АВТОРЕФЕРАТ

1 Введення

Актуальність теми. Шахтна підйомна машина є найважливішою частиною стаціонарного підйому. Від того, наскільки надійно і економічно працює підйомний комплекс, залежить яка кількість корисної копалини буде доставлена на поверхню, від неї залежить продуктивність шахти.

Підйомна машина є комплексом енергомеханічного устаткування (орган навивки, приводний двигун, гальмівна система), який служить для спуску підйому матеріалів, вантажів.

На сьогодні термін служби більше половини підйомних установок витік або вони працюють на граничному режимі. Через старіння установок, використання в них матеріалів, що характеризуються низькими показниками опірності корозійному зносу, значно знижується їх ресурс, надійність і точність роботи, збільшується кількість відмов, росте кількість позапланових ремонтів. У цих умовах актуальною є проблема неруйновного контролю, діагностування технічного стану підйомної машини, прогнозування і попередження можливих несправностей і відмов [1].

Призначення автоматизованої системи вібродіагностики – виявлення, але і попередження відмов і несправностей, прогнозування стану в цілях повного доремонтного і міжремонтного ресурсу.

За допомогою вібродіагностики стану механічних вузлів і агрегатів шахтної підйомної машини здійснюється безпосередній контроль динамічної силової дії, завдяки чому можливо на більше ранній стадії виявити і попередити несправність або дефект. Так, ушкодження окремих елементів агрегатів шахтної підйомної машини викликає миттєву зміну рівня і частотних характеристик вібраційного спектру. Автоматизована система діагностування по параметрах вібрації дозволилаб підвищити термін служби роботи механізмів, скоротити число позапланових ремонтів і простоїв скоротити число позапланових ремонтів і простоїв, підвищити надійність роботи і ефективність використання скіпового в цілому.

Об'єкт досліджень – скіпова підйомна машина.

Мета роботи – підвищення терміну служби підйомної машини шляхом діагностики технічного стану її механічних вузлів і агрегатів.

Задачі. Для досягнення поставленої мети передбачається вирішити наступні задачі:

1. Вивчення і аналіз роботи шахтної підйомної машини, пошук способів і методів підвищення терміну експлуатації її механічних вузлів.

2. Розробка математичної моделі з метою вивчення поведінки досліджуваних вузлів, аналіз отриманих результатів моделювання.

3. Моделювання системи вібродіагностики, перевірка її ефективності.

4. Розробка технічної реалізації системи діагностики технічного стану підйомної машини.

Наукова новизна і практична цінність. На даний момент використовувані в гірській промисловості системи автоматизації не забезпечують повну діагностику несправностей шахтної підйомної установки, тому доцільною є розробка додаткових блоків по діагностуванню і прогнозуванню її стану. Наукова новизна полягає у встановлення закономірностей при автоматизації процесу діагностування по параметрах вібрації.

Практична цінність полягає в розробці автоматизованої системи діагностування шахтної підйомної машини, яка дозволить не лише виявляти існуючі несправності, але і попереджати відмови, захистити машину від аварійних режимів роботи.

2 Огляд досліджень і розробок по темі

На території України і країн колишнього СРСР, фундаментальними дослідженнями шахтного підйому займається інститут гірської механіки ім. М. М. Федорова. Питаннями діагностики механічної частини підйомної установки займаються: Б.А. Грядущій, В. І. Дворників, В. Е. Зданевич, А.Н. Коваль, В. А. Пристром, В. А. Трібухін, В. А. Яценко.

Питаннями вибродагностики і вібродіагностичного устаткування займаються безліч організацій, на території України можна виділити наступні [2]:

1. «Промвитех» (Київ, Україна). Виробництво вимірювального устаткування контролю параметрів вібрації, механічних величин, пристроїв грозозахисту, искрозахисту».

2. «Інститут проблем машинобудування ім. А.Н. Підгірного НАН України» (Харків, Україна). Працюють відділи надійності і динамічної міцності, нестаціонарних механічних процесів, міцності і оптимізації конструкцій, вібраційних і термопрочностных досліджень, прикладної математики і обчислювальних методів, математичного моделювання і оптимального проектування, моделювання і ідентифікації теплових процесів.

