CC BY
43
А
© В.С. Квагинидзе, Н.Н. Чупейкина, В.В. Чупейкин, 2007
УДК 622.411.33
В.С. Квагинидзе, Н.Н. Чупейкина, В.В. Чупейкин
РАЗРАБОТКА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ МЕХАНИЧЕСКИХ ЛОПАТ НА УГОЛЬНЫХ РАЗРЕЗАХ СЕВЕРА
гласно статистическим данным, электротравматизм в
^ гольной промышленности характеризуется не столько аб-
солютным количеством несчастных случаев, сколько тяжестью их исхода. Для динамики электротравматизма по годам характерно непрерывное снижениее количества электротравм в год (рис. 1). Но все еще высокий уровень электротравматизма оказывает негативное влияние на безопасность и экономическую эффективность функционирования горнодобывающих предприятий. Применение высокотехнологичного электрооборудования не сопровождается
соответствующим снижением электротравм. В связи с этим большое значение приобретают вопросы безопасной эксплуатации горного электрооборудования.
Более 60 % электротравм происходит при соприкосновении с открытыми токоведущими частями, находящимися под напряжением. Остальные происходят в результате прикосновения работающих к токоведущим частям, покрытым изоляцией, которая потеряла свои изоляционные свойства в результате механических и климатических воздействий; при соприкосновении с металлическими конструкциями или частями оборудования, оказавшимися под напряжением; из-за ошибочного включения электроустановок, на которых работают люди. Незначительное число несчастных случаев связано с поражением электрической дугой (рис. 2).
На угольных карьерах электротравматизм при напряжении выше 1000 В составил 96,8%. Это объясняется тем, что в условиях карьеров электроустановки напряжением выше 1000 В являются наиболее распространенными. Распределение электротравм в зависимости от места происшествия показано на рис. 3.
Рис. 1. Динамика электротравматизма в горнодобывающих отраслях
Рис. 2. Распределение причин электротравм на разрезе «Нерюнгринский»: 1 -
соприкосновение с токоведущими частями, находящимися под напряжением (60 %); 2 - прикосновения к нетоковедущим частям оборудования, попавшим под напряжение (20 %); 3 - ошибочные включения электроустановок, на которых работают люди (11 %); 4 - соприкосновение с металлическими конструкциями, оказавшимися под напряжением (7 %); 5 - поражение электрической дугой (2 %)
Связь между количеством электротравм и аварийностью электрохозяйства можно выявить по статистическим данным распределения электротравм по видам аварийных, ремонтных и текущих работ при эксплуатации электроустановок (рис. 4).
Несмотря на специальное конструктивное исполнение электрооборудования, существующие условия горного производства, с одной стороны, ослабляют защитные свойства ор-
Рис. 3. Распределение электротравм по местам происшествия на разрезе «Не-рюнгринский»: 1 - на распредустройствах, приключательных пунктах (31 %); 2 -на токоприемниках - экскаваторах, буровых станках и т.д. (29 %); 3 - на воздушных линиях электропередач (25 %); 4 - на кабельных линиях (12 %); 5 - прочие (3 %)
5-8%
Рис. 4. Распределение электротравм по видам выполняемых работ: 1 - ликвидация аварий (38 %); 2 - плановые ремонты (27 %); 3 - текущие ремонты (16 %); 4- переключение кабеля экскаватора (11 %); 5 - перегон экскаватора (8 %)
ганизма (высокое нервное напряжение в процессе работы, снижение сопротивляемости кожных покровов в условиях повышенной влажности, агрессивности и запыленности окружающей среды), а с другой -повышают аварийность обслуживаемого электрооборудования. Ава-
рийность, в свою очередь, ведет к образованию источников поражения работающих и к ослаблению организма человека при восстановлении отказов и ремонтных работах. Все это подчеркивает особую опасность применения электроэнергии в условиях карьеров, а проблема электробезопасности становится достаточно сложной и многогранной, зависящей от комплексного решения всех звеньев системы «человек - производственная среда - электрооборудование».
Успешная борьба с производственным травматизмом предполагает углубленное и всестороннее изучение условий, обстоятельств и причин этого явления. Знание происхождения несчастных случаев на работе и совокупности причин и обстоятельств, вызывающих их возникновение, представляет основу принятия на практике обоснованных решений по разработке мер борьбы с ними. Необходимо знать как механизмы возникновения несчастных случаев при работе в горной промышленности, так и результаты исследований по их происхождению. В связи с этим особую актуальность и значимость приобретает задача исследования надежности и безопасности аппаратов управления электроприводами карьерных механических лопат, особенно при их эксплуатации в экстремальных условиях, к которым относятся природно-климатические условия Южно-Якутского угольного бассейна.
Разработка Нерюнгринского месторождения характеризуется сосредоточением в рабочей зоне значительного количества горного оборудования. Анализ, выполненный автором совместно с энергомеханической службой ОАО «Якутуголь» и технической службой разреза «Нерюнгринский», показал, что карьерные механические лопаты простаивают более 50% календарного фонда времени. Коэффициент их использования не превышает 0,2-0,55. Основная часть нерабочего времени (до 55 %) приходится на плановые и неплановые ремонты.
Наименее надежными системами карьерных механических лопат являются механическая и электрическая системы. При этом почти половина отказов (49 %) приходилась на электрическое оборудование.
Анализ отказов электрооборудования систем управления электроприводами экскаваторов показал, что наиболее значительная часть отказов приходится на неисправность электрических аппаратов (45 %).
Ситуация усугубляется тем, что найти неисправный элемент электрооборудования значительно сложнее, чем неисправный элемент механического оборудования. Это приводит к дополнительному вре-
мени простоя, потраченному на поиск неисправного элемента. Значительная часть отказов электрооборудования связана с понижением сопротивления изоляции. Это вызвано тремя основными факторами: естественное старение изоляции, попадание влаги в корпуса электрооборудования и вибрация. Из-за вибрации происходит большая часть обрывов в токоведущих проводниках. Все эти причины значительно снижают коэффициент готовности экскаватора. Как правило, с увеличением срока эксплуатации карьерных экскаваторов продолжительность ремонтов ежегодно увеличивается на 10-12 %. Продолжительные простои машин на ремонтах объясняются несовершенством системы ППР, слабой ремонтной базой, нестабильностью материальнотехнического снабжения, недостаточной эксплуатационной и ремонтной технологичностью оборудования. На длительность простоев карьерных экскаваторов на ремонте влияют также несоблюдение сроков остановки машин на ремонт, нарушение режима смазки, несвоевременность наладки параметров электрических цепей, низкая квалификация машинистов и ремонтного персонала.
Для оценки качества технического обслуживания и ремонта электрических аппаратов управления электроприводами карьерных механических лопат на разрезе «Нерюнгринский» предложен комплекс показателей, характеризующих условия выполнения технического обслуживания и ремонта. Введение таких показателей, количественно отражающих результаты технического обслуживания и ремонта аппаратов управления, дало возможность контроля и анализа работ по совершенствованию их качества, созданию сопоставимых условий для оценки деятельности энергоремонтной службы разреза «Нерюнгринский» ОАО ХК "Якутуголь".
Предлагаемая математическая модель для оценки качества технического обслуживания и ремонта аппаратов управления состоит из ряда единичных показателей и комплексного показателя.
Единичные показатели качества технического обслуживания:
1. Показатель нарушения требований ПТЭ и ПТБ при техническом обслуживании аппаратов управления КнПТЭ — число разовых нарушений требований ПТЭ и ПТБ при техническом обслуживании за определенный период:
К - К
К _ О .Я ''я .Н .ПТЭ
К нПТЭ _ ■
КО.Я.
2. Коэффициент частоты вызовов по техническому обслуживанию, авариям и отказам аппаратов управления Кчв. — относительное
(на количество запланированных вызовов) число вызовов по техническому обслуживанию, авариям и отказам:
К = Кж
" = К в '
где Кзп - количество запланированных вызовов; Кв — общее число вызовов за определенный период.
3. Коэффициент оперативности явки по вызовам Коля — относительное число нарушений согласованных сроков явок на вызов по техническому обслуживанию, авариям и отказам аппаратов управления электрооборудованием:
КПя. - Кя
К
^оп.я
"о.я “я.н-
Ко.я. !
где Кая — общее число явок по техническому обслуживанию, авариям и отказам; Кя.н. — число явок с нарушением согласованных сроков.
4. Коэффициент оперативности выполнения технического обслуживания, устранения результатов аварий и отказов Копто. — отношение продолжительности согласованного срока выполнения технического обслуживания, устранения результатов аварий и отказов аппаратов управления электрооборудованием к фактической продолжительности выполнения технического обслуживания, устранения результатов аварий и отказов:
Т
к _ сто
^оп.т.о. ~ Т ’
Т фто
где Тсто — согласованная продолжительность выполнения технического обслуживания, устранения результатов аварий и отказов, ч; Тфто
— фактическая продолжительность выполнения технического обслуживания, устранения результатов аварий и отказов, ч.
Комплексный показатель оценки качества технического обслуживания Ккто является суммой коэффициентов:
Ккто = КнПТЭ + Кчв + Коп.я + Коп.то ,
Были проведены расчеты по оценке качества технического обслуживания с применением разработанной системы баллов и определено оптимальное численное значение комплексного показателя.
Единичные показатели качества ремонта:
1. Показатель испытаний и проверок КИ..П. — однозначная (безусловная) оценка результатов испытаний и проверок отремонтирован-
ных аппаратов управления электрооборудованием на соответствие различным действующим ПТЭ и ПТБ:
ККПИ - КОТК
КИП
К
КПИ
где ККПИ - общие количество проведенных испытаний; КОТК - количество проведенных испытаний с нарушениями и отклонениями по ПТЭ и ПТБ.
2. Коэффициент технического состояния отремонтированного оборудования КТ.С. — оценка результата сопоставления характеристик аппаратов управления после ремонта с базовыми характеристиками оборудования до ремонта. Среднее значение КТС. по ряду ремонтов за конкретный период времени (месяц, квартал, год):
N
I Ктс .
К — _2=1____
ТС. = N ’
где N— число ремонтов за конкретный период времени (месяц, квартал, год).
3. Коэффициент сдачи оборудования после ремонта с первого предъявления КС.Р. — отношение числа аппаратов управления, сданных с первого предъявления, к числу ремонтов за конкретный период времени (месяц, квартал, год):
К = N1П
Кср.— — ’
где NIП — число ремонтов, сданных с первого предъявления.
4. Коэффициент гарантийного ремонта КГ.Р — отношение количества электрических аппаратов, проработавших гарантийный срок до следующего ремонта, к числу ремонтов за конкретный период времени (месяц, квартал год):
= NГ -г .р .—
тт _ Г
Кг Р. — -----,
N
где N — количество оборудования, проработавшего гарантийный срок до следующего ремонта.
5. Коэффициент неплановых ремонтов (по вине исполнителя ремонта) КН.Р. — отношение трудоемкости неплановых ремонтов к суммарной трудоемкости плановых ремонтов:
К — ТН Р.
КН .Р. ——-------,
Т П.Р.
где ТН.Р. — трудоемкость неплановых ремонтов, ч; ТПР — суммарная трудоемкость плановых ремонтов, ч.
Комплексный показатель оценки качества ремонта электрических аппаратов управления электрооборудованием Ккр является суммой коэффициентов:
КК.Р. — КИ.П. + КТ.С. + КС.Р. + КГ.Р. + КН.Р.
Оценка производится или по результатам одного ремонта, или по результатам ряда ремонтов за конкретный период времени (месяц, квартал, год).
Оценка результатов одного ремонта применяется при оценке работы конкретного исполнителя. Оценка результатов ряда ремонтов за конкретный период времени (месяц, квартал, год) применяется при оценке качества работы ремонтного подразделения или всей ремонтной службы предприятия.
Проведенные расчеты качества технического обслуживания и ремонта на разрезе «Нерюнгринский» ОАО ХК «Якутуголь» с применением разработанной системы баллов позволили определить оптимальное численное значение комплексных показателей и разработать методы стимулирования ремонтного персонала.
Было установлено, что наиболее негативно на надежность и безопасность экскаваторов влияют вибрация, температура окружающей среды, уровень запыленности в забое и квалификация машиниста.
На экскаваторе можно выделить следующие основные источники вибрации: генераторную группу, редукторы главных приводов и вибрации, возникающие в процессе выемки и погрузки горной массы.
Проведенные исследования позволили установить зависимость количества отказов аппаратов управления электроприводами от уровня вибрации (рис. 5).
Данная зависимость описывается формулой:
N = 448,13в + 31,916,
где N - количество отказов; В - уровень вибрации.
Рис. 5. Зависимость количества отказов от уровня вибрации
Повышение уровня вибрации на 10 % приводит к повышению количества отказов на 15 %.
Повышенная запыленность, в первую очередь, вызвана неудовлетворительной герметизацией и непостоянной вентиляцией машинного отделения. Пыль по типу можно разбить на две группы - пыль породная и пыль угольная. В зависимости от типа пыль по-разному влияет на работу электрических аппаратов. Угольная пыль, обладая электропроводностью, существенно снижает сопротивление изоляции и приводит к появлению утечек и недопустимых гальванических связей между различными частями схемы, приводя к нарушению их работы. Породная пыль обладает намного меньшей электропроводностью, но ее отрицательное воздействие не уступает угольной: попадая на токопроводящие участки электрических аппаратов (силовые контакты и блок-контакты), она ухудшает их проводимость, что приводит в дальнейшем к выходу из строя контактов. Пыль, оседая в вентиляционных каналах и радиаторах, может также привести к неисправностям трансформаторов и силовых полупроводниковых элементов из-за их перегрева, возникающего вследствие ухудшения охлаждения. Проведенные исследования позволили установить зависимость количества отказов от уровня запыленности, которая приведена на рис. 6.
Зависимость отказов от концентрации пыли в воздухе описывается уравнением:
Рис. 6. Зависимость количества отказов от запыленности
N = 69,796 п-51,037,
где N - количество отказов; п - уровень запыленности.
При увеличении запыленности на 10 % количество отказов от воздействия породной пыли возрастает на 15 %, от угольной пыли на 20 %.
Изменение температуры окружающей среды весьма сильно влияет на количество отказов электрических аппаратов. Суточные перепады температуры способствуют появлению конденсата, отрицательно влияющего на работу электрооборудования. Понижение температуры окружающей среды на 10 % приводит к увеличению количества отказов на 15 % (рис. 7).
Полученная зависимость описывается формулой N = 15,212 - 0,5839 г,
где N - количество отказов; г - месяц года.
Пик отказов приходится на декабрь-январь и июнь-июль. Повышение отказов в зимние месяцы легко объяснимо: низкая температура уменьшает прочность металлов, смерзание горной массы повышает вибрацию. Все это в сумме существенно повышает количество отказов. Резкий скачок отказов в летнее время можно объясняется тем, что в эти месяцы средняя температура имеет наивысшие показатели за год. В результате этого температура в кузове экскаватора значительно возрастает и происходит взаимодействие температуры воздуха и собственной температуры оборудования. Перегрев приводит к выходу из строя, в первую очередь, полупроводниковых приборов, которые работают на пределе допустимого уровня температуры, а также к изменению проводимости токопроводящих материалов электрических аппаратов.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
количество отказов 21 11 9 11 9 14 19 10 8 6 9 10
месяц года
Рис. 7. Зависимость количества отказов от времени года
Уровень квалификации машиниста также влияет на количество отказов как всего оборудования, так и электрических аппаратов. Работа главных приводов происходит в режиме постоянных разгонов и реверсов, а также при каждом цикле экскавации достигаются стопорные режимы, вплоть до полной остановки. Вследствие этого резко изменяются нагрузки основных механизмов, а значит происходит и изменение режимов
работы электрических аппаратов - повышаются токи и возникают перенапряжения, нередки аварийные отключения электрических аппаратов под нагрузкой. Это приводит к увеличению количества отказов электрических аппаратов. Данный фактор напрямую влияет на количество отказов при проявлении предыдущих трех факторов - вибрации, запыленности и температуры окружающей среды. При работе машинист не должен допускать повышенной вибрации во время отгрузки горной массы, должен замечать повышение вибрации от редукторов и электрических машин. При повышении температуры и запыленности принимать все предусмотренные меры для охлаждения и снижения концентрации пыли в кузове экскаватора.
Проведенные исследования позволили установить зависимость количества отказов от квалификации машиниста. Результаты отражены на рис. 8.
Данная зависимость описывается формулой N =35,1- 3,5 к,
0 -I--------,-----------,---------,----------,----------,
2 3 4 5 6 7
квалификационный разряд
Рис. 8. Зависимость количества отказов от квалификации машиниста
где N - количество отказов; к - квалификационный разряд.
Большой опыт работы и высокий квалификационный разряд машиниста способствуют существенному снижению количества отказов электрооборудования на 20 %.
Для определения соответствия техническим нормам и требованиям параметров электрического аппарата при проведении технического обслуживания и ремонта непосредственно в карьере и его испытаний предлагается применять нагрузочное устройство, которое размещают на автомобиле или прицепе, и при проведении технического обслуживания (ТО) и ремонта горной машины транспортируют на ремонтную площадку. Нагрузочное устройство запитывается двумя способами:
- через имеющийся разъем и понижающий трансформатор от ЯКНО горной машины;
- от дизель-электростанции, расположенной на этом же автомобиле или прицепе.
Испытательное устройство позволяет осуществлять следующие виды проверок и испытаний:
- обеспечивает возможность проверки характеристик подключенных непосредственно к электросети автоматических выключателей без нагрузочного трансформатора путем создания искусственного
замыкания за местом установки проверяемого аппарата с плавным регулированием значения тока тиристорами
Рис. 9. Электрогидравлический стенд для сборки тиристорных блоков
с измерением его эффективного значения и времени отключения аппарата;
- обеспечивает возможность проверки характеристик автоматических выключателей совместно с нагрузочным трансформатором, при этом оно используется для регулирования переменного тока, измерения эффективного значения вторичного тока и времени отключения проверяемого аппарата;
- обеспечивает возможность проверки средств релейной защиты и автоматики присоединений 6-35 кВ вторичным током совместно с нагрузочным трансформатором, при этом оно используется для регулирования первичного тока трансформатора, измерения эффективного значения вторичного тока, установки заданной длительности протекания тока и измерения времени срабатывания защиты;
- обеспечивает возможность проверки характеристик релейной защиты электрических присоединений 6-36 кВ первичным током без нагрузочного трансформатора от сети 380/220 В при значениях тока до 2000А (до 12000 А совместно с силовым блоком) и с нагрузочным трансформатором при значениях тока до 30000А;
- обеспечивает возможность оценки тока короткого замыкания цепи фаза-нуль и фаза-фаза присоединений 380 В для выбора характеристик релейной защиты, плавких вставок и автоматических выключателей;
- обеспечивает возможность использования его в качестве тиристорного регулятора мощности;
- обеспечивает автоматическую проверку исправности при включении питания.
Предлагаемое переносное нагрузочное устройство позволяет во время проведения технического обслуживания и ремонта более оперативно проводить проверку и испытания аппаратов управления, в результате чего сократятся сроки ремонтов. Кроме того, применение данного устройства позволило своевременно отслеживать состояние аппаратов управления и предотвращать аварийные отказы, что сократило простои горного оборудования на 20 %.
Предложенный электрогидравлический стенд для сборки тиристорных блоков, схема которого показана на рис. 9, позволяет нормировать степень сжатия тиристора радиаторами и обеспечивать наилучший тепловой контакт, что снизило количество отказов тиристорных блоков на 20 %.
В процессе эксплуатации из-за различных уже рассмотренных причин (пыль, вибрация, неквалифицированное и несвоевременное обслуживание) происходит выход из строя силовых контактов автоматов, пускателей и контакторов. Как правило, это выражено в виде «выгорания» контактов, что приводит к вынужденной замене аппарата.
Предотвратить в значительной мере подобные случаи может своевременное отслеживание состояния контактов. Для измерений переходных сопротивлений контактов электрических аппаратов управления на горных машинах в условиях карьера возможно применение устройства, схема которого представлена на рис. 10. Токовые и потенциальные проводники устройства подключаются к линейным выводам проверяемого электрического аппарата.
Применение устройства контроля за состоянием контактов позволяет отслеживать их износ, производить двойной контроль: по схеме индикации можно судить о степени износа, а по данным микроомметра можно определять значение переходного сопротивления контактов. Данное устройство позволяет своевременно контролировать состояние аппаратов управления, его применение привело к снижению числа аварийных простоев на 15 %.
В перспективе устройство контроля за состоянием контактов должно быть установлено на горную машину, а плата системы индикации и значений снимаемых параметров - в кабине машиниста.
Большой проблемой при проведении технического обслуживания и ремонта являются совмещенные работы - одновременное проведение технического обслуживания и ремонта как механических, так и электрических узлов. Одним из предложений по совершенствованию системы технического обслуживания является проведение периодических раздельных ТО - через определенное количество проведенных смешанных ТО проводить раздельное - специально для обслуживания электрооборудования. Также предложено проведение ежесменного и еженедельного технического обслуживания с четкой регламентацией работ. Данная система технического обслуживания позволила снизить количество отказов аппаратов управления на 15 %.
— Коротко об авторах ---------------------------------------------
Квагинидзе В.С. - доктор технических наук, профессор, ОАО ХК «Якутуголь»,
Чупейкина Н.Н. - кандидат технических наук, ОАО ХК «Якутуголь», Чупейкин В.В. - заместитель главного инженера ОАО «Нерюнгриэнер-горемонт» АК «Якутскэнерго».
