Разработка методики мониторинга технического состояния комплексов глубокой разработки угольных пластов на разрезах Кузбасса

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы
диссертационного исследования, характеризуется степень ее разработанности,
определяются цели и задачи исследования, описывается теоретическая и
практическая значимость исследования.
В первой главе дано описание конструкций и области применения КГРП,
опыта применения данного типа оборудования по извлечению угля из бортов
карьеров в России и за рубежом. Представлен анализ отказов оборудования и
причин их возникновения.
Разработка и создание комплексов прибортовой добычи угля для зон
отработанного разреза начались с 1977 года. Развитие основывалось на
технологии шнекобуровой выемки с использованием подземных комплексов и
агрегатов, коснулось разработок различных схем транспортировки угля на
поверхность, обеспечивающих более высокие технико-экономические
показатели по сравнению с шнекобуровыми машинами.
Известным комплексом является The Тhin Seam Miner – «разработчик
тонких пластов» (РТП) голландской фирмы «Dieseko» (1979). В основе
комплекса стояла концепция – «бурение-извлечение». Базовая комплектация
включала основные компоненты: рама, каркас системы с энергетическим
модулем от дизельного привода, кабина оператора, два барабана с кабелями для
подачи электроэнергии к двигателям режущего модуля (рис. 1).

Рисунок 1 – Конструктивная схема
комплекса The Thin Seam Miner
компании «Dieseko»
Сопоставительный анализ существующих комплексов показал, что для
работы на угольных месторождениях российских регионов, в том числе
Кузбасса, наиболее приемлемы комплексы глубокой разработки пластов (КГРП)
«Superior Highwall Miners».
Комплексглубокойразработкипластов–автономная
высокопроизводительная и экономичная система по добыче угля, позволяющая
осуществлять полностью механизированное выбуривание угольных пластов
выработками прямоугольного поперечного сечения без присутствия людей в
очистном забое. КГРП устанавливается на открытой площадке, которая
образуется в результате извлечения вскрышных пород и угля по контуру блока,
предполагаемого к отработке с помощью данной системы. Минимально
необходимая ширина рабочей площадки составляет от 25,8 до 27,5 м. Уголь от
рабочего органа КГРП транспортируется по закрытым рештакам с помощью
расположенных в них шнеков.
На рис. 2 представлена схема комплекса глубокой разработки пластов
Caterpillar Superior Highwall Miners, а в таблице 1 приведена его техническая
характеристика.

Рисунок 2 – Конструктивная схема комплекса SHM, модель 2002 г.

Таблица 1 – Техническая характеристика КГРП
ПоказателиЗначение
Общая установленная мощность, кВт1200
Длина машины, м16,81
Ширина машины в режиме добычи, м10,2
Максимальный угол подачи в забое, град25
Максимальное понижение отработки пласта (0-25 град), м0-11
Диаметр барабана режущего органа, мм>910
Ширина реза, мм3510
Высота реза, мм
– минимальная1100
– максимальная4800
Длина камеры отработки пласта, м300
Давление режущей головки, кгс/см2
– среднее400
– максимальное (для отдельных вкраплений)700
Уровень автоматического срабатывания датчиков метана, %2

При работе комплекса в тяжелых горно-геологических условиях
наблюдались отказы узлов гидравлической системы, вызванные в холодный
период повышением вязкости гидравлического масла, приводящие к
длительным простоям. В таблице 2 приведены данные о причинах отказов и
продолжительности простоев оборудования за рассмотренный период (2 года).
На рисунке 3 представлен график продолжительности простоев в
зависимости от причин отказов или нештатных ситуаций.
Из анализа графика следует, что наибольшая продолжительность простоев
связана не только с повышением вязкости гидравлического масла, но и с
техническими поломками, происходящим в зимний период времени.
Таблица 2 – Статистика причин отказов в работе КГРП
Причины отказов и нештатных ситуаций при работе КГРП

Поломки цилиндров подборщика

поворотом заднего правого трака

става на рабочую платформу при
температурах ниже минус 32 С
гидрораспределителей поворота

Остановы хвостового конвейера
цилиндрам вруба и подборщика

-32 С при длительном простое
на ходу при температуре ниже

масла при температурах менее
Замерзание гидравлического
связанный с ходовой частью

