Диагностика технического состояния механизмов поворота экскаваторов типа драглайн на основе анализа параметров виброакустических волн, генерируемых при их работе

УДК 353.083

ДИАГНОСТИКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МЕХАНИЗМОВ ПОВОРОТА ЭКСКАВАТОРОВ ТИПА ДРАГЛАЙН НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ПАРАМЕТРОВ ВИБРОАКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН, ГЕНЕРИРУЕМЫХ ПРИ ИХ РАБОТЕ

В настоящей работе обосновывается эффективность применения комплексного диагностического подхода для оценки технического состояния механизмов поворота экскаваторов типа драглайн, приведена подробная классификация дефектов их динамического оборудования. Дана оценка применению современных методов вибродиагностики для выявления дефектов горных машин. Доказана необходимость перехода на систему обслуживания техники по фактическому техническому состоянию, платформой для реализации базовых элементов концепции которой служат результаты, полученные в ходе выполнения настоящего исследования.

Ключевые слова: ВИБРОДИАГНОСТИКА, СПЕКТРАЛЬНЫЕ МАСКИ, УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКИМ ОБСЛУЖИВАНИЕМ, КАРЬЕРНЫЙ ЭКСКАВАТОР

П.Б. Герике

канд. техн. наук, старший научный сотрудник Института угля СО РАН_

Выполненные в рамках настоящей работы исследования параметров виброакустических волн, генерируемых при работе динамического оборудования экскаваторов типа драглайн, позволили заключить, что в условиях длительной сверхнормативной эксплуатации наибольшее распространение получили следующие основные типы неисправностей и повреждений механизмов поворота (рис. 1):

- нарушение жесткости системы;

- неуравновешенность ротора электродвигателя;

- дефекты подшипников (перекосы и ослабления посадок, дефекты наружного и внутреннего колец, тел качения и сепараторов, нарушение режима смазки);

- износ зубчатых зацеплений, нарушение соосности и перекос валов редуктора;

- дефекты двигателей электромагнитного происхождения;

- нарушение соосности системы «электродвигатель - редуктор».

Результаты мониторинга технического состояния горных машин по параметрам механи-

ческих колебаний, выполненного учеными и специалистами ИУ СО РАН и ФГБОУ ВПО КузГТУ, были использованы при разработке критериев предельно -допустимого состояния их основного динамического оборудования. Разработанные критерии использованы в методических указаниях [1], утвержденных Ростехнадзором РФ. На примере одноковшовых карьерных экскаваторов типа ЭКГ и ЭШ в данном отраслевом руководящем документе реализована современная методика расчета остаточного ресурса безопасной эксплуатации горной техники, обоснована оценка технического состояния динамического оборудования, определены требования к оборудованию для проведения неразрушающего контроля.

На рисунках 2-7 приведены некоторые примеры, иллюстрирующие анализ параметров виброакустической волны, содержащей информацию о наличии дефектов динамического оборудования механизмов поворота экскаваторов типа ЭШ.

Спектр, приведенный на рисунке 2, свидетельствует о наличии на исследуемом агрегате

1060.18.259-1 1040.03.250-1 СБ 1060.1В.259-1

Рисунок 1 - Схема проведения замеров параметров вибрации механизма поворота экскаватора ЭШ 20/90

самого распространенного дефекта, присущего горным машинам в целом - нарушения жесткости системы. В общем виде различают два основных состояния, присущих этому повреждению конструкции - это нарушение жесткости опорной системы (ослабление или отсутствие крепежа, анкеров и т. п.) и нарушение, связанное с ослаблением посадки (разболтанностью) элементов конструкции механизма (осевой бой шестерни на валу, ослабление посадки подшипника качения и т. д.).

Редукторам в составе механизмов поворота экскаваторов типа драглайн присущи следующие основные повсеместно распространенные дефекты: абразивный износ зубчатых зацеплений, нарушение соосности (иногда даже перекос) осей валов редуктора, ослабление посадки и разнообразные дефекты подшипников.

Спектр на рисунке 3 иллюстрирует процесс локального абразивного износа зубчатых зацеплений первой ступени редуктора механизма поворота экскаватора ЭШ 11/70, маркером отмечена группа зубцовых частот. Степень развития повреждения некритична, однако при наличии соответствующих условий, таких как повышенные знакопеременные ударные нагрузки в сочетании с нарушением режима смазки, дефект зубчатого зацепления будет достаточно быстро развиваться.

Дефекты подшипников качения, одного из самых нагруженных элементов конструкций энерго-механического оборудования шагающих экскаваторов, также повсеместно распростра-

нены. Наибольшее распространение получили ослабления посадок, нарушение режима и качества смазки, дефекты внутреннего и наружного колец, трещины и наклёп сепараторов, дефекты тел качения. Достаточно часто встречаются комбинации из множественных повреждений различных элементов подшипников [2, 3].

Результаты статистической обработки данных по параметрам вибрации свидетельствуют о том, что из 100 % заведомо исправных в начале своей эксплуатации подшипников качения только около 33 % выходят из строя по причине естественного износа. Оставшаяся доля в 67 % - из-за нарушения режима смазки, повышенных нагрузок, а также по причине нарушения технологии монтажа [4].

В настоящее время разработано большое количество методов виброконтроля, ориентированных на оценку технического состояния подшипников качения. Из-за существенных ограничений на область применения многих из них (таких как малое время на проведение замеров, изменяющиеся частоты вращения, знакопеременные ударные нагрузки, отсутствие возможности установления конкретного типа дефекта) наиболее эффективным для диагностики подшипников качения считается применение комплексного подхода, включающего в себя как минимум три метода виброконтроля - прямой спектральный анализ, эксцесс и анализ огибающей. Исследованиями ряда авторов убедительно показано, что именно такой комплексный подход к диагностике сложных механических

систем обеспечивает возможность извлечения максимума полезной информации из виброакустического сигнала [5-8].

В рамках выполнения настоящего исследования были разработаны спектральные маски для выполнения автоматизированного нормирования параметров механических колебаний, генерируемых динамическим оборудованием широкого модельного ряда экскаваторов типа драглайн (ЭШ 6/45, ЭШ 10/70, ЭШ 15/90 и других моделей). Широкое применение для решения задач практического виброанализа разработанных спектральных масок с высокой степенью детализации предоставляет возможность заметно упростить проводимый анализ и снизить временные затраты, одновременно повысив качество выполняемых диагностических работ.

Специфика разработки таких масок подразумевает решение ряда определенных задач, связанных, прежде всего, с изменяющимися при работе механизмов частотами и разной кинематикой агрегатов для различных моделей экскаваторов (см. рис. 6). В этом случае необходимо применять так называемые «плавающие» границы частотных диапазонов, учитывающие величины изменения граничных частот проявления дефектов (и их комбинаций). Таким образом, разработка даже одного комплекта спектральных масок требует обработки значительного объема статистической информации по параметрам исходного сигнала, именно поэтому такой подход к нормированию вибрации не получил широкого распространения и используется, в основном, при проведении процедуры диагностирования преобразовательных агрегатов карьерных экскаваторов. Однако, даже такой тривиальный дефект как нарушение жесткости системы (см. рис. 2), требует значительных затрат времени на анализ виброакустической характеристики с использованием около шестнадцати диагностических признаков, тогда как внедрение и повсеместное использование спектральных масок могло бы свести до минимума вероятность появления ошибок и сократить время выполнения анализа.

Отдельного рассмотрения требуют вопросы выявления методами вибродиагностики дефектов двигателей электрической природы, таких как замыкание обмоток, асимметрия электромагнитного поля и т.п. Обычно для выявления повреждений такой природы используют тепловой контроль, т.к. большинству перечисленных процессов сопутствует значительное выделение тепла. В качестве диагностического признака по параметрам механических колебаний использу-

ют гармонический ряд частоты питающей сети, однако эти гармоники могут полностью совпадать с другими составляющими спектра, генерируемыми совершенно иными процессами. В этом случае хорошо зарекомендовал себя метод анализа характеристики разгона-выбега агрегата. Гармонический ряд «электрической» частоты исчезает из спектра сразу после отключения питания электрического привода машины, что обусловлено наличием одного или нескольких дефектов электрической природы. На практике метод реализуется редко, причина этого заключается в увеличении трудозатрат и жестко регламентированного времени измерений в условиях технологического цикла работы промышленных предприятий.

