3

Studium przypadku awarii sterowania odwijakiem prostowarką podajnikiem 3 w 1: analiza przyczyn źródłowych, schemat naprawy i specyfikacja konserwacji zapobiegawczej

Niniejszy przypadek opiera się na komórce produkcyjnej do tłoczenia wyposażonej w serwoprasę precyzyjną o nacisku 200T i trójfunkcyjny odwijak prostowarkę podajnik serii HCK. Urządzenie jest używane do ciągłego tłoczenia obudowy ze stali nierdzewnej do akumulatorów nowej generacji, surowcem jest taśma ze stali nierdzewnej SUS304 o grubości 0,6 mm i szerokości 180 mm. Cała linia produkcyjna pracuje w trybie ciągłej produkcji dwuzmianowej, a urządzenie jest w użyciu od 18 miesięcy, ze średnią miesięczną liczbą cykli wynoszącą 1,8 miliona. Podajnik 3 w 1 integruje hydrauliczny odwijak rozprężny, wielorolkowy mechanizm prostowania, jednostkę wykrywania naprężenia i serwopodajnik rolkowy. Nawijak materiału jest wyposażony w pneumatyczny hamulec cierny, a zamknięta pętla sterowania naprężeniem jest realizowana za pomocą czujnika naprężenia + PLC + regulacji momentu hamowania. Znamionowa prędkość robocza wynosi 80 cykli na minutę, a docelowy stabilny zakres naprężenia dla tej specyfikacji taśmy wynosi 12-20 N.

Zjawisko awarii pojawiło się po raz pierwszy podczas produkcji nocnej. Operator zauważył lekkie falowanie na krawędzi taśmy ze stali nierdzewnej. W tym czasie klient podejrzewał, że surowiec miał słabą płaskość, więc wymienili nową rolkę i kontynuowali produkcję. Jednak wada falowania krawędzi nadal występowała po wymianie rolki. Trzy dni później taśma zaczęła wykazywać nieregularne łukowanie i lokalne zniekształcenia, a na powierzchni materiału pojawiły się drobne rysy. Trzeciego dnia od wystąpienia awarii doszło kolejno do dwóch wypadków zerwania taśmy. Po każdym zerwaniu linia produkcyjna musiała zostać zatrzymana, taśma ponownie nawinięta i ścieżka materiału wyregulowana, co zajmowało ponad 40 minut za każdym razem. Jednocześnie niestabilne naprężenie powodowało rozciąganie lokalnego materiału, a rozmiar wytłoczonej obudowy akumulatora przekraczał tolerancję, co skutkowało gwałtownym wzrostem wskaźnika odrzutów. Aby uniknąć dalszego zerwania materiału i ryzyka kolizji z matrycą, zespół produkcyjny zmniejszył prędkość roboczą z 80 cykli/min do 45 cykli/min, co spowodowało znaczący spadek wydajności produkcji. Klient skontaktował się z naszym działem obsługi posprzedażnej i złożył wniosek o usługę rozwiązywania problemów na miejscu.

Pierwszym krokiem jest wyeliminowanie czynników związanych z jakością surowca. Pobraliśmy próbki z wielu sekcji z bieżącej rolki i zapasowej rolki, a następnie przeprowadziliśmy inspekcję płaskości na platformie inspekcyjnej. Wynik testu wykazał, że sama rolka surowca nie miała oczywistego falowania krawędzi ani anomalii naprężeń wewnętrznych. Dlatego wada płaskości taśmy powstała podczas procesu transportu i prostowania materiału przez trójfunkcyjny podajnik, a nie była to wada inherentna rolki surowca. Następnie zarejestrowaliśmy charakterystykę awarii: falowanie krawędzi taśmy jest niestabilne, czasami pojawia się na lewej krawędzi, czasami na prawej; zniekształcenia występują losowo, a prawdopodobieństwo wzrasta wraz ze wzrostem prędkości linii; rysy są rozmieszczone wzdłuż kierunku podawania na powierzchni taśmy.

