（机械工程专业论文）高速线材210轧机预知维修技术应用研究.pdf

摘要 当前，中国钢铁行业迅猛发展，但相互之间的竞争也在不断加剧，每个 钢铁企业都希望获得更高的产量和质量。因此，高生产效率的设备和连续式 生产方式被采用。而现实情况是多发事故和维修成本已成为制约钢铁企业进 一步发展的瓶颈，迫切需要建立先进的预知维修系统。本课题针对唐钢二钢 轧厂的现状，建立了高线2 1 0 轧机预知维修系统并取得显著效果。 本文所做工作分为以下几个部分。 ( 1 ) 对预知维修的概念及其发展现状进行了阐述，分析了流程工业的特 点，在对2 1 0 轧机的原理及结构进行具体分析的基础上，论述了企业实施预 知维修的必要性。 ( 2 ) 研究了预知维修理论和模型，建立了2 1 0 轧机故障诊断预知维修系 统的功能体系。 ( 3 ) 对2 1 0 轧机预知维修决策支持系统进行了研究和开发，建立了较完 善的设备档案系统，实现了备件的合理储备，对关键数据、图纸资料可进行 快速查询，对设备的运行状况实时跟踪，根据故障模式进行维修决策，为预 知维修的实现和全厂设备建立档案系统奠定了基础。 ( 4 ) 对2 1 0 轧机预知维修系统进行了实施，通过对在线监测系统获取的 信号进行分析，确定故障类型，判断故障后果，实施预知维修，制定合理的 维修计划和备件计划。 本项目在企业已取得了显著效果。 关键词预知维修；线材2 1 0 轧机；在线监测；故障诊断 a bs t r a c t n o w a d a y st h es t e e li n d u s t r yo fc h i n ah a sg e tg r e a td e v e l o p m e n t ，a n da l s ot h e c o m p e t i t i o nb e t w e e ne a c ho t h e rb e c o m em o r ef u r i o u s l y a sar e s u l t ，a l lt h es t e e l e n t e r p r i s e sw a n tt oi n c r e a s eo u t p u t sa n di m p r o v eq u a l i t y , s ot h em a c h i n e so f h i g h e rp r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dc o n t i n u o u sp r o d u c t i o nm o d e sw e r ea d o p t e d t h e f u r t h e rd e v e l o p m e n to ft h ee n t e r p r i s e sh a sb e e nr e s t r i c t e db ye x c e s s i v ea c c i d e n t s a n dt h em a i n t e n a n c ec o s t i ti s n e c e s s a r yt oe s t a b l i s ha d v a n c e dp r e d i c t i v e m a i n t e n a n c es y s t e mn o w a c c o r d i n gt ot h ea c t u a l i t yo ft a n gg a n gc o m p a n y , a p r e d i c t i v em a i n t e n a n c es y s t e mf o rt h eh i g hs p e e dw i r e210r o l l i n gm i l lh a sb e e n b u i l t t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ec o n c e p to fp r e d i c t i v em a i n t e n a n c ea n dd e v e l o p m e n t a la c t u a l i t y w e r ed e s c r i b e d ，t h ec h a r a c t e r i s t i co ff l o wi n d u s t r ya n dt h es t r u c t u r ep r i n c i p l eo f r o l l i n gu n i tw e r ei n t r o d u c e d ，t h ed i s a d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a lm a i n t e n a n c em o d e s a n dt h ea d v a n t a g e so ft h e p r e d i c t i v em a i n t e n a n c em o d ew e r ed i s c u s s e d ( ”t h et h e o r ya n dm e t h o