Identyfikacja problemów gotowości mechanizmów walcarki ukierunkowana na optymalizację

Transkrypt

1 WIERZBA Arkadiusz 1 MADEJSKI Rafał 2 WOJTYTO Dorota 3 Identyfikacja problemów gotowości mechanizmów walcarki ukierunkowana na optymalizację WSTĘP Problem dotyczący awaryjności, oraz napraw nieplanowanych w procesach produkcyjnych, a zwłaszcza w tak złożonym i skomplikowanym procesie, jakim jest walcowanie materiałów jest niezwykle istotny. Obecnie we wszystkich zakładach produkcyjnych w różnych gałęziach przemysłu, bez względu na branżę, podstawowym wskaźnikiem monitorowanym w sposób ciągły jest maksymalne wykorzystanie czasu dostępnego do wyprodukowania wyroby finalnego. Wskaźnik ten bezpośrednio przekłada się na koszty wyrobów gotowych, jakie musi ponieść zakład produkcyjny, aby uzyskać produkt finalny. Koszty takie są determinowane między innymi przez niespodziewane awarię oraz przestoje a także poziom gotowości maszyn i urządzeń wchodzących w skład procesu produkcyjnego. Gotowość maszyn i urządzeń należy rozumieć po przez zdolność do planowanego czasu produkcji, przyjmując następującą zależność; gotowość jest tym większa im mniejsza jest liczba nieplanowanych przestojów oraz niespodziewanych awarii. Rozpatrując gotowość mechanizmów nastawczych oraz napędów walcarki w skali przemysłowej możemy się skupić na pojedynczym zespole walcarki duo w skali mikro a tym samym dotykać bardzo ważnego problemu awaryjności i polepszenia wydajności poprzez modernizacje. Nieplanowany przestój - awaria, maszyny jest niezwykle kosztowna i niesie ze sobą bardzo olbrzymie straty finansowe już w skali mikro, a straty w skali przemysłowej mogą zatrzymać cała linie produkcyjna a tym samym wtrzymać funkcjonowanie procesu produkcji, ponieważ czas, jaki trzeba przeznaczyć na przywrócenie tak niezwykle skomplikowanych maszyn do przeznaczonego cyklu pracy jest bardzo duży. Przedstawione w artykule działania miały na celu podniesienie poziomu gotowości mechanizmów walcarki oraz optymalizację czasu pracy na uzyskanie jednostkowego wyrobu finalnego zgodnego z normami odbiorczymi[1]. 1. CHARAKTERYSTYKA WALCOWNI Walcownią nazywamy wydział zakładu przemysłowego, najczęściej huty, albo wydzielony zakład przemysłowy, w którym podstawową metodą produkcyjną jest proces walcowania. W zależności czy proces jest prowadzony na gorąco czy na zimno, rozróżniamy walcownie gorące i zimne. Walcownie dzieli się według rodzajów walcowanych na nich wyrobów. Rozróżnia się, więc walcownie bruzdowe (wyroby długie), walcownie blach grubych i cienkich oraz taśm, walcownie rur i walcownie różnych wyrobów specjalnych [2]. Walcownie klasyfikuje się według różnych parametrów. Podział na rodzaje walcowni odbywa się w zależności od warunków, w jakich przebiega proces walcowania oraz w zależności od produkowanego asortymentu i wymiarów. W zależności od warunków rozróżnia się walcownie na gorąco, walcownie na zimno oraz tak zwane walcowanie na ciepło tuż poniżej 1 Politechnika Częstochowska Wydział Inżynierii Produkcji i Technologii Materiałów Instytut Przeróbki Plastycznej i Inżynierii Bezpieczeństwa Zakład Modelowania Procesów Przeróbki Plastycznej Al. Armii Krajowej 19 Tel / Faks arkadiusz_wierzba@wip.pcz.pl 2 Politechnika Częstochowska Wydział Inżynierii Produkcji i Technologii Materiałów Instytut Przeróbki Plastycznej i Inżynierii Bezpieczeństwa Zakład Automatyki i Aparatury Elektronicznej Al. Armii Krajowej 19 Tel / Faks arkadiusz_wierzba@wip.pcz.pl 3 Politechnika Częstochowska Wydział Inżynierii Produkcji i Technologii Materiałów Instytut Przeróbki Plastycznej i Inżynierii Bezpieczeństwa Al. Armii Krajowej 19 Tel / Faks arkadiusz_wierzba@wip.pcz.pl 6683

