Донецкий национальный технический университет

Механический факультет

Кафедра "Механическое оборудование заводов черной металлургии"
КИКАЛОВ Владимир Сергеевич
АВТОРЕФЕРАТ
квалификационной работы магистра
по теме: "Разработка экспертной системы по распознованию причин повреждения элементов металлургических машин"
Руководитель: доц. каф. МОЗЧМ, к.т.н. Сидоров Владимир Анатольевич

Актуальность работы
Цель и задачи исследования
Научная новизна полученных результатов
Практическое значение работы
Публикации

1. Анализ существующих классификаций видов повреждений элементов металлургических машин

2. Разработка собственной редакции классификации
видов повреждений элемонтов металлургических машин.

3. Классификация силовых воздействий

3.1 Виды повреждений элементов металлургических машин, обусловленных силовым воздействием

4. Классификация видов износа в элементах металлургических машин

5. Описание программного комплекса по
распознования дефектов элементов металлругического оборудования.

Выводы

Перспективы дальнейших исследований

Перечень ссылок

Актуальность работы

В настоящее время, в своременных экономических условиях на предприятиях металлургического профиля остро стоит вопрос об снижении затрат на ремонтное производство. Одним из путей решения данной проблемы является как можно более полное использования ресурса той или иной детали технологического оборудования. В связи с этим необходимо четко и однозначно определять техническое состояния оборудования, а также в случае повреждения какой-либо детали причины ее поломки. Следовательно необходимо проводить идентификацию повреждений элементов металлургического оборудования. Однако для идентификации причин выхода из строя деталей необходимы специалисты высокого уровня, коих недостаточно на производстве. Таким образом в настоящий момент является очень актуальным создание автоматизированных систем распознования причин повреждения элементов металлургических агрегатов.

Цель и задачи исследования

Целью данной работы является создание автоматизированной экспертной системы по распознаванию причин повреждения элементов металлургических агрегатов.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

• Поиск, накопление и обработка существующей инофрмации о возможных видах повреждения элементов агрегатов.
• Поиск, накопление и обработка существующей инофрмации о возможных видах силовых создействий в узлах.
• Разработка всеобъемлющей классификация причин повреждений узлов металлургических машин.
• Разработка причинно-следственных связей между видами и причинами повреждений.
• Разработка автоматизированной экспертной системы по распознаванию причин повреждений элементов металлругических машин.

Научная новизна полученных результатов

Установлено отсутствие единой и всеобъемлющей классификация причин повреждений узлов металлургических машин. Следовательно отсутствуют автоматизированные системы распознования причин повреждения элементов узлов агрегатов, основанная на общей классификации.

Разработана общая классификация причин повреждений узлов металлургических машин и, основанная на ней, автоматизированная экспертная система.

Практическое значение работы

Планируется внедрение и дальнейшее использование результатов магистерской работы такимпредприятием как ЧП "Гидродон"

Публикации

По теме магистерской работы опубликовано 2 научных работы.

1. Анализ существующих классификаций видов повреждений элементов металлургических машин.

Во многих работах предприняты попытки систематизировать и классифицировать возможные виды повреждений, характерные для узлов металлургического оборудования. В тоже время отсутствует единый подход к классификации и последовательности распознавания причин повреждений на основе энергосиловой модели видов изнашивания.
Для разработки всеобъемлющей классификации причин повреждений узлов металлургических машин, необходимо выполнить анализ существующих подходов и определить основополагающий принцип классификации.
История развития меха-нического оборудования неразрывно связана с распознаванием повреждений элементов механизмов. В работе [1] рассмотрены возможные, повреждения подшипников качения. Проведено разделение возможных повреждений на следующие группы:.
1. Выкрашивание: на дорожках качения наружных колец в зоне контакта и в диаметрально противоположном секторе; на одной стороне кольца с линейной образующей дорожки качения или под одним рядом тел качения в двухрядном подшипнике; на весьма ограниченном участке местно нагруженного кольца в зоне контакта; по всей дорожке качения и проворачивание местно нагруженного кольца; на дорожках качения ша-риковых радиальных подшипников; на ограниченном участке длины до-рожек качения вращающихся колец с линейным контактом;
2. Повреждения сепараторов: деформация; износ; разрушение; отвертывание шпилек из шайб сепараторов четырехрядных конических подшипников; разрыв штампованных сепараторов в двухрядных и одно-рядных конических подшипниках; износ серповидный сепараторов, цен-трируемых по бортам внутренних колец подшипников с короткими цилиндрическими роликами;
3. Повреждения колец: сколы бортов; вмятины от шариков на дорожках качения; износ посадочной поверхности внутреннего кольца, сопровождаемый нагревом всего подшипника и заклиниванием тел качения; образование елочки на дорожках качения упорных шарикоподшипников; вмятины на дорожках качения подшипников с цилиндрическими роликами, имеющие клиновидную форму по глубине и уширяющуюся по мере увеличения глубины; мелкие трещины па внутренней поверхности силовых бортов подшипников, контактирующих с роликами конической, сферической и цилиндрической формы; вмятины на дорожках качения подшипников с шагом, равным расстоянию между телами качения; вмятины на дорожках качения роликовых конических и двухрядных сферических, устанавливаемых в опоры универсальных шарниров; скалывание рабочих бортов внутренних колец радиальноупорных шарикоподшипников с углом контакта 300; глубокие вмятины в зоне контакта в одном ряду тел качения сферических двухрядных подшипников; трещины продольные сквозные на внутренних кольцах с коническим отверстием; увеличенные размеры посадочных поверхностей колец;

