Диагностика, техническое обслуживание и ремонт карьерного горно-транспортного оборудования в условиях низких температур

Развитие открытого способа добычи полезных ископаемых и настоящее время идет по пути роста производственной мощности предприятии, увеличения коэффициента вскрыши, объемов работ по экскавации, продвижения открытых разработок в отдаленные районы с суровым климатом. Удельный вес добычи угля открытым способом в сграие сейчас составляет около 42% и, в дальнейшем, должен расти. Все это создает благоприятные условия для использования высокопроизводительного оборудования.

Развитие разработки полезных ископаемых в районах Сибири и Крайнего Севера (ГУЛ «Якутуголь», АК «Алмазы России-Саха» и др.) ставит задачу дальнейшего повышения надежности и качества эксплуатации карьерного оборудования [126]. Это диктуется постоянным ростом сто мощности, усложнением конструкции машин и эксплуатацией в суровых условиях при длительном воздействии низких отрицательных температур. При этом жесткость погодно-климатических условий эксплуатации предъявляет особые требования как к конструкции машин, так и к конструкционным и эксплуатационным материалам.

Вместе с тем, поддержание высоких темпов развития открытых горных работ на угольных разрезах сдерживается низкой эффективностью использования горпо-трапепортного оборудования, которое под влиянием многочисленных факторов простаивает от 40 до 50% календарного времени, в том числе потери времени по техническим причинам составляют 14.27%. Фактические простои в ремонте более чем в 3 раза превышают нормативные, что объясняется недостаточной надежностью и низкой эффективностью системы технического обслуживания и ремонта машин. Снижение уровня надежности приводит к сокращению ремонтного цикла и удорожанию ремонтов. Так, расходы на содержание и ремонт оборудования в северных.

Острота проблемы повышения надежности горно-транспортного о 5 ору до и, а п и я о бу cj i a bj i и ва стся также: поточпо-циклпчсскнм характером производства, где одноковшовые экскаваторы в большинстве случаев являются ведущими-машинами всего технологического комплексаопережающим усложнением конструкций горного оборудования (механических, электрических, гидравлических систем) по сравнению с внедрением современных методов повышения надежности сложных систем управленияувеличением количества горного оборудования, работающего в районах с низкими температурами (районы Заполярья, Якутии, Сибири, Дальнего Востока) — низкой надежностью и малыми сроками службы деталей и узлов значительной части горного оборудования, что вызывает неоправданно большие трудовые и материальные затраты на ремонты.

Приоритетным направлением решения этой проблемы является более эффективное использование горно-транспортного оборудования по назначению за счет [8]: улучшения его ремонтопригодностипрогнозирования отказовповышения качества его ремонта и ТОповышения квалификации обслуживающего персонала, а также совершенствования системы технического обслуживания и ремонта.

Важное значение в современных условиях приобретает проблема обеспечения высокой технологичности горного оборудования при ремонтах, т. е. совокупности свойств, позволяющих добиться оптимальных затрат времени, труда и средств при ремонтах, исходя из показателей качества, объема выпуска и условий выполняемых работ. Значимость данной проблемы вызвана еще и тем, что на горных предприятиях Севера в ремонтной службе ощущается недостаток поставки заводами-изготовителями ремонтной документации, оснастки, приспособлений и специального оборудования, запчастей для выполнения ремонтных работ.

Необходим также анализ и обобщение информации о хладостойкости конструкционных материалов, используемых при изготовлении металлоконструкций горно-транспортного оборудования и элементов зубчатых передач, определяющих их хрупкое разрушение, что является важным фактором создания надежного горного оборудования для условий.

Севера. Следует отметить, что исследования по установлению уровня ремонтной технологичности горпо-транспортпых комплексов па предприятиях Севера до настоящего времени не производились, методика сбора и обработки статистической информации и экспериментальной оценки ремонтной технологичности горно-транспортных комплексов отсутствует. В связи с этим можно утверждать, что разработка методов и средств, повышающих ремонтную технологичность основного технологического оборудования на горных предприятиях Севера, является актуальном научной проблемой.

Связь темы диссертации с государственными научными программами. Важность данной работы подтверждается тем, что она выполнялась в соответствии с планом научно-исследовательских работ по проблеме «Научные основы создания высокопроизводительных комплексно-механизированных карьеров» и в рамках программы СО РАН 2.3.3 «Механика, научные основы машиностроения и надежности машин».

Целью работы является разработка методов и средств диагностики, технического обслуживания и ремонта карьерного горно-транспортного оборудования при его эксплуатации в условиях низких температур, обеспечивающих повышение эффективности его использования.