do ft h ep r e d i c t i v em a i n t e n a n c ew a ss t u d i e d t h e f u n c t i o ns y s t e mf o rt h ep r e d i c t i v em a i n t e n a n c es y s t e mf o r2 10r o l l i n gu n i tw a s e s t a b 】i s h e d ( 3 ) t h ee q u i p m e n tm a n a g i n gi n f o r m a t i o na n d m a k i n gs u p p o r ts u b s y s t e mb a s e dp mf o r210r o l l i n g d e v e l o p e d t h ep e r f e c te q u i p m e n tr e c o r d sf u n c t i o n d e c i s i o n - m a k i n gl o g i ca n da p p r o a c hw e r ed e s c r i b e d m a i n t e n a n c ed e c i s i o n u n i tw a ss t u d i e da n d a n dt h em a i n t e n a n c e ( 4 ) t h ep r e d i c t i v em a i n t e n a n c es y s t e mo f210r o l l i n gu n i th a sb e e n a p p l i e d i nt a n gg a n gc o m p a n y b ya n a l y z i n gt h es i g n a l sf r o mt h eo n l i n em o n i t o r s u b s y s t e m , t h ef a u l tt y p e ，t h ef a u l tc o n s e q u e n c ec a nb ej u d g e da n dm a i n t e n a n c e d e c i s i o nc a nb ed o n e ，t h em a i n t e n a n c ep l a na n dt h es p a r ep l a nc a nb ef i n i s h e d c o r r e c t l y t h es y s t e mh a sa c q u i r e dr e m a r k a b l ee f f e c t k e yw o r d s ：p r e d i c t i v em a i n t e n a n c e ( p m ) ；w i r e210r o l l i n gu n i t ； o n l i n em o n i t o r ； f a u l td i a g n o s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫连盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名字日期： 加p 年多月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规 定。特授权丞鲞苤鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位敝储躲未廊 翩魏彤蚁 签字日期： 蒯年易月少日签字日期滞易月多日 第一章绪论 第一章绪论 当前，在钢铁企业中各类设备事故频发，不能很好的解决这一问题，制 约了钢铁企业生产。本文通过运用先进的维修理论，建立行之有效的故障诊 断和预知维修体系，达到降低维修成本，减少设备事故的目的。 预知维修作为一种新型的设备维修管理方式，与故障诊断有机的结合起 来，强调了可靠性在故障诊断和设备维修中的作用，解决了传统的故障诊断 中为诊断而诊断的问题，同时强调了设备管理机制的作用【1 1 。 1 1 预知维修概念及发展现状 1 1 1 预知维修概念 传统的维修方式主要有两种：一种是在设备已发生功能性故障以后才进 行的维修，即事后维修；另一种为计划维修，即按预先人为规定的固定检修 周期实施小修、中修和大修。事后维修是以设备故障为依据的，在设备运行 到出现故障后才进行维修以恢复设备正常功能。事后维修是最原始的维修方 式，能够减少一些不必要的维修费用，但是当一个部件出现故障时它可能损 坏其它部件、毁坏整个系统、甚至危及人身安全f 2 1 。因此，事后维修仅适用 于一些不重要的设备，而且还应该满足：系统发生故障时损失很小，不会对 其它设备的正常运行产生影响，不会对人身和环境造成影响，故障的定位和 排除可以很快完成。 计划维修是以设备的使用时间为依据，它的基本思想是利用同类或类似 设备的故障统计规律对设备寿命进行估计，并根据这个估计寿命安排维修时 间。