автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Разработка стационарного диагностического комплекса для одноковшовых карьерных экскаваторов

На правах рукописи

005011129

Дрыгин Михаил Юрьевич

РАЗРАБОТКА СТАЦИОНАРНОГО ДИАГНОСТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ОДНОКОВШОВЫХ КАРЬЕРНЫХ ЭКСКАВАТОРОВ

Специальность 05.05.06- «Горные машины»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 1 [.!ДР 2012

Кемерово - 2012

005011129

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном бюджетном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Богомолов Игорь Дмитриевич Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент Насонов Михаил Юрьевич кандидат технических наук Афанасьев Юрий Александрович

Ведущая организация: ОАО «УК «Кузбассразрезуголь», г. Кемерово

Защита состоится «^>> ?с, 2012г. в /¿час, на заседании диссертационного совета Д 212.102.01 в Федеральном государственном образовательном бюджетном учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева» по адресу: 650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28 Факс:(3842)36-16-87

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного образовательного бюджетного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева»

Автореферат разослан « / »

Ученый секретарь

диссертационного совета

А.Г. Захарова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Степень изношенности выемочно-погрузочного оборудования на горных предприятиях Кузбасса в настоящее время превысила 70%. Значительное количество экскаваторов на карьерах и разрезах эксплуатируются более 15— 20 лет. Только в Кузбассе более 40% машин имеют сверхнормативные сроки службы, в связи с чем на первый план выходят проблемы обеспечения безопасной безаварийной эксплуатации таких машин. На ремонт и техническое обслуживание приходится до 30% материальных затрат на добычу полезных ископаемых; более 20% - на простои, связанные с ремонтами; около 40% - на непроизводительную малоэффективную работу. Процесс ремонта имеет низкую механизацию, более 90% ремонтов производятся без предварительной дефектации механизмов методами неразрушающего контроля. Выходом из сложившейся ситуации может служить только применение системы ремонтов горного оборудования по его фактическому техническому состоянию с опорой на широкое применение средств неразрушающего контроля.

Существует несколько имеющих свои плюсы и минусы направлений в диагностике: периодическая диагностика или стационарные системы. Переносные системы позволяют проводить доскональную диагностику практически любого узла с высокой достоверностью, однако требуют точного планирования, наличия специалистов высокого уровня подготовки и трудозатратны, что не всегда дает возможность применять их в достаточно широком спектре оборудования.

Стационарные системы позволяют вести контроль в реальном времени, использовать аварийную защиту и увеличить надежность диагностики в целом за счет отсутствия человеческого фактора; в то же время присутствующие на рынке стационарные системы контроля и диагностики дороги и имеют узконаправленную структуру, что не дает возможности применять их на экскаваторе, поэтому необходимо разработать систему, адаптированную непосредственно для экскаватора и позволяющую получать достоверную диагностическую информацию в режиме реального времени.

В работе впервые использован комплексный подход к проблеме повышения эффективности системы технического диагностирования экскаваторов. Показана актуальность и реализуемость задач, поставленных в данной работе. Внедряемость результатов разработки определяется как создание системы норм активных документов, фиксирующих требования к формам и видам контроля и их применения. Результаты анализа, приведённые в главах, определяют возможности формирования программ повышения

з

надёжности и технического перевооружения разрезов для обеспечения высокой безопасности и долговечности горного оборудования.

Цель работы - обоснование и разработка стационарного диагностического комплекса для одноковшовых карьерных экскаваторов, обеспечивающего безопасную и безаварийную их эксплуатацию.

Идея работы - установление закономерностей функционирования одноковшовых карьерных экскаваторов и разработка методов и средств диагностики фактического технического состояния в реальном режиме времени.

Задачи исследований:

— провести анализ технического состояния парка одноковшовых карьерных экскаваторов, существующих систем технического обслуживания и ремонта;

— обосновать необходимость и целесообразность оборудования карьерных экскаваторов стационарной диагностической системой;

— разработать методы обработки нестационарной диагностической информации;

— разработать макет стационарного диагностического комплекса для одноковшовых карьерных экскаваторов и проверить его в промышленных условиях.

Методы исследований.

В работе используются аналитические и экспериментальные методы исследования. При изучении процесса сбора и обработки термо- и вибросигнала применялись методы математической статистики, планирования эксперимента, имитационного моделирования. При формировании и решении задачи моделирования применялся системный подход, учитывающий взаимосвязи всех агрегатов и использующий индивидуальный подход при выборе рациональных режимов исследований различных агрегатов.

Научные положения, выносимые на защиту:

— выделение полезной диагностической информации из нестационарных вибродиагностических сигналов на основе предложенных методов селекции режимов работы механизмов позволяет адекватно оценивать фактическое состояние машин и агрегатов одноковшовых карьерных экскаваторов;

стационарный комплекс обеспечивает получение диагностической информации в реальном времени, что дает возможность с большой надежностью прогнозировать изменение технического состояния механических систем экскаватора.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

корректной постановкой задачи исследования;

достаточным объемом экспериментальных исследований, обеспечивающих не менее чем 90% доверительную вероятность сделанных выводов;

положительными результатами внедрения в филиале «Краснобродский угольный разрез» опытного образца стационарного диагностического комплекса для одноковшового карьерного экскаватора.

Научная новизна диссертации заключается:

в установлении аналитических зависимостей параметров вибрации основных элементов систем экскаватора от режимов его работы; в разработке метода построения структуры системы автоматической обработки вибросигнала.

Личный вклад заключается:

в определении способов технического диагностирования для оборудования, работающего в реверсивных режимах при знакопеременных нагрузках со значительным влиянием внешних факторов;

в создании опытного образца стационарного диагностического комплекса для одноковшового карьерного экскаватора; в определении методов обработки вибросигнала для проведения диагностирования в автоматизированном режиме.

