ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА МЕХАТРОННЫХ ГОРНЫХ МАШИН

Д.т.н. Стадник Н.И.

 

Лекция

ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА МЕХАТРОННЫХ ГОРНЫХ МАШИН

 

Тяжелые условия эксплуатации горных машин, а также высокий уровень динамической нагруженности приводят к снижению их срока эксплуатации. Количественная оценка надежности машин по одному из показателей – ресурсу – получила широкое распространение во всех отраслях техники. Одним из важных методов повышения надежности в условиях эксплуатации является техническое диагностирование.

В соответствии с [4] задачами технического диагностирования являются:

- контроль технического состояния (то есть проверка соответствия значений параметров объекта требованиям технической документации и определение на этой основе одного из заданных видов технического состояния на данный момент времени);

- поиск места и определение причин отказа (неисправности);

- прогнозирование технического состояния.

В соответствии с НПАОП10.0-3.01-90 Нормативы по безопасности забойных машин, комплексов и агрегатов определены следующие требования к технической диагностике (п. 2.10):

«2.10.1. Забойные машины и комплексы, а также их системы управления и силового питания должны включать подсистему диагностического обеспечения, выполняющую безопасный контроль технического состояния путем измерения и индикации параметров машин, устройств автоматики, электрических, гидравлических и пневматических систем, систем смазки, а также подшипниковых узлов*⁾.

2.10.2 Подсистема диагностического обеспечения должна содержать узлы и элементы встроенного функционального диагноза. Рекомендуется предусматривать устройства для внешнего контроля технического состояния забойных машин и их систем.

2.10.3. В подсистеме диагностического обеспечения, как правило, должно предусматриваться:

2.10.3.1. Неразрушающий контроль технического состояния объектов.

2.10.3.2. Определение внезапных и параметрических отказов забойных машин и их систем.

2.10.3.3. Обнаружение постепенных отказов путем прогнозирования изменения контролируемых параметров.

2.10.3.4. Непрерывный (в процессе рабочего функционирования машин и комплексов) и периодический (в режиме обслуживания, ремонта и наладки) с обеспечением мер безопасности (без включения в работу забойных машин и др.) контроль технического состояния.

2.10.4. Глубина диагностики должна определяться с учетом возможности установления причин, вида и места возникающих отказов.

2.10.5. Для увеличения глубины диагностики, как правило, должны предусматриваться централизованные (например, на центральном пульте управления) и местные (непосредственно на каждом объекте) подсистемы диагностического обеспечения.

2.10.6. В микропроцессорных системах управления должен, как правило, предусматриваться автоматический тестовый контроль функционирования блоков и узлов системы перед выполнением рабочего цикла управления забойными машинами и комплексами.

2.10.7. В системах управления забойными машинами и комплексами с технологией ведения работ без постоянного присутствия людей должна быть предусмотрена совокупность технических средств контроля и индикации (звуковая, световая, цифровая и т.д.) на центральном пульте, необходимая для оценки работы машин, отключений и отклонений параметров от заданных.

*⁾ Рекомендуемое.»

В соответствии с [1] все детали горных машин и оборудования в зависимости от условий работы и вида изнашивания могут быть разбиты на пять групп.

Долговечность деталей первой группы обусловливается абразивным износом. В нее входят зубья и режущие кромки ковшей экскаваторов; основания крепи; перекрытия крепей; шнеки; бары, отвалы бульдозеров; траки, опорные ролики, пальцы, втулки, звездочки ходовой части машин на гусеничном ходу и др.

Долговечность деталей второй группы определяется механическим износом поверхностей деталей. Это детали со шлицами и резьбами, зубчатые муфты, посадочные мест под подшипники качения валов, станков, поверхности зубчатых передач и др.

Долговечность деталей третьей группы лимитируется молекулярно-химическим или коррозионно-механическим износом. Это детали двигателей внутреннего сгорания автосамосвалов, бульдозеров, скреперов, устройства для термического разрушения горных пород и огневого бурения и др.

