Разработка метода и средств технической диагностики опорных узлов шахтных подъемных машин

Актуальность работы. Для эффективной эксплуатации шахтной подъемной машины (ТТТПМ) необходима своевременная и объективная информа ция о техническом состоянии опорных узлов ШПМ.

Отечественные ШПМ имеют низкий показатель контролепригодности, I так как применяемые технические средства позволяют отразить и контролировать только функционирование машины. Оценка технического состояния (ТС) ШПМ при использовании существующих штатных методов оценки по наработке и на основе инструментального измерения параметров ТС требует больших затрат времени и привлечение специализированных наладочных организаций.

В Российском Донбассе в эксплуатации находится 21 шахта, на кото / рых установлено 110 ШПМ среднего и крупного типоразмера. По состоянию на 2004;2005 гг. износ парка ШПМ Ростовской области составит 90% с исI текшим сроком технической эксплуатации, среди которых 75% будут составлять машины с неоднократно продленным сроком эксплуатации. В соответствии с РД 05−94−95 и Федеральным законом № 116 «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» от 21.07.1997 г., уже сегодня необходимо проводить работы по экспертной оценке промышленной безопасности ТТТПМ, диагностированию ТС и прогнозу ресурса. Для успешного выполнения указанных требований необходимы методы и средства соответ ствующие современным требованиям безопасности, высокой информативности и экономической эффективности их применения. I.

По результатам наших исследований выполненных в НИИ ПЭБ (ЮР-ГТУ (НПИ)) по экспертной оценке ТС ШПМ установлено, что вибрационное состояние подшипниковых опор не нормируется ни в ПБ, ни в руководстве по ревизии и наладке. Нет объективных нормативов, которые характеризовали бы степень повреждения, регламентирующих необходимый и достаточный ресурс для эксплуатации ШПМ до ревизии, наладки или ремонта.

Таким образом, в сложившейся ситуации необходимы методы и средства технической диагностики, которые позволяют увеличить точность оценки ТС ШПМ, управлять ТС, повысить контролепригодность и безопасность эксплуатации ШПМ, разработка которых является актуальной задачей.

Цель работы. Целью работы является разработка метода и средств оценки технического состояния опорных узлов шахтных подъемных машин по виброакустическим характеристикам опорных узлов.

Идея работы. Получение оперативной и достоверной информации о ТС подшипниковых узлов и роторной системы ШПМ осуществляется на основе анализа виброакустических сигналов и применения статистических методов теории надежности.

Методы исследования. Для исследования виброакустических процессов в приводе ШПМ использованы положения технической акустики и теоретической механики, численные методы решения дифференциальных уравнений движения на ЭВМ и математическое моделирование колебательных процессов в приводе ШПМ, математические методы планирования экспериментальных исследований в лабораторных условиях, целью которых являлось подтверждение теоретических положений и установление опытных зависимостей. Обработка экспериментальных исследований выполнена методами математической статистики.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Интегральной оценкой уровня ТС опорного узла ШПМ является его вибрационная характеристика, параметры которой формируются в процессе трансформации детерминированных низкочастотных нагрузок в импульсные возмущения элементов опорного узла. Амплитуда и частота вибрации узла несут достоверную информацию о зарождающихся и развивающихся дефектах в кинематической цепи (радиальный износ, угловая и радиальная расцен-тровка, неуравновешенность роторов).

2. Математическая модель колебательного процесса опорного узла ШПМ отличается от известных тем, что расчет параметров вибрационной характеристики производится на основе принципа декомпозиции опорного узла ШПМ на простые динамические аналоги: для вертикальной составляющей вибрации: — двухмассовая модель на низких частотах 1 -е-100 Гц (Л>£, Лдлина волны звука, Iразмер опорного узла) и защемленная пластина на средних и высоких частотах 100 + 2000Гц (Л<£) — для осевой составляющей вибрации: — одномассовая модель на низких частотах 1 + 100Гц. Разработанная модель позволяет получить решение задачи о вынужденных колебаниях, для установления спектра вибрации, как основного источника информации для построения диагностических моделей при различных видах эксплуатационных дефектов в кинематической цепи.

