АНАЛИЗ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЁЖНОСТИ ШАХТНЫХ ПОДЪЁМНЫХ УСТАНОВОК

Серезентинов Г.В., к.т.н., доцент; Варников С.А., магистр

Донецкий государственный технический университет

    Шахтная подъёмная установка – одна из наиболее сложных и ответственных электроустановок, от ритмичной и безотказной работы которой существенно зависят показатели эффективности горного предприятия. Значительная глубина ствола, увеличение количества действующих горизонтов значительно усложняет процесс функционирования ШПУ. Это приводит к увеличению числа отказов электрической и ускоренному износу механической частей ШПУ [1]. Поэтому вопросы повышения надёжности ШПУ являются весьма актуальными.
    Серьёзные исследования эксплуатационной надёжности электрооборудования выполнены проф. Макаровым М.И. [1]. Было установлено, что ШПУ состоит из электрической и механической частей. При этом под критерием отказа подъёмной установки понимается событие, заключающееся в прекращении функционирования, вследствие невыполнения отдельными элементами заданных функций.
    Системный анализ полученных экспериментальных данных позволил классифицировать причины возникновения отказов как конструктивные, производственные и эксплуатационные. Результаты анализа приведены в таблице 1.1.
           Таблица 1.1 - Классификация причин возникновения отказов

Наименование совокупности элементов

Причины возникновения отказов,%

конструктивные

производственные

эксплуатационные

Механическая часть:

-интервал изменения;

-математическое ожидание;

-стандарт;

 

6,9…50

12,0

15,7

 

1,6…85,4

21,6

27,3

 

14,6…80,4

61,2

26,2

Электрическая часть:

-интервал изменения;

-математическое ожидание;

-стандарт;

 

7,4…49,3

28,8

15,4

 

6,3…29,5

23,1

15,0

 

7,3…92,6

54,3

23,6

ШПУ в целом:

-интервал изменения;

-математическое ожидание;

-стандарт;

 

3,7…25,6

20,3

25,2

 

2,0…29,7

22,2

34,3

 

5,7…44,7

57,5

40,5

Данные таблицы 1.1 свидетельствуют о том, что большую часть причин возникновения отказов составляют эксплуатационные – 57,5%, а их мера рассеивания – 40,5%. При этом эксплуатационные в 2,6…2,8 раза больше прочих причин возникновения отказов.
    Следует отметить, что на шахтах угольной промышленности эксплуатируются ШПУ с ручным и автоматизированным управлением. Процесс функционирования последних является более щадящим с точки зрения времени нахождения во включенном состоянии. Максимальная продолжительность движения подъёмного сосуда (ПС) при ручном управлении составляет 82% времени рабочего цикла, при автоматизированном – 79%, а доверительные границы времени движения ПС соответственно 99,4<101,1<102,8 и 79,8<80,3<80,8 с. Кроме того, получены плотности распределения вероятности таких показателей режимов работы как: коэффициент нагрузки электродвигателя (ЭД) скиповой и клетьевой ШПУ f(кн) - нормальное распределение; продолжительность времени технологической паузы скиповой и клетьевой ШПУ f(tп) - логарифмически-нормальное распределение; продолжительность времени движения скиповой с ручным и автоматизированным управлением, а также клетьевой ШПУ в течение цикла f(tд) - нормальное распределение; превышение температуры обмотки статора асинхронного ЭД f(t)- логарифмически-нормальное.
    Совокупность значений эмпирических распределений режимов работы ШПУ образовывают имитационную модель её функционирования и нагрева. Модель позволяет выполнить имитационное моделирование процесса функционирования на ПЭВМ с целью получения количественных показателей эффективности работы подъёма. Характеристики режимов работы и моделирующие алгоритмы приведены в таблице1.2.

 Таблица 1.2 – Алгоритмы моделирования непрерывных величин показателей режимов работы

Показатель режима работы и нагрева

Наименование распределения

 Моделирующее выражение

Характеристика ШПУ

превышение температуры обмотки статора, t

логарифмически-нормальное

t = exp(1,757+0,09x/)

 

асинхронный электродвигатель

коэффициент нагрузки ЭД, кн

нормальное

кн = 0,925+0,19x/*

кн = 0,885+0,15x/

скиповая

клетьевая
продолжительность времени технологической паузы, tп

логарифмически-нормальное

tп =exp(1,28+0,22x/ )

