СПОСОБ МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ
METHOD OF MONITORING CONDITION OF ROCK CUTTING TOOLS

Изобретение относится к области механической проходки горных выработок, в частности, к способам мониторинга состояния породоразрушающих инструментов.
Известны высокоточные датчики для определения механической нагрузки породоразрушающих инструментов тоннелепроходческого механизированного комплекса [Описание изобретения к патенту Канады №2944967 от 08.04.2014, МПК E21D 9/00, E21D 9/10, опубл. 05.10.2016], выполненные в виде втулки, установленной, по меньшей мере, частично в устройстве для крепления ролика или на ролике, причем устройство датчика содержит, по меньшей мере, один чувствительный к нагрузке элемент, а также включающие устройство анализа сигналов датчиков с чувствительных к нагрузке элементов.
К недостаткам данного технического решения следует отнести контроль только одного показателя, характеризующего состояние конкретного породоразрушающего инструмента, а именно нагрузки на инструменте. Это является недостаточным для надежного мониторинга состояния породоразрушающих инструментов, так как текущая нагрузка важна с точки зрения надежности привода трансмиссии исполнительного органа, но не показательна в контексте состояния самих инструментов. Кроме того, передача определяемых при измерениях указанными датчиками данных осуществляется по проводам, риск повреждения которых в горных условиях весьма велик.
Известно устройство для определения состояния породоразрушающих инструментов для тоннелепроходческого механизированного комплекса [Описание изобретения к патенту США №7014271 от 28.07.2004, МПК Е21С 37/26, опубл. 21.03.2006], содержащее, по меньшей мере, один генераторный блок, который генерирует электрическую энергию, когда вращается соответствующий породоразрушающий инструмент, выполненный в виде дисковой шарошки, блок формирования сигнала, соединенный с генераторным блоком, и антенный блок, подключенный к блоку генерирования сигналов, антенна которого расположена, по меньшей мере, на одной внешней периферийной части соответствующего породоразрушающего инструмента и оборудована для беспроводной передачи сигналов передачи на приемный блок, оборудованный для приема сигналов и их интерпретации для каждого соответствующего породоразрушающего инструмента.
Недостатком данного технического решения является оценка только лишь факта работоспособности инструментов, причем регистрация выхода инструментов из строя осуществляется постфактум, то есть данное техническое решение не позволяет отслеживать динамику ухудшения состояния инструментов и заблаговременно предпринимать действия по минимизации негативных последствий этого процесса.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ мониторинга эффективности проходки тоннеля и устройство для его осуществления [Описание изобретения к патенту РФ №2455490 от 29.05.2009, МПК E21D 9/06, E21D 9/093, опубл. 10.07.2012, Бюл. №19]. Устройство представляет собой множество блоков приборов, состоящих из ряда датчиков, включая акселерометр, магнитометр и температурный датчик, соединенных с вращающейся режущей головкой, при этом каждый блок приборов содержит дистальный конец в контакте с соответствующим режущим узлом и предназначен для его мониторинга. При этом датчики установлены на дальнем конце блоков приборов и поджаты для контакта с режущим узлом. Блоки приборов включают беспроводной приемопередатчик и соединены друг с другом в сеть передачи данных или одноранговую сеть, а для каждого блока приборов предусмотрен источник электроснабжения. Мониторинг состояния режущих блоков представляет собой сбор и обработку данных со всех блоков приборов в удаленном приемнике-диспетчере.
К недостаткам данного прототипа следует отнести принципиальное отсутствие возможности визуального контроля состояния породоразрушающих инструментов, размещение датчиков непосредственно в режущем блоке, вследствие чего высока вероятность их выхода из строя, необходимость оснащения всех породоразрушающих инструментов датчиками, что приводит также к усложнению и удорожанию конструкции режущих блоков, а также не позволяет выполнять их во взрывозащищенном исполнении, что приводит к невозможности их использования во взрывоопасных условиях.
Задача изобретения - обеспечение надежного мониторинга состояния породоразрушающих инструментов без усложнения и удорожания конструкции режущих блоков, применимого в любых условиях эксплуатации. Достигаемый технический результат заключается в сокращении расходов на обеспечение нормальной эксплуатации породоразрушающих инструментов.
Выход из строя породоразрушающих инструментов происходит по разным причинам, основными из которых являются:
- износ инструмента вследствие контакта с горным массивом, выражающийся в потере формы режущей части породоразрушающего инструмента, а именно в уменьшении его размеров;
- перегрев инструмента;
- усталостные деформации материала, из которого изготовлены породоразрушающие инструменты, выражающиеся в возникновении сначала микродефектов в материале, перерастающих затем в макродефекты, такие как трещины и т.п.
Для обеспечения надежной эксплуатации породоразрушающих инструментов необходимо одновременно отслеживать их состояние с точки зрения отсутствия условий выхода из строя по всем указанным причинам. В предлагаемом изобретении это обеспечивается за счет использования нескольких приборов в блоке приборов. Отслеживание потери формы породоразрушающих инструментов вследствие износа осуществляется посредством прибора измерения расстояния, например, лазером; перегрев инструмента отслеживается температурным датчиком; макродефекты отслеживаются при помощи прибора визуального наблюдения, например, видеокамеры. При этом блок приборов расположен стационарно и внешним образом по отношению к рабочему органу, так чтобы область действия приборов охватывала часть траектории движения, по меньшей мере, одного режущего блока. Поскольку указанные приборы не встраиваются в режущие блоки с породоразрушающими инструментами, усложнения конструкций режущих блоков и их удорожания не происходит. Сам же блок приборов имеет меньше геометрических ограничений, за счет чего возможно его исполнение во взрывозащищенной оболочке.
Учитывая, что блок приборов не привязан к конкретным породоразрушающим инструментам, возникает необходимость в их идентификации. Решение этой задачи в данном изобретении осуществляется следующим образом. Перед началом работы каждому режущему блоку с породоразрушающим инструментом присваивается условное обозначение, фиксируется положение режущего блока на рабочем органе по отношению друг к другу, фиксируется положение рабочего органа по отношению блоку приборов с учетом зафиксированного положения режущих блоков на рабочем органе относительно друг друга, что означает также известное положение режущих блоков относительно блока приборов. При этом удобно выставлять рабочий орган таким образом, чтобы в зоне области действия блока приборов находился один из режущих блоков. Тогда в процессе эксплуатации по мере собственного вращения рабочего органа относительно своей оси, зная количество и фазы оборотов рабочего органа, можно определить точное положение каждого режущего блока относительно блока приборов, в том числе определить, какой из режущих блоков находится в области действия блока приборов. С этой целью измерения угла поворота рабочего органа вокруг своей оси относительно положения в момент начала работы. В момент прохождения конкретного режущего блока через область действия блока приборов фиксируется условное обозначение этого режущего блока, осуществляется измерение заданных параметров, характеризующих состояние породоразрушающих инструментов в процессе эксплуатации рабочего органа, значения измеренных величин сравниваются с заданными критическими значениями. В случае несоответствия (например, превышения) измеренных величин критическим значениям режущий блок признается подлежащим замене. При этом, поскольку конструктивно между режущими блоками существуют зазоры, анализу подвергаются только значения, соответствующие моментам прохождения режущих блоков через область действия блока приборов. Для этого с учетом известности взаимного расположения режущих блоков на рабочем органе, а также текущего положения рабочего органа анализируются данные, измеренные с некоторой периодичностью, соответствующей моментам прохождения режущих блоков через область действия блока приборов. Следует отметить, что иногда породоразрушающий инструмент может работать в аварийном режиме, при этом формально не выходя за установленные критические значения. Такое возможно, например, при заштыбовке режущих блоков, затрудняющих или исключающих вращение породоразрушающих инструментов вокруг своей оси. В таком случае, происходит повышенный износ с одной стороны породоразрушающего инструмента, непосредственно взаимодействующей с горным массивом. С целью выявления таких режимов работы породоразрушающего инструмента измеренные значения заданных параметров записываются, например, в электронную память системы управления блока приборов каждый раз после измерения. По мере накопления данных новые измеренные значения заданных параметров сравниваются не только с критическими значениями, но и с предыдущими значениями на текущем породоразрушающем инструменте и со значениями на других породоразрушающих инструментах, что позволяет отслеживать характер накопления износа на каждом породоразрушающем инструменте, а также строить типовые модели изменения состояния породоразрушающих инструментов в процессе эксплуатации, то есть осуществлять динамический анализ состояния породоразрушающих инструментов. Существенное отличие характера изменения состояния конкретного породоразрушающего инструмента от типовой модели является основанием для признания такого породоразрушающего инструмента работающим в аварийном режиме.
Изобретение иллюстрируется тремя чертежами:
Фиг. 1 - фрагмент общего вида исполнительного органа планетарного типа, оснащенного системой мониторинга породоразрушающих инструментов.
Фиг. 2 - фрагмент общего вида исполнительного органа роторного типа, оснащенного системой мониторинга породоразрушающих инструментов с несколькими блоками приборов.
Фиг. 3 - принципиальная блок-схема работы блока приборов с обработкой данных.
Исполнительный орган планетарного типа оснащается, по меньшей мере, одним породоразрушающим органом 1, совершающим в процессе работы вращение вокруг собственной оси, а также переносное движение. Привод вращения исполнительного органа условно не показан. На периферии исполнительного органа устанавливаются режущие блоки с породоразрушающими инструментами 2. На любой части исполнительного органа, совершающего вместе с ним переносное вращение, например на корпусе 3, устанавливаются, по меньшей мере, по одному блоку приборов 4 на каждый рабочий орган 1. Область действия приборов в блоке приборов 4 направлена на породоразрушающие инструменты 2, установленные на периферии рабочего органа 1. При этом области действия отдельных приборов и датчиков могут различаться и иметь разный характер. Например, измерение расстояния осуществляется точечно посредством луча 5 - прерывистая линия, направленного строго в одно положение; область действия температурного датчика 6 целесообразно распространить на весь режущий блок для измерения температуры не только самого породоразрушающего инструмента, но и узлов крепления - область между двумя тонкими сплошными линиями; область действия прибора визуального наблюдения 7 ограничивается параметрами его обзора (угол обзора, фокусное расстояние, геометрические размеры объектива и т.п) - область между двумя штрих-пунктирными линиями.
Исполнительный орган роторного типа совершает в процессе работы вращение только относительно собственной оси. Привод вращения исполнительного органа условно не показан. На лицевой части роторного органа устанавливаются породоразрушающие инструменты 2. На неподвижном (не вращающемся) корпусе 3 роторного исполнительного органа закрепляется необходимое число блоков приборов 4, но не менее одного. На фиг. 2 показаны три блока приборов 4: два блока, осуществляющих мониторинг состояния инструментов в центральной части, и один - в кутковой части роторного исполнительного органа. При этом также показано, что у каждого из блоков приборов могут различаться настройки области действия отдельных датчиков и приборов. У верхнего блока приборов область действия ограничена только кутковыми породоразрушающими инструментами, выполненными спаренными в одном корпусе 8. Измерение геометрических размеров породоразрушающих инструментов 2 осуществляется двумя лучами 5, исходящими из блока приборов 4, а область действия температурного датчика 6 охватывает одну пару породоразрушающих инструментов 2 в одном корпусе 8. Средний блок приборов охватывает три пары породоразрушающих инструментов 2 соответственно в трех корпусах 8. Однако при помощи лучей 5 измеряются геометрические размеры не шести породоразрушающих инструментов 2, а пяти. Мониторинг геометрических размеров «шестого» породоразрушающего инструмента осуществляется при помощи нижнего блока приборов 4. При этом область действия температурных датчиков 6 нижнего блока приборов 4 не распространяется на «шестой» породоразрушающий инструмент, который находится в области действия температурного датчика среднего блока приборов. Таким образом, на фиг.2 продемонстрирован случай, когда мониторинг различных аспектов состояния (износ, перегрев, деформации) породоразрушающих инструментов 2 осуществляется при помощи приборов и датчиков различных блоков приборов 4. Кроме того, настройки действия блоков приборов 4 могут быть выполнены таким образом, чтобы их области действия дублировали друг друга. Например, условно непоказанные на фиг.2 области действия приборов визуального наблюдения, очевидно, пересекаются.
Независимо от типа исполнительного органа результаты измерений, полученные блоком приборов 4, проходят стадии согласно блок-схеме, показанной на фиг. 3. Под обработкой данных понимают первичную интерпретацию результатов измерений, то есть, например, соотнесение конкретных значений с приборами, которыми они были получены, что позволяет установить тип данных (например, температура породоразрушающих инструментов 2 или видеозапись). Идентификация инструментов 2 осуществляется путем измерения текущего угла поворота исполнительного органа относительно начального положения и дальнейшего сопоставления измеренного значения текущего угла поворота исполнительного органа относительно начального положения с исходным положением каждого режущего блока. После идентификации режущего блока ему «присваиваются» результаты измерений, полученные блоком приборов 4. Далее производится анализ данных.
В простейшем случае анализ данных подразумевает экспресс-оценку текущего состояния породоразрушающих инструментов 2 в идентифицированном режущем блоке путем сравнения измеренных значений с заданными критическими величинами. В зависимости от результатов сравнения возможны три варианта дальнейшей работы:
1) если анализ не выявил отклонений от заданной нормы, то работа продолжается в нормальном режиме;
2) если анализ показал, что отклонение от нормы не выявлено, но ситуация близка к этому, то работа может продолжиться в особом режиме;
3) если анализ показал отклонение от нормы, то рекомендуется замена инструмента.
Возможны и более сложные формы анализа, например, путем сравнения результатов измерения не только с критическими значениями, но и со значениями предыдущих измерений и/или измерений, полученных для других режущих блоков.
Изобретение проиллюстрируем следующими примерами.
Пример 1.
Для начала опишем пример общего принципа работы системы мониторинга за состоянием породоразрушающих инструментов. Перед началом эксплуатации рабочий орган 1 выставляется таким образом, чтобы один из режущих блоков с породоразрушающим инструментом 4 находился в области действия блока приборов 6. Пусть вомемнадцать режущих блоков с породоразрушающими инструментами 4 равномерно и симметрично расположены на рабочем органе 1, а их количество равно двадцати. Тогда угловое расстояние между режущими блоками 4 равно 360/18=20°, то есть измерение заданных параметров при помощи блока приборов 6 должно производиться при повороте рабочего органа 1 вокруг своей оси на каждые 20°. Дадим режущему блоку, находящемуся в момент начала эксплуатации в области действия блока приборов, условное обозначение №1, а следующим режущим блокам - условные обозначения № i, где i - порядковый номер режущего блока. В качестве породоразрушающего инструмента используются лобовые дисковые шарошки.
Для лобовых дисковых шарошек мерой износа инструмента вследствие контакта с горным массивом, выражающимся в потере формы режущей части породоразрушающего инструмента, является уменьшение радиуса. То есть для оценки износа породоразрушающего инструмента 4, выражающимся в потере формы режущей части и измеряемом при помощи блока приборов 6, а также для принятия решения о соответствии породоразрушающего инструмента 4 критериям работоспособности измеренные расстояния для каждого из режущих блоков с породоразрушающими инструментами 4 сравниваются с величиной, равной сумме исходного расстояния от блока приборов (точнее, от прибора измерения расстояния) до режущего блока с породоразрушающим инструментом 4 перед началом эксплуатации и допустимому износу породоразрушающего инструмента, который для современных лобовых дисковых шарошек обычно составляет 25 мм. В ходе измерений было установлено, что все породоразрушающие инструменты 4 за каждый оборот рабочего органа 1 равномерно уменьшаются в радиальном направлении на 0,001 мм. Таким образом через 10000 оборотов рабочего органа 1, износ всех породоразрушающих органов 4 составил 10 мм, что меньше критического значения 25 мм. При сохраняющемся темпе износа для выхода породоразрушающих инструментов 4 из строя необходимо, чтобы рабочий орган 1 совершил 25000 полных оборотов.
Пример 2.
Общий принцип работы системы мониторинга за состоянием породоразрушающих инструментов тот же, что и в примере 1.
Для породоразрушающих инструментов 4 максимальная допустимая температура нагрева установлена на уровне 80°С. В процессе эксплуатации породоразрушающие инструменты 4 нагрелись до температуры 76°С, что меньше критического значения, но очень к нему близко - 95%. Это означает, что замена породоразрушающих инструментов 4 не требуется, однако следует рассмотреть возможность проведения ряда мероприятий, направленных на снижение температуры нагрева породоразрушающих инструментов 4, например, включение орошения или снижение скорости резания.
Пример 3.
Общий принцип работы системы мониторинга за состоянием породоразрушающих инструментов тот же, что и в примере 1.
В ходе визуального наблюдения за состоянием породоразрушающих инструментов, например, при помощи установленной в блоке приборов 6 видеокамеры оператор машины (или иное ответственное лицо) заметил на одном из породоразрушающих инструментов 4 линию, напоминающую трещину. При помощи блока приборов 6 он установил, что эта линия относится к породоразрушающему инструменту в режущем блоке №13, поскольку за время работы было совершено 238 полных оборотов и один неполный оборот на 260° (260°/20°=13). Являясь суеверным человеком, а также с целью исключения вероятности выхода из строя породоразрушающего инструмента в режущем блоке оператор (или иное ответственное лицо) принял решение приостановить работу и осмотреть породоразрушающий инструмент в режущем блоке №13 на предмет наличия в нем дефектов, и в случае их наличия произвести замену породоразрушающего инструмента в режущем блоке №13.
Пример 4.
Общий принцип работы системы мониторинга за состоянием породоразрушающих инструментов тот же, что и в примере 1.
В ходе измерений расстояния от блока приборов 6 до режущих блоков с породоразрушающими инструментами 4 было установлено, что большинство породоразрушающих инструментов 4 за каждый оборот рабочего органа 1 равномерно уменьшаются в радиальном направлении на 0,001 мм. После 1000 оборотов рабочего органа 1 типовое уменьшение породоразрушающих инструментов 4 в радиальном направлении составило 1 мм. Однако согласно измерениям, произведенным при помощи блока приборов 6, породоразрушающий инструмент в режущем блоке №8 (рабочий орган совершил 562 полных оборота и один неполный на 160°) за это уменьшился в радиальном направлении на 3 мм. Кроме того, для породоразрушающего инструмента в этом режущем блоке была зафиксирована на 15% более высокая температура, чем в типовом случае по результатам измерений. Оператор машины (или иное ответственное лицо) отследил при помощи прибора визуального наблюдения блока приборов 6 режущий блок №8 и определил, что, вероятно, в данном режущем блоке произошла заштыбовка. Он принял решение остановить работу и осмотреть детально режущий блок №8 с целью принятия дальнейших решений. Следует отметить, что в данном случае с учетом небольшого износа относительно критического значения, равного 25 мм, возможно будет достаточно очистить режущий блок №8 от штыба без замены породоразрушающего инструмента.
В результате использования изобретения снизились затраты на мониторинг состояния породоразрушающих инструментов на исполнительных органах планетарного типа без снижения надежности эксплуатации.