CC BY
40
УДК 622.232
О.Е. Шабаев, И.И. Бридун
ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА РЕЗЦОВОГО ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА ПРОХОДЧЕСКОГО КОМБАЙНА
Установлено, что при поломке резца момент в трансмиссии привода исполнительного органа имеет значительно большую неравномерность по низкочастотной составляющей. Работа с отсутствующим резцом на коронке в зависимости от его положения в схеме набора приводит к снижению ресурса трансмиссии проходческого комбайна до 70%. Для выявления поломок режущего инструмента было использовано спектральное разложение Фурье тока двигателя по частотам, кратным частоте вращения исполнительного органа. Установлено что первый коэффициент спектрального разложения при поломке резца существенно возрастает, тогда как второй, соответствующий удвоенной частоте вращения коронки, практически не изменяется. С учетом изложенного, предложен диагностируемый показатель — отношение 1го и 2го коэффициентов спектрального разложения. Критериям диагностирования поломки является превышение этого отношения над полученным в результате предварительного самообучения комбайна в данном режиме разрушение забоя предельным значением. Разработаны структура и алгоритм функционирования адаптивной к горно-геологическим и горнотехническим факторам системы технической диагностики резцового исполнительного органа, позволяющей на основе анализа данных непрерывной регистрации тока двигателя исполнительного органа оперативно выявлять поломки режущего инструмента.
Ключевые слова: проходческий комбайн, исполнительный орган, резец, ресурс, трансмиссия, спектральное разложение, диагностика.
Проблема и ее связь с научными или практическими задачами
Необходимым условием концентрации и интенсификации горных работ является повышение темпов проходки подготовительных выработок с применением проходческих комбайнов нового технического уровня с высокими показателями надежности. Нагруженность силовых систем комбайна во многом формируется в результате «внешнего» возмущения — сил резания горной породы на рабочем инструменте коронки. Поэтому состояние рабочего инструмента исполнительных органов существенно влияет
DOI: 10.25018/0236-1493-2017-9-0-94-101
не только на эффективность процесса разрушения забоя этими машинами, но и на их ресурс. Существующие методики технической диагностики состояния рабочего инструмента основаны на визуальном осмотре и непосредственных замерах его геометрических размеров. Вместе с тем, поломка резца не приводит к отказу комбайна в целом и зачастую не может быть выявлена до остановки комбайна с визуальным осмотром исполнительного органа. В результате работа комбайна с поломанным резцом неизбежно приводит к снижению ресурса элементов трансмиссии.
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 9. С. 94-101. © О.Е. Шабаев, И.И. Бридун. 2017.
Поэтому актуальными являются исследования по обоснованию новых методов и разработке средств технической диагностики состояния рабочего инструмента проходческих комбайнов.
Анализ исследований
и публикаций
Известны разработки в области оценки и повышения ресурса элементов конструкции горных машин, основанные как на теоретических, так и на экспериментальных методах исследования. Так, в работе [1] предложены методы оценки индивидуального остаточного ресурса по факторам многоцикловой усталости и износа на основе «модуля накопления данных» [2]. В работе [3] показано существенное влияние ресурса проходческого комбайна на темпы проведения подготовительных выработок. Вместе с тем, отсутствуют исследования влияния поломок резцов на ресурс элементов трансмиссии исполнительных органов, оснащенных поперечно-осевыми коронками.
Разработка средств диагностики технического состояния рабочего инструмента исполнительного органа требует обоснования диагностируемых параметров и их предельных состояний [4]. Современное состояние науки о горных машинах рассматривает задачу диагностики технического состояния как один из аспектов работы системы интеллекта мехатронной горной машины [5, 6].
Постановка задачи
Целью работы является повышение эффективности использования проходческих комбайнов избирательного действия на основе предложенных средств и методов диагностирования состояния исполнительного органа с учетом установленных закономерностей влияния выхода из строя резцов на характеристики рабочего процесса комбайна.
Изложение материала и результаты
Техническим объектом, на котором выполнялись исследования, был принят проходческий комбайн КПД, оснащенный двумя поперечно-осевыми коронками диаметром 1000 мм. Для проведения исследований была использована разработанная авторами математическая модель рабочего процесса проходческого комбайна, учитывающая возможность поломок режущего инструмента [7]. Исследования проводились на основе вычислительного эксперимента с учетом различных параметров режима разрушения забоя исполнительным органом, физико-механических свойств породных пластов забоя и параметров технического состояния комбайна.
