CC BY
32
III. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ БЕЗОПАСНОСТИ
ГОРНЫХ РАБОТ TECHNOLOGICAL QUESTIONS OF MINING WORK SAFETY
УДК 53.083(430.1)
ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПОДЪЕМНЫХ ЛЕБЕДОК ДРАГЛАЙНОВ
Рассмотрены результаты анализа виброакустических характеристик, формирующихся при работе подъемных лебедок экскаваторов типа драглайн. Доказано, что только с широким применением современных методов вибрационной диагностики и неразрушающего контроля появляется возможность своевременного выявления дефектов агрегатов карьерных экскаваторов.
Ключевые слова: ВИБРОДИАГНОСТИКА, КАРЬЕРНЫЙ ЭКСКАВАТОР, ДИНАМИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ, УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКИМ ОБСЛУЖИВАНИЕМ
.Б. Герике
канд. техн. наук, старший научный сотрудник Института угля СО РАН
Приоритетным направлением развития угольной и горнорудной промышленности России является обеспечение безопасности проведения горных работ. Один из основных факторов, оказывающих влияние на безопасность - техническое состояние эксплуатируемого технологического оборудования. Сделать работу предприятий максимально безопасной, минимизировать аварийные простои, повысить экономические показатели, оптимизировать логистику и складское хозяйство - вот основные задачи, остро стоящие перед отраслью на сегодняшний день.
В Институте угля Сибирского отделения РАН (ИУ СО РАН) проводятся исследования по определению предельных характеристик допустимого состояния экскаваторного парка Кузбасса, разработке математических моделей развития типовых дефектов и формулированию точных диагностических правил для уникального оборудования угольной промышленности.
На примере диагностики технического состояния лебедок подъема экскаваторов типа ЭШ в данной работе рассматриваются вопросы
формирования случайных виброакустических характеристик и особенности проведения расширенного анализа параметров вибрации (рис. 1). Самым информативным и эффективным методом неразрушающего контроля для оценки технического состояния агрегатов работающей машины является вибродиагностика, позволяющая получать информацию об изменении состояния объекта практически мгновенно [1, 2].
При проведении измерений необходимо учитывать следующие особенности работы подъемных лебедок:
• с целью получения информативного сигнала измерения проводятся при работе на третьем положении командконтроллера при максимально возможном роспуске лебедки;
• специалист должен синхронизировать момент проведения измерений с устойчивой работой лебедки, исключая моменты ее остановки или резкого ускорения;
• для получения максимально достоверных результатов контроля желательно проводить измерения только на цикле подъема ковша;
• измерения проводятся без нагрузки
Рисунок 1 - Схема проведения замеров параметров вибрации подъемной лебедки экскаватора ЭШ 20/90
(ковш пустой, все приводы, кроме лебедки подъема, остановлены).
Обобщение результатов, полученных при обследовании выборки из 30 машин (ЭШ 10/70, 11/70, 13/50, 6/45, 20/90), позволило сделать вывод о том, что среди дефектов динамического оборудования подъемных лебедок экскаваторов типа драглайн наибольшее распространение получили следующие типы неисправностей и повреждений:
• дисбаланс ротора электродвигателя;
• расцентровка электродвигателей с редуктором;
• дефекты подшипниковых узлов (перекосы, ослабления посадок, увеличение зазоров, износы беговых дорожек, тел качения и сепараторов, нарушение режима смазки);
• дефекты элементов соединительных
муфт;
• износ зубчатых зацеплений, нарушение соосности и перекос валов редуктора;
• различные дефекты двигателей электромагнитного происхождения (магнитная асимметрия якоря, перекос фаз, смещение в магнитном поле и т. д.);
• нарушение жесткости системы.
Строго говоря, все причины формирования дефектов динамического оборудования драглайнов можно классифицировать по трем основным группам. К первой группе относятся дефекты изготовления, т. е. неисправность закладывается еще на заводе при использовании некачественных материалов или нарушении технологических операций (например, несоблюдение характеристик металла). Вторая группа
- это дефекты монтажа, так как некачественно проведенная установка узла может сократить его ресурс в десятки раз (например, перекос валов редуктора). И, наконец, третья группа -эксплуатационные дефекты, проявляющие себя уже в процессе работы оборудования (абразивный износ или выкрашивание зуба).
На рисунке 2 приведен пример ярко выраженного износа зубьев вследствие нарушения центровки быстроходного и промвала редуктора лебедки подъема экскаватора ЭШ 20/90.
В спектре присутствует выделенная маркером группа «зубцовых» частот, определенная по известным отношениям:
Л = 2/г1 = 2/г2 т£ ± к/гГ т£ ± ^
где z;, z2 - число зубьев сопряженных шестерен;
/г1, /г2 - частоты вращения валов, на которые насажены эти шестерни;
к, т - натуральные числа.
