Belgorod, Belgorod, Russian Federation
Russian Federation
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
The paper proposes the author’s version of preliminary diagnostics of the state of rolling surfaces of large-sized technological units. The authors build their research based on the requirements of regulatory documents governing the conduct of equipment vibration diagnostics, and processing the results of the measurements obtained. The authors propose their own justified option for placing vibration sensors on the equip-ment elements, including the use of wireless sensors placed on the rotating equipment elements. At the same time, the choice of the proposed data transfer protocol provides real-time monitoring of the technological unit state, with significant dimensions of the equipment itself. In accordance with the standard requirements, these solutions ensure the reliable operation of technological units and equipment. The developed algorithm allows one to per-form a comparative evaluation in the diagnosed units and equipment elements and determine not only the defective element, but its type and approximate location on the element surface, which is necessary during the prerepair preparation. The results presented in the paper can be useful not only for researchers performing similar work, but also for production engineers involved in automating control and diagnostic processes, as well as performing equipment maintenance and repair
technological unit, sensor, vibration, surface, transmission protocol, algorithm, comparison, evaluation
Введение
Множество работ посвящено восстановлению поверхностей качения крупногабаритных тел вращения [1, 2], при этом авторы изначально много внимания уделяют вопросам контроля состояния самих поверхностей качения и восстановлению их без остановки технологических агрегатов [3]. Предлагают различные методы определения геометрии поверхности, например, при помощи группы роликов, располагающихся определенным образом, определяется радиус цилиндрического тела и отклонение его формы от цилиндрической [4]. Известны, также, бесконтактные методы измерения пространственного положения и формы крупногабаритного тела вращения [5], например, как изображено на рис. 1.
Прежде всего, значительная часть авторов выделяет вопросы определения базы для выполнения измерений [4]. Для крупногабаритного тела вращения, при определении его радиуса все авторы выделяют некий виртуальный рассчитываемый центр формообразующей тела в поперечном сечении. При том все авторы сходятся в едином мнении, что этот виртуальный центр постоянно меняет свое положение в виду дефектов на поверхности качения, как самого тела вращения, так и опорных элементов конструкции. Немаловажным фактором является форма опорных и технологических элементов конструкции при выверки оси технологического вращающегося агрегата [6].
Метод определения состояния крупногабаритного тела вращения
|
Рис. 1. Проекционный способ измерения искажения формы Fig. 1. Projection method of measuring shape distortion |
продления службы технологического оборудования, сокращения простоев технологических агрегатов, сокращения затрат на ремонт, как это было отмечено в качестве цели исследований во многих работах. Отсюда следует, что своевременная диагностика элементов технологического агрегата с крупногабаритными вращающимися элементами, позволит выполнить предупредительный ремонт оборудования. Что и выполняется, периодически, на предприятиях, например, с использованием трекеров определяющих технологические характеристики элементов вращающейся цементной печи. Но стоимость этого метода высока, по этой причине, используют другие способы определения состояния технологического оборудования, эта диагностика носит предположительный характер.
При этом состояние, идентифицируемое как предаварийное, может возникнуть в любое время, согласно работ [7, 8], т.е. это состояние необходимо идентифицировать немедленно, исключив перерастание его в катастрофу. И здесь стоит обратиться к нормативным документам: ГОСТ 10816-97 предлагает оценивать «вибрационное состояние машин широкого класса» по среднему значению виброскорости. Он то и регистрирует предельные уровни вибрации – «ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ» и «ОСТАНОВ», очевидно, что уровень «ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ» позволяет эксплуатировать машину некоторое время.
В соответствии с ГОСТ 13373-1-2009 [9] вибрационное состояние машин определяется:
– дисбалансом вращающихся частей;
– взаимным расположением вращающихся валов;
– состоянием подшипников скольжения или качения;
– дефектами сопряжений в передачах;
– наличием и состоянием трещин в ответственных элементах машин;
– трением движущихся частей;
– состоянием механических соединений.
При этом тот же ГОСТ предполагает использование информации, полученной по результатам вибрационного контроля, в целях «обнаружения дефектов» на ранней стадии их зарождения в течение срока эксплуатации машин». Что совпадает с целью, поставленной в начале настоящей работы, при этом следует определить допустимые параметры вибрации элементов оборудования. Например, вибрации электрических машин регламентируются ГОСТ Р МЭК 60034-14-2008 [10]. При этом учитываются допустимые амплитуда вибрации, виброскорость, виброускорение, для электрических машин с жёстким креплением и высотой оси вращения H > 230 мм допускается виброскорость 2,3 мм/с. Для элементов технологического агрегата или машины эти требования не приводятся в нормативных документах, по этой причине, воспользуемся следующим алгоритмом определения состояния «ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ».
1. При первоначальном пуске технологического оборудования, из условия отсутствия причин, вызывающих вибрации, выполним измерение виброскорости в определенных узлах оборудования и сохраним эти значения в памяти системы мониторинга вибраций.