Параметры режима разрушения забоя коронками — глубина зарубки В, шаг фрезерования АН, скорости подачи Уп и вращения ю существенно влияют на нагруженность исполнительного органа. Поэтому при планировании вычислительного эксперимента задавались различные значения В и АН (с учетом конструкции исполнительного органа), а значения скоростей подбирались с учетом физико-механических свойств породы для обеспечения максимальной производительности на основе рекомендаций работы [5].
Для модельных исследований были приняты представительные условия эксплуатации комбайна, а именно: забой состоит из 3-х пластов с одинаковыми долями по объему: порода кровли со средневзвешенной контактной прочностью рк = 400 МПа, угольный пласт с сопротивляемостью резанию 250 Н/мм, порода почвы с рк = 800 МПа. Приняты 3 варианта сечения выработки в проходке в соответствии с технической характеристикой комбайна — 11; 16 и 25 м2.
Параметрами технического состояния комбайна приняты варианты схемы набора резцов на коронке, отличающиеся
Рис. 1. Толщина стружки на резцах коронки при боковом резе (а) и вертикальной зарубке (б)
отсутствием резцов в различных линиях резания. Известно, что в различных режимах разрушения забоя на резцах поперечно-осевой коронки формируются существенно различные параметры среза. Так, на рис. 1 приведено изменение толщины среза на отдельных резцах за один оборот коронки в режиме бокового реза (рис. 1, а) и вертикальной зарубки (рис. 1, б) без учета динамики движения исполнительного органа. Очевидно, поломка резца № 5 более существенно скажется на формировании вектора внешнего возмущения в режиме бокового реза, а резца № 9 — вертикальной зарубки. Поэтому планом вычислительного эксперимента следует предусмотреть оба возможных варианта.
В качестве примера на рис. 2 приведены фрагменты реализаций момента сопротивления на коронке при боковом резе с полным комплектом резцов
(рис. 2, а) и без одного резца в 5-той линии резания (рис. 2, б). Соответствующие функции распределения вероятности момента построены на рис. 2, в. Анализ показал, что выход резца из строя приводит к значительному росту динамичности нагрузок в первую очередь за счет увеличения неравномерности низкочастотной составляющей нагрузки.
Изменение ресурса элементов трансмиссии оценивалось по величине накопленной повреждаемости на единицу объема разрушенной породы, которая в каждом режиме разрушения забоя рассчитывалась по зависимости:
НПУ =
30ю
Пел
] М^ (М )6М
где ю, М — угловая скорость и передаваемый крутящий момент рассматриваемого элемента трансмиссии; Б — проекция разрушаемой поверхности забоя
2 2,2 2,4 2,6 2,8 3 3,2 3,4 3,6 3,8 ^ с Рис. 2. Нагруженность привода: все резцы (а); без 5-го резца (б); функции распределения момента (в)
0
О 10 20 I Гц
Рис. 3. Распределение частот тока двигателя
в направлении подачи коронки; УП — скорость подачи коронки на забой; М0, Мтах — значения крутящего момента, соответствующие для рассматриваемого элемента трансмиссии пределу усталости и пределу текучести; т — показатель степени кривой усталости для рассматриваемого элемента; /(М) — плотность вероятности крутящего момента.
Расчеты показали, что длительная работа проходческого комбайна с вышедшим из строя резцом в зависимости от его положения согласно схеме набора приводит к снижению ресурса элементов трансмиссии до 60—70% для валов и зубчатых колес, до 22—25% — для подшипников.
Анализ результатов моделирования показал, что диагностика поломок резцов в режиме реального времени может быть реализована на основе спектраль-
ного разложения фрагментов реализаций тока двигателя привода резания исполнительного органа длительностью, соответствующей 1—3 оборотам коронки. При этом используются коэффициенты спектрального разложения тока двигателя, соответствующие частоте вращения коронки — к± и ее удвоенному значению — к2 (см. рис. 3). На рисунке построены средние значения и интервалы изменения коэффициентов. В случае работы с наличием всех резцов к± < к2. Поломка резца, существенно влияющего на формирование нагрженности исполнительного органа, приводит к резкому росту к± при практически неизменном к2. Диагностируемым параметром является к12 — отношение коэффициентов спектрального разложения, соответствующих частоте вращения коронки и ее удвоенному значению.