Увеличивается цикл подачи
гидравлических шлангов к

цилиндров траков (отказ,
Поломки подсоединений

управления подъемом и
хвостового конвейера и
Разрушение натяжных

при отказах п/п 3-7
Выход из строя

минус 32 С
№ п/п

комплекса)
5 запусков
186+2,67+
31 простой4 случая1 случайв условиях низких7 остановов14
1+8+40+42
(2,5-6 ч. каждый)(2/3 ч. каждый).(8 ч.)температур(6 ч. каждый)(3/4 ч. каждый)
= 278,67 ч.
(8 ч. каждый)
5 запусков
114+2,33+
19 простоев3 случаев/1 случайв условиях низких3 останова7
28+40+18 =
(2,5-6 ч. каждый(2/3 ч. каждый).(8 ч.)температур(6 ч. каждый)(3/4 ч. каждый)
182,33 ч.
(8 ч. каждый)

Рисунок 3 – Продолжительность простоев КГРП,
связанных с ликвидацией отказов
Представленные данные свидетельствуют о том, что вопросу поддержания
постоянной регламентируемой температуры гидравлического масла от +40
до -55°С необходимо придавать особое внимание.
Во второй главе дано описание организации мониторинга технического
состояния КГРП, определены допустимые значения вибрации в основных узлах
и частотные диапазоны для построения спектральных масок.
Оценка технического состояния оборудования и его узлов – важнейший
этап проведения контроля технического состояния, – проверка исправности
всего агрегата при выводе его из монтажа или ремонта. Статистика показывает,
что примерно в 20% случаев монтаж и ремонт производятся с нарушением
требований технических условий, что приводит к сокращению межремонтной
наработки оборудования.
Безукоризненное соблюдение требований технических условий при
монтаже и ремонте агрегата и исследование вибрации при выводе из ремонта
могут значительно продлить последующий межремонтный интервал.
При мониторинге технического состояния оборудования используются
многочисленные стандарты, в основе которых лежит нормирование вибрации в
зависимости от конструкции исследуемого объекта. При разработке норм
эксплуатационного контроля вибрации в качестве критерия используют один из
кинематическихпараметров(виброускорение,виброскоростьили
виброперемещение), по которому оценивают техническое состояние агрегата.
На начальной стадии обследования узлов и агрегатов КГРП проводились в
соответствии с требованиями стандартов ГОСТ ISO 10816-1-97 «Контроль
состояния машин по результатам измерений вибрации на невращающихся
частях» и ГОСТ 12.1.012-94 «Классификация технического состояния
механического оборудования», см. таблицу 3.
Таблица 3 – Классы оценок технического состояния
Уровень вибрации Ve, мм/сОценка технического состояния
 1,8Хорошо
1,8…4,5Удовлетворительно
4,5… 11,2Допустимо
≥ 11,2Недопустимо
Недостатком оценки состояния оборудования по общему уровню вибрации
является то, что он практически нечувствителен к изменениям сравнительно
низкоэнергетических частотных составляющих вибросигнала, характерных,
например, для ряда зарождающихся и развивающихся дефектов подшипников
качения, зубчатых передач, электрических и ряда других дефектов. Отсюда
следует вывод о низкой степени достоверности распознавания состояния
агрегатов только по общему уровню вибрации.
Для устранения этого недостатка используется метод «спектральных
масок», позволяющий нормировать амплитуды механических колебаний в узких
частотных диапазонах, присущих различным дефектам.
Прежде всего выделим те частотные диапазоны, где могут проявится те или
иные дефекты отдельных узлов:
− (0,5…2,5)×fr – для обнаружения дисбаланса и расцентровки;
− (7,5…15,5)×fr – для обнаружения дефектов в подшипниках качения;
− (2,5…10,5)×fr – для предупреждения о нарушениях жесткости;
− (z1)×fr – для распознавания дефектов зубчатых муфт и зубчатых передач и
т.д. Здесь fr – частота вращения исследуемого объекта.
Для определения допустимого уровня вибрации в рассматриваемых
частотных диапазонах необходимо воспользоваться понятием «нормального»
состояния агрегатов КГРП – когда в качестве критериев «нормального»
состояния принимаются среднестатистические величины контролируемых
параметров заведомо работоспособного агрегата, полученные при обработке
результатов нескольких периодических измерений после его приработки
(рисунок 4).