Практическое значение работы заключается в том, что ее результаты позволяют:

проводить разработку методов и расчётных зависимостей для определения параметра вибросигнала для оборудования, работающего в

реверсивных режимах при знакопеременных нагрузках со значительным влиянием внешних факторов;

— применять разработанный метод построения структуры стационарного диагностического комплекса для создания аналогичных систем;

— на основе практических разработок и их внедрения применять предложенные решения, использовать намеченные перспективы дальнейшей работы по оптимизации алгоритма обработки информации и внедрять предложенные практические решения задач создания и внедрения стационарного диагностического комплекса для одноковшовых карьерных экскаваторов.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

На основе проведенной работы был создан прототип стационарного диагностического комплекса для экскаватора типа ЭКГ и установлен на экскаватор ЭКГ-10 №4 в филиале «Краснобродский угольный разрез». За счет обоснованного изменения межремонтных интервалов в период с 2008 по 2009гг. сокращено количество аварийных отказов оборудования, уменьшено время простоя экскаватора в ремонте, сокращены денежные затраты на его ремонт.

Апробация работы. Основное содержание работы, отдельные ее положения были доложены и обсуждены на техническом совете филиала ОАО «УК «КРУ» «Краснобродский угольный разрез», на X международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность Кузбасса» (Кузбасский мевдународный угольный форум,2008г.), на III молодежной научно-практической конференции «Профессиональные знания и навыки молодежи - будущий капитал компании» (УГМК, Верхняя Пышма, 2008г.), на XI международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России: новые подходы к развитию угольной промышленности» (Кузбасский международный угольный форум, 2009г.), на международном молодежном инновационном форуме в Сибири «Интерра - 2010».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, из них 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы из 96 наименований и 1 приложения. Работа содержит 178 страниц, в том числе 159 страниц основного текста, 64 рисунка и 28 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Изученность вопроса. Анализ состояния экскаваторного парка Кузбасса показывает, что в настоящее время практически не происходит обновления основного оборудования, хотя среднее статистическое значение износа оборудования по сроку службы превышает 74%. Только в УК «Кузбассразрезуголь» на июль 2009г. эксплуатировалось 263 технологических экскаватора, из них 172 - карьерные электрические мехлопаты, 60 - шагающие драглайны, 31 - гидравлические экскаваторы, а 52 из них превысили нормативный срок эксплуатации. Средний срок эксплуатации экскаваторов составляет 17, 7 лет.

Анализ данных о фактическом техническом состоянии экскаваторного парка УК «Кузбассразрезуголь», оцененный по параметрам механических колебаний, показывает, что всего 14 % экскаваторов находятся в хорошем техническом состоянии, а 86% нуждается в ремонте (рис. 1).

Исследования аварийных простоев экскаваторного парка «УК «Кузбассразрезуголь» за период с 2008г. по 2009г. показали, что основными их причинами являются механические неисправности - 61% и дефекты электрических машин - 18% , причем в 90% случаев причина выхода из строя электрических машин - дефекты подшипниковых узлов, а механические неисправности в основном - это дефекты редукторов подъемной и напорной лебедок.

Рис. 1. Фактическое состояние экскаваторов по результатам вибродиагностических обследований: 1 - недопустимое; 2 - хорошее; 3-удовлетворительное; 4 - допустимое

Принятая на предприятиях система ППР, в основе которой лежит проведение текущих ремонтов, обслуживание и выявление необходимого объема ремонта эксплуатирующим персоналом или лицами надзора (механиками), имеет ряд недостатков, в силу которых её применение для оборудования, работающего на угольных разрезах Кузбасса, в настоящее время нецелесообразно и влечет большую стоимость ремонтов, длительные простои в плановом ремонте, что в свою очередь не исключает аварийных простоев.

В работе дано новое решение актуальной проблемы внедрения системы ТО и Р по фактическому техническому состоянию применительно к ГО. Данная система должна опираться на широкое применение средств диагностики, не только на переносные, но и стационарные системы, что является единственно возможным решением описанных ранее проблем. В проведенных исследованиях дано теоретическое обобщение и решение насущной проблемы повышения уровня эксплуатации экскаваторов.

В результате исследований стационарных систем диагностики и контроля получены сведения, показывающие, что данные приборы имеют достаточно узкий спектр внедрения (в основном на стационарных машинах, расположенных в зданиях и сооружениях) и не могут быть адаптированы для применения на одноковшовом карьерном экскаваторе. Проведенные исследования позволяют сделать вывод: применение представленных систем на экскаваторе невозможно или нецелесообразно, соответственно необходима разработка стационарного диагностического комплекса непосредственно для данного типа экскаваторов.

1. Выделение полезной диагностической информации из нестационарных вибродиагностических сигналов на основе предложенных методов селекции режимов работы механизмов позволяет адекватно оценивать фактическое состояние машин и агрегатов одноковшовых карьерных экскаваторов.

Поскольку одноковшовый карьерный экскаватор является нестационарной машиной, т.е. перемещается в пространстве, можно сделать вывод о том, что силы, воздействующие на подшипниковые опоры оборудования, роторы которого осуществляют вращательное движение, изменяют свое направление. Также в процессе работы постоянно изменяется нагрузка, действующая на оборудование, из - за различной степени крепости, вязкости и разрыхленности перегружаемой породы, различных навыков

8

операторов. Кроме того, одной из наиболее характерных особенностей работы механизмов внутри экскаватора является взаимовлияние агрегатов друг на друга.

Машина, элементы которой совершают вращательное движение, генерирует механические колебания сложной формы, они несут большой объем информации о динамических явлениях, происходящих в работающей машине, и могут быть зарегистрированы на корпусных деталях машины как вибрации. Также вибрации одного механизма могут передаваться на другой, поэтому одной из задач исследования является выявления способа исключения взаимовлияния агрегатов друг на друга.

