Введення

Висока продуктивна й безперебійна робота гірничо-шахтного обладнання може бути забезпечена тільки своєчасним і якісним проведенням технічного обслуговування й ремонту. Підйомні установки є самим енергоємним устаткуванням і вимагають висококваліфікованого обслуговування.

У зв'язку зі зростанням виробництва з'явилася необхідність модернізації й збільшення парку виробничого встаткування. Як показали дослідження, парк підйомних машин застарів і їхня експлуатація здійснюється значно довше встановлених нормативних строків. Визначення технічного стану всіх елементів підйомних машин дозволить виключити аварійні ситуації.

1 Актуальність теми

Опорні вузли корінного вала є основною й найбільш вразливою частиною шахтних підйомних машин. Для ефективної експлуатації цих елементів необхідна своєчасна й об'єктивна інформація про їхній технічний стан.

Необхідність дослідження стану опорних вузлів, вплив динамічних навантажень на зборку корінного вала й визначають актуальність даної роботи.

2 Мети наукової праці

Розробка методу оцінки технічного стану й визначення припустимих зусиль навантаження опор корінного вала шахтних піднімальних машин.

3 Огляд існуючого стану проблеми

Підшипники кочення є найпоширенішими й найбільш уразливими елементами будь-якого роторного механізму. Вони здійснюють просторову фіксацію обертових роторів і сприймають основну частину статичних і динамічних зусиль, що виникають у механізмі. Тому технічний стан підшипників є найважливішою складовою, яка визначає працездатність механізму в цілому.

4 Огляд досліджень і розробок за темою

Вперше систематичні методи виявлення несправностей знадобилися для діагностики електричних схем. Одним з перших праць, які відносяться до ТД, є робота Чегіс І.А. і Яблонського С.В., присвячена діагностиці релейно-контактних електричних схем з використанням апарата математичної логіки й методу мінімізації нульових функцій.

Подальші дослідження були проведені Брюле Д.Д., Джонсоном Р.А. і Клетковским Є.Д. по відшуканню несправностей у технічних пристроях, спрямовані на розробку методів діагностування електронних аналогових схем із застосуванням математичних моделей об'єктів діагностики. Такий же підхід використаний і в роботі, присвяченої питанням контролю працездатності автоматів. Результатом досліджень у цьому напрямку стала спільна праця Верзакова Г.Ф., Рабиновича В.И., Тимоняна Л.С. і інших співробітників Інституту автоматики й електрометрії Сибірського відділення АН СРСР за редакцією Карандеева К.Б. У ній виділений предмет технічного діагностування як наукова дисципліна, намічене широке коло питань, що підлягають дослідженню. Він з'явився не тільки узагальненням проведених робіт, але й прогнозом на майбутнє.

Роботи з розпізнавання образів виконані Васильєвим В., Гореликом А. і Скрипником В., Загоруйко Н., Ту ДЖ. і Гонсалесом Р., Фу К.

У роботах процеси контролю розглядаються як керовані ланцюги Маркова. Станами марковской ланцюги є не стани об'єкта контролю, а стану процесу пошуку. Проблемам прогнозування технічного стану систем присвячено монографії Мозгалевского А.В. Гаскарова Д.В., Гонкевича Т.А., Силина В.Б. і Заковрятина А.М.

Існуючі методи ТД ШПМ дозволяють одержати об'єктивну інформацію про її стан, але сполучені з великою трудомісткістю й необхідністю проведення нових налагоджувальних робіт.

Віброакустична діагностика машин дає можливість не тільки встановити причини й наслідки динамічних процесів, що протікають у них, але й оцінює ТС, визначає залишковий ресурс, підвищує ефективність експлуатації (є розділом теорії надійності машин і механізмів).

Дослідженнями з діагностування шахтних стаціонарних установок займаються співробітники науково-дослідницького інституту гірничої механіки ім. М.М.Федорова - Б.А. Прийдешній, В.И. Дворників, В.Е. Зданевич, А.Н. Коваль, Ж.Х. Місюра, В.И. Мялковський, И.П. Овсієнко, В.А. Пристром, В.А. Романов, В.Ф. Рубан, В.А. Стешенко, В.А. Трибухін і ін. Завдяки їхнім роботам проводиться технічна діагностика всього гірничо-шахтного встаткування, визначається його стан, вирішуються питання промислової безпеки й можливості подальшої експлуатації.

