3

Кейс-стади: Анализ первопричин, схема ремонта и спецификация профилактического обслуживания при неконтролируемом отказе комбинированного устройства 3-в-1 (размотчик-правильщик-податчик) с контролем натяжения

Данный случай основан на штамповочном производственном участке, оснащенном сервопрессом мощностью 200 тонн и трехкомпонентным устройством HCK (размотчик-правильщик-податчик). Оборудование используется для непрерывной штамповки корпуса аккумуляторной батареи из нержавеющей стали для новой энергетики. Сырье представляет собой полосу из нержавеющей стали SUS304 толщиной 0,6 мм и шириной 180 мм. Вся производственная линия работает в двухсменном непрерывном режиме, и оборудование эксплуатируется в течение 18 месяцев, при этом среднее количество ходов в месяц достигает 1,8 миллиона. Трехкомпонентное устройство подачи объединяет гидравлический разматыватель, многовалковый механизм правки, блок контроля натяжения и сервоподатчик. Катушка материала оснащена пневматическим фрикционным тормозом, а замкнутый контур контроля натяжения реализуется через датчик натяжения + ПЛК + регулировку тормозного момента. Номинальная рабочая скорость составляет 80 ходов в минуту, а целевой диапазон стабильного натяжения для данной полосы установлен в пределах 12–20 Н.

Явление неисправности впервые проявилось в ночную смену. Оператор обнаружил легкую волнистость по краю полосы из нержавеющей стали. В то время заказчик подозревал, что сырьевой материал катушки имел плохое качество, поэтому заменил новую катушку и продолжил производство. Однако дефект волнистости по краю все еще существовал после замены катушки. Через три дня на полосе начали появляться нерегулярные изгибы и локальные складки, а на поверхности материала появились мелкие царапины. На третий день возникновения неисправности произошли две последовательные аварии с обрывом полосы. После каждого обрыва производственная линия останавливалась, требовалось повторно заправить полосу и отрегулировать ее путь, что каждый раз занимало более 40 минут. Между тем, нестабильное натяжение вызывало растяжение и деформацию локального материала, а размер штампованной оболочки батареи превышал допуск, что привело к резкому увеличению процента брака. Чтобы избежать дальнейших обрывов материала и риска столкновения с матрицей, производственная бригада снизила рабочую скорость с 80 об/мин до 45 об/мин, что значительно снизило производительность. Заказчик связался с нашим отделом послепродажного обслуживания и запросил услугу устранения неисправностей на месте.

Первым шагом было исключение факторов качества сырья. Мы взяли несколько образцов из текущей катушки и резервной катушки и провели проверку плоскостности на инспекционной платформе. Результаты испытаний показали, что сама катушка сырья не имела явной волнистости по краю и аномалий внутреннего напряжения. Следовательно, дефект плоскостности полосы возник в процессе транспортировки и правки материала трехкомпонентным устройством подачи, а не являлся присущим дефектом сырьевой катушки. Затем мы зафиксировали характеристики неисправности: волнистость по краю полосы нестабильна, иногда появляется слева, иногда справа; складки возникают случайным образом, и вероятность их возникновения увеличивается при повышении скорости линии; царапины распределены по поверхности полосы в направлении подачи.

Мы подняли катушку и освободили барабан, затем вручную вращали барабан, чтобы проверить плавность вращения. При вращении было обнаружено явное заедание, а сопротивление вращению было неравномерным. После разборки мы обнаружили, что опорный подшипник барабана имел частичный износ и недостаточное смазывание, что привело к нестабильному сопротивлению вращению. Затем проверили узел пневматического фрикционного тормоза: фрикционная накладка была сильно изношена, толщина приближалась к пределу замены. На фрикционной поверхности было частичное отложение углерода и неравномерный износ. Когда тормоз работал, тормозной момент не мог выдаваться стабильно. В цикле подачи подающий ролик тянет полосу вперед, барабан может проскальзывать и чрезмерно выпускать материал, вызывая ослабление материала и низкое натяжение; когда тормоз внезапно срабатывает, натяжение мгновенно возрастает, резко натягивая полосу и создавая риск разрыва.

Мы проверили датчик натяжения, установленный на выходе секции правки. Длительная эксплуатация в условиях штамповочного цеха привела к накоплению большого количества металлической пыли и шлама смазочного масла на чувствительной поверхности, которые покрыли зону чувствительности. Обратная связь по сигналу имела серьезную задержку и искажение, реальное значение натяжения полосы не могло быть точно передано в ПЛК. Логика замкнутого контура управления вышла из строя, и система не могла автоматически регулировать тормозной момент в реальном времени в соответствии с фактическим натяжением.