实际上，计划维修对设备的故障率的估计往往偏于保守，而且实际维修 周期的制定还必须兼顾很多其它设备，这就使进行维修的时间实际上是在各 个设备的故障平稳期开展的。可靠性的研究表明，计划维修只适用于有明显 耗损故障的装备，而对偶发性故障基本是无效的。实际上对于大多数设备， 特别是复杂设备，故障的模式呈现多样性，故障率曲线也呈现多样化，浴盆 曲线仅适用于少数耗损性故障占绝对优势的简单设备。有的没有明显的早期 第一苹绪论 故障期，故障率持续缓慢增长，直接进入耗损故障期；有的没有耗损故障期， 故障率呈现为常数，故障完全是随机的，与运行时间无关。因此，基于浴盆 曲线的计划维修是不能满足多种故障模式维修的需求的【3 1 。 事后维修和计划维修很难预防灾难性的故障，而且常常引起不必要的停 机、不可接受的风险。计划维修虽然是一种预防性维修方式，但经常会造成 不足维修和过剩维修。不足维修很可能会导致设备运行状况进一步恶化，过 剩维修则会增加不必要的停机时间，影响设备的利用率。而且正是由于计划 维修的盲目性，使得事后维修往往在所难免，甚至带来灾难性的事故。 随着现代科学技术的发展，设备科技含量越来越高，复杂性迅速增加。 系统往往由许多零部件组成、功能单元很多，各单元都可能产生故障，使用 寿命也存在个体差异。零部件越多，偶然性就越强。为了有效地提高设备利 用率，减少维修费用，需要对系统的故障机理进行深入研究，在对系统的实 际状态监测、趋势分析以及可能发生故障进行预测的基础上作出维修决策， 将故障消灭在萌芽状态。也就是说必须采用新的维修策略，这种维修策略是 一种按需维修策略，即根据设备实际状态的需要安排设备的维修活动，这就 是预知维修h 。 预知维修与计划维修一样，也属于预防性维修。不同的是，它是以设备 的运行状态监测为基础，以对系统进行故障预测和性能评估的结果为依据而 采取维修决策的，因而更具有客观性、科学性。 1 1 2 预知维修的发展 设备维修方式最初是事后维修、进而发展到预防维修( p m ) 和计划维修 ( m p ) ，现在随着设备诊断技术的发展，正在逐步走向设备状态预知维修。这 是现代化大型企业应大力提倡的一种维修方式。设备状态预知维修是以设备 状态监测为基础，以设备故障分析、诊断结果为依据，以设备预知状态为手 段而日益成熟的设备维修方式【5 】。近几十年来，随着计算机技术、数字信号 处理技术的发展，设备诊断技术也有了很大的发展，人们把系统论、控制论、 信息论、可靠性理论、摩擦磨损理论和行为科学等与设备管理的实际相结合， 产生了设备综合工程学。日本的“全员管理 ( t p m ) 等设备管理的新理论、 新模式，使设备管理从传统管理进入了现代管理，把电学、声学、热学、故 障物理理论以及应用化学等基础科学应用到设备状态信息的控制上来，产生 2 第一章绪论 了设备状态监测和故障诊断技术，从而把设备维修方式推进到了预知维修的 阶段，使人们从单凭经验进行决策，进入了以定量为主的科学决策。可以预 见，随着计算机管理的深入开展，设备管理必将进入动态管理和优化型综合 管理的新阶段。可以认为，现代科技成果的广泛应用，是提高管理效率和效 益取之不尽的源泉。借助现代先进的技术手段，使我们摆脱了故障诊断靠眼 看、耳听、手摸的原始落后方式。因此预知维修强调的是“管理技术”与“诊 断技术”的结合，是从企业设备工作整体角度出发去通盘考虑基于故障检测 与诊断技术的设备维修管理策略及其技术实施。显而易见，这种方式更符合 现代企业所追求的“向管理要效益 的目标。尤其是近十年，基于f f t 分析、 时间序列分析、小波分析等技术的现代信号处理技术与专家系统技术的结合， 传感器技术与单片机、d s p 高速信号初级芯片等微电子技术的结合，使得现 代故障诊断技术得以迅速发展而形成独具特色的“故障诊断学”，这就为“预 知维修体制的发展及实施从诊断和软硬件实用技术方面奠定了基础【6 】。 1 2 故障诊断技术的概念及研究现状 1 2 1 故障诊断的概念 诊断学( d i a g n o s t i c s ) 一词源于希腊，意指鉴别、确定。诊断就是由现 象判断本质，由当前预测未来，由局部推测整体的过程 7 1 。最早的诊断莫过 于医疗的诊断，是指医生借助各种手段对人体进行检查、化验，然后根据医 学理论确定诊断对象是否患病和患有何种疾病的过程。随着人类文明的进步 和科技的发展，人们在越来越多的领域里开展了诊断活动，比如企业诊断、 环境诊断等。在工程技术领域，也需要根据设备各种可测量的物理现象和技 术参数的检测来推断设备是否正常运转，判断发生故障的原因和部件，预测 潜在故障的发生等等，这就是我们通常所说的故障诊断。所谓故障诊断就是 指系统( 或部件) 在一定工作环境下，查明导致系统( 或部件) 某种功能失 调的原因和性质，判断劣化状态发生的部位或部件，寻找故障起因，提出排 除故障的相应措施，以及预测状态劣化的发展趋势【8 】。一般来说，故障诊断 对象可以是一个简单的元件、部件或子系统，也可以是一个复杂的大系统。 第一章绪论 1 2 2 故障诊断的发展 故障诊断是人类一项历史悠久的活动，但故障诊断作为一门学科的蓬勃 兴起，则是二十世纪8 0 年代的事情，它是技术进步和工业发展的必然产物。 在工程技术领域里，自从机器问世以来，人们就非常关心它能否正常工作， 即机器的故障诊断问题【9 】。