнем рядах ЗВО; устройства газовой резки заготовки на мерные длины 6. Все ролики 4 выполнены неприводными. В нижнем ряду располагаются как приводные ролики 5, так и неприводные ролики 4. В процессе разливки жидкий металл из промежуточного ковша 1 поступает в кристаллизатор 2, где кристаллизуется по его

Контролер управления электроприводом ТР

УТ

Рис. 1

периметру. Окончательное затвердевание заготовки происходит в ЗВО, где слиток охлаждается водовоздушной смесью из форсунок 3. Вытягивание слитка из кристаллизатора и роликовой проводки ЗВО осуществляют 64 ТР 5.

Силовое питание электродвигателей ТР МНЛЗ №5 выполнено по индивидуальной схеме по системе ПЧ-АД. Информация о мгновенных значениях моментов нагрузки и частотах вращения валов/ электродвигателей ТР поступает на сервер базы данных (СБД) 7 АСУ ТП МНЛЗ, где формируются и архивируются массивы М\ и/ с частотой дискретизации/¡=2 Гц. Доступ технологического персонала к серверу баз данных осуществляется при помощи удаленного терминала (УТ) 8, расположенного на главном посту управления МНЛЗ.

В настоящее время на российских слябовых МНЛЗ производства ОАО «Уралмаш» эксплуатируются два типа электроприводов ТР: электроприводы постоянного тока с групповым силовым питанием большого числа электродвигателей (до 80) от одного ТП (МНЛЗ №1-4 ОАО «ММК», МНЛЗ №4, 5 ОАО «Северсталь», МНЛЗ № 1-4 ОАО «НЛМК»); на новых МНЛЗ с 2005г. -применяются электроприводы переменного тока с индивидуальным силовым питанием электродвигателей по системе ПЧ-АД. По сравнению с первым типом электроприводов ТР электропривод переменного тока обладает существенно более жесткими механическими характеристиками электродвигателей ТР.

Основными дефектами электропривода ТР, появление которых прямо приводит к снижению качества непрерывнолитых заготовок, являются: прогиб бочки ТР; периодическая буксовка ТР по слитку; случайная буксовка ТР

по слитку; износ уплотнительных колец навесного редуктора; износ зубьев шестерней навесного редуктора.

В результате анализа известных способов диагностирования механического оборудования электроприводов ТР установлено, что наибольшее применение на слябовых МНЛЗ получили системы диагностирования, основанные на анализе изменения токов (моментов) нагрузки отдельных электродвигателей ТР. Преимущества применения указанных систем диагностирования заключаются в следующем: отсутствует необходимость установки измерительной аппаратуры (вибродатчиков) непосредственно в технологической линии МНЛЗ; нет необходимости в остановке МНЛЗ для выполнения визуального или метрологического контроля оборудования ЗВО; диагностирование выполняется в реальном масштабе времени.

В настоящее время на большинстве российских слябовых МНЛЗ используются две системы диагностирования электропривода ТР на основе анализа характеристик изменения токов (моментов) нагрузки электродвигателей ТР:

1) система СДРП разработки ГОУ ВПО «МГТУ», в которой диагнозы о появлении дефектов устанавливаются по итогам статистической оценки периода, интенсивности и величины изменения тока нагрузки электродвигателя ТР за интервал времени, равный периоду оборота ТР;

2) система АСТД разработки ОАО «Уралмаш», в которой диагнозы устанавливаются по итогам оценки частотных характеристик изменения мгновенных значений токов нагрузки электродвигателей ТР посредствам разложения временных диаграмм токов нагрузки в ряд Фурье.

Системы СДРП и АСТД успешно применяются на МНЛЗ с групповой схемой силового питания электродвигателей ТР от одного ТП.

Экспериментальная апробация алгоритмов и методик диагностирования, используемых в системах СДРП и АСТД, применительно к электроприводу ТР МНЛЗ №5 показала: в системах АСТД и СДРП не диагностируются такие дефекты, как износ уплотнительных колец навесного редуктора и износ зубьев шестерней навесного редуктора; в системе АСТД такие дефекты, как прогиб бочки ТР и периодическая буксовка ТР по слитку диагностируются как единый дефект - прогиб бочки ТР; в пространстве диагностических признаков, используемых в системе СДРП, области наблюдения прогиба бочки ТР и периодической буксовки ТР по слитку пересекаются, что не позволяет сделать однозначный вывод о виде дефекта механического оборудования электропривода ТР.

В связи с изложенным, поставлена задача разработки новой системы технического диагностирования механического оборудования индивидуальных электроприводов ТР МНЛЗ по характеру изменения мгновенных значений моментов нагрузки электродвигателей ТР.

Предложено диагностирование дефектов механического оборудования электроприводов ТР проводить по форме огибающей спектра частот изме-

ДЛ/п, Нм К,- 0,58 м/мин

Прогиб бочки ТР

Г^35=107,24 с 0

Т^Т^ЗЗ =0,997 Л4,„=3,05Нм

/ _

АМп=1,74 Н- м ДМА/33=0,04 Н м/с , г

м.

100 ,Нм

а)

К'

500

■ 0,58 м/мин

Периодическая буксовка ТР по слитку

Тиш/Твасч^З=0,992 ЛМ„=4,62 Н- м

«■яДЗ=1вб,4 с 107,24 сч

=2.82 Н-1

К

100 , Нм

6)

400 500 600 К,- 0.58 м/мин

Случайная буксовка ТР по слитку

ЛА£|=5,47Н- м

0 100 Мм, Нм

в)

Износ уплотнительных колец

навесного редуктора ¿Щ,.1,78Нм

Т^15=Ю,25 с

ДМ'Д^гЮ.ОТН^о_

\Кх15=4,02 Н^"

Г^/^87,74 с Гр,уТ^ч/^=0,994

6,9

6,3

Иа.Нм

Трсш58=2,43 с Г„„5«=107,24 с

Тр.уг^з-о.огг

АМ58°0,078 Н-м АА//Дг58=0,016Н м/с

нения мгновенных значении моментов нагрузки электродвигателей ТР.

Вторая глава посвящена разработке методик диагностирования механического оборудования электропривода ТР по статистическим харак-«» теристикам изменения моментов нагрузки электродвигателей ТР. Выполнен частотный анализ временных диаграмм изменения моментов нагрузки электродвигателей ТР отдельно для каждого вида дефекта механического оборудования электропривода ТР. Определены диагностические признаки проявления прогиба бочки ТР, периодической и случайной буксовок ТР по слитку, износа уплотнительных колец и износа зубьев шестерней навесного редуктора в частотных харак-400 500 боо теристиках изменения моментов на-V," о,58 м/мин ^уз^ разработаны методики диагностирования отдельных дефектов и обобщенная методика диагностирования механического оборудования электропривода ТР.