4. Повышение температуры подшипников: нагрев подшипников до цветов побежалости; искажение распределения радиального зазора, сопровождаемое нагревом подшипника; нагрев подшипников из-за защемления тел качения вплоть до проворачивания циркуляционно нагруженных колец и сваривании их с валом; оплавление сопрягаемых торцов бортов и роликов.
5. Повреждения тел качения: образование лысок на образующих роликов; риски неопределенного направления на шариках радиальноупорных подшипников и матовый цвет шариков в ненагруженном ряду радиальноупорных подшипников;
6. Искажение формы контакта: овальная форма следа контакта тел качения с вращающимся кольцом, пересекающего ось симметрии желоба; неравномерная осевая игра по рядам четырехрядного конического подшипника; потеря точности вращения и дробление инструмента высокоточных и скоростных шпинделей;
7. Износ тел и дорожек качения: абразивный; осповидный; окислительный.
Преимущество данной классификации - попытка полного описания всех видов повреждений. Однако, это приводит к тому, что приведенная выше классификация достаточно громоздка, содержит различные статьи, которые по сути своей и физической природе, являются одним и тем же процессом и не требуют расчленения на более мелкие подвиды.
При рассмотрении вопроса о классификации повреждения элементов металлургических машин нельзя не отметить роль, которую сыграла трибология в становлении данного вопроса [2]. С точки зрения трибологии все виды повреждений узлов металлургического оборудования можно разделить на группы:

усталостное изнашивание;
абразивное изнашивание;
коррозионно-механическое изнашивание;
водородное изнашивание.

Представленная классификация видов изнашивания обладает неоспоримым преимуществом в виде своей простоты. В тоже время, используя лишь параметры изнашивания не возможно в полной мере описать всех процессов происходящих в узлах трения. Следовательно, данная классификация не применима на практике.
Диагностирование механического оборудования в последнее время получает все более широкое распространения. В свете решения задач диагностирования, вопрос идентификации видов повреждений становится темой все большего числа научных работ и учебных курсов. Так на учебном ресурсе [3] можно найти классификацию повреждений элементов машин, которая, в общем виде выглядит следующим образом:
1. Износы: абразивный, механический, абразивно-механический.
2. Пластические деформации: изгиб, кручение, коробление, смятие.
3. Механические разрушения: срез, трещины, выкрашивания, изломы, отколы.
4. Коррозионные разрушения: общая коррозия; коррозионное разрушение защитных покрытий.

Данная классификация является наиболее приемлимой. Недостаток - один и тот же вид повреждений, локализованный в разных местах может вызываться различными причинами. Следовательно, применение такой классификации для распознавания причин повреждения элементов металлургических машин не может гарантировать приемлемой точности.

2. Разработка собственной редакции классификации видов повреждений элемонтов металлургических машин.

Учитывая информацию, приведенную в источнике [4], предлагаемая классификация предполагает построение логических причинно-следственных цепочек на основе локализации и определении вида изнашивания. Для этого необходим комплексный подход к распо-знаванию вида повреждения подшипника качения, который изобразен в виде схемы на рисунке 1

Рисунок 1 - Структурная схема процесса анализа дефекта

Для определения причины отказа, необходимо идентифицировать силовое воздействие на деталь. От вида силового воздействия и его направления будет зависеть характер изнашивания данного элемента металлургического оборудования. Вид поверхности отказавшей детали будет в свою очередь тесно связан с характером износа, проявившегося в дефектном узле. Классифицировать вид силового воздействия можно следующим образом: циркуляционная нагрузка; местная нагрузка; осевая нагрузка; нагрузка от перекоса составных частей узла
Для определения причины отказа, необходимо идентифицировать силовое воздействие на деталь. От вида силового воздействия и его на-правления будет зависеть характер изнашивания данного элемента ме-таллургического оборудования. Вид поверхности отказавшей детали будет в свою очередь тесно связан с характером износа, проявившегося в дефектном узле.

