автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Повышение надежности горно-проходческих комбайнов применением оперативной диагностики привода исполнительного органа

На правах рукописи УДК 622.619

НОСЕНКО ИВАН АЛЕКСЕЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ГОРНО-ПРОХОДЧЕСКИХ КОМБАЙНОВ ПРИМЕНЕНИЕМ ОПЕРАТИВНОЙ ДИАГНОСТИКИ ПРИВОДА ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА

Специальность 05.05.06 - «Горные машины»

Автореферат диссертации на соискание уч кандидата технически

□ □34513744

Новочеркасск - 2008

003459744

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Евстратов Владимир Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Хазанович Григорий Шнеерович кандидат технических наук, доцент Чефранов Валерий Васильевич

Ведущее предприятие - ГОУВПО «Тульский государственный университет».

Защита состоится «20» февраля 2009 г. в 10 часов на заседании специализированного диссертационного совета Д 212.304.04 при ЮжноРоссийском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте) по адресу: 346428, г. Новочеркасск, Ростовской обл., ул. Просвещения, 132. (гл. корпус, к. 107).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке университета, с текстом автореферата - на сайте ЮРГТУ(НПИ): \vww.npi-ru.

Автореферат разослан «29» декабря 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, докт. техн. наук, профессор

В.С.Исаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Повышение потребности в добыче полезных ископаемых предъявляет новые требования к горно-проходческим и добычным машинам. Они, в основном, сводятся к повышению эксплуатационной производительности, в том числе за счет создания более мощных машин, обладающих высокой надежностью. Примером совершенствования горнопроходческой техники является создание семейства тяжелых проходческих комбайнов КП21, КП200. Соответственно, изменились и условия эксплуатации в сторону увеличения крепости и абразивности разрушаемых пород, что требует проведения планово-предупредительных работ (ППР) по текущему техническому состоянию объекта.

Одним из способов повышения надежности горных машин, за счет предотвращения внезапных отказов и снижения тяжести их последствий, является использование цифровых систем контроля работоспособности оборудования и диагностики его отказов, с последующей корректировкой структуры ремонтного цикла. Такие системы позволяют не только накапливать и отображать прямые показатели эксплуатации оборудования, но и обрабатывать их, получая косвенные показатели работоспособности. Важность проблемы диагностирования определяется не только возможностью предотвращения аварийных ситуаций и прогнозирования остаточного ресурса, т.е. обеспечением надежности, но и возможностью исключения ремонта бездефектных узлов и уменьшения потерь на их восстановление. Поэтому, решение задачи безразборного контроля текущего технического состояния горных машин в процессе эксплуатации после изготовления и ремонта является актуальным и перспективным. ' • '

В настоящее время, в горной промышленности, широко^ применяется виброаккустическая диагностики приводных двигателей и элементов трансмиссии. Однако, ее применение при диагностике мобильных машин в условиях подготовительного забоя затруднительна, т.к требует значительных материальных и временных затрат, связанных с установкой датчиков и измерительной аппаратуры, простоем оборудования.

Таким образом, определение технического состояния горно-проходческих комбайнов, в частности, их исполнительных органов, на основе оперативной диагностики без прерывания технологического цикла с последующей корректировкой ППР является актуальным.

Соответствие диссертации плану работ ЮРГТУ (НПИ) и целевым комплексным программам. Диссертационная работа входит в состав исследований по научному направлению: «Интенсивные ресурсосберегающие методы и средства разработки угольных пластов, использование углей и охрана труда» утвержденному решением Ученого Совета ЮРГТУ (НПИ) от 25.01.01 г. и выполнена в рамках тем 27.94 - «Разработка научных основ автоматизированного проектирования проходческих систем» и П-53-767 - «Исследование рабочих процессов и совершенствование конструкций горнопроходческих машин», проводимых совместно кафедрами «Технологические машины и комплексы» и «Машины и оборудование предприятий стройиндус-трии» в рамках НИР Шахтинского института (филиала) ЮРГТУ (НПИ).

Цель работы - повышение надежности горно-проходческих комбайнов, путем предотвращения внезапных отказов и снижения их тяжести, за счет проведения планово-предупредительных работ по фактическому техническому состоянию, на основе результатов оперативной диагностики привода исполнительного органа.

Идея работы - при проведении диагностики, в качестве входной информации, используются параметры изменения тока во временном пространстве, получаемые непосредственно от силового устройства на входе горной машины.

Научные положения, разработанные лично соискателем:

- при эксплуатации горно-проходческих комбайнов в подготовительных выработках по породам сечением от 10 до 28 м2, прочностью вмещающих пород на одноосное сжатие до 100 МПа и показателем абразивности до 15мг (по Л.И. Барону) случайные величины наработки между отказами подчиняются экспоненциальному закону распределения Г (х) = 0,025 е "а025Х;

- повышение надежности горно-проходческих комбайнов достигается применением оперативной диагностики технического состояния привода исполнительного органа по току двигателя с применением к массиву данных быстрого преобразования Фурье и представлением его в частотной области; при этом, дефект необходимо фиксировать при превышении значений нормированных амплитуд сигнала на соответствующих частотах в пределах 10% - 30% от максимума;

- при формулировании основных требований, разработке функциональной схемы, алгоритма и реализации микропроцессорного диагностического

комплекса, для устранения влияния высокочастотных шумов и выделения искомых токовых характеристик целесообразно использовать микроконтроллер и фильтр низкой частоты с полосой пропускания сигнала, соответствующей максимально возможной идентификационной частоте.

Новизна научных положений состоит в том, что:

- закон распределения наработок между отказами при работе горнопроходческого комбайна установлен для условий эксплуатации машины в выработках, с прочностью вмещающих пород до 100 МПа, по результатам фактических показателей надежности, полученных непосредственно в производственных условиях;

- заключение о том, что дефект необходимо фиксировать при превышении значения амплитуды сигнала на 10% от максимума и считать его значимым и требующим устранения при достижении 30%, сделано на основе сопоставления реального технического состояния диагностируемых узлов и значений нормированных амплитуд сигнала на соответствующих частотах;

- основные требования, разработанные функциональная схема, алгоритм и реализованный микропроцессорный диагностический комплекс, учитывают соответствие получаемых аппаратным методом амплитудо-частотных характеристик реальному техническому состоянию исследуемого узла горнопроходческой машины.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются применением современных апробированных методов исследований:

- анализом научно-исследовательских работ по теме диссертации;

- достаточным объемом наблюдений за эксплуатацией горно-проходческих комбайнов серии КП21 в подготовительных забоях с крепостью вмещаемых пород до 100 МПа (10 ед. по шкале проф. М.М.Протодьяконова);

- применением современной микропроцессорной элементной базы, положительно зарекомендовавшей себя в мировой практике при эксплуатации в аналогичных условиях, в том числе промышленных контроллеров, малогабаритных встраиваемых компьютеров стандартов МюгоРС, РС104 и т.д.;

- удовлетворительной сходимостью расчетных показателей с фактическими, полученными в результате аппаратурных замеров; при уровне доверительной вероятности 0,9 расхождение не превышает 7% - 12%.

Значение работы. Научное значение работы состоит:

- в научном обосновании и доказательстве возможности повышения надежности горно-проходческих комбайнов применением оперативной диагностики привода исполнительного органа, основанной на спектральном анализе тока в обмотках приводного двигателя и проводимой без прерывания технологического цикла;

- в установлении численных пределов значений нормированных амплитуд сигнала в измеряемом спектре тока на частотах, соответствующих дефектам узлов электродвигателя и элементов трансмиссии исполнительного органа.

Практическое значение работы заключается в том, что применение оперативной диагностики привода исполнительного органа горнопроходческих комбайнов позволяет повысить надежность, за счет предотвращения внезапных отказов и снижения их тяжести путем корректировки ремонтного цикла, на основе полученных корреляционных зависимостей значений нормированных амплитуд сигнала на соответствующих частотах от уровня технического состояния комбайна.

