CC BY
40
*
4?
П. Б. Герике [email protected]
III. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ БЕЗОПАСНОСТИ ГОРНЫХ РАБОТ TECHNOLOGICAL QUESTIONS OF MINING WORK SAFETY
УДК 53.083(430.1)
АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ ВИБРОАКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН, СОДЕРЖАЩИХ ПРИЗНАКИ НАЛИЧИЯ ДЕФЕКТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ, НА ПРИМЕРЕ ЭНЕРГОМЕХАНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЭКСКАВАТОРОВ
ЭКГ
VIBRO-ACOUSTIC WAVES CONTAINING ELECTRICAL NATURE DEFECT SIGNS PARAMETERS ANALYSIS ON THE EXAMPLE OF EKG SHOVEL POWER EQUIPMENT
П. Б. Герике - канд. техн. наук, доцент, старший научный сотрудник лаборатории ФГБНУ «ФИЦ УУХ СО РАН»
P. B. Gerike - candidate of technical sciences, assistant professor, senior researcher of laboratory of Federal Research Center of Coal and Coal Chemistry of SB RAS, Kemerovo, Russia
В данной работе подробно рассматриваются проблемы выявления основных закономерностей между изменением фактического технического состояния оборудования экскаваторов типа ЭКГ и параметрами механических колебаний, генерируемых при его работе. Сформулированы основные оригинальные совокупности диагностических правил для выполнения автоматизированного выявления дефектов электрической природы оборудования карьерных экскаваторов. Приведены результаты анализа виброакустических характеристик, формирующихся при работе энерго-механического оборудования экскаваторов типа ЭКГ. Обосновывается эффективность применения комплексного диагностического подхода для оценки технического состояния механизмов карьерных экскаваторов, приведена подробная классификация дефектов их энерго-механического оборудования. Показано, что только с широким применением современных методов вибрационной диагностики и неразрушающего контроля появляется возможность создания базовой платформы для осуществления перехода на качественно иные формы технического обслуживания и ремонта горной техники.
In this study we examine in detail the problems of revealing the basic laws of change between the actual technical condition of equipment, such as ECG shovels and parameters of the mechanical vibrations generated by its operation. The basic original set of diagnostic rules for the mining shovels equipment electrical nature defects automated detection implementation are formulated. Analysis results of the vibro-acoustic characteristics, formed at the power-mechanical equipment operation of EKG-type shovels are given. Effectiveness of an integrated diagnostic approach for evaluating technical state of mining shovels mechanisms is substantiated, detailed classification of their power-mechanical equipment defects is provided. It is shown that only with the widespread use of modern methods of vibration diagnostics and non-destructive testing it is possible to create a base platform for the transition to a qualitatively different form of maintenance and repair of mining equipment.
Ключевые слова: ВИБРОДИАГНОСТИКА, ДЕФЕКТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ, КАРЬЕРНЫЙ ЭКСКАВАТОР, УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКИМ ОБСЛУЖИВАНИЕМ
Key words: VIBRODIAGNOSTICS, ELECTRICAL NATURE DEFECTS, QUARRY SHOVEL, TECHNICAL MAINTENANCE MANAGEMENT
Эффективное решение актуальных научных задач по разработке комплекса адекватных математических моделей развития дефектов оборудования одноковшовых карьерных экскаваторов и формулированию диагностических правил для уникального оборудования угольной промышленности сегодня не могло бы быть осуществлено без выявления основных закономерностей изменения технического состояния объектов диагностирования по параметрам генерируемых при их работе механических колебаний.
При использовании методов анализа параметров виброакустических волн, генерируемых при работе энерго-механического оборудования экскаваторов типа ЭКГ, в рамках настоящего исследования рассмотрены некоторые вопросы выявления закономерностей изменения его технического состояния и особенности проведения расширенного анализа параметров вибрации на примере выявления дефектов электрической природы.