Долговечность деталей четвертой группы зависит от усталостной прочности металла. Это подшипники качения, рессоры, пружины, шатуны, шатунные болты и др.

Данная классификация не исключает переход из одной группы в другую при изменении условий эксплуатации горных машин.

Для определения технического состояния горных машин перед постановкой на ремонт или после ремонта для контроля качества выполняют общую диагностику. При этом применяют ряд методов. Наиболее распространенным из них является метод оценки эксплуатационных характеристик, представляющий собой совокупность нескольких методов (по показателям эффективности, по расходу энергии, по тепловому состоянию и др.). Локальную диагностику проводят для установления степени выработки отдельными элементами машин технического ресурса. По ее результатам отправляют сборочные единицы машин на ремонт. Методы контроля, используемые при оценке технического состояния элементов машин, применяются для выявления внутренних дефектов в деталях [1].

Общая диагностика позволяет производить регулировку узлов и механизмов в допустимых пределах в течение срока службы машины, уменьшает трудоемкость выполнения работ при ТО и ремонте, исключает аварийные ситуации [2], а также позволяет, в случае их чрезмерного износа узлов, произвести их замену, что, в частности, необходимо в целях снижения энергозатрат.

Методы и средства оценки технического состояния горного оборудования представлены в таблице 1 [2].

Расчет ресурса очистных и проходческих комбайнов ведут по тяжелонагруженным деталям и сборочным единицам – зубчатым колесам и подшипникам качения. Существуют следующие методы расчета ресурса машин [3]:

- расчетно-теоретический метод (позволяющий определить величину ресурса на основе предельного состояния по прочности конструкции объекта);

- статистические методы теории надежности, применяемые для прогнозирования ресурса машины, механизма, конструкции;

- расчет нагрузок (ресурса) с применением эквивалентных схем;

- энергетический метод, основанный на постулате, что вся энергия, теряемая в элементах машины, участвует в их разрушении, а каждая машина (деталь) может рассеять в своих элементах определенное постоянное количество энергии до наступления предельного состояния наиболее слабого звена.

Энергетический подход является перспективным при оценке ресурса системы выемочной машины. Элементы машины имеют свой энергоресурс, а его исчерпание приводит к отказам в работе машины.

 

Таблица 1 – Методы и средства оценки технического состояния горного оборудования

Методы	Результаты, выводы	Оборудование, приборы
По показателям эффективности (мощность, производительность, расход энергии, температура и нарушение геометрических соединений и т.д.)	Характеризуют общее техническое состояние машин, механизмов на основании измерений эксплуатационных характеристик. На основе анализа сравнительных результатов представляют заключение: 1. Механизм (узел) неисправен (износ гильзы или поршня, поломка кольца, износ канавки поршня, потеря упругости, поломка, заедание пружины). Заменить. 2. Изделие исправно и работоспособно. Выводы: позволяет производить своевременную регулировку узлов и механизмов в допустимых пределах в течение срока службы машины; уменьшает трудоемкость выполнения работ при ТО и ремонте; исключает аварийные ситуации	Контрольно-измерительные приборы Дефектоскоп

 