скиповая с ручным управлением

не установлено

нет**

скиповая с автоматизированным управлением

продолжительность времени движения, tд

нормальное

tд = 101,1+11,4x/

скиповая с ручным управлением

tд = 80,35+3,6x/

скиповая с автомати-зированным управлением

tд = 123,3+8,5x/

клетьевая

температура воздуха в здании ШПУ

не установлено

нет**

скиповая

клетьевая

Примечание: * - x/= xi -6 – нормально распределенные случайные числа в интервале (-3;3); x - равномерно распределенные случайные числа в интервале (0;1);
                    ** - продолжительность времени технологической паузы и температуры воздуха в здании с достаточной точностью можно моделировать по эмпирической функции распределения этого показателя.
    Моделирование случайных величин, с заданным законом распределения можно выполнить с помощью табличного процессора Microsoft Excel [2]. Для этого в меню Сервис необходимо выбрать опцию пакета Анализа – Анализ данных/Генерация случайных чисел. Необходимо указать число переменных; число случайных чисел; выбрать вид распределения из перечня: равномерное, нормальное, Бернулли, биноминальное, Пуассона, модельное и дискретное; задать параметры распределения; указать случайное рассеивание (любое целое число в диапазоне: 1…32767) и определить выходной интервал моделирования.
    Существующее сложное экономическое положение в отрасли не способствует своевременной замене электрооборудования ШПУ, исчерпавшей нормативный срок службы. Показателем надёжности, определяющим срок службы ШПУ является долговечность.
    Долговечность – согласно [3] это свойство объекта выполнять требуемые функции до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.
    Исследования эксплуатационных показателей долговечности электрооборудования ШПУ [1] свидетельствует о том, что срок службы (Тсл, лет) элементов электрооборудования меняется в интервале от 0,02 (короткозамкнутый виток) до 12 (обмотка статора). Кроме того, средняя наработка между отказами – (MTBF) находится в пределах 103…5810ч, среднее время восстановления – (MTTR) 1,54…3,94ч, а параметр потока отказов – z(t)сл за средний срок службы определяется выражением:

          (1.1)

где Тг – годовая продолжительность эксплуатации ШПУ (8760ч).
Показатели надёжности основных элементов системы электропривода приведены в табл. 1.3.
Таблица 1.3 – Усреднённые показатели долговечности, безотказности и ремонтопригодности электрооборудования ШПУ

Наименование элемента

Средний срок службы Тсл, лет

Средняя наработка между отказами MTBF, лет

Среднее время восстановления MTTR, ч

Параметр потока отказов z(t)сл, 10-3 ч-1

Магнитная станция вспомогательных приводов

1,3

0,0388

1,54

3,8

Роторная магнитная станция

2,1

0,0118

1,57

20,4

Магнитная станция управления главным приводом

4,0

0,0285

1,77

16,0

Приводной ЭД

7,4

0,6632

3,94

1,3

Анализ показателей надёжности (таблица 1.3) показывает, что большей средней наработке между отказами (0,0118…0,6632 лет) соответствует больший средний срок службы (1,3…7,4 лет) и среднее время восстановления элемента (1,54…3,94 ч). Исключением является MTBF магнитной станции вспомогательных приводов - 0,0338 лет. Естественно, максимальный параметр потока отказов имеет роторная магнитная станция - 20,4 10-3 ч-1, а минимальный приводной электродвигатель –1,3 10-3 ч -1.
    Несмотря на это, приводной электродвигатель считается одним из основных узлов ШПУ с максимальными функционально-стоимостными показателями. Более 78% его отказов приходится на щёточный и подшипниковый узлы, обмотки ротора и статора. Основными отказами этих элементов являются: износ контактных щеток и колец - 87% отказов щеточного узла; распайка соединений “петушков” и роторной шины - 92% отказов обмотки ротора; износ нижних вкладышей подшипников - 80% отказов узла подшипника скольжения; межвитковое замыкание и пробой пазовой изоляции - около 100% отказов обмотки статора.
   Одним из перспективных вариантов повышения долговечности и безотказности является создание автоматизированной системы управления надёжностью ШПУ. Подсистема предполагает диагностируемый (безразборный) контроль основных электрических и механических элементов ШПУ, сбор и первичную обработку информации (обеспечение связи с датчиками); визуализацию и управление показателями надёжности ШПУ.
   В качестве датчиков могут быть использованы индуктивные датчики приближения фирмы Dr. Klaschka. Для сбора, передачи и первичной обработки информации целесообразно применение промышленных контроллеров SLC-500 производства Allen-Bradley, а также контроллеров Micrologix 1000 и 1500, Control Logix 5500 с програмным обеспечением RSLinx. Уровень человеко-машинных интерфейсов (SCADA-системы – операторский контроль и представление данных) может реализовываться рабочими станциями оператора на RISC или Intel – совместимой платформе специальными програмными продуктами визуализации типа RSView32, RTAP/PLUS.

Начало страницы