В настоящей работе в качестве основного инструмента получения экспериментальных данных использованы результаты анализа параметров вибрации методами практической вибродиагностики (прямой спектральный анализ, эксцесс, анализ огибающей спектра, анализ характеристики выбега агрегата, метод ударных импульсов), которые позволяют с максимальной быстротой и эффективностью получать объективную информацию об изменении технического состояния объекта диагностирования [1, 2].
Все диагностические измерения на энер-го-механическом оборудовании карьерных экскаваторов выполнялись с учетом особенностей его работы в соответствии с разработанной методикой и с использованием программно-аппаратного комплекса, удовлетворяющего всем предъявляемым требованиям для работы в условиях угольной промышленности [3] и прошедшего в установленном порядке процедуру государственной поверки метрологических характеристик.
Исследования процессов формирования и распространения виброакустических волн проводились на выборке из 40 единиц экскаваторов типа ЭКГ (ЭКГ-4,6Б; ЭКГ-5А; ЭКГ-8И; ЭКГ-10; ЭКГ-12,5; ЭКГ-15), эксплуатируемых на угольных разрезах и каменных карьерах Кемеровской области (филиалы ПАО «УК «Кузбассразрезуголь»: Моховский, в т. ч. Караканское и Сартакинское поле, Талдинский, Кедровский, Бачатский угольные разрезы, ООО «Разрез Киселевский», ПАО «КТК» Разрез Виноградовский, ООО «Кемеров-
ский каменный карьер» и др.).
Результаты анализа данных позволяют сделать вывод о повсеместном распространении на горных машинах исследуемого сегмента таких дефектов энерго-механического оборудования, как нарушение жесткости опорной системы; дисбалансы ротора электродвигателя/ генератора; расцентровка электродвигателей (далее - ЭД) с редукторами лебедок подъема и напора, а также валопроводов генераторных групп; дефекты подшипниковых узлов (перекосы, ослабления посадок, увеличение зазоров, износы беговых дорожек, тел качения и сепараторов, нарушение режима смазки); дефекты элементов соединительных муфт; износ и выкрашивание зубчатых зацеплений, нарушение соосности и перекосы валов в редукторах; различные дефекты двигателей электромагнитного происхождения (магнитная асимметрия якоря, перекос фаз, смещение в магнитном поле и т. д.); структурный резонанс и т. д.
Предметом настоящего исследования являются диагностические признаки дефектов электрической природы - межвитковых замыканий обмотки ротора или смещений в магнитном поле [4]. Ниже на реальных примерах рассмотрены результаты анализа параметров полигармонических волн, которые содержат информацию о наличии тех или иных дефектов электрической природы энерго-механического оборудования карьерных экскаваторов.
На практике довольно распространенным явлением считается совпадение гармоник спектра (генерируемых процессами совершенно различной природы, например нарушением соосности валов агрегата, нарушением жесткости и замыканием обмоток ЭД) вплоть до 0,1 Гц. Кроме того, рабочие частоты агрегатов из-за особенностей конструкции иногда могут проявляются на гармониках частоты питающей электрической сети [5]. Ярким примером, иллюстрирующим описываемый процесс, может служить такой объект, как генераторные группы экскаваторов ЭКГ-4,6Б и ЭКГ-5А. Составляющие гармонического ряда оборотной частоты в этом случае могут полностью совпадать с частотой питающей сети (50 Гц) и ее гармониками (см. гармонический ряд, выделенный маркером на рисунке 1), вызывая таким образом совпадение частотных признаков дефектов механической и электрической природы. В этом случае целесообразно использование алгоритма характеристики выбега роторного агрегата. Результаты применения такого подхода дают четкую ассоциативную связь с наличием дефектов электрической природы,
1/е, мм/с
-
п -1
ы 1 ' ¡4 г-.. и Л" 1
т ю ж (• Гц
Рисунок 1 - Замыкание обмоток асинхронного электродвигателя экскаватора ЭКГ-5А
однако значительно увеличивают время, затрачиваемое на проведение измерений параметров вибрации горных машин в условиях технологического цикла работы промышленных предприятий, что делает их крайне трудно реализуемыми при проведении контроля оборудования карьерных экскаваторов.
