Разработка методики диагностирования и прогнозирования технического состояния дизель-гидравлических буровых станков

Актуальность работы. Развитие открытого способа добычи полезных ископаемых в настоящее время идет по пути роста производственной мощности предприятий, увеличения коэффициента вскрыши, объемов работ по экскавации, продвижения открытых разработок в отдаленные районы с суровым климатом. Удельный вес добычи угля открытым способом в стране сейчас составляет около 42%, а в Сибирском и Дальневосточном федеральных округах уже превышает 50% и, как показывает статистика, продолжает расти.

Развитие открытого способа добычи угля во многом зависит от производительности и надежности горной техники — основного звена технологического процесса. Появившееся в последние годы горное оборудование с дизель-электрическими и дизель-гидравлическими приводами рабочих органов горных машин имеют более высокие показатели надежности и производительности. На открытых горных работах одним из основных и трудоемких процессов является бурение взрывных скважин, на долю которого, по данным ОАО «УК «Кузбассразрезуголь», приходится свыше 30% финансовых и материальных затрат. Сегодня на разрезах ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» в эксплуатации находится свыше 80 буровых станков, львиную долю среди которых занимают тяжелые станки шарошечного бурения. Анализ использования фонда рабочего времени буровых станков показал, что парк бурового оборудования эксплуатируется недостаточно удовлетворительно. Коэффициент использования парка буровых станков составлял 0,57.0,65. При этом треть общего времени простоев буровых станков связано с восстановлением их работоспособного состояния, причем на долю плановых ремонтов приходится около 82% затрат времени, а на долю аварийных простоев — около 18%.

Наметившаяся в последние годы тенденция замены буровых станков с электроприводом на более производительные и совершенные буровые станки с дизель-гидравлическим приводом, зачастую оборудуемых системой автоматического управления режимом бурения, позволяет надеяться на получение более высоких показателей использования парка буровых станков. Однако проведенные исследования показывают разительный разрыв между сложностью и высокой стоимостью эксплуатируемой техники и низким технологическим уровнем ее обслуживания. Такой разрыв — одна из главных причин внеплановых остановок оборудования, длительных простоев, связанных с обнаружением и устранением причин отказов, и большими затратами на ремонтные и восстановительные работы.

Одним из направлений решения этой проблемы является эффективное использование парка бурового оборудования по назначению за счет повышения качества его ремонта и технического обслуживания на основе знания фактического технического состояния отдельных узлов и агрегатов.

Для оценки технического состояния буровых станков и прогнозирования его изменения необходимо своевременно получать информацию о деградационных процессов в отдельных узлах и агрегатах, т. е. нужна система слежения за изменением параметров ее функционирования на основе диагностических методов, среди которых наиболее подходящим является метод измерение механических колебаний на невращающихся опорах. Регистрируемый при этом виброакустический сигнал содержит практически всю информацию о фактическом состоянии взаимодействующих поверхностей и процессах, протекающих в контактирующих узлах и деталях. Поэтому установление взаимосвязи технического состояния отдельных узлов и агрегатов буровых станков и их вибрационными параметрами, необходимой для обоснования метода оценки их технического состояния, и разработка прогностической модели, позволяющей повысить эффективность и безотказность использования бурового оборудования, является актуальной научной задачей.

Целью работы является разработка методики вибродиагностики для прогнозирования изменения технического состояния дизель-гидравлических буровых станков.

Идея работы заключается в выявлении и использовании закономерностей функционирования карьерных дизель-гидравлических буровых станков для разработки системы оценок технического состояния и построения прогностической модели его изменения.

Задачи исследований;

— анализ состояния надежности и эффективности эксплуатации карьерных буровых станков в условиях ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» и технологических схем их технического обслуживания и ремонта;

— анализ современных методов и средств функциональной диагностики, пригодных для оценки технического состояния буровых дизель-гидравлических станков;

— исследование и выявление влияния природной и техногенной среды на надежность и эффективность эксплуатации буровых станков;

— построение прогностической модели изменения технического состояния узлов и агрегатов дизель-гидравлических буровых станков, учитывающей специфику их эксплуатации;

— разработка средств и методов текущего диагностирования узлов и агрегатов дизель-гидравлических буровых станков в процессе их эксплуатации и проверка достоверности разработанной прогностической модели.

Методы исследований, использованные в работе:

— методы математической статистики и корреляционного анализа при обработке статистического материала о состоянии парка буровых станков ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» и построении зависимостей влияния природной и техногенной среды на надежность и эффективность эксплуатации буровых станков;

— системный анализ при выборе функциональных методов и средств технической диагностики буровых станков;

— методы математического моделирования и теории вероятности при построении прогностических моделей деградации узлов и агрегатов дизель-гидравлических буровых станков;

— пассивные методы экспериментальных исследований при мониторинге и построении прогноза изменчивости технического состояния агрегатов буровых станков.

