WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |

На правах рукописи

ШИГИН Андрей Олегович

ОЦЕНКА И ПОВЫШЕНИЕ ЖИВУЧЕСТИ НЕСУЩИХ

КОНСТРУКЦИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

01.02.06 – динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новосибирск – 2008

Работа выполнена в Сибирском федеральном университете и Институте вычислительного моделирования СО РАН

Научный руководитель: канд. техн. наук, доцент

Доронин Сергей Владимирович

Официальные оппоненты: д-р физ.-мат. наук, профессор

Никитенко Анатолий Федорович

канд. техн. наук

Рынгач Николай Анатольевич

Ведущая организация: Инженерно-технологический центр

ООО «Рус-инжиниринг»

(филиал в г. Красноярске)

Защита состоится «22 » декабря 2008 г. в 15 ч. 30 мин.

на заседании диссертационного совета Д 003.054.02

в Институте гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН

по адресу: 630090, г. Новосибирск, пр-т академика Лаврентьева, 15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН

Автореферат разослан « » ноября 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

д.т.н. Леган М.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Оборудование металлургического производства характеризуется зна­чительными габаритами, нагрузками, единичными мощностями, уровнями накопленной потенциальной энергии во время выполнения большинства тех­нологических операций. Аварии, происходящие на металлургических объек­тах из-за разрушения элементов оборудования, сопровождаются большим числом пострадавших и значительными материальными потерями. Длитель­ные сроки эксплуатации основных металлургических агрегатов, оборудова­ния и технологических коммуникаций (в среднем 40-50 лет) позволяют про­гнозировать значительное ухудшение безопасности эксплуатации и возникновение предпосылок к аварийным ситуациям.

Значительная часть аварий металлургического оборудования обуслов­лена отставанием развития методов проектирования и расчета несущих кон­струкций, их несоответствием современным жестким требованиям к обеспе­чению прочности, надежности и безотказности. Таким образом, несущие кон­струкции металлургического оборудования необходимо рассматривать как объекты повышенной ответственности, методы проектирования и эксплуата­ции которых следует совершенствовать для повышения эффективности обо­рудования в целом, исключения тяжелых разрушений и аварий.

В связи с этим актуальными являются разработка методических подхо­дов к оценке прочности и ресурса несущих конструкций металлургического оборудования на стадии возникновения (усталостная долговечность) и разви­тия (живучесть) трещиноподобных дефектов с целью обеспечения эффектив­ной безаварийной эксплуатации машин.

Цель работы заключается в разработке и реализации методики оценки и обеспечения количественных показателей живучести не­сущих конструкций технологического оборудования металлургического производства.

Идея работы состоит в прогнозировании и обеспечении показателей живучести конструкций с развивающимися трещиноподобными дефектами для предотвращения аварий и разрушений технологического оборудования с учетом факторов риска металлургического производства.

Задачи исследований:

  1. Обоснование требований к живучести несущих конструкций обору­дования с учетом факторов риска металлургического производства.
  2. Обоснование количественных показателей живучести несущих конструкций технологического оборудования и разработка методики их опреде­ления.
  3. Оценка опасности трещиноподобных дефектов и обоснование их
    безопасных размеров для типовых элементов конструкций.
  4. Анализ живучести конструкций технологического оборудования.
  5. Обоснование конструктивных решений по повышению живучести
    оборудования.

Методы исследований: аналитические, численные, экспериментальные методы теории упругости, пластичности, механики разрушения, пакеты прикладных программ.

Основные научные положения, защищаемые автором:

1. Требования к живучести несущих конструкций зависят от опасности их разрушения, определяемой принадлежностью оборудования к технологическим группам, группам опасности и живучести, устанавливаемым путем структурной схематизации производственных систем, построения и анализа циклограммы риска производственных процессов.

2. Расчетно-экспериментальная оценка и обеспечение предложенной системы показателей живучести является необходимым условием предотвращения разрушения конструкций с развивающимися трещиноподобными дефектами.