Для выявления наиболее характерных точек замера вибрации проведены исследования, в ходе которых построены диаграммы распределения интенсивности вибрации в различных направлениях (рис. 2) непосредственно для каждого агрегата: ВВ - вертикальное, верхнее; ВП - верхнее, правое; ГП -горизонтальное, правое; НГ1 -нижнее, правое; ВН - вертикально, нижнее; НЛ -нижнее, левое; ГЛ - горизонтальное, левое; ВЛ - вертикальное, левое. Достоверность полученных данных проверена при помощи I -теста Стьюдента для каждой точки контроля.

Рис. 2. Диаграмма изменения интенсивности вибрации в зависимости от направления, мм/с

Поскольку на экскаваторе присутствует взаимовлияние агрегатов друг на друга, предложен критерий сбора диагностических данных с агрегатов по

минимуму вероятности. Для определения необходимых условий снятия «чистого» спектра вибрации различных узлов были проведены исследования режимов работы экскаватора, записаны и проанализированы спектры при различных режимах: как при обычной работе (цикл погрузки), так и с заданием необходимых условий взаимодействия механизмов, например: снятие спектра с подшипника генераторной группы при работе лебедки подъема в режиме резания. Для получения достоверной информации было проведено более 100 замеров вибрации в частотном диапазоне от 2 до 1500Гц с разрешением в 0,5Гц.

На рис. За представлен спектр вибрации подшипника сетевого двигателя экскаватора ЭКГ-10 без внешних воздействий, данный спектр можно считать эталонным. Рядом на рис. 36 представлен спектр вибрации того же подшипника, замеренный с соблюдением условия (работа генераторной группы под наклоном в 6 град). При его анализе выявлено резкое увеличение уровня виброскорости на частоте 16,25Гц (оборотная частота) более чем в 4 раза до значения 4,81мм/с и незначительное увеличение уровня гармонических колебаний.

Рис. 3. Спектр вибрации подшипника 3630 сетевого двигателя ЭКГ-10: (а) без воздействия, (б) при работе под наклоном в 6 градусов

По результатам анализа данных спектров построены диаграммы взаимовлияния по среднеквадратичному и пиковому значению виброскорости, показывающие вклад паразитных составляющих в спектр вибрации (рис. 4). Проведенные исследования позволили разработать принципы создания методики функционального диагностирования, где в качестве основы характеристики работы системы заданы ограничения, при соблюдении которых необходимо производить запись спектра.

4

2

О

Рис. 4. Диаграмма изменения интенсивности вибрации на подшипниках

В результате анализа диаграмм, описывающих взаимовлияние агрегатов друг на друга, были сформулированы следующие условия измерения вибрации для получения спектра без помех, вызванных внешними факторами. Общие требования:

е экскаватор должен быть установлен на площадке с уклоном, не более рекомендованного заводом изготовителем (до 2 градусов). Генераторная группа, вентиляторы обдува, двигатель компрессора:

• отсутствие работы механизмов напора, поворота и подъема. Механизм подъема:

• градация направлений вращения (подъем - опускание),

• градация нагрузки (отсутствие - наличие). Механизм напора:

• градация направлений вращения (напор - возврат), ' градация нагрузки (отсутствие - наличие ).

Механизм поворота:

• градация направлений вращения (по часовой - против часовой).

2. Стационарный комплекс обеспечивает получение диагностической информации в реальном времени, что позволяет с большой надежностью прогнозировать изменение технического состояния механических систем экскаватора.

Основной задачей исследования была оптимизация алгоритма обработки измерительной информации, включающая в себя анализ много-

преобразователъного агрегата

параметрических схем диагностирования одноковшовых карьерных экскаваторов в режиме реального времени. Идеей данного метода является автоматическая обработка полученных спектров при помощи выделения заданного количества частотных полос определенной ширины.

Первым этапом был проведен анализ проявления характерных частот дефектов на подшипниках генераторных групп и приводных двигателей экскаваторов типа ЭКГ. Для этого сняты спектры вибрации с заведомо дефектных подшипников различных агрегатов. Полученные спектры рассматривались на наличие и характерность проявления в них прямых составляющих вибрации (сигнал на частоте дефекта), а также гармонических сигналов.

По результатам анализа выявлены с доверительной вероятностью в 95% наиболее информативные частоты, т.е. частоты, несущие в себе наибольший объем информации о дефекте и наиболее ярко отражающие его. Таковыми для подшипниковых узлов являются: Г,- частота вращения ротора, Гц; частота перекатывания тел качения по внутреннему кольцу, Гц;^ - частота перекатывания тел качения по наружному кольцу, Гц; £ф- частоты трения 1800 -2800Гц. Для рядных и планетарных редукторов выявлены частоты, наиболее характерно отражающие дефекты данных зубчатых передач; Ггр - частоты зубчатого зацепления 1,2,3 передач для рядного редуктора; Сг.п.пов. - частоты зубчатого зацепления первой ступени для планетарного редуктора поворота; ф.под. - подшипниковая частота, перекатывания тел качения по наружному кольцу; ф-под. - подшипниковая частота, перекатывания тел качения по внутреннему кольцу; Яэ.п.пов. - общий уровень вибрации по ГОСТу16921-83 для планетарного редуктора поворота; Гг.п.под. - общий уровень вибрации по ГОСТу 16921-83 для планетарного редуктора механизма подъема.

Важнейшей задачей в автоматизации процесса обработки спектра является определение ширины частотных полос спектра, позволяющих непрерывно и стабильно контролировать отдельный дефект, выраженный на спектре пиком (всплесками). При использовании современных цифровых ЭВМ возможны мониторинг состояния оборудования по уровню вибрации в частотной полосе произвольно заданной ширины и установка индивидуальных допустимых значений вибрации для каждой измерительной точки конкретного агрегата.

