Б.Л. ГЕРИКЕ
Доктор техн. наук, проф.
(КузГТУ)

Переход от системы планово-предупредительных ремонтов к профилактическому ремонтному обслуживанию по фактическому техническому состоянию позволяет не только сократить финансовые, материальные и трудовые затраты за счет проведения ремонтных работ только в необходимом объеме, но и предотвратить аварийные отказы технологического оборудования из-за возможности раннего обнаружения дефектов и отслеживания тенденций их развития. Наиболее актуально эта задача стоит для стационарного горношахтного оборудования, обеспечивающего жизнедеятельность шахт - вентиляторы главного проветривания, подъемные машины, оборудование главного водоотлива.

Важнейшей характеристикой технического состояния динамического оборудования, помимо режимных параметров, является интенсивность вибрационных процессов, которые несут в себе информацию о дефектах роторов, опорных и соединительных элементов, различного рода дисбалансах, расцентровках, зазорах, натягах и т.п. Эти и другие повреждения могут быть обнаружены и идентифицированы при анализе вибрационных процессов в контрольных точках машинного агрегата. Кроме того, уровень интенсивности колебательных процессов свидетельствует о степени развития выявленных дефектов. Вышеперечисленное свидетельствует о том, что вибродиагностика, позволяющая выявлять дефекты и определять степень их опасности без остановки работающего динамического оборудования для ревизии и наладки, является наиболее приемлемым и достоверным методом оценки технического состояния машинного агрегата. Как свидетельствует статистика, собранная Alianz Center for Technology GmbH (BRD) за 1979-1997 гг., удается идентифицировать от 69 до 88 % возникших в машинном агрегате дефектов без его остановки и вывода из эксплуатации.

Современное аппаратурное и программное обеспечение позволяют с высокой степенью надежности и достоверности регистрировать и анализировать вибрационные характеристики эксплуатируемого оборудования. Однако недостаточно развитая нормативная база по критериям оценки технического состояния [1], а также полное отсутствие наработок в области экспертных оценок (идентификация дефектов и определение степени их опасности) не позволяют внедрить в отрасли прогрессивную - по сравнению с системой ППР и, тем более, с аварийными ремонтами - форму профилактического обслуживания стационарного горношахтного оборудования. Поэтому первоочередной задачей является совершенствование нормативной базы как в части выбора оценочных параметров механических колебаний и определении динамического и частотного диапазонов их регистрации, так и в части разработки критериев технического состояния вентиляторов главного проветривания по параметрам вибрации.

Наиболее приемлемой характеристикой для оценки технического состояния является интенсивность виброскорости V в частотном диапазоне, охватывающем все основные информативные компоненты процессов, порождаемые как силами механического взаимодействия отдельных элементов вентилятора, так и аэродинамическими силами, и тому есть две причины. Во-первых, скорость механических колебаний (и, особенно, ее эффективное значение) наиболее полно характеризует энергию колебательного процесса и, во-вторых, этот показатель имеет наименьшую вариацию по сравнению с остальными характеристиками вибрационного процесса, что подтверждено многочисленными результатами исследований. Кроме того, для полигармонических колебательных процессов эффективное значение виброскорости определяется простым алгебраическим суммированием , в то время как для амплитудных значений отдельных компонент вибрации требуется векторное сложение из-за разности фазовых характеристик отдельных гармоник. Именно поэтому эффективное значение виброскорости V_e и положено в основу нормативных показателей работы динамического оборудования в различных международных и отечественных стандартах и нормативных документах.

Из сравнительного анализа оценок абсолютной вибрации, используемых в различных нормативно-технических и методических материалах [2,3,4,5], установлено, что действующий в настоящее время РТМ 07.00.012-79 не в полной мере отражает структуру механических колебаний на опорах вентиляторов. Величины же этих оценок в низкочастотной области (1-50 Гц), ограничивающие допустимую область эксплуатации вентиляторов практически в 2 раза по сравнению с нормативами ISO 2372 (зона А, рис. 1), приводят к значительному возрастанию объемов и стоимости ремонтно-профилактических и наладочных работ, так как накопленный опыт показывает, что граница допустимой области эксплуатации по параметрам вибрации, определенная в соответствии с рекомендациями ISO 2372, оставляет достаточно времени для принятия решения об остановке динамического оборудования в ремонт. Так, например, аварийный отказ подшипникового узла дымососа (близкого по своим характеристикам к центробежным вентиляторам главного проветривания) печи риформинга производства аммиака в Кемеровском АО “АЗОТ” произошел спустя 4 месяца после того, как уровень интенсивности вибрации превысил предельно допустимый.

Объяснение столь жестких требований по уровню допустимой вибрации может быть найдено только в неудовлетворительной организации службы вибрационного контроля, когда измерения параметров механических колебаний производятся во время ревизии и наладки, т.е. с периодичностью примерно один раз в два года. Поэтому внедрение системы вибромониторинга с периодичностью, по крайней мере, не реже одного раза в квартал позволит не только перейти к системе международных стандартов, что повлечет за собой существенное сокращение материальных и финансовых затрат, но и даст возможность своевременно выявлять возникающие дефекты и оценивать степень их опасности.

