Способ контроля и комплексной диагностики состояния вытяжных роликов и звеньев их приводов в зоне вторичного охлаждения установки непрерывной разливки металлов и сплавов

 

Изобретение относится к металлургии, конкретнее к непрерывной разливке металлов и сплавов. Способ автоматического контроля и комплексной диагностики состояния вытяжных роликов и звеньев их провода в зоне вторичного охлаждения установки непрерывной разливки металлов и сплавов включает измерение силы тока в электроприводах вытяжных роликов в процессе разливки и проведение контроля правильности выставки роликов по технологической оси установки, величины прогиба бочки роликов и целостности вытяжных роликов. Предлагаемый способ отличается особым порядком получения исходных данных для диагностики - статистических массивов токовых нагрузок и использованием определенных методов статистического анализа этих данных. На основе первичных информационных модулей формируют два типа эталонных статистических массивов перед началом разливочной кампании - массив токов холостого хода и массив базовых токов, а также формируют текущие статистические массивы значений силы тока в процессе разливки, в результате статистической обработки которых получают диагностические массивы изменений силы тока за один оборот каждого ролика, характеризующиеся тем, что каждой точке поверхности окружности бочки ролика соответствует среднее значение токовой нагрузки в данной точке во всех первичных модулях. Для проведения комплексной диагностики состояния вытяжных роликов применяют два метода анализа статистических массивов токовых нагрузок для каждого ролика. Во-первых, проводят спектральный анализ данных диагностического массива для рассмотрения гармонического состава функции изменения силы тока за единичный оборот ролика и выделяют в спектре группы гармоник определенной величины и последовательности, соответствующие частотным характеристикам самого ролика и отдельным звеньям его привода, сравнивают значения параметров каждого полученного спектра с граничными коэффициентами расчетного "опорного спектра", и диагностируют неисправности роликового оборудования: характер и величину прогиба ролика, повреждения подшипниковых узлов ролика и приводных редукторов, которые оценивают по величине силы тока и степени отклонений линейных спектральных коэффициентов полученного спектра от граничных коэффициентов соответствующего "опорного спектра". Во-вторых, диагностируют правильность выставки роликов по технологической оси установки, изменение межроликового расстояния, качества наладки приводов, целостность роликов и их шпинделей путем сравнительного амплитудно - частотного анализа текущих статистических массивов значений силы тока с эталонными статистическими массивами токов холостого хода и базовых токов. 1 ил.

Изобретение относится к металлургии, конкретнее к непрерывной разливке металлов и сплавов, и может быть использовано для создания автоматической системы диагностики, осуществляющей постоянный контроль за состоянием оборудования роликовой зоны в процессе разливки и делающей возможным повышение надежности технологического процесса и прогнозирование качества получаемых заготовок.

Известен способ контроля роликов в зоне вторичного охлаждения, включающий измерение в процессе разливки силы тока в электроприводах роликов и по ее величине определение положения, состояния и прогиба роликов. Причем данный способ предполагает замеры нагрузки на каждом приводном ролике, фиксирование их с помощью осциллографа и анализ полученных осциллограмм для определения состояния роликов по следующим критериям: величина тока составляет 5А и остается постоянной ролики целы и выставлены правильно; величина тока составляет 10А и остается постоянной ролики выставлены неправильно относительно технологической оси, углублены в тело слитка, производят прокатку слитка; величина тока синусоидально изменяется от 3 до 15A ролики погнуты и получили остаточную деформацию; хаотическое изменение силы тока в широких пределах ролики сломаны.

Недостатками указанного способа являются ограниченность критериев диагностики определенно заданной величиной токовой нагрузки и недостаточно конкретный тип описания характера изменения токовой нагрузки при определении критериев прогиба и поломки бочки роликов, т.к. подобный характер нагрузки может быть обусловлен также наличием неисправности отдельных узлов привода вытяжных роликов, критериев диагностики которых известный способ не предлагает. А именно неисправности данного оборудования, например: различные стадии разрушения подшипниковых узлов самого ролика или приводного редуктора могут вызвать проявление в нагрузке электроприводов изменений величины тока пикового характера, которые в сочетании с другими изменениями нагрузки (синусоида от прогиба ролика), будут по критериям известного способа оценены как хаотические, что приведет к неверной диагностике состояния ролика.