对机械设备的故障进行诊断的技术至今有很长的历 史，可以说几乎是与机器的发明同时产生的。最初，故障诊断的对象只是单个 机械部件，随着现代工业及科学技术的迅速发展，生产设备中电气设备占决大 比例。电气设备与机械设备相比具有故障隐蔽不易被发现、故障模式种类繁多， 难以判断到底是那种故障模式引发的故障等特点。同时，各种电气设备日趋大 型化、高速化、自动化和智能化，并由各种电气设备，如电机、电气元件、半 导体器件等组成系统，对生产过程进行自动控制，当这些电气设备发生故障时， 生产被迫中断，物质财富遭到破坏，甚至连人员的生存也会受到威胁。这大大 增加了故障诊断的复杂性，对故障诊断提出了更高的要求。纵观故障诊断技术 的发展，一共经历了以下三个阶段： 第一阶段一直延续到二十世纪4 0 年代，由于设备比较简单，且大部分都 是机械设备，故障诊断主要依靠专家或维修人员的感觉器官、个人经验及简 单仪表就能胜任故障的诊断与排除工作。在这一阶段里，工业机械化程度不 高，设备故障停机时间无足轻重，因此，故障诊断并非头等大事。 二十世纪4 0 年代后，情况发生明显变化，电气设备在生产设备中的比重 越来越大，同时，传感器技术、动态检测技术及信号分析技术都有了飞速发 展，这使得诊断技术进入了第二阶段，在这一阶段里，设备的数量更多，结 构更加复杂，生产对设备的依赖程度也大大增强，设备故障停机时间越长， 损失越大，因此要求人们能够做出快速而准确的故障诊断。 自二十世纪8 0 年代以来，由于生产设备日趋复杂化、智能化及光机电一 体化，需要进行故障诊断的不仅仅是单个设备，而是整个系统，传统的诊断 技术已经不能适应了。随着计算机技术、人工智能技术特别是专家系统的发 展，诊断技术进入了它的第三个发展阶段一智能化阶段。在这一阶段里，一 旦设备发生故障j 极可能造成全线停产，因此，故障诊断不仅仅是指在故障 发生之后再进行诊断，而是要在故障未发生之前就采取预防措施，避免故障 的发生，最终实现零故障运行【1 0 】。 4 第一章绪论 到了今天，对复杂控制系统，乃至各类企业进行智能诊断已成为智能技 术研究的前沿课题和热点。国内外各研究机构纷纷致力于用于故障诊断的专 家系统的研究。在专家系统研究已有较深厚基础的国家中，故障诊断专家系 统己基本完成了研究和实验阶段，开始进入可广泛应用阶段，如1 9 8 5 年 r e g e n i e 等人研究的飞行器故障诊断专家系统等都达到了实际应用水平，并投 入使用【1 1 j 。 1 2 3 故障诊断的研究现状 我国的设备诊断技术是从上世纪7 0 年代开始的，1 9 7 8 年中国机械工程 学会设备维修学会恢复活动后，在介绍“国外设备维修 时，是将设备诊断 技术作为“设备维修工作中的科学管理方法和新技术之一介绍和引进的【1 2 】。 随后的几年里，以设备维修协会会刊设备维修为主的专业杂志，陆续介 绍了一些有关设备状态监测和诊断技术及其应用的文章，起到传播信息的作 用。自二十世纪8 0 年代中期以来，国内在智能诊断方面的研究已蓬勃展开， 并取得了一定研究成果，已有不少教学科研院开始把专家系统应用到设备故 障诊断中来，开展了一系列故障诊断专家系统的研究工作，并取得一定研究 成果。近年来，设备故障诊断技术正在发生变化，它已经发展成为一门综合 性的交叉学科，在预防故障发生、保证机器设备安全运行及提高设备利用率 等方面，设备故障诊断起了关键作用，并取得了显著的经济效益和社会效益 u 引。这个变化是自动化程度不断提高、设备日益复杂、新的设备故障诊断技 术出现以及对故障诊断含义的理解不断变化的结果。 由于计算机技术、现代测试技术和信号处理技术的迅速发展，设备故障 诊断技术取得了很大的进展，人们已经开发和研究了一些较成熟的诊断技术 及理论方法，如信号处理、模式识别、模糊推理等理论方法，人们可对在多 种工作环境条件及运行状态下的设备的多种故障模式进行监测、识别、诊断 和排除【1 4 】。然而，在工程实际中存在着大量的多故障、多过程、突发性故障 及需要对庞大机器或工程系统进行的监测和诊断，传统的故障诊断手段显示 出较大的局限性，主要表现在： ( 1 ) 缺少实时的生产现场的在线信息； ( 2 ) 不能有效的利用专家的知识和经验； ( 3 ) 缺乏推理能力，只能向前推理，不能像专家一样既能向前推理，又 第一章绪论 能向后推理； ( 4 ) 不具备学习机制； ( 5 ) 对测试诊断结果缺乏解释，测试诊断程序的修改和维护性差； ( 6 ) 故障诊断实时性差； ( 7 ) 没有在诊断的同时考虑到应采取的维修策略。 1 3预知维修理论与故障诊断技术的联系 对设备的故障诊断是实施预知维修的基础，只有对设备进行准确的诊断 之后，才能确定维修方案，实施维修，预知维修理论的发展是随着故障诊断 技术的进步而提高。预知维修理论是一种新型的设备维修管理方式，是一种 用于确定为确保任一设备在运行使用环境下，保持实现其设计功能的状态所 必须的活动的方法【”】。与传统的维修方法相比，预知维修技术更加注重结果， 在进行维修之前，人们首先要决定哪些维修工作是值得做的，哪些工作是不 值得做的，如果作出了正确的选择，就能够改善设备的性能且同时控制、甚 至降低维修费用。