Для каждого вида дефекта сформированы тестовые выборки по 100 временных диаграмм изменения моментов нагрузки электродвигателей ТР для различных технологических условий литья заготовки в рабочем диапазоне скоростей вытягивания заготовки.

В результате дисперсионного анализа временных диаграмм (рис. 2)

л с.

Л с

400 500 600 0.58 м/мин

Износ зубьев шестерней навесного редуктора

д)

Рис.2

установлено, что для каждого вида дефекта распределение моментов нагрузки соответствует нормальному закону распределения случайной величины. При проверке на стационарность во времени изменения моментов нагрузки для различных дефектов механического оборудования электропривода ТР (рис.2) доказано, что изменения моментов нагрузки, вызванные случайными буксовками ТР по слитку, не соответствуют условию стационарности. Для остальных временных диаграмм доказана стационарность изменения моментов нагрузки во времени. Принято, что в качестве диагностического признака проявления случайной буксовки ТР по слитку в изменении моментов нагруз-

Я Гц

60 40 20 0

60 40 20 О

О ОД ^[/3. ДЕ

0,4 б) 0,6 О,!

Износ уплотаительных колец навесного редуктора

ки можно использовать условие неоднородности дисперсий рассеяния изменения моментов нагрузки, рассчитанных для смежных временных интервалов.

С целью установления общих закономерностей влияния прогиба бочки ТР, периодической буксовки ТР по слитку, износа уплотаительных колец навесного редуктора и износа зубьев шестерней навесного редуктора на частотные характеристики изменения мгновенных значений моментов нагрузки электродвигателей ТР параметрическим способом на основе авторегрессионного моделирования выполнен расчет амплитуд компонент спектральной плотности изменения моментов нагрузки для каждой тестовой выборки (рис. 3).

Из анализа графиков рис.3 сделан вывод: в качестве диагностического признака износа зубьев шестерней навесного редуктора может быть принято появление значимо отличающейся по величине амплитуды компоненты спектральной плотности изменения момента нагрузки в диапазоне частот А^=0,235-0,848 Гц. Границы интервала частот А/"рассчитаны для рабочего диапазона скоростей вытягивания заготовки Уг=0,5-],2 м/мин по выражению:

'2-^-1) 2■ (Угти -1)

/.Гц

0

Д[Д дБ

0,2 0,4 в) 0,6 0,8

ЗДЯ

£,5[/Я . зуя

[ Износ зуОьев шестерней ' навесного редуктора

0,2 0,4 г) 0,6 Рис. 3

"XПГ

(1)

где: 2 - количество зубьев шестерней навесного редуктора; Б - диаметр бочки ТР, мм.

В результате статистического анализа амплитудных характеристик компонент спектральной плотности изменения моментов нагрузки электродвигателей ТР: доказано, что для адекватной оценки изменения моментов нагрузки (рис.2 а, б, г) достаточно двух первых значимых компонент спектральной плотности изменения моментов нагрузки (коэффициент информативности 1^=0,954); для технологических условий МНЛЗ №5 по данным тестовых выборок определены интервалы наблюдения первой и второй (г2) значимых компонент спектральной плотности (табл. 1); доказано, что диагностирование

прогиба бочки ТР, периодической буксовки ТР по слитку и износа уплотни

Таблица 1 тельных колец навес-Границы интервалов наблюдения значимых компонент г! иг2

Вид дефекта тш 2-2 тш шах

Прогиб бочки ролика 2,44 3,09 -0,456 0,086

Периодическая буксовка 3,4 4,35 -0,290 0,060

Износ уплотнительных колец 2,78 3,43 0,085 0,217

Рис. 4

Таблица 2

ного редуктора необходимо проводить по совокупности значимых компонент г! и г2; предложено в качестве диагностического признака указанных дефектов использовать положение вектора значимых компонент г=(гь г2), рассчитанного для конкретной временной диаграммы, в диагностическом пространстве значимых компонент Х={гъ г2} (рис. 4), определенном по данным тестовой выборки; по данным тестовых выборок определены условия наблюдения прош-ба бочки ТР, периодической буксовки ТР по слитку и износа уплотнительных колец навесного редуктора (табл.2).

Предложена методика диагностирования прогиба бочки ТР, периодической буксовки ТР по слитку и износа уплотнительных колец навесного редуктора по положению вектора значимых компонент спектральной плотности изменения моментов нагрузки в диагностическом пространстве значимых компонент:

1. Создается диагностический массив изменения мгновенных значений моментов нагрузки электродвигателей ТР длительностью 600 с на неизменной скорости вытягивания заготовки.

2. Для интервала частот 0,008-0,054 Гц выполняется расчет значений амплитуд компонент спектральной плотности изменения мгновенных

значений момента нагрузки по выражению:

52

Вид дефекта Условие наблюдения

Прогиб бочки ТР (*,-2,77)2 ( (г2 +0,259)2 ^

2,704-10~3 0,4 10 3

Периодическая буксовка (г, -3,87)2 ( (г2 + 0Д53)2 ^ 0,0121 0,1 10"3

Износ уплотнительных колец (21 _3,1)2 ( (г2-0,408)2 ^ 2,7-Ю"3 0,324 10"3

АЛ

2Х-

-у2-дт/

где: #=1200 - размерность массивов изменения мгновенных значений моментов нагрузки электродвигателей ТР;^=2 - частота дискретизации мгновенных

г

значений моментов нагрузки электродвигателей ТР, Гц; Д/ = — = 0,00166 -

N

частотный интервал между компонентами спектральной плотности изменения мгновенных значений момента нагрузки, Гц; ат - коэффициенты авторегрессионной модели изменения мгновенных значений момента нагрузки рассчитаны по методу наименьших квадратов; Мх, п99- мгновенные значения

| N 40 _

момента нагрузки элсиродвигагеля ТР, =—(04 ~ X!атМ,-т-

N /,40 т=\

дисперсия рассеяния ошибки предсказания авторегрессионной модели изменения мгновенных значений момента нагрузки электродвигателя ТР, Нм2;

_ | N 40

Ме1 =—^Ш/ - математическое ожидание ошибки предсказания

N ,„40 т = 1

авторегрессионной модели изменения мгновенных значений момента нагрузки электродвигателя ТР, Н м.

3. Выполняется расчет величин значимых компонент спектральной плотности изменения моментов нагрузки по выражению:

* = ЗДхЯ. О)

где: Н — матрица весовых коэффициентов значимых компонент спектральной плотности изменения моментов нагрузки электродвигателей ТР.

4. Осуществляется проверка условий наблюдения дефектов механического оборудования электропривода ТР по выражениям (табл. 2).

5. Результат проверки фиксируется в таблице состояний механического оборудования электропривода г'-го ТР.

