Вопросы энергетической безопасности, предотвращение техногенных аварий и катастроф, контроль за качеством на производстве, снижение затрат и времени на ремонт оборудования и соответственно повышение производительности труда сегодня одни из самых актуальных в современной российской промышленности.
Авторы: Глеб Чистяков
Источник: журнал «Умное производство» №6 от 12.2008г.
Вопросы энергетической безопасности, предотвращение техногенных аварий и катастроф, контроль за качеством на производстве, снижение затрат и времени на ремонт оборудования и соответственно повышение производительности труда сегодня одни из самых актуальных в современной российской промышленности.
На многие, вчера еще не разрешимые проблемы отечественной наукой уже даны ответы. Круглый стол, посвященный современным методикам контроля и диагностирования машин и оборудования состоялся на кафедре "Метрология и взаимозаменяемость" Московского Государственного Технического университета. В беседе приняли участие: М.И. Киселев, заведующий кафедрой "Метрология и взаимозаменяемость" МГТУ имени Баумана, доктор физико-математических наук, профессор, В.И. Пронякин, заместитель заведующего кафедрой "Метрология и взаимозаменяемость" по научной работе, кандидат технических наук, А.С. Комшин, аспирант, ассистент кафедры "Метрология и взаимозаменяемость", Г.С. Чистяков, заместитель редактора журнала "Умное производство".
Г.С. Чистяков
- Сегодня индустриальное общество развитых стран вступило в принципиально новую полосу экономического и технического развития. Конкурентная борьба ведется за каждое евро, каждый доллар себестоимости, за каждую долю коэффициента полезного действия, за каждый процент производительности труда. В этих условиях особенное значение получает непрерывность промышленного или энергопроизводственного цикла, когда час или даже минута ремонтного или аварийного простоя грозят обернуться многомиллионными потерями.
В особой степени это касается нашей страны. Физический и моральный износ основных средств производства в российском машиностроении достиг критического уровня (от 65 до 75%). Выбытие основных фондов идет с темпом 1,5-2,5% в год, тогда как годовой темп обновления технологической базы не превышает 0,1-0,5%.
Конечно, оптимальным решением этой проблемы могло бы стать полное техническое перевооружение и реиндустриализация страны. Но в нынешних экономических и социальных условиях это невозможно. Поэтому наиболее очевидным путем выхода из опасной ситуации является создание "умных систем" контроля за энергетическим и техническим производством. Значительные наработки в системах мониторинга, оценки и прогноза состояния технологических устройств в этом направлении сделаны учеными Московского Государственного Технического Университета имени Баумана.
М.И. Киселев
- Основы современной науки, подходы закладывались при участии Галилея в преодолении господствовавших воззрений Аристотеля, отрицавшего возможность движения по инерции. Именно к Галилею восходят истоки критериев отличия движения от покоя. Закон инерции, включенный Ньютоном в систему законов классической механики, вошел в фундамент науки на все времена. Сам же Ньютон, используя всю мощь математики, успешно применял законы механики к детальному изучению движения (пространственных перемещений) взаимодействующих тел.
Законы механики Ньютона дали первый пример научного прогноза - траекторного, при движении небесных светил. Таким образом, классическая механика решила проблему расчета движения тел, деталей машин и механизмов. Однако с развитием техники проблемы описания поведения машин, оценки и прогноза их технического состояния резко усложнились. Уже мало знать, как тот или иной механизм выполняет заданные ему действия. Нужно представлять его поведение в процессе эксплуатации в той или иной критической ситуации.
Естественно, что ответы на все эти вопросы зависят от множества факторов.
Установлено, что здесь важны не только значения параметров конструкционных материалов в момент начала эксплуатации машины, но вся их предыстория. Знаменательно, что профессор нашего факультета А.М. Дальский создал научную школу в области проблем технологической наследственности. Таким образом, даже условия хранения металла, из которого изготовят детали, повлияют на судьбу машины.
Эти важнейшие для техники обстоятельства проявились только в последние два десятилетия.
Как вопросы безопасности эксплуатации машин решались ранее?
Еще лет тридцать назад, когда в эксплуатацию поступали станок, турбина или самолет, то в строго определённый срок каждый год или чаще, проводились обязательные профилактические регламентные работы, затем столь же обязательные ремонты. Такая практика позволяла избегать аварий, катастроф из-за технических причин.
Но сегодня ситуация иная. Настали такие времена, что техника не возобновляется. Наша страна превратилась в полигон испытания стареющих станков, машин и агрегатов. Естественно учащаются и аварии, катастрофы. Это бедствие не обошло ни одну отрасль. Фактически это стало настоящим вызовом современной инженерной науке. Как предсказать возможную аварию? Как дать прогноз ресурса механизма?
