На правах рукописи

Лхамжав Орхон

ОБОСНОВАНИЕ РЕГЛАМЕНТА ТЕХНИЧЕСКОГО

ОБСЛУЖИВАНИЯ И РЕМОНТА РОТАЦИОННЫХ УЗЛОВ

ШАГАЮЩИХ ЭКСКАВАТОРОВ ПО ВИБРАЦИОННЫМ

ПРИЗНАКАМ

Специальность 05.05.06 Горные машины

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иркутск – 2013 1

Работа выполнена на кафедре горных машин и электромеханических систем ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет»

Научный руководитель: Шадрин Александр Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры горных машин и электромеханических систем Иркутского государственного технического университета

Официальные оппоненты: Викулов Михаил Александрович, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой горных машин СевероВосточного федерального университета;

Берман Александр Фишелевич, доктор технических наук, профессор, зав. лабораторией ИДСТУ СО РАН

Ведущая организация: ОАО «Иркутский научно-исследовательский институт благородных и редких металлов» (Иргиредмет)

Защита состоится 26 ноября 2013 г. в 10:00 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.073.04 при ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет» по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, корпус «К», конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет».

Отзывы на автореферат (два экземпляра, заверенные организацией) направлять по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.073.04; e-mail: [email protected];

факс: (3952) 40-58-69.

Автореферат диссертации разослан 25 октября 2013 г.

И.о. ученого секретаря диссертационного совета, Беляев доктор технических наук, Александр Евгеньевич профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Горнодобывающая отрасль занимает ведущее место в экономике Монголии: не только обеспечивает углем ТЭЦ городов Дархан и Эрдэнэт, но и экспортирует золото, флюорит, коксующийся уголь, что влияет на рост валовой продукции страны, поэтому её экономическое развитие во многом зависит от эффективности развития горнодобывающей промышленности.

В настоящее время в Монголии разработка месторождений полезных ископаемых производится преимущественно открытым способом. На горных предприятиях используются экскаваторы типа ЭКГ-5А, ЭКГ-4У, ЭКГ-8И, ЭКГ-10, ЭШ-10-70, ЭШ-13-50, ЭШ-15-90, ЭШ-20-90. Эти машины в основном работают на угольном разрезе «Баганурский» со сроком эксплуатации от 20 до 30 лет. Следует отметить, что до настоящего времени исследований процесса эксплуатации экскаваторов угольного разреза «Баганурский» проводилось недостаточно.

Одним из путей повышения уровня эффективности использования мощных высокопроизводительных машин является оперативная и своевременная оценка технического состояния экскаваторов, обеспечивающая минимальные затраты времени и средств на ремонтное обслуживание. В связи с этим, оценка технического состояния и организация ремонта горной техники по фактическому состоянию являются актуальными задачами.

Цель работы – повышение уровня эксплуатационной надежности и снижение стоимости содержания шагающих экскаваторов за счет сокращения неплановых простоев путем ведения вибрационного контроля и мониторинга технического состояния, разработки регламента ремонта ротационных узлов.

Объектом исследования являются шагающие экскаваторы.

Предмет исследования – процесс износа ротационных узлов основных приводов шагающих экскаваторов.

Основная идея работы. Уровень эксплуатационной надежности шагающих экскаваторов увеличивается в результате выполнения регламента ремонта по фактическому состоянию их ротационных узлов, разрабатываемого на основе метода прогнозирования остаточного ресурса по результатам контроля и мониторинга износа вибрационными методами диагностики.

Защищаемые научные положения:

1. Показатели эксплуатационной надежности шагающих экскаваторов разреза «Баганурский»в климатические периоды года работы следует определять по регрессионной зависимости, учитывающей влияние температуры атмосферного воздуха и скорости ветра.

2. Уровень эксплуатационной надежности шагающих экскаваторов в сверхнормативный срок эксплуатации в условиях Монголии следует определять по установленным регрессионным зависимостям, учитывающим влияние срока эксплуатации на показатели надежности.