Разработана методика диагностирования износа зубьев шестерней навесного редуктора, базирующаяся на анализе величин амплитуд компонент спектральной плотности изменения мгновенных значений моментов нагрузки в диапазоне частот А/=0,235-0,848 Гц:

1. Создается диагностический массив мгновенных значений момента нагрузки электродвигателя ТР длительностью 600 с.

2. Выполняется расчет значений амплитуд компонент спектральной плотности изменения мгновенных значений моментов нагрузки в диапазоне частот А/=0,235-0,848 Гц по выражению (2).

3. Определяется значение разности амплитуд компонент спектральной плотности изменения моментов нагрузки во выражению:

(4)

где: 5тах, З^т - максимальная и минимальная величины амплитуд компонент спектральной плотности изменения мгновенных значений момента нагрузки в интервале частот А/=0,235-0,848 Гц.

4. Выполняется проверка условия наблюдения износа зубьев шестерней навесного редуктора:

Д5> 10,34 дБ. (5)

5. Если условие (5) выполняется, то с вероятностью р=0,95 делается вывод о наличии износа зубьев шестерней навесного редуктора.

Предложена методика диагностирования случайной буксовки ТР по слитку, основанная на анализе однородности дисперсий рассеяния моментов нагрузки в смежные интервалы времени:

1. Создается диагностический массив мгновенных значений моментов нагрузки электродвигателя ТР длительностью 600 с.

2. Выполняется расчет математического ожидания М] и дисперсии рассеяния Бгм ^ изменения моментов нагрузки в смежные временные интервалы, длительностью 100 с, по выражениям:

= (6)

3. Рассчитывается значения критерия однородности дисперсий рассеяния моментов нагрузки по выражению:

оРУ;"тах. (?)

.и

4. Выполняется проверка диагностического условия проявления случайной буксовки ТР по слитку:

СР >0,2. (8)

5. При выполнении условия (8) с вероятностью /»=0,95 делается вывод о наличии случайной буксовки ТР по слитку.

Предложена обобщённая методика диагностирования электропривода ТР, в которой определена последовательность диагностирования отдельных дефектов механического оборудования.

В третьей главе разработаны обобщённый алгоритм диагностирования механического оборудования электропривода ТР, алгоритмы отдельных функций диагностирования и вспомогательные алгоритмы.

Разработан обобщенный алгоритм диагностирования механического оборудования электропривода ТР (рис. 5) с учетом технологических особенностей вытягивания заготовки на слябовой МНЛЗ. В алгоритме: указана последовательность выполнения функций диагностирования дефектов механического оборудования электроприводов ТР и вспомогательных алгоритмов; учтено такое требование к системе диагностирования, как создание диагностических массивов изменения мгновенных значений моментов нагрузки электродвигателей ТР на неизменной скорости вытягивания заготовки в рабочем диапазоне скоростей вытягивания слитка.

МНачало)

Определение режима работы МНЛЗ

| Формирование массива ДМ |

Диагностирование механического оборудования п-го электропривода ТР

| п=п+1

Разработаны алгоритмы диагностирования прогиба бочки ТР, периодической и случайной буксовок ТР по слитку, износа уплотни-тельных колец навесного редуктора и износа зубьев шестерней навесного редуктора. Алгоритмы обеспечивают расчет значений диагностических признаков проявления указанных дефектов в статистических характеристиках изменения моментов нагрузки, сравнение расчетных значений с условиями наблюдения дефектов и формирование диагнозов о появлении того или иного дефекта.

Предложены вспомогательные алгоритмы: расчета и формирования массива амплитуд компонент спектральной плотности изменения мгновенных значений моментов нагрузки; расчета значений весовых коэффициентов и величин значимых компонент спектральной плотности изменения моментов нагрузки; расчета разности амплитуд компонент спектральной плотности изменения моментов нагрузки; расчета значений критерия Кохрена; расчета диапазона изменения момента нагрузки электродвигателя ТР.

В четверной главе: разработана функциональная схема системы диагностирования электропри-

Рис. 5

вода ТР МНЛЗ; сделан вывод о том, что существующая на МНЛЗ №5 система сбора данных с частотой дискретизации сигналов моментов 2 Гц пригодна для реализации разработанных алгоритмов диагностирования; приведены результаты оценки эффективности предложенных методик и алгоритмов диагностирования.

На рис. 6 приведена функциональная схема системы технического диагностирования механического оборудования электропривода ТР МНЛЗ №5.

В системе информация о текущих значениях моментов нагрузки электродвигателей ТР, поступающая по сети РгойЬш от преобразователей частоты 1, накапливается в штатном контролере управления электроприводами ТР 2. Из контролера 2 и

Нет

п-64

_ Да

Визуализация и архивация результатов диагностирования механического оборудования электропривода ТР

штатного сервера 4 АСУ ТП МНЛЗ №5 в дополнительно установленный сервер диагностирования 3 по сети Ethernet поступает информация о текущих значения моментов нагрузки электродвигате-

Таблица 3

Рис. 6

лей ТР, скорости вытягивания заготовки V, и текущем режиме работы МНЛЗ. Программа диагностирования механического оборудования электропривода ТР реализована на языке LabView в сервере 3. Информация о текущем техническом состоянии механического оборудования электропривода ТР поступает на рабочую станцию 5 мастера участка диагностики МНЛЗ №5. Использование действующего оборудования АСУ ТП МНЛЗ №5 позволило существенно снизить капитальные затраты на внедрение системы диагностирования.

С целью оценки эффективности разработанной системы диагностирования в июле 2010 года из архивов системы сбора координат работы электродвигателей ТР МНЛЗ №5 были выбраны данные об изменении моментов нагрузки электродвигателей ТР и поданы на вход системы диагностирования. Результаты проверки эффективности выполнения отдельных функций диагностирования приведены в табл. 3. Достоверность диагностирования дефектов механического оборудования электропривода ТР составляет А = 93,9-94,8%

12.102010 г. система диагностирования механического оборудования электропривода ТР внедрена на МНЛЗ №5. Оформлен акт внедрения системы диагностирования. Ожидаемый экономический эффект за счет сокращения времени простоев МНЛЗ на выполнение ремонтных работ составляет 4,515 млн. руб. в год.

Вид дефекта А, %

Прогиб бочки ТР 94,6

Периодическая буксовка 93,9

Износ уплотнительных колец 94,1

Износ зубьев шестерней 94,8

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Применяемые на российских слябовых МНЛЗ системы технического диагностирования механического оборудования электроприводов ТР не обеспечивают требуемой достоверности и глубины диагностирования дефектов механического оборудования электроприводов ТР, построенных по индивидуальной схеме силового питания электродвигателей по системе ПЧ-АД.

