CC BY
45
УДК 53.083(430.1)
ВИБРОАНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ АСПИРАЦИОННЫХ СИСТЕМ, ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ НА ОБОГАТИТЕЛЬНЫХ ФАБРИКАХ КУЗБАССА
В основу работы положены результаты анализа параметров виброакустических волн, генерируемых при работе динамического оборудования аспирационных систем и установок, эксплуатируемых в угольной промышленности Кузбасса. Сформулированы основные диагностические правила для оценки технического состояния такого класса техники. Доказано, что только широкое использование современных методов вибрационной диагностики и неразрушающего контроля дает возможность своевременного выявления различных типов дефектов оборудования и прогнозирования динамики изменения технического состояния машин и агрегатов.
Ключевые слова: ВИБРОДИАГНОСТИКА, АСПИРАЦИОННАЯ СИСТЕМА, ДИНАМИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ, УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКИМ ОБСЛУЖИВАНИЕМ
П.Б. Герике
канд. техн. наук, доцент, старший научный сотрудник Института угля СО РАН
Приоритетной задачей развития угольной и горнорудной отраслей промышленности России является безопасная эксплуатация технологического оборудования. Сделать работу обслуживающего персонала максимально безопасной, улучшить экономические показатели работы, оптимизировать логистику и складское хозяйство - вот далеко не полный перечень острых проблем, с которыми столкнулись угледобывающие и перерабатывающие предприятия Кузбасса.
Контроль по параметрам механических колебаний является на сегодняшний день единственным методом неразрушающего контроля, позволяющим эффективно выполнить диагностику технического состояния узлов и агрегатов динамического оборудования, т. к. максимальную информацию о состоянии работающего агрегата можно получать практически мгновенно [1, 2].
Определение предельных характеристик допустимого состояния дробильно-сортировочного и углеобогатительного оборудования, разработка математических моделей развития дефектов и формулирование комплексных диагностических
правил для уникального оборудования угольной промышленности являются предметом исследования ученых Института угля СО РАН ИУ СО РАН и ФГБОУ ВПО «КузГТУ им. Т.Ф. Горбачева».
В рамках настоящей работы подробно рассматриваются особенности проведения расширенного анализа параметров виброакустических волн, генерируемых динамическим оборудованием аспирационных систем и установок рис. 1. Анализ данных параметров вибрации, полученных при обследовании выборки из 30 единиц динамического оборудования аспирационных систем (вентиляторы и газоочистные установки различного типа и конструкции) позволил заключить, что наибольшее распространение здесь получили следующие основные типы неисправностей и повреждений:
- дисбаланс ротора электродвигателя;
- расцентровка привода установки;
- дефекты подшипниковых узлов (перекосы, ослабления посадок, увеличение зазоров, износы беговых дорожек, тел качения и сепараторов, нарушение режима смазки);
- дефекты элементов соедини-
Рисунок 1 - Схема проведения замеров параметров вибрации на газоочистных установках ЛИОТ
тельных муфт;
- износ рабочих колес вентиляторов;
- различные дефекты двигателей электромагнитного происхождения (магнитная асимметрия якоря, перекос фаз, смещение в магнитном поле, и т. д.);
- нарушение жесткости системы.
Ниже приведены некоторые примеры анализа параметров виброакустической волны, содержащей информацию о наличии наиболее распространенных дефектов динамического оборудования аспирационных систем, эксплуатируемых на обогатительных фабриках Кузбасса. Причины и природа возникновения таких процессов различны, однако все они могут быть классифицированы по таким признакам, как частотные диапазоны их проявления, а также по количеству энергии, содержащейся в разрушительном для агрегата колебательном процессе. Спектральное представление полигармонической волны рис. 2 иллюстрирует наиболее распространенные дефекты монтажа аспирационных установок - расцентровку привода и общее
Уе, мм/с
нарушение жесткости системы.