3. Прогнозирование остаточного ресурса редукторов главных приводов шагающих экскаваторов должно осуществляться с использованием установленных регрессионных зависимостей значения комплексного показателя Хёрста от наработки с момента последнего ремонта.

Научная новизна результатов исследования:

установлены закономерности изменения показателей и многофакторные регрессионные зависимости уровня эксплуатационной надежности шагающих экскаваторов от погодно-климатических факторов на разрезе «Баганурский» (Монголия);

определены аналитические зависимости показателей эксплуатационной надежности шагающих экскаваторов от срока их эксплуатации, позволяющие прогнозировать уровень надежности машин за пределами нормативного срока службы;

разработаны регрессионные зависимости комплексного показателя Хёрста состояния редукторов главных приводов шагающих экскаваторов от их наработки, позволяющие прогнозировать остаточный ресурс и разрабатывать регламент ремонта экскаваторов по фактическому состоянию ротационных узлов.

Теоретическая значимость исследования. Установлены закономерности изменения показателей эксплуатационной надежности шагающих экскаваторов в зависимости от климатических условий и срока эксплуатации на разрезе «Баганурский», которые могут быть использованы для планирования эксплуатационных показателей. Разработан метод прогнозирования остаточного ресурса редукторов главных приводов шагающих экскаваторов, который позволяет планировать и выполнять ремонты машин по фактическому состоянию ротационных узлов.

Практическая значимость исследования. Установленные закономерности изменения показателей эксплуатационной надежности шагающих экскаваторов от климатических условий и срока эксплуатации, разработанный метод прогнозирования остаточного ресурса узлов редукторов главных приводов драглайнов используются на разрезе «Баганурский» при разработке регламента ремонта по фактическому состоянию их ротационных узлов и при прогнозировании выработки машин.

Предполагаемая форма внедрения результатов – методика разработки регламента ремонта шагающих экскаваторов разреза «Баганурский»

по вибрационным характеристикам узлов редукторов главных приводов шагающих экскаваторов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 научные работы в изданиях рекомендованного перечня ВАК.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, 4 приложений, общим объемом 92 страницы машинописного текста, содержит 4 таблицы и 61 рисунок, список литературы из 96 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертационной работы содержится анализ выполненных исследований по проблеме эффективности использования горных машин. Исследованию уровня эксплуатационной надежности, эксплуатационной технологичности и качества систем технического обслуживания и ремонта горного оборудования, оценке экономически оправданного срока службы машин посвящены работы В.И. Солода, В.Н. Гетопанова, Г.И. Солода, А.В. Докукина, П.И. Коха, В.П. Шилова, В.И. Морозова, В.А. Голубева, В.Р. Кубачека, А.Т. Филимонова, В.М. Рачека, И.А. Шиповского, В.И. Русихина, Д.Е. Махно, Я.М. Радкевича, Г.С. Рахутина, В.Н. Ефимова, А.В. Тропа, Л.С. Сычева, Б.И. Лактионова, В.Б. Тимофеева, А.И. Шадрина, В.С. Квагинидзе и монгольских ученых Д. Батжаргала, Ц. Нанзада и др.

Дается анализ простоев экскаваторов-драглайнов угольного разреза «Баганурский» (Монголия), обоснование цели и задач исследования.

Во второй главе приведен характер изменения показателей эксплуатационной надежности экскаваторов угольного разреза «Баганурский» в климатические периоды работы (зимний, летний): коэффициента технического использования, коэффициента готовности, среднего времени восстановления, параметра потока отказов, удельной суммарной продолжительности неплановых ремонтов и удельной суммарной продолжительности плановых ремонтов. Выполнен многофакторный анализ влияния погодно-климатических характеристик на показатели надежности экскаваторов-драглайнов. Определены закономерности распределения наработки между отказами редукторов шагающих экскаваторов ЭШ-15-90.

Установлены регрессионные зависимости показателей надежности экскаваторов от срока эксплуатации в условиях угольного разреза «Баганурский».