Так для автоматизации процесса обработки сигнала требуется анализ вибрации в узких полосах частот, чтобы не пропустить рост ее отдельных составляющих при развитии дефекта, однако из - за нестабильности во времени частоты вращения большинства типов электрических машин полосу

необходимо задавать достаточно широкой. Решение этой задачи проводилось в два этапа. Первый - для определения оптимальной с точки зрения всех изложенных факторов ширины полос контроля частот можно использовать эмпирическое правило: возможный диапазон изменения частот вращения машины лежит в пределах +10%. Второй - произвели замеры частоты вращения при помощи высокоточного тахометра и расчет по спектрам вибрации, всего более 100.

Для оценки степени опасности различных дефектов были выделены спектральные полосы для каждого дефекта в отдельности на основании расчетов и данных, полученных в результате проведенных экспериментов. Задана ширина полосы для каждого дефекта в отдельности, исходя из соображений обеспечения надежности диагностирования дефекта и отсутствия ложных тревог.

Проведенные в ходе работы статистические и экспериментальные исследования, подтвержденные при помощи математического аппарата сравнения выборок, дали возможность определить допустимую ширину выборок, позволяющих анализировать спектр с достоверностью в 95%.(табл. 1, рис. 5.) На основе аналитических и экспериментальных методов исследования предложены способы определения уровней вибраций для заданных полос спектра: оценка уровня по среднеквадратичному значению по ГОСТ 16921-83, по уровню максимального пика и оценка мощностного показателя вибрации.

Таблица 1

Показатели частотных полос, принятые для обработки сигнала генераторной группы экскаватора типа ЭКГ

Показатель Частоты, Гц

йр. Гп.нар. &.внут. 1 трения по ГОСТ 16921-83

Номинальное значение 16,25 97,50 146,25 _ -

Макс 15,25 95 142,25 2800 1000

Мин 17,25 100 149,80 1800 10

Ширина полосы 2 5 8 1000 990

дисбаланса для подшипника 3630 сетевого двигателя экскаватора ЭКГ-10

Данный системный подход к выявлению дефектов по уже заданным частотным полосам с большой долей вероятности позволяет выявлять дефекты подшипниковых узлов и зубчатых передач.

Ниже, на рис. 6, представлена принципиальная схема обработки и анализа вибросигнала, которая и дает возможность оперативно с высокой достоверностью выявить отказ и скрытые повреждения, обусловленные недостатками качества ремонта, сборки, регулировки, износовыми процессами, и обеспечить целенаправленную своевременную локализацию дефекта, что подтверждено в процессе практических испытаний.

Датчик 1

Точность - 0.5-0,25Гц~~]-1

ацд;:

t -сбора данных __(задается)

Начало/конец сбора _данныхС задается)

Быстрое преобразование Фурье

| Выход |

ХЗПик £SITHK ЕБПик! isnm( ЕвПик!

i 1 11-

Пик-фактор Пик- фактор Пик-фактор Пик-фактор 11ик-

4 4 1*1

скз скз СКЗ СКЗ СКЗ

Ширина фильтра для: Юб - 2Гц fn.Hap — 5Гц fn.BHyrp.- 8Гд ftp.- 1000Гц frocr- 990Гц

Рис. 6. Схема автоматизированной обработки сигнала вибрации

Анализ возможных компонентных систем показал, что для создания сети мониторинга наиболее целесообразно применять сети 1-Wire от Dallas Semiconductor, которые представляют собой информационную сеть,

14

использующую для осуществления цифровой связи одну линию данных. Связь компьютера и блока управления осуществляется по каналам USB; ПК берет на себя функции блока сбора и обработки информации с нескольких систем, ведения трендов, протоколирования.

Скомплектованная система (рис. 7) установлена на экскаваторе ЭКГ-10 №4 УК «Кузбассразрезуголь»; датчики ML-94f, ML-18A, ML-38H, АЦП ML-50, ДН-3-М1 размещены непосредственно на корпусах электрических машин преобразовательного агрегата и лебедки подъема.

Рис. 7. Фотография базового блока (а) и принципиальная схема пилотного проекта СДК (б) Серия лабораторно-практических и промышленных испытаний подтвердила правильность выбора сети, высокое качество передачи данных и отсутствие пагубного влияния электромагнитных полей, что было доказано посредством математической обработки статистических данных, полученных в результате экспериментов, проведенных в реальных условиях работы. В ходе испытаний опытного образца подтверждена работоспособность предложенной схемы обработки сигнала, корректность результатов экспериментов и статистических данных о проявлениях дефектов и отказах оборудования. Например, на рис. 8 представлен график жизненного цикла подшипника 3630 сетевого двигателя экскаватора ЭКГ-10. Как видно из данного графика, первые признаки зарождения дефекта начали проявляться уже на 2800 часах работы с момента установки нового подшипника. Еще 5000 часов дефект прогрессировал, только после 8800 часов работы началась деградация, о чем свидетельствует резкий рост вибрации. После 9000 часов работы произошло разрушение подшипникового узла и экстренная остановка агрегата, не допустившая вторичных последствий данного разрушения, что в свою очередь подтвердилось в процессе ремонта.

подшипника

Заключение

В диссертационной работе изложены научно обоснованные технические решения по созданию стационарного диагностического комплекса для одноковшовых карьерных экскаваторов, позволяющие производить мониторинг технического состояния в реальном режиме времени и имеющие существенное значение для развития страны.

Полученные в ходе проведения теоретических и лабораторных исследований результаты, а также промышленная апробация макетного образца стационарной диагностической системы позволили сделать следующие выводы:

1. Степень изношенности выемочно-погрузочного оборудования на горных предприятиях Кузбасса в настоящее время превысила 70%; значительное количество экскаваторов на карьерах и разрезах эксплуатируются более 15 — 20 лет; только в Кузбассе более 40% машин имеют сверхнормативные сроки службы.