Podnieśliśmy rolkę i opróżniliśmy nawijak, a następnie ręcznie obracaliśmy nawijakiem, aby sprawdzić płynność obrotu. Podczas obrotu znaleziono oczywiste uczucie zacinania się, a opór obrotu nie był jednolity. Po demontażu stwierdziliśmy, że łożysko podporowe nawijaka miało częściowe zużycie i niewystarczające smarowanie, co prowadziło do niestabilnego oporu obrotu. Następnie sprawdziliśmy zespół pneumatycznego hamulca ciernego: okładzina cierna była poważnie zużyta, jej grubość zbliżała się do granicy wymiany. Powierzchnia cierna miała częściowe osadzanie się węgla i nierównomierne zużycie. Gdy hamulec działał, moment hamowania nie mógł być stabilnie wytwarzany. W cyklu podawania rolka podajnika ciągnie taśmę do przodu, nawijak może się ślizgać i nadmiernie uwalniać materiał, powodując luźny materiał i niskie naprężenie; gdy hamulec nagle się zaciśnie, naprężenie natychmiast wzrasta, gwałtownie ciągnąc taśmę i prowadząc do ryzyka zerwania.

Sprawdziliśmy czujnik naprężenia zainstalowany na wylocie sekcji prostującej. Długotrwałe środowisko warsztatu tłoczenia spowodowało nagromadzenie dużej ilości proszku metalowego i szlamu oleju smarowego na powierzchni czujnika, które pokryły obszar czujnika. Sprzężenie zwrotne sygnału miało poważne opóźnienie i zniekształcenie, rzeczywista wartość naprężenia taśmy nie mogła być dokładnie przesłana do PLC. Logika sterowania w pętli zamkniętej zawiodła, a system nie mógł automatycznie regulować momentu hamowania w czasie rzeczywistym zgodnie z rzeczywistym naprężeniem.

W przypadku mechanizmu prostowania zmierzyliśmy szczelinę między górnymi i dolnymi rolkami prostującymi po lewej i prawej stronie za pomocą precyzyjnej szczelinomierza. Odchylenie szczeliny lewo-prawo osiągnęło 0,12 mm. Taśma doświadczała asymetrycznej siły ściskania podczas procesu prostowania, więc jedna strona taśmy była nadmiernie prostowana, podczas gdy druga strona była niewystarczająco prostowana, tworząc wadę falowania krawędzi. Jednocześnie na powierzchni poszczególnych rolek prowadzących materiał znajdowały się zanieczyszczenia metalowe, które powodowały liniowe rysy na powierzchni taśmy podczas transportu.

Zalogowaliśmy się do systemu sterowania urządzeniem, aby wyświetlić historyczne dane naprężenia. Wartość naprężenia gwałtownie fluktuowała między 8 N a 42 N podczas pracy. Oryginalny próg górny i dolny naprężenia ustawiony przez klienta był zbyt wąski, a wzmocnienie proporcjonalne odpowiedzi hamulca było zbyt małe. Gdy naprężenie się zmieniało, prędkość regulacji momentu hamowania była niska, co nie mogło ograniczyć fluktuacji naprężenia w cyklu szybkiego podawania. Oryginalny program nie włączał funkcji automatycznego zmniejszania prędkości przy anomalii naprężenia, więc urządzenie nadal pracowało z ustawioną prędkością, nawet jeśli naprężenie przekroczyło bezpieczny zakres, zwiększając ryzyko zerwania materiału.

Po zakończeniu powyższej inspekcji przeprowadzono test kalibracji statycznej. Podajnik pracował bez materiału na rolce, symulując ruch podawania, a odczyt czujnika naprężenia skakał nieregularnie, co było zgodne z charakterystyką awarii obserwowaną w rzeczywistej produkcji. Test potwierdził, że była to złożona awaria spowodowana zużyciem mechanicznym, zanieczyszczeniem czujnika i nieracjonalnymi parametrami sterowania.

Po systematycznej inspekcji i testach uporządkowaliśmy cztery warstwy przyczyn źródłowych tej awarii sterowania naprężeniem:

1. Mechaniczna przyczyna źródłowa: Długotrwała praca o wysokiej liczbie cykli spowodowała zużycie klocków hamulcowych pneumatycznego hamulca ciernego i słabe smarowanie łożyska podporowego nawijaka. Opór obrotu nawijaka był niestabilny, a moment hamowania był przerywany, co było główną przyczyną fluktuacji naprężenia.
2. Przyczyna wykrywania i sygnału: Czujnik naprężenia był pokryty szlamem olejowym i pyłem metalowym, funkcja wykrywania uległa degradacji, sprzężenie zwrotne sygnału było opóźnione i zniekształcone. Sterowanie naprężeniem w pętli zamkniętej straciło dokładne źródło sprzężenia zwrotnego, a system nie mógł realizować dynamicznej regulacji w czasie rzeczywistym.
3. Przyczyna regulacji procesu: Równoległość rolek prostujących była poza tolerancją, szczelina lewo-prawo była niespójna. Taśma otrzymywała nierównomierną siłę prostowania, co wywoływało wady falowania krawędzi i zniekształceń. Ciała obce na rolkach prowadzących powodowały zarysowania powierzchni taśmy.
4. Przyczyna działania systemu: Parametry sterowania naprężeniem nie zostały zaktualizowane zgodnie ze starzeniem się komponentów. Wzmocnienie odpowiedzi hamulca było nieracjonalne, a funkcja ochrony przed anomalią naprężenia nie była aktywowana. Urządzenie brakowało automatycznego mechanizmu wczesnego ostrzegania i ograniczania prędkości, gdy naprężenie odbiegało od normy, co powodowało, że drobna awaria ewoluowała w wypadek zerwania materiału.

Prace naprawcze i optymalizacyjne zostały wdrożone krok po kroku zgodnie z przyczynami źródłowymi:

1. Zdemontować zespół hamulca nawijaka, usunąć stare zużyte klocki cierne, oczyścić osad węglowy z tarczy ciernej, zainstalować fabrycznie nowe pasujące klocki hamulcowe, wyregulować luz hamulca, wielokrotnie testować moment hamowania, aby zapewnić płynny i stabilny moment. Wymienić zużyte łożysko podporowe nawijaka, wstrzyknąć smar wysokotemperaturowy, aby nawijak obracał się płynnie z jednolitym oporem.
2. Całkowicie zdemontować czujnik naprężenia, oczyścić powierzchnię czujnika z pyłu metalowego i zanieczyszczeń olejowych specjalnym środkiem czyszczącym, przeprowadzić kalibrację punktu zerowego i test liniowości czujnika, potwierdzić, że opóźnienie sprzężenia zwrotnego sygnału wynosi mniej niż 20 ms. Oczyścić każdą rolkę prowadzącą materiał, usunąć zanieczyszczenia metalowe, wymienić uszkodzoną gumową osłonę zapobiegającą zarysowaniom.
3. Wyregulować równoległość górnych i dolnych rolek prostujących, precyzyjnie dostroić szczelinę po lewej i prawej stronie za pomocą szczelinomierza, aż odchylenie szczeliny zostanie ograniczone do poniżej 0,02 mm. Przeprowadzić próbne prostowanie na złomowanej taśmie, aby zweryfikować efekt poprawy płaskości.
4. Ponownie zoptymalizować parametry sterowania naprężeniem w pętli zamkniętej w HMI. Zresetować górny i dolny limit naprężenia, dostosować wzmocnienie PI odpowiedzi momentu hamowania, przyspieszyć prędkość reakcji dynamicznej hamulca. Aktywować alarm anomalii naprężenia i funkcję ochrony automatycznego zmniejszania prędkości. Gdy naprężenie przekroczy ustawiony bezpieczny interwał, HMI wyświetli alarm, a podajnik automatycznie zmniejszy prędkość, aby uniknąć zerwania taśmy.
5. Zmontować kompletne urządzenie i przeprowadzić testy wieloetapowe: test bez obciążenia, test nawijania materiału przy niskiej prędkości, próbne tłoczenie przy średniej prędkości i wreszcie weryfikację ciągłą przy pełnej prędkości. Test przy pełnej prędkości trwał 150 minut, wykonując 12 000 cykli ciągłych, i rejestrowano dane naprężenia co 200 cykli w celu analizy trendów.

Tabela

P1: Dlaczego zużycie klocków hamulcowych jest najczęstszym czynnikiem mechanicznym prowadzącym do niestabilności naprężenia trójfunkcyjnego podajnika? O1: Klocki hamulca ciernego są kluczowym elementem zużywającym się w odwijaku. W każdym cyklu podawania hamulec musi wielokrotnie załączać się i rozłączać, aby kontrolować prędkość uwalniania materiału z rolki. W warunkach ciągłej produkcji dwuzmianowej klocki cierne stopniowo się zużywają. Wraz ze zmniejszaniem się grubości zmienia się ciśnienie kontaktowe i współczynnik tarcia, więc moment hamowania nie może pozostać stabilny. Gdy moment fluktuuje, siła ciągnąca taśmy zmienia się odpowiednio, prowadząc do utraty kontroli nad naprężeniem. Jest to typowa awaria stopniowa, która powoli pogarsza się wraz z czasem pracy i jest łatwa do przeoczenia podczas codziennej inspekcji.