Реализация работы. Основные положения и результаты диссертационной внедрены в ОАО «Копейский машиностроительный завод», ЗАО «УК «Гуковуголь» и используются при модернизации и эксплуатации горнопроходческих комбайнов избирательного действия средней (КП21) и тяжелой серий (КП200). Работа выполнена в Шахтинском институте (филиале) ЮжноРоссийского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы нашли отражение и получили одобрение на заседаниях Совета НТО ОАО «Копейский машиностроительный завод» (2002-2008 г.), ЗАО«УК «Гуковуголь» (2004 - 2008 г.), на научно-практических конференциях ЮжноУральского государственного технического университета, г.Челябинск, (20022006 г.), Шахтинского института (филиала) ЮРГТУ (НПИ) (2007 - 2008 г.), на VIII международной научно-технической конференции «Информационно-вычислительные технологии и их приложения» г. Пенза, (2008 г.), на научных семинарах кафедр «Технологические машины и оборудование», «Машины и оборудование предприятий стройиндустрии», «Сервис транспорта и технологических машин» Шахтинского института (филиала) ЮРГТУ (НПИ) (2008г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 1 статья в рецензируемом научном журнале, рекомендуемом ВАК России.

Объём и структура диссертации. Работа изложена на 144 страницах с рисунками и таблицами. Диссертация состоит, из введения, пяти глав, заключения и приложений, включая литературный обзор. Список цитированной литературы содержит 86 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена изучению состояния вопроса и постановке задач исследований. Совершенствованию горно-проходческих машин, исследованиям процессов взаимодействия со средой и надежности их работы посвящены работы многих известных ученых: докт. техн. наук Г.В.Родионова,

A.Д.Костылева, Н.В.Тихонова, Я.Б.Калышцкого, С.С.Музгина, А.А.Соловьева, С.А.Полуянского, Г.С.Рахутина, Л.И.Кантовича, Г.М.Водяника, Н.А.Глебова, Б.А.Верклова, И.В.Ляшенко, В.А Бреннера, А.Б.Жабина Б.П.Семко, Р.Ю.Подэрни, Н.И.Сысоева, Г.Ш.Хазановича, А.И.Деева, А.Н.Дровникова, П.А.Михерева, Ю.М.Ляшенко; канд. техн. наук С.Г.Калмыкова, О.П.Иванова,

B.Г.Сильня, О.Д.Гагина, В.Д.Ерейского, Н.В.Гонтаря, И.Д.Мариана, П.Д.Кравченко, И.Ф.Рюмина, С.Е.Лоховинина и др.

Одним из направлений решения задачи повышения надежности горнопроходческого оборудования является совершенствование системы планово-предупредительных ремонтов и технического обслуживания (ППР и ТО). При создании новых машин и изменении условий их эксплуатации, существующая система ППР требует уточнения. Однако, это возможно при наличии значительного объема статистических данных по фактическим показателям надежности их эксплуатации в данных условиях. При отсутствии последних, на первый план выходит оперативная диагностика технического состояния.

В настоящее время, в горной промышленности широкое распространение находит метод вибродиагностики, который является наиболее информативным методом функциональной диагностики, отражающим широкий спектр процессов, происходящих в работающих механизмах.

Вопросам виброакустической диагностики шахтных стационарных установок, в частности подъемных машин посвящен, ряд работ ученых ЮРГТУ(НПИ): докт. техн. наук, проф. М.Н.Хальфина, А.А.Короткого,

А.С.Логинова и др. Известны работы, выполненные под руководством докт. техн. наук, проф. Г.М.Водяника, А.И.Деева, В.Т.Загороднюка, В.Д.Духопель-никова, Л.Н.Пятибратовой и др., где разработаны методы виброакустического диагностирования технического состояния горно-проходческих комбайнов и погрузочных машин.

Данные, полученные учеными института горного дела СО РАН под руководством проф. Б.Л.Герике при вибродиагностических обследованиях экскаваторного парка Кузбасса показали, что неуравновешенность (дисбаланс) ротора приводного электродвигателя является наиболее часто встречающимся дефектом электромеханического оборудования.

В результате проведенного обзора и критического анализа литературных источников, научно-технических публикаций по теме диссертации сделан ряд выводов и сформулированы следующие задачи исследований:

1. В области совершенствования горно-проходческой техники, в частности проходческих комбайнов избирательного действия, наметились тенденции по созданию семейства машин для работы в выработках с вмещающими породами свыше 80 - 100 МПа (8-10 ед.по шкале проф.М.М. Протодьяконова). В настоящее время, ввиду малого количества техники в регионе Российского Донбасса, отсутствуют фактические показатели надежности их эксплуатации и, как следствие, система планово-предупредительных ремонтов и технического обслуживания, учитывающая данные горно-геологические условия. Исходя из этого, определена первая задача исследований: проведение производственных наблюдений за работоспособностью комбайна КП21 в условиях ЗАО «УК «Гуковуголь» и определение количественных показателей надежности, в первую очередь наработок на отказ.

2. Существуют ряд широко апробированных методик сбора и статистической обработки информации о работе горно-проходческих машин, которые могут быть использованы в настоящих исследованиях с учетом особенностей, присущим шахтам Российского Донбасса.

3. Анализ существующих методов и путей повышения надежности горнопроходческого оборудования (рис.1) позволил сделать вывод, что одним из факторов, влияющих на эксплуатационную надежность является организация системы планово-предупредительных ремонтов по фактическому техническому состоянию, которая может корректироваться по результатам оперативной диагностики основных узлов.

Рис.1. Стратегия повышения надежности ГШО.

4. Основным методом оперативной диагностики технического состояния горных машин, как стационарных так и мобильных, на сегодняшний момент является вибродиагностика, зарекомендовавшая себя с самой лучшей стороны как наиболее информативный метод функциональной диагностики, отражающий широкий спектр процессов, происходящих в работающих механизмах. Однако, рассматриваемый в настоящей работе привод исполнительного органа горно-проходческого комбайна не в полной степени адаптирован к данному методу диагностики, ввиду мобильности комбайна на протяжении всего технологического цикла при проведении подготовительных выработок. Кроме того, анализируемый метод требует дополнительного оснащения исследуемого объекта специальными датчиками и другой вспомогательной аппаратурой. В этой связи, сформулирована вторая задача диссертационных исследований: теоретически обосновать и экспериментально доказать возможность диагностики технического состояния приводных элементов горно-проходческих машин, используя в качестве входной информации параметры тока, получаемые непосредственно от силового устройства на входе машины во время выполнения исследуемым объектом технологических операций по своему основному назначению.

5. Для достижения поставленной цели необходимо:

- сформулировать основные требования, разработать функциональную схему, алгоритм и реализовать микропроцессорный комплекс, позволяющий проводить диагностику технического состояния электромеханического привода исполнительного органа горно-проходческого комбайна по току двигателя;

- выполнить замеры требуемых параметров и произвести качественную и количественную оценку численных пределов значений нормированных

амплитуд сигнала в измеряемом спектре тока на частотах, соответствующих дефектам отдельных узлов электродвигателя и элементов трансмиссии исполнительного органа комбайна КП21;

установить корреляционные зависимости амплитудо-частогных характеристик от наработки комбайна, позволяющие определять техническое состояние привода исполнительного органа и корректировать ремонтный цикл;

определить количественные показатели надежности комбайна, достигнутые в результате проведенных оперативных мероприятий по определению неисправностей и их устранению.

Во второй главе приведены результаты производственных наблюдений за работоспособностью горно-проходческих комбайнов избирательного действия КП21 (рис.2) при проведении подготовительных выработок крепостью до 10 ед. по шкале проф. М.М. Протодьякоиова сечением 14,5 м!.

При проведении производственных наблюдений за работой проходческих комбайнов КП21, формирование ряда наработок осуществлялось из данных, которые достоверно определяют наработку между очередными отказами по комбайну в целом. Суммарное время наблюдений составило 40,5 машиномесяцев. За время наблюдений пройдено 5286,5 погонных метров горных выработок, погружено более 120 тыс. м горной .массы.

Рис.2 Общий вид комбайна КП21, 1- коронка с резцами; 2-система пылеподавления; 3-телескогшческая стрела;4—гидрозажим направляющих балок; 5-тодовая часть; 6-масло-станция; 7-место управления комбайном; 8-нагребающие лагш питателя; 9-питатель; 10-конвейер; 11-поворотная часть конвейера.

Общее числа зарегистрированных отказов - 83 и 97 но соответствующим комбайнам. Соотношение тяжести отказов, при интегральном анализе работы комбайнов КП21, эксплуатируемых на шахтах ЗАО «УК «Гуковуголь», в результате проведенных наблюдений и статистической обработки полученных результатов в процентном соотношении представлены на рис. 3. При этом установлено, что большинство из них, связано с нарушением работы подшипниковых узлов в приводных электродвигателях и элементах трансмиссии.

Электрика; В

Рис, 3. Распределение количества отказов комбайна КП21 по частям. Результаты статистической обработки массива данных по наработкам на отказ комбайнов КП21 представлены в таблице 1.