Следует отметить, что анализ сигнала вибрации, полученного на редукторе переборного типа, заметно менее сложен по сравнению с анализом виброакустической характеристики планетарных редукторов, получивших широкое распространение в конструкциях современных горных машин [3]. Этот факт обусловлен сложностью зависимостей, используемых для интерпретации полученных результатов.
Принимая во внимание условия эксплуатации, цикличность работы, изменяющиеся частоты вращения и серьезные ударные нагрузки, которые испытывают узлы подъемной лебедки
Уе, мм/с
10,0
7,5
5,0
2,5
i \
'I
»
8
S >
? С 1 .....i.....
ш ы AW
!,Гц
Рисунок 2 - Износ зубчатых зацеплений промвала редуктора лебедки подъема экскаватора ЭШ 20/90, нарушение соосности валов редуктора
в процессе работы, представляется невозможным использование какого-либо одного метода для диагностики дефектов динамического оборудования такого типа. Многочисленными исследованиями разных авторов доказано, что на сегодняшний день не существует универсального единого метода, который мог бы одинаково эффективно применяться при проведении экспресс-диагностики, периодическом мониторинге технического состояния объекта диагностирования и обладать при этом достаточной помехозащищенностью [1, 2]. Только комплексное применение различных диагностических подходов, конкретное сочетание которых зависит от режимов работы объекта диагностирования, дает возможность эффективно оценить фактическое состояние узлов и агрегатов работающей машины.
Исследованиями автора настоящей работы убедительно доказано, что наилучших результатов на объектах угольной и горнорудной промышленности удается достичь посредством применения комплекса методов вибродиагностики - прямого спектрального анализа, эксцесса, анализа огибающей, анализа траектории/ процессии ротора, метода ударных импульсов. Иногда при проведении анализа виброакустических характеристик ответственных редукторов к указанной совокупности методов целесообразно добавить вейвлет-преобразование и кепстраль-ный анализ.
Результаты, полученные в ходе проведения многолетнего мониторинга технического
состояния и исследования параметров виброакустических характеристик горных машин, были приняты за основу при разработке критериев предельно допустимого состояния различного динамического оборудования и использованы в «Методических рекомендациях по проведению экспертизы промышленной безопасности одноковшовых экскаваторов» [4]. Настоящая методика утверждена Ростехнадзором, прописанные в ней нормы и критерии обязательны к применению на всех опасных производственных объектах, эксплуатирующих данное технологическое оборудование на территории России.
На примере одноковшовых карьерных экскаваторов в данной методике приведен современный подход для осуществления расчета остаточного ресурса безопасной эксплуатации горной техники:
1. Детально обоснована оценка технического состояния динамического оборудования, выполненная на основе комплекса научных исследований.
2. Определены требования к оборудованию и аппаратуре для проведения неразрушаю-щего контроля, сформулированы четкие и ясные критерии предельного технического состояния карьерных экскаваторов.
В методике [4] приведена классификация зон оценки технического состояния агрегатов динамического оборудования экскаваторов типа ЭШ и ЭКГ, в соответствии с которой состояние узла на рисунке 3 признано недопустимым. В спектре присутствуют гармоники, свидетель-
110
1
L
{ IWI /Мм iA_—ЛЛА J WVVA
Рисунок 3 - Недопустимый уровень расцентровки электродвигателя подъемной лебедки с редуктором экскаватора ЭШ 10/70 (Уе СКЗ = 25,1 мм/с)
ствующие об одновременном наличии нескольких дефектов - развитой расцентровке (вторая гармоника оборотной частоты), ярко выраженном нарушении жесткости системы (значительный гармонический ряд несущей частоты /), ослаблении посадки подшипника со стороны редуктора, вероятном дефекте элементов соединительной муфты.
Следует отметить, что расцентровка является одним из самых распространенных дефектов, присущих горным машинам в целом, наряду с дефектами подшипников и нарушением жесткости опорной системы. Нарушение соосности валов обычно является следствием низкой квалификации специалистов, выполняющих монтажные работы. Даже наличие дорогостоящих комплексов для прецизионной лазерной центровки не является гарантией качества проводимых работ.
В конструкции агрегатов драглайна значительную часть статических и динамических усилий воспринимают подшипники качения. Основными методами контроля по параметрам механических колебаний, которые наилучшим образом подходят для оценки их технического состояния, являются прямой спектральный анализ в расширенном частотном диапазоне, анализ спектра огибающей, метод ударных импульсов и эксцесс. Так, например, метод прямого спектрального анализа очень информативен, единственная сложность заключается в необходимости расчета «подшипниковых» частот (на рисунке 4 отмечены маркером). Зачастую под-
шипникам свойственно развитие сразу нескольких дефектов: как правило, это повреждение и наклеп сепаратора, изменение формы тел качения и повреждения колец.