2. Принятая на предприятиях система ППР неэффективна. Единственным возможным способом снижения аварийности, уменьшения затрат на ремонты и увеличения коэффициента технической готовности экскаватора является переход на систему ремонтов по фактическому техническому состоянию, основанную на широком применении средств диагностики. Применение периодической диагностики для внедрения системы ремонтов по фактическому состоянию имеет множество отрицательных факторов. Точность проведенной диагностики зависит от знаний и опыта эксперта и носит вероятностный характер из - за резких изменений условий работы и нагрузок на агрегаты экскаватора. Применение же стационарной диагностической системы позволяет

16

с высокой точностью выявлять дефекты механизмов экскаватора и осуществлять аварийную защиту.

3. На основе методов селекции режимов работы экскаватора заданы условия, позволяющие получить достоверную диагностическую информацию из нестационарного сигнала. Разработанные методы обработки спектров вибрации основных механизмов, основанные на выделении спектральных полос заданной ширины, позволяют с большой надежностью прогнозировать изменение технического состояния механических систем экскаватора.

4. Разработанный макет стационарного диагностического комплекса, основанный на цифровой передаче данных, обеспечивает получение необходимой диагностической информации в реальных условиях работы экскаватора и позволяет отслеживать изменения технического состояния механических систем экскаватора в режиме реального времени.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Дрыгин М.Ю. Контроль вибрации основных узлов экскаватора в режиме реального времени / Горное оборудование и электромеханика, №3. -Москва. -2010, -С.27-31.

2. Дрыгин М.Ю. Точки измерения температуры основных узлов экскаватора типа ЭКГУИ.Д. Богомолов, М.Ю. Дрыгин // Горное оборудование и электромеханика, №1. -Москва. -2010, -С.29-31.

3. Дрыгин М.Ю. Диагностика оборудования - необходимое условие перехода от ППР к ремонтам по фактическим состояниям /И.Д.Богомолов, М.Ю. Дрыгин // Труды XI международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России: новые подходы к развитию угольной промышленности». -Кемерово. -2009, -С.141-142.

4. Дрыгин М.Ю. Проблемы контроля вибрации основных узлов экскаватора стационарной системой и пути их решения /ИДБогомолов, М.Ю. Дрыгин // Вестник КузГТУ, №6 -Кемерово. -2009, -С.10-13.

5. Дрыгин М.Ю. Мониторинг температуры основных узлов экскаватора /И.Д.Богомолов, М.Ю. Дрыгин // Вестник КузГТУ, №5 -Кемерово. -2009, -С.12-15.

6. Дрыгин М.Ю. Своевременная диагностика как средство сокращения затрат на эксплуатацию горно-шахтного оборудования /И.Д.Богомолов, М.Ю. Дрыгин // Сборник тезисов докладов «Энергетическая безопасность России: новые подходы к развитию угольной промышленности». -Кемерово. -2008, -С.97-99.

7. Дрыгин М.Ю. Разработка стационарного диагностического комплекса для экскаватора типаЭКГ /М.Ю. Дрыгин // Сборник докладов третьей молодежной научно-практическая конференции «Профессиональные знания и навыки молодежи - будущий капитал компании». -Верхняя Пышма. -2008, -С.44-48.

8. Дрыгин М.Ю. Оптимизация стратегии технического обслуживания и ремонта экскаваторного парка /С.Ю.Кудик, М.Ю. Дрыгин // Труды XI международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России: новые подходы к развитию угольной промышленности». -Кемерово. -2009, -С.144-148.

9. Дрыгин М.Ю. Комплексная оценка воздействия вредных производственных факторов на оператора экскаватора в режиме реального времени / И.Д. Богомолов, М.Ю. Дрыгин //Материалы международной научно-практической конференции «Современные проблемы экологии и природопользования: теоретические и практические аспекты». -Кемерово. -2009, -С.65-67.

10. Дрыгин М.Ю. Обеспечение контроля температуры подшипниковых узлов экскаватора в режиме реального времени с прогнозированием остаточного ресурса /И.Д.Богомолов, М.Ю. Дрыгин // Труды XI международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России: новые подходы к развитию угольной промышленности». -Кемерово. -2009, -С.142-144.

11. Дрыгин М.Ю. Контроль вибрации рабочего места машиниста / И.Д. Богомолов, М.Ю. Дрыгин //Сборник трудов научно-практической конференции студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава, посвященной 10-летию филиала ГУКузГТУ «Инновации в угольной промышленности». -Белово. -2008, -С.39-42.

12. Дрыгин М.Ю. Построение системы ремонтов горного оборудования / Электронный журнал «Исследовано в России». [Электронный ресурс]. -Режим доступа http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2009/081 .pdf, свободный. -2009, -Том12.

Подписано в печать 27.01.2012 Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе Уч.-изд. л. 1,00. Тираж 120 экз. Заказ М КузГТУ. 650000, Кемерово, ул. Весенняя, 28 Типография КузГТУ. 650000, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4а

61 12-5/2626

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева»

На правах рукописи

Дрыгин Михаил Юрьевич

РАЗРАБОТКА СТАЦИОНАРНОГО ДИАГНОСТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ОДНОКОВШОВЫХ КАРЬЕРНЫХ

ЭКСКАВАТОРОВ

Специальность 05.05.06- «Горные машины»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Богомолов И.Д.