2. Показано, что в качестве диагностических признаков прогиба бочки ТР, периодической буксовки ТР по слило', износа ушотнительных колец навесного редуктора и износа зубьев шестерней навесного редуктора применимы характеристики амплитуд компонент спектральной плотности изменения мгновенных

значений моментов нагрузки. В качестве диагностического признака случайной буксовки ТР по слитку можно использовать условие неоднородности дисперсий рассеяния изменения моментов нагрузки, рассчитанных для смежных временных интервалов.

3. Для технологических условий МНЛЗ №5 ОАО «ММК» определены области наблюдения диагностических признаков прогиба бочки ТР, периодической буксовки ТР по слитку, износа уплотнителъных колец навесного редуктора и износа зубьев шестерней навесного редуктора в характеристиках компонент спектральной плотности изменения мгновенных значений моментов нагрузки электродвигателей ТР.

4. Разработана методика диагностирования случайных буксовок ТР по слитку на основе анализа дисперсий рассеяния мгновенных значений моментов нагрузки электродвигателей ТР.

5. Предложена методика диагностирования износа зубьев шестерней навесного редуктора. Методика базируется на анализе значений амплитуд компонент спектральной плотности изменения мгновенных значений моментов нагрузки в интервале частот зубцовых биений навесного редуктора в рабочем диапазоне скоростей вытягивания заготовки.

6. Разработана методика диагностирования прогиба бочки ТР, периодической буксовки ТР по слитку и износа уплотнительных колец навесного редуктора по величинам значимых компонент спектральной плотности изменения мгновенных значений моментов нагрузки электродвигателей ТР.

7. Разработаны алгоритмы диагностирования:

- прогиба бочки ТР;

- периодической буксовки ТР по слитку;

- случайной буксовки ТР по слитку;

- износа уплотнительных колец навесного редуктора;

- износа зубьев навесного редуктора.

8. Разработаны функциональная схема и обобщенный алгоритм системы диагностирования механического оборудования электропривода ТР с учетом технологических особенностей непрерывной разливки стали на слябовой МНЛЗ.

9. Экспериментально проверена достоверность и эффективность алгоритмов и методик диагностирования прогиба бочки ТР, периодической буксовки ТР по слитку, износа уплотнительных колец навесного редуктора и износа зубьев шестерней навесного редуктора. Достоверность диагностирования указанных дефектов электропривода ТР составляет 93,8-94,8%.

10. Система технического диагностирования механического оборудования электропривода ТР внедрена на слябовой МНЛЗ №5 ОАО «ММК». Ожидаемый экономический эффект от внедрения составляет 4,515 млн. руб. в год.

Публикации автора по теме диссертации

Научные статьи, опубликованные в изданиях по списку ВАК

1. Обобщенная методика диагностирования механического и электрического оборудования металлургических агрегатов / М.В. Коновалов, С.И. Лукьянов, Е.С. Суспицын и др.// Изв. вузов. Электромеханика. - 2009. - № 1. -С. 38-42.

2. Система диагностирования состояния оборудования электропривода тянущих роликов / М.В. Коновалов, С.И. Лукьянов, Е.С. Суспицын и др. // Изв. ТулГУ. Техн. науки. Вып. 3: в 5 ч. Тула: Изд-во ТулГу. - 2010. Ч.З - С. 71-76.

Публикации в других изданиях

3. Исследование электропривода тянущих роликов МНЛЗ №5 ОАО «ММК»/ М. В. Коновалов, С. И. Лукьянов,, А.И.Хлыстов и др.//Оптимизация режимов работы электротехнических систем: Межвуз. сб. науч. тр. - Красноярск: Сиб. федер. ун-т. - 2008. - С. 153 - 160.

4. Анализ временных диаграмм моментов нагрузки электропривода ТПУ МНЛЗ №5 / М. В. Коновалов, С. И. Лукьянов, Е. В. Астафьев и др. //Оптимизация режимов работы электротехнических систем: Межвуз. сб. науч. тр. - Красноярск: Сиб. федер. ун-т. - 2008. - С. 267 - 272.

5. Коновалов М.В., Лукьянов С.И., Суспицын Е.С. Анализ временных диаграмм изменения моментов нагрузки электродвигателей тянущих роликов МНЛЗ №5 ОАО «ММК».// ГОУ ВПО «Магнитогорск, гос. техн. ун-т». - Магнитогорск, 2008. - 16 е.: ил.10. - Библиогр. 5 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ 24.06.08, № 526-В2008.

6. Дефекты механической части электропривода тянущих роликов МНЛЗ №5 ОАО «ММК»./ М. В. Коновалов, А. И. Хлыстов, Е. С. Суспицын и др. // Мат. докл. IV международ, молодеж. науч. конф. «Тинчуринские чтения». - Казань: ГОУ ВПО «Казанский гос. техн. ун-т». - 2009. - Том 3. - С. 163 - 165.

7. Система диагностирования технического состояния электропривода тянущих роликов ЗВО МНЛЗ №5 ОАО «ММК» / М.В. Коновалов, С.И. Лукьянов, Е.С. Суспицын и др. И «Инновационные технологии в обеспечении качества, энергоэффективности и экологической безопасности. Повышение конкурентоспособности металлургических предприятий в современных условиях». Сб. докл. конф. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ». - 2010. - С.88-90.

8. Коновалов М.В., Лукьянов С. И., Суспицын Е. С. Разработка функциональной схемы системы диагностирования электропривода тянущих роликов ТПУ МНЛЗ №5 // Электротехнические системы и комплексы: Межвузовский сб. науч. тр. - 2009. - Вып. 17. С.164-167.

9. Патент РФ на полезную модель. RU 97661 B22D 11/16 Устройство автоматического управления электроприводом зоны вторичного охлаждения машины непрерывного литья / М.В. Коновалов, А.Б. Великий, С.И. Лукьянов и др. - Заявка № 2010107916/02 от 03.03.2010 // 20.09.2010 Бюл. №26.

Подписано в печать 8.11.2010. Формат 60x84 1/16. Бумага тип.№ 1.

Плоская печать. Усл.печ.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 843.

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок ГОУ ВПО «МГТУ»

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ МЕТОДИК ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ТЯНУЩИХ РОЛИКОВ МНЛЗ.

1.1 Технологические особенности непрерывной разливки стали

1.2 Особенности электропривода ТР МНЛЗ №5.

1.3 Типовые дефекты механического оборудования электропривода тянущих роликов МНЛЗ №5.

1.4 Анализ эффективности методик диагностирования механического оборудования электроприводов ТР для технологических условий МНЛЗ №5.

1.4.1 Анализ временных диаграмм изменения моментов нагрузки и частоты вращения электродвигателей ТР.

1.4.2 Функциональные возможности системы СДРП.

1.4.3 Функциональные возможности системы АСТД.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ДЕФЕКТОВ МЕХАНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ТЯНУЩИХ РОЛИКОВ.

