Инновационные пути обеспечения работоспособности горных машин на основе мониторинга их технического состояния

индивидуальный вклад каждого дефекта в энергию колебательного процесса.

Применение на практике данного метода позволит на более ранней стадии и с большей достоверностью выявлять зарождающиеся и прогрессирующие дефекты оборудования, что увеличивает надежность прогнозирования технического состояния и дает возможность предупредить аварийные отказы и планировать необходимые ремонты.

1. ГОСТ ИСО 10816-1-97 «Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерений вибрации на невращающихся частях. Часть 1. Общее руководство».

2. Герике Б.Л., Дрыгин С.Ю. Функциональная диагностика состояния динамических систем карьерных экскаваторов. Вестник КузГТУ, 2001. № 1, - с. 64-66.

3. Герике Б.Л. Мониторинг и диагностика технического состояния машинных агрегатов. - В 2-х ч.: Ч. 2. Диагностика технического состояния на основе анализа вибрационных процессов. - Кемерово: КузГТУ, 1999. ЕШ

— Коротко об авторах -

Герике Б.Л. - д-р техн. наук,

Дрыгин С.Ю., Абрамов И.Л. - канд. техн. наук,

Герике П.Б. - канд. техн. наук,

Институт угля и углехимии СО РАН.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

© Б.Л. Герике, И.Л. Абрамов,

227

П.Б. Герике, 2008

УДК 681.518.54

Б.Л. Герике, И.Л. Абрамов, П.Б. Герике

ИННОВАЦИОННЫЕ ПУТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ГОРНЫХ МАШИН НА ОСНОВЕ МОНИТОРИНГА ИХ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

Ж У а сегодняшний день на разрезах Кузбасса за основу при-

.М.Ж. нята система планово-предупредительных ремонтов оборудования, основной задачей которой является обеспечение работоспособности оборудования в течение заданного времени при минимальных затратах труда и материальных ценностей. Основой данной системы является плановая замена изношенных деталей. Время замены деталей вычисляется исходя из прогнозируемой скорости изнашивания детали. Наиболее характерными отказами для электромеханического оборудования являются постепенные (изно-совые) отказы. В реальных условиях имеет место существование также усталостного и коррозионного износа.

Периодичность ремонтов экскаваторов строят таким образом, чтобы в механизмах не работали детали с аварийной стадией износа (при периодичности, большей срока службы группы деталей) и чтобы при ремонте не заменяли детали с не полностью использованным ресурсом работоспособности (при периодичности, меньшей среднего срока службы группы деталей).

В системе технического обслуживания и ремонта экскаваторов пока нет теоретически обоснованного решения данных вопросов. Это приводит к слишком большому выбору рекомендаций по формированию структуры ремонтного цикла, назначению различных межремонтных периодов для одной и той же машины. Например, по инструкции №2341ИЭ НКМЗ для экскаватора ЭШ 10/70А рекомендуется проводить технические уходы №1-5 с периодичностью: смена, декада, месяц, три и шесть месяцев. Ленгипрошахт [1] рекомендует проводить ремонтный осмотр, текущие ремонты и капитальные ремонты соответственно с периодичностью 500, 5000, 12000, 24000 маш-час. Приказом Минуглепрома СССР № 313 уста-

228

навливается для этого экскаватора ежемесячный осмотр, годовой, средний и капитальный ремонты соответственно с периодичностью один месяц, один, два и четыре года; НИИОГР предлагает планировать ремонтные работы в зависимости от объемов переработанной горной массы с учетом ряда коэффициентов, учитывающих условия эксплуатации экскаваторов [2].

Каждый нормативный документ устанавливает жестко регламентированные объемы работ при ремонтах экскаватора независимо от его технического состояния; объемы ремонтных работ возрастают по мере сложности ремонта. Например, при среднем ремонте необходимо дополнительно выполнять работы годового и месячного ремонтов. Независимо от условий работы деталей и сборочных единиц ремонты планируются по одному из критериев -календарному (или машинному) времени работы или переработанной горной массе.