Оказалось, что наиболее точным и информативным источником в этой области являются фазохронометрические параметры рабочего цикла. За счет накопленных результатов измерений в виде временных рядов, представляющих своего рода историю и предысторию "болезни" можно очень точно предсказывать, что произойдет с тем или иным механизмом. Когда на нашей кафедре стали исследовать этот вопрос, то оказалось что применяемые математические модели не вполне пригодны для тех точностей, которые дает фазохронометрический метод. Пришлось разрабатывать новые математические модели, новый математический аппарат, "техническую математику". Если взять любой современный справочник, касающийся таких физико-механических параметров материалов, как плотность, прочностные модули, то оказывается, что они известны с точностью до двух-трехзначных цифр. Это на практике означает проценты, и даже десятки процентов. Такова исходная неопределенность знания о конструкционных материалах современной техники. То есть точного прогноза поведения конструкции, изготовленной из такого материала дать по этим параметрам нельзя. Чтобы обеспечить надежность, долговечность и эффективность работы изделия необходимо подвергнуть его длительным испытаниям в процессе конструкторско-технологической отработки. Однако расширение объема имитационных испытаний на все возможные случаи связано с резким возрастанием затрат.
Очевидно, необходим переход к принципиально новой концепции информационно-метрологического обеспечения индустриально-промышленного процесса - единого процесса создания и эксплуатации машин и механизмов.
В соответствии с нашей концепцией открывается новая возможность контроля и мониторинга работы любой циклической машины и механизма. Необходимые встроенные системы могут устанавливаться уже сразу, во время изготовления механизма, будь то металлообрабатывающий станок или вертолет. И мы можем получать точные данные о состоянии объекта на протяжении всего этапа его функционирования. Эту информацию могут использовать не только эксплуатирующие технику, но и ее разработчики, изготовители.
Но, к сожалению, не все к этому еще готовы. В свое время было отправлено письмо министру промышленности и энергетики Христенко, в котором было указано, что наша теплоэлектроэнергетика подходит к критической черте. Это означает, что когда рванут два-три агрегата, таких как на Каширской, а затем на Рефтинской ГРЭС, то будет потерян запас устойчивости Единой энергетической системы. Сработает автоматическое отключение, каждая электростанция замкнется сама на себя и исчезнет как таковая Единая энергетическая система страны! Вспомните, как в США обесточивались целые штаты… Подобное возможно и у нас. Это письмо подписали руководители крупных научных, учебных учреждений и производственных предприятий. Там было сказано о возможных социальных и экономических последствиях. Страшно представить, что произойдет, если электричество отключится зимой. А цена вопроса, скажем для энергетики - 250 млн рублей. Это половина цены одного заурядного турбоагрегата. В конце концов, был получен ответ: "Занимайтесь пока экспериментами на моделях, а мы вас не забудем".
В.И. Пронякин
- Вы можете видеть фотографии последствий аварий турбоагрегатов на Каширской и Рефтинской ГРЭС. Штатное оборудование этих электростанций не смогло справиться с аварийными ситуациями. Разрушения серьезны, экономические потери огромны. А сколько таких аварий нам еще предстоит пережить? Выработка ресурса турбоагрегатов на иных электростанциях достигла 60-70%. Одна такая авария способна нанести урон размером в 1-2% от мощности всей энергетической системы.
Что касается энергетики, турбин, то разработанные нами прецизионные фазохронометрические системы способны делать следующее:
1. Тестовую диагностику технического состояния функционирующего турбоагрегата (системы валопровод турбины + ротор генератора + опоры)
2. Оценивать текущее техническое состояние технических комплексов с прогнозом необходимого ремонта. Это позволяет перейти от традиционной, старой, но ныне неработающей схемы планово-предупредительных ремонтов к ремонту по фактическому состоянию устройств.
3. Производить точное измерение частоты вращения валопровода турбоагрегата в целях нормированного первичного и автоматического вторичного регулирования частоты и перетоков активной мощности.
4. Измерять параметры крутильных колебаний валопровода.
5. Регистрировать накопления усталости в металле валопровода под воздействием крутильных колебаний. Оценивать остаточный ресурс.
6. Измерять угол скручивания валопровода турбоагрегата в рабочем режиме.
7. Регистрировать быстропротекающие процессы, не фиксируемые штатным измерительным оборудованием. Это очень важный пункт, потому как многие разрушительные для оборудования процессы происходят под воздействием внешней сети, например, во время гроз, перегрузок, включения и выключения генератора.
8. Разрабатывать методы раннего диагностирования трещин в валах функционирующего турбоагрегата.