如果选择是错误的，就会产生新的问题，同时，现存问题 只能更加严重【l 引。因此对设备进行准确的故障诊断，显得更为重要，是科学 合理进行预知维修的基础。 1 4 课题研究的意义 现在，随着钢铁企业的不断发展，对钢铁企业设备能否长周期的正常工 作，就越来越显得重要，对于唐山钢铁公司第二钢轧厂线材生产线这样的连 续作业型生产线来说，一旦设备发生故障，极可能造成全线停产，这将严重 影响生产的产量和产品的质量，造成人力、物力、财力的极大浪费。就去年 因设备故障造成的经济损失，就达几百万元。如何避免这种情况的发生，将 设备的故障率降到最低，已经成为需要迫切解决的问题。本课题就是应用预 知维修理论，通过对设备进行现场在线监测，建立设备预知维修系统，将设 备的故障率降到最低，从而增加经济效益。 1 5 本文主要研究内容 本文研究的主要内容有以下几个方面： 6 第一苹绪论 ( 1 ) 通过分析现有流程工业的特点，分析设备预知维修的必要性； ( 2 ) 研究预知维修基本理论和模型，从解决预知维修理论的基本问题入 手，结合企业设备特点建立2 1 0 轧机故障诊断预知维修系统； ( 3 ) 通过对2 1 0 轧机故障诊断预知维修系统的具体应用，减少设备事故， 提高生产率，增加企业经济效益。 7 第二章线材生产工艺及预知维修必要性分析 第二章线材生产工艺及预知维修必要性分析 目前，在我国钢铁企业产品中线材是重要品种之一，线材中高速线材轧 机生产的产品比例为3 0 左右，高速线材生产线作为流程工业的典范，如何 充分发挥其优势具有十分重要的意义。 2 1 线材生产企业技术特点 2 1 1 连续工业的特点 在连续生产中，除了启停及异常情况外，生产中物料是以连续状态通过 整个生产流程【1 7 】。经过化学、物理变化实现产品的工业生产，典型的工业如 轧钢、石化、天然气、电力、造纸等。 1 、同步串行生产 由于物料是液态或气态，为了便于加工、输送，生产设备通过管道相互 连接，按照串行方式生产，在物理上形成固定的生产路径。设备间同步要求 较高，生产的进度常常经过一个或几个变量控制。 2 、设备功能的冗余度低 生产过程中的设备，一般是面向特定产品或特定加工环节的，功能比较 单一，而且由于以串行方式生产，一旦发生故障影响较大。因此，要保障生 产的顺利进行，设备故障的预防和诊断非常重要。 3 、控制量相互耦合 产品生产主要通过物理、化学变化实现。主要控制量为温度、压力、速 度等变量，由于通常其反应机理较为复杂，物料成分不同，生产的控制参数 不同，而且控制量间常相互耦合，因此对流程各变量的控制是至关重要的， 将决定产品的质量及成本学关键指标。 4 、切换代价大 由于启动和停机的时间较长，控制复杂，生产流程的串行方式相互衔接 柔性弱、设备清洁耗费大等因素，使得流程工业生产切换或设备故障造成中 断的代价大。另一方面，流程工业各行业的产品类型比较固定，因此生产工 第二章线材生产工艺及预知维修必要性分析 业切换少，调度主要根据生产计划进行排产。由于生产路径比较稳定，物料 种类及产品种类比较固定，因而调度的复杂性较低。 5 、生产的安全和污染控制要求高 由于生产条件多为高温、高压，存在副产物及不稳定特征，使得在生产 过程中对生产的安全和污染的控制要求较高1 1 8 。 2 1 2 高速线材生产的工艺流程 高速线材生产的工艺流程在钢材生产中较为典型，相对工艺流程较长， 要求也较高。其生产工艺流程见图2 1 所示。 ii i切头尾ll 中轧 i l 钢坯运入l l i i i 预精轧 i 成批称重i l 压紧打捆 il l l 切头尾 i i 入库存放i l 称重挂牌l + 精轧 l 炉前上料i l + l 卸卷 l 穿水冷却l l 钢坯质量检查i i i l i 吐丝成圈i + i 入库 i 单根称重i l + l 散巷控冷i i 加热j l 集卷 l i粗轧l 图2 一l 高速线材生产的工艺流程图 2 2 高速线材轧机的技术特点 轧制速度大于4 0 m s 的轧机称为高速轧机，2 1 0 轧机是当代具有代表性 的高速轧机。摩根公司从1 9 6 2 年开始研制新式线材2 1 0 轧机，现在线材2 1 0 轧机的发展已进入第代。据1 9 8 9 年统计，4 5 。无扭2 1 0 轧机自1 9 6 6 年9 月在加拿大钢铁公司的哈密尔顿厂投产以来，已在3 0 个国家和地区建设了 9 第二章线材生产工艺及预知维修必要性分析 1 8 8 台4 5 。无扭2 1 0 轧机，轧制速度从第一台的4 3 m s 提高到目前的1 2 0 m s ， 并在设计更高速度的2 1 0 轧机。我厂现在所用的2 1 0 轧机为西安航空公司制 造的第v 代2 1 0 轧机，机型为顶角4 5 。无扭2 1 0 轧机，轧制速度为8 6 m s 。 高速无扭2 1 0 轧机的技术特点： ( 1 ) 为实现高速无扭轧制，采用机组集中传动，由一个电动机或串连的 电动机组通过增速齿轮箱将传动分配给两根主传动轴，再分别传动奇数和偶 数2 1 0 轧机架，相邻机架轧辊转速比固定，轧辊轴线互成9 0 。