Все это приводит [3, 4]:

- к недоиспользованию ресурса отдельных деталей, агрегатов и сборочных единиц экскаваторов;

- к выполнению увеличенного объема разборочно-сборочных работ, не соответствующих техническому состоянию механизмов и устройств, и в то же время, увеличению вероятности быстрого изнашивания деталей, вызываемой приработкой из-за частой разборки и сборки;

- к значительному времени нахождения экскаваторов в ремонте (20-25 % от календарного фонда времени).

Система планово-предупредительных ремонтов во многих случаях может быть принята за основу при обслуживании несложных машин и механизмов, но для основного, безрезервного, оборудования ее применение нецелесообразно. Поэтому дальнейшее развитие системы ремонтов должно предусматривать: установление дифференцированных критериев оценки ресурса деталей, сборочных единиц и механизмов экскаваторов, учитывающих конкретные условия их работы; назначение конкретных сроков и объемов работ при ремонтах экскаваторов в зависимости от фактического технического состояния его деталей, сборочных единиц и механизмов.

Основная идея системы обслуживания и ремонта оборудования по фактическому техническому состоянию заключается в устранении отказов оборудования на этапе их зарождения [5]. Это

229

становится возможным при применении методов распознавания технического состояния оборудования по совокупности его эксплуатационных характеристик, позволяющих выявить имеющиеся или развивающиеся дефекта для рационального планирования оптимальных сроков проведения ремонтных работ.

Техническая база обслуживания и ремонта оборудования по фактическому техническому состоянию основана на том, что существует взаимосвязь между возможными техническими неисправностями агрегата и диагностическими параметрами, которые возможно контролировать. Другими словами, большинство распознаваемых дефектов, которые могут возникать в машине или механизме, имеют определенные диагностические признаки и параметры, предупреждающие о том, что дефекты присутствуют, развиваются и могут привести к отказу. Диагностические признаки дефектов могут включать в себя параметры вибрации, технологические и режимные параметры (нагрузку, температуру, силу тока и др.), примеси в смазке и т.д.

Следовательно, проводя мониторинг различных параметров, характеризующих работу оборудования, можно вовремя обнаружить изменение технического состояния оборудования и провести техническое обслуживание только тогда, когда возникает реальная возможность ухода параметров оборудования за недопустимые пределы, что соответственно сигнализирует о невозможности дальнейшей работы объекта наблюдения.

Идея обслуживания оборудования по фактическому техническому состоянию заключается в обеспечении максимально возможного межремонтного периода эксплуатации оборудования за счет применения современных технологий обнаружения и подавления источников отказов [6].

Основой этой системы являются:

- идентификация и устранение источников повторяющихся проблем, приводящих к сокращению межремонтного интервала обслуживания оборудования;

- устранение или значительное снижение факторов, отрицательно влияющих на межремонтный интервал или срок эксплуатации оборудования;

- распознавание состояния нового или восстановленного оборудования с целью проверки отсутствия признаков дефектов, уменьшающих межремонтный интервал;

230

- увеличение межремонтного интервала и срока эксплуатации оборудования за счет проведения монтажных, наладочных и ремонтных работ в точном соответствии с техническими условиями и регламентом.

Неразрушающие методы контроля, применяемые при техническом диагностировании одноковшовых экскаваторов, подразделяются на 2 основные группы:

1. дефектоскопические методы НК:

- визуально-измерительный контроль (ВИК);

- капиллярный контроль (ПВК);

- ультразвуковой контроль (УЗК);

- магнитный контроль (МК).

2. диагностические (функциональные) методы НК:

- тепловой контроль (ТК);

- вибродиагностический контроль (ВД);

- акустико-эмиссионный контроль (АЭ).

Все виды контроля и диагностики должны проводиться с использованием стандартных средств измерений, отвечающих требованиям Государственной системы обеспечения единства измерений, а также с использованием правил статистической обработки данных. Для исключения возможности попадания в эксплуатацию деталей и узлов с недопустимыми дефектами подозрительные места проверяются не менее трех раз.

Рассмотрим более подробно методы контроля, применяемые при экспертном обследовании одноковшовых карьерных экскаваторов.

При проведении экспертизы промышленной безопасности карьерных экскаваторов широко применяется метод визуально-инструментального контроля (ВИК), целью которого является выявление конструктивных изменений рабочего оборудования, поворотной платформы, нижней рамы, кузова и др. (формы, поверхностных дефектов в материале и соединениях деталей, образовавшихся трещин, коррозионных и эрозионных повреждений, деформаций, ослаблений соединений и т.п.), которые влияют или могут повлиять на безопасность эксплуатации экскаватора [7].

231

Одним из опасных дефектов, обнаруживаемых ВИК являются непровары в корне сварного шва, неполное заполнение разделки кромок (рис. 1). Основная опасность данного дефекта заключается в снижении прочности самого сварного соединения, создание дополнительных концентраторов напряжений, которые при неблагоприятных условиях развиваются в магистральные трещины. Скорость роста магистральной трещины тем выше, чем более глубоким является непровар.

Параллельно с визуально-измерительным контролем может выполняться диагностический контроль оборудования экскаватора. При обнаружении признаков наличия трещин в несущих металлоконструкциях или сварных швах экскаватора в этих местах проводится дополнительная проверка с помощью одного из дефектоскопических методов НК:

- контроля проникающими веществами (капиллярного контроля);

- ультразвукового контроля (УЗК).

Контроль проникающими веществами предназначен для определения мест расположения поверхностных дефектов с открытой полостью (рис. 2), их направления, протяженности, характера развития, как в основном, так и в наплавленном металле сварных соединений [8].

Ультразвуковой контроль, основанный на способности ультразвуковых колебаний распространяться в твердых веществах на

232

большую глубину без заметного ослабления и отражаться от границы раздела двух веществ, является наиболее

Рис. 2. Трещины могут располагаться как по сварному соединению, так и по основному металлу

надежным и простым методом дефектоскопии ответственных деталей и сварных соединений экскаваторов. Различают 5 методов УЗК: теневой, резонансный, импедансный, свободных колебаний и эхо-метод. Самым передовым словом техники можно считать применение УЗ фазированных решеток.

Главным достоинством УЗ фазированных решеток можно считать возможность программного формирования диаграммы направленности ультразвукового блока, включая фокусировку, точку и угол ввода. Это позволяет, применяя один и тот же ПЭП, реализовать все схемы контроля, применяемые в многоэлементных системах с линейным сканированием. Так, например, дефектоскоп Х-32 [9] имеет наглядный интерфейс и удобен в работе, а многочисленные функции, реализованные в нем, облегчают и оптимизируют процесс контроля:

- наличие 32 активных элементов обеспечивает получение высокой пространственной разрешающей способности, что позволяет получать распределения и точные размеры дефектов;

- формирование ультразвуковых пучков под более чем 2 000 углами для получения максимальной зоны контроля и разрешающей способности;

233

- использование до 128 элементов позволяет осуществлять мультиплексирование (линейное сканирование);

Рис. 3. Экранное меню дефектоскопа Х-32 на фазовых решетках фирмы Иаг/ащ

- наличие режимов одномерной эхографии (А-скани-рование), двухмерной эхографии (В-сканирование), линейного (Ь) и секторного (8) сканирования в реальном масштабе времени с анализом изображений во всех режимах сканирования.

Пример экранного меню приведен на рис. 3.

Тепловой контроль (ТК) предназначен для оценки теплового состояния электрооборудования и токоведущих частей в зависимости от условий их работы и конструкции. Может осуществляться по нормированным температурам нагрева (превышениям температуры), избыточной температуре, коэффициенту дефектности, динамике изменения температуры во времени, с изменением нагрузки и т. п.

При тепловом контроле производится сравнение результатов измерений температуры в пределах фазы, между фазами, с заведомо исправными участками и т.п. Для проведения ТК применяются

234

тепловизоры со спектральным диапазоном 8-12 цм и разрешающей способностью не меньше 0,1 °С.

Рис. 4. Термограмма развития дефекта в контакте разъединителя экскаватора ЭШ10/70

На рис. 4 приведен пример диагностирования дефекта электрического оборудования, обследование которого проводилось при помощи тепловизора Raytek TI 30 и программного обеспечения «Thermo View».

Однако, наиболее информативным параметром, несущим максимальную информацию о состоянии узла работающей машины или агрегата, являются механические колебания (вибрации) - упругие волны, распространяющиеся в сплошных средах. Информацию об изменении состояния объекта можно получать практически мгновенно. Именно эти особенности предопределили применение, в качестве основного, вибрационного метода диагностики и контроля (ВД).

Измерение виброакустических характеристик на подшипниковых опорах механизмов позволяет распознать такие дефекты и повреждения как дисбаланс и расцентровку валов; повреждения подшипников скольжения и качения; повреждения зацеплений в зуб-

235

чатых передачах; повреждения муфт; повреждения электрических машин [10, 11].

На рис. 5. показан дефект подшипника качения, возникший под действием сил дисбаланса.

236

Рис. 5. Дефект сепаратора подшипника качения (а), обнаруженный методом вибродиагностики (б) на преобразовательном агрегате экскаватора ЭШ15/90 №118

Как известно, наиболее эффективным из методов вибродиагностики является постоянный мониторинг, позволяющий своевременно получать точную и достоверную информацию о состоянии оборудования. Особенно актуальной представляется эта задача для парка карьерных одноковшовых карьерных экскаваторов.

Работы по проведению акустико-эмиссионного контроля (АЭ-контроль) основных несущих элементов корпуса экскаватора направлены на выявление развивающихся дефектов в сварных швах, образовавшихся за длительный период эксплуатации за счет накопления напряжений в результате циклического режима эксплуатации.

Контролю подлежат следующие элементы конструкции: стрела, верхние откосы, передние и задние раскосы, поперечная балка, рама, стойка, кран-балка, ресивер воздуха для пнев-мосистемы.

Сварные швы основных несущих элементов конструкции экскаватора являются концентраторами напряжений, и эксплуатационные дефекты в них обусловлены различными дефектами сварки, носят случайный характер, как по времени возникновения, так и по местоположению [12].

Акустико-эмиссионный контроль, используемый в режиме реального времени на действующем оборудовании позволяет выявить потенциально опасные места конструкции, момент образования развивающегося дефекта и его координаты практически без перерыва в работе, однозначно сказать о развитии дефекта.

Проиллюстрировать работу АЭ-контроля можно следующим примером. При контроле нижнего пояса стрелы с левой стороны между датчиками 9-10 (см. рис. 6) выявлена одна зона повышенной активности (рис. 7).

При осмотре зоны повышенной активности было выявлено, что кластер зоны повреждения попадает на шарнирное соединение вертикальной стойки круглого сечения и балки нижнего пояса. При осмотре выявленной зоны обнаружено увеличение диаметра отверстия под палец в проушине, и следы от ударов и трения на самом пальце.

Таким образом, по результатам акустико-эмиссионного контроля основных элементов корпуса экскаватора могут быть обнаружены эксплуатационные дефекты, выявление которых

237

Рис. 6. Типовая схема расстановки преобразователей АЭ

100 80 60 40 20 0

0 400 800 1200 1800 2000 2400

Z

Name Events Total Energy Av9. Pos. RMS Pos. z 63 63 1840.839 2.701

Рис. 7. Положение зоны активности на линии локации и количество сигналов в выявленных зонах экскаватора ЭШ 10/70

традиционными методами контроля требует значительных затрат как финансовых, так и трудовых затрат, при этом зачастую затруднительно дать ответ о необходимости и целесообразности проведения ремонтных работ.

Сокращение удельных эксплуатационных расходов на техническое обслуживание при эксплуатации карьерного оборудования

238

является, в настоящее время, одним из основных резервов повышения эффективности производства. Современные методы технического диагностирования, аппаратура для их реализации и программное обеспечение позволяют получить с очень высокой степенью надежности заключение о фактическом техническом состоянии карьерных экскаваторов.

В соответствии с Федеральным законом «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» [13] все машины и оборудование, эксплуатируемые на опасных производственных объектах, в том числе на шахтах, разрезах, карьерах, должны проходить экспертизу промышленной безопасности. Для решения этой задачи специалистами ГОУ КузГТУ, Института угля и углехимии СО РАН, ЗАО «НИИЦ КузНИУИ», НФ «КузбассНИИОГР» и ОАО «Кузбассэнергоуголь» разработаны «Методические указания по проведению экспертизы промышленной безопасности одноковшовых экскаваторов» [14].