2 temperatury rekrystalizacji. Walcowanie na gorąco, odbywa się w temperaturze zapewniającej rekrystalizację materiału, a tym samym zmniejszenie nacisku jednostkowego niezbędnego do jego odkształcenia. Walcowanie na zimno, a więc przeprowadzane w temperaturze poniżej temperatury rekrystalizacji, stosuje się do wytwarzania płaskich wyrobów o niewielkiej grubości jak blachy, taśmy, folie czy pręty i rury o małych średnicach. Walcowanie na zimno zapewnia dużą dokładność, co do pożądanych wymiarów i kształtu, gładką powierzchnię produktu i podwyższoną wytrzymałość wyrobów. Walcowanie jest procesem wieloetapowym, dzięki czemu możliwe jest uzyskanie wyrobów hutniczych o pożądanych wymiarach i parametrach. Natomiast w zależności od asortymentu rozróżnia się: walcownie półwyrobów obejmujące zespoły wstępnego przerobu. walcownie wyrobów gotowych: walcownie bruzdowe, w których produkuje się pręty, kształtowniki, walcówkę i bednarkę wąską (wyroby długie). Każda z walcowni można podzielić pod wieloma różnymi względami na bardziej szczegółowe podgrupy w zależności od średnicy walców i rozmiaru asortymentu [1]. W walcowni wyrobów długich można wyróżnić: walcownie szyn, walcownie duże, średnie i małe (drobne) oraz walcownie walcówki i taśm (blachówek). Walcownie można podzielić w zależności od kształtu walców na: zgniatacze zwykłe o średnicy walców: 1150 mm, zgniatacze uniwersalne o średnicy walców: 1150 mm, walcownie ciągłe kęsów o średnicy walców: 750/450 mm, walcownie szyn i ciężkich kształtowników o średnicy walców: 850 mm, typowe walcownie bruzdowe do walcowania stali profilowanych (duże o średnicy walców: mm, średnie o średnicy walców mm, małe o średnicy walców mm), walcownie drutu o średnicy walców 250 mm o średnicy 5-9 mm. Układ klatek roboczych na walcowni wyrobów długich może być bardzo zróżnicowany. Oprócz klatek z poziomym umieszczeniem walców, w walcowniach bruzdowych stosowane są klatki z walcami pionowymi, a także klatki o bardziej złożonej konstrukcji z pionowymi, poziomymi lub nachylonymi walcami pod odpowiednim kątem. Na Rys.1 przedstawiono najczęściej stosowane układy ułożenia walców. Klatki z pionowymi walcami stosowane są w przypadkach, gdy konieczne jest poprzeczne odkształcenie pasma bez jego kantowania. Podczas walcowania blach, bednarki lub płaskowników, klatki z walcami pionowymi stosowane są do odkształcania bocznych krawędzi pasma w celu nadania im dokładnego kształtu prostokątnego. Rys. 1. Podział walcowni w zależności od ułożenia walców: a- z poziomym ułożeniem walców ; b- z pionowym ułożeniem walców; c- walcarki uniwersalne ( poziome i pionowe ułożenie walców); d- ze skośnym ułożeniem walców [4] Równie istotnym podziałem walcowni jak w przypadku ułożenia walców jest ich liczba. Wyróżnia się podział walcowni pod względem ilości walców, najczęściej spotykane chodź nie jedyne, jakie występują w zakładach produkcyjnych to walcarki z dwom walcami roboczymi nazywane walcarkami 6684