Принимая во внимание условия эксплуатации аспирационных и газоочистных установок, представляется невозможным использование какого-либо одного метода виброконтроля для выполнения эффективной диагностики дефектов узлов и элементов их динамического оборудования. Кроме того, на сегодняшний день не существует единого универсального метода, который мог бы с одинаковым успехом применяться в рамках экспресс-диагностики и при периодическом мониторинге технического состояния объектов диагностирования [1, 2]. Только комплексное использование несколько различных диагностических подходов может предоставить возможность качественно выполнить оценку текущего технического состояния узлов и механизмов конструкции. Так, при выполнении диагностики по параметрам механических колебаний такого элемента как подшипник качения, наилучших результатов удается достичь с одновременным применением нескольких различных диагностических подходов - прямого спектраль-
15,0
10,0
5,0
1 1
200
400
600 Г, Гц
Рисунок 2 - Расцентровка привода и нарушение жесткости системы аспирационной установки
74
А, м/с2
30
20
10
1
,1 F 1
--г ,л_Л .... vv/t,-JLr^A^A, № 1
1000 2000 3000 f, Гц
Рисунок 3 - Развитый дефект подшипника электродвигателя газоочистной установки ЛИОТ
ного анализа, анализа спектра огибающей, метода ударных импульсов и эксцесс [3-5].
Рисунок 3 иллюстрирует результаты использования комплексного подхода к диагностике сложных механических систем. Обработкой исходной виброакустической волны методом эксцесса удалось обнаружить серьезную неисправность подшипника электродвигателя газоочистной установки ЛИОТ со стороны соединительной муфты, результаты анализа позволяют сделать вывод о недопустимости дальнейшей эксплуатации узла. Однако установить конкретный тип дефекта подшипника качения (или их сочетание) данным методом контроля не представляется возможным. Для уточнения полученных результатов был применен метод прямого спектрального анализа, при помощи которого удалось выявить ряд значащих гармонических составляющих спектра, свидетельствующих о наличии сразу нескольких повреждений дефектного узла - трещины сепаратора, изменении формы тел качения и нарушении режима смазки подшипника.
Результаты, полученные в ходе проведения исследований параметров вибрации, генерируемой динамическим оборудованием в процессе работы, приняты за основу при определении критериев предельно допустимого состояния узлов и агрегатов горных машин, дробильно-сортировочного и обогатительного оборудования. Примером реализации указанных подходов служит классификация зон оценки технического состояния агрегатов динамического оборудования одноковшовых карьерных экскаваторов, основные положения которой изложены в методике [6], разработанной при участии
ученых ИУ СО РАН. Еще одним направлением реализации предложенной концепции является разработка комплекса диагностических правил, описывающих комбинации признаков наличия всех основных типов дефектов динамического оборудования и используемых при прогностическом моделировании развития неисправностей и повреждений горных машин. Описанные подходы к диагностике сложных механических систем по параметрам вибрации являются неотъемлемыми фундаментальными элементами системы обслуживания техники по её фактическому техническому состоянию. Именно внедрение элементов этой концепции на предприятиях угольной и горнорудной промышленности позволит уйти от морально устаревшей системы планово-предупредительных ремонтов, и тем более исключить так распространенную сегодня «аварийную схему» обслуживания техники.
Пример спектра на рисунке 4 иллюстрирует еще одно из преимуществ системы обслуживания по фактическому состоянию. Результаты выполненного контроля по параметрам вибрации позволили выявить наличие заводского брака подшипника качения - изменение формы тел качения (гранность) - что было бы невозможным без использования входного контроля, основанного на реализации принципов диагностики по параметрам механических колебаний.
Еще одним распространенным дефектом монтажа аспирационных установок является расцентровка привода и/или нарушение соосности шкивов ременной передачи [7]. Этому дефекту соответствуют как минимум шесть диагностических признаков с точки зрения виброанализа, часть из них совпадает в частотной плоскости с признаками наличия повреждений совершенно
75
Ve, мм/с
3,0
2,0
1,0
г, Гц
Рисунок 4 - Спектр полигармонической волны, содержащей информацию об изменении формы тел качения нового подшипника, установленного после проведения годового ремонта согласно нормам
ППР
иной природы, что заметно усложняет процесс интерпретации полученных результатов. Однако основным признаком служит наличие в спектре гармонического ряда оборотной частоты вплоть до гармоники 6/г Степень выраженности отдельных составляющих и их конкретные комбинации зависят от целого ряда причин, таких как степень развития дефекта и конструктивные или кинематические особенности агрегата.
