1 Введение

Актуальность темы. Шахтная подъемная машина является важнейшей частью стационарной подъемной установкой. От того, насколько надежно и экономично работает подъемный комплекс, зависит какое количество полезного ископаемого будет доставлено на поверхность, от нее зависит производительность шахты.

Подъемная машина представляет собой комплекс энергомеханического оборудования (орган навивки, приводной двигатель, тормозная система), который служит для спуска подъема материалов, грузов.

На сегодняшний день срок службы более половины подъемных установок истек или они работают на граничном режиме. В силу старения установок, использования в них материалов, характеризующихся низкими показателями сопротивляемости коррозионному износу, значительно снижается их ресурс, надежность и точность работы, увеличивается количество отказов, растет количество внеплановых ремонтов. В этих условиях актуальной является проблема неразрушимого контроля, диагностирования технического состояния подъемной машины, прогнозирования и предупреждения возможных неисправностей и отказов [1].

Назначение автоматизированной системы вибродиагностики – выявление, но и предупреждение отказов и неисправностей, прогнозирование состояния в целях полного доремонтного и межремонтного ресурса.

С помощью вибродиагностики состояния механических узлов и агрегатов шахтной подъемной машины осуществляется непосредственный контроль динамического силового воздействия, благодаря чему возможно на более ранней стадии обнаружить и предупредить неисправность или дефект. Так, повреждение отдельных элементов агрегатов шахтной подъемной машины вызывает мгновенное изменение уровня и частотных характеристик вибрационного спектра. Автоматизированная система диагностирования по параметрам вибрации позволила бы повысить срок службы работы механизмов, сократить число внеплановых ремонтов и простоев, повысить надежность работы и эффективность использования скипового в целом.

Объект исследований – скиповая подъемная машина.

Цель работы– повышение срока службы подъемной машины путем диагностики технического состояния ее механических узлов и агрегатов.

Задачи. Для достижения поставленной цели предполагается решить следующие задачи:

1. Изучение и анализ работы шахтной подъемной машины, поиск способов и методов повышения срока эксплуатации ее механических узлов.

2. Разработка математической модели с целью изучения поведения исследуемых узлов, анализ полученных результатов моделирования.

3. Моделирование системы вибродиагностики, проверка её эффективности.

4. Разработка технической реализации системы диагностики технического состояния подъемной машины.

Научная новизна и практическая ценность. На данный момент используемые в горной промышленности системы автоматизации не обеспечивают полную диагностику неисправностей шахтной подъемной установки, поэтому целесообразным является разработка дополнительных блоков по диагностированию и прогнозированию ее состояния. Научная новизна заключается в установдении закономерностей автоматизации процесса диагностирования по параметрам вибрации.

Практическая ценность заключается в разработке автоматизированной системы диагностирования шахтной подъемной машины, которая позволит не только выявлять существующие неисправности, но и предупреждать отказы, защитить машину от аварийных режимов работы.

2 Обзор исследований и разработок по теме

На территории Украины и стран бывшего СССР, фундаментальными исследованиями шахтного подъема занимается институт горной механики им. М.М.Федорова. Вопросами диагностики механической части подъемной установки занимаются: Б.А. Грядущий, В.И. Дворников, В.Е. Зданевич, А.Н. Коваль, В.А. Пристром, В.А. Трибухин, В.А. Яценко.

Вопросами вибродагностики и вибродиагностического оборудования занимаются множество организаций, на территории Украины можно выделить следующие [2]:

1. «Промвитех» (Киев, Украина). Производство измерительного оборудования контроля параметров вибрации, механических величин, устройств грозозащиты, искрозащиты.

2. «Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины» (Харьков, Украина). Работают отделы надежности и динамической прочности, нестационарных механических процессов, прочности и оптимизации конструкций, вибрационных и термопрочностных исследований, прикладной математики и вычислительных методов, математического моделирования и оптимального проектирования, моделирования и идентификации тепловых процессов.

3. ИТЦ «Вибродиагностика» (Северодонецк, Украина). Разрабатывает и поставляет виброизмерительную и виброанализирующую аппаратуру, датчики вибрации, программные средства вибрационного мониторинга.

