Повышение надежности горно-проходческих комбайнов применением оперативной диагностики привода исполнительного органа

Актуальность работы. Повышение потребности в добыче полезных ископаемых предъявляет новые требования к горно-проходческим и добычным машинам. Они, в основном, сводятся к повышению эксплуатационной производительности, в том числе за счет создания более мощных машин, обладающих высокой надежностью [1−2]. Примером совершенствования горно-проходческой техники является создание семейства тяжелых проходческих комбайнов КП21, КП200. Соответственно, изменились и условия эксплуатации в сторону увеличения крепости и абразивности разрушаемых пород, что требует проведения планово-предупредительных работ (ПНР) по текущему техническому состоянию объекта.

Одним из способов повышения надежности горных машин, за счет предотвращения внезапных отказов и снижения тяжести их последствий, является использование цифровых систем контроля работоспособности оборудования и диагностики его отказов, с последующей корректировкой структуры ремонтного цикла [3−7]. Такие системы позволяют не только накапливать и отображать прямые показатели эксплуатации оборудования, но и обрабатывать их, получая косвенные показатели работоспособности. Важность проблемы диагностирования определяется не только возможностью предотвращения аварийных ситуаций и прогнозирования остаточного ресурса, т. е. обеспечением надежности, но и возможностью исключения ремонта бездефектных узлов и уменьшения потерь на их восстановление. Поэтому решение задачи безразборного контроля текущего технического состояния горных машин в процессе эксплуатации после изготовления и ремонта является актуальным и перспективным.

В настоящее время, в горной промышленности, широко применяется виброаккустическая диагностики приводных двигателей и элементов трансмиссии [8−14]. Однако, ее применение при диагностике мобильных машин в условиях подготовительного забоя затруднительна, т. к требует значительных материальных и временных затрат, связанных с установкой датчиков и измерительной аппаратуры, простоем оборудования Таким образом, определение технического состояния горно-проходческих комбайнов, в частности, их исполнительных органов, на основе оперативной диагностики без прерывания технологического цикла с последующей корректировкой ППР является актуальным.

Соответствие диссертации плану работ ЮРГТУ (НПИ) и целевым комплексным программам. Диссертационная работа входит в состав исследований по научному направлению: «Интенсивные ресурсосберегающие методы и средства разработки угольных пластов, использование углей и охрана труда» утвержденному решением Ученого Совета ЮРГТУ (НПИ) от 25.01.01 г. и выполнена в рамках тем 27.94 -«Разработка научных основ автоматизированного проектирования проходческих систем» и П-53−767 — «Исследование рабочих процессов и совершенствование конструкций горно-проходческих машин», проводимых совместно кафедрами «Технологические машины и комплексы» и «Машины и оборудование предприятий строй индустрии» в рамках НИР Шахтинского института (филиала)ЮРГТУ (НПИ).

Цель работы — повышение надежности горно-проходческих комбайнов, путем предотвращения внезапных отказов и снижения их тяжести, за счет проведения планово-предупредительных работ по фактическому техническому состоянию, на основе результатов оперативной диагностики привода исполнительного органа.

Идея работы — при проведении диагностики, в качестве входной информации, используются параметры изменения тока во временном простран-стве, получаемые непосредственно от силового устройства на входе горной машины.

Научные положения, разработанные лично соискателем:

— при эксплуатации горно-проходческих комбайнов в подготовительных выработках по породам сечением от 10 до 28 м², прочностью вмещающих пород на одноосное сжатие до 100 МПа и показателем абразивности до 15 мг (по Л.И. Барону) случайные величины наработки между отказами подчиняются экспоненциальному закону распределения f (х) = 0,025 е «°'025Х.

— повышение надежности горно-проходческих комбайнов достигается применением оперативной диагностики технического состояния привода исполнительного органа по току двигателя с применением к массиву данных быстрого преобразования Фурье и представлением его в частотной областипри этом, дефект необходимо фиксировать при превышении значений нормированных амплитуд сигнала на соответствующих частотах в пределах 10% - 30% от максимума;

— при формулировании основных требований, разработке функциональной схемы, алгоритма и реализации микропроцессорного диагностического комплекса, для устранения влияния высокочастотных шумов и выделения искомых токовых характеристик целесообразно использовать микроконтроллер и фильтр низкой частоты с полосой пропускания сигнала, соответствующей максимально возможной идентификационной частоте.