3. Диагностические модели оценки технического состояния опорного узла, построенные на основе использования среднеквадратического значения амплитуды вибрации его корпуса в диапазоне от 1 до 100 Гц, позволяют установить три вида ограничения функционирования по техническому состоянию: удовлетворительное, предельное состояние и останов (виброакустический отказ). Диагностические модели получены впервые для такого класса машин.

4. Прогноз изменения ТС опорных узлов и роторной системы ШПМ с погрешностью до одного часа при доверительной вероятности Р=0,95 можно получить, с помощью прогнозного тренда вида ах2 + Ьх + с = у, используя методы статистического анализа спектров вибрации опорного узла ШПМ (где а, Ь, с — коэффициенты полиномах — параметр времениу — прогнозируемый отклик системы).

Обоснованность и достоверность результатов обеспечивается применением современных методов исследований:

— анализа научно-исследовательских работ, посвященных исследуемому вопросу;

— использование апробированных методик расчета колебательных процессов и методов математического моделирования;

— введением корректных допущений при составлении математической модели опорного узла как колебательной системы;

— использованием математических методов планирования экспериментальных исследований и статистических методов обработки результатов;

— применение измерительных приборов и комплексов с высоким классом точности измерений, построенных на базе ЭВМ;

— выполнение достаточного объема шахтных экспериментальных замеров ВХ опорных узлов ШПМ (более 300 реализаций) при различных ТС, подтверждающих основные теоретические выводы и адекватностью математической модели колебательного процесса по критерию Фишера, значение V которого находится на уровне 5% значимости.

Научная новизна и значимость результатов исследований:

1. Разработана и апробирована методика установления виброакустических характеристик опорных узлов ШПМ с использованием ЭВМ, позволяющая получить временную реализацию колебательного процесса, вероятностную характеристику вибрационного состояния (среднеквадратическое отклонение, эксцесс, асимметрию, пиковое значение амплитуды) и спектр вибрации от 1 Гц до 2 кГц шириной в 1Гц.

2. Разработана математическая модель колебательных процессов опор ных узлов ШПМ для расчета спектра вибрации на собственных и вынужденных частотах в полосе 1Гц, учитывающая параметры характеризующие ТС, а также кинематику и динамику шахтного подъема.

3. Доказано, что величина статического дисбаланса главного вала коренной части ШПМ в связи с высокой жесткостью вала на прогиб и невысокой частотой вращения, до 60 мин." 1, не оказывает существенного влияния на амплитуду вибрации опорного узла, из-за чего величина дисбаланса не может быть установлена виброакустическим методом.

4. Экспериментально установлено, что диагностирование технического состояния опорных узлов и роторной системы ШПМ необходимо проводить при подъеме сосуда с расчетной загрузкой в период с максимальной и постоянной частотой вращения главного вала ШПМ. Выполнение этого условия позволяет рассматривать вибрационную характеристику опорного узла как закономерную последовательность колебательных процессов протекающих в опорном узле соответствующих реальному ТС.'.

Практическое значение работы заключается: I.

— в разработке методик оценки ТС и прогноза остаточного ресурса механического оборудования ШПМ по вибрационным характеристикам;

— в разработке технических требований к системам измерения, обработки и представления диагностической информации о ТС оборудования ШПМ в условиях эксплуатации;

— в создании и успешной эксплуатации автоматизированной системы технической диагностики (АСТД) и контроля параметров оборудования ШПМ на шахте ОАО «Обуховская», построенной на базе ЭВМ.

Реализация результатов работы. I.

1. Разработанные технические требования к системам технической диагностики ШПМ реализованы в техническом задании (ТЗ) «Автоматизированная система технической диагностики и контроля параметров основного электромеханического оборудования шахтных подъемных установок» (АСТДК ШПУ). ТЗ принято ОАО «Обуховская» к внедрению в 2002 г.

2. Методики оценки ТС и прогноза ресурса подъемных машин реализованы в эксплуатируемой ШПМ (типа МК 5×4) в виде АСТД «Подъем» на шахте «Обуховская» угольный подъем № 2, в НИИ ПЭБ (ЮРГТУ (НПИ)) при проведении экспертизы промышленной безопасности ШПМ с истекшим сро ком службы.