Рисунок 4 – Схема
сбора данных для
расчета
средненормальног
о уровня вибрации
идопустимых
значений вибрации
различных
состояний

Большинство стандартов, регламентирующих допустимые значения
вибрации, основано на статистической обработке достаточно большого
количества данных по самым разнообразным типам оборудования различными
исследовательскими группами. При этом в них определена схожая градация по
классам состояния на основе градации уровней на 4, 8, … дБ (соответственно,
примерно в 1,6; 2,5; … раза). Эти относительные величины и принято
использовать в качестве разделительных границ для оценок технического
состояния оборудования по параметрам вибрации.
При анализе массива экспериментального материала было установлено, что
статистические данные с 80% доверительной вероятностью подчиняются
нормальному закону распределения. Для проверки однородности выборки,
характеризующей достоверность статистических выводов, использовался F-
критерий Фишера, а для исключения резко отличающихся данных – критерий
Пирсона.
Вибрация анализировалась отдельно по каждому узлу и агрегату комплекса
КГРП (электродвигатель, насос, мультипликатор, гидродвигатель, компрессор,
вентилятор) и направлению измерения (вертикальному, поперечному и
осевому).
При развертывании программы мониторинга технического состояния были
использованы опорные спектральные маски, представленные в табл. 4.
В соответствии с таблицей 4 были построены опорные спектральные маски,
характеризующие каждый тип агрегатов, используемых на комплексах КГРП.
На рисунке 5 приведены примеры опорных спектральных масок для
гидродвигателя ленточного перегружателя.
Таблица 4 – Классы оценок технического состояния при мониторинге КГРП
Коэффициенты к среднеквадратическому значению Ve
ЧастотнаяПредельно
Нормальное Допустимое
полоса, ГцдопустимоеАварийное
состояниесостояние
состояние
10…1 0000,250,400,631
2 (10)…1,5×fr0,200,320,500,75
2×fr0,120,200,320,50
(3…4)×fr0,080,130,200,32
(5…20)×fr0,130,160,250,40
(21…50)×fr0,060,100,160,25
Пиковое значение виброускорения а, м/с 2

10…10 0005102040

а)б)

– допустимое состояние
– предельное состояние
Рисунок 5. Опорные спектральные маски гидравлического двигателя
ленточного перегружателя

Из анализа приведенного примера видно, что в исходном состоянии после
монтажа гидродвигатель находится в зоне нормального состояния и имеет
значительный запас работоспособности по параметрам механических
колебаний.
В третьей главе приведены особенности эксплуатации КГРП в условиях
низких температур, рассмотрены вопросы повышения безотказности их
эксплуатации, определены гидравлические потери в гидросистеме КГРП и даны
рекомендации по рациональным параметрам ее работы.
Работающие в России комплексы по своей конструкции и применяемым
материалам не отличается от стандартных машин, предназначенных для работы
в зоне с умеренным климатом. Эксплуатация комплексов в условиях низких
температур сопряжена с серьезными трудностями. С понижением температуры
затрудняется пуск двигателя, резко увеличивается (вследствие загустения
смазочных материалов) сопротивление движению, что требует для применения
повышенной мощности, происходит интенсивное ухудшение эксплуатационных
свойств рабочих жидкостей, смазочных материалов, резинотехнических изделий
и конструкционных материалов.
Параметр потока отказов КГРП в зимние месяцы по сравнению с летними
возрастает в 1,3…1,5 раза, что приводит к возрастанию длительности простоев и
снижению технической производительности (рис. 6). Специфичность работы в
зимний период заключается в суровом климате: комплексы используются при
температуре окружающего воздуха до –45оС.