Известны также способы надежной и достоверной диагностики рабочих органов машин, представляющих тела вращения и, в частности, подшипников качения, основанные на контроле с помощью специальных датчиков величины механической вибрации данных тел и последующем анализе амплитуды и частоты путем программной обработки. Различные способы мониторингового контроля вибраций, разработанные фирмами "Bruel u Kjaer", "CSI", "Вибротехника" и другими, позволяют не только определять степень разрушения подшипников качения, но и определять остаточный ресурс их стойкости. Однако данный способ применим для контроля тел вращения, работающих с угловыми скоростями не менее 100-120 об/мин, т. к. нижняя граница рабочей частоты известных датчиков вибрации составляет 1-1,5 Гц, в то время как частота вращения вытяжных роликов наименьшего диаметра 250 мм при наибольшей технологической скорости вытягивания металла 1,5 м/мин составит всего лишь 2 об/мин, а роликов большего диаметра соответственно менее 2 об/мин.

Целью изобретения является разработка способа автоматического контроля и комплексной диагностики изменения состояния вытяжных роликов и звеньев их привода в зоне вторичного охлаждения установки непрерывной разливки металлов и сплавов, позволяющего получить оперативную информацию о состоянии оборудования роликовой зоны непосредственно в процессе разливки в текущий момент времени, а также определить тенденции в изменении их состояния на протяжении всей разливочной кампании.

В ходе предельных исследований и экспериментальных работ на различных установках непрерывной разливки металла криволинейного типа разработаны основные принципы способа автоматического контроля состояния вытяжных роликов и звеньев их привода по величине и характеру токовых нагрузок электроприводов и критерии достоверной диагностики изменения этого состояния.

Предлагаемый способ автоматического контроля и комплексной диагностики изменения состояния вытяжных роликов и звеньев их привода свободен от недостатков, т.к. позволяет контролировать состояния как самого вытяжного ролика, так и всех механических звеньев привода от ролика до электродвигателя (подшипников, шпинделей, редукторов) и диагностировать в процессе разливки изменение этого состояния с конкретным указанием характера и степени повреждений каждого звена оборудования посредством статистического анализа не только амплитуды, но и частоты изменения токовой нагрузки электропривода каждого ролика, а также свободен от недостатков [2] т.к. нагрузки двигателя постоянного тока привода ролика прямо пропорционален величине крутящего момента на его валу, в характере которого отражаются все возмущающие воздействия со стороны ролика и остальных звеньев привода, что позволяет избежать применения специальных датчиков механической вибрации, а анализ спектрального состава изменения силы тока производится за математически определенный интервал времени, продолжительность которого обусловлена периодом оборота каждого ролика.

Предлагаемый способ включает также особый порядок получения исходных данных для анализа статистических массивов токовых нагрузок путем непрерывного опроса датчиков тока приводных электродвигателей с заданной частотой, определяемой для каждого диаметра роликов в зависимости от скорости его вращения в процессе разливки, а также порядок получения эталонных массивов тока и использования их при проведении сравнительного анализа текущих массивов тока для диагностики правильной выставки роликов по технологической оси, изменения межроликового расстояния, качества наладки приводов и диагностики целостности роликов и их шпинделей.

Для формирования вышеуказанных статистических массивов применяют при осуществлении опроса параметров принцип организации базовых информационных модулей. Именно базовый информационный модуль определяет структуру и величину статистического массива основные критерии корректности исходной информации и приемлемости ее для методов математического анализа. Особенностью структуры этого модуля является организация его не на временной основе фиксированная частота или продолжительность интервала опроса, а на основе пространственной характеристики длины окружности бочки (или угла поворота бочки) каждого контролируемого ролика. Опрос организуют так, чтобы получить строго определенное, удобное для проведения статистического спектрального анализа массива, например на базе быстрого преобразования Фурье, количество информационных значений параметра за один оборот ролика, что и составляет первичный информационный модуль. Базовый информационный модуль содержит несколько первичных, количество которых определяется техническими возможностями средств программной обработки информации, но не менее двух-трех.

