ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 3, 2015
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕХАНИКА, ДИАГНОСТИКА, ИСПЫТАНИЯ
УДК 622.232.83
© 2015 г. Шишлянников Д.И.1, Чекмасов Н.В.1, Трифанов М.Г.1, Иванов С.Л.2,
Звонарев И.Е.2
ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНОГО СПОСОБА КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ И ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПРОХОДЧЕСКО-ОЧИСТНЫХ КОМБАЙНОВ КАЛИЙНЫХ РУДНИКОВ
1 Пермский национальный исследовательский политехнический университет 2 Санкт-Петербургский национальный минерально-сырьевой университет "ГОРНЫЙ"
Приведены результаты экспериментальных исследований величины и характера нагрузок приводов комбайна "Урал-20Р". На основе анализа режимных параметров и конструктивных особенностей проходческо-очистного комбайна "Урал-20Р" обоснована концепция бортового измерительного программно-регистрирующего комплекса, обеспечивающего повышение эффективности эксплуатации добычных машин калийных рудников и рациональную организацию ремонтных работ.
Для предприятий, осуществляющих добычу калийной руды подземным способом, актуальными остаются задачи повышения объемов добычи и единичной производительности проходческо-очистных комбайнов, оптимизации затрат на их техническое обслуживание и ремонт при снижении количества аварийных отказов. В настоящее время отсутствует системный подход к решению указанных задач, что затрудняет реализацию мер по повышению надежности добычного оборудования и качества его технического сервиса.
Опыт ведущих машиностроительных и горных предприятий показывает, что повышение эффективности использования оборудования может быть обеспечено посредством применения измерительных программно-регистрирующих комплексов непрерывного контроля параметров работы приводов добычных машин. Создание таких систем, а также обоснование методик сбора, обработки и дальнейшего использования полученной информации, является сложной научно-технической задачей, решение которой позволяет качественно улучшить организацию работ инженерно-технических и сервисных служб предприятия, совершенствовать технологические процессы добычи и транспортировки полезного ископаемого, формировать предложения по модернизации используемого оборудования, повышать безопасность ведения добычных работ [1].
В настоящее время на калийных рудниках России, наибольшее применение нашли отечественные проходческо-очистные комбайны "Урал", оснащенные планетарно-
Рис. 1. Структурная схема измерительного комплекса "ВАТУР": 1 — блок питания, 2 — процессорный блок, 3 — блок коммутации, 4 — датчики тока (токовые клещи), 5, 6 — датчики напряжения, 7 — датчик перемещения
дисковыми и шнековыми исполнительными органами и гусеничным ходовым оборудованием. Приводы рабочих органов комбайна представляют собой совокупность независимых механических трансмиссий с трехфазными асинхронными электродвигателями.
Комбайны типа "Урал" успешно используются на отечественных калийных рудниках более 30 лет и в целом характеризуются высокими показателями надежности. В то же время данные добычные машины не имеют эффективных бортовых систем диагностики, автоматического ограничения нагрузок, контроля режимных параметров и счетчиков наработки, что обусловливает повышение вероятности появления аварийных отказов при работе комбайна, возникающих в большинстве случаев по вине оператора. Отсутствие бортовых систем мониторинга не способствует корректной оценке эксплуатационной нагруженности узлов комбайна, не позволяет достоверно определять остаточный ресурс деталей добычной машины и своевременно осуществлять ремонтные воздействия по фактическому техническому состоянию.
Сложные условия функционирования рудничных машин, многофакторность процессов взаимодействия элементов машины между собой и с внешней средой, а также ценовые ограничения (рентабельность, конкурентоспособность изделия в условиях рынка), обусловливают необходимость поиска технически простых и надежных решений при проектировании автоматических систем управления и мониторинга технического состояния горных машин. На наш взгляд, одним из наиболее перспективных способов контроля параметров работы и технического состояния проходческо-очист-ных комбайнов является анализ величины и характера внешних нагрузок, определяемых посредством замеров мгновенных значений токов, напряжений и мощностей, потребляемых электродвигателями приводов [2—4].
Сотрудниками кафедры горных и нефтепромысловых машин Пермского национального исследовательского политехнического университета, совместно со специалистами ООО "Региональный канатный центр" (г. Пермь), разработан опытный образец программно-регистрирующего комплекса "ВАТУР", обеспечивающего измерение, запись и сохранение основных параметров работы приводов проходческо-очистных комбайнов [5].
В состав измерительного комплекса "ВАТУР" (рис. 1) входят процессорный блок, блоки питания и коммутации, токовые клещи, датчики напряжения и перемещения.