Рисунок 6 –
Изменение
параметра потока
отказов по месяцам
года
Значительно ухудшается всасывающая способность насосов. При
длительных остановках машины в зимний период происходит конденсация влаги
в баке, 1% содержания которой ускоряет образование пены. Наличие пены
интенсивно окисляет масло и детали гидроаппаратов, а также ухудшает
механические характеристики передачи. Применение специальных «зимних»
масел с пологой вязкостно-температурной характеристикой может решить
проблему лишь частично, т.к. их использование рационально только в момент
пуска и прогрева.
Тяжёлые условия эксплуатации рабочей жидкости в жёстких погодно-
климатических условиях заставляют серьёзно отнестись к вопросу о
применяемых гидравлических маслах и их качественных показателях, которыми
могут служить: температура вспышки, кинематическая вязкость при +40°С,
кинематическая вязкость при +100°С, содержание механических примесей
(частицы угля и кремния, металлов серого и жёлтого цветов).
Для установления изменения указанных свойств масел в процессе
эксплуатации рассмотрена работа двух КГРП, эксплуатируемых на разрезе
«Распадский», за двухлетний период. Период отбора проб из гидросистемы
комплексов составлял полтора-два месяца. При возникновении аварийной
ситуации масло на пробу отбиралось на следующий день. Полученные
результаты позволили установить типичные изменения характеристик нового
масла в гидросистемах КГРП (рис. 7).
В таблице 5 приведены усреднённые показатели характеристик масла в
гидросистемах рассматриваемых комплексов КГРП №28 и КГРП №29
(приведены худшие показатели за весь период эксплуатации).
Анализ результатов, приведенных в таблице 5, изменения качественных
показателей масел в гидравлической системе КГРП показал, что существуют
отклонения от заявляемых норм.
а)б)

в)г)

Рисунок 7 – Изменение качественных показателей масла во времени по
худшему результату

Таблица 5 – Качественные показатели масла в гидросистемах
Показатели
Кинематическая Кинематическая
ОбъектыТемпературавязкость привязкость приМеханические
вспышки, оСтемпературетемпературепримеси, %
о
40 С, сСт100оС, сСт
КГРП №2812821,15,10,85
КГРП №2913724,54,91,64
Норма22030…357,60,01
Отклонение
от нормы, %
КГРП №284240338400
КГРП №2938303616300
Основная проблема в зимний период — это замерзание гидравлического
масла. На комплексе имеется достаточное количество теплоносителя
(гидравлического масла) и возможность его увеличения по объему
(ограниченную лишь емкостью главного резервуара, используемой в данный
момент на 30-40%) и по теплонасышенности (подогрев масла
электрообогревателями и циркуляцией через малые каналы). Более того,
предусмотренная система охлаждения масла дает возможность перенастройки на
тепловой режим, экономнее расходующий энергию теплоносителя.
Предлагается использовать данный теплоноситель для обогрева машины
посредством постоянной циркуляции через временно неиспользуемые
исполнительные механизмы или, при невозможности применения данной схемы
(например, на гидравлических цилиндрах и моторах, чьё фиксированное
положение имеет принципиальное значение для работы комплекса) созданием
обогрева для последних. Теоретически, идеальным решением было бы
использование всего тепла, отдаваемого в атмосферу системой охлаждения
масла, на обогрев комплексов при работе в условиях низких температур, для чего
предлагается изготовить на баках дополнительную «рубашку» (рис. 8),
заполненную гидравлическим маслом и подключенную к циркуляционному
потоку системы охлаждения. Для большей эффективности подобного подогрева
необходима дополнительно наружная теплоизоляция баков (например,
полиуретановой пеной). Схема включения «рубашки» в гидравлическую
систему комплекса представлена на рис. 9.