3. Материалы исследований в виде: ВХ ШПМ с различными ТС, методик оценки ТС ШПМ и прогноза ресурса, технических требований к системам ТД ШПМ переданы в НИИ ПЭБ ЮРГТУ (НПИ).

Соответствие диссертации научному плану работ ЮРГТУ (НПИ) и целевым комплексным программам. Диссертационная работа входит в состав исследований по научному направлению: «Компьютерное моделирование.

10 процессов и технологии горного производства как основы систем автоматизированного проектирования и управления", утвержденному решением Ученого Совета ЮРГТУ (НПИ) от 25.04.2001 г.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы нашли отражение и получили одобрение на расширенных заседаниях кафедры «Горные машины и оборудование» в 1999; 2000, 2001 и 2002 гг.- на второй международной научно технической конференции «Новые технологии управлением движением технических объектов» 1999, г. Новочеркасск.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных статей.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, заключения по работе, списка литературы 82 наименования, и 6 приложений. Общий объем 225 страниц, в том числе 83 рисунка и 32 таблицы, 6 приложений.

Основные результаты работы, выводы и рекомендации формируются следующим образом:

1. Применяемые на ШПМ, штатные средства контроля и диагностики рабочих процессов не дают полной информации о ТС опорных узлов и роторной системы ШПМ.

2. Среди известных методов оценки ТС, виброакустический является одним из перспективных методов диагностики и контроля ТС опорных узлов и роI торной системы ШПМ. Широкое внедрение методов диагностики ГШО позволит перейти к системе ТОР ШПМ по фактическому техническому состоянию.

3. В качестве интегральной оценкой уровня ТС опорного узла ШПМ необходимо использовать его вибрационную характеристику, параметры которой формируются в процессе трансформации детерминированных низкочастотных нагрузок в импульсные возмущения элементов опорного узла. Амплитуда и частота вибрации узла несут достоверную информацию о зарождающихся и развивающихся дефектах в кинематической цепи (радиальный износ, угловая и радиальная расцентровка, неуравновешенность роторов).

4. Разработана ММ расчета ожидаемого уровня вибрации опорных узлов ШПМ на собственных и вынужденных частотах’колебания, учитывающая параметры ТС ШПМ, кинематику и динамику подъема. ММ колебательного процес са опорного узла ШПМ отличается от известных тем, что расчет параметров ВХ производится на основе принципа декомпозиции опорного узла ШПМ на простые динамические аналоги.

5. Разработана и апробирована методика установления виброакустических характеристик опорных узлов ШПМ с использованием ЭВМ, позволяющая получить временную реализацию колебательного процесса, вероятностную характеристику вибрационного состояния. Основные положения методики используются в НИИ ПЭБ (ЮРГТУ (НПИ)) при проведении экспертизы промышленной безопасности ШПМ.

6. Разработана и апробирована диагностическая модель оценки ТС опорного узла роторной системы, построенная на основе использования СКЗ амплитуды виброскорости его корпуса в диапазоне от 1 до 100 Гц, которая позволяет установить три вида ограничения функционирования: удовлетворительное, предельное состояние и останов (виброакустический отказ).

Этот алгоритм реализован в пакете «TEST» и использован в системе АСТД «Подъем» .

7. Прогноз изменения ТС опорных узлов и роторной системы ШПМ с по грешностью до одного часа при доверительной вероятности Р=0,95 можно по.

165 лучить, с помощью прогнозного тренда вида ах2 + Ъх + с = у, используя методы статистического анализа спектров вибрации опорного узла ШПМ (где а, Ь, скоэффициенты полиномах — параметр времениу — прогнозируемый отклик системы).

8. Величина статического дисбаланса главного вала коренной части ШПМ не оказывает существенного влияния на амплитуду вибрации опорного узла, из-за чего величина дисбаланса не может быть установлена виброакустическим методом. Рост амплитуды на осевой составляющей составляет от 3 до 3,5% и на вертикальной составляющей от 6 до 6,5%.

9. Диагностирование технического состояния опорных узлов и роторной системы ШПМ необходимо проводить при подъеме сосуда с расчетной загрузкой в период с максимальной и постоянной частотой вращения главного вала ШПМ.