Специфика работы шахтных вентиляторов главного проветривания (частота вращения ротора f_Р = 6…10 Гц) не позволяет однозначно использовать оценку его технического состояния только по общему уровню интенсивности вибраций, определяемому согласно рекомендациям ISO 2372 в частотном диапазоне от 10 до 1000 Гц, что требует введения дополнительных условий, ограничивающих вибрацию на частотах ниже 10 Гц, при этом не следует принимать во внимание компоненты вибрации с частотой до 2 Гц, так как их следует рассматривать как относительные движения абсолютно жесткого корпуса на податливом основании [6]. Так как в этом случае превалирующее значение имеет малоцикловая прочность материала, важнейшей характеристикой которой является его деформация, то наиболее естественным условием ограничения низкочастотных колебаний может служить допустимая амплитуда (или размах колебаний) абсолютных вибросмещений, определяемая из граничного условия. Результаты выборочного вибрационного обследования 48 осевых вентиляторов главного проветривания, выполненного на шахтах Кузбасса, позволили оценить их техническое состояние, выявить и устранить дефекты неудовлетворительно работающего оборудования (такие как дисбаланс, расцентровки, дефектные муфты, аэродинамические проблемы и т.д.), что, в первом приближении, подтвердило перспективность внедрения вибродиагностики для создания системы профилактического ремонтного обслуживания стационарного горно-шахтного оборудования. Оценка технического состояния оборудования по параметрам вибрации производилась по рекомендациям ISO 2372, включенным в национальные стандарты США, Германии, Франции и ряда других промышленно развитых стран. В соответствии с принятой в ISO 2372 классификацией техническое состояние 25% вентиляторов было признано “хорошим” (сборка узлов динамического оборудования оптимальна, вероятность появления дефектов на протяжении длительной эксплуатации минимальна), 28% - “удовлетворительным” (сборка узлов обеспечивает минимальную вероятность появления эксплуатационных дефектов на протяжении межремонтного пробега), 22% - “допустимым” (высокая вероятность преждевременного выхода узла из строя, повышенный уровень механических колебаний должен быть устранен) и 25% - “недопустимым” (дальнейшая эксплуатация может привести к аварийному отказу динамического оборудования).

При повторных обследованиях шахтных вентиляторов главного проветривания (после проведения профилактических и ремонтно-восстановительных работ по рекомендациям, полученным в результате вибродиагностического обследования неудовлетворительно работающего оборудования) только 2 вентилятора работали в режимах, не отвечающих техническим условиям.

Опыт, накопленный в других отраслях промышленности при вибродиагностике динамического оборудования, показывает, что помимо ограничений общего уровня интенсивности вибраций при широкополосном измерении механических колебаний необходимо вводить ограничения для отдельных спектральных компонент, что связывается с различным уровнем опасности возникновения аварийного отказа оборудования от различных его дефектов, - так называемую спектральную опорную маску, для которой устанавливаются две границы: “предупреждение” и “тревога”.

Анализ результатов выборочного вибрационного обследования шахтных вентиляторов главного проветривания позволил сформировать, в первом приближении, опорную маску для оценки степени опасности спектральных составляющих механических колебаний (см. рис. 2), для которой характерным является то, что среднеквадратическое значение всех ее компонент определяет границу для общего уровня интенсивности вибраций. Отсюда нетрудно видеть, что граница “тревога” для общего уровня вибронагруженности практически совпадает с уровнем класса оценки “недопустимо”, но оставляет резерв времени для принятия решения об остановке вентилятора в ремонт.

Нижний предел (граница “предупреждение”) опорной маски определяет границу учитываемого динамического диапазона, т.е. указывает, что изменения амплитуд спектральных составляющих ниже этого предела не вызывают опасных последствий.

Таким образом, выполненная на ряде шахт Кузбасса работа по вибродиагностическому обследованию вентиляторов главного проветривания показала, что:
- используемая в отрасли нормативно-техническая база по оценке технического состояния вентиляторов устарела и не соответствует нормам международных стандартов, что влечет за собой увеличение объемов и стоимости ремонтных и наладочных работ;
- уровень интенсивности вибрации у 47% вентиляторов превышал допустимые нормы, а для 53% из них требовалась остановка для проведения ремонтных и наладочных работ;
- контроль параметров механических колебаний позволяет объективно оценить техническое состояние динамического оборудования, а достоверность диагностирования составила около 85%.

Для внедрения в отрасли профилактического обслуживания стационарного горно-шахтного оборудования, и в первую очередь вентиляторов главного проветривания, необходимо:
- продолжить работы по созданию нормативно-методической базы оценки и прогнозирования вибронагруженности стационарных горных машин;
- ввести обязательный периодический контроль состояния оборудования по параметрам вибрации, что позволит не только своевременно выявлять зарождающиеся дефекты и оценивать степень их опасности, но и явится основой для разработки экспертной системы диагностики.

Список литературы

 

1. Методика измерений и нормирования вибраций стационарного оборудования шахт для условий периодического контроля. РТМ 07.00.012 - 79. ИГМ им. М.М.Федорова, Донецк, 1979.
2. ISO 2372: Mechanical vibration of machines wiht operating speeds from 10 to 200 rev/s.
3. VDI 2056: Beurteilungsmasstabe fur mechanische Schwingungen von Maschinen.
4. API STANDARD 670: Vibration, Axial-Position and Bearing Temperature Monitoring Systems. American Petroleum Institute.
5. API STANDARD 546: Form-wound brushless synchronous motors. American Petroleum Institute.
6. Pflaum W., Hempel H. Vergleichende Bewegungsmessungen an fest und elastisch gelagerten Schiffsmotoren. Schiff und Hafen, N11, 1970, s. 965-970.