Обоснование интегрального диагностического комплекса для оценки технического состояния приводов проходческо- очистных комбайнов

С.А. Асонов, П.В. Иванова, С.Л. Иванов, Д.И. Шишлянников

ОБОСНОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНОГО ДИАГНОСТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПРИВОДОВ ПРОХОДЧЕСКО-ОЧИСТНЫХ КОМБАЙНОВ

Обоснована необходимость разработки и внедрения диагностических комплексов контроля параметров работы и технического состояния проходческо-очистных комбайнов. Рассмотрены информативные методы диагностики. Представлены основные требования к бортовым автоматизированным комплексам контроля параметров работы проходческо-очистных комбайнов с буровыми исполнительными органами. Рассмотрена система электрогидравлического управления комбайнами типа «Урал», и система мониторинга состояния данных машин. Дано описание основных датчиков рассмотренной системы. Указаны недостатки системы электрогидравлического управления. Предложен метод оценки технического состояния элементов электромеханической системы добычных машин, основанный на анализе характера и величины внешних нагрузок, контролем мгновенных значений токов, напряжений и мощностей, потребляемых электродвигателями добычных комбайнов. Указанные подходы реализованы в опытном образце программно-регистрирующего комплекса «ВАТУР». С его помощью возможно проводить измерение, запись и сохранение параметров работы проходческо-очистных комбайнов. Визуализация записей токов, напряжений и активных мощностей приводов осуществляется специально разработанной программой. Ключевые слова: горная машина, безотказность, диагностический комплекс, привод, мониторинг, наработка, датчик, проходческо-очистной комбайн.

Большое количество отказов оборудования горных машин связано с выходом из строя узлов трансмиссии. Причинами возникновения отказов являются повышенные нагрузки в узлах приводов рабочего оборудования добычных машин, несо-

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 1. С. 18-26. © 2017. С.А. Асонов, П.В. Иванова, С.Л. Иванов, Д.И. Шишлянников.

УДК 622.23.05

ответствующее техническое обслуживание и ремонт, использование добычных машин с полностью выработанным ресурсом.

На предприятиях РФ, осуществляющих добычу полезных ископаемых комбайновыми комплексами, актуальна задача повышения безотказности работы оборудования. Повысить безотказность возможно внедрением диагностического комплекса, контролирующего параметры работы и техническое состояние проходческо-очистных комбайнов, не допускающего предельных нагрузок на приводы горных машин.

Диагностический комплекс оценки технического состояния проходческо-очистных комбайнов должен включать в себя современные, информативные методы диагностики [2, 5]. Позволяющие осуществлять оценку наработки и остаточного ресурса элементов приводов добычных машин, для проведения ремонтных работ по фактическому состоянию оборудования, и для оценки качества проведения этих работ.

К информативным методам можно отнести следующие: вибрационная диагностика; тепловой метод контроля; химический анализ технологических жидкостей (масла и смазки); контроль токов, напряжений и мощностей, потребляемых электродвигателями. Вибрация является параметром, несущим информацию о состоянии узла машины или агрегата [12]. Контроль температуры является интегральным показателем качества машины или сборки, повышение температуры выше нормы говорит об интенсивных потерях в системе (например, редуктора). Метод диагностики технического состояния электромеханической системы по содержанию продуктов износа в масле характеризует высокая достоверность оценки. Метод контроля токов, напряжения и мощностей, производит оценку технического состояния на основе анализа зависимостей напряжения и тока от времени и спектрального анализа полученных сигналов тока, напряжения и мощности [13, 14].

Создание диагностических комплексов горных машин является сложной технической задачей. Решение которой необходимо осуществлять, учитывая комплекс требований, предъявляемых обслуживающим персоналом, инженерными, диспетчерскими и ремонтно-восстановительными службами предприятия и правилами техники безопасности к разрабатывающей организации.

Условия эксплуатации добычных комбайнов характеризуются запыленностью и влажностью внешней среды, широким диапазоном изменения рабочих температур, значительными

динамическими нагрузками, следовательно, диагностический комплекс должен обеспечивать работу в запыленной и влажной атмосфере при температуре окружающего воздуха от 0 до +35 °С, при воздействии вибраций высокой частоты, а также соответствовать общим требованиям безопасности по ГОСТ 12.2.007-75, быть прост в конструкции и удобен в обслуживании.

К бортовым автоматизированным комплексам контроля параметров работы проходческо-очистных комбайнов с буровыми исполнительными органами предъявляют следующие основные требования:

1) Обеспечивать контроль, измерение, визуализацию и документирование основных параметров работы проходческо-очист-ного комбайна:

• изменение величины скорости и направления движения, положение комбайна относительно горизонтальной плоскости;

• изменение мгновенных значений токов, напряжений, значения активной и полной мощности, потребляемые приводными двигателями, срабатывание сигнализирующих и предохранительных устройств.

• изменение величины давления в системе гидропривода.

2) Обеспечивать мониторинг технического состояния комбайна в целом и узлов трансмиссий добычной машины, оценки их остаточного ресурса.

3) Обеспечивать совместимость с системами автоматического вождения и регулирования скорости подачи комбайна.

4) Обеспечивать воспроизведение визуализированного сигнала изменения контролируемых параметров для нескольких замеров, автоматическое создание отчета о проведенных измерениях [6].

Рассмотрим, поставленные вопросы на примере комбайна Урал-20Р. В настоящее время на данных комбайнах используется опытная эксплуатация систем электрогидравлического управления (СЭУ) и мониторинга. В состав данной системы входят датчики измерения концентрации метана в атмосфере очистных выработок. Которые осуществляют отключение электрооборудования в случае превышения допустимого уровня концентрации метана в призабойном пространстве, что повышает безопасность ведения добычных работ. В магнитной станции комбайна монтируются датчики тока, посредством которых осуществляется контроль нагруженности электродвигателей комбайна. На основе сигналов измерительных трансформаторов тока реализуется защита двигателей от перегрузок. Непрерыв-

ная запись токов позволяет определить время использования и некоторые режимные параметры работы добычной машины. А также в состав СЭУ входят беспроводные датчики измерения температуры и предельного уровня масла в редукторах комбайна, датчики измерения температуры подшипниковых узлов, для определения текущего состояния узлов оборудования машины. Вся полученная информация с датчиков, включая данные о работе системы управления комбайном, фиксируется в энергонезависимой памяти, соотнесена с реальным временем и отображается непосредственно на пульте управления. Особенностью описываемой аппаратуры является возможность передачи информации от комбайна на пульт диспетчера через коммуникационную сеть рудника. Данные о работе комбайна копируются на флэш-карты, и могут быть скопированы на компьютеры инженерно-технического персонала предприятия [7].

Отсутствие информации о перемещении добычной машины, значениях мгновенной и средней скорости подачи комбайна на забой при анализе записей бортовых регистраторов затрудняет оценку эксплуатационной производительности и эффективности использования технологического оборудования в очистной камере.

К недостаткам рассмотренного комплекса следует отнести сложность структуры и малую информативность контролируемых параметров. Изменение напряженно-деформированного состояния соляных пород при ведении очистных работ приводит к необходимости осуществления инструментального контроля выбросоопасности калийного массива, так как наличие датчиков метана на комбайне не обеспечивает полной безопасности ведения работ. Величина и характер изменения токов, потребляемых электродвигателями, весьма неточно характеризуют нагруженность приводов комбайнов. Высокая энерговооруженность оборудования механизированных комплексов оказывает существенное влияние на величину питающего напряжения электросети участка. «Просадка» напряжения при неизменной внешней нагрузке обусловливает пропорциональное увеличение тока, потребляемого приводами. По этой же причине, низкой эффективностью характеризуются системы автоматического управления, регулирования и защит, основанные только на контроле величин потребляемых токов. Низкая эффективность термодинамического мониторинга обусловливает необходимость периодического проведения вибрационного контроля (высокая трудоемкость, временные затраты) приво-

дов комбайна с целью уточнения неисправного состояния отдельных элементов. Большое количество датчиков увеличивает стоимость оборудования и снижает удобство обслуживания бортовых систем горных машин.

На сегодняшний день одним из перспективных методов оценки технического состояния и ресурса элементов электромеханической системы добычных машин является анализ величины и характера внешних нагрузок, определяемых посредством замеров мгновенных значений токов, напряжений и мощностей, потребляемых электродвигателями добычного комбайна [4, 8, 9, 11].

Специалистами ООО «Региональный канатный центр» (г. Пермь), разработан опытный образец программно-регистрирующего комплекса «ВАТУР». Который обеспечивает измерение, запись и сохранение основных параметров работы про-ходческо-очистных комбайнов. В состав комплекса входят процессорный блок, блоки питания и коммутации, токовые клещи, датчики напряжения и датчик пути. Визуализация записей токов, напряжений и активных мощностей приводов осуществляется специально разработанной программой «Ватур-оф».

Данный комплекс обеспечивает возможность создания и хранения массивов данных, содержащих информацию о достаточно длительных периодах работы проходческо-очистного комбайна [3]. Анализ ваттметрограмм позволяет определить следующее.

1. Режимные параметры работы комбайна: частоту включений-выключений, время производительной работы и простоев.

2. Частоту возникновения и длительность сверхнормативных нагрузок. При возникновении аварийных ситуаций ват-тметрограмма является документом, позволяющим судить о причинах аварии и действиях персонала. На основе актуальной информации о нагруженности приводов возможно функционирование систем автоматического ограничения нагрузок.

3. Техническую производительность и наработку комбайна. Полученные данные, соотнесенные с затратами на обслуживание и ремонт, определяют стоимость машино-часа готовности комбайна и объективно характеризуют эффективность работы сервисных служб предприятия [1].

Этот диагностический комплекс, непрерывно регистрирующий токи, напряжения, активные мощности двигателей приводов и перемещение проходческо-очистного комбайна реализует оценку технического состояния добычной машины, но с

помощью него невозможно осуществить прогнозирование состояния оборудования.

Для получения достоверного прогноза по техническому состоянию системы в процессе эксплуатации необходим учет многих обстоятельств, имеющих вероятностную природу. Подобный прогноз о надежности технической системы можно получить, используя имитационное моделирование с применением физических структурных моделей.

В настоящее время ведется работа по моделированию работы скребкового конвейера грузчика комбайна Урал-20Р, так как он имеет большое количество отказов. Связанных с неравномерностью поступления груза от шнекового исполнительного органа и подверженностью рамы конвейера значительной вибрации, обусловленной динамическими нагрузками на исполнительном органе комбайна и приводе конвейера.

Если рассматривать как объект моделирования скребковый конвейер, то необходимо учитывать следующие моменты.

В первую очередь угол наклона выработки. В соответствии с паспортными данными проходческо-очистные комбайны типа «Урал» могут работать в выработках с углом наклона от 12° вниз до 12° вверх. По расчетам, приведенным в статье [10], паспортная производительность комбайна обеспечивается при его работе вверх.

Рама скребкового конвейера имеет наклонный и горизонтальный участки. Угол наклона передней конвейерной рамы в соответствии с техническими характеристиками области применения комбайнов Урал-20Р изменяется от 6° до 30°. Следовательно, угол наклона передней рамы конвейера будет определяться суммой угла наклона выработки и угла наклона передней рамы конвейера относительно горизонтальной плоскости.

Не маловажным фактором для создания модели является определение коэффициента межскребкового пространства. Который в свою очередь зависит от коэффициента разрыхления породы, от гранулометрического состава руды, от потока насыпного груза на конвейер. Так же необходимо учитывать объем горной массы, расположенный выше уровня скребков конвейера, зависящий от естественного угла откоса горной массы при движении и угла наклона передней рамы конвейера. Величина угла естественного откоса руды в движении обусловлена в основном вибрацией рамы конвейера и неравномерностью движения цепи.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Андреева Л. И. Совершенствование ремонтного обслуживания горного оборудования угольных разрезов: Препринт № 6. НИИОГР. — Челябинск, 1999. - 18 с.

2. Асонов С. А., Иванов С. Л., Шишлянников Д. И. Современные методы оценки технического состояния электромеханических систем горных машин / Инновации на транспорте и в машиностроении: сборник трудов III международной научно-практической конференции. Т. II. — СПб.: НМСУ «Горный», 2015. — С. 54—58.

3. Асонов С. А., Иванов С. Л., Шишлянников Д. И. Способы диагностирования технического состояния и оценки остаточного ресурса электромеханической системы комбайнов Урал-20р / II-я Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы технических наук в России и за рубежом», г. Новосибирск, 2015. — Новосибирск, 2015. — С. 48—50.

4. Барков А. В., Баркова Н. А., Борисов А. А. Методика диагностирования механизмов с электроприводом по потребляемому току. — СПб.: Севзапучцентр, 2012. — 68 с.

5. Вахромеев О. Е, Каримов Р. Т., Надеев А. И. Современные методы диагностики электромеханических систем // Вестник АГТУ. — 2006. — № 2. — С. 51—56.

6. Глушко В. В. Характеристики режимов работы горных машин и их автоматическое управление. — М.: Недра, 1973. — 240 с.

7. Загвоздкин И. В., Лесов Г. П., Янович Д. М. Обеспечение безопасности и безаварийной работы комбайновых комплексов на рудниках ОАО «Уралкалий» // Безопасность труда в промышленности. — 2013. — № 9. — С. 46—49.

8. Коломийцев М. Д. Эксплуатация горных машин и автоматизированных комплексов. — Л.: Изд-во ЛГИ, 1988. — 96 с.

9. Лаптев Б. В. Предотвращение газодинамических явлений на калийных рудниках. — М.: Недра, 1994. — 138 с.

10. Чекмасов Н. В. и др. Особенности расчета и увеличение производительности скребковых конвейеров проходческо-очистных комбайнов // Горное оборудование и электромеханика. — 2006. — № 7. — С. 8—11.

11. Szabo L, Toth F, Kovacs E, Fekete G. An overview on induction machine's diagnosis methods // Journal of Computer Science and Control Systems. Oradca. 2008. pp. 229—234.

12. Jack L. B., Nandi A. K. Genetic algorithm for feature selection in machine condition monitoring with vibration signals // IEE Proceedings Vision. Image and Signal Processing. Vol. 147. June. pp. 205—212. 2000.

13. BlodtM, Granjon P., Raiso B., Rostaing G. Models for bearing damage detection in induction motors using stator current monitoring // Industrial Electronics, 2004 IEEE International Symposium. Vol. 1. pp. 383—388, May 2004.

14. Srlbovornmongkol T. Evaluation of motor online diagnosis by FEM simukations. // Electrical Machines and Power Electronics School of Electrical Engineering Royal Institute of Technology. Stockholm. 2006. ii^

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Асонов С.А} — аспирант, e-mail: asonlls@bk.ru, Иванова П.В} — аспирант,

Иванов Сергей Леонидович1 — доктор технических наук, профессор,

Шишлянников Дмитрий Игоревич — кандидат технических наук, доцент, Пермский национальный исследовательский политехнический университет,

1 Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 1, pp. 18-26. S.A. Asonov, P.V. Ivanova, S.L. Ivanov, D.I. Shishlyannikov VALIDATION OF INTEGRATED DIAGNOSTIC SYSTEM FOR STATUS EVALUATION OF HEADING-AND-WINNING MACHINE DRIVES

The necessity of development and implementation of diagnostic systems control of working parameters and technical condition of the heading-and-winning machines. Considered informative methods of diagnostics. The basic requirements for on-board automated complex monitoring parameters of the heading-and- winning machines with drilling executive bodies. A diagnostic system should provide control, measurement, visualization of the main parameters of the heading-and-winning machine; the monitoring of the technical condition of the combine in General, and knots of transmissions of the mining machine; compatible with automated systems for driving and controlling the feed speed of the harvester; the playback of the visualized signal changes in the monitored parameters for multiple measurements. The system of electro-hydraulic control of combine harvesters of the type «Ural», and the system condition monitoring of these machines. A description of the main sensors considered system. The drawbacks of electrohydraulic control systems. The method of evaluation of technical condition of Electromechanical systems of mining machines, based on the analysis of the nature and magnitude of external loads, the control of instantaneous values of currents, voltages and power consumed by the motors of mining machines. These approaches were implemented in prototype software and recording system «VATUR». With its help it is possible to perform the measurement, recording and saving of parameters of work of the heading-and-winning machines. Visualization of records currents, voltages and active powers of the actuators is carried out by specially designed software.