Идея работ ы заключается в выявлении и использовании закономерностей функционирования карьерного горио-транспортпого оборудования в условиях низких температур для разработки методов и средств их диагностики, технического обслуживания и ремонта, обеспечивающих эффективность эксплуатации оборудования.

Задачи исследовании: анализ состояния надежности и эффективности эксплуатации карьерного горно-транспортного оборудования в условиях низких температуроценка ремонтной технологичности карьерного горно-транспортного оборудования, эксплуатируемого в условиях низких температурисследование и выявление влияния природной, техногенной и социальной среды на надежность и эффективность эксплуатации карьерного горно-транспортного оборудования в условиях низких температурразработка средств и способов текущего диагностирования конструкций карьерного горно-транспортного оборудования в процессе их эксплуатации в условиях низких температурразработка средств и способов нагрева металлоконструкции карьерного горно-транспортного оборудования при проведении ремонтной сварки в условиях низких температурразработка организационно-технических мероприятий по совершенствованию технического обслуживания и ремонта карьерного горно-транспортного оборудования в условиях низких температур.

Методы исследовании, использованные в работе: методы безэкспертной оценки ремонтной технологичности карьерного горно-транспортного оборудования и выявления путей её повышенияметоды статистической теплофизики при исследовании как самих многокомпонентных высокодисперсных связных пород, так и процессов фазовых переходов связной поровой влаги и их деформирования, определяющих прочность адгезионной связи породы с контактирующей с ней поверхностьюлабораторные методы исследований физико-механических свойств многокомпонентных высокодисперсных связных пород и конструкционных материаловпассивные и активные методы экспериментальных исследований при промышленной апробации разработанного комплекса мероприятий по повышению ремонтной технологичностиметоды анализа результатов наблюдений с использованием математического аппарата теории вероятностей и математической статистики.

Научные положения, выносимые на защиту: низкая надежность карьерного горно-траиспортного оборудования, эксплуатируемого в условиях низких температур, обусловлена следующими основными причинами и их распределением: несовершенство конструкции горно-транспортного оборудования (ГГО) (27%), иепри-способленность к жестким климатическим условиям эксплуатации (20%), несовершенство системы технического обслуживания и ремонта (18%), низкая квалификация обслуживающего и ремонтного персонала (16%) — комплексный показатель ремонтной технологичности карьерного горно-трапепортпого оборудования, эксплуатируемого в условиях низких температур, находится в линейной зависимости от единичных показателен (трудоемкости, стоимости и продолжительности ремонта) — надежность и эффективность работы карьерного горно-транспортного оборудования, эксплуатируемого в условиях низких температур, снижается с повышением класса экскавируемых пород и глубины карьера на 30%, при обслуживании персонала с невысокой квалификацией на 20%), при понижении температуры ниже -15°С на 20% и с увеличением срока службы более ремонтного цикла на 20%опри ведении профилактических обслуживании карьерного горнотрапепортного оборудования методом вибродиагностики обнаруживается, что с увеличением износа поверхностей качения и локальных дефектов количество и уровень гармонических составляющих вибрации возрастают на боковых и разностных частотахпри ремонтной сварке металлоконструкций карьерного горнотранспортного оборудования долговечность конструкции зависит от температуры предварительного подогрева до 150−200°С и содержания в электродах 3% никеляс введением предлагаемого варианта поэтапной системы ремонта карьерного горно-транспортного оборудования, эксплуатируемого в условиях низких температур, исключаются средние ремонты, сокращается количество аварий на 15%, а технология ремонта с использованием нагревателей повышает качество ремонтных работ и сокращает их продолжительность до 12%.

Обоснованность и достоверность научных положении, выводов и рекомендации подтверждаются: представительным объемом статистической выборки (около 100 единиц оборудования на протяжении 10 лет) хрономегражных наблюденийкорректным использованием модели нестационарной теплопроводности и теплообмена при описании теплового режима ремонтной сварки металлоконструкций, что позволило получить хорошую сходимость результатов теоретического моделирования и лабораторных исследовании (погрешность по превышает 5% при 95% доверительной вероятности) — ' высокой сходимостью (относительная погрешность не превышает 20% при 80%> доверительной вероятности) результатов теоретических и экспериментальных исследований ремонтной технологичности карьерного горпо-транспортного оборудованияположительными результатами внедрения разработанного комплекса мероприятий по повышению долговечности и ремонтопригодности горпо-транспортного оборудования на ГУЛ «Якутуголь», СП «Эрэл» и др.