Строго говоря, только в области спектрального анализа сосредоточено более 20 признаков наличия тех или иных дефектов электрической природы, среди которых можно выделить две основные группы, диагностические признаки в которых существенно различаются - это признаки наличия дефектов синхронных и асинхронных электродвигателей [6].
В общем виде все дефекты ЭД могут быть вызваны причинами механической (например, тепловая неуравновешенность ротора, трещины в стержнях ротора, перекосы пакетов стали статора и ротора, смещение массы лака при сушке) или электрической природы (межвитковые замыкания и обрывы обмоток, несимметричность воздушного зазора ротора/статора, неправильное соединение полюсов синхронного ЭД и т. д.), а также их сочетаниями.
Среди дефектов электрической природы, получивших широкое распространение на электродвигателях и генераторах, применяемых в конструкциях карьерных экскаваторов типа ЭКГ, можно выделить несколько основных:
1. Повреждения стержней роторов (обрывы, растрескивания).
2. Эксцентриситет воздушного зазора между статором и ротором.
3. Ослабление посадки пакетов железа.
4. Межвитковые замыкания обмоток.
5. Нарушение симметрии фазовых токов.
Этим пяти основным дефектам электрической природы соответствует большое количество диагностических признаков в области спектрального анализа параметров виброакустических волн (частично перекрывающих друг друга), основные из которых рассмотрим ниже.
Так, например, такое распространенное явление, как межвитковые замыкания в обмотке ротора (см. рис. 1), вызывает ярко выраженное нарушение симметрии магнитного потока, что выражается через генерацию составляющих спектра на частоте скольжения/51, представляющую собой разность частот вращения магнитного поля и оборотной частоты ротора:
/sГfs / /=/а /p, 0)
где /81 - частота скольжения (разность частоты
вращения магнитного поля и оборотной частоты
ротора),
/С - линейная частота питающей сети, р - число пар полюсов (р=Ы/2), N - число полюсов,
/ - частота вращения магнитного поля (синхронная магнитная частота).
В представленном выше спектре присутствуют компоненты, вызванные как составляющими ряда «электрической» частоты /С, так и боковые частоты скольжения, что является надежным диагностическим признаком наличия развитого дефекта электрической природы, а именно межвиткового замыкания обмоток.
К сожалению, единственный метод вибродиагностики, позволяющий провести однозначную четкую ассоциацию между параметрами виброакустического сигнала и наличием на агрегате дефектов электрической природы, является неинформативным с точки зрения определения конкретного типа дефекта (трещина стержня
54
1.6
Рисунок 2 -развитого д
Уе, ми/с
г и
Л ■_
\ _
1 'и V щ У
Г, Гц
Частотный спектр по параметру виброускорения, иллюстрирующий наличие признаков дефекта электрической природы - нарушения симметрии фаз генератора подъема экскаватора ЭКГ-10
ротора, межвитковые замыкания и т.п.). Данный метод позволяет лишь подтвердить наличие у электрической машины (двигателя или генератора) дефекта электрической природы, но не дает возможности определить конкретный тип дефекта и степень его развития, к тому же реализация данного методологического подхода требует значительных временных затрат, что делает его труднореализуемым в условиях ограниченного времени проведения измерений [7].
Еще один распространенный дефект электрических машин - нарушение симметрии фаз - проявляется вследствие неравномерного распределения сопротивления обмоток по фазам и секциям якорных обмоток (сопровождается тангенциальными колебаниями статора) и выявляется на частоте 2-/с ± //3; где /С - линейная частота питающей сети (рис. 2). Довольно часто данный дефект возникает из-за обрыва проводников, что может значительно затруднить его диагностирование по характерным частотам из-за частичной потери электрического контакта (признаки нарушения симметрии то проявляются в спектре, то нет по причине того, что соединение электрической сети будет случайным).
К сожалению, объем статьи не позволяет детально и в полной мере рассмотреть все признаки проявления различных типов дефектов электрической природы, свойственных энер-го-механическому оборудованию экскаваторов типа ЭКГ.