3 duo (w klatce walcowniczej zamontowane są dwa walce robocze), których schemat przedstawiono na Rys. 2. Tego typu walcarki znajdują zastosowanie między innymi do walcowania w wykrojach (walcowanie szyn). Kolejnymi walcarkami, jakie można wyróżnić to trio, kwarto czy walcarki wielowalcowe, te ostatnie służą do walcowania cienkich blach bądź taśm wszystkie schematy podanych typów walcarek przedstawiono na Rys. 2. Rys. 2. Schemat walcarki wielowalcowej: a) duo, b) kwarto, c) sześciowalcowej, d) dwunastowalcowej. Pod względem rozmieszczenia klatek roboczych, można rozróżnić następujące typy walcowni: jednoklatkowe, liniowe, posobne, ciągłe, kombinowane (typu mieszanego). Walcownie jednoklatkowe najczęściej bywają nawrotne, ponieważ w jednej klatce dla uzyskania końcowych wymiarów pasma należy zrealizować kilka przepustów. Walcownie liniowe wyróżniają się tym, że klatki robocze umieszczone są w jednej linii z napędem od jednego silnika. Walcownia może mieć jedną lub kilka linii klatek. W walcowniach posobnych, klatki rozmieszczone są jedna za drugą, a pasmo przechodzi przez każdą klatkę tylko jeden raz, poruszając się cały czas do przodu. W związku z tym ilość przepustów jest równa ilości klatek. Prędkość walcowania w każdej kolejnej klatce wzrasta. Zasadniczą cechą walcowni posobnych jest to, że odległość pomiędzy klatkami jest większa niż długość walcowanego pasma. Dzięki temu pasmo najpierw całe wychodzi z poprzedniej klatki i dopiero potem jest podawane do klatki następnej. Walcownie ciągłe również mają szeregowe rozmieszczenie klatek, ale klatki usytuowane są blisko jedna za drugą w taki sposób, aby podczas ustalonego procesu walcowania, pasmo było odkształcane we wszystkich klatkach jednocześnie. W walcowniach ciągłych stosowane są największe prędkości walcowania pasma, a proces jest najczęściej w pełni zautomatyzowany, dzięki czemu uzyskuje się wysoką wydajność procesu. Jednakże efektywna praca tych walcowni wymaga bardzo dokładnego dostosowania prędkości walcowania we wszystkich klatkach. To ostatnie wymaganie jest bardzo 6685

4 trudno osiągnąć podczas walcowania kształtowników o złożonych kształtach, dlatego też walcownie ciągłe stosowane są przeważnie do walcowania prętów o stosunkowo prostych kształtach oraz rur Budowa zespołów walcowniczych. Podstawowymi urządzeniami do walcowania są walcarki i urządzenia pomocnicze, tworzące razem tzw. zespoły walcownicze. Walcarką (Rys.3) nazywamy urządzenie złożone zwykle z trzech zasadniczych zespołów: klatki walcowniczej, silnika napędowego oraz mechanizmu przenoszącego ruch obrotowy silnika na walce. Rys. 3. Schemat walcarki: 1 walce robocze, 2 łączniki, 3 walce zębate, 4 sprzęgło, 5 przekładnia zębata, 6 koła zamachowe, 7 silnik. Ogólnie można wymienić następujące składowe urządzenia walcarek: klatka walcownicza, sprzęgła i łączniki będące elementami łączącymi wały oraz walce i przenoszącymi momenty obrotowe. przekładnie zębate - używane, gdy liczba obrotów silnika jest inna, zwykle większa od liczby obrotów walców, klatka walców zębatych, będąca szczególnym przypadkiem przekładni zębatej dzielącej obroty z pojedynczego czopa na kilka walców napędzanych. Spotyka się również walcarki pozbawione klatki walców zębatych, w których walce robocze napędzane są indywidualnymi silnikami, Napędami głównymi nazywamy napędy walcarek wprawiające w ruch walce i wykonujące pracę walcowania. W myśl definicji walcarki ma ona zawsze jeden napęd główny. Do zespołów mechanicznych napędów łownych zaliczamy wszystkie urządzenia, mechanizmy i części przenoszące obroty od silnika do walców. W specjalnych procesach warunki pracy napędów głównych (liczba przepustów przypadających na daną walcarkę może wynosić kilkadziesiąt na godzinę) należą do bardzo ciężkich i są przedmiotem zmiennych obciążeń, które narastają i zanikają gwałtownie. Nowoczesne walcarki mają duże prędkości walcowania, a krótkie okresy chwytu wyrobu skutkują drganiami skrętnymi w układach przenoszących momenty skręcające. Drgania mogą być przyczyną obciążeń dynamicznych, a w dalszej konsekwencji naprężeń konstrukcji. Dynamika zmian obciążeń konstrukcji istotnie wpływa na przyspieszenie procesu ich zmęczeniowego zużycia [2]. 6686