Методы	Результаты, выводы	Оборудование, приборы
Химический и спектральный анализы масел	Характеризуют общее техническое состояние агрегатов, узлов и деталей на износ. Позволяют: своевременно определить наименование элемента или группы элементов, имеющих неисправности и подлежащих замене или поэлементному контролю; производить контроль по качеству масла, рабочих жидкостей Выводы: эффективные методы своевременного выявления износа без остановки механизма; обеспечивают безаварийную, надежную и долговечную работу оборудования, механизмов; позволяют производить ТО и ППР по фактическому состоянию оборудования; уменьшают время простоя в ТО и ремонте; повышают коэффициент использования оборудования	Металлографические микроскопы NEOPHOT. Рентгенофлуоресцентный спектрометр ARL. Атомно-абсорбционный анализатор Perkin Elmer. Электронный просвечивающий микроскоп JEOL. Растровый электронный микроскоп - рентгеновский микроанализатор CAMEBAX
Акустическая эмиссия (АЭ)	Основан на регистрации и анализе акустических волн, возникающих в процессе пластической деформации и разрушения (роста трещин) контролируемых объектов Позволяет: обеспечить обнаружение и регистрацию развивающихся дефектов (контроль по степени их опасности) выявить в рабочих условиях приращение трещины порядка долей миллиметра; проводить контроль различных технологических процессов и процессов изменения свойств и состояния материалов (геометрии) Выводы: позволяет классифицировать объекты не по размерам, а по степени их опасности; обеспечивает контроль всего объекта с использованием одного или нескольких преобразователей АЭ-контроля, неподвижно установленных на поверхности объекта; метод имеет меньше ограничений, связанных со свойствами и структурой материала Ограничение: сигналы АЭ являются шумоподобными и малыми по амплитуде, поэтому на объекте с высоким уровнем шума выделение полезного сигнала представляет собой сложную задачу	Преобразователи АЭ; Многоканальная АЭ система (комплект усилителей, кабельные линии, блоки предварительной обработки и преобразования сигналов, ЭВМ с необходимым математическим обеспечением средства отображения информации)
Виброакустический	Автоматический контроль за наиболее ответственными узлами с автоматической сигнализацией о неисправности свидетельствует о неисправностях сопряжений, узлов, агрегатов. Заключение о характере повреждений и неисправностях производится на основании повышенной вибрации, стуков, шумов Позволяет: проводить контроль непосредственно на месте эксплуатации машины; контролировать и оценивать качество сборки и износа отдельных узлов, механизмов; выявлять дефекты сборки и износа; предотвращать поломки, аварийные ситуации; увеличивать срок службы при неисправности всех узлов и сопряжений; использовать стандартную аппаратуру; производить ремонт и профилактику не по факту отказа или на основании времени выработки, а по фактическому состоянию отдельных узлов определять действительную потребность в выполнении операций, предусмотренных системой ППР; увеличить возможность автоматизации профилактического обслуживания; снизить количество аварийных отказов	ВШВ-03 М2 «Виброприбор». 2513, 2518 «Брюль и Къер» (Дания). Прибор АЛ-2-3. «Диамех» (Россия): AU060, КВАРЦ с системой прогнозируемого обслуживания ДИАМАНТ, Топаз, Агат, виброметр ВУ034/036. ИТЦ Оргтехника (Россия): СК-1100, СК-2300 с системой прогнозируемого обслуживания ВИБРОАНАЛИЗ 2.52. Желаемый диапазон частот приборов: 10…1000 Гц
Вибромониторинг	Служит для обеспечения безотказной и безаварийной работы технологического оборудования. Позволяет в результате постоянного или периодического слежения за измерением технического состояния машины в процессе эксплуатации: своевременно оценивать техническое состояние агрегата на различных стадиях жизненного цикла машины; уменьшить вероятность аварий; увеличить время производительного использования машин; уменьшить время техобслуживания и ремонт; увеличить ресурс работы оборудования за счет исключения преждевременных разборок и сопутствующих им режимов приработки после сборки; создать предпосылки для управления состоянием оборудования и оптимального его использования; сократить затраты на ремонт Вывод. Обеспечивает комплексный контроль и управление системой ТО и ремонта	VU 040 «Диамех». 2526 «Брюль и Къер» (Дания). Другие стационарные вибродиагностические комплексы

 

Основное преимущество энергетического подхода к разрушению твердых тел заключается в его соответствии физической сущности процесса. Разрушение происходит только тогда, когда часть энергии, преобразованной телом, расходуется на изменение его состояния. Энергия, а не напряжение является первопричиной разрушения, так как для разрушения твердого тела надо затратить работу [3].

Параметрами энергетического метода являются: измерение шума и вибрации, расход энергии, замеры потерь мощности на входе и выходе системы, температура нагрева масла редуктора [3].