2. При отклонении, в процессе эксплуатации оборудования, значения виброскорости на определенную величину выполняется инструментальная диагностика подозрительного узла или его осмотр.
3. Выполняется восстановление или ремонт дефективного узла.
Алгоритм требует пояснений: в п. 1 в ГОСТ Р МЭК-60034-14-2008 [10] указаны варианты расположения датчиков вибрации, при этом, даже при бесконтактном способе измерений, датчики закрепляются на неподвижных элементах конструкции технологического оборудования, что поможет вызвать искажение данных при измерении виброскорости подвижных элементов оборудования. По этой причине предлагается следующая примерная схема размещения вибродатчиков, показанная на рис. 2.
Рис. 2. Схема расположения вибродатчиков на вращающейся печи:
1 – вращающая печь; 2 – опорные ролики; 3 – бандаж; 4 – венцовая шестерня; 5 – подвенцовая шестерня; 6 – привод печи; 7 – вибродатчик
Fig. 2. The arrangement of vibration sensors on a rotating furnace:
1 – rotating furnace; 2 – support rollers; 3 – bandage; 4 – crown gear; 5 – crown gear; 6 – furnace drive; 7 – vibration sensor
(СДЕЛАТЬ СНОСКИ КУРСИВОМ)
Согласно представленной схеме только один датчик (7) расположен на неподвижном элементе – корпусе привода (6) печи, все остальные только на подвижных элементах. Уровень современной электронной базы позволяет выполнить подобное расположение датчиков с минимальными затратами по схеме на рис. 3.
Стоит всё же определиться с типом и характеристиками модулей датчика. А – акселерометр регистрирует величину виброускорения, исходя из условий V=a’, в g, т.е. по величине ускорения свободного падения.
Для измерения диапазонов виброскоростей, указанных в [11], приемлемыми являются датчики с диапазоном измерения 1g до 2g [12]. Элемент У (усилитель) может отсутствовать при наличии мощного сигнала от акселерометра. А вот приемопередатчик – обязателен, но какого типа? Конечно наиболее приемлемыми являются варианты использования протоколов Bluethose или Wi-Fi. Но при расстоянии более 30 метров они не обеспечивают надёжной передачи сигнала [13], вариант с ретрансляцией сигнала приводит к повышению стоимости системы мониторинга и снижении её надёжности. Авторы выбрали протокол обмена I2C [14], реализованных на модулях беспроводной связи в диапазоне 433 МГц, модуль приведен на рис. 4.
Рис. 3. Схема системы мониторинга вибраций:
А – акселерометр; У – усилитель; ПП – передатчик; ИП – автономный источник питания; ППСА – приемопередатчик системы анализа
Fig. 3. Vibration monitoring system diagram:
A – accelerometer; U – amplifier; PP – transmitter; IP – autonomous power supply; PPSA – transceiver of the analysis system
Рис. 4. Комплект для беспроводного датчика вибраций:
1 – акселерометр; 2 – передатчик; 3 – приёмник
Fig. 4. Wireless Vibration Sensor Kit:
1 – accelerometer; 2 – transmitter; 3 – receiver
(СДЕЛАТЬ СНОСКИ КУРСИВОМ)
Рекомендации из [8] требуют дополнительного анализа вибраций по каждому узлу, в котором проводятся измерения. Простое сравнение значений виброскорости в различных узлах оборудования не является методом, позволяющим локализовать дефект, по этой причине рекомендуется сравнивать увеличение величины виброскорости в % в разных узлах, также необходим анализ периодичности появления вибрации, определённый период может быть связан с геометрическими размерами элементов, имеющих поверхность качения, и с их окружной скоростью. Также, интерес представляет изменение периода и амплитуды колебания, так, например, сравнение рис. 5, а и 5, б показывает, что причиной апериодических затухающих колебаний на рис. 5, б может являться удар.
а) б)
Рис. 5. Характер вибраций:
а – периодические колебания; б – апериодические затухающие колебания
Fig. 5. The nature of vibrations:
a – periodic oscillations; b – aperiodic damped oscillations
Несмотря на то, что τ может быть равно τ2, нет возможности сделать вывод о размере дефекта. При этом резкий скачок амплитуды А (см. рис. 5, б) говорит о наличии выбоины на одной из поверхностей качения элементов технологического агрегата.
Если появление колебаний на графике рис. 5, а носит периодический характер, то по величине τ1 или τ2 и известной угловой скорости можно выполнить локализацию дефекта, например, τp << τб, где τp – идентифицирует ролик; τб – идентифицирует бандаж, согласно рис. 6 или
Выполнение восстановления элемента технологического агрегата производится как по комбинированной технологии, так и только механической обработкой. Но в любом случае после восстановления поверхности качения, т.е. после устранение дефектов, уровень вибрации в восстановленном узле должен уменьшиться.
