Разработка методов диагностики конструктивных элементов массоподводящих систем бумагоделательных машин тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.21.03, кандидат технических наук Исаков, Сергей Николаевич

• Исаков, Сергей Николаевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Исаков, Сергей Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ.

1. Современное состояние проблемы и постановка задачи работы.

1.1. Назначение массоподводящих систем, предъявляемые требования к ним.

1.2. Обзорный анализ работ по гидродинамике массоподводящих систем.

1.3. Обзорный анализ работ по вибродиагностике оборудования массоподводящих систем.

1.4. Обзорный анализ работ по диагностированию оборудования массоподводящей системы по качественным показателям бумажного полотна.

1.5. Обзорный анализ работ по виброзащите оборудования массоподводящей системы.

2. Виброакустические процессы в массоподводящих системах бумаго- и картоноделательных машин.

2.1. Постановка задачи моделирования.

2.2. Динамические воздействия на оборудования массоподводящих систем.

2.3. Источники вибрации трубопроводов.

2.4. Выводы по разделу.

3. Численное моделирование динамики и гидродинамических процессов в вихревых очистителях.

3.1. Постановка задачи.

3.2. Модель сплошной жидкой среды.

3.3. Динамическая модель батареи вихревых очистителей.

3.4. Конечно-элементная модель блока вихревых очистителей.

3.5. Модальный и спектральный анализ конструкций блока вихревых очистителей.

3.6. Выводы по разделу.

4. Экспериментальные исследования вибрации и вибродиагностика оборудования массоподводящих систем.

4.1. Методика экспериментальных исследований вибрации.

4.2. Сведения о схемах и оборудовании массоподводящих систем.

4.3. Вибрация и вибродиагностика центробежных насосов массоподводящих систем.

4.4. Вибрация и вибродиагностика сортировок с гидродинамическими лопастями.

4.5. Вибрация и вибродиагностика вихревых очистителей.

4.6. Вибрация и вибродиагностика трубопроводов.

4.7. Методы виброзащиты и снижения пульсации давления в массоподводящей системе.

4.8. Выводы по разделу.

5. Диагностика оборудования массоподводящих систем по колебаниям массы квадратного метра бумаги в продольном направлении.

5.1. Методика диагностирования.

5.2. Экспериментальное определение колебаний 1 м бумаги.

5.3. Выводы по разделу.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов диагностики конструктивных элементов массоподводящих систем бумагоделательных машин»

Актуальность темы. Бумагоделательные и картоноделательные машины (далее БМ) - основные технические системы, завершающие цикл производства бумаги в целлюлозно-бумажном производстве (ИБП). На качественные показатели бумаги существенное влияние оказывает работа массоподводящей системы (МПС), функциями которой являются: формирование и регулирование композиции и концентрации бумажной массы, её деаэрация, удаление из массы загрязнений, минимизация колебаний давления (пульсаций) в потоке бумажной массы, подача массы стабильной дисперсии массы в напорный ящик и др. Для обеспечения этих функций в МПС используется различное технологическое оборудование: смесительные и массные насосы, напорные сортировки, вихревые очистители (ВО), гасители пульсации и др. Качество бумаги в существенной мере определяется техническим состоянием этого оборудования. Одним из путей совершенствования технической эксплуатации оборудования МПС, повышения качества вырабатываемой продукции и сокращения затрат на поддержание оборудования в работоспособном состоянии является разработка и внедрение методов вибродиагностики оборудования МПС БМ.

Цель работы - повышение эффективности работы МПС БМ путем разработки и внедрения методов вибрационного контроля и диагностики технического состояния оборудования МПС, а также методов диагностирования оборудования МПС по качественным показателям бумаги.

Методы исследования. Теоретические исследования проведены с привлечением основных положений динамики машин, теории колебаний, методов конечных элементов и контрольных объемов. Использовано лицензионное программное обеспечение. Геометрические построения выполнены в автоматизированной системе трехмерного моделирования. Численные расчеты проведены в пакетах инженерного анализа. Экспериментальные исследования вибрации оборудования МПС и качественных показателей бумаги выполнены на бумагоделательных машинах ОАО «Соликамскбумпром», ОАО «Архангельский ЦБК», ОАО «Пермский картон», ООО «Неманский ЦБК» и Краснокамской бумажной фабрики.

Предмет исследования. Вибрационные и гидродинамические процессы в оборудовании МПС.

Объект исследования. Оборудование МПС: смесительные и массные насосы, ВО, напорные сортировки.

Научная новизна работы. Разработаны методы диагностики технического состояния оборудования МПС БМ по параметрам вибрации и по частотным характеристикам колебаний массы квадратного метра бумаги в продольном направлении. Выявлены параметры гидродинамических процессов в ВО и динамические характеристики поддерживающих конструкций батареи ВО с использованием численного моделирования.

Достоверность научных результатов подтверждается экспериментально и обуславливается использованием при исследованиях развитой теории колебаний, методов конечных элементов и известных программных средств.

Практическая значимость Результаты работы могут быть использованы при диагностике технического состояния оборудования МПС при его эксплуатации, а также при проектировании и модернизации. Результаты исследования используются в учебном процессе при подготовке инженеров-механиков и бакалавров по направлению 150400 «Технологические машины и оборудование» в курсах «Контроль и диагностика машин и оборудования», «Теория и конструкция машин и оборудования отраслей». Материалы работы используются в курсовом и дипломном проектировании.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на I тучно-технических конференциях студентов и аспирантов Уральского государственного лесотехнического университета в 2004, 2005 и 2006 гг.; на «Международном Евразийском симпозиуме» в рамках I Евро-Азиатского лесопромышленного форума, 2008г. (УГЛТУ, Екатеринбург); Евразийском симпозиуме «Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века» 2009г. (УГЛТУ, Екатеринбург); на второй международной научно-практической конференции «Сервисное обслуживание в ЦБП» 2010г. (г. Санкт-Петербург).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, две из которых в изданиях, входящих в перечень ВАК, получено два патента на полезную модель. Работа выполнялась в рамках инициативных хоздоговорных работ и госбюджетной темы по единому наряд-заказу Минобразования и науки РФ: «Исследование виброакустических процессов при решении трибологических проблем потенциально опасных технических систем отраслей лесного комплекса».

Объём и структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, выводов, списка литературы и приложения. Она включает 145 страниц машинописного текста, 59 иллюстраций, 19 таблиц, 115 наименований использованных источников, в том числе 22 иностранных.

Заключение диссертации по теме «Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины», Исаков, Сергей Николаевич

3.6. Выводы по разделу

1. Разработана конечно-элементная модель гидродинамических процессов при очистке волокнистой суспензии в вихревых очистителях. Путем численного интегрирования дифференциального уравнения Навье-Стокса, получены трехмерные картины течения жидкости в конечно-объёмной модели, позволяющее качественно и количественно оценить распределение скоростей и давлений волокнистой суспензии при различных объемах и геометрических формах корпуса очистителя.

2. Исследования на модели с использованием программных средств показало, что вращающаяся в вихревом очистителе жидкость имеет гидравлическую неуравновешенность, проявляющуюся в виде центробежных сил инерции, в широком диапазоне частот действующих на корпус очистителя. Динамические воздействия носят случайный характер и проявляются в виде «белого шума» с ограниченным частотным диапазоном. Эти воздействия возбуждают вибрацию корпуса очистителя и поддерживающих конструкций на их собственных частотах.

3. Для определения динамических характеристик (собственных частот колебаний и передаточных функций) корпуса вихревого очистителя разработана твердотельная конечно-элементная модель. Расчетное определение этих динамических характеристик конкретной установки блока вихревых очистителей на действующей бумагоделательной машине по предложенной модели с использованием программных средств показало хорошую сходимость результатов расчета с экспериментальными значениями.

4. Разработанные методы определения параметров трехмерного течения жидкости (скоростей и давлений) в вихревом очистителе, а также методы определения динамических характеристик корпусов вихревых очистителей и поддерживающих конструкций рекомендуется использовать при моделировании вихревых очистителей массоподводящих систем бумагоделательных машин, при решении задач вибродиагностики при эксплуатации машин.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВИБРАЦИИ И ВИБРОДИАГНОСТИКА ОБОРУДОВАНИЯ МАССОПОДВОДЯЩИХ СИСТЕМ

В разделе приводится методика и результаты экспериментальных исследований вибрации конструкций МПС с целью подтверждения основных теоретических положений, изложенных в предыдущих разделах, а также для обоснования выбора методов и средств вибродиагностики этого оборудования. Предлагаются методы диагностики МПС.

4.1. Методика экспериментальных исследований вибрации

Экспериментально определялись параметры собственных и вынужденных колебаний конструкций МПС.

Собственные частоты и логарифмические декременты затухания участков трубопровода определялись по записи затухающих колебаний при ударном приложении нагрузки. Производилась также проверка трубопроводов на механический и акустический резонансы.

Вынужденная вибрация конструкций определялась при рабочем режиме МПС в характерных для каждого оборудования точках: на корпусах и поддерживающих конструкциях, на входных и выходных патрубках насосов, узлоловителей, ВО; на опорах и в середине пролетов трубопроводов между опорами.

Для измерения и обработки вибрации использовались виброанализатор СД12М и программное обеспечение «Vibro 12» Санкт-Петербургской фирмы ООО «Ассоциация ВАСТ».

В работе произведен также анализ вибрации в октавных полосах частот и временных записей (форм волны) по результатам исследований, выполненных ранее A.M. Витвининым, А.И. Партиным, В.П. Евдокимовым и другими [3, 7, 13, 14]. Точки для измерения вибрации выбирались в соответствии с рекомендациями ГОСТ ИСО 10816-1-97[106], крепление вибропреобразователей осуществлялось по ГОСТ ИСО 5348-2002 [107]. При измерении вибрации и обработке результатов измерений использовались рекомендации МИ 1317-2004 [108] и государственного стандарта ГОСТ 26563-85 [71].

Измерение параметров спектра при одном и том же режиме работы оборудования производилось по два-три раза с числом усредняемых спектров при каждом измерении не менее четырех. В отдельных случаях производились измерения прямых спектров и спектров огибающей вибрации.

В зависимости от конкретных требований осуществлялись контрольные, диагностические и специальные измерения. При контрольных измерениях выявлялось только соответствие измеренных параметров допустимым параметрам вибрации, регламентируемыми ГОСТ 26563-85, а также стандартом на ограничения параметров вибрации технологического оборудования ГОСТ Р 7919-3-2003 [109]. Диагностические измерения производились с целью идентификации вибрации и выявления параметров технического состояния оборудования по параметрам вибрации. Специальные измерения, выполнялись для уточнения нормативных параметров вибрации и обоснования выбора методов и средств виброзащиты оборудования.

Для выявления основных закономерностей вибрации оборудования МПС производится спектральный анализ вибрации. Для контроля технического состояния оборудования измеряются средние квадратические значения (СКЗ) виброскорости (в отдельных случаях амплитуды виброперемещений) и сравниваются с нормативными значениями, а также, путем спектрального анализа вибросигнала идентифицируется вибрация.

4.2. Сведения о схемах и оборудовании массоподводящих систем

В подразделе приводятся схемы МПС обследованных БМ и описание их оборудования.

4.2.1. Схемы массоподводящих систем

Массоподводящие системы БМ идентичны только по функциям - обеспечения равномерной по времени и однородной по концентрации и композиции подачи бумажной массы в напускное устройство. Структура МПС (компоновка, тип оборудования и др.) существенно отличаются. Поэтому экспериментально обследованы МПС нескольких машин ОАО «Соликамск-бумпром», ОАО «Архангельский ЦБК», ОАО «Пермский картон» и ООО «Неманский ЦБК», Краснокамской бумажной фабрике.

Схема массоподводящей системы БМ №3 ОАО «Соликамскбумпром» представлена на рис. 4.1. Рабочая скорость БМ - 815 м/мин.

Рис. 4.1. Схема массоподводящей системы бумагоделательной машины №3

ОАО «Соликамскбумпром»

Бумажная масса из машинного бассейна 1 подается в бак постоянного уровня 2, из которого перекачивается насосом 3 (марка Z-X 70 V-2) первой ступени очистки в узлоловители 4 (типа УЗ-13). Далее масса поступает в де-аэрационный бак 6, через установку вихревой очистки 5 Твинклинер 132 . Деаэрированная масса транспортируется смесительным насосом 7 (марка Z22-700/700-65 ABS) через напорные сортировки 8 (типа Центрискрин 145), гаситель пульсаций 9 в напорный ящик 10.

В технологической схеме БМ №4 ОАО «Архангельский ЦБК» (рис. 4.2). Бумажная масса из бассейна 1 подается смесительным насосом 2 в ВО 3 (типа «Магноклинер»), далее поступает в узлоловители 4 (типа УЗ-13) и далее через гаситель пульсации 5 в напорный ящик 6. Рабочая скорость БМ 340-350 м/мин. 1 2 3 4 5 6

МПЦ

Рис. 4.2. Схема массоподводящей системы БМ №4 ОАО «Архангельский ЦБК»

12 4 5

Рис. 4.3. Схема массоподводящей системы бумагоделательной машины Б-21 ООО «Пермский картон»

В схеме МПС машины Б-21 ООО «Пермский картон» (рис. 4.3) бумажная масса из машинного бассейна 1 подается в бак постоянного уровня 2, а затем смесительным насосом 3 (типа ХД-2200/29-Е) в напорный ящик 5 через узлоловители 4 (типа УЗ-13-6). Рабочая скорость БМ 320-340 м/мин.

Схема МПС БМ №9 ООО «Неманский ЦБК» приведена на рис. 4.4. Масса из машинного бассейна 1 подается насосом в бак постоянного уровня 2, разбавляется перед смесительным насосом 3 (типа ВА 400/400-45) и подается в ВО 4. Очищенная бумажная масса перекачивается смесительным насосом 5 (типа В А 500/500-26) в узлоловители 6, после прохождения которых поступает в напорный ящик 7. Рабочая скорость БМ - 300 м/мин. 1 2 4 6 7

МП1

1' /к—1 И >

Рис. 4.4. Схема массоподводящей системы бумагоделательной машины №9 ООО «Неманский ЦБК»

Массоподводящая система БМ №3 Краснокамской бумажной фабрики «ГОЗНАК», представлена на рис. 4.5. Бумажная масса из машинного бассейна 1 подается насосом на конический рафинер 2, после чего она поступает в бак постоянного уровня 3. Далее разбавляется и перекачивается смесительным насосом первого разбавления 4 (марка 370 Бв) в ВО 5. Очищенная масса разбавляется оборотной водой перед смесительным насосом второго разбавления 6 (марки 8иЬ2ЕК ZPP 3 1-400) и подается в узлоловители 7 (типа УЗ-13) и далее в напорный ящик 8. Рабочая скорость БМ 340 м/мин.

В рассмотренных коротких линиях МПС возможно выделить следующее однотипное оборудование, которое выполняет одни и те же функции. Машинный бассейн предназначен для создание запаса массы и для обеспечения постоянства композиции. Для постоянства давления во всасывающей линии насоса служит бак постоянного уровня. Назначение смесительного насоса - нагнетание и разбавление до нужной концентрации бумажной массы. Функции ВО — отделение от бумажной массы «тяжелых» включений. Для удаления из бумажной массы крупных включений волокнистого происхождения используют напорные сортировки. Напорный ящик создает равномерный поток бумажной массы, выпускаемой на сетку. 1 3 5 7 8

МП1

Рис. 4.5. Схема массоподводящей системы бумагоделательной машины №3 Краснокамской бумажной фабрики

В задачи данной работы не входит исследования работы напорных ящиков, но учитывая что этот гидравлический аппарат влияет на качественные показатели бумажного полотна, приведем общие сведения о напорном ящике. Все исследуемые ящики закрытого типа с воздушной подушкой, кроме напорного ящика гидродинамического типа в Соликамском ЦБК. Скорость напуска массы на сетку напорным ящиком с воздушной подушкой регулируется изменением общего напора на уровне напускной щели, который складывается из уровня массы в напорном ящике, поддерживаемого постоянным, и давления воздуха, подаваемого в напорный ящик. В напорном ящике гидродинамического типа скорость напуска массы на сетку регулируется напором бумажной массы, подаваемой в напорный ящик.

В некоторых (ОАО «Архангельский ЦБК» и ОАО «Соликамскбум-пром») МПС установлен гаситель пульсации для уменьшения амплитуды колебания давления бумажной массы.

4.2.2. Смесительные и массные насосы

Центробежные насосы отличаются по напору и производительности, по виду подвода массы, по конструкции крыльчатки и количеству лопастей, по виду привода, по ориентации крыльчатки и т.д. Некоторые технические характеристики и конструктивные особенности обследованных насосов представлены в табл. 4.1.

Обследованные насосы имеют производительность от 720 до 2750 м3/ч и напор от 10 до 44 м. в. ст. Смесительный насос с односторонним подводом массы (рис. 4.6) установлен на ООО «Неманский ЦБК».

Рис. 4.6. Смесительный насос с односторонним входом: 1 - корпус; 2 - крышка; 3 - рабочее колесо; 4 - вал; 5 - сальник; 6 - подшипник

В Архангельском ЦБК, Соликамском ЦБК, Краснокамской бумфабри-ке и «Пермском картоне» установлены смесительные центробежные насосы двустороннего входа (рис. 4.7).

Принцип работы центробежных насосов заключается во взаимодействии жидкости с лопастями рабочего колеса. При вращении крыльчатки, жидкость в межлопастном пространстве отбрасывается на больший радиус и замещается жидкостью из всасывающей трубы из-за созданного пониженного давления в центральной части. Центробежные лопастные насосы являются источником пульсации.

Рис. 4.7. Смесительный насос с двусторонним входом: 1 - корпус; 2 - крышка; 3 - рабочее колесо; 4 — вал; 5 - сальник; 6 - подшипник

4.2.3. Сортировки с гидродинамическими лопастями

Широкое распространение получили узлоловители типа УЗ-13. Схемы МПС отличаются только количеством сортировок в схеме и приводом. У всех узлоловителей привод от электродвигателя осуществляется через ременную передачу с различными передаточными отношениями. Некоторые технические данные узлоловителей представлены в табл. 4.2.

Принципиальная схема сортировки с гидродинамическими лопастями представлена на рис. 4.8.

Подача массы

Выход массы

Расположение лопастей

Рис. 4.8. Сортировка с гидродинамическими лопастями: 1 - сито; 2 -лопасти; 3 - корпус; 4 - ротор