Рішенню проблем створення надійних, високоефективних в експлуатації гірничих машин і комплексів присвячені роботи вчених - механіків: Я.И. Альшица, Н.Г. Бойко, Г.М. Водяника, В.Н. Гетопанова, П.А. Горбатова, В.Г.Гуляєва, А.И. Дєєва, А.В. Докукина, Н.Г. Гаркавого, В.П. Кондрахіна, Ю.Д. Красникова, В.И. Морозова, В.В. Паку, А.К.Семенченко, Г.И. Солоду, С.В. Солоду, Г.Ш. Хазановича, М.Н. Хальфіна, Н.Е. Шевченко й ін.

Значний внесок у розробку динаміки гірничих машин внесли колективи інститутів ІГД ім. А.А.Скочинського, Доннту, НІДГМ ім. М.М.Федорова, ЮРДТУ (НПІ), Шахтниум ім.А.М.Терпигорєва й ін.

Дослідженням вібрації й шуму гірничих машин присвячені роботи Г.Д.Добровольского, А.В. Єпифанова, С.Г. Кожевникова, М.С. Островського, Л.Н. Пятибратовой, В.В. Попова, В.Г. Рєзникова, Ю.В. Флавицкого й ін.

Теоретичні основи розрахунку сучасних підйомних установок створені М.М. Федоровим і його учнями. Великий внесок внесли й сучасні українські вчені Ф.Л. Шевченко, О.А Горошко, Н.Г.Гаркуша, В. И. Самуся, К.С. Заболотний, С.Р. Ільїн, А.Н. Голубєнцев, Б.Л. Давидов, Б.А. Морозов, В.И.Двірників, В.М. Чермалих й інші.

У роботах Б.Л. Давидова, А.Н. Голубенцева, Н.Г.Гаркуші й Б.А. Морозова вирішувалися завдання динамічної взаємодії дискретних інерційних елементів підйомних машин, з'єднаних між собою пружними торсіонними зв'язками.

У серії робіт Н.Г. Гаркуші, В.И. Дворнікова, Л.В.Колосова рівняння руху динамічної системи «машини - канати - вантажі» записані з урахуванням змінності довжин масивних канатів і представлені у формі системи звичайних нелінійних рівнянь.

Дослідженнями із запобігання ковзання канатів у багатоканатних підйомних системах займалися вчені В.И. Двірників, А.Г. Степанов і Е.С. Траубе.

Питаннями працездатності й надійності приводів гальмових систем займалися вчені В.И.Бєлобров, В.И. Самуся, С.Р. Ільїн .

При розробці математичної моделі динамічного стану підйомної машини виникає проблема обліку масивності головних і канатів, що врівноважують, довжина яких, особливо в машин ЦШ, досягає 1600метрів, а їхня маса іноді може перевершувати масу вантажів. Ця проблема вперше вирішена Г.Н. Савиновым і О.А. Горошко.

У роботі Яценко В.А. вперше доведено, що в режимі усталеного руху, внаслідок експлуатаційного зносу й піддатливості підшипникових опор, корінний вал ШПУ крім обертання робить просторові кутові переміщення, названі прецесією й нутацією, що приводить до підвищених динамічних навантажень на опори вала; установлено, що по ступенях свободи, пов'язаним із прецесією й нутацією вала ШПМ, можливе виникнення параметричних нестійких коливань аварійно-небезпечного рівня; установлені залежності лінійного характеру границь стійкості коливань вала ШПМ по прецесії й нутації від параметрів підйомної установки й швидкості обертання вала; установлена залежність лінійного характеру зусиль, що діють на підшипникові опори корінного вала безредукторної шахтної піднімальної машини, від величини віброускорень.