Принимая во внимание целый ряд определяющих факторов, таких как цикличность работы оборудования карьерных экскаваторов (напорных, подъемных лебедок и механизмов поворота), изменяющиеся в процессе работы
частоты вращения и серьезные ударные нагрузки, которые испытывают узлы энерго-механиче-ского оборудования, становится очевидным, что невозможно использование только лишь какого-либо одного метода для диагностирования соответствующих дефектов по результатам анализа параметров вибрации [8]. Только результаты комплексного использования различных методов виброанализа предоставят возможность эффективной оценки фактического состояния узлов и агрегатов работающей машины.
Проведенные исследования [9] убедительно показывают, что наилучших результатов на объектах угольной и горнорудной промышленности удается достичь с использованием комплексного диагностического подхода, представляющего собой сочетание нескольких методов практического виброанализа. Обычно такой подход включает в себя метод прямого спектрального анализа, эксцесс, анализ огибающей и траектории/процессии ротора, а также метод ударных импульсов [10] и/или вейвлет-преобра-зование исходного сигнала [11]. В случае если акцент ставится на выявлении дефектов электрической природы, к указанной совокупности целесообразно добавить метод анализа характеристики выбега агрегата.
Действующее федеральное законодательство РФ в области промышленной безопасности опасных производственных объектов [12] четко разграничивает область применения методов неразрушающего контроля и регламентирует использование результатов технического диагностирования в части выявления повреждений энерго-механического оборудования горных машин и оценки степени их опасности.
Обобщая статистику анализа параметров виброакустических волн, результаты которого свидетельствуют о наличии процесса развития дефектов энерго-механического оборудования, являющихся причинами возникновения аварийных отказов техники, удалось сформулировать ряд новых совокупностей диагностических правил, пригодных для выполнения автоматизированного анализа параметров сигнала вибрации. Использование комплекса разработанных диагностических правил позволяет вести работу над созданием прогностических моделей развития дефектов узлов и агрегатов широкого типового и модельного ряда горных машин. Следующим этапом развития предложенных диагностических подходов к анализу и прогнозированию изменения параметров вибрации станет разработка уникальных единых диагностических критериев [13], используя которые можно будет выполнить оценку технического состояния объекта диагностирования. На сегодняшний день подобные критерии разработаны только лишь для
подшипников качения. Необходимым условием для осуществления качественного перехода на более совершенные формы технического обслуживания эксплуатируемого оборудования является разработка единых критериев для оценки состояния других элементов конструкции горных машин - редукторов различного типа, ременных передач, электродвигателей и генераторов, двигателей внутреннего сгорания и т. п. [14, 15]
Проведенные в рамках настоящего исследования работы убедительно показали, что только совершенствование методологии анализа и нормативно-методической базы по параметрам механических колебаний при условии широкого использования современных методов и средств виброанализа позволит минимизировать вероятность возникновения аварийных простоев сложного дорогостоящего оборудования и снизить количество несчастных случаев на производстве, причиной которых является недопустимое состояние технологического оборудования.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Диагностика горных машин и оборудования. Учебное пособие / Б.Л. Герике [и др.]. М., 2012. -
400 с.
2. Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. / Под общ. ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 2005. Т. 7: В 2 кн. Кн. 2: Вибродиагностика / Ф.Я. Балицкий [и др.]. 829 с.: ил.
3. РД 15-14-2008. Методические рекомендации о порядке проведения экспертизы промышленной безопасности карьерных одноковшовых экскаваторов.
4. Лукьянов А.В. Классификатор вибродиагностических признаков дефектов роторных машин. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 1999. 230 с.
5. Bently D.E., Hatch C. T. Fundamentals of rotating Machinery Diagnostics. Bently Pressurized Press, 2002. P. 726.
6. Герике П.Б. Вибродиагностика оборудования угольной и горнорудной промышленности // Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня. 2013. № ОВ 6. С. 440-446.
7. Ещеркин П.В. Разработка методики диагностирования и прогнозирования технического состояния дизель-гидравлических буровых станков: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.05.06: защищена 20.06.12. Кемерово, 2012. 18 с.
8. Skeinik R., Petersen D. Automated fault detection via selective frequency band alarming in PC-based predictive maintenance systems. CSI, Knaxville, TN 37923, USA.
9. Герике П.Б. Разработка комплекса диагностических правил для выявления дефектов оборудования экскаваторов типа драглайн // Вестник КузГТУ. 2015. № 3. С. 3-10.
10. Pozhidaeva V. Determining the roughness of contact surfaces of the rolling bearings by the method of shock pulses // World Tribology Congress III (September 12-16, 2005). Washington, D.C., USA.
11. Tse P. Peng Y., Yam R., Tse P. Wavelet analysis and envelope detection for rolling element bearing fault diagnosis-their effectiveness and flexibilities // Journal of Vibration and Acoustics. 2001. Vol. 123. Pp 303-310. doi: 10.1115/1.1379745.
12. О промышленной безопасности опасных производственных объектов [Электронный ресурс]: федер. закон : принят Гос. Думой 21 июля 1997 г. : внесены изменения Федеральными законами от 07.08.2000 N 122-ФЗ, от 10.01.2003 N 15-ФЗ, от 22.08.2004 N 122-ФЗ, от 09.05.2005 N 45-ФЗ,от 18.12.2006 N 232-ФЗ, от 30.12.2008 N 309-ФЗ, от 30.12.2008 N 313-ФЗ, от 27.12.2009 N 374-ФЗ, от 23.07.2010 N 171-ФЗ,от 27.07.2010 N 226-ФЗ (ред. от 19.10.2011), от 27.07.2010 N 227-ФЗ, от 01.07.2011 N 169-ФЗ, от 18.07.2011 N 242-ФЗ, от 18.07.2011 N 243-ФЗ,от 19.07.2011 N 248-ФЗ, от 28.11.2011 N 337-ФЗ, от 30.11.2011 N 347-ФЗ, от 25.06.2012 N 93-ФЗ, от 04.03.2013 N 22-ФЗ, от 02.07.2013 N 186-ФЗ,от 31.12.2014
N 514-ФЗ, от 13.07.2015 N 233-Ф3. Режим доступа: http://base.garant.ru/11900785/1/#block_100.
13. Сушко А.Е. Разработка специального математического и программного обеспечения для автоматизированной диагностики сложных систем : дис. ... канд. техн. наук. М.: МИФИ, 2007. 170 с.
14. Ширман А. Р., Соловьев А. Б. Практическая вибродиагностика и мониторинг состояния механического оборудования. М., 1996. 276 с.
15. Барков А.В., Баркова Н. А. Вибрационная диагностика машин и оборудования. Анализ вибрации. Учебное пособие. СПб: Изд-во СПбГМТУ, 2004. 156 с.
REFERENCES
1. Gerike, B.L., Kozovoy, G.I., Kvaginidze V.S et al. (2012). Diagnostika gornykh mashin i oborudovaniia [Diagnostics of mining machines and equipment]. Moscow [in Russian].
2. Balitsky, F.Ya. et al. (2005). Nerazrushaiuschi control, spravochnik,Vibrodiagnostika [Non-distructive control: Reference book: Vibrodiagnostics]. Kliuev V.V. (Ed) (Vols 1-7) Moscow: Mashinostroienie [in Russian].
3. RD 15-14-2008. Metodicheskie rekomendatsii o poriadke provedenia ekspertizy promyshlennoi bezopasnosti kariernykh odnokovshovykh ekskovatorov [Guidelines on conducting the open pit shovel industrial safety expertize]. (2008) [in Russian].
4. Lukianov, A.V. (1999). Klassifikator vibrodiagnosticheskih priznakov defektovrotornykh mashin [Rotor machine vibrodiagnostic defect signs classifier]. Irkutsk: IrGTU [in Russian].
5. Bently, D.E., Hatch, C.T. (2002). Fundamentals of rotating Machinery Diagnostics. Bently Pressurized
Press.