Ниже приведены некоторые простые расчетные зависимости для вычисления искомых частот:
1 / droi
Jq = -Jr 1—-cosa
2 \ dq
f0 = —zroifÁ 1-^^cosa 2 { dq
где f - частота проявления дефекта сепаратора;
f - частота перекатывания тел качения по наружному кольцу;
z , - число тел качения;
rol '
drol - диаметр тел качения;
dq - диаметр сепаратора;
а - угол контакта тел качения с беговой дорожкой;
fr - частота вращения вала, на котором насажен подшипник.
Как видно из представленных отношений, знание геометрии подшипника является необходимым условием проведения частотного анализа. В такой ситуации эффективным является применение метода эксцесса, для реализации которого необходима только информация о предполагаемом типе дефекта (дефект монтажа, износ или зарождение повреждения) и частоте вращения вала. Метод дает 99 % сходимость результатов по необходимости экстренной
А, и/с2
1 j
В -1 1 - S
9 Hi i ; i
IUWAM jj ш
1000
2000
3000
Рисунок 4 - Развитый дефект подшипника правого двигателя лебедки подъема экскаватора ЭШ 13/50
100 200 300 Л00 500 б00 700 800 /; Гц
Рисунок 5 - Развитый дисбаланс ротора электродвигателя лебедки подъема экскаватора ЭШ 10/70
замены дефектного подшипникового узла.
Однако одним из самых серьезных дефектов динамического оборудования горных машин, в том числе и драглайнов, является дисбаланс ротора - высокоэнергетический низкочастотный процесс, характеризующийся высоким уровнем виброактивности. По количественным показателям уровень разрушительной энергии, содержащийся в полигармонической волне при дисбалансе, превышает аналогичные значения, свойственные любым другим повреждениям динамического оборудования. (Рисунок 5) Такое явление может приводить к отрыву деталей от
ротора и самого агрегата от опор, преждевременному выходу из строя подшипников и элементов соединительных муфт. Основной частотный признак дисбаланса - наличие ярко выраженной во всех плоскостях пространства первой гармоники оборотной частоты, либо гармонического ряда kfR. Однако следует учесть, что эти же частотные признаки соответствуют и одному из 16 основных признаков нарушения жесткости системы, поэтому при проведении серьезных исследований нельзя полагаться только лишь на них. Тогда целесообразно применять, например, метод анализа траектории/процессии ротора.
Jk Jk ^^^ научно-технический журнал № 1-2014
112 ВЕСТНИК
В этом случае диагностическим признаком наличия дефектов служит форма траектории на фазовом портрете характеристики по параметру виброперемещения. В частности, явлению дисбаланса соответствует кривая в форме эллипса.
Подводя итог вышесказанному, следует отметить, что сегодня в Кузбассе созданы все наработки, необходимые для внедрения на предприятиях угольной промышленности системы обслуживания горной техники по фактическому техническому состоянию. Базы данных по параметрам виброакустического сигнала, собранные учеными ИУ СО РАН за последние 10 лет, содержат информацию о характеристиках вибрационной активности разного технологического оборудования. На основе обобщения статистических данных удалось разработать
критерии предельного состояния горной техники, сформулировать новые совокупности диагностических правил для автоматизированного анализа сигнала. В настоящее время ведется работа над созданием прогностических моделей развития дефектов широкого типового и модельного ряда горных машин.
Исторически сложилось так, что угольная промышленность являлась и является объектом повышенной опасности [5]. Исследованиями, проведенными автором, убедительно доказано, что только при системном подходе к использованию современных диагностических методов удастся избежать серьезных аварийных ситуаций и несчастных случаев на производстве, связанных с техническим состоянием оборудования.
e-mail: am_besten@mail.ru
DIAGNOSING OF DRAGLINE HOISTING WINCHES DYNAMIC EQUIPMENT repuKe naeen *°puooeuy
P. B. Gericke
The analysis results of vibro-acoustic characteristics, which are formed when dragline type excavators' hoisting winches are working, are reviewed. It is proven that only with wide implementation of modern methods of vibrational diagnostics and non-destructive control there appear a possibility of timely detection of defects in units of mining excavators.
Key words: VIBRO-DIAGNOSTICS, PIT EXCAVATOR, DYNAMIC EQUIPMENT, TECHNICAL SERVICE MANAGEMENT
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. 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.
2. 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
3. Аксенов, В. В. К вопросу о применении редукторного привода в трансмиссии агрегата для проведения аварийно-спасательных выработок (геохода) / В. В. Аксенов, М. Ю. Блащук, В. Ю. Тимофеев, В. Ф. Горбунов // ГИАБ. - М.: Издательство «Горная книга» - 2011. - ОВ № 9. - С. 25-35. - (Серия «Промышленная безопасность и охрана труда на предприятиях топливно-энергетического комплекса»).
4. РД 15-14-2008. Методические рекомендации о порядке проведения экспертизы промышленной безопасности карьерных одноковшовых экскаваторов.
5. Клишин, В. И. Проблемы безопасности и новые технологии подземной разработки угольных месторождений / В. И. Клишин, Л. В. Зворыгин, А. В. Лебедев, А. В. Савченко. - Новосибирск, 2011. - 524 с.