3. ИТЦ «Вібродіагноста» (Сєвєродонецьк, Україна). Розробляє і поставляє вібровимірювальну і віброаналізуючу апаратуру, датчики вібрації, програмні засоби вібраційного моніторингу.

4. НПП «ЦЭД» (Дніпропетровськ, Україна). Оцінка технічного стану електромеханічних систем великих промислових механізмів.

5. «Пергам-Україна» (Київ, Україна). Постачання промислового діагностичного устаткування, приладів і систем контролю технологічних процесів і діагностичне обстеження промислових підприємств.

Російські підприємства і організації:

1. «Акустичний інститут імені академіка Н. Н. Андреева» (Москва, Росія). Проведення фундаментальних і прикладних досліджень в області акустики.

2. «Асоціація «ВАСТ» (Санкт-Петербург, Росія). Розробка, виробництво і постачання систем вібраційного моніторингу, діагности і балансування устаткування на місці їх експлуатації.

3. «Диамех 2000» (Москва, Росія). Розробка і виробництво вібродіагностичного (від простих віброметрів до сучасних багатоканальних віброаналізаторів і систем безперервного контролю вібрації) і балансування устаткування. Виконання комплексних робіт по вібродіагностиці і віброналадці різного роторного устаткування.

4. «Лабораторія вібродіагностики» (Уфа, Росія). Розробка і впровадження засобів вібродіагностики і центрування агрегатів нафтової промисловості.

5. НПЦ «Динаміка» (Омськ, Росія). Розробка методів і приладів віброакустичної діагностики машин, механізмів і процесів.

Підприємства та організації ближнього і далекого зарубіжжя:

1. «Aura» (Милевско, Чехія). Розробка і постачання систем управління і діагностики для промислових об´єктів.

2. «Metrix Instrument Co». (Х´юстон, США). Виробництво устаткування для виміру і контролю вібрацій, а також забезпечення аварійного захисту промислових установок при виникненні несправностей : вібровимикачі, перетворювачі, датчики, сигнальні пристрої і портативні вимірники.

3. «RK-SYSTEM» (Гродзиск-Мазовецки, Польща). Розробка і виробництво систем виміру і діагностики вібрації, балансування.

4. «VibroSystM» (Монреаль, Канада). Постачання рішень для проведення вимірів і моніторингу стану усіх видів устаткування, що обертається, включаючи гідрогенератори, турбогенератори, великогабаритні електричні двигуни, насоси і компресори.

На сьогодні існує велика кількість діагностичного устаткування, які по рівню вирішуваних завдань і конструктивному виконанню слід розподіляються на основні групи:

1. Портативні прилади. Призначені для контролю одного або декількох діагностичних параметрів: температури, параметрів вібрації, частоти обертання, струму, напруги і так далі. Портативні прилади використовуються ремонтними службами для отримання оперативної інформації про стан устаткування.

2. Аналізатори – дозволяють виконати детальний аналіз діагностичних параметрів. На підставі отриманої інформації проводиться виявлення ушкоджень на ранній стадії розвитку. Серед цього класу засобів технічного діагностування необхідно виділити спектроаналізатори вібрації. Ці прилади вимагають високої кваліфікації обслуговуючого персоналу і використовуються спеціалізованими підрозділами – службами технічного діагностування і наладки устаткування.

3. Вбудовані системи технічного діагностування здійснюють безперервний контроль стану устаткування в реальному масштабі часу. Основні завдання: захист устаткування від ненормативних режимів роботи, моніторинг технічного стану, діагностування стану устаткування.

Стаціонарні системи вибродиагности шахтних підйомних машин нині на території України ще не впроваджені. Нормативними документами регламентується вібродіагностика вентиляторів головного провітрювання шахт і копалень, для її проведення використовують переносні віброаналізатори. На Російських промислових підприємствах також використовують переносне діагностичне устаткування. У країнах далекого зарубіжжя для діагностики механічної частини підйому застосовують напів стаціонарні системи. Найбільшого поширення в Україні вібродіагноста набула в металургійній промисловості.