Таблица 1.

№ Наименование параметра Обозначение Значение

5 Математическое ожидание т* 41 п.м.

2 Статистическая средняя дисперсия D* 1037 п.м.

3 Среднее квадрата чес кое отклонение с* 32,2 п.м

4 Коэффициент вариации Vx 0,79

Сопоставляя гистограмму, построенную по экспериментальным данным, с теоретическими графиками распределения и изменения вероятности безотказной работы объекта, можно утверждать, что случайные значения наработки X¡ проходческих комбайнов между отказами, с учетом средней статистической наработки на отказ комбайна Тср= 41 п.м., подчиняются экспоненциальному закону распределения f (х) — 0,025 ■ е " ^ , что наиболее неблагоприятно с точки зрения организации планово-предупредительных ремонтов и технического обслуживания. На рис. 4 представлена гистограмма плотности вероятности распределенияp¡случайной величины X?

1 I

.

Рис. 4. Гистограмма плотности вероятности распределения наработок на отказ X, проходческих комбайнов КП21.

Результаты соответствия технического состояния отдельных узлов в электромеханическом приводе исполнительного органа горно-проходческого комбайна КП21 их фактической наработке, использованы при установлении корреляционной зависимости значений нормированных амплитуд соответствующих частот от наработки комбайна в целом и, как следствие, от уровня его технического состояния.

В третьей главе рассмотрена, и научно обоснована методика оперативной диагностики исполнительного органа комбайна КП21 по току Двигателя. Рассчитаны идентификационные частоты, соответствующие дефектам и неисправностям отдельных элементов электромеханического привода.

В последнее время, широкое развитие, получили методы диагностики

I

состояния электрических машин, основанные на выполнении мониторинга потребляемого тока с последующим выполнением спектрального анализа полученного сигнала, что позволяет с высокой степенью достоверности определять техническое состояние элементов двигателя и трансмиссии.

Физический принцип, положенный в основу метода спектрального анализа потребляемого двигателем тока, заключается в том, что любые возмущения в работе электрической и/или механической части электродвигателя и связанного с ним приводного устройства приводят к изменениям магнитного потока в зазоре электрической машины и, следовательно, к модуляции потребляемого электродвигателем тока. Соответственно, наличие в спектре тока двигателя характерных (и несовпадающих) частот определенной величины свидетельствует о наличии повреждений

I

I

электрической и/или механической части электродвигателя и связанного с ним механического устройства. Сопоставление гармоник тока дает возможность отличить гармоники питающего напряжения (а также оценить его «качество») и гармоники, характерные для неисправностей оборудования. Таким образом, обнаружение в спектре тока характерных гармоник позволяет однозначно идентифицировать наличие повреждений элементов трансмиссии.

Следует отметить, что проведение мониторинга тока электродвигателя, в отличие от вибродиагностики, может быть выполнено как непосредственно на клемной коробке электродвигателя (без какого-либо нарушения режима его работы), так и в электрощите питания (управления), что является главным достоинством применения метода в горно-шахтных условиях.

Задачей спектрального анализа является определение уровня эксцентриситета в электродвигателе, когда он уже является критичным для нормального функционирования. Уровень статического эксцентриситета может быть определен на частотах, которые определяются следующим уравнением: =/г ■ Д ±/п ■/,, где /,-частота питающего напряжения, Гц; /„ - частота вращения ротора, Гц; Я - количество стержней ротора; т = 1,3,5,7. Уровень динамического эксцентриситета определяется на частотах, которые появляются вокруг частот статического эксцентриситета, определяемых по формуле: = /, • Я + т • /, ± /,; ~ /г • Я - т ■ /, ± /,.

Для определения идентификационных частот в спектре тока при диагностике подшипников, воспользуемся следующими зависимостями:

Г =

-Г

Г = /■' =

»г Ьп% У Ыч

1 (

/,±т

/,±«-/,±т-

2

Оз. 2

I,

I-

к (

1 + :

2-0.

В»

ДдСО50 Рв со$д

»г

й'^вЛ

1-

К )

- дефект сепаратора,

- дефект внешней обоймы,

- дефект внутренней обоймы,

- дефект тел качения подшипника,

где /г - частота вращения ротора, Гц; Эв -диаметр тел качения, м;

-средний диаметр сепаратора, м; Ыв -число тел качения, в -угол, контакта тел качения с обоймой, град.

Метод спектрального анализа статарного тока позволяет использовать его при диагностировании дефектов зубчатых зацеплений. Частота, на которой идентифицируется дефекта шестерни, определяется из выражения: /I = /„'•/, гДе ~ частота вращения шестерни, Гц; /-число зубьев шестерни

Как отдельный результат теоретических исследований сделан вывод о том, что диагностику горной машины необходимо проводить на двигателе, находящимся под нагрузкой в пределах 20% - 70% от его номинала. В противном случае, скольжение практически равно нулю и слабо подвергается идентификации.

Четвертая глава посвящена разработке устройства диагностирования.

При разработке и проектировании аппаратного комплекса, для диагностирования мобильных машин и получения данных, необходимых для оценки их технического состояния в условиях подготовительной выработки, необходимо выполнение следующих условий: взрывобезопасность; простота монтажа на оборудовании и использования; наглядность представления информации; возможность накопления данных для последующего анализа. Принцип сбора и обработки информации показан на рисунке 5.

Рис. 5. Принцип сбора и обработки информации.

В качестве основы диагностического устройства выбран высокопроизводительный RISC микроконтроллер семейства AVR ATmegal6 компании Atmel, который имеет в своем составе быстрый Гарвардский процессор, память программ, память данных, порты ввода/вывода и различные интерфейсные схемы. Контроллер выбранного модуля является аналогом компании МЭЛТ MT-16S2Q. Для достижения поставленной цели, устройство сбора и хранения информации реализовано переносным и обеспечивает питание от бортового напряжения постоянного тока 12В. Рекомендованы AC-DC и DC-DC преобразователи, в частности AC-DC преобразователь (импульсный

преобразователь переменного напряжения в постоянное) ТОМ12Ю5 фирмы Traco Power, который представляет собой законченной источник питания, имеющий гальваническую развязку входного сигнала от выходного и обеспечивает необходимое постоянное напряжение 5В.

Пятая глава - экспериментальные исследования и оценка адекватности полученных данных. Для подтверждения методики идентификации дефектов горно-проходческих машин, представленной в гл. 3 и установления корреляционной зависимости значений нормированных амплитуд сигнала на соответствующих частотах от уровня технического состояния исследуемого объекта, проведен практический эксперимент на примере электромеханического привода исполнительного органа комбайна КП21 с асинхронным короткозамкнутым двигателем 2ЭДКОФВ250ЬВ4 У2,5 в реальных условиях эксплуатации при нормальных режимах работы двигателя в установившихся режимах. Эксперимент заключался в следующем: спроектированный и изготовленный прибор получения и обработки информации был подключен к статорной обмотке одной из фаз электродвигателя. Измерения проводились при трех разных состояниях комбайна: новый, отработавший определенное количество часов (50 % ресурс) и требующий ремонта т.е. с полной отработкой ресурса до капитального ремонта (табл.2).

Таблица 2.

Соответствие состояния комбайна КП21 наработке при проведении замеров.

Состояние Наработка, м3/ п.м

Комбайн КП21 (новый) 0/0

Комбайн КП21 (бывший в эксплуатации) 12000/1000

Комбайн КП21 (требующий ремонта) 30000/2400

На рис. 6, приведен пример графиков тока в статорной обмотке электродвигателя привода исполнительного органа нового комбайна КП21. Данные нормировались по максимуму, поэтому амплитуды сигнала «.К» принимаем безразмерной величиной Как видно из приведенного рисунка, интерпретация тока статора электродвигателя во временной области представляется затруднительной. Однако, если к данному массиву данных применить быстрое преобразование Фурье (БПФ) и представить его в частотной области, то полученные графики спектра тока становятся более наглядными и информативными.

Т, с.

Рис. 6 .Ток статора двигателя исполнительного органа нового комбайна КП21.

На рис. 7 представлен пример соответствующего графика тока статора в частотной области. Частота среза используемого фильтра низких частот (ФНЧ) составляет /(. =1200 Гц,; поэтому спектр тока отображается именно до этой частоты. На графиках представлены квадраты амплитуд разложенных частот в безразмерной форме, так как значения амплитуд нормировались по максимуму.

/.Гц

Рис. 7 Спектральная плотность тока статорадвигателя.