Однако из всех рассматриваемых неисправностей динамического оборудования драглайнов самым мощным низкочастотным высокоэнергетическим колебательным процессом является дисбаланс ротора электродвигателя (см. рис. 7). Неуравновешенность роторов электродвигателей, используемых в конструкциях горных машин, является достаточно распространенным дефектом (признаки неуравновешенности ротора на разной стадии развития этого дефекта присутствуют примерно у 25 % от общего числа электрических машин, подпадающих под процедуру экспертизы промышленной безопасности технических устройств, эксплуатируемых на опасных производственных объектах). Типы дисбаланса и причины его возникновения различны [9], основная же специфика этого дефекта заключается в том, что в сочетании с расцен-тровкой привода агрегата и ярко выраженным нарушением жесткости опорной системы такой процесс может привести к возникновению аварийной ситуации, отрыву элементов агрегата от опор и частичному или полному разрушению конструкции и, как следствие, к значительному риску для жизни обслуживающего и ремонтного персонала. Система обслуживания и ремонтов горной техники, действующая сегодня на предприятиях угольной и горнорудной промышленности Кузбасса, позволяет ремонтным службам эксплуатирующих предприятий пренебрегать работами, связанными с балансировкой. Техническое состояние агрегата в этом случае часто доводится до критического, что напрямую сопряжено с потерями из-за аварийных простоев и увеличением затрат на ремонт техники.

Разработанные в ходе выполнения настоящей работы спектральные маски с высокой степенью детализации для всех агрегатов основных типов карьерных экскаваторов-драглайнов, кри-

Уе, мм/с

11

ХлАХкь) клЛАчМ^л^^' лК^Хл,

200 400 6 00 800

1Гц

Рисунок 2 - Нарушение жесткости системы. Ослабление крепления электродвигателя к редуктору механизма

поворотаэкскаватораЭШ 10/70

1/е, мм/с

1

!

л 1 ]

200 400 600 , _

I Гц

Рисунок 3 - Незначительный локальный абразивный износ зубчатых зацеплений первой ступени редуктора

механизма поворотаэкскаватораЭШ 11/70

Рисунок 4 - Развитие дефекта подшипника входного вала редуктора механизма поворота экскаватора ЭШ 13/50

Технологические вопросы безопасности горных работ Уе, мм/с

I 1

ж НчаАЛЛ.^О Л . . к Л .. . а.-------

200 400 600 еоо ^ Гц

Рисунок 5 - Нарушение режима смазки подшипника со стороны свободного конца электродвигателя правого

механизма поворота экскаватора ЭШ 6/45

Уе, мм/с

•¿00 4УУ бои иио , _

ъ Гц

Рисунок 6 - Спектральная маска для редуктора механизма поворота экскаватора ЭШ 6/45, разделенная на 7

индивидуальных частотных полос

УеЛ/О, дБ

Г, Гц

Рисунок 7-Спектр,иллюстрирующий наличие развитогодисбалансаротораэлектродвигателя

научно-технический журнал № 2-2015

58 вестник

терии предельного состояния механизмов горной техники, сформулированные оригинальные совокупности диагностических правил и обоснованный комплексный диагностический подход проведения контроля и анализа параметров полигармонической волны позволяют эффективно и быстро выявлять дефекты динамического оборудования даже на начальной стадии их развития. Перечисленные разработки являются элементами базовой платформы, использование которой предоставляет возможность внедрения на предприятиях качественно более совершенных форм управления техническим обслуживанием и системой ремонтов, например системы обслуживания оборудования по его фактическому техническому состоянию. Такая система

позволит предприятиям угольной и горнорудной промышленности выйти на качественно новый уровень технического обслуживания технологического оборудования, что, в первую очередь, окажет влияние на безопасность проведения горных работ.

Только широкое применение современных методов и средств неразрушающего контроля позволит решить задачу эффективного использования системного подхода к обслуживанию сложного технологического оборудования и минимизировать вероятность возникновения аварийных ситуаций на производстве, тем самым сделав труд работников угольных предприятий более безопасным.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. РД 15-14-2008. Методические рекомендации о порядке проведения экспертизы промышленной безопасности карьерных одноковшовых экскаваторов.

2. Skeinik, R. Automated fault detection via selective frequency band alarming in PC-based predictive maintenance systems / R.Skeinik, D. Petersen. - CSI, Knoxville, TN, USA.

3. Pozhidaeva, V. Determining the roughness of contact surfaces of the rolling bearings by the method of shock pulses / V. Pozhidaeva // World Tribology Congress III (12.09.05-16.09.05). - USA, Washington, D.C.,

- Volume 2. - pp. 891-892.

4. Разработка методики диагностирования и прогнозирования технического состояния дизель-гидравлических буровых станков / Ещеркин П. В.: .: Автореф. дис. канд. техн. наук. - Кемерово, - 2012.

- 18 с..

5. Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. / Под общ. ред. В. В. Клюева. Т. 7: В 2 кн. Кн. 2: Ф.Я. Балицкий, [и др.] Вибродиагностика. - М.: Машиностроение, 2005. - 829 с.: ил

6. Герике, Б. Л. Диагностика горных машин и оборудования. Учебное пособие / Б. Л. Герике, Г. И. Козовой, В. С. Квагинидзе [и др.]. - Москва, 2012. - 400 с.

7. Bently, D. E. Fundamentals of rotating Machinery Diagnostics / D. E. Bently, C. T. Hatch. - Bently Pressurized Press, 2002. - P.726.

8. Герике, П. Б. Вибродиагностика оборудования угольной и горнорудной промышленности / Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня: Институт угля Сибирского отделения РАН. - М.: изд-во «Горная книга». - 2013. - № ОВ 6. - С. 440-446.

9. Balducchi, F. Experimental analysis of the unbalance response of rigid rotors supported on aerodynamic foil bearings / F. Balducchi, M. Arghir, S. Gaudillere // Proceedings of ASME Turbo Expo 2014: Turbine Technical Conference and Exposition GT2014( 16.06.14 - 20.06.14) - Germany, Düsseldorf, - Volume 7B: Structures and Dynamics - pp. V07BT32A009; 12 p. .

59

DRAGLINE EXCAVATORS TURNING MECHANISMS TECHNICAL CONDITION DIAGNOSTICS BASED ON VIBROACOUSTIC WAVES PARAMETERS GENERATED DURING THEIR WORK ANALYSIS

Gerike P. B.

This paper substantiates the effectiveness of an integrated diagnostic approach in order to evaluate dragline excavator turning mechanism technical condition, the detailed defect classification of their dynamic equipment is presented. The estimation of modern methods of vibration diagnostics use for mining equipment defects detection is given. The necessity of transition to the equipment maintenance system based on actual technical condition is proven and the platform of the main conception elements are the results of the present research work.

Key words: VIBRODIAGNOSTICS, SPECTRAL MASKS, TECHNICAL MAINTENANCE CONTROL, QUARRY EXCAVATOR

Герике Павел Борисович e-mail: am_besten@mail.ru

19И ГОРНОСПАСАТЕЛЬНОГО ДЕДА

Безопасность горняков - наша работа

Научное обеспечение аварийно-спасательных работ в угольных шахтах

Экспертиза промышленной безопасности

Научное обеспечение и экспертиза предупреждения, локализации и тушения эндогенных пожаров

• /  I

Аэрологическая съемка рудничной и промышленной атмосферы

. ч » . -  Ч;

Радоновая съемка атмосферы, промышленных, социальных и жилых помещений

Наши контакты:

650002, г Кемерово. Пр. Шахтёров, 14 Тел.: (38-42) 64-19-60, 64-25-71

60