Научные положения, выносимые на защиту:

— эффективность эксплуатации буровых станков, эксплуатируемых в условиях Кузбасса, снижается при увеличении показателя буримости горных пород, уменьшении температуры окружающей среды, при возрастании срока эксплуатации и ухудшении качества рабочей жидкости. Влияние этих факторов на показатели надежности работы оборудования носит неравнозначный характер, но допускает оценку безотказности по структуре неплановых простоев;

— диагностические признаки технического состояния буровых станков должны базироваться, для получения наиболее достоверного заключения, на одновременном использовании нескольких диагностических методов и результатах комплексного анализа всей имеющейся информации о вибрационной активности опор узлов и агрегатов;

— прогностическая модель изменения технического состояния узлов и агрегатов буровых станков, построенная с учетом вида технического обслуживания, имеет вероятностный характер и должна учитывать доверительную вероятность заключения;

— мониторинг технического состояния буровых станков позволяет учитывать изменение параметров вибрационной активности и определять уровень состояния подшипниковых опор в текущий момент времени, а также прогнозировать остаточный ресурс узлов и агрегатов с заданным уровнем достоверности.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

— представительным объемом статистической выборки (диагностическое обслуживание 4 дизель-гидравлических буровых станков на протяжении 5 лет);

— корректным использованием апробированных методов теоретической и прикладной механики, теории колебательных процессов, а также методов статистического прогнозирования;

— использованием современных методов измерения и анализа механических колебаний;

— хорошей сходимостью полученных в диссертации теоретических и экспериментальных данных (относительная ошибка не превышает 15% при 95% доверительной вероятности);

— положительными результатами внедрения разработанной методики мониторинга технического состояния в филиале ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» «Моховский угольный разрез» (Сартакинское поле).

Научная новизна результатов исследования заключается в следующем:

— установлена закономерность аварийности гидрооборудования буровых станков от определяющих её факторов;

— разработаны требования к диагностическим методам оценки технического состояния дизель-гидравлических буровых станков на основе анализа вибрационной активности их узлов и агрегатов;

— разработана методика мониторинга технического состояния буровых станков по обобщенному вибрационному показателю и построена прогностическая модель изменения технического состояния узлов и агрегатов дизель-гидравлического бурового станка, базирующаяся на теоретико-вероятностном подходе и учитывающая вид технического обслуживания.

Практическая ценность работы заключается в том, что результаты исследований позволяют:

— определять влияние различных внешних факторов на наиболее значимые показатели работоспособности дизель-гидравлических буровых станков;

— рекомендовать переход к системе профилактического технического обслуживания карьерных буровых станков на базе вибродиагностики фактического технического состояния их машинных агрегатов;

— повысить долговечность эксплуатации гидравлических буровых станков за счет использования системы мониторинга их технического состояния, содержащую теоретико-вероятностную модель прогнозирования изменения показателей эксплуатационной надёжности.

Личный вклад автора заключается:

— в выявлении внешних факторов, влияющих на изменение параметров эксплуатационной надёжности дизель-гидравлических буровых станков;

— в разработке методики функциональной диагностики буровых станков и выборе критериев оценки технического состояния;

— в разработке теоретико-вероятностной модели деградации основных узлов и агрегатов дизель-гидравлических буровых станков и построении, на её основе, прогностической модели изменения их технического состояния;

— в реализации методики мониторинга технического состояния дизель-гидравлических буровых станков в филиале ОАО «УК «Кузбассразрез-уголь» «Моховский угольный разрез» (Сартакинское поле).

Реализация результатов работы.

Разработанный автором комплекс научно-технических решений по повышению уровня долговечности и безотказности работы дизель-гидравлических буровых станков был внедрён в филиале ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» «Моховский угольный разрез» (Сартакинское поле).

Апробация работы.

Основное содержание работы, отдельные её положения и результаты были доложены и обсуждены: на техническом совете филиала ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» «Моховский угольный разрез" — на Международных научно-практических конференциях «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов: Уголь и майнинг» (2007, 2008 г. г.) — на Международных научно-практических конференциях «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» (2006;2008 гг.) — на научно-практическом семинаре НФ «Кузбасс-НИИОГР» (2008, 2009 гг.) — на заседании кафедры стационарных и транспортных машин КузГТУ (2010, 2011 г.) — на II Региональной научно-практической конференции «Новые технологии в угольной отрасли и экономике Кузбасса» (Белово, 2010 г.) — на IV Межрегиональной научно-практической конференции с международным участием «Инновации в угольной отрасли и экономике Кузбасса» (Белово, 2011 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ.