5 Побудова математичної моделі динаміки корінного вала підйомної машини

Сили, що діють на вал машини

Рисунок 5.1 – Схема дії сил на корінний вал машини

На рис. 5.1 схематично у двох проекціях показана розрахункова схема корінного вала OAс пов'язаним з ним валом ротора двигуна OD. Вважається, що корінний вал машини опирається на податливі опори підшипників у точках і В, а вал ротора – на недеформовані опори в точках С і D Опори вала в точках А и В мають коефіцієнти твердості СX і СY відповідно напрямкам осей координат. Сили G'Б = GБ/2, де GБ - вага барабана машини, нарівно розподілений на дві маточини в крапках А', В'. Сила GB - вага корінного вала, що передбачається зосередженим у крапці О', що є серединою прольоту АВ. Сили Рхk і РYk (k = 1, 2, ..., n) - це проекції на відповідні осі сумарних зусиль у що набігає й збігає вітках k -го каната при загальній їхній кількості рівному n.

Для варіанта розташування шківів, що відхиляють, на вітці, що збігає, мають місце наступні співвідношення:

де Fнаб и Fсб – сумарні динамічні зусилля в вітках, що набігають і збігають всіх канатів безпосередньо біля барабана машини;

α"₀ - кут обхвату канатом шківа тертя;;

δRk - відхилення k-го радіуса струмка від середнього радіуса навивки R;

A - агрегатна поздовжня твердість каната;

f1,f2 - безрозмірні функції.

Сили FХ1, FХ2, FY1, FY2, показані штрихом, є проекціями сил впливу відповідних маточин на корінний вал у точках А', В':

Реакції пружних опор у точках А и В, записуються з використанням співвідношень (2) з умов рівності нулю моментів сил щодо крапки О, у наступному виді:

де позначено δ = 2 (Δ + Δ') + (n - 1)δ + δ' - довжина корінного вала. З рис 5.1 видно, що

Реакції RX1 і RY1 визначаються як добуток коефіцієнтів твердості СX, СY на відповідні поперечні переміщення вала в крапці А (див. мал. 1) ХА,YА, узяті із протилежними знаками, тобто RХ1=-СХХА, RY1=-СYYА. Тому що радіус-вектор ОА в рухливій системі має компоненти (0, 0, δ"), тоді компоненти цього ж вектора ХА, YА, ZА в нерухомих осях знаходять за допомогою аk = Аkiа', а'k = Аikаi, зробивши наступні операції квадратної матриці на матрицю-стовп:

Отже, ХА=δ"β sinα, YА=-δ"β cosα, таким чином, динамічні компоненти реакції правого підшипника визначимо як

Аналогічним образом у силу умов пропорційності (4) записуються подібні співвідношення для правого підшипника:

Квазидинамічні величини прецесії й нутації перебувають за допомогою першого й третього виражень із (2) як рішення системи рівнянь

У силу умов пропорційності одержимо

З (7) і (8) випливають:

где α и β ? квазидинамічні величини динамічних величин прецесії α и нутації β вала.

Компоненти аксіального вектора моментів зовнішніх сил M щодо точки О (див. рис 5.1):

де МЭ - електродинамічний момент двигуна.

Якщо ж у співвідношення (10) підставити значення (7) і (8), одержимо:

Помітимо, що (11) визначають компоненти моментів сил у нерухомій системі координат, а це є істотною обставиною для виводу диференціальних рівнянь руху вовчка.

При спрощеному підході досить вважати корінний вал звичайним ротатором довжиною δ" і масою GВ/g,а барабан - порожнім циліндричним тілом довжиною lδ = 2Δ+ (n-1)δ і масою GБ/g. Тоді з достатньої для інженерних цілей точністю можна записати:

Кінетичний момент інерції IZ дорівнює:

Отже, отримані формули можуть служити вихідними для виводу й подальших рішень рівнянь динаміки розглянутої системи.

6 Технічна діагностика

Різні умови експлуатації й технічного обслуговування приводять до того, що при одній і тій же тривалості роботи вузли шахтних підйомних машин мають різний технічний стан. У процесі експлуатації це може привести до недовикористання індивідуальних ресурсів елементів або всієї машини, або, того гірше, до створення аварійної обстановки.