4. НПП «ЦЭД» (Днепропетровск, Украина). Оценка технического состояния электромеханических систем крупных промышленных механизмов.

5. «Пергам-Украина» (Киев, Украина). Поставка промышленного диагностического оборудования, приборов и систем контроля технологических процессов и диагностическое обследование промышленных предприятий.

Российские предприятия и организации:

1. «Акустический институт имени академика Н. Н. Андреева» (Москва, Россия). Проведение фундаментальных и прикладных исследований в области акустики.

2. «Ассоциация «ВАСТ» (Санкт-Петербург, Россия). Разработка, производство и поставка систем вибрационного мониторинга, диагностики и балансировки оборудования на месте их эксплуатации.

3. «Диамех 2000» (Москва, Россия). Разработка и производство вибродиагностического (от простейших виброметров до современных многоканальных виброанализаторов и систем непрерывного контроля вибрации) и балансировочного оборудования. Выполнение комплексных работ по вибродиагностике и виброналадке различного роторного оборудования.

4. «Лаборатория вибродиагностики» (Уфа, Россия). Разработка и внедрение средств вибродиагностики и центровки агрегатов нефтяной промышленности.

5. НПЦ «Динамика» (Омск, Россия). Разработка методов и приборов виброакустической диагностики машин, механизмов и процессов.

Предприятия и организации ближнего и дальнего зарубежья:

1. «Aura» (Милевско, Чехия). Разработка и поставка систем управления и диагностики для промышленных объектов.

2. «Metrix Instrument Co.» (Хьюстон, США). Производство оборудования для измерения и контроля вибраций, а также обеспечения аварийной защиты промышленных установок при возникновении неисправностей: вибровыключатели, преобразователи, датчики, сигнальные устройства и портативные измерители.

3. «RK-SYSTEM» (Гродзиск-Мазовецки, Польша). Разработка и производство систем измерения и диагностики вибрации, балансировки.

4. «VibroSystM» (Монреаль, Канада). Поставка решений для проведения измерений и мониторинга состояния всех видов вращающегося оборудования, включая гидрогенераторы, турбогенераторы, крупногабаритные электрические двигатели, насосы и компрессоры.

На сегодняшний день существует большое количество диагностического оборудования, которое по уровню решаемых задач и конструктивному исполнению делятся на следующие группы:

1. Портативные приборы. Предназначены для контроля одного или нескольких диагностических параметров: температуры, параметров вибрации, частоты вращения, тока, напряжения и т.д. Портативные приборы используются ремонтными службами для получения оперативной информации о состоянии оборудования.

2. Анализаторы – позволяют выполнить детальный анализ диагностических параметров. На основании полученной информации проводится обнаружение повреждений на ранней стадии развития. Среди данного класса средств технического диагностирования необходимо выделить спектроанализаторы вибрации. Данные приборы требуют высокой квалификации обслуживающего персонала и используются специализированными подразделениями – службами технического диагностирования и наладки оборудования.

3. Встроенные системы технического диагностирования осуществляют непрерывный контроль состояния оборудования в реальном масштабе времени. Основные задачи: защита оборудования от ненормативных режимов работы, мониторинг технического состояния, диагностирование состояния оборудования.

Стационарные системы вибродиагности шахтных подъемных машин в настоящее время на территории Украины еще не внедрены. Нормативными документами регламентируется вибродиагностика вентиляторов главного проветривания шахт и рудников, для ее проведения используют переносные виброанализаторы. На Российских промышленных предприятиях также используют переносное диагностическое оборудование. В странах дальнего зарубежья для диагностики механической части подъема применяют полу стационарные системы. Наибольшее распространение в Украине вибродиагностика получила в металлургической промышленности.