С точки зрения практической реализации систем диагностирования преимущество имеют методы, базирующиеся на анализе электрических параметров, в частности, тока, напряжения, потребляемой и отдаваемой мощности, измерение которых возможно без непосредственного доступа к диагностируемому оборудованию, а также без установки первичных измерительных преобразователей в непосредственной близости от него. Кроме того, системы диагностирования, основанные на упомянутых методах, как правило, являются автоматическими, то есть обеспечивают проведение диагностирования (контроля) без участия человека [4].

Для оценки состояния очистного комбайна целесообразно использовать следующие параметры (показатели назначения):

- производительность (т/мин);

- ресурс (определяется объемом добычи за период эксплуатации [5]);

- тяговое усилие;

- удельный расход электроэнергии.

В качестве диагностируемых параметров для очистных комбайнов могут быть использованы:

- общая потребляемая мощность всех двигателей комбайна (кВт), в том числе в режиме проработки исполнительного органа (кВт) и в режиме перегона (кВт);

- скорость подачи (м/мин);

- количество рабочих циклов или путь, пройденный комбайном за определенный период времени (например, с начала ввода в эксплуатацию ); указанный параметр может регистрироваться за счет информации о местоположении комбайна или (для выбросоопасных пластов) .

На основе указанных диагностируемых параметров могут быть рассчитаны производительность и ресурс (объем добычи горной массы): может быть рассчитана следующим образом [6]:

(т/мин),

(1)

где - вынимаемая полезная мощность пласта, м;

- ширина захвата исполнительного органа, м;

- плотность угля, т/м³.

Ресурс :

(т),

(2)

где - путь, пройденный комбайном с момента ввода в эксплуатацию.

Ресурс может быть определен исходя из числа циклов работы комбайна (полос).

Целесообразно контролировать технико-экономическую долговечность, то есть продолжительность работы машины от ее ввода в эксплуатацию до того момента, когда общие затраты на эксплуатацию, а также издержки, связанные со снижением производственных функций, превзойдут экономический эффект от использования новой машины [1]. В качестве критерия эффективности работы комбайна можно использовать удельные энергозатраты на разрушение [6]:

(кВт·ч/т),

(3)

С учетом (1) удельные энергозатраты на разрушение могут быть определены следующим образом:

(кВт·ч/т),

(4)

Помимо контроля технического состояния машины задачами технического диагностирования являются: поиск места и определение причин отказа (неисправности), а также прогнозирование технического состояния.

В составе узкозахватных очистных комбайнов выделяют следующие подсистемы [6]:

- корпусная подсистема, предназначенная для объединения отдельных корпусных узлов в конструктивно целостный технический объект;

- подсистема привода исполнительного органа для обеспечения движения этого органа с задаваемыми скоростями резания и необходимыми моментами;

- подсистема перемещения (иначе называемая подсистемой или механизмом подачи) для обеспечения перемещения (подачи) корпусной подсистемы комбайна с требуемыми значениями скоростей и усилий;

- подсистема подвески и перемещения исполнительного органа, предназначенная для основных и регулировочных перемещений исполнительного органа относительно основных жестко соединенных узлов корпусной подсистемы с требуемыми значениями скоростей и усилий, а также поддержания заданного положения исполнительного органа относительно указанных выше узлов;

- подсистема управления для осуществления функций управления, защиты и контроля на основе соответствующей аппаратуры и компьютерных устройств;

- подсистема пылеподавления.

Подсистема привода исполнительного органа (ИО) включает электродвигатели, редукторы и собственно ИО.

Подсистемы подачи в общем случае включают приводные двигатели, регуляторы скорости, редукторные кинематические цепи и движители механического типа не основе жестких или гибких тяговых органов [6]. Для комбайнов с гибким органом в виде калиброванной круглозвенной цепи в качестве приводных элементов движителя выступают звездочки. При наличии жесткого тягового органа в качестве приводных элементов движителя могут выступать зубчатые или цевочные колеса.

