УДК 669.013.5.002.5:62-192
НОВЫЙ ПОДХОД К ИССЛЕДОВАНИЮ НАДЕЖНОСТИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
©К.В. Заверняев, Б.С.Мастрюков
Московский государственный институт стали и сплавов
Техническое состояние деталей металлургического оборудования, подвергающихся в процессе эксплуатации постоянным разрушающим воздействиям, непрерывно ухудшается. Накопленные в процессе эксплуатации изменения, достигнув критического уровня, приводят к нарушению работоспособности оборудования, износу детали и, как следствие, к ее отказу. Отказ любого элемента оборудования, в свою очередь, приводит либо к аварии, либо к остановке процесса производства [1].
Вследствие сложности металлургических технических систем во многих случаях невозможно применять методы неразрушающего контроля их состояния. Информацию об износе, прочности и долговечности деталей (узлов) сложных технических систем (СТС) можно получить:
- по результатам эксплуатации оборудования в условиях реального производства (статистика отказов);
- в результате проведения экспериментов на физических моделях (лабораторные стенды);
- путем использования имитационных (математических) моделей оборудования.
Сбор данных на реальном оборудовании в нормальном режиме его эксплуатации требует значительного времени, иногда нескольких лет, так как для получения достоверных оценок необходимо иметь статистическую информацию по п > 30 деталям [2].
Использование физических моделей для получения этих данных требует дополнительных затрат
на экспериментальное оборудование и также занимает много времени.
Альтернативой этим подходам можно считать применение имитационных моделей износа СТС, позволяющих получить данные об изменении технического состояния ее деталей на протяжении всего срока их эксплуатации, включая имитацию замены каждой детали по соответствующей наработке на отказ.
Использование математических моделей износа является отправной точкой в решении многих исследовательских, технологических и технико-экономических задач, связанных с повышением надежности работы оборудования и обеспечением непрерывности технологического процесса (рис. 1). Наряду с решением данных задач, использование математического описания процесса повреждения элементов металлургического оборудования поможет решить значительный комплекс проблем, влияющих на технические и технико-экономи-ческие показатели производства.
Моделирование износа позволяет анализировать внутренние связи и внешние воздействия, характерные для категорий оборудования, существующих всего в нескольких, а зачастую и в одном экземплярах, что характерно для металлургического оборудования.
На основе общих принципов формирования отказов модели обеспечивают: разработку алгоритмов оценки надежности сложных изделий, учет обратных связей во взаимоотношении «технологический процесс - выходные параметры машины», оценку взаимодействия
Оптимизация сроков проведения ремонтных работ и затрат на их проведение, разработка методики испытания сложных технических систем
Разработка моделей отказов различных сложных технических систем, оптимизация параметров долговечности элементов оборудования
Разработка алгоритмов оценки и обеспечение требуемого уровня надежности металлургического оборудования
Исследование влияния изнашивающихся деталей на характеристики оборудования
Рис. 1. Возможности использования моделирования процессов износа деталей металлургического оборудования
Рис. 2. «Дерево отказов» узла СТС
А - (головное событие) - отказ узла с вероятностью РА; В - гидравлический насос с приводом от соленоида; С - реечная передача. Интенсивности отказов: 1 - элект-ропневмоклапан (частота отказа Х1 = 3-Ю 4 1/ч) [3]; 2 - прокладка резиновая (Х2 = 610~4 1/ч); 3 - муфта соединительная механическая (Х3 = 3-10 4 1/ч); 4 - сварные соединения (Х4 = 1-10 4 1/ч); © - логическое соединение «И», © - «ИЛИ»
Рис. 3. Типичная кривая износа
Рис. 4. Блок-схема модели износа СТС
параметров машины и особенностей потери ею работоспособности. Решение перечисленных задач дает возможность разрабатывать более совершенные модели отказов разнообразных элементов (деталей, узлов, механизмов) металлургических машин [3].
Для моделирования работы СТС в данной работе использовали семантическую модель в форме «дерева отказов», в которой головное событие (отказ системы) соединено с помощью конкретных логических условий («И» и «ИЛИ») с промежуточными и исходными предпосылками, обусловившими в совокупности его появление [3]. Каждая исходная предпосылка соответствует состоянию износа одного из узлов (деталей) (рис. 2).
Вероятность отказа деталей Р (год"1) определяется по формулам: „
при логическом соединении «ИЛИ» Р0 = 1 - (1 - Р.);
1=1
при логическом соединении «И» Р0 = ]~] Р..
/=1
Для случаев В и С (рис. 2) Р будет равно:
РВ=Р1+Р2+Р1-Р2= 3-10"4 + 6-10"4 + (3- Ю-4 )(6- 1(Г4) = = 9,0018-Ю-4;
Рс =Р3 + РА+Р3-Р4 = 3-10~4+Ы0~4+(3-КГ4)(1-10~4) = = 3,013 -КГ4;
РА=РВ-РС=2'7-10~7-
Полученная величина интенсивности (частоты) отказа рассчитана в предположении, что интенсивности отказов всех элементов СТС неизменны во времени.