Новизна научных положений состоит в том, что:

— закон распределения наработок между отказами при работе горнопроходческого комбайна установлен для условий эксплуатации машины в выработках, с прочностью вмещающих пород до 100 МПа, по результатам фактических показателей надежности, полученных непосредственно в производственных условиях;

— заключение о том, что дефект необходимо фиксировать при превышении значения амплитуды сигнала на 10% от максимума и считать его значимым и требующим устранения при достижении 30%, сделано на основе сопоставления реального технического состояния диагностируемых узлов и значений нормированных амплитуд сигнала на соответствующих частотах;

— основные требования, разработанные функциональная схема, алгоритм и реализованный микропроцессорный диагностический комплекс, учитывают соответствие получаемых аппаратным методом амплиту до-частотных характеристик реальному техническому состоянию исследуемого узла горнопроходческой машины.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются применением современных апробированных методов исследований: анализом научно-исследовательских работ по теме диссертациидостаточным объемом наблюдений за эксплуатацией горнопроходческих комбайнов серии КП21 в подготовительных забоях с прочностью вмещаемых пород до 100 МПа (10 ед. по шкале проф. М.М.Протодьяконова);

— применением современной микропроцессорной элементной базы, положительно зарекомендовавшей себя в мировой практике при эксплуатации в аналогичных условиях, в том числе промышленных контроллеров, мало-габаритных встраиваемых компьютеров стандартов.

MicroPC, PC 104 и т. д.;

— удовлетворительной сходимостью расчетных показателей с фактическими, полученными в результате аппаратурных замеровпри уровне доверительной вероятности 0,9 расхождение не превышает 7% — 12%.

Значение работы. Научное значение работы состоит:

— в научном обосновании и доказательстве возможности повышения надежности горно-проходческих комбайнов применением оперативной диагностики привода исполнительного органа, основанной на спектральном анализе тока в обмотках приводного двигателя и проводимой без прерывания технологического цикла;

— в установлении численных пределов значений нормированных амплитуд сигнала в измеряемом спектре тока на частотах, соответствующих дефектам узлов электродвигателя и элементов трансмиссии исполнительного органа.

Практическое значение работы заключается в том, что применение оперативной диагностики привода исполнительного органа горнопроходческих комбайнов позволяет повысить надежность, за счет предотвращения внезапных отказов и снижения их тяжести путем корректировки ремонтного цикла, на основе полученных корреляционных зависимостей значений нормированных амплитуд сигнала на, соответствующих частотах от уровня технического состояния комбайна.

Реализация работы. Основные положения и результаты диссертационной внедрены в ОАО «Копейский машиностроительный завод», ЗАО «УК «Гуковуголь» и используются при модернизации и эксплуатации горно-проходческих комбайнов избирательного действия средней (КП21) и тяжелой серий (КП200). Работа выполнена в Шахтинском институте (филиале) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы нашли отражение и получили одобрение на заседаниях Совета НТО ОАО «Копейский машиностроительный завод» (2002;2008 г.), ЗАО"УК «Гуковуголь» (2004 — 2008 г.), на научно-практических конференциях ЮжноУральского государственного технического университета, г. Челябинск, (2002;2006 г.), Шахтинского института (филиала) ЮРГТУ (НПИ) (2007 -2008 г.), на VIII международной научно-технической конференции.

Информационно-вычислительные технологии и их приложения" г. Пенза, (2008 г.), на научных семинарах кафедр «Технологические машины и оборудование», «Сервис транспорта и технологических машин», «Машины и оборудование предприятий стройиндустрии» Шахтинского института (филиала) ЮРГТУ (НПИ) (2008г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 1 статья в рецензируемом научном журнале, рекомендуемом ВАК России.

Объём и структура диссертации. Работа изложена на 144 страницах с рисунками и таблицами. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений, включая литературный обзор. Список цитированной литературы содержит 86 наименований.

2.3.3 Основные результаты наблюдений за надежностью проходческого комбайна КП21 при эксплуатации его на крепких породах (ш. Алмазная ЗАО «УК» «ГУКОВУГОЛЬ») С целью повышения темпа проведения горных выработок и внедрения современных проходческих технологий компанией «Гуковуголь» было принято решение о применении комбайнового способа проведения выработок. Был приобретен проходческий комбайн КП-21 (№ 20) производства «Копей-ского машиностроительного завода». Необходимо отметить, что в регионе Российского Донбасса проходческий комбайн такого класса использовался впервые. Он предназначен для механизации отбойки и погрузки горной массы при проведении горизонтальных и наклонных (до 12 град.) горных выработок арочной, трапециевидной и прямоугольной форм сечения, площадью от 10 до 28 м², прочностью присекаемых пород на одноосное сжатие до 100 МПа и показателем абразивности до 15 мг (по Л.И. Барону).