В состав подсистем подвески и перемещения ИО в общем случае входят подвижные узлы корпусных подсистем, перемещения которых обеспечивают соответствующие степени свободы исполнительных органов, и гидропривод с исполнительными гидроцилиндрами. Для ранее созданных очистных комбайнов с традиционной конструкцией в состав подсистемы подвески и перемещения ИО входят исполнительный орган, поворотный редуктор и гидропривод положения ИО на основе гидродомкрата. Для комбайнов нового поколения (например, КДК400, КДК500, КДК700, УКД300) в состав подсистемы подвески входят: исполнительный орган, поворотный блок резания (ПБР) и гидропривод регулирования положения ИО на основе гидродомкрата. В данном случае ПБР, конструктивно включающий приводной электродвигатель и редуктор, является основой и подсистемы привода, и подсистемы подвески ИО.

Универсальными оценочными параметрами, по которым определяется состояние любой из подсистем очистного комбайна, являются: температура нагрева масла в ванне редуктора, измерение шума и вибрации, потребляемой мощности, в том числе замеры потерь мощности [3, 7].

Оценка состояния трансмиссии по температуре масла в ванне ее корпуса имеет ряд недостатков, влияющих на точность метода. Нагрев масла зависит главным образом от потерь холостого хода (постоянные потери) и величины внешнего трения в кинематических парах. Потери от динамической составляющей нагрузки идут на накопление усталостных повреждений элементов привода и мало влияют на температуру масла. Кроме того, установившаяся температура зависит от интенсивности охлаждения корпуса редуктора. Следовательно, такой параметр не позволяет точно оценить состояние трансмиссии [3].

Как показано выше, с точки зрения практической реализации систем диагностирования преимущество имеют методы, базирующиеся на анализе электрических параметров, в частности, тока, напряжения, потребляемой и отдаваемой мощности, измерение которых возможно без непосредственного доступа к диагностируемому оборудованию.

Исходя из сказанного, для диагностирования очистных комбайнов могут быть предложены следующие методы:

- замеры суммарной мощности, потребляемой электрооборудованием комбайна и скорости подачи и на основе этих данных определение удельного расхода электроэнергии (кВт·ч/т) в соответствии с (4);

- замеры потребляемой мощности в режиме проработки исполнительного органа (холостой ход, подача отключена). Указанный показатель является оценочным параметром состояния подсистемы привода исполнительных органов, поскольку показывает потери мощности в кинематической цепи в режиме холостого хода (основная часть потерь – в редукторе);

- замеры мощности в режиме перегона комбайна (исполнительный орган не работает). Указанный показатель является оценочным параметром состояния подсистемы привода подачи.

Упомянутые замеры должны осуществляться с определенной периодичностью (или непрерывно), что позволит осуществить прогнозирование состояния машины. На основании данных измерений должно производиться сравнение указанных данных с нормативными значениями.

Нормативные значения указанных параметров должны быть найдены путем статистического анализа результатов измерений, теоретических и экспериментальных исследований их зависимостей от различных факторов.

Перечень диагностируемых параметров и соответствующих им диагностических моделей для очистного комбайна приведен в таблице 2.

 

Таблица 2 – Диагностируемые параметры очистного комбайна

Диагностируемый (измеряемый) параметр	Параметр, установленный в документации (показатель назначения)	Диагностическая модель	Режим работы	Примечание
	Производительность (т/мин)		Рабочий
;	Удельный расход электроэнергии (кВт·ч/т)	= =	То же	Показатель состояния (износа) комбайна
	Ресурс	Определяется объемом добычи за период эксплуатации (т)		«
	Ресурс	Определяется количеством рабочих циклов (полос)		«
				Проработка исполнительного органа	Показатель состояния корпусной подсистемы и подсистемы привода исполнительных органов
				Перегон	Показатель состояния подсистемы подачи комбайна

Возможны следующие варианты замеров мощности (для комбайнов нового поколения):

- контролируется суммарная мощность, потребляемая электрооборудованием комбайна; при этом данные в режиме проработки ИО и в режиме перегона являются оценочными параметрами состояния кинематической цепи ИО и подачи соответственно;

- контролируется мощность, потребляемая каждым из двигателей ИО и подачи. При этом диагностируется состояние кинематической цепи каждого ИО и каждой подсистемы подачи по отдельности.