6. Gerike, P.B. (2013). Vibrodiagnostika oborudovania ugolnoi I gornorudnoi promyshlennosti [Vibrodiagnostics of coal and ore mining industry equipment]. Otdelny vypusk Gornogoinformatsionno-analiticheskogo biulletenia: Institut Uglia Sibirskogo ondelenia RAN - Special edition of Mining informational analytical bulletin, 6, 440 - 446 [in Russian].
7. Yesherkin, P.V. (2012) Razrabotka metodiki diagnostirovaniia i prognozirovaniia tekhnicheskogo sostoianiia dizel-gidravlicheskikh burovykh stankov [Methods development of diesel-hydraulic drilling rigs technical condition diagnosis and prognosis]. Extended abstract of candidate's thesis. Kemerovo [in Russian].
8. Skeinik, R., Petersen, D. Automated fault detection via selective frequency band alarming in PC-based predictive maintenance systems. CSI, Knaxville, TN 37923, USA.
9. Gerike, P.B. (2015). Razrabotka kompleksa diagnosticheskikh pravil dlia vyiavleniia defektov oborudovaniia ekskavatorov tipa draglain [A set of diagnostic rules development to detect the mining machinery such as dragline excavators defects]. Vestnik KuzGTU- KuzGTU Bulletin, 3, 3-10 [in Russian]
10. Pozhidaeva, V. (2005). Determining the roughness of contact surfaces of the rolling bearings by the method of shock pulses. World Tribology Congress III (September 12-16), Washington, D.C., USA.
11. Tse, P., Peng, Y., Yam, R. (2001). Wavelet analysis and envelope detection for rolling element bearing fault diagnosis-their effectiveness and flexibilities. Journal of Vibration and Acoustics, Vol. 123, 303-310. doi: 10.1115/1.1379745.
12. "O promyshlennoi bezopasnosti opashykh proizvodstvennykh obiektov" Federalnyi zakon priniat dumoi 21 iiulia 1997 g: vneseny izmeneniia Federalnymi zakonami: [On industrial safety of hazardous production facilities: Feder . Law : adopted by the State Duma on July 21, 1997 : Federal laws amended on 07.08.2000 N 122-FZ, of 10.01.2003 N 15-FZ, of 22.08.2004 N 122-FZ, of 09.05.2005 N 45-FZ,of 18.12.2006 N 232-FZ, of 30.12.2008 N 309-FZ, of 30.12.2008 N 313-FZ, of 27.12.2009 N 374-FZ, of 23.07.2010 N 171-FZ,of 27.07.2010 N 226-FZ (ed. of 19.10.2011), of 27.07.2010 N 227-FZ, of 01.07.2011 N 169-FZ, of 18.07.2011 N 242-FZ, of 18.07.2011 N 243-FZ,of 19.07.2011 N 248-FZ, of 28.11.2011 N 337-FZ, of 30.11.2011 N 347-FZ, of 25.06.2012 N 93-FZ, of 04.03.2013 N 22-FZ, of 02.07.2013 N 186-FZ,of 31.12.2014 N 514-FZ, of 13.07.2015 N 233-FZ]. base.garant.ru. Retrieved from: http://base.garant.ru/11900785/1/#block_100. [in Russian].
13. Sushko, A.Ye. (2007). Razrabotka spetsialnogo matematicheskogo i programmnogo obespecheniia dlia avtomatizirovannoi diagnostiki slozhnykh system [Development of special mathematical support and software for automated diagnosis of complex systems]. Candidate's thesis. Moscow [in Russian].
14. Shirman, A.R., & Soloviev, A.B. (1996). Prakticheskaia vibrodiagnostika i monitoring sostoianiia mekhanicheskogo oborudovaniia [Practical vibrodiagnostics and mechanical equipment condition monitoring]. Moscow [in Russian].
15. Barkov, A.V & Barkova, N.A. (2004). Vibratsionnaia diagnostika mashin i oborudovaniia. Analiz vibratsii [Vibration diagnostics of machines and equipment. Vibration analysis]. St Petersburg: SPbGMTU [in Russian].
научно-технический журнал № 3-2016
ВЕСТНИК