Типичная кривая износа [4], характеризующая изменение состояния детали во времени с момента ее установки до выхода из строя (рис. 3), имеет три участка: период приработки (0 - т^, нормальной эксплуатации (Т1 ~~ пеРи0А интенсивного износа (т2 - тразр).
Наиболее часто отказы оборудования происходят в первом и третьем периодах работы. Поскольку приработка носит достаточно кратковременный характер и является неотъемлемой частью работы детали, то наибольший интерес представляет этап износа.
Для каждой детали (узла) СТС продолжительность паспортного (расчетного) времени безотказной работы Гпасп индивидуальна, и период интенсивного износа начинается в разное после пуска СТС время.
Характер износа детали (узла) в период интенсивного износа носит вероятностный характер, что в работе учитывали применением метода Монте-Карло [5].
Расчет технического состояния каждой детали производили, начиная со времени Т с заданной периодичностью Ат, а состояние узлов и СТС в целом рассчитывали в соответствии с логическими условиями отказов деталей, входящих в состав каждого узла.
Выходным параметром модели (рис. 4) является вероятность отказа СТС Р(т), которая на отрезке времени Т принимается постоянной. Расчет начинается со времени т2, для которого известны параметры: X - статистическая интенсивность отказа и Р -
стат пасп
паспортная (расчетная) вероятность отказа. Случайный характер возникновения повреждений в детали при вычислении Л учитывается применением метода
РН)
I
О 37' /
/
II
/
/
/
/
и
/
724.' ■' .'1 3 1041?
1П=|1 ) >071 3
Ят1
/
гиги /
\\m~jf '."4Го :?6о
/
А
и ьш /
И
I
и зь /
.'М11 ?ЯП I)
17 Г. «¡7 6
0 68' /
0 834 /
а чоо
И
Л
Рис. 5. Результаты моделирования:
а - для электропневмоклапана; 6 - для резиновой прокладки; в - для муфты соединительной; г - для сварных соединений
m
il, '•">.',■ '■" J. ■ '•"■>..'■'•" .»,'■ ...i ' -UT- '-—П Ч'"
710
126«
Рис. 6. Результаты моделирования технического состояния СТС
Монте-Карло к распределению Вейбулла-Гнеденко:
/(х) = аХСТАТ Xй'1 ехр(-ХСТАТХа ) ,
где а - коэффициент, учитывающий особенности детали, X - разыгрываемое значение интенсивности отказа.
Поскольку степень износа и вероятность отказа детали со временем уменьшаться не могут, то при розыгрыше на Л накладывается условие < Х;+1 и, соответственно, на расчетную вероятность отказа условие Р.<Р ,.
Для определения вероятности отказа детали для каждого шага в модели используется выражение:
Р(т) = 1-ехр(-Лт).
Дополнительный параметр Р позволяет имитировать замену новой деталью детали, достигшей заданного значения вероятности отказа. Это дает возможность более точно моделировать работу оборудования, причем модель построена таким образом, что при «замене» детали расчет показателей ее технического состояния происходит заново, учитывая случайность физических свойств каждой новой детали. В случае, когда параметр Рзам не используется, моделируется один цикл работы всех деталей оборудования до наступления момента Р = 1, т.е. разрушения детали.
Для описания оборудования в модели использовали теорию графов, причем объем модели по количеству уровней не ограничен. Для корректной работы модели, необходимо наличие входных данных у всех элементов низшего уровня. Данная модель позволяет исследовать показатели надежности любых СТС.
Ниже представлены результаты расчетов по программе (рис. 5, 6), разработанной на основе математической модели, применительно к СТС, которая рас-
сматривалась выше (см. рис. 2). Предложенный подход позволяет анализировать показатели надежности металлургических машин с учетом временной зависимости интенсивности отказов узлов (деталей). Время необходимой замены детали, определяемое величиной Р{т) = 0,900, различно для рассматриваемых деталей СТС: 364,2 дня -для электропневмоклапана (см. рис. 5, я); 213,5 дня - для резиновой прокладки (см. рис. 5, 6); 327,6 дня - для соединительной муфты (см. рис. 5, в) и 978,1 дня - для сварных соединений (см. рис. 5, г).
Поскольку значимость каждой детали для надежности СТС различна и ее вклад в отказ системы меняется по времени, то при условии своевременной замены износившихся деталей наибольшие вероятности отказа СТС будут на 358-й день с момента начала эксплуатации (Р(т) = 0,648), на 930-й день (Р(т) = 0,479) и т.д. (рис. 6).
Таким образом, предлагаемый метод позволяет прогнозировать состояние СТС, определять необходимое время профилактического ремонта, замены наиболее изношенных деталей и т.д.
Библиографический список
1. Гребеник В.М., Цапко В.К. Надежность металлургического оборудования (оценка эксплуатационной надежности и долговечности): Справочник. - М.: Металлургия, 1989. - 592 с.
2. Надежность в технике. Система сбора и обработки информации. Планирование наблюдений. ГОСТ 27.502 - 83.
3. Белов П.Г. Моделирование опасных процессов в техносфере. - Киев: КМУГА, 1999. -124 с.
4. Седуш В.Я. Надежность, ремонт и монтаж металлургических машин: Учебник. - К.: УМКВО, 1992. - 368 с.
5. Бусле
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.