2.1 Анализ частотных характеристик изменения мгновенных значений моментов нагрузки электродвигателей ТР.

2.2 Статистический анализ амплитудных характеристик изменения мгновенных значений моментов нагрузки электродвигателей ТР.

2.2.1 Определение значимых компонент спектральной плотности изменения мгновенных значений моментов нагрузки

2.2.2 Статистический анализ распределений значимых компонент спектральной плотности изменения мгновенных значений моментов нагрузки электродвигателей ТР.

2.3 Методика диагностирования прогиба бочки ТР, периодической буксовки ТР по слитку и износа уплотнительных колец навесного редуктора.

2.4 Методика диагностирования износа зубьев шестерней навесного редуктора.

2.5 Методика диагностирования случайной буксовки ТР по слитку.

2.6 Обобщенная методика диагностирования дефектов механического оборудования электропривода ТР.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ТР.

3.1 Обобщенный алгоритм работы системы диагностирования механического оборудования электропривода ТР.

3.2 Алгоритм диагностирования механического оборудования электропривода ТР.

3.3 Алгоритмы расчета диагностических признаков дефектов механического оборудования электропривода ТР.

3.3.1 Алгоритм расчета амплитуд компонент спектральной плотности изменения мгновенных значений момента нагрузки электродвигателя ТР.

3.3.2 Алгоритм формирования массива амплитуд компонент спектральной плотности изменения мгновенных значений момента нагрузки.

3.3.3 Алгоритм расчета значений весовых коэффициентов значимых компонент спектральной плотности изменения мгновенных значений момента нагрузки.

3.3.4 Алгоритм расчета значимых компонент спектральной плотности изменения мгновенных значений момента нагрузки электродвигателя ТР.

3.3.5 Алгоритм расчета разности амплитуд компонент спектральной плотности изменения мгновенных значений момента нагрузки.

3.3.6 Алгоритм расчета критерия Кохрена Ор.

3.3.7 Алгоритм расчета размаха изменения мгновенных значений момента нагрузки электродвигателя ТР.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 4 РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ТЯНУЩИХ РОЛИКОВ МНЛЗ №5.

4.1 Функциональная схема системы диагностирования механического оборудования электропривода ТР.

4.2 Оценка достоверности методик и алгоритмов диагностирования.

ВЫВОДЫ.

Производство заготовок для прокатного передела способом непрерывной разливки стали является неотъемлемой частью современного металлургического цикла. В 2008 г. мировое производство стали составило 1,323 млн. т, 93% из которых отлиты на машинах непрерывного литья заготовок (MHJI3) [1].

Конструкция MHJI3, отдельных ее агрегатов и устройств постоянно совершенствуются в целях повышения производительности MHJI3, улучшения качества непрерывнолитых заготовок и снижения эксплуатационных затрат. Основным направлением совершенствования электрооборудования зоны вторичного охлаждения MHJI3 является замена электроприводов постоянного тока с групповой схемой силового питания электродвигателей тянущих роликов (ТР) от одного тиристорного преобразователя (ТП) на электроприводы переменного тока с индивидуальной схемой силового питания электродвигателей ТР по системе ПЧ-АД. В 2006 г. на ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ОАО «ММК») введена в эксплуатацию слябовая MHJ13 №5 производства ОАО «Уралмаш» на которой применен индивидуальный электропривод ТР [2].

Обеспечение требуемого качества литой заготовки и высокой производительности MHJ13 возможно лишь при непрерывном, непосредственно во время разливки стали, контроле технического состояния оборудования MHJI3 и своевременной замене вышедших из строя узлов. Кроме этого, применение эффективной системы диагностирования дефектов механического оборудования электроприводов ТР современных MHJ13 позволяет обосновывать виды, сроки и объем ремонтных работ, сократить время их выполнения за счет целенаправленной замены вышедшего из строя оборудования, повысить качество непрерывнолитых слитков и создать предпосылки к росту скорости разливки и производительность машин [3, 4, 5].

На большинстве российских слябовых МНЛЗ контроль состояния механического оборудования электропривода ТР МНЛЗ осуществляется системами диагностирования роликовой проводки (СДРП) разработки ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» (ГОУ ВПО «МГТУ») и автоматическими системами токовой диагностики (АСТД) разработки ОАО «Уралмаш», построенных на основе анализа изменения мгновенных значений токов нагрузки электродвигателей ТР. Указанные системы разработаны для диагностирования механического оборудования электропривода ТР с групповой схемой силового питания электродвигателей ТР от одного ТП [6, 7, 8].

К основным дефектам механического оборудования электропривода ТР, оказывающих негативное влияние на качество непрерывнолитых заготовок, относятся: прогиб и износ бочки ТР; периодическая и случайная буксовки ТР по слитку; неверная выставка ТР вдоль технологической оси зоны вторичного охлаждения; повреждение подшипниковых узлов ТР [4, 7, 8].

Применение методик, используемых в системах СДРП и АСТД, для диагностирования механического оборудования электропривода ТР МНЛЗ №5 показало их низкую достоверность выявления таких дефектов механического оборудования электропривода ТР, как прогиб бочки ТР ролика и периодическая буксовка ТР по слитку.

Кроме этого, в процессе эксплуатации МНЛЗ №5 выявлены такие типовые дефекты механического оборудования электропривода ТР, как износ уплотнительных колец навесного редуктора и износ зубьев шестерней навесного редуктора, которые не диагностируются системами СДРП и АСТД.

Поэтому целью диссертационной работы является создание новой системы технического диагностирования механического оборудования электропривода ТР МНЛЗ по характеру изменения мгновенных значений моментов нагрузки электродвигателей ТР, обеспечивающей увеличение производительности МНЛЗ за счет сокращения времени простоев машины на выполнение ремонтных работ.

Достижение поставленной цели потребовало решения в диссертационной работе следующих основных задач:

- анализа технических особенностей электроприводов ТР с групповой и индивидуальной схемами силового питания электродвигателей ТР;

- анализа возможных дефектов электропривода ТР МНЛЗ, негативно влияющих на качество непрерывнолитых заготовок;

- анализа функциональных возможностей и экспериментальной оценки эффективности промышленных систем диагностирования электропривода ТР для диагностирования механического оборудования индивидуального электропривода ТР;

- статистического и частотного анализа временных диаграмм изменения мгновенных значений моментов нагрузки электродвигателей ТР;

- определения диагностических признаков проявления дефектов механического оборудования электропривода ТР в характеристиках изменения моментов нагрузки электродвигателей ТР;

- разработки методик и алгоритмов диагностирования механического оборудования электропривода ТР по частотным характеристикам изменения мгновенных значений моментов нагрузки электродвигателей ТР;

- разработки обобщенного алгоритма и функциональной схемы системы диагностирования механического оборудования электропривода ТР;

- экспериментальной оценки эффективности предлагаемых методик и алгоритмов диагностирования механического оборудования электропривода ТР.