Научная новизна результатов исследования заключается в следующем: впервые произведено описание и объяснение основных причин низкой эксплуатационной надежности карьерного горно-транспортного оборудования, эксплуатируемого в условиях низких температурустановлена и выражена в аналитической форме зависимость комплексного показателя ремонтной технологичности карьерного горнотранспортного оборудования, эксплуатируемого в условиях низких температур, от единичных показателей (трудоемкости, стоимости и продолжительности ремонта) — установлена статистическая зависимость надежности и эффективности работы карьерного горно-транспортного оборудования, эксплуатируемого в условиях низких температур, от класса экскавируемых пород, глубины карьера, квалификации обслуживающего персонала, температуры воздуха и срока службы оборудованиявпервые установлена зависимость между общим количеством тепла, поглощаемого в процессе нагрева до температуры 150−200 °С и удельным тепловым потоком нагревателя при ремонтной сварке металлоконструкций карьерного горно-транспортного оборудования в условиях низких температурустановлена зависимость уровня гармонических составляющих, боковых и разностных частот от износа поверхностей качения и количества локальных дефектов узлов карьерного горпогранспортпого оборудования при проведении вибродиагностикиустановленаэффективность разработанного варианта поэтапной системы ремонта горпотрапепортного оборудования, -эксплуатируемого в условиях низких температур, а также технологии ремонта металлоконструкций с использованием нагревателей.

Научное значение работы состоит в новом решении актуальной научной проблемы повышения надежности карьерного горно-транспортного оборудования, эксплуатируемого в условиях низких температур, позволившей: разработать метод расчета полезной работы карьерного горнотранспортного оборудования, как системы технологически взаимосвязанных машин, затраченной на добычу полезного ископаемого в конкретных условиях и за установленное времяразработать метод оценки уровня ремонтной технологичности карьерного горно-транспортного оборудования по единичным и комплексному показателям, учитывающим использованные ресурсы по каждому процессу стадии эксплуатации, и полезную работу, выполненную этим оборудованием в конкретных условиях и за установленное времяустановить зависимость между уровнями качества по единичным и комплексным показателям для системы машин и каждой машины в отдельности, которые реализуют технологический процесс добычи полезного ископаемогоразработать методику декомпозиции структуры процесса эксплуатации карьерного горно-транспортного оборудования, позволяющей выявлять лимитирующие показатели ремонтной технологичности.

Практическая ценность работы заключается в разработке и использовании: методики оценки уровня ремонтной технологичности карьерного горно-транспортного оборудования, как системы машин, увязанных в едином технологическом процессе добычи полезного ископаемогомероприятий, снижающих отрицательное. воздействие низких температур на качество сварных соединений при проведении ремонтных сварочных работ па металлоконструкциях карьерного горнотранспортного оборудованиярекомендаций по переходу к системе профилактического технического обслуживания карьерного горно-лранспортного оборудования на базе внбродиагностики фактического технического состояния их машинных агрегатовконструктивно-технологических1 мероприятии и рекомендации, но восстановлению металлоконструкций и крупномодульных зубчатых передач карьерных экскаваторов при разработанной поэтапной системе ремонта на основании выявленных зависимостей между химическим составом конструкционных материалов и тепловым режимом сварки (наплавки) при ремонте карьерного горно-транспоргного оборудования в полевых условияхсистемы нормативно-технической документации по совершенствованию технологии ремонта карьерного горно-транспортного оборудования на горнодобывающих предприятиях Северасхемы совершенствования технологии ремонта карьерного горнотранспортного оборудования, отличающейся тем, что она предусматривает воздействие на процессы и операции, лимитирующие эффективность использования этого оборудования. При этом затраты используемых ресурсов, отнесенные к единице конечного результата функционирования горно-транспортного оборудования в конкретных условиях применения за установленное время всегда будут минимальны.

Личный вклад автора состоит: в установлении количественных зависимостей ремонтной технологичности карьерного горно-транспортного оборудования от горнотехнических и климатических условий эксплуатациив разработке метода расчета полезной работы карьерного горнотранспортного оборудования, учитывающего работу бурового станка, карьерного экскаватора и карьерного большегрузного автомобиляв представлении трудоемкости технического обслуживания и ремонта горно-транспортного оборудования в виде технически обоснованных показателей, учитывающих квалификацию исполнителей и зависящих от грузоподъемности манит, а также горнотехнических и климатических условийв разработке теоретической модели нагревания металлоконструкций рабочего оборудования горно-транспортных машин при выполнении ремонтной сварки и и обосновании технологии восстановления металлоконструкций и зубчатых передачв разработке математической модели ремонтной технологичности, позволяющей определять рациональные параметры системы технического обслуживания и ремонта карьерного горпо-трапспортного оборудования в сложных горно-геологических и жестких климатических условияхв обосновании критериев предельного состояния машинных агрегатов механического оборудования карьерных экскаваторов, положенных в основу системы профилактического (упреждающего) обслуживанияв определении влияния ремонтной технологичности на эффективность эксплуатации карьерного горно-транспортного оборудования в жестких климатических условиях Южно-Якутского угольного бассейна, что дополняет и уточняет теорию технологичности конструкций средств механизации горных работ.