Кемерово 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 4

1. Анализ технического состояния экскаваторного парка Кузбасса 10

1.1. Обзор экскаваторного парка 10

1.2.Результаты вибродиагностических исследований экскаваторного парка УК «Кузбассразрезуголь» 19

1.3. Предпосылки к совершенствованию схем технического обслуживания 21

1.4.Проблемы внедрения системы ремонта по фактическому техническому состоянию 24

1.5.Проблематика оценки воздействий вредных производственных факторов на машиниста экскаватора 28

1 .б.Выводы 31

2. Анализ существующих решений и обоснование необходимости применения стационарного диагностического комплекса (СДК) для одноковшовых карьерных экскаваторов 34

2.1. Экономическая эффективность при применении системы ремонтов по фактическому техническому состоянию 34

2.2. Обзор современных методов диагностики технического состояния оборудования 40

2.3. Обоснование необходимости применения стационарного диагностического комплекса для внедрения системы ремонтов

по фактическому состоянию 44

2.4.Анализ имеющихся стационарных диагностических комплексов

и практика их применения 54

2.5.Использование систем контроля применительно к экскаваторам 58

2.6. Выводы 59

3. Определение методов сбора данных, необходимых для достоверной диагностики экскаватора посредством стационарного

диагностического комплекса 62

3.1. Определение узлов экскаватора, подлежащих контролю СДК 62

3.2.Основные направления контроля и диагностики для СДК 67 3.3. Определение точек и направлений установки датчиков

вибрации и температуры 68 3.4.Определение параметров взаимовлияния агрегатов и решение данной проблемы применительно к стационарному

диагностическому комплексу 78

3.5.Выводы 93

4. Автоматизация способов обработки вибросигнала 95 4.1. Диагностика подшипниковых узлов д д

4.2 Диагностика зубчатых передач I

4.3 Автоматическая обработка сигнала и выделение заданных

122

частот ^^

4.4 Выбор способов определения уровней вибрации для СДК 134

4.5 Нормирование параметров вибрации и температуры 140

4.6 Выводы 144

5. Комплектация комплекса и проведение испытаний 146

5.1. Построение структуры сети 146

5.2. Выбор блока сбора данных для СДК 152

5.3.Выбор датчиков для СДК и способов их адаптации 153

5.4 Проведение испытаний СДК 156

5.5 Выводы 166

Заключение ^^ Библиографический список

Приложение ^ уд

ВВЕДЕНИЕ

Степень изношенности выемочно-погрузочного оборудования на горных предприятиях Кузбасса в настоящее время превысила 70%. Значительное количество экскаваторов на карьерах и разрезах эксплуатируются более 15 — 20 лет. Только в Кузбассе более 40% машин имеют сверхнормативные сроки службы, в связи с чем на первый план выходят проблемы обеспечения безопасной безаварийной эксплуатации таких машин. На ремонт и техническое обслуживание приходится до 30% материальных затрат на добычу полезных ископаемых; более 20% - на простои, связанные с ремонтами; около 40% - на непроизводительную малоэффективную работу. Процесс ремонта имеет низкую механизацию, более 90% ремонтов производятся без предварительной дефектации механизмов методами неразрушающего контроля. Выходом из сложившейся ситуации может служить только применение системы ремонтов горного оборудования по его фактическому техническому состоянию с опорой на широкое применение средств неразрушающего контроля.

Существует несколько имеющих свои плюсы и минусы направлений в диагностике: периодическая диагностика или стационарные системы. Переносные системы позволяют проводить доскональную диагностику практически любого узла с высокой достоверностью, однако требуют точного планирования, наличия специалистов высокого уровня подготовки и трудозатраты, что не всегда дает возможность применять их в достаточно широком спектре оборудования.

Стационарные системы позволяют вести контроль в реальном

времени, использовать аварийную защиту и увеличить надежность

диагностики в целом за счет отсутствия человеческого фактора; в то же

время присутствующие на рынке стационарные системы контроля и

диагностики дороги и имеют узконаправленную структуру, что не дает

возможности применять их на экскаваторе, поэтому необходимо разработать

систему, адаптированную непосредственно для экскаватора и позволяющую

4

получать достоверную диагностическую информацию в режиме реального времени.

В работе впервые использован комплексный подход к проблеме повышения эффективности системы технического диагностирования экскаваторов. Показана актуальность и реализуемость задач, поставленных в данной работе. Внедряемость результатов разработки определяется как создание системы норм активных документов, фиксирующих требования к формам и видам контроля и их применения. Результаты анализа, приведённые в главах, определяют возможности формирования программ повышения надёжности и технического перевооружения разрезов для обеспечения высокой безопасности и долговечности горного оборудования.

Цель работы - обоснование и разработка стационарного диагностического комплекса для одноковшовых карьерных экскаваторов, обеспечивающего безопасную и безаварийную их эксплуатацию.

Идея работы - установление закономерностей функционирования одноковшовых карьерных экскаваторов и разработка методов и средств диагностики фактического технического состояния в реальном режиме времени.

Задачи исследований:

— провести анализ технического состояния парка одноковшовых карьерных экскаваторов, существующих систем технического обслуживания и ремонта;

— обосновать необходимость и целесообразность оборудования карьерных экскаваторов стационарной диагностической системой;

— разработать методы обработки нестационарной диагностической информации;

— разработать макет стационарного диагностического комплекса для одноковшовых карьерных экскаваторов и проверить его в промышленных условиях.

Методы исследований.

В работе используются аналитические и экспериментальные методы исследования. При изучении процесса сбора и обработки термо- и вибросигнала применялись методы математической статистики, планирования эксперимента, имитационного моделирования. При формировании и решении задачи моделирования применялся системный подход, учитывающий взаимосвязи всех агрегатов и использующий индивидуальный подход при выборе рациональных режимов исследований различных агрегатов.