К защите представляются следующие основные положения.

1. Результаты экспериментальных и теоретических исследований функциональных возможностей известных систем диагностирования механического оборудования применительно к электроприводам ТР с индивидуальным силовым питанием электродвигателей ТР по системе ПЧ-АД.

2. Результаты статистического анализа временных диаграмм и частотных характеристик изменения мгновенных значений моментов нагрузки электродвигателей ТР при прогибе бочки ТР, периодической и случайной буксовках ТР по слитку, износе уплотнительных колец навесного редуктора и износе зубьев шестерней навесного редуктора.

3. Диагностические признаки прогиба бочки ТР, периодической буксовки ТР по слитку, износа уплотнительных колец навесного редуктора и износа зубьев шестерней навесного редуктора на основе анализа амплитуд компонент спектральной плотности изменения мгновенных значений моментов нагрузки электродвигателей ТР.

4. Методики и алгоритмы диагностирования прогиба бочки ТР, периодической и случайной буксовок ТР по слитку, износа уплотнительных колец навесного редуктора и износа зубьев шестерней навесного редуктора.

5. Технические решения и обобщенный алгоритм диагностирования механического оборудования электропривода ТР слябовой МНЛЗ с учетом технологических особенностей непрерывной разливки стали.

6. Результаты внедрения и экспериментальной оценки эффективности разработанной системы диагностирования механического оборудования электропривода ТР.

Научная новизна работы заключается в разработке и реализации методик и алгоритмов новой системы диагностирования механического оборудования электропривода ТР слябовой МНЛЗ, обеспечивающей увеличение производительности МНЛЗ за счет эффективного выявления дефектов механического оборудования индивидуальных электроприводов ТР.

В первой главе проведен анализ технических особенностей электроприводов ТР зоны вторичного охлаждения с групповым питанием от одного ТП и электроприводов ТР современных МНЛЗ с индивидуальным силовым питанием по схеме АД-ПЧ на примере электроприводов ТР МНЛЗ №5 ОАО «ММК».

Определены типовые дефекты механического оборудования электроприводов ТР МНЛЗ №5:

- прогиб бочки ТР;

- периодическая буксовка ТР по слитку;

- случайная буксовка ТР по слитку;

- износ уплотнительных колец навесного редуктора;

- износ зубьев шестерней навесного редуктора.

Проведен анализ известных методик диагностирования дефектов механического оборудования электроприводов ТР применительно к электроприводам ТР с индивидуальным силовым питанием электродвигателей по системе ПЧ-АД. Экспериментально доказано, что типовые дефекты механического оборудования электроприводов ТР диагностируются либо некорректно, либо не диагностируются вовсе.

Предложено диагностирование дефектов механического оборудования электропривода ТР проводить по форме огибающей спектра частот изменения мгновенных значений моментов нагрузки электродвигателей ТР.

Поставлена задача разработки методик диагностирования механического оборудования электропривода TP с индивидуальным силовым питанием электродвигателей по системе ПЧ-АД по характеристикам амплитуд компонент спектральной плотности изменения мгновенных значений моментов нагрузок электродвигателей ТР.

Вторая глава посвящена разработке методик диагностирования дефектов механического оборудования электроприводов ТР.

С целью определения диагностических признаков дефектов механического оборудования проведен анализ частотных характеристик изменения мгновенных значений моментов нагрузки электроприводов ТР. Установлено, что дефекты механического оборудования по их проявлению характеристиках амплитуд компонент спектральной плотности изменения мгновенных значений целесообразно разделить на две группы:

- прогиб бочки TP, периодическая буксовка тянущих роликов, износ уплотнительных колец навесного редуктора проявляются в интервале частот 0,008 - 0,054 Гц;

- износ зубьев шестерней навесного редуктора проявляется в диапазоне частот 0,235 - 0,848 Гц.

На основе статистического анализа амплитуд компонент спектральной плотности изменения мгновенных значений моментов нагрузки для прогиба бочки TP, периодической буксовки TP по слитку и износа уплотнительных колец навесного редуктора, определенны значимые компоненты спектральной плотности изменения мгновенных значений моментов нагрузки.

По данным тестовых выборок определены интервалы индивидуальных наблюдений значимых компонент спектральной плотности изменения мгновенных значений моментов нагрузки электродвигателей ТР при прогибе бочки ТР, периодической буксовке ТР по слитку и износе уплотнительных колец навесного редуктора. Разработана методика диагностирования указанных дефектов.

Диагностирование износа зубьев шестерней навесного редуктора предложено выполнять путем оценки амплитуд компонент спектральной плотности изменения мгновенных значений момента нагрузки в рабочем интервале частот, соответствующем рабочему диапазону скоростей вытягивания заготовки. Разработана методика диагностирования данного дефекта механического оборудования электропривода ТР.

Диагностирование случайной буксовки ролика по слитку предложено проводить путем оценки однородности дисперсий рассеяния мгновенных значений моментов нагрузки, рассчитанных для смежных временных интервалов. Разработана методика диагностирования данного дефекта механического оборудования электропривода ТР.

Разработана обобщенная методика диагностирования дефектов механического оборудования электропривода ТР, в которой определена последовательность диагностирования отдельных дефектов механического оборудования.

В третьей главе разработан обобщенный алгоритм диагностирования механического оборудования электроприводов ТР с учетом технологических особенностей непрерывной разливки стали на слябовой МНЛЗ.

Разработан алгоритм диагностирования прогиба бочки ТР, периодической и случайной буксовки ТР по слитку, износа уплотнительных колец навесного редуктора и износа зубьев шестерней навесного редуктора, а также ряд вспомогательных алгоритмов.

В четвертой главе разработаны функциональная схема системы диагностирования и функциональная схема программы диагностирования механического оборудования электропривода ТР. Доказано, что для реализации разработанной системы диагностирования механического оборудования электропривода ТР может быть использовано штатное оборудование АСУ ТП МНЛЗ. Приведены результаты оценки достоверности диагностирования дефектов механического оборудования электропривода ТР по разработанным методикам и алгоритмам. Достоверность диагностирования дефектов механического оборудования электропривода ТР составляет 93,9-94,8 %.

Разработанная система диагностирования механического оборудования электропривода ТР внедрена на МНЛЗ №5. Ожидаемый экономический эффект за счет сокращения времени простоев МНЛЗ на выполнение ремонтных работ составляет 4,515 млн. руб. в год.