Данные, после сбора в устройство, записывались на ЭВМ; дальнейший анализ и обработка данных ведись с помощью прикладного вычислительного пакета Ма11,аЬ 6.0 Видно, что представление сигнала в частотной области является наглядным и удобным для интерпретации и диагностики технического состояния электромеханического привода исполнительного органа комбайна, путем анализа величины определенных амплитуд спектра. Появление значимых амплитуд в спектре, подтверждает возможность применения метода спектрального анализа статарного тока двигателя для диагностики привода исполнительного органа комбайна.

Рассмотрим более детально полученные данные. Анализ начнем с низкочастотного участка спектра в полосе частот до 100 Гц. Это дает возможность отследить появления боковых полос /,' и /" вокруг частоты питания /,=50 Гц. Чувствительность АЦП спроектированного прибора и выбор порядка БПФ позволяют фиксировать спектр тока с шагом I Гц., что удовлетворяет возможности анализа и идентификации необходимых частот.

На рис. 8 (новый комбайн) наблюдаем одну значимую амплитуду 1 на частоте питания сети /, =50 Гц. Все остальные амплитуды являются следствием шумов, наводимых работающим оборудованием.

На рис. 9 (комбайн, выработавший 50% ресурс) видим, что в спектре появились заметные амплитуды на частотах, которые нельзя отнести к шумам. Частота 1 является частотой питания сети /, =50 Гц., 2 и 3 - частоты дефекта ротора />52 Гц. и />48 Гц. Частоты 4, 5 и 6 (60 Гц., 70 Гц. и 90 Гц.) -частоты /Д, говорящие о дефекте в сепараторах подшипников двигателя и редуктора исполнительного органа.

На рис. 10 (комбайн с полной отработкой ресурса) показан спектр статорного тока, полученный с явно выраженными дефектами привода. Здесь наблюдаются характерные частоты, которые определяют наличие дефектов ротора, статора, подшипников и зубчатых зацеплений редуктора исполнительного органа. Частота 1-/,=50Гц. определяет частоту питающего напряжения. Частоты 2 и 3-/„'»52 Гц. и /'= 48 Гц., при таком уровне амплитуды однозначно определяют имеющийся дефект ротора. Всплеск 4, 5, 6 и 8 на 60 Гц., 70 Гц., 80 Гц., 90 Гц. подтверждают разрушение сепараторов подшипников редуктора и совпадают с рассчитанными частотами .

Сравнительный анализ технического состояния диагностируемых узлов и значений нормированных амплитуд соответствующих частот позволил сделать вывод: дефект необходимо фиксировать, если амплитуда сигнала превышает значение в 10% от максимума, а дефект является значимым и требует устранения, если значение амплитуды превышает 30 %.

Как видим, методика расчета идентификационных частот подтверждается полученными экспериментальными данными в низкочастотной области спектра. Сопоставительный анализ расчетных и экспериментально полученных амплитудо-частотных характеристик подтвердил их адекватность. При уровне доверительной вероятности 0,9 расхождение не превышает 7%-12%.

о.о

л-ь1

О 43 Ой

:г

' Г 1 ------г ■■■ • ™ ' '-■---г>— 1

А.. „----л г^ Ц^-у .,.. ■ /, А

о то к » «О 50 во то »о оо цмз

Рис. Спектр тока двигателя нового исполнительного органа в полосе 0-100 Ги.

1 о зо >а

во го во ао

Рис. 9 .Спектр тока двигателя исполнительного органа к бывшего а эксплуатации.

/, Гц

Рис. 10. Спектр тока двигателя исполнительного органа требующего ремонта.

Несмотря на выше изложенное, установление и устранение конкретной неисправности в электромеханическом приводе исполнительного органа комбайна требует визуального осмотра. Поэтому, для практического применения результатов исследований, последние представлены в виде интегральной номограммы соответствия наработки комбайна 8мл и ту до-частотной характеристике тока приводного двигателя исполнительного органа.

На рис, ! ] представлена корреляционная зависимость значений нормированных амплитуд сигнала на соответствующих частотах от наработки комбайна, соответствующей определенному техническому состоянию последнего.

Представленный график принят за основу при корректировке графика планово-предупредительных ремонтов привода исполнительного органа горнопроходческих комбайнов КП21 при эксплуатации в данных горногеологических условиях. Технико-экономическая оценка эффективности применения оперативной диагностики исполнительного органа проходческого комбайна КП21 представлена на рис. 12ивтабл.З-

Экономический эффект достигнут за счет предотвращения внезапных отказов подшипников привода стрелы исполнительного органа и разрушения вала и коронки комбайна КП21 зав.№ 34, имеющих место на комбайне КП21 зав. № 20 путем проведения технического обслуживания и ремонта по его фактическому состоянию.

Требует ремонта

Возможно возникновение дефекта уз..1а

Норма

30

тыс. м.куб. наработка комбайна

Рис.11. Интегральная оценка технического состояния исполнительного органа комбайна КП21.

Таблица 3.

Фактические затраты на поддержание работоспособного состояния стрелы исполнительного органа комбайна КП21.

№ Наименование показателя, Стоимость, Зав. № КП21

п/п изделия, узла, детали тыс, руб 20 34

1 Комбайн КП21 20 000

2 Устройство диагностики 70,0

3 Подшипник

№ 3634 24,0 + +

№8336 28,0 +

№3624 20,0 +

4 Ступица КП2141.01.006 70,0 +

5 Бал коронки КП21-П .02.002 1X0,0 4- -

6 Коронка КП21-11.02.00 590,0 +

7 Прямые затраты по зап.частям 912,0 72,0

8 Экономический эффект 770,0

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации решена актуальная научно-техническая задача — повышение надежности горн о-проходческих комбайнов, путем предотвращения внезапных отказов и снижения их тяжести, за счет корректировки ремонтного цикла по результатам оперативной диагностики техническою состояния привода исполнительного органа, проводимой без прерывания технологического цикла и основанной на спектральном анализе тока в обметках двигателя.

Основные научные выводы и практические результаты исследований заключаются в следующем.

1. В области совершенствования горно-проходческой техники, в частности проходческих комбайнов избирательного действия, наметились тенденции по созданию семейства машин, для работы в выработках с вмещающими породами прочностью вмещающих пород на одноосное сжатие свыше 80-100 МПа. В настоящее время, отсутствуют фактические показатели надежности их эксплуатации в данных условиях и, как следствие, система планово-предупредительных ремонтов и технического обслуживания.

2. Сопоставлением гистограмм, построенных по экспериментальным данным, и теоретических графиков распределения и изменения вероятности безотказной работы объекта установлено, что случайные значения наработки Х| проходческих комбайнов между отказами подчиняются экспоненциальному закону распределения f (х) = 0,025 • е ■°'025Х) что наиболее неблагоприятно с точки зрения организации планово-предупредительных ремонтов и технического обслуживания.

3. Разработана методика определения технического состояния горнопроходческих комбайнов, в частности их исполнительных органов, без прерывания технологического цикла, на основе проведения оперативной диагностики привода, отличающаяся тем, что в качестве входной информации, используются параметры изменения тока во временном пространстве, получаемые непосредственно от силового устройства на входе машины.

4. В качестве основы диагностического устройства выбран высокопроизводительный RISC микроконтроллер семейства AVR ATmegal6, который имеет в своем составе быстрый Гарвардский процессор, память программ, память данных, порты ввода/вывода и различные интерфейсные схемы. Установлено, что для исследований полиномиальной характеристики и частот, расположенных около точки среза в полосе задерживания, целесообразно использовать фильтр Чебышева с частотой среза /с = 1200 Гц,

5. Сопоставительный анализ расчетных и экспериментально полученных амплитудо-частотных характеристик по отдельным узлам приводного двигателя и элементов трансмиссии исполнительного органа комбайна подтвердил их адекватность. При уровне доверительной вероятности 0,9 расхождение расчетных значений и значений, полученных в результате замеров не превышают 7%-12%, что является допустимым для данного типа исследований.

6. Сравнительный анализ фактического технического состояния диагностируемых узлов и значений нормированных амплитуд сигнала на соответствующих частотах в измеряемом спектре тока, дал возможность сделать заключение о том, что дефект необходимо фиксировать, если амплитуда сигнала превышает значение в 10% от максимума, а дефект является значимым и требует устранения, если значение амплитуды превышает 30%.

7. Экспериментально установлена корреляционная зависимость интегральных значений нормированных амплитуд сигнала на соответствующих частотах в измеряемом спектре тока от наработки комбайна, соответствующей определенному техническому состоянию последнего, позволяющая проводить планово-предупредительные работы по фактическому состоянию исполнительного органа горно-проходческих комбайнов КП21 при эксплуатации их в данных горно-геологических условиях.