P2: Jak odróżnić, czy fluktuacja naprężenia pochodzi od awarii czujnika, czy od zużycia mechanicznego hamulca? O2: Test izolacyjny jest najskuteczniejszą metodą. Unieruchomić taśmę w stanie spoczynku, zastosować ręcznie znane standardowe naprężenie, obserwować zmianę odczytu czujnika naprężenia. Jeśli odczyt czujnika nie nadąża za zmianą rzeczywistego naprężenia lub odczyt skacze losowo, źródłem awarii jest czujnik naprężenia i obwód sygnałowy. Jeśli odczyt czujnika normalnie odzwierciedla ręczne naprężenie, ale naprężenie wyraźnie fluktuuje podczas obrotu nawijaka, problem leży w zużyciu klocków hamulcowych, zacinaniu się łożyska i innych częściach mechanicznych nawijaka. Metoda ta pozwala uniknąć ślepej wymiany drogich czujników.

P3: Dlaczego potrzebujemy rekalibracji czujnika naprężenia po czyszczeniu lub wymianie? O3: Czujnik naprężenia opiera się na tensometrach do konwersji siły ciągnącej materiału na sygnał elektryczny. Po czyszczeniu lub demontażu punkt zerowy czujnika może się przesunąć. Bez kalibracji punktu zerowego odczyt sprzężenia zwrotnego będzie miał stałe przesunięcie. PLC będzie regulować moment hamowania na podstawie błędnej wartości naprężenia, więc sterowanie w pętli zamkniętej nie będzie działać prawidłowo. Kalibracja punktu zerowego i test liniowości są niezbędnymi procedurami po konserwacji czujnika, których nie można pominąć.

P4: Jakie czynniki zakłóceń elektromagnetycznych lub środowiskowych wpływają na sygnał czujnika naprężenia w warsztacie tłoczenia? O4: Główne źródła zakłóceń obejmują sygnał elektromagnetyczny serwonapędu prasy, kabel zasilający o wysokim prądzie równoległy do kabla sygnałowego czujnika, wibracje generowane przez tłoczenie prasy. Ponadto mgła olejowa, pył metalowy i wysoka temperatura w warsztacie zanieczyszczają powierzchnię czujnika i przyspieszają starzenie się kabla sygnałowego. Kabel czujnika powinien być wykonany z ekranowanego kabla skręconego, prowadzony oddzielnie od kabla zasilającego i regularnie czyścić powierzchnię czujnika.

P5: Jaki cykl konserwacji jest odpowiedni dla trójfunkcyjnego podajnika w produkcji tłoczenia dwuzmianowej o wysokiej liczbie cykli? O5: Codziennie: inspekcja wizualna powierzchni taśmy i trendu naprężenia w czasie rzeczywistym na HMI; sprawdzenie, czy podczas pracy nawijaka nie ma nietypowych hałasów. Miesięcznie: sprawdzenie grubości klocków hamulcowych, sprawdzenie elastyczności obrotu nawijaka, czyszczenie rolek prowadzących materiał. Kwartalnie: czyszczenie powierzchni czujnika naprężenia, sprawdzenie kabla sygnałowego i złącza, testowanie funkcji alarmu naprężenia. Półrocznie: pomiar szczeliny i równoległości rolek prostujących, tworzenie kopii zapasowych parametrów naprężenia HMI, inspekcja stanu smarowania łożyska nawijaka. Rocznie: pełna inspekcja demontażowa zespołu hamulcowego, pełna kalibracja systemu sterowania naprężeniem w pętli zamkniętej i długoterminowy test weryfikacyjny przy pełnej prędkości.

P6: Jakie straty ekonomiczne mogą wyniknąć z nieprawidłowego obsługiwania tej awarii sterowania naprężeniem? O6: Jeśli awaria będzie się pogarszać, częste zerwania taśmy spowodują dużą ilość odpadów surowca i długie przestoje produkcyjne. Co gorsza, nadmiernie luźny materiał może gromadzić się w komorze matrycy i powodować kolizję z matrycą. Koszt naprawy tej matrycy do obudowy akumulatora jest wysoki, a opóźnienie dostawy może spowodować ryzyko kar umownych za zamówienie klienta. Nawet przed uszkodzeniem matrycy, wskaźnik odrzutów wynoszący 7,2% i 44% redukcja wydajności już spowodowały ogromne straty w produkcji i kosztach surowców w każdej zmianie produkcyjnej. Terminowa naprawa złożona przywróciła pełną wydajność produkcyjną w ciągu jednego dnia serwisowego, chroniąc zasoby matryc i zapewniając dostawę zamówień.