ВЫВОДЫ

1. Разработана функциональная схема системы диагностирования механического оборудования электропривода ТР МНЛЗ №5. Экспериментально доказано, что для реализации разработанных алгоритмов диагностирования механического оборудования электропривода ТР пригодно штатное оборудование АСУ ТП, в части создания диагностических массивов и анализа режимов работы МНЛЗ.

2. Экспериментально проверена достоверность диагностирования дефектов механического оборудования электропривода ТР. Сопоставление реальных фактов обнаружения дефектов механического оборудования электропривода ТР и диагнозов о их выявлении системой диагностирования показало достаточно высокую достоверность предложенных методик диагностирования (достоверность составляет 93,9-94,8 %).

3. Система диагностирования механического оборудования электропривода ТР внедрена на МНЛЗ №5. Ожидаемый экономический эффект за счет сокращения времени простоев МНЛЗ на выполнение ремонтных работ составляет 4,515 млн. руб. в год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Применяемые на российских слябовых МНЛЗ системы технического диагностирования механического оборудования электроприводов ТР не обеспечивают требуемой достоверности и глубины диагностирования дефектов механического оборудования электроприводов ТР, построенных по индивидуальной схеме силового питания электродвигателей по системе ПЧ-АД.

2. Показано, что в качестве диагностических признаков прогиба бочки ТР, периодической буксовки ТР по слитку, износа уплотнительных колец навесного редуктора и износа зубьев шестерней навесного редуктора применимы характеристики амплитуд компонент спектральной плотности изменения мгновенных значений моментов нагрузки. В качестве диагностического признака случайной буксовки ТР по слитку можно использовать условие неоднородности дисперсий рассеяния изменения моментов нагрузки, рассчитанных для смежных временных интервалов.

3. Для технологических условий МНЛЗ №5 ОАО «ММК» определены области наблюдения диагностических признаков прогиба бочки ТР, периодической буксовки ТР по слитку, износа уплотнительных колец навесного редуктора и износа зубьев шестерней навесного редуктора в характеристиках компонент спектральной плотности изменения мгновенных значений моментов нагрузки электродвигателей ТР.

4. Разработана методика диагностирования случайных буксовок ТР по слитку на основе анализа дисперсий рассеяния мгновенных значений моментов нагрузки электродвигателей ТР.

5. Предложена методика диагностирования износа зубьев шестерней навесного редуктора. Методика базируется на анализе значений амплитуд компонент спектральной плотности изменения мгновенных значений моментов нагрузки в интервале частот зубцовых биений навесного редуктора в рабочем диапазоне скоростей вытягивания заготовки.

6. Разработана методика диагностирования прогиба бочки ТР, периодической буксовки ТР по слитку и износа уплотнительных колец навесного редуктора по величинам значимых компонент спектральной плотности изменения мгновенных значений моментов нагрузки электродвигателей ТР.

7. Разработаны алгоритмы диагностирования:

- прогиба бочки ТР;

- периодической буксовки ТР по слитку;

- случайной буксовки ТР по слитку;

- износа уплотнительных колец навесного редуктора;

- износа зубьев навесного редуктора.

8. Разработаны функциональная схема и обобщенный алгоритм системы диагностирования механического оборудования электропривода ТР с учетом технологических особенностей непрерывной разливки стали на слябовой МНЛЗ.

9. Экспериментально проверена достоверность и эффективность алгоритмов и методик диагностирования прогиба бочки ТР, периодической буксовки ТР по слитку, износа уплотнительных колец навесного редуктора и износа зубьев шестерней навесного редуктора. Достоверность диагностирования указанных дефектов электропривода ТР составляет 93,8-94,8%.

10. Система технического диагностирования механического оборудования электропривода ТР внедрена на слябовой МНЛЗ №5 ОАО «ММК». Ожидаемый экономический эффект от внедрения составляет 4,515 млн. руб. в год.

1. Steel Statistical Yearbook2009. World steel association. -Brussels-2010-122 c.

2. Алыпиц В. M. Регулируемый электропривод переменного тока машины нового типа для литья заготовок / В.М. Алыпиц, Б.Г. Бажин, В. И. Зеленцев // Russian Electrical Engineering. 2008 - №1 - 32-36 с.

3. Марголин Ш.М. Электропривод машин непрерывного литья заготовок / Ш.М. Марголин М.: Металлургия, 1987. - 279 с.

4. Нисковских В.М. Машины непрерывного литья слябовых заготовок / В.М. Нисковских, С.Е. Карлинский, А.Д. Беренов М.: Металлургия, 1991.-272с.

5. Буланов Л.В. Машины непрерывного литья заготовок. Теория и расчет / Л.В. Буланов, Л.Г. Корузин, Е.П. Парфенов. Казань: «Идеал-Пресс», 2003.-319 с.

6. Суспицын Е.С. Диагностирование электропривода тянуще-правильного устройства МНЛЗ / С.И. Лукьянов, Е.С. Суспицын, P.C. Пишнограев Магнитогорск: МГТУ, 2005. - 150 с.

7. Патент 2100139RUB22D 11/16 Устройство для контроля роликовой проводки / В.И. Баулин, А.П. Евтеев, В.В, Клочай и др. Заявка № 96118286/02 от 13.09.96.

8. Патент 4039479, DEB22D 1 l/20VerfahrenzurSteuerung das Strangabzuges an einer Stranggießanlage / M. Sucker—Заявка № 4039478.6 от 11.12.90.

9. Лукьянов С. И. Автоматизированный электропривод тянуще- правильного устройства МНЛЗ / С.И. Лукьянов, А.Е Васильев, Д.С. Лукьянов Магнитогорск: МГТУ, 2004. - 179 с.

10. Разливка стали на машине непрерывного литья заготовок №5 электросталеплавильного цеха. Технологическая инструкция. ТИ 101-СТ-ЭСПЦ-67-2008 ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат». — Магнитогорск, 2008. -72.

11. Лукьянов С.И. Стабилизация технологических параметров вытягивания непрерывнолитого слитка электроприводом тянущих роликов / С.И. Лукьянов, Д.В. Швидченко, A.B. Белый. Монография: МГТУ, 2004.- 141 с.

12. Осипов О. И. Частотно-регулируемый асинхронный электропривод: Учебное пособие / О. И. Осипов М.: Издательство МЭИ - 2004. -80с.

13. Лукин А. Н. Системы автоматизированного электропривода с векторным управлением асинхронных двигателей: Учебное пособие / А. Н. Лукин. Магнитогорск: МГТУ - 2002-50 с.

14. Сталь на рубеже столетий.: Учебн. пособие для вузов / Под научн. ред. Карабасова Ю.С. М.: МИСИС, 2001. - 664 с.

15. Смирнов А.Н. Особенности явления «наматывания» окалины опорными роликами слябовой MHJI3 / А. Н. Смирнов, А. Ю. Цупрун, Е. В. Новикова // Сталь. 2008. - №4. С.19-22.