Что касается механизма правки, мы измерили зазор между верхними и нижними правящими роликами с левой и правой сторон с помощью прецизионного щупа. Отклонение зазора между левой и правой сторонами достигло 0,12 мм. Полоса подвергалась асимметричной силе экструзии в процессе правки, поэтому одна сторона полосы была переправлена, а другая — недостаточно, что привело к дефекту волнистости по краю. В то же время на поверхности отдельных направляющих роликов материала присутствовали металлические частицы, которые вызывали линейные царапины на поверхности полосы во время транспортировки.

Мы вошли в систему управления оборудованием, чтобы просмотреть исторические данные натяжения. Значение натяжения сильно колебалось между 8 Н и 42 Н во время работы. Изначально установленный заказчиком порог верхнего и нижнего предела натяжения был слишком узким, а коэффициент усиления пропорционального регулятора тормозного отклика был слишком мал. При изменении натяжения скорость регулировки тормозного момента была медленной, что не позволяло сдерживать колебания натяжения в цикле высокоскоростной подачи. Изначальная программа не включала функцию автоматического снижения скорости при аномалии натяжения, поэтому оборудование продолжало работать на установленной скорости, даже если натяжение превышало безопасный диапазон, увеличивая риск обрыва материала.

После завершения вышеуказанной проверки была проведена статическая калибровка. Податчик работал без материала катушки, имитируя движение подачи, и показания датчика натяжения нерегулярно скакали, что соответствовало характеристикам неисправности, наблюдаемым в реальном производстве. Тест подтвердил, что это была комбинированная неисправность, вызванная механическим износом, загрязнением датчика и неразумными параметрами управления.

После систематической проверки и тестирования мы выделили четыре уровня первопричин данной неисправности с неконтролируемым натяжением:

1. Механическая первопричина: Длительная высокоцикловая эксплуатация привела к износу колодок пневматического фрикционного тормоза и плохому смазыванию опорного подшипника барабана. Сопротивление вращению барабана было нестабильным, а выход тормозного момента был прерывистым, что являлось основной причиной колебаний натяжения.
2. Причина обнаружения и сигнала: Датчик натяжения был покрыт масляным шламом и металлической пылью, чувствительность снизилась, обратная связь по сигналу была задержана и искажена. Замкнутый контур контроля натяжения потерял точный источник обратной связи, и система не могла осуществлять динамическую регулировку в реальном времени.
3. Причина регулировки процесса: Параллельность правящих роликов была вне допуска, зазор между левой и правой сторонами был непоследовательным. Полоса получала неравномерную силу правки, что вызывало дефекты волнистости по краю и складки. Посторонние предметы на направляющих роликах вызывали поверхностные царапины на полосе.
4. Причина эксплуатации системы: Параметры контроля натяжения не были обновлены с учетом старения компонентов. Коэффициент усиления тормозного отклика был неразумным, а функция защиты от аномалии натяжения не была активирована. Оборудование не имело механизма автоматического раннего предупреждения и ограничения скорости при отклонении натяжения, что позволяло мелкой неисправности перерасти в аварию с обрывом материала.

Ремонтные и оптимизационные работы проводились поэтапно в соответствии с первопричинами:

1. Разберите узел тормоза барабана, удалите старые изношенные фрикционные накладки, очистите отложения углерода на тормозном диске, установите совершенно новые соответствующие тормозные накладки, отрегулируйте зазор тормоза, многократно проверьте выход тормозного момента, чтобы обеспечить плавный и стабильный момент. Замените изношенный опорный подшипник барабана, введите высокотемпературную смазку, чтобы барабан вращался плавно с равномерным сопротивлением.
2. Полностью разберите датчик натяжения, очистите чувствительную поверхность от металлической пыли и масляных загрязнений специальным чистящим средством, проведите калибровку нуля и проверку линейности датчика, убедитесь, что задержка обратной связи по сигналу составляет менее 20 мс. Очистите каждый направляющий ролик материала, удалите металлические частицы, замените поврежденные противоцарапные резиновые втулки.
3. Отрегулируйте параллельность верхних и нижних правящих роликов, точно настройте зазор с левой и правой сторон с помощью щупа до тех пор, пока отклонение зазора не будет контролироваться в пределах 0,02 мм. Проведите пробную правку на бракованной полосе, чтобы проверить эффект улучшения плоскостности.
4. Заново оптимизируйте параметры замкнутого контура контроля натяжения на HMI. Сбросьте верхний и нижний пределы натяжения, отрегулируйте коэффициент усиления ПИ-регулятора тормозного отклика, ускорьте скорость динамического отклика тормоза. Активируйте функцию сигнализации аномалии натяжения и автоматического снижения скорости. Как только натяжение превысит заданный безопасный интервал, HMI выдаст сигнал тревоги, и податчик автоматически снизит скорость, чтобы избежать обрыва полосы.
5. Полностью соберите оборудование и проведите многоэтапное тестирование: тест без нагрузки, тест заправки материала на низкой скорости, пробная штамповка на средней скорости и, наконец, проверка непрерывной работы на полной скорости. Тест на полной скорости длился 150 минут, непрерывно выполнено 12 000 ходов, данные натяжения записывались каждые 200 ходов для анализа тенденций.

Таблица

В1: Почему износ тормозных колодок является наиболее распространенным механическим фактором, приводящим к нестабильности натяжения трехкомпонентного устройства подачи?О1: Фрикционная тормозная колодка является основным изнашиваемым элементом разматывающего барабана. В каждом цикле подачи тормоз должен многократно включаться и выключаться для контроля скорости выдачи материала катушки. При непрерывном двухсменном производстве фрикционная колодка постепенно изнашивается. С уменьшением толщины изменяется давление контакта и коэффициент трения, поэтому тормозной момент не может оставаться стабильным. Как только момент колеблется, тяговое усилие полосы соответственно изменяется, что приводит к потере контроля натяжения. Это типичный постепенный отказ, который медленно ухудшается со временем эксплуатации и легко игнорируется при ежедневном осмотре.

В2: Как отличить, исходит ли неисправность колебаний натяжения от отказа датчика или от механического износа тормоза?О2: Тест на изоляцию является наиболее эффективным методом. Зафиксируйте полосу в статическом положении, приложите вручную известное стандартное натяжение, наблюдайте за изменением показаний датчика натяжения. Если показания датчика не соответствуют изменению фактического натяжения или показания случайным образом скачут, источник неисправности — датчик натяжения и сигнальная цепь. Если показания датчика нормально отражают ручное натяжение, но натяжение заметно колеблется при вращении барабана, проблема заключается в износе тормозных колодок, заедании подшипника и других механических частях барабана. Этот метод позволяет избежать слепой замены дорогостоящих датчиков.

В3: Почему необходимо повторно калибровать датчик натяжения после очистки или замены?О3: Датчик натяжения использует тензорезистор для преобразования силы натяжения материала в электрический сигнал. После очистки или разборки нулевая точка датчика может сместиться. Без калибровки нуля показания обратной связи будут иметь фиксированный смещение. ПЛК будет регулировать тормозной момент в соответствии с неправильным значением натяжения, поэтому управление по замкнутому контуру не сможет работать нормально. Калибровка нулевой точки и проверка линейности являются обязательными процедурами после обслуживания датчика, которые нельзя пропускать.

В4: Какие факторы электромагнитных или экологических помех могут повлиять на сигнал датчика натяжения в штамповочном цехе?О4: Основные источники помех включают электромагнитный сигнал сервопривода пресса, высоковольтный силовой кабель, проложенный параллельно сигнальному кабелю датчика, вибрационные удары, возникающие при штамповке. Кроме того, масляный туман, металлическая пыль и высокая температура в цехе загрязняют чувствительную поверхность и ускоряют старение сигнального кабеля. Кабель датчика должен быть выполнен в виде экранированной витой пары, проложен отдельно от силового кабеля и регулярно очищать чувствительную поверхность.

В5: Какой цикл обслуживания подходит для трехкомпонентного устройства подачи при двухсменном высокоскоростном штамповочном производстве?О5: Ежедневно: визуальный осмотр поверхности полосы и тренда натяжения в реальном времени на HMI; проверка наличия посторонних шумов барабана во время работы. Ежемесячно: проверка толщины тормозных колодок, проверка гибкости вращения барабана, очистка направляющих роликов материала. Ежеквартально: очистка поверхности датчика натяжения, проверка сигнального кабеля и разъема, тестирование функции сигнализации натяжения. Раз в полгода: измерение зазора и параллельности правящих роликов, резервное копирование параметров натяжения HMI, проверка состояния смазки подшипника барабана. Ежегодно: полная разборка тормозного узла, полная калибровка замкнутого контура натяжения и длительный тест на непрерывную работу на полной скорости.