3 Побудова системи вибродианостики шахтної підйомної машини

Одним із способів виявлення дефектів в механічних вузлах (агрегатах) шахтної підйомної машини на ранній стадії і поточного контролю їх стану може бути спектральний аналіз сигналів вібродатчиків, встановлених в характерних точках відбору інформації [3]. Суть методу полягає в розкладанні з використанням ряду Фур´є вихідних сигналів датчиків на гармонійні складові для подальшого аналізу їх частотної складової і реєстрації можливого перевищення амплітуд вібрації на частотах, співпадаючих з власною частотою контрольованого вузла. Відповідно до методу сигнал вібродатчика розкладається в ряд Фур´є [4]:

(1)

Якщо поточна реалізація має неперіодичний характер, а характер випадкового процесу стаціонарний, то вираження (1) узагальнюється:

(2)

Задана вираженням (2) функція є частотним спектром. При обмеженій реалізації стаціонарного випадкового процесу і вимірі рівня вібрації впродовж заданого інтервалу часу функція оцінюється через фінітне перетворення Фур´є:

(3)

Для двох стаціонарних випадкових процесів перетворення Фур´є к-ой реалізації довжини і їх взаємна спектральна щільність визначаються як [5]:

(4)

(5)

(6)

Структурна схема пристрою діагностики стану механічних вузлів шахтної підйомної машини, яка розробляється, приведена на рисунку 1.

Рисунок 1 – Структурна схема пристрою діагностики стану підйомної машини

В якості датчиків вібрації використані завадостійкі віброакустичні перетворювачі. Смугові фільтри, виділяють компоненти вихідного сигналу перетворювача в необхідній області частот. Конструкцією пристрою передбачається застосування 1/1 октавних фільтрів з центральною частотою від 1 Гц до 16 кГц і 1/3 октавних фільтрів з центральною частотою від 0,8 Гц до 20 кГц [6].

Блок узгодження обмежує частоту аналогово-цифрових перетворень половинною частотою вибірки сигналів вібрації. Він складається з частотного фільтру і операційно-підсилювального каскаду.

Для забезпечення точності перетворення 0,1% застосований десяти розрядний АЦП із ступінчастою апроксимацією. Мікроконтроллер ATmega 64 [7] відповідно до розробленого алгоритму обробляє поточні сигнали віброприскорення і порівнює їх з нормативними значеннями. На індикатор пульта управління і в блок захисту підйомної установки поступають сигнали про стан його механічних вузлів (агрегатів). Робота пристрою діагностики стану механічних вузлів і агрегатів скіпового підйому зводиться до наступного (рисунок 2).

Рисунок 2 – Частотний спектр віброшвидкості механічного вузла

На малюнку приведені наступні позначення: А– амплітуда віброшвидкості, F – частота в розкладеному спектрі, I – Нормальний рівень вібрації, II – підвищений рівень, III – аварійний рівень.

В точках 1 і 5 віброприскорення трохи перевищує норму, і механічні вузли (агрегати) підйомної машини з частотою власних коливань 3,8 і 10,2 кГц випробовують незначні динамічні навантаження, які надалі можуть привести до розвитку втомних явищ в металі, появі деформацій і ушкоджень. На цьому етапі роботи підйому пристрій формує на індикаторі пульта управління команду-рекомендацію машиністові про ухвалення рішення про подальшу експлуатацію і технічному обслуговуванню дефектних вузлів (агрегатів). В точках 2,3 і 4 рівень вібрації значно перевищує нормативне значення віброшвидкості і вимагається негайна зупинка підйому, що здійснюється пристроєм автоматично, без участі машиніста комбайна. Подальша експлуатація комбайна можлива тільки після ремонту вузлів (агрегатів).