But to obtain a reliable forecast of technical state of the system in operation it is necessary to consider many circumstances. And, consequently, the use of simulation with the use of physical structural models.

Key words: mining machine, reliability, diagnostic system, drive, monitoring, lifelength, sensor, heading-and-winning machine.

AUTHORS

Asonov S.A.1, Graduate Student, e-mail: asonlls@bk.ru, Ivanova P.V.1, Graduate Student,

UDC 622.23.05

Ivanov S.L.1, Doctor of Technical Sciences, Professor, Shishlyannikov D.I., Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, Perm National Research Polytechnic University, 614990, Perm, Russia, 1 National Mineral Resource University «University of Mines», 199106, Saint-Petersburg, Russia.

REFERENCES

1. Andreeva L. I. Sovershenstvovanie remontnogo obsluzhivaniya gornogo oborudovaniya ugol'nykh razrezov. Preprint № 6 (Improvement of mining machinery maintenance at open pit coal mines. Preprint no 6), Chelyabinsk, 1999, 18 p.

2. Asonov S. A., Ivanov S. L., Shishlyannikov D. I. Innovatsiina transporte i v mashino-stroenii: sbornik trudov III mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii. T. II (Innovations in Transport and Machine Engineering: III International Scientific—Practical Conference Proceedings, vol. II), Saint-Petersburg, NMSU «Gornyy», 2015, pp. 54—58.

3. Asonov S. A., Ivanov S. L., Shishlyannikov D. I. 2-ya Mezhdunarodnaya nauchno-prakticheskaya konferentsiya «Aktual'nye problemy tekhnicheskikh nauk v Rossii i z,a rube-zhom», g. Novosibirsk, 2015 (Current Challenges of Technical Sciences in Russia and Abroad: II International Scientific—Practical Conference Proceedings, Novosibirsk, 2015), Novosibirsk, 2015, pp. 48-50.

4. Barkov A. V., Barkova N. A., Borisov A. A. Metodika diagnostirovaniya mekhanizmovs elektroprivodom popotreblyaemomu toku (Current consumption-based troubleshooting procedure for motor-operated mechanisms), Saint-Petersburg, Sevzapuchtsentr, 2012, 68 p.

5. Vakhromeev O. E., Karimov R. T., Nadeev A. I. Vestnik Astrakhanskogo gosudarst-vennogo tekhnicheskogo universiteta. 2006, no 2, pp. 51-56.

6. Glushko V. V. Kharakteristiki rezhimov raboty gornykh mashin i ikh avtomaticheskoe upravlenie (Characteristics of operating modes and automatic control of mining machines), Moscow, Nedra, 1973, 240 p.

7. Zagvozdkin I. V., Lesov G. P., Yanovich D. M. Bezopasnost' truda vpromyshlennosti. 2013, no 9, pp. 46-49.

8. Kolomiytsev M. D. Ekspluatatsiyagornykh mashin i avtomatizirovannykh kompleksov (Operation of mining machines and automatically controlled machine systems), Leningrad, Izd-vo LGI, 1988, 96 p.

9. Laptev B. V. Predotvrashchenie gazodinamicheskikh yavleniy na kaliynykh rudnikakh (Prevention of gas-dynamic phenomena in potash mines), Moscow, Nedra, 1994, 138 p.

10. Chekmasov N. V. Gornoe oborudovanie i elektromekhanika. 2006, no 7, pp. 8-11.

11. Szabo L., Toth F., Kovacs E., Fekete G. An overview on induction machine's diagnosis methods. Journal of Computer Science and Control Systems. Oradca. 2008. pp. 229-234.

12. Jack L. B., Nandi A. K. Genetic algorithm for feature selection in machine condition monitoring with vibration signals. IEE Proceedings Vision. Image and Signal Processing. Vol. 147. June. pp. 205-212. 2000.

13. Blodt M., Granjon P., Raiso B., Rostaing G. Models for bearing damage detection in induction motors using stator current monitoring. Industrial Electronics, 2004 IEEE International Symposium. Vol. 1. pp. 383-388, May 2004.

14. Srlbovornmongkol T. Evaluation of motor online diagnosis by FEM simukations. Electrical Machines and Power Electronics School of Electrical Engineering Royal Institute of Technology. Stockholm. 2006.