Рисунок 8 – Бак для жидкой и
густой смазки

Изменения, внесенные в схему, позволили в зимний период избежать
остановок от замерзания (зафиксированы рабочие температуры воздуха до
-42°С), что позволяет сделать вывод об их работоспособности. Проблемы,
связанные с низкими температурами на модифицированных узлах, не возникали.
Рисунок 9 – Схема включения
бака с густой и жидкой
смазками в гидравлическую
систему комплекса
1 – пневмонасос, 2 – привод
пневмонасоса, 3,11,14,15 –
кран-отсекатель, 4 – бак для
гидравлического масла, 5,6 –
гидравлические рукава, 7 –
радиатор охлаждения масла, 8
– фильтр тонкой очистки
масла, 9 – бак с пластичной
смазкой, 10 – «рубашки»
подогрева бака.
В четвертой главе разработана математическая модель прогнозирования
работоспособности агрегатов КГРП, дан анализ результатов диагностического
обследования на основе разработанной методики вибрационного контроля,
рекомендации по оценке остаточного ресурса и внедрению системы
технического обслуживания по результатам мониторинга технического
состояния. Описана методика вибродиагностики главных приводов КГРП.
Приведены результаты внедрения разработанной методики.
Разработанная «Методика вибродиагностики основных узлов и агрегатов
комплексов глубокой разработки пластов» устанавливает порядок определения
технического состояния узлов и агрегатов комплекса виброакустическим
методом, позволяющим определить техническое состояние, выявить причины
отказов на самых ранних стадиях их возникновения и прогнозировать их
развитие.
Работа по диагностированию КГРП выполнялась в соответствии с
требованиями стандарта ГОСТ ISO 10816-1-97 «Контроль состояния машин по
результатам измерений вибрации на невращающихся частях», ГОСТ 12.1.012-94
«Вибрационная безопасность» на протяжении двух лет. Измерения и анализ
параметров вибрации производились с использованием коллектора/анализатора
Кварц CU-060 №15 и программного обеспечения Диамант 2.04.
Как показал анализ полученных результатов за период наблюдений, все
агрегаты комплекса КГРП находятся в удовлетворительном техническом
состоянии, кроме двух – привода ленточного перегружателя и привода
скребкового конвейера.
Для оценки степени развития дефекта и прогнозирования остаточного
ресурса по информативным критериям технического состояния возможно
применение прогностических моделей, использующих статистические данные,
называемые предысторией. Для построения прогностической модели
необходимо выполнение ряда условий:
− прогностическая модель адекватна для однотипного оборудования;
− критерием оценки состояния служит наиболее информативный параметр,
в нашем случае это СКЗ виброскорости Ve;
− достаточное количество объективной информации.
Для гидравлического двигателя ленточного перегружателя, как было
определено ранее во 2 главе, недопустимое техническое состояние возникает при
величине Ve > 8,4±1,34 мм/с (доверительная вероятность р=0,8).
Результаты построения прогностической модели по диагностическим
данным измерения виброскорости Ve, описывающей деградацию привода,
приведены на рис. 10.
По общему уровню интенсивности вибрации техническое состояние к
концу эксплуатационного периода оценивается как недопустимое.
Максимальная величина интенсивности вибрации зафиксирована в переднем
подшипнике выходного вала редуктора.
Рисунок 10 –
Изменение СКЗ
виброскорости во
времени при
дисбалансе
ротора
гидродвигателя

Эффективное значение виброскорости в контрольной точке составило
Ve ≈ 21 мм/с (рис. 11).

мм/сек
12
8Рисунок 11 –
6Интенсивность
4вибрации
редуктора
0 12 25 32 40 50 67 80 90 100110130150158165175185195205220235400
Гцленточного
перегружателя