На чертеже приведены схема взаимодействия со слитком исправного и деформированного (имеющего прогиб) вытяжных роликов и диаграммы изменения во времени силы тока приводов данных роликов, иллюстрирующие принцип организации первичных и базовых информационных модулей. Пунктирной линией на схеме изображена форма поперечного сечения (по оси слитка) бочки исправного ролика диаметра D 2R, сплошной линией форма сечения бочки ролика такого же диаметра, имеющего прогиб бочки величиной Δ R, а на диаграмме пунктирными и сплошными линиями изображены соответствующие кривые изменения силы тока исправного и прогнутого роликов. При этом продолжительность интервала опроса значений силы тока для получения первичного информационного модуля равна периоду оборота вытяжного ролика и определяется как: t где t период оборота ролика, с; n частота вращения (окружная скорость) ролика, об/мин, которая в свою очередь обусловлена скоростью движения слитка (скоростью разливки) и диаметром данного ролика: n где V_р скорость разливки, м/мин; 2R диаметр ролика, м.

Продолжительность интервала опроса для создания базового информационного модуля в данном случае составит T 2t, а в общем случае Т mt, где m количество первичных информационных модулей в составе базового.

Таким образом статистический массив токовых нагрузок, формируемый на основе базового информационного модуля, содержит для каждого ролика постоянное число информационных значений тока, а частота и продолжительность интервала опроса параметров (Т) для получения этого массива по конкретному ролику обусловлены диаметром данного ролика (2R) и частотой его вращения (n) при вытягивании слитка, то есть скоростью разливки металла (V_p). Формирование массивов производят непрерывно на протяжении всего процесса разливки металла с периодичностью, определяемой величиной скорости разливки, и по завершении формирования каждого массива производят анализ данных, диагностику состояния оборудования и немедленное представление информации технологическому персоналу.

Для проведения комплексной диагностики состояния вытяжных роликов применяют два метода анализа статистических массивов токовых нагрузок для каждого ролика: во-первых, метод спектрального анализа данных статистического массива токов, периодически формируемых в процессе разливки и именуемых в дальнейшем текущими массивами;
во-вторых, метод сравнительного амплитудно-частотного анализа текущих массивов токов с эталонными массивами токов.

Формирование эталонных массивов производят в начале каждой разливочной кампании (после ремонта установки, связанного с полной заменой оборудования роликов зоны вторичного охлаждения) или в ходе разливочной кампании после текущих ремонтов по замене отдельных вытяжных роликов. Целью формирования эталонных массивов является получение конкретной информации о исходном состоянии оборудования роликов зоны после каждого ремонта и проверки настройки технологической оси установки с помощью шаблонов, шарнирных калибров либо других средств измерения, снабженных соответствующими датчиками положения.

Формируют два типа эталонных массивов:
массив токовых нагрузок электроприводов роликов при работе установки без металла в режиме "холостой прокрутки", именуемый в дальнейшем массивом токов холостого хода (МТХХ);
массив рабочих токовых нагрузок, полученный при разливке первых серий плавок новой разливочной кампании на "чистой" установке, именуемый в дальнейшем массивом базовых токов (МБТ).

Данные массивы формируют по вышеизложенному принципу использования базового информационного модуля, и они имеют единую структуру и величину с формируемыми впоследствии текущими массивами.

В зависимости от исполнения вытяжного ролика и состава промежуточных механических звеньев его привода, в том случае, если статический момент сопротивления механизма в целом, приведенный к валу двигателя, является функцией скорости вращения электропривода, необходимо формирование нескольких эталонных МТХХ для разных значений скорости вращения ролика, причем количество данных массивов и дискрета шага по скорости в диапазоне рабочих значений скорости разливки определяются следующим условием; среднее значение величины тока каждого последующего МТХХ должно превышать среднее значение тока предыдущего более чем на 10% а именно: <I<SUB>n+10,1˙<I<SUB>n Аналогично возможно возникновение необходимости формирования нескольких эталонных массивов базовых токов в том случае, если установка предназначена для разливки заготовок различного сортамента в достаточно широком диапазоне весо-габаритных параметров. При этом массив базовых токов формируется для каждого определенного типа сортамента заготовки.