Другие распространенные дефекты ременной передачи, такие как растрескивание, биение, перекручивание ремней и другие, вызывают заметную гармоническую активность на частоте / =/г„пБЛ, её гармониках и обертонах
и ремня и Ш 1 1
(Б - диаметр шкива, мм; 1 - длина ремня, мм; /Ш - оборотная частота шкива, Гц). Частота проявления дефекта относительно мала, однако ее гармонический ряд обычно представляет собой довольно большую совокупность составляющих с очень малым шагом, которые могут достигать
достаточно значительных амплитуд и вносить весомый вклад в общий уровень сигнала (рис.5).
Обобщая статистику проведенных исследований, можно заключить, что одним из самых мощных низкочастотных высокоэнергетических колебательных процессов из числа тех, что сопровождают развитие дефектов динамического оборудования аспирационных и газоочистных установок, является дисбаланс ротора электродвигателя (см. рис. 6) или рабочего колеса вентилятора [8, 9]. В сочетании с расцентровкой привода установки и ярко выраженным нарушением жесткости опорной системы такой процесс вполне может привести к возникновению аварийной ситуации, отрыву элементов агрегата от опор и частичному или полному разрушению конструкции, что неминуемо приведет к значительному риску для жизни обслуживающего и ремонтного персонала. Ремонтные службы эксплуатирующих предприятий зачастую пренебрегают
Ve, мм/с
7,5
5,0
J
и. W ы/ J Wl/ Si» A-i .„„.» - л-Л -------
200 400 600 800 {
Рисунок 5 - Нарушение соосности шкивов ременной передачи привода газоочистной установки
76
работами, связанными с балансировкой, предпочитая не замечать наличия этой проблемы. Техническое состояние агрегата в этом случае часто доводится до критического, что было бы исключено, если бы на предприятиях действовали нормы системы обслуживания оборудования по фактическому техническому состоянию.
Одним из факторов, препятствующих внедрению подобной системы, является отсутствие укомплектованности ремонтных подразделений промышленных предприятий специалистами не-разрушающего контроля, оборудованием и материалами. Другой фактор обусловлен недостаточной проработкой научной базы, необходимой для разработки и внедрения таких элементов системы активного обслуживания по состоянию, как прогнозные модели развития дефектов узлов и агрегатов динамического оборудования широкого типового ряда горных машин и обогатительного оборудования, а также критерии предельного состояния механизмов и металлоконструкций эксплуатируемой техники.
Сегодня организация системы ремонтов на предприятиях угольной и горнорудной промышленности Кузбасса представляет собой сочетание системы планово-предупредительных ремонтов и так называемого аварийного обслуживания, последствия которого зачастую критичны для состояния техники. Именно поэтому применение в системе обслуживания методов и средств неразрушающего контроля становится как никогда актуальным.
Результаты выполненных исследований свидетельствуют о том, что сбор и обобщение статистической информации по параметрам механических колебаний необходимо продолжить - об этом убедительно свидетельствуют резуль-Ve/VO, дБ
таты исследований в области обработки виброакустических сигналов, генерируемых при работе дробильно-сортировочного и обогатительного оборудования. Результаты обработки большого массива данных, структурированного по типам и маркам оборудования, предоставят возможность обоснования точных критериев предельно допустимого состояния для широкого ряда горных машин, разработки математических де-градационных моделей изменения технического состояния объектов диагностирования и уточнения зависимостей, используемых для расчета остаточного ресурса технических устройств, эксплуатируемых на опасных производственных объектах. Только комплексное применение всех перечисленных элементов предоставит возможность внедрения на предприятиях угольной и горноруднорудной промышленности Кузбасса качественно новой системы обслуживания горной техники по фактическому техническому состоянию, преимущества которой, по сравнению с традиционной системой планово-предупредительных ремонтов, очевидны. Это и повышение эффективности управления техническим обслуживанием, и оптимизация логистических издержек предприятия, минимизация аварийных простоев техники, безопасная эксплуатация производственного оборудования, сокращение эксплуатационных издержек на обслуживание (ремонтные работы проводятся только тогда, когда результаты контроля указывают на их необходимость).