Таким чином, розроблений пристрій дозволяє діагностувати механічне устаткування механічних вузлів і елементів підйому, своєчасно попереджати машиніста про виникнення і розвиток можливих аварійних ситуацій.

3 Підшипники кочення як основні елементи вантаження валів машини

Підшипникові вузли є невід'ємною частиною сучасних машин і механізмів і часто лімітують їх ресурс. Під час експлуатації оборудован6ия відсутній доступ до підшипникових вузлів, тому актуальним завданням є розробка методів неруйновного контролю їх стану. Одним з таких методів є вібродіагностика із застосуванням спектрального аналізу. Експлуатаційні дефекти підшипників можна розділити на основні групи [8]:

1. руйнування від втоми матеріалу;

2. ушкодження від підвищеного зносу;

3. руйнування, пов´язані із зміною проміжків і посадок між деталями підшипників та опорами ротора;

4. ушкодження із-за недостатності або передачі подачі мастила.

Втомні руйнування підшипників кочення проявляється у вигляді крашивання матеріалу доріжок кілець і тіл кочення і може відбуватися із-за надмірно великих навантажень або швидкостей обертання. Знос деталей підшипників вищий за допустимий, особливо тіл кочення і поверхні кілець, призводить до збільшення радіальних проміжків, що призводять до зміщення ротора. Знос гнізд сепаратора відбувається в результаті неправильного монтажу підшипників, від дії великих осьових навантажень, від вифарбовування доріжок кочення. Окрім зношування мають випадки втомного руйнування сепаратора, появи тріщин і розрив перемичок і сепаратора. За певних умов роботи можливе прослизання внутрішнього кільця підшипника відносно тіл кочення., що призводить до зносу поверхонь кочення. Однією з причин руйнування підшипника є масляне голодування, що приводить зносу тіл кочення і сепаратора.

При обчисленні основних частотних складових обурення підшипників кочення прийнята гіпотеза переважної дії ударних збуджуючих сил.

Частота вращения сепаратора подшипника определяется из выражения:

(7)

Частота обертання тіл кочення визначається з вираження:

(8)

Частота мигтіння тіл кочення по зовнішньому кільцю підшипника:

(9)

Частота мигтіння тіл кочення по внутрішньому кільцю підшипника:

(10)

На відміну від вираження (2), що характеризує нормальний стан механічних вузлів, частотна складова вібрації, обумовлена дефектами форм тіл кочення, визначається як:

(11)

Відповідно частотна складова вібрації, викликана зміною форми внутрішньої доріжки в підшипнику, визначається з вираження:

(12)

Частота вібрації, викликана зміною форми кочення зовнішньої доріжки, визначається з вираження:

(13)

У виразах (7) – (13) прийняті наступні позначення: d – діаметр тіл кочення, D – діаметр кола, що проходить через центри тіл кочення, α – кут контакту тіл кочення і кільця підшипника, z – число тіл кочення [9].

Таким чином, застосування спектрального аналізу частотних складових дефектів дозволяє своєчасно виявити і оцінити технічне стани підшипників кочення, ідентифікувати вид дефекту, що зароджується, та міру його розвитку.

Рисунок 3 – Розвиток дефекту сепаратора підшипника і його частотний спектр

( gif–анімація, об´єм: 110 Кб (підшипник) и 78,5 Кб (частотний спектр), 16 кадрів, затримка між кадрами – 100 мс, кількість повторень циклу анімації – 3)

4 Оцінка технічного стану механічних вузлів та елементів шахтного підйому по віброшвидкості

Оцінку технічного стану механічної частини машин і механізмів із зворотно-поступальним і обертальним рухом потрібно для ухвалення рішення про продовження терміну експлуатації устаткування. До методів оцінки стану елементів машин, відноситися вібродіагностика. Після проведення вібродіагностичних вимірів ставитися завдання оцінки технічного стану за отриманими даними [10]. На сьогодні існують певні критерії оцінки вібраційного машин і механізмів. Одним з критеріїв є оцінка стану по середньоквадратичному значенню віброшвидкості, який пов´язаний з визначенням меж для абсолютного значення параметра вібрації, що відповідають допустимим динамічним навантаженням на підшипники і допустимій вібрації передаваної через опори і фундамент.Максимальне значення, отримане в результаті виміру на кожному підшипнику або опорі, порівнюють з межами зон, встановлених виходячи з міжнародного досвіду проведення дослідженні і експлуатації. Ці зони призначені для якісної оцінки вібраційного стану машин і ухвалення рішення про продовження терміну експлуатації механічного устаткування ( рисунок 4).