Виявити все це можна тільки за допомогою технічного діагностування з використанням сучасних методів і засобів.

Основне завдання ТД полягає у визначенні стану, у якому перебуває досліджувана система. Для цього застосовуються різні методи ТД (рис. 6.2)

На основі отриманих даних при діагностуванні технічних об'єктів і приймаються рішення про необхідність проведення ремонту встаткування й способах відновлення його працездатності. Ці заходи можуть бути реалізовані висококваліфікованими інженерними кадрами.

Особливістю діагностування механічних систем є перевага процедур виміру над процедурами контролю. Основним вимірюваним параметром при цьому є вібросигнал. Тому проводяться дослідження з розробки принципів віброакустичної діагностики машин і створенню відповідних апаратур.

Заключна частина

На даному етапі роботи визначені зовнішні сили, моменти сил, що діють на зборку корінного вала, і визначені кінетичні моменти інерції його елементів. Поставлено завдання про динамічний стан корінного вала ШПМ, як складовій частини загальної механічної системи (корінний вал, ротор двигуна, канати й підйомні посудини).

Напрямок подальших досліджень:

• розробити метод оцінки технічного стану підшипникових опор корінного вала шахтних піднімальних машин;
• вивчити особливості формування коливальних процесів у корінній частині ШПМ;
• провести аналіз вібраційних процесів корінної частини ШПМ і розробити математичну модель динамічних зусиль корінної частини ШПМ;

Перелік посилань


1. Дворников В.И., Яценко В.А.Разработка математической модели системы «Сосуды – Канаты – Машина – Трансмиссия – Двигатель» с учетом распределенных масс канатов. - Сборник научных трудов НИИГМ имени М.М.Федорова №101, «Проблемы эксплуатации оборудования шахтных стационарных установок». - Донецк, 2006.- С.140 – 152.
2. Барков А.В.,Баркова Н.А., Азовцев А.Ю. Мониторинг и диагностика роторных машин по вибрации.- Ассоциация ВАСТ, Россия, С-Петербург, 2000.
3. Яценко В.А. Обоснование силовых параметров нагружения опор коренного вала шахтных подъемных машин. Дис. канд. техн. наук, 2008 – 191 с.
4. Дворников В. И., Яценко В. А. Создание математической модели силовых факторов, действующих на вал подъемной машины. - Науковi працi Донецького Нацiонального Технiчного Унiверситету. Випуск 12(113), серiя гiрничо-електромеханiчна - Донецьк: ДонНТУ, 2006 - с.99-104
5. Пристром В.А., Трибухин В.А., Рубан В.Ф., Яценко В.А. Особенности определения технического состояния подшипников качения коренных валов многоканатных подъемных машин.- Сборник научных трудов ВНИИГМ имени М.М.Федорова №99 «Проблемы эксплуатации оборудования шахтных стационарных установок». - Донецк, 2005. - С.140-154.
6. Бежок В.Р., Дворников В.И., Манец И.Г., Пристром В.А. Шахтный подъем.- Донецк: «Юго-Восток, ЛТД», 2007. – 624с.
7. Бейзельман Р.Д., Цыпкин Б.В., Перель Л.Я. Подшипники качения, Справочник, М, «Машиностроение», 1975 г., 572 с
8. Диагностика подшипников качения шахтных подъемных установок. Яценко А. Ф., канд. техн. наук, доц., Еськова Ю. П., студентка, Донецкий национальный технический университет.
9. Обзор вибрационных методов и технических средств, предназначенных для диагностики подшипников качения [Электронный ресурс] http://www.vibrocenter.ru/vibro01.htm

10. Современное состояние виброакустической диагностики машин, Баркова М.А. [Электронный ресурс] http://www.masters.donntu.ru/2004/fizmet/kvasov/library/lib4.htm

11. Балансировка машин в условиях их эксплуатации, Шаблинский А.Г., Баркова М.А. [Электронный ресурс] http://www.vibrotek.ru/russian/biblioteka/book26


НАГОРУ

При написанні даного автореферату магістерська робота ще не закінчеа. Дата завершення роботи: 1 грудня 2010 р.