8. Практическое применение оперативной диагностики технического состояния исполнительного органа горно-проходческих комбайнов КП21, при эксплуатации на шахте «Алмазная» ЗАО «УК «Гуковуголь» при проведении выработок по крепким породам, позволил повысить показатели надежности за счет предотвращения внезапных отказов и снижения их тяжести; коэффициент готовности комбайна КП21 зав. №34 достиг значения Кг= 0,85 по сравнению с Кг=0,7 у комбайна КП21 зав.№ 20. Экономический эффект достигнут за счет уменьшения затрат на восстановление работоспособного состояния стрелы исполнительного органа комбайна и составил 770 тыс. руб.

Результаты научных исследований внедрены в ЗАО «УК «Гуковуголь» и ОАО «Копейский машиностроительный завод».

Основные положения диссертационной работы отражены в следующих публикациях автора.

1. В.П.Тулупов, В.Г.Черных, И.А.Носенко. Об опыте эксплуатации проходческого комбайна КП21 в условиях Российского Донбасса.// Научно-аналитический и производственный журнал «Горное оборудование и электромеханика». М. «Новые технологии» № 6,2007.- С.2-3.

2. И.А: Носенко. Метод коррекции движения объектов.// Погрузочно-транспортные, строительно-дорожные и коммунальные машины. Технический сервис ¿ конструкции: сб. науч. тр./ Шахтинский ин-т (филиал) ЮРГТУ(НПИ).-Новочеркасск: ЮРГТУ, 2004,-С.48-54.

3. И.А.Носенко. Обоснование метода диагностики горнопроходческого оборудования с помощью частотного анализа информационного сигналаУ/ Исследования в области конструирования, рабочих процессов и эксплуатации технологических машин: сб. науч. тр./ Шахтинский ин-т (филиал) ЮРГТУ(НПИ).-Новочеркасск: ЮРГТУ, 2006.- С.48-53.

4. В.А.Евстратов, И.А.Носенко. Постановка задач исследований в области диагностики мобильных горно-проходческих машин. Перспективы развития Восточного Донбасса. Часть 2: сб. науч. тр./ Шахтинский ин-т (филиал) ЮРГТУ(НПИ).- Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ(НПИ), 2008,- С.327-331.

5. И.А.Носенко. Основные принципы разработки устройства диагностики состояния электропривода проходческого комбайна КП21. Перспективы развития Восточного Донбасса. Часть 2: сб. науч. тр./ Шахтинский ин-т (филиал) ЮРГТУ(НПИ).- Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2008,- С.ЗЗ 1-333.

6. И.А.Носенко. Информационные технологии диагностики состояния электропривода проходческого комбайна КП21. Информационно-вычислительные технологии и их приложения: сборник статей 8-ой Междунар. науч.- техн. конф., ноябрь 2008 г. - Пенза: РИО ПГСХА, 2008,- С. 196-198.

7. И.А.Носенко, В.Г.Черных, Е.С.Хребто. Информационное обеспечение исследований надежности горно-проходческих машин. Информационно-вычислительные технологии и их приложения: сборник статей 8-ой Междунар. науч.- техн. конф., ноябрь 2008 г. - Пенза: РИО ПГСХА, 2008,- С. 198-201.

Заказ № 134 от 28.12.2008г. Формат 60x84 1/16. Усл. п.л. 1,0 Тираж ЮОэкз. Бумага офсетная. Печать оперативная.

Отпечатано в типографии: ИП Бурыхин Б.М. Адрес типографии: 346500 г. Шахты, Ростовской области, ул. Шевченко-143

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1 МЕТОДОЛОГИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ШАХТНЫХ ПРОХОДЧЕСКИХ МАШИН.

1.2 МЕТОДИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ ПРОХОДЧЕСКОЙ МАШИНЫ КАК СЛОЖНОЙ

СИСТЕМЫ.

1.3. МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К СОЗДАНИЮ СИСТЕМЫ

ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ И РЕМОНТА ГОРНЫХ МАШИН ПО ИХ ФАКТИЧЕСКОМУ ТЕХНИЧЕСКОМУ СОСТОЯНИЮ.

1.4. ОБЗОР МЕТОДОВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ГОРНЫХ МАШИН.

1.5 .ВЫВОДЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ ПРОХОДЧЕСКИХ КОМБАЙНОВ КП21.

2.1. ПРИМЕНЯЕМАЯ ТЕРМИНОЛОГИЯ И ВЫБОР НОМЕНКЛАТУРЫ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ.

2.2. МЕТОДИКА СБОРА ИНФОРМАЦИИ ОБ УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ И НАДЕЖНОСТИ ПРОХОДЧЕСКИХ КОМБАЙНОВ.

2.3. ОРГАНИЗАЦИЯ ПУНКТОВ НАБЛЮДЕНИЙ ЗА ЭКСПЛУАТАЦИЕЙ КОМБАЙНОВ КП 21 НА ш. «АЛМАЗНАЯ» ЗАО «УК «ГУКОВУГОЛЬ».

2.3.1. Методическое обеспечение.

2.3.2. Описание объекта исследований.

2.3.3. Основные результаты наблюдений за надежностью комбайна КП21 при эксплуатации его на крепких породах (ш. Алмазная

ЗАО «УК «ГУКОВУГОЛЬ»).

2.3.4. Примеры сбора и оформления информации.

2.4. МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ОБРАБОТКИ

РЕЗУЛЬТАТОВ НАБЛЮДЕНИЙ.

2.4.1. База данных показателей надежности.

2.4.2. Сортировка данных по группам.

2.4.3. Статистический анализ показателей надежности комбайнов КП 21.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНО-ПРОХОДЧЕСКИХ МАШИН (НА ПРИМЕРЕ КОМБАЙНА КП 21.

3.1. ВЫБОР МЕТОДА ДИАГНОСТИКИ.

3.2. ПРИНЦИП СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА ТОКА АСИНХРОННОГО КОРОТКОЗАМКНУТОГО ДВИГАТЕЛЯ.

3.3. ДИАГНОСТИКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ РОТОРА.

3.4. ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ ЭКСЦЕНТРИСИТЕТА ДВИГАТЕЛЯ.

3.5. ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ СТАТОРНОЙ ОБМОТКИ.

3.6. ДИАГНОСТИКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОДШИПНИКА.

3.7. ДИАГНОСТИКА ДЕФЕКТОВ В ЗУБЧАТЫХ ЗАЦЕПЛЕНИЯХ.

3.8. РАСЧЕТ ИДЕНТИФИКАЦИОННЫХ ЧАСТОТ.

4. РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА ДИАГНОСТИКИ ПРИВОДА ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА

КОМБАЙНА КП21.

4.1. ОПИСАНИЕ ПРОЕКТИРУЕМОГО УСТРОЙСТВА.

4.2. ВЫБОР И РАСЧЕТ ФИЛЬТРА НИЗКИХ ЧАСТОТ.

4.3. ВЫБОР ТРАНСФОРМАТОРА ТОКА.

4.4. МИКРОКОНТРОЛЛЕР.

4.5. АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ.

4.6. ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ АЦП.

4.7. ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ.

4.8. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ.

5; ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

5.1. ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ НА КОМБАЙНЕ КП21 В

ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ.

5.2. АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ ДАННЫХ.

ОЦЕНКА АДЕКВАТНОСТИ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ.

5.3. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Актуальность работы. Повышение потребности в добыче полезных ископаемых предъявляет новые требования к горно-проходческим и добычным машинам. Они, в основном, сводятся к повышению эксплуатационной производительности, в том числе за счет создания более мощных машин, обладающих высокой надежностью [1-2]. Примером совершенствования горно-проходческой техники является создание семейства тяжелых проходческих комбайнов КП21, КП200. Соответственно, изменились и условия эксплуатации в сторону увеличения крепости и абразивности разрушаемых пород, что требует проведения планово-предупредительных работ (ПНР) по текущему техническому состоянию объекта.

Одним из способов повышения надежности горных машин, за счет предотвращения внезапных отказов и снижения тяжести их последствий, является использование цифровых систем контроля работоспособности оборудования и диагностики его отказов, с последующей корректировкой структуры ремонтного цикла [3-7]. Такие системы позволяют не только накапливать и отображать прямые показатели эксплуатации оборудования, но и обрабатывать их, получая косвенные показатели работоспособности. Важность проблемы диагностирования определяется не только возможностью предотвращения аварийных ситуаций и прогнозирования остаточного ресурса, т.е. обеспечением надежности, но и возможностью исключения ремонта бездефектных узлов и уменьшения потерь на их восстановление. Поэтому решение задачи безразборного контроля текущего технического состояния горных машин в процессе эксплуатации после изготовления и ремонта является актуальным и перспективным.

