CC BY
27
Электронное периодическое издание «Вестник Дальневосточного государственного технического университета» 2011 год № 3 (8)
УДК 534-6/-8 05.00.00 Технические науки
Ю.С. Дорошев, А.С. Киричук
Дорошев Юрий Степанович - д.т.н., доцент, заведующий кафедрой горной электромеханики горного института (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). Е-mail: [email protected]
Киричук Александр Сергеевич - главный механик разреза «Лучегорский», (пос. Лучегорск Приморского края). Е-mail: [email protected].
ЭФФЕКТИВНЫЕ ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ГОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Приводятся некоторые результаты исследования методами неразрушаю-щего контроля (вибродиагностикой) подшипниковых узлов различного оборудования и восстановление работоспособности подшипников с использованием наноматериалов.
Ключевые слова: подшипники, вибродиагностика, работоспособность, наноматериалы.
Effective innovative technology improve reliability of mining equipment far eastern enterprises. Yuriy S. Doroshev (Far-Eastern Federal University, Vladivostok), Aleksandr S. Kirichyk («Luchegorskiy», Luchegorsk).
The article presents some results of the study methods of nondestructive testing (vibrotesting) bearing assemblies for various equipment and restore performance of bearings with the use of nanomaterials.
Key words: bearings, vibration diagnostics, performance, nanomaterials.
Оценить состояние оборудования можно по величинам свойств: механических (износ, деформация, перемещение и т.п.), электрических (напряжение, ток, мощность и др.), химических (состав газов, смазки и т.п.), а также по излучению энергии (тепловой, электромагнитной, акустической и т.п.). Эти величины, преобразованные, как правило, в электрические сигналы, обрабатывают специальные технические средства, а оператор принимает решение об изменении режима работы, возможности дальнейшего использования оборудования, о мерах, которые необходимо принять для поддержания надежности, а при полной автоматизации оператор получает рекомендации, что делать.
При выборе диагностического сигнала для решения такой сложной задачи, как оценка технического состояния машины или оборудования с определением места возникновения дефекта, идентификацией вида дефекта и степени его развития, а также прогнозирование изменения технического состояния объекта, требуется большой объем диагностической информации.
Такие диагностические сигналы, как температура, давление, напор жидкости, наличие металлических частиц в смазке и т.п., можно характеризовать практически только одним параметром - их величиной (если не говорить о присущих большинству сигналов таких параметрах, как, например скорость их изменения, инерционность и т.п.). Значительно больший объем диагностической информации содержится в акустическом или гидродинамическом шуме и вибрации - это их общий уровень, уровни в определенных полосах частот, соотношения между этими уровнями, амплитуды, частоты и начальные фазы каждой составляющей, соотношения между амплитудами и частотами и т.д. Таким образом, именно сигналы вибрации и шума в наибольшей степени удовлетво-
ряют требованию, предъявляемому к диагностическим сигналам для решения задач глубокой диагностики и прогноза состояния машин.
Еще одним важным обстоятельством в пользу выбора вибрации машин и оборудования в качестве диагностического сигнала является то, что дополнительные колебательные силы, возникающие из-за дефекта, возбуждают вибрацию непосредственно в месте его появления. Вибрация практически без потерь распространяется до точки ее измерения, и поскольку машина «прозрачна» для вибрации, появляется возможность исследовать колебательные силы, действующие в работающей машине. Это позволяет диагностировать ее на рабочем месте, без остановки и разборки [2].
В качестве характеристик вибрации, уровни которых используются для оценки технического состояния, применяются:
- виброускорение Ae, g (эффективное) и Ap, g (пиковое) для диапазонов частот от 2 до 40 кГц;
- виброскорость Ve, мм/с (эффективная) для диапазона частот от 2 до 2000 Гц;
- виброперемещение Sp-p, мкм (размах) для диапазона частот от 1 до 1000 Гц.
Указанные характеристики вибрации используются комплексно, т.е. для виброконтроля одинаково важны каждая: выход за пределы допустимого уровня одной из характеристик означает отказ агрегата в целом. Нормированные (допустимые) уровни вибрации следует использовать согласно требованиям документации завода - изготовителя агрегата. В случае отсутствия в документации требований к уровням вибрации, характеризующим техническое состояние агрегата, в качестве предельно допустимых уровней следует использовать данные оценки: Ve - не более 4,5 мм/с для больших машин на жестком основании (класс III ISO 10816-1), Ае - не более 4 м/с2 для 300<0вала <500 мм и 500<n<1000 об/мин (по данным фирмы SKF), Sp - 65 мкм для n=1000 об/мин (в соответствии с РД 34.21.306 -96) или -92 мкм в соответствии с ГОСТ Р (ИСО 10816-3).
Практически все системы мониторинга и диагностики дают информацию об общем уровне вибрации. При измерении общего уровня колебаний макси-
мальный вклад могут давать несколько основных составляющих, например составляющая на частоте вращения. Она имеет, безусловно, большое значение, однако развивающиеся дефекты могут привести к росту других составляющих, уровень которых может быть значительно ниже уровня доминирующей. Таким образом, измерение общего уровня является слишком грубой оценкой с точки зрения определения технического состояния машины или оборудования, и может быть использовано, скорее, для его контроля, чем для мониторинга, не говоря уже о глубокой детальной диагностике, требующей более тонких методов. Общий уровень используется для сравнения с установленными стандартами пороговыми значениями и для построения трендов, т.е. зависимостей общего уровня от времени, что дает возможность оценить, в первом приближении, скорость изменения состояния машины или оборудования. Кроме того, нормируемые по ГОСТу параметры вибрации по общему уровню носят рекомендательный характер, поскольку даже в группе однотипных машин пороговые уровни вибрации могут сильно меняться в зависимости от условий эксплуатации.
Итак, абсолютные значения показателей вибрации (или общий уровень) не позволяют определить характер дефекта. Определить конкретный дефект возможно только при анализе распределения уровней гармонических составляющих спектра высокочастотной (до 35 кГц) вибрации. Метод анализа спектра огибающей высокочастотного сигнала вибрации позволяет делать прогноз по одному измерению, поскольку измеряются относительные величины. Вид дефекта определяется по наличию пиков на характерных частотах, а степень их развития - по величине коэффициента модуляции:
т =
&Ь/10
(10 /10 -1)
&/ф
где & а - разрешающая способность при анализе спектра огибающей; -ширина полосы фильтра, выделяющего высокочастотную вибрацию; &L -разность уровней гармонической и случайной составляющей спектра огибаю-
щей. При этом, если т<5,0, то это зарождающийся дефект, при т=10 - средний дефект, при т>20 - сильно развитый дефект.
Спектр и форма сигнала вибрации содержат информацию о характерных дефектах подшипников качения. Эта информация имеет специфические особенности в зависимости от вида дефекта. Таковыми являются наличие несинхронных пиков, не являющимися целократными гармониками частоты вращения вала.
Технологии виброакустической диагностики позволяют с высокой степенью достоверности придавать определенному функциональному параметру или отклонению от него (дефекту) характерные диагностические признаки. В частности, совокупностью виброакустических признаков, определяющих техническое состояние элементов вращающегося электрооборудования - подшипников, являются характерные частоты и их амплитуды: /ВР - частота вращения вала, /в - частота перекатывания тел качения по внутреннему кольцу, - частота перекатывания тел качения по наружному кольцу, /тк - частота вращения тел качения, /с - частота вращения сепаратора. Наличие этих гармоник и различных модулированных субгармоник в спектре виброакустического сигнала позволяет определять 13 видов дефектов подшипников: бой вала, неоднородный радиальный натяг, перекос наружного кольца, износ наружного кольца, раковины (трещины) на наружном кольце, износ внутреннего кольца, износ тел качения и сепаратора, раковины и сколы на телах качения, неуравновешенность ротора, дефекты: узлов крепления; смазки; муфты. Амплитуды этих гармоник позволяют судить о степени развития дефекта.
Диагностические признаки асинхронных двигателей: /ВР - частота вращения ротора, /и - частота напряжения питания, - зубцовая частота, ^ - скольжение ротора - позволяют определять практически все дефекты, за исключением сопротивления изоляции - неуравновешенность ротора, бой вала, дефекты узлов крепления, статический эксцентриситет зазора, динамический эксцентриситет зазора, дефекты обмоток статора и ротора, несимметрию напряжения питания, нелинейные искажения напряжения питания.
Диагностические признаки машин постоянного тока: /ВР - частота вращения якоря, /К - коллекторная частота, /п - частота пульсаций напряжения питания позволяют определять неуравновешенность якоря, бой вала (муфты), дефекты: узлов крепления; обмоток якоря; системы возбуждения; щеточно-коллекторного узла, а также пульсации напряжения питания.
Кроме виброакустического сигнала для анализа технического состояния может быть использован спектр потребляемого тока приводного двигателя, при этом можно диагностировать износ связанные с двигателем и шестерни редуктора [1, 3, 4].
Технологии превентивной диагностики позволяют реализовать безразборное восстановление работоспособности вращающегося оборудования, в частности подшипников качения. В настоящее время появилось большое количество различных материалов и составов, в той или иной степени улучшающих работу пар трения. Можно в какой-то мере привести классификацию этих материалов (см. таблицу) [5].
Усилия современных нанотехнологов в большей степени сосредоточены на керамических материалах, покрытия из которых применяются в 150 областях. Одним из путей борьбы с износом, трением и обеспечением надежности и долговечности техники является избирательный перенос (открытие российских ученых, профессоров И.В. Крагельского и Д.Н. Гаркунова), позволяющий добиться «безизносности» при работе узлов трения за счет автокомпенсации износа.
Тип препарата Механизм действия Достоинства Недостатки
Ремиталли-занты Мелкодисперсные порошки соединений мягких металлов (меди, бронзы, кадмия, олова и др.). В зоне трения создается плаксирующий слой, восстанавливающий поверхность Применяются в основном для двигателей, восстанавливается компрессия, уменьшается расход топлива и масла Поверхностная твердость и износостойкость плак-сирующего слоя значительно ниже, чем у сопряженных деталей узлов трения. Требуется постоянное присутствие реме-тализанта в масле
Тефлоносо- держащие препараты Сцепление тефлоно-вого покрытия с поверхностью детали носит механический характер Применяется в зонах узлов трения с низкими температурами Активно разлагается при воздействии высоких температур, необходимо постоянное присутствие препарата в масле, высокая стоимость
Полимерные антифрикционные препараты На поверхности трения образуется полимерный защитный слой Применяются для двигателей, восстанавливается мощность двигателя, расход топлива и давление масла до номинальных параметров Защитный полимерный слой недолговечен. Зарастание каналов полимерами и уменьшение их сечения, что приводит к уменьшению количества масла, подаваемого к подшипникам, давление масла увеличивается
Слоистые модификаторы трения Сернистые соединения молибдена, вольфрама и тантала. Формирование на поверхностях трения слоистого слоя с малым коэффициентом трения Эффект снижения механических потерь наступает быстро Высокая скорость разложения сернистых соединений. Засорение масляных каналов, клапанов и канавок графитом. Требуется поддерживать постоянную концентрацию препарата в масле
Кондиционеры металлов Хлорпарафиновые соединения. Растворяются металлические продукты износа, образуя соли, которые в зоне трения осаждаются с выделением чистого металла Защитная пленка обладает пластическими, упругими и антифрикционными свойствами, стойкая к высоким удельным нагрузкам и высокими антизадирными свойствами Высокотоксичны, разлагаются при высокой температуре, требуют постоянного добавления в масло
Мелкодисперсные композиции на базе искуственных алмазов Ультрадисперсные алмазы С60, С80 выполняют роль шарикоподшипников Снижается мощность трения в 3-5 раз Проблема оседания твердых частиц в масляных каналах. При высоких контактных давлениях внедрение алмазных частиц в поверхностный слой детали приводит к
образованию своеобразной терки
Эпиламные и металлоорга-нические антифрикцион-ные Поверхностно-активные соединения с содержанием фтора. Поверхностные слои узлов трения насыщаются длинными фторсодержащими молекулами, выполняющими роль своеобразного армирующего материала. В зоне трения реализуется химическая микрошлифовка поверхности, продукты реакции заполняют впадины шероховатостей и дефекты поверхности. Чистота поверхности после формирования упрочненного слоя увеличивается на 60-80%. Износостойкий антифрикционный слой формируется на атомарном уровне, что определяет его высокую прочность Высокая стоимость препарата и возможность его использования только в зонах высоких температур
Ремонтно-восстановительные составы (РВС-составы) На базе серпентинито-магниевых составов, основная формула имеет вид М§6(814О10)(ОН)8. В зоне трения температурные эффекты заедания начинают не разрушать поверхность трения, а избирательно восстанавливать геометрию деталей и номинальные зазоры за счет образования в зонах контакта метал-лосиликатных защитных слоев. Происходит реакция замещения М§6(814О10)(ОН)8 + Бе2Оз + Н2 —► 2(М§зБе)812О4 + 5ВД + 402, а также реакция М§б(814ОюХОН)8 3М§а8Ю4 + 8Ю2 + 4Н2. В процессе трения кристаллы М§28Ю4 уплотняются и ориентируются в направлении относительного перемещения поверхностей трения, увеличиваются их размеры, усиливается твердость; контакт трущихся поверхностей начинает осуществляться по металлосиликатной основе, обладающей свойством диэлектрика и аномально низким коэффициентом трения 0,03.. .0,07. Полученная поверхность имеет одинаковый с основным металлом коэффициент линейного расширения. Выход из строя поверхностей трения происходит не по причине износа, а по причине усталостных разрушений, т.е. увеличивается срок службы. Невысокая стоимость, универсальность применения для различных режимов Стабильность результата зависит от качества препарата, его применения в зависимости от режима работы механизма и степени его износа. Отсутствует научно обоснованная методология использования препарата
Открытие эффекта «безизносности» и изучение его механизмов создало условия для реализации избирательного переноса и создания композиций, действие которых основано на эффекте автокомпенсации износа и формирования
поверхностей трения с заданными антифрикционными свойствами, а позволило также решить ряд задач по восстановлению изношенных узлов двигателей, редукторов, топливной аппаратуры и др.
Ультрадисперсный порошок РВС из-за необычных физических, химических и биологических свойств является уникальной композицией, созданной по специальной технологии на основе минералов, которые принято называть горный лен, хризотил, офит, серпентин, змеевик - все это один минерал, химическая формула которого (MgOH)6Si4O11*H2O, а научное название - моногидрат ундекаоксотетрасиликатгексагидроксогексамагния.
Применение порошка РВС - продукта нанотехнологии - позволяет без-разборно, без замены запчастей в процессе эксплуатационного режима, восстанавливать имеющиеся износы с одновременным увеличением ресурса и улучшения его технических характеристик. Трение как деструктивный процесс приводит к неизбежному, казалось бы, износу агрегатов, но в случае применения нанопорошка инициирует самоорганизующиеся процессы - таким образом, налицо проявление закона самоорганизации механических систем, открытого институтом «Механобр».
Механизм инициации самоорганизующихся процессов сложный, еще не достаточно изученный. Но его результатом является образование в зонах контакта модифицированного слоя, представляющего собой монокристалл, выращенный на кристаллической решетке поверхностного слоя самого металла. Материалы порошка РВС диффундируют с поверхности в глубину металла: улучшается структура его кристаллической решетки, упрочняется приповерхностный слой самого металла, при этом более толстый слой образуется в изношенных зонах, величина зазора между трущимися деталями стабилизируется и приближается к оптимальной. В местах трения происходит замена контакта металл-металл на металлокерамика-металлокерамика с аномально низким коэффициентом трения. Применение композиции РВС позволяет осуществлять переход на новые современные системы технического обслуживания оборудования в сочетании с неразрушающими методами контроля технического состоя-
ния - это так называемые системы обслуживания по фактическому состоянию (ОФС) взамен обслуживания по регламенту (ППР), а также проактивные системы (ПАО).
Нами проводились исследования вибрации электрических машин преобразовательных агрегатов шагающих и карьерных экскаваторов на Лучегорском и Павловском угольных разрезах, Владивостокской ТЭЦ-2 и Артемовской ТЭЦ с помощью системы диагностики с искусственным интеллектом на основе виброанализатора - сборщика данных СД12М и программного обеспечения Dream for Windows (разработка ассоциации ВАСТ - ВиброАкустические Системы и Технологии). Одновременно с диагностикой проводилась обработка подшипниковых узлов РВС-составом. Технология обработки зависела от условий эксплуатации оборудования. Наиболее простой ее способ, не требующий остановки оборудования, - впрыскивание через тавотницу разведенного в спиртовом растворе порошка с помощью шприца. Недостаток этого способа -отсутствие информации о количестве и качестве смазки в подшипниковом узле. При избытке масла в узле происходит (после обработки в результате разогрева от реакции замещения) вытеснение масла под давлением через уплотнения подшипникового узла. В случае недостатка - коксование масла и заклинивание подшипника. В редких случаях по непонятным причинам обработка РВС составом не давала никаких результатов. Скорость восстановления работоспособности подшипника зависит от вида, количества и качества масла и количества введенного нанопорошка. Наиболее быстрые результаты получаются с жидкой смазкой, а также при небольших количествах консистентной смазки. Например, если в подшипниковом узле около килограмма консистентной смазки, то положительный результат получается уже после суток непрерывной работы.
Интересный результат был получен при обработке подшипника дымососа на Владивостокской ТЭЦ -2 (результаты вибродиагностики до обработки РВС составом представлены на рис.1). В тот же день была произведена замена консистентной смазки узла на новую с РВС составом к количестве около 10 кг.
Большая емкость подшипникового узла объясняется тем, что ранее это подшипник смазывался жидкой смазкой. Приводим результаты диагностики.
Дымосос Д-7Б (до обработки РВС-составом) ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ДИАГНОСТИКИ подшипника качения дымосос Д-7Б, подшипник 13532 ИЗМЕРЕНИЕ ПРОВЕДЕНО: 27.08.2009 11:42:36 РЕКОМЕНДАЦИИ: ЗАМЕНИТЬ ПОДШИПНИК Основание:
ИЗНОС ВНУТРЕННЕГО КОЛЬЦА (31%; сильный; вероятность 70%)
ОБНАРУЖЕННЫЕ ДЕФЕКТЫ:
ИЗНОС ВНУТРЕННЕГО КОЛЬЦА (31%; сильный; вероятность 70%)
Диагностические признаки в спектре огибающей: 9.79 Гц (31%) Fвр 19.61 Гц (27%) 2Fвр 29.45 Гц (21%) 3Fвр 39.28 Гц (19%) 4Fвр 49.10 Гц (14%) 5Fвр 58.89 Гц (12%) 6Fвр 68.68 Гц (8%) 7Fвр 78.43 Гц (7%) 8Fвр 88.32 Гц (7%) 9Fвр 98.16 Гц (6%) 10Fвр
Итак, подшипник аварийный, тем не менее, он оставлен в работе.
118 116 114 112 110 108 106 104 102 100 98 96 94 92 90 88 86 84 82 80 78 76
Рис. 1. Спектр огибающей высокочастотной вибрации подшипника качения 13532
Повторная диагностика этого узла в сентябре и октябре не показала существенных изменений состояния подшипника. А вот диагностика 16 декабря этого же года показала поразительный результат: практически полное восстановление работоспособности подшипника (рис. 2).
Дымосос Д-7Б (после обработки РВС-составом)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ДИАГНОСТИКИ подшипника качения дымосос Д-7Б, подшипник 13532
ИЗМЕРЕНИЕ ПРОВЕДЕНО: 16.12.2009 11:20:02 РЕКОМЕНДАЦИИ:
- Провести следующие измерения не позднее 04.02.2010. ОБНАРУЖЕННЫЕ ДЕФЕКТЫ:
ОБКАТЫВАНИЕ НАРУЖНОГО КОЛЬЦА (7%; слабый; вероятность 80%) Диагностические признаки в спектре огибающей: 9.78 Гц (7%) Fвр
Гц
О 50 100 150 200 250 300 350 400
Гц
Рис. 2. Спектр огибающей высокочастотной вибрации подшипника качения 13532
Остался небольшой дефект «обкатывание наружного кольца», что, собственно, не является дефектом подшипника, а результат либо дисбаланса ротора, либо расцентровки валопровода, либо дефекта муфты.
Примеров быстрого восстановления работоспособности подшипников можно привести множество. Вот один из таких примеров диагностики и восстановления работоспособности подшипника на Артемовской ТЭЦ:
Дымосос ДС-7А
043; ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ДИАГНОСТИКИ подшипника качения дымососа
3628 со стороны привода (до обработки)
ИЗМЕРЕНИЕ ПРОВЕДЕНО: 01.12.10; 11.37 РЕКОМЕНДАЦИИ:
- Провести следующие измерения не позднее 21.01.2011 Основание:
ИЗНОС ТЕЛ КАЧЕНИЯ И СЕПАРАТОРА (12,2%; средний; вероятность 80%)
12 ::::::::::::::::::: :::::::::::::::::::: ю i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i
6 ::;:::; ; i ;;;;;;;; ; ; ; ;;;;;;;;;;;; ; i ; ; •t i:::::::::::::::::: i:::::::::::::::::::
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 100 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 380 370 380 390 400
Щ
Рис. 3. Спектр огибающей высокочастотной вибрации подшипника качения 3628
ОБНАРУЖЕННЫЕ ДЕФЕКТЫ:
ИЗНОС ТЕЛ КАЧЕНИЯ И СЕПАРАТОРА (12,2%; средний; вероятность 80%)
Диагностические признаки в спектре огибающей: 4,87Гц (6,11%) Fc 34,09Гц (12,2%) 7Fc 68,18Гц (8,02%) 14Fc 112,01Гц (3,95%) 23Fc 078; ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ДИАГНОСТИКИ подшипника качения дымососа
3628 со стороны привода (после обработки)
ИЗМЕРЕНИЕ ПРОВЕДЕНО: 03.12.10; 14.09 РЕКОМЕНДАЦИИ:
- Провести следующие измерения не позднее 23.01.2011 ОБНАРУЖЕННЫЕ ДЕФЕКТЫ: Дефекты не обнаружены
Гц
Рис. 4. Спектр огибающей высокочастотной вибрации подшипника качения 3628
Быстрый результат, удивительный в том отношении, что сепаратор изготовлен из цветного металла, а образование монокристалла (металлокерамика) происходит в зоне трения черных металлов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Баркова Н.А. Введение в виброакустическую диагностику роторных машин и оборудования: уч. пособие. СПб.: Изд. центр СПбГМТУ, 2003. 160 с.
2. Баркова Н.А., Дорошев Ю.С. Неразрушающий контроль технического состояния горных машин и оборудования: уч. пособие. Владивосток: Из-во ДВГТУ, 2009. 173 с.
3. Дорошев Ю.С., Нестругин С.В. Повышение технологической надежности карьерных экскаваторов: монография. Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2009. 232 с.
4. Дорошев Ю.С. Разработка методических основ повышения уровня безопасности и эффективности эксплуатации горного оборудования: монография. Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2009. 200 с.
5. Обзор присадок и трибосоставов на базе природных минералов // РВД. URL: http://www.rvdtechnology.ru/technology/review_prisadok/ (дата обращения:25.10.2011).