Исторически сложилось, что угольная промышленность являлась и является объектом повышенной опасности [10]. Только переход ремонтных служб эксплуатирующих предприятий на управление техническим обслуживанием и
г, Гц
Рисунок 6 - Логарифмическое представление спектральной характеристики по параметру виброскорости, соответствующее развитому дисбалансу ротора электродвигателя аспирационной
установки
77
системой ремонтов по фактическому состоянию позволит эффективно и безопасно эксплуатировать технику. Использование системного подхода к обслуживанию оборудования, основанного на широком применении современных методов неразрушающего контроля, позволит избежать
возникновения серьезных аварийных ситуаций на производстве, связанных с техническим состоянием оборудования и качественно повысить безопасность обслуживающего и ремонтного персонала.
VIBRATION ANALYSES OF THE ASPIRATION SYSTEMS DYNAMIC EQUIPMENT OPERATED AT KUZBASS COAL WASHING PLANTS
Gerike P. B.
The analysis results of vibro-acoustic wave parameters generated during the aspiration systems dynamic equipment and installations operating in the coal industry of Kuzbass are taken
as the ground of this work. The basic diagnostic repuKe naeen EopucoeUH
rules for the evaluation of the technical state of this e-mail: am_besten@mailru
equipment class are formulated. It is proven that
only wide usage of modern vibration diagnostics and
non-destructive testing methods makes possible
the on-time identifying different types of equipment
defects and predicting the dynamics of changes in
the technical condition of machines and plants.
Key words: VIBRATIONAL DIAGNOSTICS, ASPIRATION SYSTEM, DYNAMIC EQUIPMENT, TECHNICAL SERVICE MANAGEMENT
78
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Герике, Б. Л. Диагностика горных машин и оборудования учебное пособие / Б. Л. Герике, П. Б. Герике, 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. S. Delvecchio, G. Condition monitoring of marine couplings by means of vibration analysis / S. Delvecchio, D'Elia G., Dalpiaz G. // Proceedings of the ASME 2013 International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference August 4-7, 2013. - Portland, Oregon, USA.
4. Skeinik, R. Automated fault detection via selective frequency band alarming in PC-based predictive maintenance systems / R. Skeinik, D. Petersen. - CSI, Knoxville, TN, USA.
5. Pozhidaeva, V. Determining the roughness of contact surfaces of the rolling bearings by the method of shock pulses / V. Pozhidaeva // World Tribology Congress III (12.09.05-16.09.05). - USA, Washington, D. C., - Volume 2.
6. РД 15-14-2008. Методические рекомендации о порядке проведения экспертизы промышленной безопасности карьерных одноковшовых экскаваторов.
7. Герике, П. Б. Вибродиагностика оборудования угольной и горнорудной промышленности / П. Б. Герике // Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня. - М. Изд-во «Горная книга», 2013. - №ОВ 6. - С. 440-446.
8. Bently, D. E. Fundamentals of rotating Machinery Diagnostics / D. E. Bently, C. T. Hatch. - Bently Pressurized Press, 2002. - P. 726.
9. Balducchi, F. Experimental analysis of the unbalance response of rigid rotors supported on aerodynamic foil bearings / F. Balducchi, M. Arghir, S. Gaudillere // Proceedings of ASME Turbo Expo 2014: Turbine Technical Conference and Exposition GT2014 June 16-20, 2014, Düsseldorf, Germany.
10. Клишин В. И. Монтаж, демонтаж, эксплуатация и ремонт горно-шахтного оборудования учебное пособие / В. И. Клишин. В. С. Квагинидзе, Г. И. Козовой. - Москва, 2012. - 511 с.