交角； ( 2 ) 为使结构紧凑和减小在微轧制时轧件伸长段长度，尽可能缩小机架中 心距： ( 3 ) 为提高变形效率和降低变性能耗，均采用较小的轧辊直径，各类高 速无扭2 1 0 轧机辊环直径均为l5 0 2 2 0 m m ； ( 4 ) 为便于在小机架中心距情况下调整及更换轧辊和导卫装置，轧机工 作机座采用悬臂辊形式，采用装配式短辊身轧辊，用无键连接将高耐磨性能 的硬质合金辊环固定在悬臂的轧辊轴上，辊环上刻有2 - - - 4 个轧槽，辊环宽度 6 2 9 2 m m ： ( 5 ) 为适应高速轧制，并保证在小辊环轧制的情况下轧辊轴有尽可能大 的强度和刚度，轧辊轴承采用油膜轴承； ( 6 ) 为使用高速轧制，轧机工作机座采用轧辊对称压下调整方式，以保 证轧制线固定不变。 唐钢高速线材生产线2 1 0 轧机齿轮传动结构如图2 2 所示，2 1 0 轧机结 构与整体外观分别如图2 3 、图2 4 所示。 l o 增速机 第二章线材生产工艺及预知维修必要性分析 鼯 当。i 。 桀。 牛 犏雏 图2 22 1 0 轧机齿轮传动简图 薷二章线材生产工艺及预知维修必要性分析 圈232 1 0 轧机结构图 图2 42 】0 轧机外观目 第二章线材生产工艺及预知维修必要性分析 2 3 传统维修局限性分析 随着现代科学技术的发展，设备科技含量越来越高，复杂性迅速增加， 传统的维修方式在实际操作中表现出许多缺陷：由于不明设备运行状况，无 法较准确地预测设备发生“故障”或“失效”的时间和缘由，因而不能更有 效地降低设备无计划停机所带来的生产损失；在较大程度上存在着“欠维修 和“过剩维修”两种不恰当维修现象，前者是“该修未修，容易引发续发性 故障，后者是在设备尚有剩余寿命时提前停机修理，造成停机生产损失和维 修费用增加；在设备备件组织方面，要么“备件不足”，要么“备件过剩”， 造成设备备件分布不合理，占用大量资金【1 9 1 。 2 4高速线材轧机实施预知维修的必要性 通过对2 1 0 轧机生产工艺流程的分析，对于这样的设备，如发生设备 故障，有可能造成全线停产，对企业的经济利益将造成很大的影响。另外， 设备部件多，需要随时掌握设备运行状况，建立起符合高速线材轧机特点的 维修管理体制，使高速线材轧机形成一个设备现场安全预控体系，让固定设 备、移动设备现场运行的各个环节处于受控状态【2 0 1 。实施这种维修体制一是 按机器的实际状态延长了大修周期，减少了不必要的维修量，既节约了维修 费用，又提高了利用率，进一步降低了无计划停机带来的生产损失。二是采 用状态检测和故障诊断技术可使维修工作提前做好准备，进行针对性维修， 缩短维修时间，避免了盲目更换零部件，有利于备品备件的合理组织，提高 备件资金利用率，这对于设备众多的大中型企业其经济效益尤为显著。三是 一切以检测数据为准，避免了人为臆测等不必要纠纷，有利于维修管理人员 业务素质的提高。可早期发现设备故障隐患，从而有效地避免由于“欠维修” 而引发的续发性和突发性意外事故，保证了企业的安全生产。同时也有效地 避免了由于“过剩维修所带来的费用浪费。预知维修技术将所有可辨别的 与设施相关的安全性和环境性危害降至最低水平，延长设备的寿命。 2 5 本章小结 本章介绍了连续性工业的特点，并介绍了高速线材生产线的工艺流程及 第二章线材生产工艺及预知维修必要性分析 其线材轧机的技术特点。同时，针对目前线材轧机的技术特点，分析了线材 轧机预知维修的必要性。 1 4 第三章预知维修理论研究和系统模型建立 第三章预知维修理论及系统模型建立 3 1 预知维修须解决的7 个基本问题 在开始分析某单位设施的维修需求之前，我们需要了解这些设施是什 么? 即编辑一本较全面的设备登记表，然后对每一选出设备，就下列7 个问 题进行提问，问题如下： ( 1 ) 在现行的使用环境下，设施功能及相关的性能标准是什么? ( 2 ) 什么情况下设施无法实现其功能? ( 3 ) 引起各功能故障的原因是什么? ( 4 ) 各故障发生时会出现什么情况? ( 5 ) 什么情况下各故障至关重要? ( 6 ) 做什么工作才能预防各故障? ( 7 ) 找不到适当的预防性工作应怎么办? 这7 个问题是故障与预防的重要问题。 3 1 1 功能和功能标准 维修意味着保证设备能保持实现其设计功能的状态，因此任何设备的维 修目标只能通过限定设备的功能和期望的性能水平才能确定。为此，预知维 修技术首先要确定设备在其使用条件下的功能和功能标准。 3 1 2 功能故障 设备不能实现其设计功能时，称为功能故障。如果设备设计的完整，那 么唯一防碍它正常运行的就是某种故障，这表明维修必须借助于适当的故障 处理方法来达到目的。可是，在我们采用适当符合故障的处理手段之前，需 要确定会发生什么故障? 预知维修技术在两个层次上进行确定。首先，提问 部件故障到什么程度才影响其功能。然后，提问什么能引起每种可能的功能 丧失。当然，只有在明确了设备的功能和性能标准后，才能鉴别出功能故障。 第三章预知维修理论研究和系统模型建立 3 1 3 故障模型 传统的故障观点如图3 一l ，显示了故障的固定间隔观点，认为大部分部 件在x 寿命区内，可靠运行，然后耗损。 