3. Нормирование технологической и эксплуатационной дефектности конструкций выполняется на основе полученных расчетно-экспериментальных зависимостей показателей живучести от размера дефекта с учетом потенциальной опасности разрушения конструктивных зон.

4. Условием предотвращения аварийных ситуаций и катастрофических разрушений несущих конструкций является разработка и применение технических средств повышения живучести, расчетно-экспериментальное обоснование конструктивных параметров которых осуществляется в связи с диагностируемыми или допускаемыми размерами трещиноподобных дефектов.

Достоверность научных результатов обеспечена использованием эксплуатационных данных по разрушениям и авариям оборудования, экспе­риментальными исследованиями живучести моделей анодной штанги комплексного технологического крана алюминиевого производства и бара­банов ленточных конвейеров, применением современных методов математи­ческого и компьютерного моделирования.

Новизна научных положений. Сформулированные научные положения обладают достаточной новизной:

1. Принципиально новыми являются методики структурной схематизации производственных систем, построения и анализа циклограммы риска технологических процессов, позволившие оценить опасность разрушения и впервые обосновать дифференцированные требования к живучести несущих конструкций оборудования.

2. Впервые предложена система количественных показателей живучести с учетом систематизации конструкций по технологическим группам, группам опасности и живучести, а также разработана методика их расчетно-экспериментальной оценки.

3. Впервые получены оценки живучести и обоснованы безопасные размеры трещиноподобных дефектов оболочечных элементов конструкций с учетом фактического режима эксплуатации: для трубчатой вращающейся печи – особенностей термомеханического нагружения по технологическим зонам ее рабочего пространства, для барабанов ленточных конвейеров – усилия натяжения конвейерной ленты.

4. При исследовании технических средств повышения живучести оборудования получены новые конструктивные решения защиты конструкций от разрушения, предложена и реализована методика их расчета в условиях штатных и аварийных нагрузок.

Личный вклад автора заключается в постановке и реализации цели и задач исследования, сборе и анализе данных по отказам и авариям металлур­гического оборудования, исследовании напряженно-деформированного со­стояния элементов несущих конструкций с трещиноподобными дефектами, получении расчетных и экспериментальных оценок долговечности и живуче­сти типовых конструкций оборудования.

Практическая значимость работы заключается в обосновании диф­ференцированных требований к прочности и ресурсу несущих конструкций технологического оборудования, получении оценок долговечности, живуче­сти и безопасных размеров дефектов типовых элементов конструкций обору­дования, разработке и реализации методик расчетного обоснования конст­руктивных решений, обеспечивающих повышение живучести.

Апробация работы. Основные результаты работы представлены на VII Всероссийской конференции «Современные методы математического моде­лирования природных и антропогенных катастроф» (Красноярск, 2003), меж­региональной конференции молодых ученых «Проблемы безопасности жиз­недеятельности в техносфере» (Благовещенск, 2004), Всероссийской и меж­региональной научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых (Красноярск, 2005, 2006), III Евразийском симпозиуме по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (Якутск, 2006), Международной научно-практической конференции «Стра­тегические приоритеты и инновации в производстве цветных металлов и зо­лота» (Красноярск, 2006), Всероссийской конференции «Деформирование и разрушение структурно-неоднородных сред и конструкций» (Новосибирск, 2006), Международной конференции «Вычислительные и информационные технологии в науке, технике и образовании» (Павлодар, 2006), II Всероссий­ской конференции «Безопасность и живучесть технических систем» (Крас­ноярск, 2007), научных семинарах Отдела машиноведения Института вычислительного моделирования СО РАН, кафедры «Горные машины и комплексы» Сибирского федерального университета, Отдела механики деформирования и разрушения Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН.

Внедрение результатов осуществлено в условиях Саяногорского алю­миниевого завода (ООО «АП-Сервис») при расчетном обосновании конст­руктивных решений по усилению анодной штанги комплексного универ­сального анодного крана, позволивших повысить ресурс узла в среднем на 30% , и в АО «Тестмаш» при постановке и проведении экспериментов по ис­следованию живучести барабанов ленточных конвейеров при наличии трещиноподобных повреждений, о чем имеются соответствующие акты внедре­ния.