Увеличение глубины диагностирования возможно для машин, конструкция которых отличается большей приспособленностью к диагностированию (контролепригодностью). В частности, одним из вариантов может быть возможность рассоединения кинематической цепи подсистем комбайна и замер мощности ее отдельных участков (частей).

Эффективность предлагаемых рядом исследователей методов диагностирования различных видов неисправностей и прогнозирования на основе принципов нечеткой логики [8] вызывает сомнение из-за проблематичности установления соответствия значений определяющих параметров неисправностям.

По результатам диагностирования, в частности, исходя из фактических удельных энергозатрат (кВт·ч/т) должен выполняться анализ технико-экономической эффективности дальнейшей эксплуатации машины. С учетом энергетических характеристик комбайна (зависимость общей нагрузки всех электродвигателей от скорости подачи ) следует:

- определить скорость подачи (будет снижаться за счет увеличения удельных энерзозатрат и связанного с этим возрастания нагрузок электродвигателей);

- определить производительность (как теоретическую, так и эксплуатационную с учетом снижения скорости подачи и увеличения затрат времени на ремонты);

- произвести сравнение экономической эффективности работы изношенного и нового оборудования с учетом уменьшения производительности, а также повышения затрат на электроэнергию, ремонты.

 

Устройство диагностики мобильное УДМ

Основной характеристикой секции механизированной крепи является ее несущая способность, которая определяется величиной настройки предохранительных клапанов гидравлических стоек. Учитывая важность этой характеристики, требования нормативно-правовых актов по охране труда и промышленной безопасности, действующих в Украине, предусматривают непрерывный контроль давления в поршневой полости каждой гидравлической стойки, который осуществляется индикаторами давления или манометрами. И индикаторы давления, и манометры устанавливаются в поршневой полости гидравлической стойки, а именно в стоечном блоке вместе с предохранительным клапаном. Опыт показывает, что при недостаточном уровне технического обслуживания и эксплуатации после двух лет работы 30-40 % секций механизированной крепи теряют свою несущую способность из-за ухудшения технического состояния стоечных блоков и разгерметизации полостей гидравлических стоек. Потеря несущей способности крепи приводит к нарушению целостности (расслоению) массива пород непосредственной кровли, обрушению породы в рабочее пространство лавы, а в отдельных случаях происходит зажатие секций крепи "нажестко", что обуславливает необходимость работы комплекса с присечкой боковых пород. В результате происходит существенное снижение объемов добычи, рост зольности, резкое повышение уровня ручных работ и травматизма в лаве.

За последние годы в связи с резким сокращением поставок новых крепей (рис. 1), низким уровнем их ремонта и технического обслуживания количество лав, в которых не обеспечивается эффективное управление кровлей, стало резко возрастать. Так, в 2009 г. коэффициент обновления парка механизированных крепей снизился до уровня 2 %, что является самым низким показателем за всю историю украинской угольной промышленности. Парк крепей со сроком службы более пяти лет достиг уровня 75 %, в связи с чем возникла острая необходимость диагностики технического состояния стоек и стоечных блоков непосредственно в лаве без выдачи их на поверхность.

С этой целью ГП "Донгипроуглемаш" было создано, успешно прошло приемочные испытания и поставлено на серийное производство устройство диагностики мобильное УДМ, предназначенное для диагностики технического состояния гидравлических стоечных блоков, поршневых и штоковых полостей стоек и определения давления рабочей жидкости в каждой секции механизированной крепи непосредственно в лаве. Мобильное устройство также может использоваться на поверхности шахты при техническом контроле новой или отремонтированной механизированной крепи.

Давление настройки стоечных предохранительных клапанов составляет 39‑42 МПа, что в 1,5-2 раза превышает давление в гидросистеме механизированной крепи, развиваемое насосной станцией. Поэтому при создании мобильного устройства для получения необходимого значения давления был использован компактный гидроцилиндр с возможностью мультипликации давления до уровня 48 МПа.

Техническая характеристика устройства диагностики мобильного УДМ

- номинальное 13 - максимальное 32 Давление на выходе, МПа: