钢坯修磨机故障率的分析及优化

 

高合金棒线材公司钢坯修磨机故障率居高不下,严重影响钢坯修磨产量和合同交付率。公司成立六西格玛项目小组,利用六西格玛分析方法对问题进行原因查找,并制定一系列改善措施,最终使得钢坯修磨机的故障率大幅降低,满足了后部轧制工序的需求。...

钢坯修磨机故障率的分析及优化
张皆杰  王远平
(东北特殊钢集团有限责任公司  邮编:116105  Email:6s@dtsteel.com)
摘要:由于集团高合金棒线材公司钢坯修磨机故障率居高不下,严重影响了钢坯修磨产量和合同交付率。因此,公司特别成立了六西格玛项目小组,利用六西格玛分析方法对问题进行了原因查找,并制定了一系列改善措施,最终使得钢坯修磨机的故障率大幅降低,满足了后部轧制工序的需求。

关键词:钢坯修磨机;六西格玛;故障率;故障树;FMEA

Analysis and Optimization of Failure Rate forthe Steel Grinding Machine
ZhangJiejie   Wang Yuanping
(Dongbei Special Steel Group Co.,Ltd  Postcode:116105  Email:6s@dtsteel.com)


Abstract:Because of the high failure rateof the steel grindingmachine for the Dongbei specialsteel group  dalian high alloy bar and wirerod Co.,Ltd, the grinding production and the contract delivery rate have beenseriously affected. Therefore, the company set up a six sigma team, using thesix sigma analysis methods to find the reason, and then drawing up a series ofimprovement measures, to reduce the filature rate of the steel grinding machinefinally, so as to fulfill the requirement of subsequent rolling process.

KeyWords:Steel GrindingMachine; Six Sigma; Filature Rate;Fault Rree; FMEA
前 言
大连高合金棒线材有限责任公司四台钢坯修磨机在2009年开始正式调试使用,其设计生产能力为年产量7万吨,是钢坯轧制前的必备工序。但在经过一段时间的使用之后,钢坯修磨机故障频发,导致修磨机产量无法满足合同交付要求。统计历史数据得出,四台钢坯修磨机月平均热停时间29768分钟,平均故障率为17.02%,已经给修磨正常生产造成了巨大影响,修磨机设备故障率问题亟待解决。因此,公司将《降低钢坯修磨机设备故障率》设为三期六西格玛项目之一,希望通过系统的分析和优化,减少设备热停时间,降低故障率,打破生产瓶颈。
1 钢坯修磨机简介
东北特钢集团大连基地环保搬迁项目引进的钢坯修磨机具有点修磨和线修磨的功能,其核心设备包括上料台、修磨机组、下料台、除尘系统,于2009年建造完成。该修磨机修磨的钢种有:不锈耐热钢(包括奥体氏、铁素体、奥氏体-铁素体、马氏体、Cr-Mn-Ni等)、合结钢、弹簧钢、碳结钢、轴承钢、齿轮钢等不同钢种,为轧制提供优质的坯料做准备。修磨机部分主要参数如下:

2 问题描述
2012年2-7月,棒线材公司修磨区域4台钢坯修磨机故障率月月居高不下,甚至在6、7月还有进一步恶化的趋势,4号修磨机设备7月份故障率最高达23.5%, 3月份最低也有10.67%(图1),已经严重影响正常生产,无法满足后部轧机区域的坯料正常供给,对公司的合同交付率产生影响。

3 问题分析
为了掌握修磨机设备的运行现状,项目团队对2013年2-7月份的数据进行了收集,并对修磨机停机原因进行了分析,绘制了2013年2-7月份修磨机停机时间Pareto图,从柏拉图上可以看出,橙色部分代表的热停时间是最为突出的停机原因。

为保证数据真实可靠,在进行分析改善前,项目团队首先对热停机时间的统计进行了测量系统分析,确认系统可靠后,团队对修磨机故障部位展开了具体分析。

在查找问题原因的过程中,项目团队分别使用了柏拉图、故障树、FMEA等分析工具对问题产生的原因进行了分析。具体分析过程如下:

图2为1-4号修磨机设备2-7月份热停时间和热停次数的柏拉图[1]。由图可以看出,无论是从热停时间还是热停次数来看,4台钢坯修磨机的关键故障部位都是磨头、台车以及上料台。根据柏拉图分析,项目团队将钢坯修磨机设备的磨头、台车、上料台为重点解决部位。



通过故障时间和次数的柏拉图找出影响修磨机故障率的关键部位为磨头、台车、上料台,



利用故障树[2]对这三个关键部位的故障进行分类,将其带入FMEA[3]进行风险评价后,确定出影响修磨机故障的占80%以上的16个关键影响因子(见表2)。

利用FMEA进行风险评价后,根据RPN[3]值的大小,共找出具有关键影响的因子16个,并对其中8个可以快速改善的因子进行了改善(见表3)。

4 改善细节
4.1上料台链架改造

链架承重梁采用槽钢结构,当放置钢坯时会使梁受力不均匀而变形,链条阻力增加,导致链条频繁断裂,同时对驱动链条减速机的寿命也有影响。因此,新的链架选择工字钢结构,使链架横梁受力均匀,避免了变形,从而使链条阻力减小,避免了链条断裂(图3)。



4.2 磨头砂轮罩改造

磨头砂轮罩在设备运行过程中频繁掉落,不但影响磨头、皮带、皮带轮、电机的使用寿命,而且威胁操作人员的人身安全。针对这个故障,首先利用Solidworks软件对磨头进行三维建模,然后通过磨头最大转速和最大压力的工作参数,对磨头砂轮罩进行有限元分析(颜色越鲜艳的部位代表受力越大),从图上可以看出,6个螺栓孔受力最强。现用螺栓孔直径较小,导致砂轮罩与磨头法兰螺栓的连接强度不够,螺栓容易断裂,使砂轮罩震动加剧,频繁掉落。因此,将砂轮罩原来M16的螺栓改为M20的螺栓,将与砂轮罩连接的磨头法兰螺栓孔改为Φ20的孔(图4)。

5 快改效果确认
经过对8个影响因子的快速改善,项目效果非常显著,从下面展示的故障率的时间序列图和产量的时间序列图可以看出,经过改善的实施,故障率已经处于明显下降状态,而产量也在逐步提升(图5)。



初步改善后,修磨机的故障率由原来的17.02%下降至10月份的8.2%,但距离项目目标仍然有一定差距,需要通过其他因子的改善来继续提高。
6 其他因子改善
经过前期的快速改善后,共剩余仍有8个关键因子需要进一步分析解决。具体包括:除尘风量、维修人员操作方法、磨头润滑齿轮泵、违章操作、 Profibus电缆、电机绕组温度、滑车车轮结构、台车夹紧液压缸。

6.1 除尘系统改造

修磨钢坯时会产生大量粉尘,大颗粒粉尘由于自身重力沉降到除渣车内,小颗粒粉尘通过螺旋卸灰器清理。提高除尘风量,可以改善操作环境,避免修磨钢坯时产生的灰尘通过透气帽[4],进入液压和润滑系统,对液压元件造成损坏;避免了铁屑进入皮带轮,对皮带轮和皮带造成磨损;减少灰尘对光电开关的污染。因此,项目团队对修磨机的除尘系统进行了改造,其计算过程如下:

6.1.1除尘风量计算

为了保证罩内形成一定的负压,必须满足密闭罩内进气和排气量的总平衡。其排气量Q3等于被吸入罩内的空气量Q1和污染源气体量Q2之和,但是理论上计算Q1和Q2是困难的,一般按照经验公式计算排风量,计算公式[5]如下:



式中,K为安全系数,一般取K=1.05~1.1;v为通过缝隙或孔口的速度,一般取1~4m/s;
为密闭罩开启孔及缝隙的总面积,m2;Q2、Q3为污染源气体量和总排气量,m³/h。

经计算Q3=3600×1.1×4m/s×2.7㎡=42768 m³/h。原有除尘风量为27288~32745m³/h,因此,需要重新选择除尘风机。根据除尘器阻力为1200Pa,同时,考虑管道和弯头的压力损失。选择风机型号为G4-73No11D,风机风量为41000~47000 m³/h,风机全压3986~4003Pa。

6.1.2除尘管道直径计算

管道直径计算公式[5]如下

式中Q为气体流量,m³/h;D为圆形管道内径,m;Vg为管道内的气体流速,m/s。

根据表(4)选择管道风速,如下:

由于修磨机产生粉尘属于金属粉尘,选择管道风速大于23m/s。

经计算管道直径D=735mm。原除尘器管路为700mm,从成本考虑,决定不改造除尘管路。



6.1.3过滤风速的选择

过滤风速是决定除尘器性能的一个很重要的因数。过滤风速越高会造成压力损失过大,降低了除尘的效率,使滤袋堵塞和损坏。但是,或高的过滤风速可以减少过滤面积,以较小的设备来处理同样体积的气体。一般过滤风速可掌握在0.5~2m/min之间,此数字是决定除尘性能及经济效益的关键。

6.1.4过滤面积计算

过滤面积是指起滤尘作用的滤料有效面积,以m2计。过滤面积按下式计算。



式中,S为除尘器有效过滤面积,m2;Q为处理风量,m3/h;Vf为过滤速度,m/min。

经计算所需过滤面积S=42768( m3/h)/60×1.72(m/min)=414.42m2

6.1.5滤袋尺寸计算

原除尘器过滤面积为200m2,因此需要改造。由于原除尘器滤袋条数为176条,布袋尺寸为Φ150×3000,从成本角度考虑,选择改造后的除尘器滤袋数量和直径不变,通过增加布袋长度,从而增加过滤面积。

布袋数量计算公式(1-4)如下:



式中,n为滤袋数量;S为过滤面积,m2;Sd为单条滤袋面积。

有Sd=414.42m2/176=2.35 m2

滤袋长度根据下式(1-5)计算:



式中,L为布袋长度,mm;d为布袋直径,mm。

因此,L=2.35m2/3.14×0.150m=4.989m

故将原有的布袋型号改为Φ150×5000。同时,由于布袋长度增加,需要增加箱体高度2m。

通过以上计算,为了节约改造成本,对除尘管路不进行改造。通过增加箱体高度、布袋长度和风机风量,增大除尘系统的过滤面积,满足除尘风量的要求,改善除尘效果。

6.2 技术文件的修订

通过FMEA分析,制定更加合理点检标准,维修作业标准,润滑标准和设备使用、维护、操作规程。实现了定期设备保养,提高设备可动率,降低设备故障。自主保证了设备作业人员对设备的保护,找出设备的加油、紧固、润滑的周期,提高员工的全员参与和持续改进的意识。
7 项目效果验证
经过上述一系列改善措施的实施后,钢坯修磨机故障率较改善前有了显著降低,其故障率由立项时的17.02%降到了2.91%(目标5%),成功完成目标(图6)。

8 结论
通过设立六西格玛项目,团队利用六西格玛方法、工具,找到了造成修磨机故障率较高的关键因子。通过对相关因子实施有效改善后,使得修磨机故障率得到了有效控制,由改善前的17.02%降到了2.91%。项目结束后,通过近一年的效果跟踪验证显示,项目改善效果持续保持良好。保障了后部轧机工序坯料的供给,创造了可观的经济效益。

参考文献:

[1]马逢时,周暐,刘传冰.六西格玛管理统计指南-MINITAB使用指导(第二版).中国人民大学出版社,2013

[2]刘东,张红林,王波,刑维艳.动态故障树分析方法.国防工业出版社,2013

[3]马林,何桢.六西格玛管理(第二版).中国人民大学出版社,2007

[4]陈隆枢,陶晖.袋式除尘技术手册.机械工业出版社,2010

[5]张殿印,王纯.脉冲袋式除尘器手册.化学工业出版社,2010


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