Научные положения, выносимые на защиту:

— выделение полезной диагностической информации из нестационарных вибродиагностических сигналов на основе предложенных методов селекции режимов работы механизмов позволяет адекватно оценивать фактическое состояние машин и агрегатов одноковшовых карьерных экскаваторов;

— стационарный комплекс обеспечивает получение диагностической информации в реальном времени, что дает возможность с большой надежностью прогнозировать изменение технического состояния механических систем экскаватора.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

— корректной постановкой задачи исследования;

б

— достаточным объемом экспериментальных исследований, обеспечивающих не менее чем 90% доверительную вероятность сделанных выводов;

— положительными результатами внедрения в филиале «Краснобродский угольный разрез» опытного образца стационарного диагностического комплекса для одноковшового карьерного экскаватора.

Научная новизна диссертации заключается:

— в установлении аналитических зависимостей параметров вибрации основных элементов систем экскаватора от режимов его работы;

— в разработке метода построения структуры системы автоматической обработки вибросигнала.

Личный вклад заключается:

— в определении способов технического диагностирования для оборудования, работающего в реверсивных режимах при знакопеременных нагрузках со значительным влиянием внешних факторов;

— в создании опытного образца стационарного диагностического комплекса для одноковшового карьерного экскаватора;

— в определении методов обработки вибросигнала для проведения диагностирования в автоматизированном режиме.

Практическое значение работы заключается в том, что ее результаты позволяют:

— проводить разработку методов и расчётных зависимостей для определения параметра вибросигнала для оборудования, работающего в реверсивных режимах при знакопеременных нагрузках со значительным влиянием внешних факторов;

— применять разработанный метод построения структуры стационарного диагностического комплекса для создания аналогичных систем;

— на основе практических разработок и их внедрения применять предложенные решения, использовать намеченные перспективы дальнейшей работы по оптимизации алгоритма обработки информации и внедрять предложенные практические решения задач создания и внедрения стационарного диагностического комплекса для одноковшовых карьерных экскаваторов.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

На основе проведенной работы был создан прототип стационарного диагностического комплекса для экскаватора типа ЭКГ и установлен на экскаватор ЭКГ-10 №4 в филиале «Краснобродский угольный разрез». За счет обоснованного изменения межремонтных интервалов в период с 2008 по 2009гг. сокращено количество аварийных отказов оборудования, уменьшено время простоя экскаватора в ремонте, сокращены денежные затраты на его ремонт.

Апробация работы. Основное содержание работы, отдельные ее положения были доложены и обсуждены на техническом совете филиала ОАО «УК «КРУ» «Краснобродский угольный разрез», на X международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность Кузбасса» (Кузбасский международный угольный форум,2008г.), на III молодежной научно-практической конференции «Профессиональные знания и навыки молодежи - будущий капитал компании» (УГМК, Верхняя Пышма, 2008г.), на XI международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России: новые подходы к развитию угольной промышленности» (Кузбасский международный угольный форум, 2009г.), на международном молодежном инновационном форуме в Сибири «Интерра -2010».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, из них 4 -в изданиях, рекомендованных ВАК.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы из 96 наименований и 1 приложения. Работа содержит 178 страниц, в том числе 159 страниц основного текста, 64 рисунка и 28 таблиц.

1. Анализ технического состояния экскаваторного парка Кузбасса 1.1. Обзор экскаваторного парка

Степень изношенности выемочно-погрузочного оборудования на горных предприятиях Кузбасса в настоящее время превысила 70%. Значительное количество экскаваторов на карьерах и разрезах эксплуатируется более 15 — 20 лет. В Кузбассе более 40% имеют сверхнормативные сроки службы [1]. Производительность таких физически и морально изношенных экскаваторов на 40 - 50% ниже, чем у их современных аналогов с той же вместимостью ковша[2].

Положение усугубляется еще и тем, что вместимость ковша среднесписочного экскаватора на железорудных карьерах и угледобывающих предприятиях за период с 1995 по 2009 г. практически не изменилась, несмотря на интенсивное увеличение средней грузоподъемности автосамосвалов [1,2].

Сказанное выше указывает на необходимость скорейшего обновления экскаваторных парков горных предприятий Кузбасса или полного пересмотра систем ремонта для качественного восстановления изношенной техники в свете существующих современных тенденций.

Первой является приобретение горными предприятиями вместо выработавших свой ресурс экскаваторов новых машин практически тех же моделей, что объясняется их относительно низкой ценой и наличием опыта эксплуатации данного оборудования. В этом случае трудно рассчитывать на существенное увеличение производительности и эффективности использования выемочно-погрузочного и транспортного оборудования.

Второй тенденцией является стремление отдельных горных предприятий приобрести дорогостоящее импортное оборудование — гидравлические и электрические экскаваторы. Однако опыт работы ряда разрезов показывает, что реализация такого пути технического перевооружения далеко не всегда дает желаемые результаты. Внедрив у себя импортное оборудование и затратив на это значительные средства, они не получили планируемого эффекта —

производительность импортных экскаваторов оказалась ниже предполагаемой, а следовательно, ниже ожидаемой и эффективность их использования, так как эксплуатация таких машин потребовала перестройки существующих систем эксплуатации и ремонта, что не было сделано. В то же время стоимость запасных частей, затраты на обслуживание импортного оборудования и сроки ремонта многократно больше, чем у отечественных машин.

Важными критериями развития открытых горных работ в Кузбассе можно считать обновление экскаваторного парка и увеличение производительности экскаваторов [1]. Проведенный анализ данных выявил следующая закономерность: количество экскаваторов падает, на смену списанным приходят новые, более мощные, с объемом ковша от 12 до 50м3 [1,3,4]. Однако объемы обновления экскаваторного парка малы (за 2008-2009г УК «Кузбассразрезуголь» приобретено 4 экскаватора), до сих пор основную массу составляют экскаваторы, выработавшие свой ресурс.