Публикации. Основное содержание работы отражено в 18 публикациях, в том числе в трех рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов диссертационных исследований.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных результатов и выводов, приложений. Основное содержание и выводы изложены на 136 страницах. Работа содержит 56 рисунок и 9 таблиц. Список использованных источников включает в себя 263 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертации, указана цель и основные задачи исследований.

В первом разделе выполнен анализ проектных расчетов и эксплуатационной надежности технологического оборудования. По результатам эксплуатационных наблюдений установлены особенности, причины и условия повреждений, разрушений и аварий несущих конструкций оборудования, характерные зоны трещинообразования. Рассмотрены расчетные схемы элементов конструкций и особенности проектирования технологического оборудования как элемента производственной системы. Установленные факторы риска металлургического производства, недостатки проектных расчетов и низкий уровень эксплуатационной надежности позволили сформулировать ряд задач расчета и обеспечения живучести несущих конструкций.

Во втором разделе выполнена систематизация потенциально опасных конструкций технологического оборудования металлургического производства, в основу которой положены разработанные новые методические подходы.

Структурная схематизация производственных систем. Разрабатывается графическая схема, аналогичная схеме последовательного и параллельного соединения элементов в теории надежности. Отличие заключается в том, что в эту схему в качестве элементов включаются не только отдельные единицы оборудования и их узлы, но и другие элементы производственной системы и происходящие в ней процессы (технологические процессы, потоки материалов и энергии). Анализ схем взаимодействия элементов производственных систем позволяет отнести любую единицу оборудования к одной из двух технологических групп. К I группе отнесены те единицы оборудования, полные или частичные отказы которых таким образом влияют на технологические процессы, потоки материалов и энергии, что создаются дополнительные нагрузки (механические, термические, электромагнитные и др.) на другие единицы оборудования. Ко II группе относятся единицы оборудования, отказы которых не влияют на нагруженность и надежность смежных единиц оборудования посредством изменения протекания технологических процессов. Оборудование, относящееся к I технологической группе, дополнительно делится на три подгруппы: I/I – оборудование, отказы которого создают дополнительные нагрузки, не оказывающие значительного влияния на работоспособность и ресурс смежных единиц оборудования, ими можно пренебречь; I/II – оборудование, отказы которого создают дополнительные нагрузки, приводящие к ограничению работоспособности и (или) снижению ресурса смежных единиц оборудования; I/III – оборудование, отказы которого создают дополнительные нагрузки, приводящие к повреждениям и отказам смежных единиц оборудования. Таким образом устанавливается взаимосвязь между напряженно-деформированным состоянием (НДС), отказами и разрушениями смежных в производственной системе единиц оборудования.

Построение и анализ циклограммы риска. Предложен методический подход, связанный с анализом риска при цикличном функционировании производственной системы, и направленный на выявление наиболее потенциально опасных ситуаций с целью повышения живучести соответствующих типов и элементов конструкций оборудования.

На первом этапе выполняется логический анализ производственной системы, в пределах которой осуществляется некоторый цикл операций технологического процесса. Далее для каждого момента времени в течение рассматриваемого цикла выполняется по известным физическим соотношениям оценка накопленной каждым элементом системы потенциальной энергии и строится графическая зависимость риска от времени – циклограмма риска (в предположении, что в каждый момент времени уровень риска пропорционален накопленному уровню потенциальной энергии). На последнем этапе анализируются наиболее опасные моменты времени, характеризующиеся максимумом накопленной потенциальной энергии, и получаются оценки опасности разрушения отдельных единиц оборудования.

Это позволяет установить те единицы оборудования, их узлы и элементы, разрушение которых представляет наибольшую потенциальную опасность, а также соответствующие моменты времени технологического цикла. Все технологическое оборудование ранжируется по степени опасности следующим образом.

Pages:     || 2 | 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»