В настоящее время, в горной промышленности, широко применяется виброаккустическая диагностики приводных двигателей и элементов трансмиссии [8-14]. Однако, ее применение при диагностике мобильных машин в условиях подготовительного забоя затруднительна, т.к требует значительных материальных и временных затрат, связанных с установкой датчиков и измерительной аппаратуры, простоем оборудования Таким образом, определение технического состояния горно-проходческих комбайнов, в частности, их исполнительных органов, на основе оперативной диагностики без прерывания технологического цикла с последующей корректировкой ППР является актуальным.

Соответствие диссертации плану работ ЮРГТУ (НПИ) и целевым комплексным программам. Диссертационная работа входит в состав исследований по научному направлению: «Интенсивные ресурсосберегающие методы и средства разработки угольных пластов, использование углей и охрана труда» утвержденному решением Ученого Совета ЮРГТУ (НПИ) от 25.01.01 г. и выполнена в рамках тем 27.94 -«Разработка научных основ автоматизированного проектирования проходческих систем» и П-53-767 - «Исследование рабочих процессов и совершенствование конструкций горно-проходческих машин», проводимых совместно кафедрами «Технологические машины и комплексы» и «Машины и оборудование предприятий стройиндустрии» в рамках НИР Шахтинского института (филиала)ЮРГТУ (НПИ).

Цель работы - повышение надежности горно-проходческих комбайнов, путем предотвращения внезапных отказов и снижения их тяжести, за счет проведения планово-предупредительных работ по фактическому техническому состоянию, на основе результатов оперативной диагностики привода исполнительного органа.

Идея работы - при проведении диагностики, в качестве входной информации, используются параметры изменения тока во временном простран-стве, получаемые непосредственно от силового устройства на входе горной машины.

Научные положения, разработанные лично соискателем:

- при эксплуатации горно-проходческих комбайнов в подготовительных выработках по породам сечением от 10 до 28 м2, прочностью вмещающих пород на одноосное сжатие до 100 МПа и показателем абразивности до 15мг (по Л.И. Барону) случайные величины наработки между отказами подчиняются экспоненциальному закону распределения f (х) = 0,025 е"' ~

- повышение надежности горно-проходческих комбайнов достигается применением оперативной диагностики технического состояния привода исполнительного органа по току двигателя с применением к массиву данных быстрого преобразования Фурье и представлением его в частотной области; при этом, дефект необходимо фиксировать при превышении значений нормированных амплитуд сигнала на соответствующих частотах в пределах 10% - 30% от максимума;

- при формулировании основных требований, разработке функциональной схемы, алгоритма и реализации микропроцессорного диагностического комплекса, для устранения влияния высокочастотных шумов и выделения искомых токовых характеристик целесообразно использовать микроконтроллер и фильтр низкой частоты с полосой пропускания сигнала, соответствующей максимально возможной идентификационной частоте.

Новизна научных положений состоит в том, что:

- закон распределения наработок между отказами при работе горнопроходческого комбайна установлен для условий эксплуатации машины в выработках, с прочностью вмещающих пород до 100 МПа, по результатам фактических показателей надежности, полученных непосредственно в производственных условиях;

- заключение о том, что дефект необходимо фиксировать при превышении значения амплитуды сигнала на 10% от максимума и считать его значимым и требующим устранения при достижении 30%, сделано на основе сопоставления реального технического состояния диагностируемых узлов и значений нормированных амплитуд сигнала на соответствующих частотах;

- основные требования, разработанные функциональная схема, алгоритм и реализованный микропроцессорный диагностический комплекс, учитывают соответствие получаемых аппаратным методом амплитудо-частотных характеристик реальному техническому состоянию исследуемого узла горнопроходческой машины.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются применением современных апробированных методов исследований: анализом научно-исследовательских работ по теме диссертации; достаточным объемом наблюдений за эксплуатацией горнопроходческих комбайнов серии КП21 в подготовительных забоях с прочностью вмещаемых пород до 100 МПа (10 ед. по шкале проф. М.М.Протодьяконова);

- применением современной микропроцессорной элементной базы, положительно зарекомендовавшей себя в мировой практике при эксплуатации в аналогичных условиях, в том числе промышленных контроллеров, мало-габаритных встраиваемых компьютеров стандартов

MicroPG, PC 104 и т.д.;

- удовлетворительной сходимостью расчетных показателей с фактическими, полученными в результате аппаратурных замеров; при уровне доверительной вероятности 0,9 расхождение не превышает 7% - 12%.

Значение работы. Научное значение работы состоит:

- в научном обосновании и доказательстве возможности повышения надежности горно-проходческих комбайнов применением оперативной диагностики привода исполнительного органа, основанной на спектральном анализе тока в обмотках приводного двигателя и проводимой без прерывания технологического цикла;

- в установлении численных пределов значений нормированных амплитуд сигнала в измеряемом спектре тока на частотах, соответствующих дефектам узлов электродвигателя и элементов трансмиссии исполнительного органа.

Практическое значение работы заключается в том, что применение оперативной диагностики привода исполнительного органа горнопроходческих комбайнов позволяет повысить надежность, за счет предотвращения внезапных отказов и снижения их тяжести путем корректировки ремонтного цикла, на основе полученных корреляционных зависимостей значений нормированных амплитуд сигнала на,соответствующих частотах от уровня технического состояния комбайна.

Реализация работы. Основные положения и результаты диссертационной внедрены в ОАО «Копейский машиностроительный завод», ЗАО «УК «Гуковуголь» и используются при модернизации и эксплуатации горно-проходческих комбайнов избирательного действия средней (КП21) и тяжелой серий (КП200). Работа выполнена в Шахтинском институте (филиале) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы нашли отражение и получили одобрение на заседаниях Совета НТО ОАО «Копейский машиностроительный завод» (2002-2008 г.), ЗАО«УК «Гуковуголь» (2004 - 2008 г.), на научно-практических конференциях ЮжноУральского государственного технического университета, г.Челябинск, (2002-2006 г.), Шахтинского института (филиала) ЮРГТУ (НПИ) (2007 -2008 г.), на VIII международной научно-технической конференции

Информационно-вычислительные технологии и их приложения» г. Пенза, (2008 г.), на научных семинарах кафедр «Технологические машины и оборудование», «Сервис транспорта и технологических машин», «Машины и оборудование предприятий стройиндустрии» Шахтинского института (филиала) ЮРГТУ (НПИ) (2008г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 1 статья в рецензируемом научном журнале, рекомендуемом ВАК России.

Объём и структура диссертации. Работа изложена на 144 страницах с рисунками и таблицами. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений, включая литературный обзор. Список цитированной литературы содержит 86 наименований.

2.3.3 Основные результаты наблюдений за надежностью проходческого комбайна КП21 при эксплуатации его на крепких породах (ш. Алмазная ЗАО «УК» «ГУКОВУТОЛЬ») С целью повышения темпа проведения горных выработок и внедрения современных проходческих технологий компанией «Гуковуголь» было принято решение о применении комбайнового способа проведения выработок. Был приобретен проходческий комбайн КП-21 (№20) производства «Копей-ского машиностроительного завода». Необходимо отметить, что в регионе Российского Донбасса проходческий комбайн такого класса использовался впервые. Он предназначен для механизации отбойки и погрузки горной массы при проведении горизонтальных и наклонных (до 12 град.) горных выработок арочной, трапециевидной и прямоугольной форм сечения, площадью от 10 до 28 м2, прочностью присекаемых пород на одноосное сжатие до 100 МПа и показателем абразивности до 15мг (по Л.И. Барону).

Комбайн представляет собой модернизацию известной модели комбайна КП-20. Основным отличием данной модели от ранее известной является широкое использовании гидропривода. Помимо гидравлической системы управления в конструкции применен гидравлический привод ходовых части, отдельный на каждую тележку и гидропривод нагребающих лап. Основные технические характеристики приведены в табл.2.1.

25-го декабря 2004 года комбайн был смонтирован в шахте «Алмазная» для проведения откаточного штрека № 109, длиной 1280 метров и здан в эксплуатацию проходческому участку УПР-2.