Таблица 1.1

Структура экскаваторного парка УК «Кузбассразрезуголь»

Марка экскаватора 1965 г. 1970 г. 2007г. 2008 г. 2009 г.

Мехлопаты

ЭКГ-12 - - - 5 5

ЭВГ-6 1 2 - - -

ЭКГ-4 118 31 - - -

ЭКГ-4у, ЭКГ-4и 1 29 16 13 12

ЭКГ-4.6 (Б) 23 154 8 7 6

ЭКГ-5А - - 50 48 48

ЭКГ-5у - - 6 6 6

ЭКГ-6,Зу - - 1 1 1

ЭКГ-б.Зус - - 3 3 3

Марка экскаватора 1965 г. 1970 г. 2007г. 2008 г. 2009 г.

ЭКГ-8ус - - 2 2 2

ЭКГ-8у - - 5 5 5

ЭКГ-8И - 48 25 24 22

ЭКГ-10 - - 32 32 31

ЭКГ-12.5 - - 8 8 8

ЭКГ-12ус - - 2 2 2

ЭКГ-15 - - 14 15 15

201М-8Б - - 4 1 1

РН-2800 - - 3 3 3

ЭКГ-1500Р - - - - 1

Р&Н4100 - - - - 1

Шагающие экскаваторы

ЭШ-4/40 72 34 - - -

ЭШ-5/45 1 1 - - -

ЭШ-6/45 - - 3 3 3

ЭШ-10/60 12 51 - - -

ЭШ-10/70 - - 24 21 19

ЭШ-11/70 - - 15 15 15

ЭШ-13/50 - - 13 14 14

ЭШ-15/90 - 7 6 6 6

ЭШ-20.90 - - 2 2 2

ЭШ-40.85 - - 1 1 1

Гидравлические обратные лопаты

САТ-375 - - 3 3 3

САТ-385 - - 1 1 1

САТ-345 - - 2 1 1

Марка экскаватора 1965 г. 1970 г. 2007г. 2008 г. 2009 г.

САТ-5130 - - 1 1 1

R-984-C - 7 7 7

R-994-C - - 6 6 6

R-9350 - - 4 5 5

VOLVO 460ЕС - - 4 3 3

RH-200 - - 2 2 2

ЕХ-3600-6 - - - 1 1

РС-5500 - - - 1 1

ВСЕГО: 228 357 274 268 263

Многообразие геологических условий месторождений Кузбасса обусловило применение различных технологических экскаваторов, выпускаемых как отечественной, так и зарубежной промышленностью. Анализируя табл. 1.1, нельзя не отметить изменения (сокращение количества экскаваторов), происходящие в парке оборудования.

На 1 июля 2009 года на угольных разрезах ОАО «УК» «Кузбассразрезуголь» эксплуатируются 263 технологических экскаватора, из них 172 - карьерные электрические мехлопаты, 60-шагающие драглайны, 31 -гидравлические экскаваторы. 52 из их общего числа превысили нормативный срок эксплуатации; при этом средний срок эксплуатации экскаваторов - 17,7 лет. Износ экскаваторного парка составляет:

• по сроку эксплуатации- 74%,

• выполненным объемам - 68.8 %.

За 12 месяцев 2008 года и 6 месяцев 2009 года списано 14 экскаваторов, введено в эксплуатацию 7. Коэффициент использования экскаваторного парка за 6 месяцев 2009г. составил 0,66, в 2008 году - 0,7, в 2007г. - 0,72. Коэффициент технологической готовности - 0,84 0,83 и 0,82 [2].

Таблица 1.2

Износ оборудования по выполненным объемам и по сроку эксплуатации на 1 января 2009г. в УК «Кузбассразрезуголь»

Марка Средний срок Износ по сроку Износ оборудования

экскаватора эксплуатации, лет эксплуатации, % по выполненным объемам, %

Мехлопаты

ЭКГ-4,66 33,5 100 64,2

ЭКГ-5А 20,5 81,6 61,9

ЭКГ-4у 24,1 92,3 97,82

ЭКГ-5у 16,8 67,1 62,16

ЭКГ-6,Зу 21,8 87,1 95,44

ЭКГ-бус 20 79,8 81,68

ЭКГ-8и 23,4 97,4 98,97

ЭКГ-8у 16,3 74,2 73,74

ЭКГ-8ус 19,9 90,4 71,44

ЭКГ-10 15,7 71,7 86,73

ЭКГ-12 0,8 3,8 8,9

ЭКГ-12.5 17,8 88,9 89,3

ЭКГ-12ус 17,5 83,4 82,5

ЭКГ-15 9,9 45,1 52,1

201М-88 23,4 100 106,5

Марка экскаватора Средний срок эксплуатации, лет Износ по сроку эксплуатации, % Износ оборудования по выполненным объемам, %

Шагающие экскаваторы

ЭШ-6/45 20,9 83,4 88,4

ЭШ-10/70 23,5 90,7 92,2

ЭШ-11/70 17,5 71,9 67

ЭШ-13/50 22,2 87,9 67,18

ЭШ-15/90 31,7 100,1 112,5

ЭШ-20.90 22,6 90,6 106,7

ЭШ-40.85 14.1 56,4 55,07

САТ-345 5,3 53,1 52,17

САТ-375 7,2 71,5 54,02

САТ-385 5,0 50,5 35,79

САТ-5130 4,9 49,2 42,4

Я-984-С 2,7 26,7 24,19

Я-994-С 2,2 22,1 25

Я-9350 1,7 16,9 21

ГОЬУО 460ЕС 3,8 37,6 40,7

Ш-200 2,1 21,5 26,95

ЕХ-3600-6 1,1 10,7 13,81

РС-5500 0,6 5,6 7,61

Таблица 1.3

Среднемесячная производительность (тыс.м ) экскаваторов по маркам[