Экспериментальная проверка в условиях шахты «Добропольская» показала эффективность предложенного критерия. В качестве примера на рис. 4 приведены гистограммы распределения к12 при разрушении забоя в режиме бокового реза с полным комплектом резцов (1) и при поломанном резце (2).
Таким образом, в качестве критерия диагностирования поломки резца, отве-
Рис. 4. Распределения вероятности показателя ^2 при работе со всеми резцами (1) и при поломке резца (2)
Рис. 5. Структура и алгоритм функционирования системы технической диагностики резцового исполнительного органа
чающего требованиям воспроизводимости, чувствительности и однозначности для каждого го вида режима работы может быть принято условие:
к±2Г > тах(к12тах]г),
где к12г — текущее значение к12, рассчитанное за 1 оборот коронки; к12тах — вектор максимальных с 90%-ной вероятностью значений к12 при ./-ом сочетании режимных параметров. Этот вектор может быть получен в процессе самообучения комбайна, что позволяет учесть особенности конструкции комбайна и свойства забоя. Для снижения вероятности ошибки выявления поломки резца в процессе работы комбайна следует анализировать несколько последовательно рассчитываемых в режиме реального времени значений к .
12г
На рис. 5 представлены разработанные структура и алгоритм функционирования системы технической диагностики резцового исполнительного органа. Основная информация для оценки состояния резцов содержится в токе двигателя привода резания. Ток статора двигателя фиксируется при помощи трансформаторов тока, установленных на каждую фазу. Критерий диагностирования поломки резца зависит от режима разрушения забоя исполнительным органом,
поэтому дополнительно необходимо получение сигналов с кнопочного пульта управления комбайном — «вверх-вниз», соответствующих режиму вертикального реза и «вправо-влево», соответствующих боковому резу. Сигналы с пульта управления комбайна, а также с датчика тока двигателя через усилитель и аналого-цифровой преобразователь подаются на бортовой компьютер и в блок хранения данных. Шаг дискретизации сигналов — 1/32 периода вращения исполнительного органа. При этом на каждом шаге ток двигателя должен усредняться. Бортовой компьютер согласно приведенному ниже алгоритму осуществляет диагностирование поломок резцов и оптимизацию периодичности замены резцов, сообщая через интерфейс оператору о необходимости ремонтного воздействия. Кроме того, указанная информация может передаваться в систему автоматизированного управления проходческим комплексом (САУ).
Исходным моментом алгоритма является получение сигналов тока двигателя и определение режима разрушения забоя.
С периодичностью, равной периоду вращения коронки, по 32 последним зарегистрированным значениям тока двигателя 1к(к = 1...32) определяется показатель диагностирования поломки резца:
к12 =
С 32 I £ 'к ф('к) V к=1 с пк \ V16 J I+ С 32 £ 'к с°г ф('к) эт V к=1 I и
£ 'к С05 ф('к) С05
пк
У
( 32
£ 'к с°г ф('к) эт
V к=1
пк
У
где совф() — зависимость коэффициента мощности двигателя от тока.
В процессе самообучения для режимов бокового = 1) и вертикального а = 2) резов рассчитываются максимальные с 90%-ной вероятностью значения показателя диагностирования поломок резц°в — ^12тах г
Диагностика поломок резцов в режиме реального времени реализуется путем сравнения текущего значения к12 и максимального в текущем режиме разрушения забоя к12тах .. Критерием диагностирования поломки резца является превышение к12 над к12тах . в течение 3-х оборотов коронки. При выявлении необходимости технического обслуживания коронки осуществляется сигнализация о необходимости замены резцов.
Выводы
1. Теоретически обоснована необходимость оперативной диагностики поломок резцов, так как длительная работа проходческого комбайна с вышедшим из строя резцом может приводить к снижению ресурса элементов трансмиссии исполнительного органа на величину до (60...70)% для валов и зубчатых колес и до (22.25)% для подшипников в зависимости от положения резца на коронке согласно схеме набора.
2. Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что диагностика поломок резцов в режиме реального времени может быть реализована на основе спектрального разложения фрагментов реализаций тока двигателя привода резания исполнительного органа длительностью, соответствующей 1— 3 оборотам коронки. Диагностируемым параметром, отвечающим требованиям воспроизводимости, чувствительности и однозначности, является к12 — отношение коэффициентов спектрального разложения, соответствующих частоте вращения коронки и ее удвоенному значению. Критерием диагностирования поломки резца для каждого вида режима работы является превышение над полученным в процессе самообучения комбайна максимальным (с 90%-ной вероятностью) значением, соответствующим работе с полным комплектом резцов.
3. Разработаны структура и алгоритм функционирования адаптивной к горногеологическим и горнотехническим факторам системы технической диагностики и оптимизации технического обслуживания резцового исполнительного органа, позволяющей на основе анализа данных непрерывной регистрации тока двигателя исполнительного органа оперативно выявлять поломки режущего инструмента.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кондрахин В. П., Стадник Н. И. Оценка остаточного ресурса горных машин / Решение научно-технических проблем при создании и внедрении современного горно-шахтного оборудования: Зб1рн1к науковых праць. Вип. 113. — Донецьк: ГП Донгипроуглемаш, 2008. — С. 685—694.
2. Кудлай Р. А., Мезников А. В., Стадник Н. И. Блок регистрации произошедших событий на проходческом комбайне / Решение научно-технических проблем при создании и внедрении современного горно-шахтного оборудования. — Донецк, 2008. — С. 647—660.
3. Шабаев О. Е., Семенченко А. К., Хиценко А. И. Обоснование значений макроуровневых параметров проходческого комбайна // Уголь Украины. — 2011. — № 5. — С. 49—52.
4. Биргер И.А. Техническая диагностика. — М.: Машиностроение, 1978. — 240 с.
5. Шабаев О. Е., Семенченко А. К., Хиценко Н. В. Принципы интеллектуализации рабочих процессов мехатронной горной выемочной машины // Bid Донецького прничого шституту. — 2010. — № 1. — С. 68—77.
6. Шабаев О. Е., Семенченко А. К., Хиценко Н. В. Адаптивная оптимизация цикла обработки и параметров режима разрушения забоя проходческим комбайном избирательного действия по критерию темпа проходки / Прогрессивные технологии и системы машиностроения: международный сборник научных трудов. Вып. 39. — Донецк, 2010. — С. 210—219.
7. Шабаев О. Е., Хиценко Н. В., Бридун И. И. Математическая модель процесса разрушения забоя проходческим комбайном с учетом отказов рабочего инструмента // Науковi прац Донецького нацюнального техшчного ушверситету, серiя прничо-електромехашчна. — 2013. — Вип. 2(26). — С. 287—304. [¡223
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Шабаев Олег Евгеньевич1 — доктор технических наук, профессор, e-mail: [email protected],
Бридун Игорь Игоревич1 — кандидат технических наук, доцент, e-mail: [email protected],
1 Донецкий национальный технический университет.
ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 9, pp. 94-101.
UDC 622.232
O.E. Shabaev, I.I. Bridun
DIAGNOSTIC ENGINEERING OF CUTTING HEADS OF TUNNELING MACHINES
The moment in the actuator drive transmission was determined to have considerably larger irregularity as to the low-frequency component under the cutter breakage. The operation with the absent cutter bit depending on its position in the set scheme causes the shaft—sinking set transmission resource reduction up to 70%. To determine the cutting tool failures the Fourier spectral decomposition of the engine current according to the frequencies which are multiple to the actuator rotation frequency was used. The spectral decomposition first coefficient was stated to grow considerably under the cutter breakage whereas the second one that corresponds to the bit rotation double frequency was practically unchanged. With taking into account the above the diagnosable index which is the spectral decomposition 1st and 2nd coefficient ratio was offered. The breakage diagnostics criterion is the excess of the ratio over the limiting value obtained as a result of the preliminary self-studying of the set under the given mode of the coal-face destruction. The structure and algorithm of operation of the system of technical diagnostics of the cutter actuator adapted to mining, geological and technical factors were developed. It allows to detect the cutting tool breakage quickly which is based on the analysis of the continuous registration of the actuator engine current.