W połączeniu z tym przypadkiem konserwacji na miejscu opracowujemy znormalizowaną specyfikację konserwacji zapobiegawczej dla systemu sterowania naprężeniem trójfunkcyjnego odwijaka prostowarki podajnika HCK:

1. Konserwacja codzienna: Wizualna kontrola płaskości taśmy i zarysowań powierzchni; obserwacja trendu wartości naprężenia na HMI; nasłuchiwanie nietypowych hałasów z nawijaka i hamulca podczas pracy; rejestrowanie logów nietypowych fluktuacji naprężenia.
2. Konserwacja miesięczna: Pomiar pozostałej grubości klocków hamulcowych pneumatycznego hamulca ciernego, wymiana klocków po osiągnięciu granicy zużycia; sprawdzenie płynności obrotu nawijaka, uzupełnienie smaru dla łożyska; czyszczenie powierzchni rolek prowadzących, usuwanie zanieczyszczeń metalowych.
3. Konserwacja kwartalna: Demontaż i czyszczenie powierzchni czujnika naprężenia; sprawdzenie stanu mocowania ekranowanego kabla sygnałowego i złącza; test symulacyjny funkcji alarmu anomalii naprężenia i automatycznego zmniejszania prędkości.
4. Konserwacja półroczna: Użycie precyzyjnego szczelinomierza do wykrycia równoległości i szczeliny rolek prostujących, regulacja, jeśli odchylenie przekracza standard; tworzenie kopii zapasowych wszystkich parametrów sterowania naprężeniem w pętli zamkniętej w PLC i HMI; inspekcja prowadzenia kabli i stanu uziemienia.
5. Konserwacja roczna: Pełna inspekcja demontażowa zespołu hamulca nawijaka; kalibracja punktu zerowego i test liniowości czujnika naprężenia; kompleksowa optymalizacja parametrów PI naprężenia; 12 000 cykli testu weryfikacyjnego ciągłego przy pełnej prędkości.
6. Wymagania dotyczące zapasów części zamiennych: Przechowywanie zapasowych klocków hamulcowych, czujnika naprężenia, łożyska podporowego nawijaka, pierścieni uszczelniających i gumowych osłon rolek prowadzących w magazynie klienta, aby skrócić średni czas naprawy w przypadku awarii części zużywających się.

Niniejszy przypadek konserwacji pokazuje, że awaria sterowania naprężeniem trójfunkcyjnego odwijaka prostowarki podajnika jest zazwyczaj złożoną awarią zawierającą zużycie mechaniczne, zniekształcenie sygnału detekcji i nieracjonalne parametry sterowania, a nie uszkodzenie pojedynczego komponentu. Awaria rozwija się stopniowo, zaczynając od lekkiego falowania krawędzi, następnie przechodząc w zniekształcenia i zarysowania, a ostatecznie prowadząc do zerwania taśmy i zatrzymania produkcji. Jeśli zostanie zignorowana, może dalej wywołać wypadek kolizji z matrycą i poważne straty ekonomiczne.

Poprzez zastosowanie metody diagnostyki izolacyjnej warstwowej, nasi inżynierowie serwisu posprzedażnego wyeliminowali zakłócenia surowca, sprawdzili kolejno hamulec nawijaka, czujnik naprężenia i mechanizm prostowania, znaleźli wszystkie przyczyny źródłowe i przeprowadzili złożoną naprawę obejmującą wymianę części zużywających się, kalibrację czujnika, regulację luzów mechanicznych i optymalizację parametrów sterowania. Po konserwacji naprężenie taśmy jest stabilne, płaskość taśmy spełnia wymagania produkcyjne, wskaźnik odrzutów wraca do normalnego poziomu, a linia produkcyjna przywraca pełną znamionową prędkość. Specyfikacja konserwacji zapobiegawczej podsumowana na podstawie tego przypadku jest odpowiednia dla trójfunkcyjnego podajnika HCK w produkcji tłoczenia o wysokiej liczbie cykli, co pomaga klientom wykrywać ukryte awarie naprężenia z wyprzedzeniem, zmniejszać nieplanowane przestoje i chronić drogie matryce do tłoczenia oraz zasoby surowców.