3 Построение системы вибродианостики шахтной подъемной машины

Одним из способов выявления дефектов в механических узлах (агрегатах) шахтной подъемной машины на ранней стадии и текущего контроля их состояния может быть спектральный анализ сигналов вибродатчиков, установленных в характерных точках отбора информации [3]. Суть метода заключается в разложении с использованием ряда Фурье выходных сигналов датчиков на гармонические составляющие для дальнейшего анализа их частотной составляющей и регистрации возможного превышения амплитуд вибрации на частотах, совпадающих с собственной частотой контролируемого узла. В соответствии с методом сигнал вибродатчика раскладывается в ряд Фурье [4]:

(1)

Если текущая реализация имеет непериодический характер, а характер случайного процесса стационарный, то выражение (1) обобщается:

(2)

Заданная выражением (2) функция представляет собой частотный спектр. При ограниченной реализации стационарного случайного процесса и измерении уровня вибрации в течение заданного интервала времени функция оценивается через финитное преобразование Фурье:

(3)

Для двух стационарных случайных процессов преобразования Фурье к-ой реализации длины и их взаимная спектральная плотность определяются как [5]:

(4)

(5)

(6)

Структурная схема разрабатываемого устройства диагностики состояния механических узлов и агрегатов шахтной подъемной машины приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Структурная схема устройства диагностики состояния подъемной машины

В качестве датчиков вибрации использованы помехоустойчивые виброакустические преобразователи. Полосовые фильтры, выделяют компоненты выходного сигнала преобразователя в необходимой области частот. Конструкцией устройства предусматривается применение 1/1 октавных фильтров с центральной частотой от 1 Гц до 16 кГц и 1/3 октавных фильтров с центральной частотой от 0,8 Гц до 20 кГц [6].

Блок согласования ограничивает частоту аналогово-цифровых преобразований половинной частотой выборки сигналов вибрации. Он состоит из частотного фильтра и операционно-усилительного каскада.

Для обеспечения точности преобразования 0,1% применен десяти разрядный АЦП со ступенчатой аппроксимацией. Микроконтроллер ATmega 64 [7] в соответствии с разработанным алгоритмом обрабатывает текущие сигналы виброускорения и сравнивает их с нормативными значениями. На индикатор пульта управления и в блок защиты подъемной установки поступают сигналы о состоянии его механических узлов (агрегатов). Работа устройства диагностики состояния механических узлов и агрегатов скипового подъема сводится к следующему (рис. 2).

Рисунок 2 – Частотный спектр виброскорости механического узла

На рисунке приведены следующие обозначения: А – амплитуда виброскорости, F – частота в разложенном спектре, I – Нормальный уровень вибрации, II – повышенный уровень, III – аварийный уровень.

В точках 1 и 5 виброускорение незначительно превышает норму, и механические узлы (агрегаты) подъемной машины с частотой собственных колебаний 3,8 и 10,2 кГц испытывают незначительные динамические нагрузки, которые в дальнейшем могут привести к развитию усталостных явлений в металле, появлению деформаций и повреждений. На этом этапе работы подъема устройство формирует на индикаторе пульта управления команду-рекомендацию машинисту о принятии решения об дальнейшей эксплуатации и техническому обслуживанию дефектных узлов (агрегатов). В точках 2,3 и 4 уровень вибрации значительно превышает нормативное значение виброскорости и требуется немедленная остановка подъема, что осуществляется устройством автоматически, без участия машиниста комбайна. Дальнейшая эксплуатация комбайна возможна только после ремонта узлов (агрегатов).

Таким образом, разработанное устройство позволяет диагностировать механическое оборудование механических узлов и элементов подъема, своевременно предупреждать машиниста о возникновении и развитии возможных аварийных ситуаций.

3 Подшипники качения как основные элементы нагружения валов машины

Подшипниковые узлы являются неотъемлемой частью современных машин и механизмов и часто лимитируют их ресурс. Во время эксплуатации оборудован6ия отсутствует доступ к подшипниковым узлам, поэтому актуальной задачей является разработка методов неразрушимого контроля их состояния. Одним из таких методов является вибродиагностика с применением спектрального анализа. Эксплуатационные дефекты подшипников можно разделить на основные группы [8]:

1. разрушения от усталости материала;

2. повреждения от повышенного износа;

3. разрушения, связанные с изменением зазоров и посадок между деталями подшипников и опорами ротора;

4. повреждения из-за недостаточности или передачи подачи смазки.