Реализация результатов работы. Разработанные в диссертационной работе поэтапная система ремонта и комплекс рекомендаций по повышению качества эксплуатации горно-транспортного оборудования были внедрены на разрезе «Нсрюнгринский» ГУП «Якутуголь» с годовым экономическим эффектом около 19,5 млн руб. (в ценах 2001 г.). Основные разделы диссертации используются в учебном процессе НТИ (ф)ЯГУ при чтении курсов лекций и выполнении контрольных и курсовых работ по дисциплинам «Горные машины и механизмы», «Эксплуатация и ремонт карьерного оборудования», «Эксплуатация и ремонт горного оборудования на Севере», «Технология металлов и сварка».

Апробация работы. Основное содержание работы, отдельные ее положения и результаты были доложены и обсуждены: на техническом совете разреза «Нерюнгринский» ГУП «Якутуголь" — на Международном семинаре «Проблемы и перспективы развития горной техники» (Москва, МГГУ, 1994 г.) — на совместном заседании кафедр ТХОМ, ТМР и ГМО Московского государственного горного университетана Ученом совете института физико-технических проблем Северана Ученом совете Технического института Якутского государственного университетав лаборатории ремонта горного оборудования ИГД им. А. А. Скочинскогопа Международном симпозиуме «Горная техника на пороге XXI пека» (Москва, МГГУ, 1996 г.) — на Научно-практической конференции «Проблемы и перспективы освоения природных ресурсов Южной Якутии» (Нсрюлгри, 1996 г.) — на Научно-практической конференции «Физико-технические проблемы освоения и развития Южно-Якутского региона» (Нерюнгри,.

1998 г.) — на Научно-практической конференции «Проблемы п перспективы угледобывающей отрасли Республики Саха (Якутия)» (Нсрюпгрп. 1999 г.) — па Научно-практической конференции «Горнодобывающая Якутия па рубеже Ш-го тысячелетия» (Нерюнгри, 2000 г.) — на Научпо-практичсскоп конференции «Пути эффективного использования экономического и промышленного потенциала Южно-Якутского региона в XXI веке» (Нерюнгри, 2000 г.) — па Научно-практической конференции «Горнодобывающая промышленность Республики Саха (Якутия). Проблемы и перспективы» (Якутск, 2000 г.) — на Научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых посвященной 20-летию профессионального образования в Южной Якутии (Нерюнгри, 2001 г.) — на Научнопрактической конференции «Южно-Якутская комплексная экспедиция: 50 лет поисков и открытий» (Нерюнгри, 2001 г.) — на Научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (Кемерово, 2001 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 55 печатных работ, в том числе 4 монографии, 3 учебных пособия.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем составляет 313 страниц, включая 280 страниц основного текста, 72 рисунка и 56 таблиц, список использованной литературы из 192 наименований и приложения на 14 страницах.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Установлено, что коэффициент использования календарного фонда времени карьерного горно-транспортного оборудования находится в пределах 0,25−0,70, а простои в плановых и неплановых ремонтах достигают 50% от общего фонда рабочего времени, что обусловлено низким уровнем надежности и технологичности машин, сложными горно-геологическими и жесткими климатическими условиями его эксплуатации, несовершенством действующей системы технического обслуживания и ремонта оборудования при отсутствии научно-обоснованных нормативов на ремонт, а также завышенными для условий Севера нормативными сроками службы оборудования.

2. По результатам исследований комплексного показателя ремонтной технологичности горно-транспортных комплексов, выполненных по предложенной методике, наилучшими показателями для условий ГУП «Якутуголь» обладают следующие комплексы карьерного оборудования:

— буровой станок DM-H, экскаватор М-301 и автосамосвал Dresser-830E;

— буровой станок DM-H, экскаватор ЭКГ-15 и автосамосвал HD-1200.