В6: Какие экономические потери могут возникнуть, если эта неисправность с неконтролируемым натяжением не будет устранена своевременно?О6: Если неисправность будет продолжать усугубляться, частые обрывы полосы приведут к большому количеству отходов сырья и длительным простоям производства. Хуже того, избыточный свободный материал может попасть в полость матрицы и вызвать столкновение с матрицей. Стоимость ремонта этой матрицы для корпуса батареи высока, а задержка поставки приведет к риску штрафов по заказу клиента. Даже до повреждения матрицы, процент брака в 7,2% и снижение производительности на 44% уже привели к огромным потерям выработки и стоимости сырья в каждой производственной смене. Своевременный комплексный ремонт восстановил полную производственную мощность за один сервисный день, защитив оборудование матрицы и обеспечив своевременную доставку заказов.

В сочетании с этим случаем обслуживания на месте мы формулируем стандартизированную спецификацию профилактического обслуживания системы контроля натяжения трехкомпонентного устройства HCK (размотчик-правильщик-податчик):

1. Ежедневное обслуживание: Визуальная проверка плоскостности полосы и царапин на поверхности; наблюдение за трендом значения натяжения на HMI; прослушивание посторонних шумов от барабана и тормоза во время работы; запись журнала аномальных колебаний натяжения.
2. Ежемесячное обслуживание: Измерение остаточной толщины фрикционных тормозных колодок, замена колодок при достижении предела износа; проверка плавности вращения барабана, пополнение смазки для подшипника; очистка поверхности направляющих роликов, удаление металлических частиц.
3. Ежеквартальное обслуживание: Разборка и очистка чувствительной поверхности датчика натяжения; проверка состояния крепления экранированного сигнального кабеля и разъема; проведение тестового запуска функции сигнализации аномалии натяжения и автоматического снижения скорости.
4. Полугодовое обслуживание: Использование прецизионного щупа для определения параллельности и зазора правящих роликов, регулировка при превышении отклонения от стандарта; резервное копирование всех параметров замкнутого контура натяжения в ПЛК и HMI; проверка прокладки кабелей и состояния заземления.
5. Ежегодное обслуживание: Полная разборка узла тормоза барабана; калибровка нулевой точки и проверка линейности датчика натяжения; комплексная оптимизация параметров ПИ-регулятора натяжения; 12 000-ходовой тест на непрерывную работу на полной скорости.
6. Требования к запасам запасных частей: Хранение запасных фрикционных тормозных колодок, датчика натяжения, опорного подшипника барабана, уплотнительных колец и резиновых втулок направляющих роликов на складе заказчика для сокращения среднего времени ремонта при отказе изнашиваемых деталей.

Данный случай обслуживания показывает, что неконтролируемое натяжение трехкомпонентного устройства (размотчик-правильщик-податчик) обычно является комбинированной неисправностью, включающей механический износ, искажение сигнала обнаружения и неразумные параметры управления, а не повреждение одного компонента. Неисправность развивается постепенно, начиная с легкой волнистости по краю, затем переходя в складки и царапины, и, наконец, приводя к обрыву полосы и остановке производства. Если ее игнорировать, она может привести к аварии столкновения с матрицей и тяжелым экономическим потерям.

Применяя метод поэтапной изоляционной диагностики, наши инженеры послепродажного обслуживания исключили влияние сырья, проверили тормоз барабана, датчик натяжения и механизм правки поочередно, выявили все первопричины и провели комплексный ремонт, включающий замену изнашиваемых деталей, калибровку датчика, регулировку механического зазора и оптимизацию параметров управления. После обслуживания натяжение полосы стабильно, плоскостность полосы соответствует требованиям производства, процент брака вернулся к нормальному уровню, а производственная линия восстановила полную номинальную скорость. Спецификация профилактического обслуживания, обобщенная из этого случая, применима к трехкомпонентному устройству HCK при высокоцикловом штамповочном производстве, помогая клиентам заранее выявлять скрытые неисправности натяжения, сокращать незапланированные простои и защищать дорогостоящее оборудование для штамповки и сырьевые активы.