Усталостные разрушения подшипников качения проявляется в виде крашивания материала дорожек колец и тел качения и может происходить из-за чрезмерно больших нагрузок или скоростей вращения. Износ деталей подшипников выше допустимого, особенно тел качения и поверхности колец, приводит к увеличению радиальных зазоров, приводящих к смещению ротора. Износ гнезд сепаратора происходит в результате неправильного монтажа подшипников, от действия больших осевых нагрузок, от выкрашивания дорожек качения. Кроме изнашивания имеют случаи усталостного разрушения сепаратора, появления трещин и разрыв перемычек и сепаратора. При определенных условиях работы возможно проскальзывание внутреннего кольца подшипника относительно тел качения., что приводит к износу поверхностей качения. Одной из причин разрушения подшипника является масляное голодание, приводящее износу тел качения и сепаратора.

При вычислении основных частотных составляющих возмущения подшипников качения принята гипотеза преимущественного действия ударных возбуждающих сил.

Частота вращения сепаратора подшипника определяется из выражения:

(7)

Частота вращения тел качения определяется из выражения:

(8)

Частота мелькания тел качения по наружному кольцу подшипника:

(9)

Частота мелькания тел качения по внутреннему кольцу подшипника:

(10)

В отличие от выражения (2), характеризующего нормальное состояние механических узлов, частотная составляющая вибрации, обусловленная дефектами форм тел качения, определяется как:

(11)

Соответственно частотная составляющая вибрации, вызванная изменением формы внутренней дорожки в подшипнике, определяется из выражения:

(12)

Частота вибрации, вызванная изменением формы качения внешней дорожки, определяется из выражения:

(13)

В выражениях (7) – (13) приняты следующие обозначения: d – диаметр тел качения, D – диаметр окружности, проходящей через центры тел качения, α – угол контакта тел качения и кольца подшипника, z – число тел качения [9].

Таким образом, применение спектрального анализа частотных составляющих дефектов позволяет своевременно выявить и оценить техническое состояния подшипников качения, идентифицировать вид зарождающегося дефекта и степень его развития.

Рисунок 3 – Развитие дефекта сепаратора подшипника и его частотный спектр

( gif–анимация, объем: 110 Кб (подшипник) и 78,5 Кб (частотный спектр), 16 кадров, задержка между кадрами – 100 мс, количество повторений цикла анимации – 3)

4 Оценка технического состояния механических узлов и элементов шахтного подъема по виброскорости.

Оценка технического состояния механической части машин и механизмов с возвратно-поступательным и вращательным движением требуется для принятия решения о продлении срока эксплуатации оборудования. К методам оценки состояния элементов машин, относиться вибродиагностика. После проведения вибродиагностических измерений ставиться задача оценки технического состояния по полученным данным [10]. На сегодняшний день существуют определенные критерии оценки вибрационного машин и механизмов. Одним из критериев является оценка состояния по среднеквадратичному значению виброскорости, который связан с определением границ для абсолютного значения параметра вибрации, соответствующих допустимым динамическим нагрузкам на подшипники и допустимой вибрации передаваемой через опоры и фундамент. Максимальное значение, полученное в результате измерения на каждом подшипнике или опоре, сравнивают с границами зон, установленных исходя из международного опыта проведения исследовании и эксплуатации. Данные зоны предназначены для качественной оценки вибрационного состояния машин и принятия решения о продлении срока эксплуатации механического оборудования (рисунок 4).

На рисунке 4 приведены четыре критериальные зоны и указаны границы частотного диапазона. Зона А – В эту зону попадают, как правило, новые машины, только что введенные в эксплуатацию. Зона В – Машины, попадающие в эту зону, обычно считают пригодными для дальнейшей эксплуатации без ограничения сроков. Зона С – Машины, попадающие в эту зону, обычно рассматриваются как непригодные для длительной непрерывной эксплуатации. Данные машины могут функционировать ограниченный период времени, пока не появится подходящая возможность для проведения ремонтных работ. Зона D – Уровни вибрации в данной зоне обычно рассматривают как достаточно серьезные, вызвающие повреждение машины.

Рисунок 4 – Общий вид критериальных кривых среднего значения виброскорости

Установлено, что ниже частоты Fx и выше частоты Fy допустимое значение виброскорости является функцией частоты f вибрации. Для зоны от Fx до Fy применим критерий постоянной виброскорости – именно для данного критерия приведены значения границ. Более точное определение критериев приемки и значений F1, Fu, Fx и Fy должно быть даны в стандартах на машины конкретных типов.