16. Бочек А.П. Оптимизация эксплуатационных характеристик МНЛЗ / А. П. Бочек, И. Н. Фентисов, Б. В. Небога и др. // Сталь. 2007. - №1.1. С.22-24.

17. Угаров A.A. Влияние узлов оборудования МНЛЗ на качество поверхности блюмов / А. А. Угаров, Е. И. Гонтарук, С. П. Бокарев и др. // Сталь. 2007.-№6. С.16-17.

18. Суспицын Е.С. Диагностирование текущего состояния приводных роликов / Е.С. Суспицын, A.B. Белый, М.Ю. Коробков, С.Г. Вишняков // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2004. - №2. С.74-78.

19. Швидченко Д. В. Влияние буксовок тянущих роликов на качество макроструктуры непрерывнолитой заготовки / Д.В. Швидченко // Электротехнические системы и комплексы: Межвуз. сб. науч. тр. — Магнитогорск: МГТУ, 2003. Вып. 7. - С. 119 - 122.

20. Ширман А. Р. Практическаявибродиагностика и мониторинг механического оборудования: Библеогр. / А. Р. Ширман, А. Б. Соловьев. — М.: 1996-276 с.

21. Русов В.А. Спектральная вибродиагностика / В. А. Русов. Пермь: Вибро-центр, 1996. - №1. - 175 с.

22. Патент 655468RUB22D 11/16 Способ контроля валков в зоне вторичного охлаждения установки непрерывной разливки металов / В.И. Лебедев, Д.П. Евтеев , В.М. Паршин и др. Заявка № 2374122/22-02 от 17.06.76.

23. Патент 2107579 RUB22D 11/16 Способ контроля роликовой проводки машины непрерывного литья заготовок / В.И. Баулин, А.П. Евтеев,

24. В .В, Клочай и др. Заявка № 97105859/02 от 18.04.1997.

25. Патент 1138235 RUB22D 11/16 Устройство контроля технологической оси машины непрерывного литья заготовок / B.C. Смирнов, A.A. Иванов, A.A. Целиков и др. Заявка № 3663328/22-02 от 18.11.83.

26. Патент463203 EPB22D 1 l/16Fuhrungsverfahren fur die elektrischen Antriebe von Rolleneiner Straggiessanlage und Einrichtungzur Durchführung des Verfahrens / G. Geisthoff, H-J. Nitsche, W. Engelhardt Заявка № 90112051.9 от 25.06.90.

27. Патент 21882RUB22D 11/16 Устройство автоматического управления электроприводом зоны вторичного охлаждения машины непрерывного литья / С. И. Лукьянов, Н. В. Фомин, Д. В. Швидченко и др. Заявка № 2001119552 / 20 от 16.07.01.

28. Патент 97661 RUB22D 11/16 Устройство автоматического управления электроприводом зоны вторичного охлаждения машины непрерывного литья / А. Б. велики, М. В. Коновалов, С. И. Лукьянов и др. Заявка № 2010107916/02 от 03.03.2010.

29. Система диагностирования состояния оборудования электропривода тянущих роликов / Коновалов М.В., Лукьянов С.И., Суспицын Е.С. и др. // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3: в 5 ч. Тула: Изд-во ТулГу. 2010. Ч.З - С. 71-76.

30. Осипов О.И., Усынин Ю.С. Промышленные помехи и способы их подавления в вентильных электроприводах постоянного тока. М.: Энергия, 1979. - 80 с.

31. Венцель Е.С. Теория вероятностей: Учеб .для вузов. 6-е изд. стер. / Е.С. Венцель. М.: Высш. шк., 1999. - 576 с.

32. Мойсюк Б.Н. Основы теории планирования эксперимента: Учеб. Пособие. / Б.Н. Мойсюк М.: Издательство МЭИ, 2005. - 464 с.

33. Канатников А.Н. Аналитическая геометрия: Учеб.для вузов. 2-е изд. / Под ред. В. С. Зарубина, А. П. Крищенко. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2000.-388 с

34. Марпл С. Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения / С. Л. Марпл. Пер. с англ. М.: Мир, 1990. - 584 с.

35. Бокс Дж. Анализ временных рядов. Прогноз и управление / Дж Бокс, Г Дженикс. Пер. с англ. М.: Мир, 1974. - Вып. 1 - 406с.; Вып. 2. -197с.

36. Айвазян С. А. Прикладная статистика и основы эконометрики / С. А. Айвазян, В. С. Мхитарян. М.:ЮНИТИ, 1998. - Вып. 1 - 656 е.; Вып. 2.-432 с.

37. Хованова Н. А. Методы анализа временных рядов: Учеб. Пособие / Н. А. Хованова, И. А. Хованов. — Саратов.: Изд-во ГосУНЦ Колледж, 2001 120 с.

38. Айвазян С. А. Прикладная статистика. Классификация и снижение размерности: Справ. Изд. / С. А. Айвазян, В. М. Бухштабер, И. С. Енюков, и др. М.: Финансы и статистика, 1989. - 607 с.

39. Богачев К. Ю. Практикум по ЭВМ. Методы решения линейных систем и нахождения собственных значений. / К. Ю. Богачев. М.: Издательство МГУ, 1998. - 137 с.

40. Демидович Б. П. Основы вычислительной математики./ Б. П. Демидо-вич, И. А. Марон. М.: «НАУКА», 1966. - 664 с.

41. Лукьянов С.И. Основы инженерного эксперимента: Учеб .пособие / С.И. Лукьянов, А.Н. Панов, А.Е. Васильев — Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2006. 94 с.

42. Выгодский М. Я. Справочник по высшей математике/ М.Я. Выгодский 12-е изд., стереотип., - М. Наука, 1977 - 871 с.

43. Биргер И.А. Техническая диагностика./ И.А. Биргер М.: Машиностроение, 1978.-239 с.

44. Кучер В.Я. Основы технической диагностики и теории надежности: Письменные лекции. СПб.: СЗТУ, 2004. - 48 с.

45. Ильин В.А. Линейная алгебра: Учеб для вузов. 4-е изд. / В. А. Ильин, Э. Г. Позняк. М. Наука. Физматлит, 1999 - 296 с.

46. Значения амплитуд компонент спектральной плотности изменения мгновенных значений моментов нагрузки в интервале частот 0-0,548 Гц

47. Открытое акционерное общество «МАГНИТОГОРСКИЙ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ КОМБИНАТ» ОАО «ММК»1. АКТ« А' № р&г Магнитогорск1. Г" Акт испытаний

48. По архивным данным системы сбора координат работы электродвигателей тянущих роликов АСУ ТП МНЛЗ №5 за период с 1.07.2010 по 1.08.2010 выполнена проверка точности диагностирования механического оборудования электроприводов тянущих роликов (таблица 1).