Методические указания определяют сроки и порядок проведения экспертизы одноковшовых механических карьерных экскаваторов с вместимостью ковша 4 м3 и более (отечественного и импортного производства) двух типов - драглайнов и механических лопат.

Главной особенностью Методических указаний является применение подходов к оценке остаточного ресурса безопасной эксплуатации карьерных экскаваторов на основе комплекса научных исследований, опирающихся на современные инструментальные физические методы контроля. В Методических указаниях подробно изложены требования к оборудованию и аппаратуре для проведения диагностики и неразрушающего контроля, выполнения и оформления экспертизы технической безопасности, впервые сформулированы четкие и ясные критерии предельного технического состояния для карьерных экскаваторов.

Методические указания являются нормативной базой для внедрения системы технического обслуживания карьерных экскаваторов по фактическому состоянию, что позволит не только своевременно выявлять зарождающиеся дефекты и оценивать степень их опасности, но и явится основой для разработки экспертной системы диагностики.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

239

1. Временные нормативы межремонтных сроков, продолжительности и трудоемкости ремонтов оборудования для проектирования угольных разрезов. Инструкция. Л., Гипрошахт, 1974.

2. Шехет Я.М. Централизация ремонта экскаваторов. Добыча угля открытым способом. М. ЦНИЭИуголь, 1980, №3.

3. Бубновский Б.И. и др. Ремонт шагающих экскаваторов. М. Недра, 1982.

4. Кох П.И. Ремонт экскаваторов. М. Недра. 1967.

5. Диагностирование технических устройств опасных производственных объектов./ А.Н. Смирнов, Б.Л. Герике, В.В. Муравьев// Новосибирск - Наука -2003. - 320 с.

6. Герике Б.Л., Абрамов И.Л., Герике П.Б. Вибродиагностика горных машин и оборудования. Кемерово, 2007. - 167 с.

7. РД 03-606-03. Инструкция по визуальному и измерительному контролю, утверждена постановлением ГГТН РФ от 11.06.03, № 92.

8. Калиничин Н.П., Кулешова Г.П. Неразрушающий контроль. Капиллярный метод./ М. - изд-во НИИ интроскопии. - 2002. - 101 с.

9. Завидей В.И., Зотов К.В. Новые методы и приборы в неразрушающем контроле расслоений металла трубопроводов и сосудов при работе в сероводородной среде // http://bav.mpei.ac.ru/articles.

10. Ширман А.Р., Соловьев А.Б. Практическая вибродиагностика и мониторинг состояния механического оборудования. М. 1996.

11. Герике Б.Л., Абрамов И.Л., Герике П.Б., Дрыгин С.Ю. Оценка состояния главных приводов карьерных экскаваторов / Тр. Межд. науч. - практ. конф. «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» // -Новокузнецк: СибГИУ. 6-8 июня 2006.

12. Стенин Г.Д. Применение акустико-эмиссионного контроля для оценки технического состояния одноковшовых шагающих экскаваторов./ Г.Д. Стенин, А.В. Менчугин, С.И. Протасов// Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности. Труды VII международной научно-практической конференции, Кемерово, «Экспо-Сибирь», 2005. - С. 79 - 83.

13. Федеральный закон «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» от 21.07.97 № 116-93 (Собрание законодательства Российской Федерации, 1997, № 30, ст. 3588).

14. Методические указания по проведению экспертизы промышленной безопасности одноковшовых экскаваторов. ГУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет». Согласовано с Управлением по технологическому и экологическому надзору Ростехнадзора России по Кемеровской области, 2007, 125 с. ПТТТП

— Коротко об авторах -

Герике Б.Л. - д-р техн. наук,

Абрамов И.Л. - канд. техн. наук,

Герике П.Б. - канд. техн. наук,

Институт угля и углехимии СО РАН.

Е..ж. ............., L .. .  .........

А.А. Быков, 2007

240