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 150 400 «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, 2008 г. (УГЛТУ, Екатеринбург) — Евразийском симпозиуме «Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века» 2009 г. (УГЛТУ, Екатеринбург) — на второй международной научно-практической конференции «Сервисное обслуживание в ЦБП» 2010 г. (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.

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, ВОна 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 10 816−1-97[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 26 563–85 [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 26 563–85, 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