С момента монтажа комбайна в шахте, согласно разработанной «Методики организации сбора и анализа информации об эксплуатационных качествах горнопроходческого оборудования в условиях Российского Донбасса» Шахтинским филиалом ОАО «КМЗ» организован сбор эксплуатационной информации. Он включает в себя сбор сведений об условиях эксплуатации, мероприятиях по техническому обслуживанию и ремонту, отказах и состояниях машины.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации решена актуальная научно-техническая задача -повышение надежности горно-проходческих комбайнов, путем предотвращения внезапных отказов и снижения их тяжести, за счет корректировки ремонтного цикла по результатам оперативной диагностики технического состояния привода исполнительного органа, проводимой без прерывания технологического цикла и основанной на спектральном анализе тока в обмотках двигателя.

Основные научные выводы и практические результаты исследований заключаются в следующем.

1. В области совершенствования горно-проходческой техники, в частности проходческих комбайнов избирательного действия, наметились тенденции по созданию семейства машин, для работы в выработках с вмещающими породами прочностью вмещающих пород на одноосное сжатие свыше 80—100 МПа. В настоящее время отсутствуют фактические показатели надежности их эксплуатации в данных условиях и, как следствие, апробированная система планово-предупредительных ремонтов и технического обслуживания.

2. Сопоставлением гистограмм, построенных по экспериментальным данным, и теоретических графиков распределения и изменения вероятности безотказной работы объекта установлено, что случайные значения наработки X, проходческих комбайнов между отказами подчиняются экспоненци

0 025Х альному закону распределения f (х) = 0,025-е " ' , что наиболее неблагоприятно с точки зрения организации планово-предупредительных ремонтов и технического обслуживания.

3. Разработана методика определения технического состояния горнопроходческих комбайнов, в частности их исполнительных органов без прерывания технологического цикла, на основе проведения оперативной диагностики привода, отличающаяся тем, что в качестве входной информации, используются параметры изменения тока во временном пространстве, получаемые непосредственно от силового устройства на входе машины.

4. В качестве основы диагностического устройства выбран высокопроизводительный RISC микроконтроллер семейства AVR ATmegal6, который имеет в своем составе быстрый Гарвардский процессор, память программ, память данных, порты ввода/вывода и различные интерфейсные схемы. Установлено, что для исследований полиномиальной характеристики и частот, расположенных около точки среза в полосе задерживания, целесообразно использовать фильтр Чебышева с частотой среза /г = 1200 Гц,

5. Сопоставительный анализ расчетных и экспериментально полученных амплитудо-частотных характеристик по отдельным узлам приводного двигателя и элементов трансмиссии исполнительного органа комбайна подтвердил их адекватность. При уровне доверительной вероятности 0,9 расхождение расчетных значений и значений, полученных в результате замеров не превышают 7%-12%, что является допустимым для данного типа исследований.

6. Сравнительный анализ фактического технического состояния диагностируемых узлов и значений нормированных амплитуд сигнала на соответствующих частотах в измеряемом спектре тока, дал возможность сделать заключение о том, что дефект необходимо фиксировать, если амплитуда сигнала превышает значение в 10% от максимума, а дефект является значимым и требует устранения, если значение амплитуды превышает 30%.

7. Экспериментально установлена корреляционная зависимость интегральных значений нормированных амплитуд сигнала на соответствующих частотах в измеряемом спектре тока от наработки комбайна, соответствующей определенному техническому состоянию последнего, позволяющая проводить планово-предупредительные работы по фактическому состоянию исполнительного органа горно-проходческих комбайнов КП21 при эксплуатации их в данных горно-геологических условиях.

8. Практическое применение оперативной диагностики технического состояния исполнительного органа горно-проходческих комбайнов КП21, при эксплуатации на шахте «Алмазная» ЗАО «УК «Гуковуголь» при проведении выработок по крепким породам, позволил повысить показатели надежности за счет предотвращения внезапных отказов и снижения их тяжести; коэффициент готовности комбайна КП21 зав. №34 достиг значения Кг= 0,85 по сравнению с Кг=0,7 у комбайна КП21 зав.№ 20. Экономический эффект достигнут за счет уменьшения затрат на восстановление работоспособного состояния стрелы исполнительного органа комбайна и составил 770 тыс. руб.

1. Козлов C.B. Развитие производства современного оборудования для угольной промышленности Российской Федерации // Горные машины и электромеханика. М: Машиностроение, 2000 г., № I.

2. Техника и технология горноподготовительных работ в угольной промышленности / Под ред. Нильвы Э.Э. М.: Недра, 1991. - 315 с.

3. РД 12.23.102-85. Машины горные. Методика установления значений шумовых и вибрационных характеристик /Исп. Ю.В.Флавицкий, А.И.Деев, Л.Н.Пятибратова и др. Введ.с 01.07.1986. - М,: Минуглепром СССР, 1986. -68 с.

4. Мероприятия по улучшению условий труда шахтеров по фактору шума и вибрации /А.И.Деев, В.Г.Грачев, Л.Н.Пятибратова и др.-Макеевка-Донбасс, 1985.-46 с.

5. Деев А.И., Пятибратова Л.Н. Расчет вибрационной характеристики машины 1ПНБ-2 //Механизация горных работ: Межвуз.сб.науч.тр. /Редкол.: Коршунов А.Н. и др.; Кузбасс.политехн.ин-т. Кемерово, 1990. С.80-88.

6. Деев А.И., Водяник Г.М., Пятибратова Л.Н. Исследование виброакустических процессов в трансмиссиях погрузочных машин 1ПНБ-2 //Изв. Сев.-Кав. науч. центра высш. шк. Технические науки. 1989. — № 3.

7. Пятибратова Л.Н. Методика расчета и исследование вибрационной характеристики машины 1ПНБ-2 / /Изв. Сев. Кав. науч. центра высш. шк. Технические науки.— 1991. — №4.

8. Деев А.И., Петренко В.В. Кинематика вала в подшипнике шахтной подъемной машины. / Механизация и автоматизация горных работ: сб. науч. тр. / Юж.-Рос. Гос. Техн. ун-т, Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ) 1999. - С. 103107.

9. Деев А.И., Петренко В.В. Динамика вала в подшипнике шахтной подъемной машины. / Механизация и автоматизация горных работ: сб. науч. тр. / Юж.-Рос. Гос. Техн. ун-т. Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ) 1999. - С. 107111.

10. Деев А.И., Петренко В.В. Об использовании диагностических моделей ШСУ. / Научно-технический и производственный журнал «Горный вестник Узбекистана» №2 1998.: Навои, НГГИ. С. 86-89.

11. Хазанович Г.Ш., Сильня В.Г. Основные положения методики выбора параметрического ряда погрузочных машин // Шахтный и карьерный транспорт. -М.: Недра, 1983.-Вып. 8.

12. Ляшенко Ю.М. К определению сопротивлений внедрению погрузочного органа в виде рамки с клиновым носком в сыпучий материал // Грузоподъемные и погрузочные машины: Сб. межвуз. Новочеркасск, 1985. - С. 120-124.

13. Проходческие комбайны / Базер Я.И., Крутилин В.И., Соколов Ю.Л. и др. -М.: Недра, 1974. 383 с.

14. Нильва Э.Э., Игнатьев В.И. Основные направления развития техники и технологии проведения подготовительных выработок за рубежом // Добыча угля подземным способом: Реф. науч.-техн. сб. / ЦНИИЭИуголь. М., 1982. -№ 8. - 40 с.

15. Хазанович Г.Ш. К вопросу о систематизации погрузочно-транспортных подсистем проходческих комплексов. / Новочерк. политехи, ин-т. Новочеркасск, 1991. Деп. в ЦНИИЭИуголь 08.07.91, № 5319-УП91. 14с.

16. Носенко С.И., Шемшура Е.А. Методика организации сбора и анализа информации об эксплуатационных качествах проходческого оборудования в условиях Российского Донбасса. Шахты, 1996. - 40 с.

17. Носенко С.И., Хазанович Г.Ш., Сильня В.Г. Некоторые технико-экономические показатели эксплуатационной надежности и долговечности погрузочной машины 111 IM // Вопросы рудничного транспорта. Вып. 12. Киев: -Наук, думка, 1972.

18. Тулупов В.П. Исследование, разработка и обоснование рациональных технических решений по созданию подземныхгидрофицированных погрузчиков: Дис. . канд. тех. наук. Новочеркасск, 1999. 183 с.

19. Носенко A.C. Рабочие процессы, параметры и эффективность шахтных погрузочных машин с гидравлическими приводами / Автореферат дис. докт. техн. наук. Новочеркасск, 2000.