Рис. 2. Графики активных трехфазных мощностей электродвигателей при средней скорости движения комбайна "Урал-20Р" — 10,5 м/час: 1, 2 — приводы относительного движения резцовых дисков; 3 — привод отбойного устройства; 4 — привод конвейера. Шаг линий сетки — 5 с. Сносками обозначены мгновенные значения активных мощностей, кВт
Процессорный блок состоит из одноплатного компьютера и аналого-цифрового преобразователя (АЦП). С помощью токовых клещей обеспечивается преобразование входного тока в выходное напряжение в соотношении 1 А—1 мВ. Датчики напряжения преобразуют входное напряжение в соотношении 1 В—3 мВ. Преобразованные таким образом сигналы подаются через АЦП, непосредственно в компьютер. Датчик пути изготовлен на основе инкрементального кодировщика угла поворота ПУФ-6 с 360 штрихами и на оборот. Датчик устанавливается на боковой лыже комбайна со стороны магнитной станции. После проведения измерений данные сохраняются на съемном жестком диске и впоследствии считываются в офисный компьютер.
Программно-регистрирующий комплекс "ВАТУР" осуществляет 100 измерений в течение одного периода питающей сети 20 мс. Значения эффективного тока 1эф, напряжения иэф, активной Ра и полной ^ мощности определяются по измеренным мгновенным значениям тока I и напряжения Ц
N N N
4ф = N £ 12, иэф = и2, Ра = 3 и111, S = 3Пэф1эф,
где N — число точек измерения за фиксированный интервал времени, N = 100; интервал времени 20 мс.
Питающее напряжение и нагрузка на двигателях комбайна имеют симметричный характер, поэтому для измерения активной мощности в трехфазной цепи принят метод одного ваттметра с искусственным нулем. Визуализация и обработка полученных данных осуществляется посредством специально разработанной программы "Ватур-оф" (рис. 2).
На приведенных графиках изменения активной мощности электродвигателей относительного движения резцовых дисков можно выделить участки запуска (А-В), хо-
лостого хода (В-С), зарубки (С-В) и установившегося режима работы (В-Е). Программно-регистрирующий комплекс "ВАТУР" обеспечивает возможность создания и хранения массивов данных, содержащих информацию о длительных периодах работы проходческо-очистного комбайна [5]. Анализ ваттметрограмм с использованием методов математической статистики позволяет определить следующее.
1. Режимные параметры работы комбайна: частоту включений-выключений, время производительной работы и простоев. Указанные параметры характеризуют ритмичность технологических процессов добычи и транспортирования полезного ископаемого в очистной камере, позволяют оценить уровень организации работ и степень загруженности оборудования, обеспечить выявление негативных тенденций и факторов, влияющих на производительность механизированного комплекса.
2. Частоту возникновения и длительность сверхнормативных нагрузок, что характеризует квалификацию и культуру производства, проявляемую операторами добычных машин. При возникновении аварийных ситуаций ваттметрограмма является документом, позволяющим судить о причинах аварии и действиях персонала. На основе актуальной информации о нагруженности приводов возможно функционирование систем автоматического ограничения нагрузок и управления комбайном.
3. Средние и максимальные величины нагрузок, действующие на детали трансмиссии. Средние значения активной мощности, а также ее колебания, характеризуемые среднеквадратичным отклонением, позволяют качественно оценить динамическую составляющую внешней нагрузки, точность изготовления и сборки элементов трансмиссии, интенсивность протекания деградационных процессов в приводах комбайна. Информация о характере изменения и величине нагрузок приводов передается заводу-изготовителю для уточнения конструкторских расчетов, внесение изменений в конструкцию машины на этапе проектирования, проведения модернизации эксплуатируемых комбайнов.
4. Техническую производительность и наработку комбайна. Полученные данные, соотнесенные с затратами на обслуживание и ремонт, определяют стоимость машино-часа готовности комбайна и объективно характеризуют эффективность работы сервисных служб предприятия. Увеличение стоимости машино-часа готовности конкретной добычной машины, по сравнению с остальными эксплуатируемыми на руднике комбайнами, позволяет обоснованно говорить о необходимости ее списания [1].
5. Общий и остаточный ресурс элементов трансмиссий. Известно, что ресурс машинного времени горного комбайна определяется прочностными свойствами элементов машин, а также величиной и характером фактически действующих нагрузок. Общий и остаточный ресурс однотипных трансмиссий может быть определен с достаточно высокой степенью вероятности по имеющейся непрерывной записи активной мощности двигателя (его эксплуатационной нагруженности) в межремонтный период по методикам, подробно изложенным в [2, 3].
Обобщенным параметром, позволяющим оценить эффективность работы добычной машины, является величина удельных энергозатрат процесса разрушения калийного массива резцами комбайна, которая характеризует физико-механические свойства калийного массива, режимные параметры работы и техническое состояние комбайна. Значение удельных энергозатрат процесса разрушения массива резцами исполнительных органов рассчитывало
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.