(14)

Va – среднее квадратическое значение виброскорости, которое соответствует диапазону частот между Fx и Fy, мм/с; G – коэффициент, определяющий границы зон. Данный коэффициент может зависеть от рабочих характеристик машины: скорости, нагрузки, давления и т. п.; Fx, Fy – установленные границы диапазона частот, в пределах которого критерий определяется на основе одного значения параметра виброскорости, Гц.

Если в результате измерений значительная часть вибрационной энергии сосредоточена за пределами диапазона частот Fx … Fy, возможны следующие решения:

Кроме измерений виброскорости проводят измерения в широкой полосе частот виброперемещения (если основная часть энергетического спектра лежит ниже Fx) или виброускорения (если основная часть энергетического спектра лежит выше Fx). Допустимые значения параметров виброперемещения или виброускорения получают из рисунка 4, переводя значения виброскорости на краях кривых в постоянные значения виброскорости и виброускорения соответственно. Вибрацию можно считать допустимой, если она является таковой по всем критериям (перемещения, скорости и ускорения).

С помощью анализатора спектра в спектре вибрации выделяют мощные частотные составляющие и определяют для них значения виброперемещения, виброскорости и виброускорения. После этого рассчитывают эквивалентное значение параметра виброскорости: для частотных составляющих, лежащих ниже Fx и выше Fy, ее весовые коэффициенты берут в соответствии с рисунком 4. Окончательную оценку делают на основе сравнения с граничными значениями в диапазоне Fx … Fy.

Используют измерительный прибор, форма частотной характеристики которого в области, где сосредоточена вибрационная энергия машины, совпадает с формой кривых на рисунке 4. Окончательную оценку также делают на основе сравнения с граничными значениями в частотном диапазоне Fx … Fy [11].

Применение критерия вибрационного состояния машин по среднеквадратичному значению скорости позволяет оценить техническое состояние исследуемых объектов и принять решение о дальнейшей их эксплуатации.

Список источников

1. Бежок В.Р. Шахтній підйом. / В.Р. Бежок, В.И. Дворников, В.А. Пристром // ООО«Юго-Восток, Лтд», Донецк, 2007. – 624с.

2. http://vibro.donntu.ru/links.html Международный научно-технический и производственный журнал «Вибрация машин: измерение, снижение, защита» [электронный ресурс].

3. Сидоров В.А. Выбор средств технического диагностирования механического оборудования. Вибрация машин: измерение, снижение, защита.« материалы 2-ой международной конференции» / В.А. Сидоров, А.Л. Сотников // ДонНТУ, Донецк, 2003. – 248с.

4. Бендат Дж. Применение корреляционного и спектрального анализа: Пер. с англ./ Дж. Бендат, А. Пирсол //М, Мир, 1983. - 312с.

5. Корн Г. Справочник по математике. / Г. Корн, Т. Корн // М.: Наука, 1968. – 720 с.

6. Горелик А.П. Построение системы распознавания. / А.П. Горелик, В.А. Скрипник // М., Советское радио, 1974. – 222 с.

7. Ерохин И. И. Конспект лекций по дисциплине «Основы цифровой техники и программирования микроконтроллеров автоматики» для студентов специальности 7.09.2501 / И. И. Ерохин. // ДонНТУ, Донецк, 2001.- 53 с

8. Барков А. В. Мониторинг и диагностика роторных машин по вибрации. / А. В. Барков, Н.А. Баркова, А.Ю. Азовцев // Ассоциация ВАСТ, Россия, С-Петербург, 2000.

9. Балицкий Ф.Я. Виброакустическая диагностика зарождающихся дефектов. / Ф.Я. Балицкий // Наука, Киев, 1986г.

10. Сидоров В.А. Границы различения технических состояний машин. Вибрация машин: измерение, снижение, защита «материалы 2-ой международной конференции» / В.А. Сидоров, А.В. Сидоров // ДонНТУ, Донецк, 2003. – 248с.

11. ГОСТ ИСО 10816-1-97 Контроль состояния машин по результатам измерений вибрации на не вращающихся частях [электронный ресурс].

При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Дата завершения работы: 1 декабря 2010 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его научного руководителя после указанной даты.