Объём и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 95 наименований и приложения. Изложена на 138 страницах, включая 20 таблиц и 35 рисунков.

4.5. Выводы.

1. Проанализированы виды отказов гидравлического оборудования дизель-гидравлических буровых станков, в результате чего установлено, что большинство отказов является износовыми и сопровождаются монотонным изменением уровня вибрации.

2. Наиболее приемлемой аппаратурой для анализа вибрационных процессов, формирующихся на опорных элементах агрегатов дизель-гидравлических буровых станков, по соотношению «цена/качество» является сборщик-анализатор «АГАТ-М» с программным обеспечением «ДИАМАНТ-2» фирмы «Диамех-2000».

3. Разработаны критерии предельного состояния гидравлического оборудования дизель-гидравлических буровых по параметрам вибрации. Показано, что помимо общего уровня виброскорости, виброускорения и вибросмещения, регистрируемого в стандартных частотных диапазонах, необходимо производить спектральный анализ вибрационных процессов, возникающих на различных агрегатах буровых станков, который позволяет идентифицировать возникающие дефекты и отслеживать их развитие.

4. Разработанная прогностическая модель развития дефектов по параметрам вибрации позволяет с 95% доверительной вероятностью прогнозировать момент перехода в неисправное состояние, грозящее аварийным отказом агрегата и выходом из строя бурового станка.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи, состоящей в установлении взаимосвязи технического состояния отдельных узлов и агрегатов буровых станков и их вибрационными параметрами, необходимой для обоснования метода оценки их технического состояния, и разработка прогностической модели, позволяющей повысить эффективность и безотказность использования бурового оборудования.

В результате выполненных лично автором исследований получены следующие основные результаты:

1. Коэффициент использования парка буровых станков составлял 0,57.0,65. Около трети общего времени простоев буровых станков связано с восстановлением их работоспособного состояния, причем на долю плановых ремонтов приходится около 82% затрат времени, а на долю неплановыхоколо 18%. На долю аварийных простоев дизель-гидравлических буровых станков по причине выхода из строя гидрооборудования приходится до 12% продолжительности простоев, что составляет около 25% времени, связанного с отказом собственно буровых станков. Существующая система эксплуатации буровых станков не обеспечивает требуемых показателей надёжности, что свидетельствует о необходимости изменения системы технического обслуживания.

2. Коэффициент технического использования буровых станков в Кузбассе снижается с 0,92 до 0,76 при увеличении показателя буримости горных пород с 14 до 18, уменьшение температуры окружающего воздуха приводит к увеличению потока отказов в 1,3. 1,5 раза. Возрастание срока эксплуатации буровых станков приводит к снижению их технической производительности, а механическое загрязнение рабочей жидкости с 0,5 до 1,6% вызывает снижение эксплуатационной надежности в 1,5 раза.

3. Наиболее приемлемым и достоверным методом оценки технического состояния буровых станков является метод вибродиагностики, при этом он должен базироваться, для получения наиболее достоверного заключения, на одновременном использовании нескольких диагностических подходов и результатах комплексного анализа всей имеющейся информации о вибрационной активности опор узлов и агрегатов.

4. Разработанная прогностическая модель изменения технического состояния узлов и агрегатов буровых станков построена на основе статистического анализа полученных материалов и определяется совокупностью оценок технических параметров объекта, уравнением состояния, условиями эксплуатации, фактическим состоянием объекта и совокупностью предельных технических параметров.

5. Предельные состояния узлов и агрегатов буровых станков предложено оценивать по спектральным опорным маскам, построенным по результатам 4-х летних наблюдений за 5 дизель-гидравлическими буровыми станками, которые содержат в себе низкие частоты, находящиеся в области 2.20 Гц, средние частоты 20−100 Гц, а также высокочастотные составляющие в диапазоне 2.8 кГц. По результатам статистической обработки экспериментального материала построены два типа спектральных опорных масок — предупреждение (с 85%-й доверительной вероятностью) и тревога (с 95%-й доверительной вероятностью).

6. Обоснован мониторинг технического состояния буровых станков, позволяющий определить и прогнозировать величину ресурса остаточной работоспособности для различных видов их технического обслуживаниясуществующей системы ПИР и предлагаемой системы профилактического обслуживания. Рекомендации по осуществлению вибромониторинга буровых станков и по совершенствованию на этой основе системы технического обслуживания и ремонта приняты к внедрению на ОАО «Разрез Сартаки» УК «Кузбассразрезуголь».