Спектральный анализ механических колебаний указывает на недопустимый
дисбаланс выходного вала редуктора (а, следовательно, приводного барабана
перегружателя). На основании данных результатов рекомендуется балансировка
выходного вала редуктора и приводного барабана.
Аналогичная картина наблюдается и в приводе скребкового конвейера,
техническое состояние которого оценивается как недопустимое. Максимальная
величина интенсивности вибрации зафиксирована в заднем подшипнике
двигателя, см. рис. 12.
мм/сек
6Рисунок 12 –
4Интенсивность
вибрации заднего
подшипника
Гц
0 28 40 60 70 80 95 110135145155165201220250270300320360399235400
двигателя
скребкового
конвейера
Спектральный анализ механических колебаний указывает на недопустимую
расцентровку валопровода «ротор электродвигателя – входной вал редуктора».
Техническое состояние редуктора – допустимое (в спектре механических
колебаний отмечаются зубцовые частоты).
Промышленная апробация разработанной «Методики в производственных
условиях на разрезе «Распадский» и разрезе «Южный» показала ее
работоспособность, а использование «Методики» на предприятиях угольной
промышленности позволит внедрить систему профилактического обслуживания
КГРП, базирующуюся на результатах вибродиагностического обследования их
технического состояния.
Как показали результаты хронометражных наблюдений за работой КГРП
№29 до и после внедрения разработанных мероприятий по климатической
адаптации гидросистемы комплекса, а также «Методики» сократились
аварийные простои комплекса и время восстановления работоспособности его
агрегатов. Коэффициент технического использования увеличился примерно в 1,3
раза с K ТИ = 0,6 до K ТИ = 0,8.
Применение разработанной методики позволило снизить удельные годовые
затраты на ремонт и увеличить время производительной работы комплекса
КГРП, и соответственно дополнительно увеличить добычу на 33% (141,1 тысяч
тонн в среднегодовом выражении) при условии проведения качественного
мониторинга и освоения предложенных решений по модернизации, при этом
упущенная выгода без внедрения разработанной методики составляет 19 668
долларов ежесменно.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе изложены научно-обоснованные технические
решения по климатической адаптации гидросистемы комплекса глубокой
разработки пластов и оценке фактического технического состояния его агрегатов
методами вибрационной диагностики, а также прогнозированию его
работоспособности, позволяющие осуществлять эксплуатацию КГРП при
низких температурах, и вносящие существенный вклад в развитие горного
машиностроения.
Основные научные и практические результаты диссертационной работы
заключаются в следующем:
1. Выявлены причины отказов комплексов типа КГРП, затрат времени на
восстановление их работоспособности, которые свидетельствуют о низкой
эксплуатационной надежности гидромеханического оборудования. Так
коэффициент технического использования КГРП снижается в 2 раза с KТИ = 0,6
(июнь месяц) до величины KТИ = 0,3 (среднегодовое значение).
2. Для диагностики технического состояния узлов и агрегатов
гидромеханического оборудования комплексов КГРП предложены оценки на
основе спектральных масок, позволяющие выявлять возможные дефекты с
доверительной вероятностью не менее 80%. На основе результатов опытной
эксплуатации комплекса КГРП построены спектральные маски для всех узлов и
агрегатов гидромеханического оборудования (привод режущей части, привод
погрузчика рабочего органа, привод ленточного перегружателя, привод
скребкового конвейера, привод шнекового конвейера, маслостанция, насос для
антифриза, насос системы охлаждения), позволяющие различать 4 состояния
оборудования – нормальное, допустимое, предельно допустимое и аварийное.
3. Определены количественные характеристики изменения качественных
показателей рабочей жидкости в зимний период, приводящие к замерзанию
гидравлическогомаслаиухудшениюработыгидроаппаратуры.
Проанализированы причины отказов гидромеханического оборудования и
предложены технические решения по устранению возникающих проблем
(Патент № 69153 Российская Федерация. Устройство для регулирования
температуры смазки комплекса глубокой разработки пластов, Патент № 67639
Российская Федерация. Гидропривод механизма подачи магистралей комплекса
глубокой разработки пластов).
4. Результатами хронометражных наблюдений за работой КГРП №29
подтверждена эффективность разработанных мероприятий по климатической
адаптации гидросистемы комплекса, сократились аварийные простои комплекса
и время восстановления работоспособности агрегатов. Коэффициент
технического использования увеличился в 1,3 раза с KТИ = 0,6 до KТИ = 0,8 (в
более благоприятных климатических условиях), а в среднем составил KТИ = 0,6.
5. Разработана «Методика вибродиагностики главных приводов комплексов
глубокой разработки пластов (КГРП)», принятая к внедрению на ЗАО «Разрез
Распадский» и ООО «Разрез «Южный», апробация которой в производственных
условиях позволила выявить дефекты приводов ленточного перегружателя и
скребкового конвейера, а прогностическая модель деградации этих приводов
позволила определить сроки проведения технического обслуживания с
доверительной вероятностью не менее 80%.
Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы.
Развитие системы оценки технического состояния гидромеханического
оборудования комплексов КГРП на основе использования других методов
функциональной диагностики – тепловизионного контроля и спектрально-
эмиссионного анализа рабочих жидкостей.