Рис. 6. Схема идентификации дефекта
Fig. 6. Defect identification scheme
Обсуждение
Рассмотрим вариант локализации дефекта по схеме, представленной на рис. 2. Допустим на одном из бандажей имеется выбоина, при этом датчик 7 дефектного бандажа фиксирует значительное повышение уровня вибрации по отношению к уровням вибраций, зафиксированных датчиками на других бандажах, при этом период фиксации вибраций датчиком дефектного бандажа в разы превышает период фиксации вибраций датчиками его опорных роликов. Таким образом, можно сделать вывод о наличии на поверхности конкретного бандажа дефектов на поверхности качения. При этом если будут фиксироваться
|
Начало |
|
Сигналы с датчиков вибрации |
|
i=1 |
|
|
|
|
|
i=i+1 |
|
i=N |
|
Нет |
|
Да |
|
Да |
|
Нет |
|
Расчёт τ |
|
|
|
Да |
|
Нет |
|
ролик |
|
бандаж |
|
|
|
Конец |
апериодические затухания колебания, то можно предположить, что имеется дефект критической глубины, вызывающий удар или искажения формы поверхности. Эти рассуждения можно предоставить схемой на рис. 7.
Рис. 7. Схема алгоритма идентификации элемента
Fig. 7. Diagram of the element identification algorithm
В алгоритме приняты обозначения: i – номер диагностируемого узла; 
– амплитуда вибраций в i-м узле; 
– опорное значение амплитуды вибраций в i-м узле; 
– угловая скорость бандажа, рад-1; τ – период появления вибраций, с; N – количество узлов.
Согласно алгоритму, представленному на рис. 7, идентификация дефектного элемента выполняется по принципу нахождения элемента, датчик которого фиксирует наибольшее увеличение амплитуды вибрации.
Заключение
Контроль вибраций в технологическом агрегате, имеющем крупногабаритные вращающиеся элементы, позволяет определить узлы, имеющие дефекты на поверхности качения.
Для локализации определения дефектного узла достаточно использовать алгоритм, позволяющий выявить дефект на основе алгоритма поиска узла, имеющего максимальное значение уровня вибрации по сравнению с базовым, за который принимают уровень вибрации, соответствующий при полностью исправном оборудовании.
Использование беспроводных датчиков вибраций, расположенных на вращающихся элементах конструкции позволяет выполнить сравнительную оценку уровней вибраций и значительно повысить степень достоверности сведений о состоянии узла технологического оборудования.
1. Chepchurov M.S. Control and Registration of Parameters of Mechanical Processing of Large-Sized Parts. Belgorod: Publishing House BSTU; 2008.
2. Chepchurov M.S. Chetverikov B.S. Position-ing of Parts in the Automated Non-Contact Control of the Form of Its Rolling Surface. Bull BSTU Named V.G. Shukhov. 2016;2: 99-103.
3. Pelipenko N.A., Sanin S.N. Describing the Behaviour of the Centre Mass of a Tire with Mathematical Modelling. Repair. Reconditioning. Modernization. 2013;1:46-47.
4. Khurtasenko A.V., Shrubchenko I.V., Timofeev S.P. Method for Determining the Shape of the Outer Rolling Surface of the Technological Drum Supports. Bull BSTU Named V.G. Shukhov. 2015;3:85-89.
5. Pelipenko N.A., Sanin S.N., Kvashenkova G.V. Influence of the Cutting Tool Installation Scheme on the Accuracy of Shaping Rolling Surfaces of Cement Kiln Tires. Russian Journal of Heavy Machinery. 2013;11-12:56-58.
6. Ross J. On the Issues of Alignment and Maintenance of Rotary Kilns. Cement and Its Application. 2020;5:68-71.
7. Gavrilin A., Moyzes B., Cherkasov A., Mel'nov K., Zhang X. Mobile Complex for Rapid Diagnosis of the Technological System elements. MATEC Web of Conferences. 2016: 01078.
8. Gavrilin A.N., Moizes B.B. Method of Operational Diagnostics of a Metal-Cutting Ma-chine for Processing Workpieces of the Type of Bodies of Revolution. Control. Diagnostics. 2013;9:81-84.
9. GOST 13373-1-2009 Condition Monitoring and Diagnostics of Machines. Vibration Condition Monitoring. Moscow: Standartinform; 2010.
10. GOST R IEC 60034-14-2008 Rotating Electric Machines. Mechanical Vibration of Certain Machines with Shaft Heights 56 mms or Higher. Measurements, Evaluation and Limits of Vibration. Moscow: Standartinform; 2009.
11. GOST 10816-97 Vibration. Evaluation of Machine Vibration by Measurements on Non-Rotating Parts. Moscow: Standards Publishing House; 1998.
12. GOST ISO 5348-2002 Vibration and Shock. Mechanical Mounting of Accelerometers. Moscow: Standartinform; 2007.
13. Nuss M.V., Trubaev P.A., Klassen V.K. Controlling the Cement Rotary Kiln Operation. Bull BSTU Named V.G. Shukhov. 2013;1:61-65.
14. Serial Asymmetric Width for Communication between Integrated Circuits inside Electronic Devices (I2C) [Internet]. Available from: https://ru.wikipedia.org/wiki/I²C.