20. Сапунов О.С. Исследование надежности и разработка путем повышения эффективности шахтных погрузочных машин (на примере ковшовых машин типа ППМ-4): Автореф. дис. . канд. тех наук. Новочеркасск, 1975. 22 с.

21. Вентцель Е.С. Исследование операций. Задачи, принципы, методология. // М.: Наука, 1980, 208 с.

22. Надежность и эффективность в технике: Справочник: в 10 т./Ред. Совет: B.C. Авдуевский (пред.) и др.: Машиностроение, 1988. Т.З. 328 с.

23. Положение о планово-предупредительной системе технического обслуживания и ремонта оборудования угольных и сланцевых шахт МУП СССР. М.: ИГД им. A.A. Скочинского, 1981. 85 с.

24. Надежность и безопасность технических систем. Серия «Все о качестве. Зарубежный опыт» Выпуск 23, 2001. М.: НТК Трек, 2001. - 28 с.

25. Волков П.Н. Ремонтопригодность машин. М.: Машиностроение, 1975.-386 с.

26. Труханов В.М. Надежность в технике. М.: Машиностроение, 1999. -589 с.

27. Гетопанов В.Н., Рачек В.М. Проектирование и надежность средств комплексной механизации: М.: Недра, 1986. — 208 с.

28. Проходчик горных выработок: Справочник рабочего / Под ред. Петрова А.И. М.: Недра, 1991.

29. Алимов А.П., Масленникова В.И. (ВНИИОМШС) Зарубежный опыт применения погрузочных машин при проведении выработок: Обзор. инф./ЦНИЭИуголь. ЦБНТИ Минуглепрома УССР. -М., 1984.-56 с.

30. Герике Б.Л. Мониторинг технического состояния горного оборудования. / Горные машины и автоматика 2002. - №9. - С. 30-34.

31. Дрыгин С.Ю. Создание системы признаков дефектов по параметрам вибрации / СЮ. Дрыгин, Б.Л. Герике //Успехи современного естествознания, № 4. -Москва. 2004. -С.67-68.

32. Дрыгин С.Ю. Применение вибродиагностики для повышения работоспособности горного оборудования / Л.И. Андреева, C.B. Буйских, С.Ю. Дрыгин // «Горные машины и автоматика», №7. -Москва. 2003г. -С.26-28.

33. Дрыгин С.Ю. Обзор результатов мониторинга технического состояния экскаваторного парка / Л.И. Андреева, C.B. Буйских, С.Ю. Дрыгин // «Горные машины и автоматика», №9. -Москва. 2003г. -С. 17-18.

34. Дрыгин С.Ю. Анализ технического состояния экскаваторного парка угольных разрезов Кузбасса / С.Ю. Дрыгин, Б.Л. Герике, И.Д. Богомолов и др. // Вестник КузГТУ, №6. -Кемерово. 2004. -С 46-48.

35. Барков A.B. "Диагностирование и прогнозирование состояния подшипников качения по сигналу вибрации."I

36. Журнал Судостроение №3, 1985г. стр 21-23.

37. Система технического обслуживания и ремонта техники. Термины и определения ГОСТ 18322-73. М., Государственный комитет по стандартам.

38. Отчет по информации о работоспособности машин АООТ «Копейский машиностроительный завод» в 1-ом квартале 1996 года по Ростовскому угольному региону. Шахты: 1996. - 38 с.

39. ГОСТ 27.002 89. Надежность в технике. Основные понятия, термины и определения.

40. Методика выбора показателей для оценки надежности сложных технических систем. Госстандарт СССР, М.: ВНИИС, 1979.

41. Чиликин М.Г., Ключев В.И., Сандлер А.С. Теория автоматизированного электропривода; Учеб. Пособие для вузов М. : Энергия, 1979. - 616 е., ил.

42. Баркова H.A. "Виброакустические методы диагностики СЭУ." Учебное пособие. Изд.Ленинградского кораблестроительного института. 1986г.

43. Александров А.А., Барков А.В., Баркова Н.А., Шафранский В.А. "Вибрация и вибродиагностика судового электрооборудования." Изд.Судостроение", Ленинград, 1986г.

44. Руссов В.А. Спектральная вибродиагностика., СПб., Питер, 2002.-231с. ил.

45. William T.Thomson, Ronald J.Gilmore "Motor current signature analysis to detect faults in inductions motor drives fundamentals, data interpretation, and industrial case histories. IEEE Industry Application Magazine July/September 2003.

46. William T.Thomson, Mark Fenger "Current Signature Analysis to Detect Induction Motor Faults". IEEE Industry Application Magazine July/August 2001.

47. Practical Motor Current Signature Analysis Taking the Mystery Out of MCSA., Dr. Howard W Penrose, Ph.D. General Manager, ALL-TEST Pro

48. A Division of BJM Corp Old Saybrook, CT 06475

49. APPLICATIONS FOR MOTOR CURRENT SIGNATURE ANALYSIS., An ALL-TEST Pro White Paper By. Howard W Penrose, Ph.D. General Manager ALL-TEST Pro A Division of BJM Corp 123 Spencer Plain Rd, Old Saybrook, CT 06475.

50. Центр электромагнитной безопасности. Петухов B.C. к.т.н., член IEEE, Соколов В.А. «Диагностика состояния электродвигателей на основе спектрального анализа потребляемого тока».

51. EPRI: "Improved Motors for Utility Applications and Improved Motors for Utility Applications, Industry Assessment Study", Vol 1, EPRI EL-2678, Vol 1 1763-1, final report and EPRI EL-2678, Vol 2,1763-1 final report October 1982

52. V Thorsen and M Dalva: "Condition Monitoring Methods, Failure Identification and Analysis for High Voltage Motors in Petrochemical Industry", Proc 8a 1EE Int Conf, EMD'97, University of Cambridge, No 444, pp 109-113

53. W T Thomson and D Rankin; "Case Histories of Rotor Winding Fault Diagnosis in Induction Motors", 21 "1 Int Conf Proc on Condition Monitoring, University College Swansea, March 1987

54. G В Kliman and J Stein: "Induction Motor Fault Detection Via Passive Current Monitoring", Proc Int Conf (ICEM'90), MIT, Boston, USA, 1990, pp 1317

55. Randy R. Schoen, Thomas G. Habetler, Farrukh Kamran, Robert G. Barthel "Motor Bearing Damage Detection Using Stator Current Monitoring" IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL.31, NO. 6, November/December 1995

56. Schoen R R, Habetler T G, Kamran F, Bartheld R G 1995 Motor bearing damage detection using stator current monitoring. IEEE Trans. Ind. Appl. 31: 1274-1279.

57. S.adhan, «Detection of outer raceway bearing defects in small induction motors using stator current analysis», a Vol. 30, Part 6, December 2005, pp. 713— 722.

58. Д. Джонсон, Г.Мур, Справочник по активным фильтрам. М.: Энергоатомиздат 1983

59. Datasheet of Atmegal6, Atmel Corporations, 2001

60. Datasheet of MAX6125, 2004

61. Datasheet of Flash-memory AT45DB161B, 2003

62. Datasheet of ТОМ12Ю5, 2000

63. Филиппов Б.А., Ильинский Н.Ф. Основы электропривода. М.: МЭИ, 1977.

64. Williamson, S and Smith, A.C., May 1982, "Steady State Analysis of 3-Phase Cage Motors with Rotor-bar and End-ring Faults", Proceedings of IEEE, 129, Part B, (3), pp.93-100.

65. Tavner, P and Penman, J 1987, «Conditions Monitoring of Electrical Machines", Research Studies Ltd., London, England: John Wiley & Sons.

66. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. СПб., Питер, 2002.-608с. ил.

67. Филиппов Б.А., Ильинский Н.Ф. Основы электропривода. М.: МЭИ, 1977.

68. Ильинский Н.Ф., Козаченко В.Ф. Общий курс электропривода: Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1992.

69. Токарев Б.Ф. Электрические машины: Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1990.

70. Попов Е.П. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления: Учеб. пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Наука, 1989.

71. Москаленко В.В. Автоматизированный электропривод: Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1986.

72. Лукас. В.А. ТАУ. -М.: Недра, 1990.-416 с.

73. Чиликин М.Г., Ключев В.И., Сандлер А.С. Теория автоматизированного электропривода; Учеб. Пособие для вузов М. : Энергия, 1979.-616 с.

74. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами: Учебное пособие для вузов Л.: Энергоиздат. Ленингр. Отделение, 1982. - 392 с.