Все сформированные в начале кампании эталонные массивы токов хранят в памяти технических средств до конца кампании и используют в течение всего данного периода для диагностики изменения состояния оборудования.

Контроль характера и степени прогиба ролика, повреждений подшипниковых узлов ролика и приводных редукторов производят методом спектрального анализа данных каждого текущего массива токовых нагрузок. Анализ включает несколько стадий:
базовый информационный модуль текущего массива, содержащий несколько первичных модулей подвергают предварительной обработке, в результате которой формируют информационный массив изменения токовой нагрузки за один оборот ролика, именуемый далее диагностическим и характеризующийся тем, что каждой дискрете угла поворота ролика, т.е. каждой точке линейной поверхности окружности бочки ролика соответствует среднее значение токовой нагрузки в данной точке во всех первичных модулях текущего массива, если данное значение в каждом последующем первичном модуле не отличается от значения в предыдущем более чем на 10% в противном случае последнее отбрасывается как некорректное (случайное) и усреднение производится без учета данного значения;
производят спектральный анализ диагностического массива токов разложением в ряд Фурье для рассмотрения гармонического состава функции изменения силы тока во времени за период единичного оборота ролика;
выделяют в спектре группы гармоник определенной величины и последовательности, характеризующие состояние ролика, его подшипниковых узлов и редукторов;
сравнивают значения параметров каждой группы гармоник полученного спектра с граничными коэффициентами расчетного "опорного спектра" и диагностируют конкретные виды неисправности.

Диагностику осуществляют по следующим критериям.

Наличие прогиба бочки ролика обуславливает появление в нагрузке привода периодических колебаний силы тока с периодом, равным времени оборота ролика. Однако форма данной кривой может значительно отличаться от синусоиды [1] в зависимости от конструктивного исполнения ролика, места его установки в технологической линии и степени контакта со слитком (см. форму кривой изменения силы тока на фиг.). Поэтому диагностика прогиба производится не только по величине линейного Фурье-коэффициента 1 гармоники, но с учетом значений комбинаций коэффициентов 2 и 3 гармоник и характера огибающей спектра на данном участке. Степень прогиба бочки ролика прямо пропорциональна разнице амплитуды колебаний тока Δ I I_max I_min, но коэффициент пропорциональности индивидуален для типов роликов в зависимости от диаметра и положения ролика в зоне вторичного охлаждения. В общем случае сила тока привода i-того ролика пропорциональна величине крутящего момента на i-том приводном ролике:
I_i= где I_i сила тока привода i-того ролика, А;
M_i крутящий момент на i-том приводном ролике, н˙м;
u передаточное число редуктора привода i-того ролика;
η КПД редуктора привода i-того ролика,
К_эм конструктивная электромеханическая постоянная электродвигателя привода i-того ролика.

В свою очередь момент крутящий на i-том ролике определяется в общем случае величиной условия вытягивания на бочке данного ролика:
M_i F_np ˙R_i, где F_np величина усилия вытягивания на ролике, Н;
R_i радиус i-того ролика, м.

Таким образом, при наличии прогиба его радиус изменяется на величину Δ R_i, которая и определяет величину колебаний силы тока i-того привода за период оборота ролика:
I_{i max}=
I_{i min}= откуда и вычисляется значение Δ R_i, являющееся степенью прогиба бочки i-того ролика:
ΔR_i= ·
Данная методика является корректной для каждого вытяжного ролика в зависимости от места его установки, т.к. обусловлена в первую очередь величиной усилия вытягивания на ролике, которое рассчитывается для каждой пары чередующихся холостых и приводных роликов по следующей формуле:
F_np 2 α_iP_i, где P_i усилие давления металла на пару роликов i-того участка, Н;
α_i приведенный коэффициент трения i-того участка.