3. Классификация силовых воздействий

Все силы, возникающие в машинах в процессе ее работы и действующие на ее узлы, детали или отдельные части деталей, могут быть разделены по видам в зависимости от следующих признаков: места размещения точек приложения сил; длительности воздействия; характера из-менения во времени; характера действия в процессе приложения. По месту размещения точек приложения силы могут быть разделены на объемные и поверхностные. Объемные (или массовые) силы непрерывно (равномерно или неравномерно) распределены по всему объему детали. Поверхностные силы приложены к поверхности детали или элемента конструкции. В зависимости от площади контакта деталей поверхност-ные силы разделяют на сосредоточенные и распределенные. Сосредоточенные силы передаются на деталь в точке, например, давление шариков на обоймы шарикоподшипников. Однако фактически соприкосновение деталей всегда происходит не в точке, а по некоторой площадке, хотя бы очень малой величины, вследствие того, что материалы обладают упругостью и деформируются особенно сильно вблизи первоначальной точки контакта. Распределенными называются силы, приложенные на некото-рой длине или площади детали, например, контактные напряжения в зуб-чатой передаче, роликов роликоподшипников, ходовых колес и т. д. Интенсивность распределенной на всей площади контакта соприкасающихся деталей может быть равномерной или неравномерной, изменяющейся по определенному закону.
По длительности воздействия силы могут быть разделены на непрерывные и временные. Временные силы действуют лишь в некоторые отрезки времени. Временные силы в зависимости от продолжительности действия могут быть продолжительными, кратковременными и повторно-кратковременными.
По характеру изменения во времени силы могут быть разделены на постоянные и переменные. Постоянные силы не изменяют свою величину (или эти изменения не превышают 10…15% сред него значения) в периоды действия. Переменные продолжительные силы большей частью являются постоянными силами (давление дутья, охлаждающей воды и т. д.). Переменные силы изменяют свою величину в периоды действия. Для подавляющего большинства машин действующие на них силы являются переменными.
По характеру действия в процессе приложения силы разделяют на статические и динамические. Статические силы нагружают детали или конструкцию постепенно, нарастая от нуля до конечного значения достаточно медленно, после чего они не меняются или меняются по определенному закону. Динамические силы возникают при изменении скорости перемещения взаимодействующих деталей вследствие влияния инерци-онности их масс и упругих колебаний в системе.
Таким образом обобщив и сделав вывод можно сказать, что все нагрузки, действующие на интересующие нас элементы металлургических машин можно классифицировать следующим образом:

• Циркуляционная нагрузка
• Местная нагрузка
• Осевая нагрузка
• Нагрузка от перекоса составных частей узла
  

3.1 Виды повреждений элементов металлургических машин, обусловленных силовым воздействием

• деформация
  • упругие - являются причиной возникновения преждевременного износа, так как приводят к недостаточной жесткости конструк-ции, что в свою очередь вызывает повышение напряжения кро-мок, изменяет условия трения и вызывает износ подвижных со-единений, также, например, упругий изгиб вала приводит к по-вреждению от фреттинг-коррозии
  • остаточная - происходит тогда, когда напряжения превышают допустимые нормы, чаще всего является следствием неправиль-ной эксплуатации или при ударных нагрузках на механизм, мо-жет происходить накопление остаточной деформации, следстви-ем этого будет возникновение усталостного выкрашивания, так как вмятины являются концентраторами напряжения
• разрушение
  • неполное - образование трещин является следствием кратковремен-ных перегрузок. Катализатором могут выступать пониженные тем-пературы, наличие концентраторов и др
  • полное - проявляется внезапно и несет большую опасность
    

4. Классификация видов износа в элементах металлургических машин.

Во время работы машин в результате трения происходит непрерывное изменение геометрии, структуры и состояния поверхностей деталей, степень которого зависит от величины и характера внешних факторов и свойств материала деталей. Процесс постепенного изменения размеров тела при трении, проявляющийся в отделении материала с поверхности и (или) остаточной деформации тела, называется изнашиванием. Износ - результат изнашивания. Износ вызывает потерю начальных служебных свойств машины по следующим признакам: потере; понижении к.п.д; увеличении утечек; понижении прочности вследствие уменьшения сечения, увеличения динамических нагрузок; повышении шума; исчерпании работоспособности рабочих органов машин.
В практике эксплуатации металлургических машин очень важным является правильное определение видов изнашивания, а в сложных случаях ведущих видов изнашивания, знание которых поможет устранить или уменьшить влияние причин, вызывающих патологическое изнашивание. Рассмотрим виды изнашивания, приведенные на рис. 2, и их проявления в деталях металлургических машин

Рисунок 2 - Структурная схема видов изнашивания

5. Описание программного комплекса по распознования дефектов элементов металлругического оборудования.