瓣 鼙 世 礤 避 衽 图3 1 传统的故障观点 t l 、失效率 失效率就是工作到某个时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内失 效的概率，纪为入( t ) ，其数学表达式为： ) = 锻l i m 黼= d n 孤( t ) ( 3 - 1 ) 式中：n 产品总数； n ( t 卜- n 个产品工作到t 时刻的失效数； n ( t + t ) - n 个产品工作到什at 时刻的失效数。 不难推导出： 名( f ) = 盟( 3 2 ) 月 、7 础) = 一塑堕( 3 - 3 )、。 r ( t 、d t 简单地说，失效率就是等于产品在t 时刻后的一个单位的时间内的失效 数与在时刻t 尚在工作的产品数的比值。失效率可以更直观地反映每一时刻 的失效情况。 前面提到过的失效密度，反映的是产品在t 时刻附近的一个单位时间内 的失效数与起始时刻t = 0 的工作产品总数n 的比。因此，失效分布密度主要 反映产品在所有可能工作的时间领域内相对于起始的失效分布情况。对于任 意时刻而言，用失效密度函数来反映瞬时失效的情况，往往显得不够灵敏， 而用失效率这个概念，正好可克服这一缺点。因此，失效率是标志产品可靠 性常用的数量特征之一。失效率愈低，则可靠性愈高。 失效率入( t ) 的单位用单位时间的百分数来表示，常用的单位有每小时或 1 6 第三章预知维修理论研究和系统模型建立 每千小时的百分比，如1 0 - 5 h 。 2 、有效寿命 在可靠性研究中把失效过程划分为三个阶段：早期失效、随机失效期和 损耗失效期。早期失效实际递减型的，通常是由于设计不妥善，制造有缺陷， 检验疏忽引起的，在新产品研制的初期通常遇到的是早期失效。但有些产品 不是由于上述原因引起早期失效而是由于产品本身的性质决定的。一般来说， 早期失效可以通过强化实验来排除，并应找出不可靠原因。随机失效期，失 效率入为常数，和时间t 无关。是产品在使用过程中的随机的原因引起的偶 然失效，这种失效无法用强化实验来排除，采用良好的维护措施也不能避免。 这个时期是系统的主要工作期，时间长，失效率恒定，是设备的最佳工作状 态时间称之为有效寿命。如图3 2 的典型寿命曲线所示，在随机失效期，用 入( f ) = 入来描述是合理的。损耗失效期，使产品由于老化、麽损、损耗、 疲劳等原因引起的失效，特点是失效迅速上升，这种失效都发生在产品使用 寿命的后期。改善损耗失效的方法是不断提高零部件的工作寿命，对寿命短 的零部件，在整机设计时就要制定一套预防性的维修措施，在他们达到损耗 失效期前，就及时予以检修或更换。这样，就可以把上升的失效率拉下来， 即用这种方法可以延长可维修设备和系统的实际寿命。 t ( o 失 效 塞 刍i 互作时问r ： 有效寿命 图3 2 典型寿命曲线( 浴盆曲线) 随着科技进步和发展，即使和1 5 年前相比，现在的设备普遍复杂得多， 这使得设备的故障模型发生了很大的变化。我们用故障率，( 既故障的条件概 率，也称为失效率) 来标识产品的可靠性，故障率是产品可靠性的重要指标， 它的定义为t 已工作到时间t 后单位时间内发生失效的概率，成为产品在时 刻t 的失效函数，简称为失效率或故障率【2 2 】。 图3 2 显示了各种机电部件故障的条件概率与使用工龄期的关系。 第三章预知维修理论研究和系统模型建立 3 1 4 故障模式 一旦确认了功能故障，就要设法确定可能引起每种功能丧失的故障模 式，这有助于我们正确的理解我们正寻找预防的是什么? 为此，保证把时间 和精力花费在研究其原因而不是征兆上，详细地确定每一故障的原因是重要 的。另外，为避免分析本身过于详细而浪费时间也是很重要的。 3 1 5 故障影响 当确定故障模式时，还要把故障影响记录下来。故障影响所描述的是故 障模式发生时将会出现什么情况，包括像停工期、对产品质量的影响、故障 发生的迹象等等。这一步使得我们有可能确定每一故障的重要程度，因此也 可决定所需预防维修的级别。 3 1 6 故障后果的分析 对于一个中型企业进行详细分析，会得到3 0 0 1 0 0 0 0 个可能的故障模式， 其中每一种故障都以某种方式影响着企业。在不同的情况下，影响是不同的。 它们可能会影响设备的运行，也可能影响产品的质量、售后服务、安全性和 环境。所有故障都需要花费时间和经费进行纠正。正是这些后果强烈的影响 着我们所设法预防每种故障的范围。换句话说，如果故障有严重后果，我们 就可能竭尽全力防止其发生。另一方面，如果它几乎不产生影响，那么我们 就可以决定，除了日常的清洁和润滑外，对它可以不采取任何预防措施。事 实上，实施何种类型的预防性维修的唯一原因不在于对故障本身进行预防， 而在于避免或至少可减轻故障后剁2 3 1 。 在维修决策中，故障后果的重要性可分为以下四类。 l 、隐蔽性故障后果 隐蔽性故障后果没有直接的影响，但它们使设备使用部门容易受到其他 具有严重的，甚至是灾难性的故障后果的影响。首先确定隐蔽性故障；其次 根据重要程序进行排列；最后采用一种简单易懂的、切实可行的、有条理的 方法来排除隐蔽性故障。 2 、安全性和环境性后果 如果故障会使人伤亡，就具有安全性后果；如果故障违反了行业、地方 第三章预知维修理论研究和系统模型建立 和国家的环境标准，则故障就具有环境后果，即使不能完全排除故障，也应 把这两类故障所带来的风险度真正降到非常低的水平。 