Соответственно, усилие давления металла на i-том участке вычисляется по формуле:
P_i γ˙a˙B_i˙h_i, где а ширина слитка, м;
B_i длина дуги слитка на i-том участке, м;
h_i расстояние по вертикали от мениска металла в кристаллизаторе до середины участка, м;
γ плотность жидкого металла, Т/м³.

Коэффициент трения определяется габаритами ролика и подшипника:
α_i= + f_n где D_i диаметр i-того ролика, мм;
d_i/D_i отношение диаметра подшипника к диаметру ролика;
μ- коэффициент трения качения ролика по слитку;
f_n коэффициент трения в подшипнике.

Характер прогиба ролика (упругий, температурный или остаточный) определяется постоянством проявления колебаний нагрузки тока с определенной амплитудой при каждом обороте ролика и его диагностируют методом сравнительного амплитудно-частотного анализа нескольких последовательно сформированных в процессе разливки текущих массивов тока.

Диагностику состояния подшипниковых узлов ролика и его приводного редуктора производят путем выделения в спектре диагностического массива тока гармонических составляющих определенной величины и последовательности. Причем порядок данных гармонических составляющих (Фурье-коэффициентов) однозначно обусловлен типом, исполнением и габаритом подшипника, а состав интервала гармоник определяется для каждого конкретного диаметра ролика и типоисполнения редуктора расчетным путем по известным методикам. Таким образом формируют "опорные спектры", представляющие собой линейные комбинации абсолютных величин определенных интервалов коэффициентов ряда Фурье. Сравнительный анализ спектров, получаемых в процессе частотного анализа текущих массивов тока, с граничными значениями спектральных коэффициентов "опорных спектров", а также анализ кривой огибающей спектров диагностируемых массивов [2] позволяет определить конкретные виды неисправностей подшипников роликов и приводных редукторов и даже оценить в процентном отношении степень повреждения узлов данного оборудования (искажение формы тел качения подшипников, повреждение сепаратора, биения и деформации опорных колец, дефекты зубчатых передач редукторов и др.).

Диагностика выставки роликов, изменения межроликового расстояния, качества наладки приводов, целостности роликов и их шпинделей, которую осуществляют методом сравнительного амплитудно-частотного анализа текущих, эталонных и базовых массивов токовых нагрузок, имеет приведенные ниже критерии.

Оценку качества настройки полотна роликовой зоны правильность выставки вытягивающих роликов по технологической оси установки производят путем сравнительного анализа двух типов эталонных массивов: массива токов холостого хода МТХХ и массива базовых токов МБТ. Если полностью совпадают амплитудные и средние значения параметров обоих массивов, то это является критерием неправильной выставки ролика, т.к. свидетельствует о том, что двигатель конкретного вытяжного ролика в процессе разливки загружен только током холостого хода, т.е. данный ролик выставлен с отклонением от технологической оси и не имеет контакта с отливаемой заготовкой.

Для определения поломки бочки ролика и его шпинделя производят сравнение каждого вновь поступающего текущего массива токов с предшествующим текущим и с эталонным массивом МТХХ. Если какой либо текущий массив по уровню амплитудных и средних значений совпадает с МТХХ, в то время как предшествующий текущий массив значительно отличается как более высоким уровнем указанных значений тока, так и спектральным составом, более широким чем состав "опорных спектров" эталонного массива МТХХ, то это является критерием поломки бочки ролика в цикле формирования предшествующего текущего массива. Именно такой вид изменения тока обусловлен тем, что в момент поломки ролика вследствие значительных механических или тепловых деформаций ток двигателя его привода имеет хаотический пиковый характер, но после разлома ролика становится равным току холостого хода, т.к. ролик утрачивает контакт с заготовкой, перестает испытывать усилия со стороны металла, но продолжает вращаться в подшипниках роликовых опор.

Если при наличии описанного выше характера токовой нагрузки в предшествующем текущем массиве во вновь поступившем текущем массиве имеет место уровень тока значительно меньший уровня тока эталонного массива МТХХ (не менее чем на 25-30% ), но в целом превышающий нулевой уровень, а в спектре нагрузки отсутствуют гармонические составляющие, характеризующие оборотные пульсации или работу подшипниковых узлов ролика, то это является критерием поломки шпинделя привода ролика.