Если сравнивать фазохронометрический метод с виброакустическим, то видна огромная разница в чувствительности методов. При использовании виброакустики турбина до регистрации критической вибрации может пройти до 300 оборотов. Фазохронометрия в такой же ситуации использует 1-3 оборота, что составляет около 0,06 секунды.
Наша работа начиналась на приборах точной механики, главным образом на часовых механизмах, которые используются в космических аппаратах и ракетах. Требовалось добиться уникальной надежности работы таких механизмов. Данная информационная технология опробована на редукторах, подшипниках, двигателях внутреннего сгорания и других подобных устройствах.
А.С. Комшин
- Интересно, что данный способ мониторинга можно применять на устройствах самого разного размера и при самых разных условиях эксплуатации. От самых миниатюрных до электрогидроагрегатов, которые весят до полутора тысяч тонн и занимают помещения величиной с девятиэтажный дом.
Г.С. Чистяков
- В таком случае стоит сказать несколько слов о возможностях использования этих новых методик в системах контроля качества. Насколько это возможно и какие перспективы при этом открываются? Не секрет, что качество выпускаемых ныне российской промышленностью деталей, запчастей значительно упало по сравнению даже с периодом существования СССР.
М.И. Киселев
- Уже в 80-е годы ставились вопросы безразборной диагностики, контроля качества не только на этапе выхода продукции из заводских цехов, но и в ходе сборки, изготовления, и даже на подготовительных этапах, а также в период гарантийного и послегарантийного обслуживания. Всем ясно, что безразборная диагностика позволяет экономить колоссальные средства. Разрабатываемый нами фазохронометрический подход, отмеченный золотой медалью в Женеве, открывает пути для реализации объективных сертификационных испытаний, создания эффективных систем входного и выходного контроля промышленной продукции.
А.С. Комшин
- Когда, например, тормозные колодки разрушаются через два месяца работы, то это связано со свойствами конструкционных материалов. Нами разрабатывается методика определения параметров конструкционных материалов (модуль упругости, коэффициент вязкости, собственной циклической частоты) деталей функционирующих механизмов.
М.И. Киселев
- Это можно назвать оперативным прецизионным материаловедением, контролем за поведением материалов не в лабораторных условиях, а в процессе эксплуатации. Можно сказать, появляется новая научная дисциплина.
В.И. Пронякин
- По контролю качества изделий открываются самые широкие, ранее неизвестные перспективы. Вот, например, когда мы видим только что изготовленные изделия, то они кажутся на первый взгляд идентичными. Вроде бы те же параметры, тот же металл, одинаковая обработка, сборка и регулировка. Однако когда начинаем проверять изделия на фазохронометрических системах мы видим, что все они имеют свою индивидуальность. И в некоторых из них может быть выявлен скрытый брак.
Из производственной практики известно, что конструктивные доработки турбоагрегата не всегда давали положительный результат. При новом методе возможно сравнение вариантов, выбор материала и технологии его обработки. Вплоть до выбора будущей смазки для разрабатываемого изделия. Но для этого необходимо также создание новых математических моделей.
Отмечу, что такие подходы позволяют технически и инструментально обосновано оценивать качество промышленной продукции, но внедрение таких методик встречает сопротивление.
Метод относится к наукоемким, умным технологиям. Датчики, информационно-измерительные системы и прочее железо составляют лишь 10% стоимости. Остальное - это анализ, методики, алгоритмы и программы. А внешне все просто: вращающийся диск, устройство, формирующее и принимающее световой поток, электронные блоки и обрабатывающая ЭВМ (см. рисунок).
М.И. Киселев
- Действительно, можно резко сократить период испытаний за счет многофакторных вычислительных экспериментов. Здесь работает прикладная специализированная математика. И вот что интересно: математическое моделирование, математические модели изделий становятся таким же компонентом производства, как энергия, материалы и пр. Этими моделями может пользоваться любое конструкторское бюро. Исходными данными для составления таких математических моделей являются конструкционные параметры, содержащиеся в нормативно-технической документации. Их можно менять как угодно, экспериментировать, не изготавливая реальных устройств. Вот по-настоящему умное производство!
Уже не просто квалифицированный рабочий становится к станку, а высококлассный специалист во всеоружии математики, а не только производственного опыта руководит процессом создания изделия, контролирует качество производства.
Вообще хочется сказать, что достигнутый уровень точностей фазохронометрического метода при относительной погрешности не более 5•10-4% от номинала, позволяет двигать вперед не только машиностроение, приборостроение, технологии их производства, его безопасность, но и развивать науку, то есть получать новые знания - принципиально новое видение машин и механизмов.
И сегодня главной нашей задачей является уже не только получение новых результатов, но и непростая борьба за их внедрение в нашу промышленность, машиностроение, энергетику.