На рисинку 4 приведено чотири критерійні зони і вказані межі частотного діапазону. Зона А – В цю зону потрапляють, як правило, нові машини, тільки що введені в експлуатацію. Зона В – Машини, що потрапляють в цю зону, зазвичай вважають придатними для подальшої експлуатації без обмеження термінів. Зона С – Машини, що потрапляють в цю зону, зазвичай розглядаються як непридатні для тривалої безперервної експлуатації. Ці машини можуть функціонувати обмежений період часу, поки не з´явиться відповідна можливість для проведення ремонтних робіт. Зона D – Рівні вібрації в цій зоні зазвичай розглядають як досить серйозні, визиваючи ушкодження машини.

Рисунок 4 – Загальний вигляд критерійних кривих середнього значення віброшвидкості

Встановлено, що нижче за частоту Fx і вище за частоту Fy допустиме значення віброшвидкості є функцією частоти f вібрації. Для зони від Fx до Fy застосуємо критерій постійної віброшвидкості – саме для цього критерію приведені значення меж. точніше визначення критеріїв приймання і значень F1, Fu, Fx і Fy має бути дані в стандартах на машини конкретних типів.

(14)

Va – середнє квадратичне значення віброшвидкості, яке відповідає діапазону частот між Fx і Fy, мм/с; G – коефіцієнт, що визначає межі зон. Цей коефіцієнт може залежати від робочих характеристик машини : швидкості, навантаження, тиски і т. п.; Fx, Fy – встановлені межі діапазону частот, в межах якого критерій визначається на основі одного значення параметра віброшвидкості, Гц.

Якщо в результаті вимірів значна частина вібраційної енергії зосереджена за межами діапазону частот Fx ... Fy, можливі наступні рішення:

Крім вимірів віброшвидкості проводять виміру в широкій смузі частот вібропереміщення (якщо основна частина енергетичного спектру лежить нижче Fx) або віброприскорення (якщо основна частина енергетичного спектру лежить вище Fx). Допустимі значення параметрів вібропереміщення або віброприскорення отримують з рисунка 4, переводячи значення віброшвидкості на краях кривих в постійні значення віброшвидкості і віброприскорення відповідно. Вібрацію можна вважати допустимою, якщо вона є такою за усіма критеріями (переміщення, швидкості і прискорення).

За допомогою аналізатора спектру в спектрі вібрації виділяють потужні частотні складові і визначають для них значення вібропереміщення, віброшвидкості і віброприскорення. Після цього розраховують еквівалентне значення параметра віброшвидкості: для частотних складових, що лежать нижче Fx і вище Fy, її вагові коефіцієнти беруть відповідно до рисунка 4. Остаточну оцінку роблять на основі порівняння з граничними значеннями в діапазоні Fx ... Fy.

Використовують вимірювальний прилад, форма частотної характеристики якого в області, де зосереджена вібраційна енергія машини, співпадає з формою кривих на рисунку 4. Остаточну оцінку також роблять на основі порівняння з граничними значеннями в частотному діапазоні Fx ... Fy [11].

Застосування критерію вібраційного стану машин по середньоквадратичному значенню швидкості дозволяє оцінити технічний стан досліджуваних об'єктів і прийняти рішення про подальшу їх експлуатацію.

Список джерел

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» [електронний 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. БарковА. 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 [електронний ресурс].

При написанні цього автореферату магістерська робота ще не завершена. Дата завершення роботи: 1 грудня 2010 р. Повний текст роботи і матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його наукового керівника після вказаної дати.