5 Rys.4. Klatka walcownicza duo: 1 walce, 2 łożyska, 3 czopy, 4 stojaki, 5 śruby nastawcze, 6 nakrętki, 7 koło stożkowe, 8 wał, 9 wskaźnik odległości między walcami, 10 koło nastawcze. Mimo trudnych warunków oraz bardzo dużych obciążeń jakie przenoszą elementy walcarki wymaga się od nich dużej niezawodności, dąży się do minimalizacji nieplanowanych przestojów oraz nagłych awarii co tym samym zwiększa gotowość. 2. IDETYFIKACJA PROBLEMU POZIOMU GOTOWOŚCI WALCARKI W wyniku analizy istniejącego systemu walcowania na danej walcarce duo zidentyfikowano szereg kwestii i ograniczeń technologicznych koniecznych do rozwiązania w celu podniesienia skuteczności funkcjonowania oraz efektywności procesu walcowania Rozwiązanie tych problemów podjęto na przykładzie walcarki duo. Szczegółowo przeanalizowano system zarządzania przygotowaniem walców, będący ogniwem limitującym w procesie walcowania. Optymalne wykorzystanie walców ma kluczowe znaczenie dla potrzeb planowania i realizacji projektów badawczych Wydziału Inżynierii Produkcji i Technologii Materiałów. Zasadniczymi przeciwnościami wpływającymi na zapewnienie synchronizacji pracy walcarki jest m.in: przewidywanie czasów zużycia walców, redukcja czasu trwania postoju danej walcarki w wyniku przebudowy walców, obniżenie zużycia walców- na jednostkę produkcji, skrócenie procesu wygrzewania wsadu w piecu, Analiza tych wielkości pozwoli na wprowadzenie określonych działań pozwalających poprawić gotowość walcownicza. Z punktu widzenia potrzeb zarządzania projektami badawczymi realizowanym na walcarce duo na Wydziale Inżynierii Produkcji i Technologii Materiałów należy wskazać na problem, jakim jest planowanie eksploatacji zużycia walców. Konieczność przezbrojeń oraz brak możliwości przewidywania czasów trwania poszczególnych cykli ich przebudowy powoduje częste postoje walcarki, co stało się utrudnieniem w podejmowaniu terminowych badan walcowniczych[4]. 6687

6 3. METODYKA ROZWIAZYWANIA ZIDENTYFIKOWANEGO PROBLEMU GOTOWOŚCI WALCARKI. W celu rozwiązania zidentyfikowanego problemu gotowości walcarki stworzono cykl badan i metod pozwalających rozwiązać problem oraz wypracować schemat postępowania. określenie zużycia walców roboczych pracujących w klateczce walcarki z ostatnich 3 lat. Dane do analizy zbieramy w oparciu o raporty badan, sprawozdania z obrotu walcami w eksploatacji z poszczególnych miesięcy i innych, dokumentów. W rozważaniach brany jest długi okres czasowy ponieważ może się okazać ze z okresu trzech lat analizowano dane, nie są byt pod względem produkcji jednorodny. W tym czasie występowały okresy, w których walcowano stale niskostopowe, jak też okresy, w których ich nie walcowano, ale stosowane w tym czasie warunki walcowania nie zmieniły się istotnie. posługując się programem Statystyka wykonanie rozkładu prawdopodobieństwa trwałości walców przy walcowaniu określonego gatunku stali. Badania statystyczne opierają się na istniejących danych zanotowanych w kartotekach i raportach z działalności walców. Badania te jak i przesłanki