Программный комплекс состоит из двух частей - Альбом неисправностей и Экспертный анализ.
Главное окно программы имеет следующий вид:

Рисунок 3 - Главное окно приложения.

Главное окно приложения представляет собой удобный инструмент доступа ко всем функциям программы. Оно является "рабочим столом" приложения, все остальные режимы программного комплекса запускаются в контексте главного окна. Для доступа к тому или иному участку приложения используется меню:

Рисунок 4 - Меню "Файл"

Из рисунка видно, что меню "Файл" позволяет осуществить выход из приложения, добавление или удаление групп рассматриваемых деталей, осуществить редактирование списка возможных повреждений. Это в совокупности с другими факторами и придает приложению масштабируемость.

Рисунок 5 - Меню "Каталог"

Меню каталог позволяет получить доступ к редактированию записей Альбома неисправностей. В частности добавление новых записей

Рисунок 6 - Меню "Экспертный анализ"

Этот пункт, как видно из рисунка, позволяет выполнить экспертный анализ неисправностей подшипников качения, детально об этом будет изложено ниже. Анализ неисправностей зубчатых колес в данное время находится в процессе разработки.
Оставшиеся пункты предоставляют пользователю возможность получить справку о приложении, а также применить простейшее редактирование представления информации.
Общий вид Альбома неисправностей имеет следующий вид:

Рисунок 7 - Общий вид Альбома неисправностей

Следующим этапом в разработке автоматизированной системы распознования причин повреждений элементов металлургических машин является ее эксперементальное опробывание, что и ведется в данный момент.

Выводы

В квалификационной работе магистра были рассмотрены вопросы разработки экспертной системы для распознавания причин повреждения элементов механического оборудования металлургических предприятий.

В первой главе был проведен анализ существующих классификаций видов повреждений элементов металлургических машин. Были выявлены их достоинства и недостатки.

Во второй главе, на основе проведенного анализа была предложена собственная редакция классификации видов повреждений элементов металлургических машин.

В третей главе, на основе предложенной классификации, были рассмотрены виды силовых воздействия на узлы металлургических агрегатов и виды повреждений от них.

В четвертой главе, на основе предложенной классификации, были рассмотренны виды износа в узлах механического оборудования.

В пятой главе, был разработан автоматизированный программный комплекс по распознованию причин повреждения элементов металлургических агрегатов.

Таким образом, можно сделать вывод, что разработанная экспертная система должна уменьшить трудозатраты на идентификацию повреждений элементов металлургических машин, что в свою очередь снизит влияние недостатка квалифицированных кадров на промышленных предприятиях металлургического профиля.

Перспективы дальнейших исследований

Эта работа, как и любая другая, не лишена недостатков. К ним можно отнести следующее:

• отсутсвие связи с другими проектами экспертной оценки, что делает невозможным использование данной разработки в комплексе.
• невозможность самообучения, обучение программы происходит только лишь с помощью человека - квалифицированного эксперта.
• невозможность принятия решения программой в нестандартных случаях, то есть комплекс компетентен только в заранее оговоренных условиях.

Решение данных проблем и будет являться основной задачей исследователя в этой области.

Перечень ссылок

1. Е.Ф. Чуб Реконструкция и эксплуатация опор с подшипниками качения: Справочник: - М.: Машиностроение, 1981,-365 с.
2. Трибология. Физические основы, механика и технические приложения Учебник для вузов/ И.И. Беркович, Д.Г. Громаковский; Под ред. Д.Г. Громаковского: - Самар. гос. техн. ун-т. Самара, 2000, - 268 с.
3. Материалы электронного ресурса http://sitim.sitc.ru/E-Books/bma/lecture3.htm
4. В. М. Кравченко, В. А. Сидоров Визуальное диагностирование механического оборудования. - Донецк: ООО "Юго-Восток, Лтд",2004.-120 c.
5. Метод оценки технического состояния машин. Стеценко А.А., Бедрий О.И., Долгов Е.А., Стеценко О.А., «НТЦ «Диагностика», г. Сумы (www.vibration.ru)