Комбайн представляет собой модернизацию известной модели комбайна КП-20. Основным отличием данной модели от ранее известной является широкое использовании гидропривода. Помимо гидравлической системы управления в конструкции применен гидравлический привод ходовых части, отдельный на каждую тележку и гидропривод нагребающих лап. Основные технические характеристики приведены в табл.2.1.

25-го декабря 2004 года комбайн был смонтирован в шахте «Алмазная» для проведения откаточного штрека № 109, длиной 1280 метров и здан в эксплуатацию проходческому участку УПР-2.

С момента монтажа комбайна в шахте, согласно разработанной «Методики организации сбора и анализа информации об эксплуатационных качествах горнопроходческого оборудования в условиях Российского Донбасса» Шахтинским филиалом ОАО «КМЗ» организован сбор эксплуатационной информации. Он включает в себя сбор сведений об условиях эксплуатации, мероприятиях по техническому обслуживанию и ремонту, отказах и состояниях машины.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации решена актуальная научно-техническая задачаповышение надежности горно-проходческих комбайнов, путем предотвращения внезапных отказов и снижения их тяжести, за счет корректировки ремонтного цикла по результатам оперативной диагностики технического состояния привода исполнительного органа, проводимой без прерывания технологического цикла и основанной на спектральном анализе тока в обмотках двигателя.

Основные научные выводы и практические результаты исследований заключаются в следующем.

1. В области совершенствования горно-проходческой техники, в частности проходческих комбайнов избирательного действия, наметились тенденции по созданию семейства машин, для работы в выработках с вмещающими породами прочностью вмещающих пород на одноосное сжатие свыше 80—100 МПа. В настоящее время отсутствуют фактические показатели надежности их эксплуатации в данных условиях и, как следствие, апробированная система планово-предупредительных ремонтов и технического обслуживания.

2. Сопоставлением гистограмм, построенных по экспериментальным данным, и теоретических графиков распределения и изменения вероятности безотказной работы объекта установлено, что случайные значения наработки Xj проходческих комбайнов между отказами подчиняются экспоненци.

0 025Х альному закону распределения f (х) = 0,025-е «', что наиболее неблагоприятно с точки зрения организации планово-предупредительных ремонтов и технического обслуживания.

3. Разработана методика определения технического состояния горнопроходческих комбайнов, в частности их исполнительных органов без прерывания технологического цикла, на основе проведения оперативной диагностики привода, отличающаяся тем, что в качестве входной информации, используются параметры изменения тока во временном пространстве, получаемые непосредственно от силового устройства на входе машины.

4. В качестве основы диагностического устройства выбран высокопроизводительный RISC микроконтроллер семейства AVR ATmegal6, который имеет в своем составе быстрый Гарвардский процессор, память программ, память данных, порты ввода/вывода и различные интерфейсные схемы. Установлено, что для исследований полиномиальной характеристики и частот, расположенных около точки среза в полосе задерживания, целесообразно использовать фильтр Чебышева с частотой среза /г = 1200 Гц,.

5. Сопоставительный анализ расчетных и экспериментально полученных амплитудо-частотных характеристик по отдельным узлам приводного двигателя и элементов трансмиссии исполнительного органа комбайна подтвердил их адекватность. При уровне доверительной вероятности 0,9 расхождение расчетных значений и значений, полученных в результате замеров не превышают 7%-12%, что является допустимым для данного типа исследований.

6. Сравнительный анализ фактического технического состояния диагностируемых узлов и значений нормированных амплитуд сигнала на соответствующих частотах в измеряемом спектре тока, дал возможность сделать заключение о том, что дефект необходимо фиксировать, если амплитуда сигнала превышает значение в 10% от максимума, а дефект является значимым и требует устранения, если значение амплитуды превышает 30%.

7. Экспериментально установлена корреляционная зависимость интегральных значений нормированных амплитуд сигнала на соответствующих частотах в измеряемом спектре тока от наработки комбайна, соответствующей определенному техническому состоянию последнего, позволяющая проводить планово-предупредительные работы по фактическому состоянию исполнительного органа горно-проходческих комбайнов КП21 при эксплуатации их в данных горно-геологических условиях.

8. Практическое применение оперативной диагностики технического состояния исполнительного органа горно-проходческих комбайнов КП21, при эксплуатации на шахте «Алмазная» ЗАО «УК «Гуковуголь» при проведении выработок по крепким породам, позволил повысить показатели надежности за счет предотвращения внезапных отказов и снижения их тяжестикоэффициент готовности комбайна КП21 зав. № 34 достиг значения Кг= 0,85 по сравнению с Кг=0,7 у комбайна КП21 зав.№- 20. Экономический эффект достигнут за счет уменьшения затрат на восстановление работоспособного состояния стрелы исполнительного органа комбайна и составил 770 тыс. руб.