Key words: shaft-sinking set, actuator, cutter, resource, transmission, spectral decomposition, diagnostics.
DOI: 10.25018/0236-1493-2017-9-0-94-101
AUTHORS
Shabaev O.E.1, Doctor of Technical Sciences, Professor, e-mail: [email protected], Bridun I.I1, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, e-mail: [email protected], Donetsk National Technical University, 83001, Donetsk.
REFERENCES
1. Kondrakhin V. P., Stadnik N. I. Reshenie nauchno-tekhnicheskikh problem pri sozdanii i vned-renii sovremennogo gorno-shakhtnogo oborudovaniya: Zbirnik naukovykh prats'. Vip. 113 (The decision scientifically-technical problems in the creation and implementation of modern mining equipment: collection of scientific papers, issue 113), Donetsk, GP Dongiprouglemash, 2008, pp. 685—694.
2. Kudlay R. A., Meznikov A. V., Stadnik N. I. Reshenie nauchno-tekhnicheskikh problem pri sozdanii i vnedrenii sovremennogo gorno-shakhtnogo oborudovaniya (Solution of science and technology problems in engineering and introduction of modern mining equipment), Donetsk, 2008, pp. 647—660.
3. Shabaev O. E., Semenchenko A. K., Khitsenko A. I. Ugol' Ukrainy. 2011, no 5, pp. 49—52.
4. Birger I. A. Tekhnicheskaya diagnostika (Technical diagnostics), Moscow, Mashinostroenie, 1978, 240 p.
5. Shabaev O. E., Semenchenko A. K., Khitsenko N. V. Visti Donets'kogo girnichogo institutu. 2010, no 1, pp. 68—77.
6. Shabaev O. E., Semenchenko A. K., Khitsenko N. V. Progressivnye tekhnologii i sistemy mashi-nostroeniya: mezhdunarodnyy sbornik nauchnykh trudov. Vyp. 39 (Advanced technologies and systems in machine engineering: Collection of scientific papers, issue 39), Donetsk, 2010, pp. 210—219.
7. Shabaev O. E., Khitsenko N. V., Bridun I. I. Naukovi pratsi Donets'kogo natsional'nogo tekhnich-nogo universitetu, seriya girnicho-elektromekhanichna. 2013, no 2(26), pp. 287—304.
A
ОТДЕЛЬНЫЕ СТАТЬИ ГОРНОГО ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОГО БЮЛЛЕТЕНЯ
(СПЕЦИАЛЬНЫЙ ВЫПУСК)
ГИПОТЕЗЫ ОБРАЗОВАНИЯ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ
(2017, № 7, СВ 15, 72 с.) Барабашева Елена Евгеньевна1 — кандидат геолого-минералогических наук, доцент, e-mail: [email protected],
Гущина Татьяна Олеговна1 — студентка, e-mail: [email protected], 1 Забайкальский государственный университет.
Приведены некоторые несоответствия трактовки классической теории образования углей. Показаны взаимосвязь и взаимопереходы разных видов углеводородного сырья. Исходя из генетической связи образования углей и нефти говорится о стратиграфических методах определения возраста нефти согласно возрасту расположенного рядом угольного массива.
Ключевые слова: рифтогенные нефтеносные впадины Забайкалья, генезис углей из растительных остатков и нефти, определение стратиграфического возраста нефти по угольным месторождениям.
HYPOTHESIS OF FORMATION OF HYDROCARBONS
Barabashevs EE.1, Candidate of Geological and Mineralogical Sciences, Assistant Professor, e-mail: [email protected],
Gushina TO.1, Student, e-mail: [email protected],
1 Transbaikal State University, 672039, Chita, Russia.
We present some inconsistencies interpretations of classical theory of coal formation. We show the relationship and mutual transitions of different types of hydrocarbons. We based on the genetic relationship between the formation of coal and oil and told about states stratigraphic methods of determining the age of the oil according to the age of the nearby coal array.
Key words: oil-bearing depressions of Transbaikal rift, the genesis of coal from vegetable residues and oil, definition of the stratigraphic age of oil by coal deposits.