teoretyczne stwierdzają, że naturalne zużycie walców podlega prawom rozkładu normalnego[4]. Założenie to oparto na twierdzeniu, że rozkład błędu dąży do normalnego wówczas, gdy błąd jest spowodowany sumą podobnie wpływających wzajemnie niezależnych czynników, na przykład podczas walcowania na gorąco takich jak: temperatura pasma, ustawienie walców, schemat kalibrowania, prędkość walcowania, rodzaj materiału walcowanego, twardość walców itp. za pomocą wyżej wymienionego programu oraz danych zużycia walców określić i wyznaczyć wskaźnik zużycia walców w klatce walcowniczej. Badając normalność rozkładu ilości walcowanego materiału między dwoma przetoczeniami walców - w myśl zasad statystycznych stwierdza, że naturalne zużycie walców podlega prawom rozkładu normalnego. wykonanie symulacji w programie system zarządzania walców w celu określenia wydajności walcarki, Symulacji procesów określania wielkości zużycia walców w procesie walcowania taśm salowych, z wykorzystaniem przestrzennego modelu deformacji ośrodka. Zastosowanie tego oprogramowania umożliwia określenie wartości zużycia narzędzi roboczych oraz pozwala na wyznaczenie położenia obszarów na powierzchni roboczej beczki walców, które są najbardziej narażone na uszkodzenia[5]. wykonanie prognozy czasu przebudowy/wymiany walców wykorzystując metodę sztucznej inteligencji w oparciu o system ekspercki. dokonanie porównań wyników z pomiarów z sytemu eksperckiego z pomiarami dokonanymi w warunkach naturalnych walcarki. WNIOSKI Podjęte działania identyfikacji problemów gotowości mechanizmów walcarki dotyczą obszaru walców walcarki, jednakże należy zaznaczyć, że badania te stanowią część większego projektu obejmującego swym działaniem cały proces walcowania. Poprzez identyfikacje problemu poziomu gotowości walcarki, osiągnięto zamierzone efekty: udało się wskazać metodykę rozwiązywania 6688

7 zidentyfikowanego problemu. Idetyfikacja i rozwiązanie problemu w skali mikro, czyli jednej walcarki daje możliwości zastosowania w obszarze przemysłowym. Streszczenie W artykule podjęto temat dotyczący identyfikacja problemów gotowość mechanizmów walcarki. Zaprezentowano charakterystykę walcarki i napędów głównych. Zaprezentowano tez przykładowe działania identyfikacji problemu poziomu gotowości walcarki, a także metodyka rozwiązywania zidentyfikowanego problemu. Identification of problems of efficiency of the mechanisms of roll to aim to optimization Abstract In the article the issues associated with identification of problems of efficiency of the mechanisms of roll was presented. The characteristic of roll and the main driving roll. The exemplary actions of identification of problems of the level of efficiency of roll and also the methodic of solution the identified problem was presented. BIBLIOGRAFIA 1. Dobrucki W.: Podstawy konstrukcji i eksploatacji walcowni. Wyd. Śląsk, Katowice, Gliwiński M., Szpytko J.: Approach to increase both operators safety and devices availability on the example of production process. Journal of KONES, v.17, no 1, p , Michlowicz E., Modelowanie zintegrowanych systemów transportowo-produkćyjnych w walcowni zimnej blach, Rozprawy Monografie, AGH, Kraków Niekurzak M.: Zastosowanie metod symulacji do skrócenia cyklu walcowania tasm stalowych z wykorzystaniem modelu zużycia walców. 18, Szpytko J.: Kształtowanie procesu eksploatacji środków transportu bliskiego. Wydawnictwo Instytutu Technologii Eksploatacji, Kraków-Radom, 2004, 6689