3 、使用后果 如果故障影响生产( 产量、产品质量、售后服务或除直接维修费用以外 的运行费用) ，就具有了使用后果。这些后果会花费很多经费，所耗经费量 意味着预防性使用后果所需要花费经费的多少。 4 、非使用后果 划分到这一类里的明显故障不影响安全也不影响生产，因此它们只涉及 直接维修费用。 3 2 预知维修模型 实现设备的预知维修需要获得与系统当前状态相关的数据并对这些数 据进行处理，从而对装备的性能做出判断并预测在未来时段内可能发生的故 障，及各部件和系统的剩余寿命，根据判断和预测的结果做出是否需要维修、 什么时候进行维修、需要什么样的人员和工具、以及如何进行维修的决策。 从数据收集到做出维修决策是一个非常复杂的过程，我们可以把它分为四个 层次：数据采集层、数据处理层、故障预测及性能评估层、维修决策层。 l 、数据收集 由具有一定理论水平和实践经验的技术人员，借助在线状态监测仪器、 仪表，对设备进行状态监测，提取反映设备性能的特征数据，存入数据库。 2 、数据处理 由于设备在不同状态下会产生不同的数据，对收集的数据通过适当的处 理，会发现设备在非正常运行状态下会形成不同的数据，这是需要对这些数 据单独进行处理。 3 、故障预测、趋势分析和性能评估 这些功能是建立在对样本统计数据进行分析的基础之上，并且借助于人 工智能和计算机仿真技术，根据特征参数的变化规律建立数学模型，描述故 ，障的发生和发展过程，作出故障预测的结论，进而实现设备在未来任务段内 的性能评估。 4 、维修决策 根据故障预测结论和性能评估结果，判断设备能否在未来任务段内保证 1 9 第三覃预知维修理论研究和系统模型建立 一定的无故障工作时间，如果需要进行维修，则按照制订的维修标准来判断 预知维修的时间和规模，制定维修计划。维修结束后，把相关故障和维修记 录存入维修记录数据库，为装备的管理和再次维修提供科学依据和经验【2 4 1 。 可见，要实现设备的预知维修，必须满足以下要素： ( 1 ) 具有先进的状态监测和故障预测技术的支持，包括必须的软硬件。 ( 2 ) 具备专业技能和现场经验的技术人员。 ( 3 ) 建立以设备状态检测和故障预测技术为基础的设备点检、检修等 管理制度，明确从发现潜在故障至进行维修保障过程中各职能部门所采取的 各项措施，如对检修项目、备件库存、检修计划、检修人员组织等方面采取 的各项措施。这一切都必须溶汇于企业日常的设备管理和保障工作中。 2 0 第三章预知维修理论研究和系统模型建立 3 3 2 1 0 轧机预知维修系统功能模型 根据预知维修的理论和预知维修须解决的7 个问题以及实现设备的预知 维修，必须满足的要素，建立2 1 0 轧机基于故障预测技术的预知维修功能模 型如图3 3 预知维修系统功能层次图。 图3 - - 3 预知维修系统的功能图 2 l 第三章预知维修理论研究和系统模型建立 3 4 本章小结 本章研究了预知维修的理论，明确了预知维修须解决的7 个问题以及实 现设备的预知维修必须满足的要素，建立了基于故障预测技术的预知维修功 能模型，从而为建立基于故障预测技术的预知维修系统奠定了基础。 第四章2 1 0 轧机预知维修决策系统的建立 第四章2 10 轧机预知维修决策系统的建立 本章从建立高速线材生产线设备登记表入手，根据设备登记表选取具有 代表性的高速线材生产线2 1 0 轧机，在依次回答预知维修须解决的7 个问题 的基础上，建立预知维修决策系统。 4 12 1 0 轧机设备登记编号 大多数企业设备众多，在维修之前，需要编拟一份全面的设备清单，并 且制定合适的编号系统，它用于报告设备性能和维修费用的管理系统的基础， 我们称这些清单为设备登记表或设备清单。2 1 0 轧机设备登记表结构如图4 1 所示： 唐钢棒线材厂二车间高速线材生产线的成本中心编号( 成本编码) 为：e g x 。 与唐钢棒线材厂二车间高速线材生产线有关的装置可按下列编号： e g x d l 加热炉 e g x - 5 5 0 5 5 0 粗轧机 e g x 4 5 0 4 5 0 中轧机组 e g x 3 8 0 3 8 0 中轧机组 e g x z j y预2 1 0 轧机 e g x z j f2 1 0 轧机 e g x d c吐丝机 e g x g d f 风冷辊道 e g x j 丌 集卷筒 e g x p fp f 线 e g x d b j 打包机 。 与2 1 0 轧机相关的设备可按下列编号： e g x z j f 1 6 1 6 号轧机 e g x z j f 1 7 1 7 号轧机 e g x z j f 18 1 8 号轧机 第四章2 1 0 轧机预知维修决策系统的建立 e g x z j f 1 9 1 9 号轧机 e g x z j f 一2 02 0 号轧机 e g x z j f 一2 1 2 1 号轧机 e g x z j f 2 2 2 2 号轧机 e g x - z j f 2 3 2 3 号轧机 e g x z j f 2 4 2 4 号轧机 e g x z j f 2 5 2 5 号轧机 e g x z j f 0 1大电机 e g x z j f 一0 2 增速机 e g x z j f 一0 3 进油管路 e g x z j f 0 4 回油管路 e g