Если уровень токовой нагрузки каждого текущего массива меньше уровня тока эталонного массива МТХХ, а в отдельных текущих массивах среднее значение тока меньше нуля и при этом в спектре диагностических массивов присутствуют "опорные спектры" оборотных или подшипниковых пульсаций, то это является критерием неправильной наладки электродвигателя привода вытяжного ролика. Такой характер токовой нагрузки обусловлен наличием низкой собственной скорости вращения привода, определяемой углом наклона электромеханической характеристики двигателя, что является причиной принудительного раскручивания электродвигателя через редуктор активным моментом статического сопротивления, поступающим со стороны контактирующего с металлом ролика.

Если в ходе разливочной кампании наблюдают снижение уровня тока текущего массива по сравнению с уровнем тока эталонного массива базовых токов МБТ для данного сортамента, но средний ток текущего массива превышает ток эталонного массива МТХХ, то это является критерием изменения межроликового расстояния в сторону его увеличения, что свидетельствует о появлении люфтов и деформаций в механических звеньях крепления роликовых секций: колоннах, стяжках, клиньях и т.д.

Таким образом, предлагаемый способ контроля и диагностики состояния вытяжных роликов и звеньев их привода позволяет не только получить информацию о состоянии оборудования роликовой зоны в текущий момент времени, но и проследить тенденции в изменении состояния оборудования в ходе разливочной кампании, а следовательно, и выявить причинно-следствен- ные связи в системе силового взаимодействия непрерывно отливаемого слитка и вытяжных роликов как составной части агрегата, непосредственно формирующего слиток.

Формула изобретения

СПОСОБ КОНТРОЛЯ И КОМПЛЕКСНОЙ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ ВЫТЯЖНЫХ РОЛИКОВ И ЗВЕНЬЕВ ИХ ПРИВОДОВ В ЗОНЕ ВТОРИЧНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ УСТАНОВКИ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ, включающий измерение силы тока электроприводных вытяжных роликов до и в процессе разливки и оценку в зависимости от изменения тока правильности выставки роликов по технологической оси установки, величины прогиба и целостности роликов, отличающийся тем, что измерение силы тока осуществляют дискретно по заданным углам поворота каждого ролика, причем частота измерения по времени и продолжительность интервала измерения определяется в зависимости от диаметра ролика и частоты его вращения, до начала разливки формируют массив токов холостого хода (I^j_i)_мтхх , где i - номер ролика, j - номер заданной дискреты угла поворота ролика, на первых плавках новой разливочной компании формируют массив базовых токов (I^j_i)_мбт , а в процессе разливки периодически формируют текущий массив токов (I^j_i)_тмт, причем (I^j_i)_мтхх, (I^j_i)_мбт, (I^j_i)_тмт формируют по крайней мере за два полных оборота каждого ролика, усредняют значения тока I^j_i в каждом массиве для каждой дискреты угла поворота каждого ролика, формируют массивы эталонной (I^j_i)^*_мтхх, (I^j_i)^*_мбт и текущей (I^j_i)^*_тмт информации со средними значениями тока I, осуществляют спектральное преобразование массива (I^j_i)^*_тмт для каждого ролика i и выделяют в каждом спектре группы гармонических составляющих определенной величины и последовательности, соответствующие частотным характеристикам ролика и отдельных звеньев его привода, сравнивают значения параметров каждого спектра с параметрами спектра, полученного при исправном оборудовании, и по их рассогласованию определяют характер и величину прогиба каждого ролика, повреждение подшипниковых узлов роликов и их приводных редукторов, определяют правильность выставки роликов по технологической оси установки, изменение расстояния между роликами, качество наладки приводов, целостность роликов и их шпинделей путем сравнивания амплитудно-частотных характеристик массива текущей (I^j_i)^*_тмт и массивов эталонной (I^j_i)^*_мтхх , (I^j_i)^*_мбт информации.

РИСУНКИ

Рисунок 1