3. Установлено, что с увеличением сроков службы карьерного горнотранспортного оборудования (более одного ремонтного цикла) уменьшается его годовая производительность (в 1,2−1,8 раза), что обусловлено снижением надежности отдельных его элементов, возрастанием продолжительности аварийных простоев, ростом затрат времени на ремонт и обслуживание, и, как следствие, снижением коэффициента его готовности на 10−15%. Уменьшение температуры воздуха ниже -15°С также влечет за собой снижение показателей ремонтной технологичности горно-транспортного оборудования. При этом следует отметить, что если профессиональная подготовленность обслуживающего персонала является управляемым фактором, то жесткость климатических условий эксплуатации требует разработки специальных мероприятий, способных снизить негативные последствия воздействия на конструкционные материалы низких отрицательных температур.

Наиболее приемлемым видом технического обслуживания карьерного горно-транспортного оборудования является профилактическое на основе использования методов функциональной диагностики работающего оборудования, поскольку при этом удается существенно (до 20%) сократить затраты трудовых и эксплуатационных ресурсов. В качестве базового метода технического диагностирования карьерного горно-транспортного оборудования рекомендуется использовать метод вибродиагностики, поскольку все работающее оборудование генерирует случайные колебательные процессы, содержащие полный информационный базис о его техническом состоянии. Введенные критерии предельного технического состояния механического оборудования карьерных экскаваторов позволяют с высокой степенью достоверности (до 95%-й доверительной вероятности) обнаруживать зарождающие дефекты и прогнозировать их развитие. Переход на разработанную систему технических обслуживаний и ремонтов, учитывающую жесткие климатические условия ЮжноЯкутского угольного бассейна, позволяет, за счет обоснованного сокращения межремонтных сроков при поэтапной системе ремонта горно-транспортного оборудования, значительно (на 12%) сократить сроки пребывания во внеплановых ремонтах за счет предупреждения аварийных отказов.

Установлено, что для получения качественного сварного соединения па металлоконструкциях горного оборудования при проведении ремонтных сварочных работ в условиях низких температур необходим предварительный подогрев металла до температуры 150−200°С и применение электродов с содержанием 3% никеля.

7. Разработанная модель процесса нагрева металлоконструкций горпо-транспортного оборудования позволяет получать не только рациональные параметры процесса термокоигактного нагрева для конкретных горнотехнических и погодно-климатических условий эксплуатации, но и проектировать, исходя из необходимых параметров процесса нагрева, контактные нагреватели с рациональными теплофизическими параметрами.

8. Доказано, что совершенствование технологии ремонта металлоконструкций и зубчатых передач горно-транспортного оборудования позволяет уменьшить влияние низких отрицательных температур на качество ремонтных работ и сократить их продолжительность до 12%. Для изготовления несущих металлоконструкций горно-транспортного оборудования должна быть использована высокопрочная хладостойкая сталь с пределом текучести ат > 785 Н/мм, а для крупногабаритных зубчатых передачвысокопрочная легированная сталь с пределом текучести стх > 1270 Н/мм2.

9. Разработана система нормативно-технической документации по ремонту карьерного горно-транспортного оборудования (стандарты предприятия), которая позволяет сократить количество учетно-контрольных документов, уменьшить трудоемкость их создания на 15% и повысить их информативность, дает возможность принимать оптимальные решения по организации ремонта карьерного горнотранспортного оборудования.

10. Подбор рациональной структуры парка машин для реализации технологической схемы добычи угля на разрезах увязан со структурой системы ремонта карьерного горно-транспортного оборудования, так как в нем тесно увязаны вопросы использования оборудования по назначению и вопросы выбора и применения структуры ремонтного цикла машин.

11. Подготовка и повышение квалификации рабочих-инструкторов (бригадиров), является одним из основных условий повышения качества ремонтных работ и снижает аварийность оборудования на 11%.

12. Разработанный и внедренный на ГУП «Якутуголь» комплекс организационно-технических мероприятий по повышению эффективности эксплуатации горно-транспоргных машин, предусматривающий учет суровых погодпо-климатнчсских и сложных горпо-геологнческих условий эксплуатации, переход па поэтапную систему ремонта с элементами диагностики технического состояния, внедрение более совершенной технологии ремонта металлоконструкций и зубчатых передач и других мероприятий, позволил получить в 2001 году экономический эффект в размере 19,5 млн. рублей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации дано новое решение актуальной научной проблемыповышения надежности и долговечности карьерного горпо-транспортпого оборудования, работающего в условиях низких температур, на основе разработки научно-обоснованных решений по совершенствованию методов и средств диагностики, технического обслуживания и ремонта, повышающих эффективность их эксплуатации на горных предприятиях Северо-Востока России, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономики страны.

Результаты теоретического анализа и экспериментальных исследований работы карьерного горно-транспортного оборудования в условиях низких температур позволили разработать комплекс научно-технических мероприятий, обеспечивающий повышение уровня его ремонтной технологичности.