В третьей главе дана методика проведения вибрационного контроля состояния элементов редукторов главных приводов шагающих экскаваторов и фрактального анализа результатов полученных спектров виброхарактеристик. Предложен метод расчета остаточного ресурса редукторов по результатам вибромониторинга с использованием комплексного показателя Хёрста и установленных в работе зависимостей его значения от наработки после очередного ремонта.

В четвертой главе рассмотрен алгоритм и методика прогнозирования остаточного ресурса и разработки регламента технического обслуживания и ремонта редукторов главных приводов шагающих экскаваторов по результатам виброконтроля и мониторинга их технического состояния.

Приведен расчет экономического эффекта от внедрения предлагаемых мероприятий по повышению эксплуатационной надежности драглайнов на угольном разрезе «Баганурский».

Показатели эксплуатационной надежности шагающих экскаваторов разреза «Баганурский» в климатические периоды года работы следует определять по регрессионной зависимости, учитывающей влияние температуры атмосферного воздуха и скорости ветра.

Для достижения цели исследования на угольном разрезе «Баганурский» (Монголия) в период 2003–2011 гг. проведены наблюдения за эксплуатацией экскаваторов ЭКГ-5А, ЭКГ-8И и экскаваторов-драглайнов по плану [N; M; Tс] согласно ГОСТ Р 53480-2009, ГОСТ 27.002-89. Полученная экспериментальная информация проверена на достоверность путем анализа первичной документации об использовании машин (журналы приема-сдачи смены, фактическое выполнение нарядов на ремонтные работы, сменные отчеты диспетчеров и др.).

По данным наблюдениям проведено исследование эксплуатационной надежности карьерных экскаваторов с использованием показателей, рекомендованных ГОСТами.

Выявлено, что основными отказами экскаваторов являются отказы деталей и узлов механической части машин. Диаграммы распределения отказов и простоев механической и электрической части отвальных, добычных и вскрышных экскаваторов показывают, что коэффициенты простоев из-за отказов механической части составляют для экскаваторов:

ЭКГ-8И–0,52 (отвал), ЭКГ-5А – 0,51 (добыча), шагающих – 0,58(вскрыша) от общих потерь времени из-за отказов. Коэффициент отказов механической части составляет у экскаваторов ЭКГ-8И 0,64 (отвал), ЭКГ-5А – 0, (добыча), шагающих экскаваторов – 0,54 (вскрыша) от всех отказов.

Для выбора путей и разработки мероприятий по повышению надежности экскаваторов установлена зависимость уровня надежности от погодно-климатических условий эксплуатации. Для этого проанализировано изменение уровня надежности экскаваторов в зимний и летний периоды эксплуатации. При этом в условиях Монголии за зимний период приняты месяцы с октября по март, а за летний – с апреля по сентябрь.

Исследования показали, что в зимние месяцы по сравнению с летними уровень надежности экскаваторов снижается. Удельная суммарная продолжительность неплановых ремонтов, параметр потока отказов возрастают в зимние месяцы. Параметр потока отказов возрастает в 1,4 раза, удельная суммарная продолжительность неплановых ремонтов – на 15 % (рис. 1 и 2).

Рис. 1. Диаграмма изменения Рис. 2. Диаграмма изменения параметра потока отказов шагающих удельной суммарной экскаваторов в климатические продолжительности неплановых экскаваторов в климатические фортных условиях. На рис. периоды эксплуатации представлено изменение параметра температуры воздуха в период 20032011 гг. Характер изменения экскаваторов от скорости ветра (рис. 5), по сравнению с зависимостью его от температуры воздуха, показывает более выраженную тенденцию неуклонного его уменьшения (коэффициент корреляции R=0,53).

Параметр потока отказов, ч В пределах изменения температуры воздуха условиях разреза удельная суммарная продолжительность неплановых ремонтов в период 20032011 гг. варьирует в пределах от 0,17 до 0,27 ч/ч (рис. 6).

Уравнение аппроксимации, полученное для Куд с коэффициентом корреляции R=0,64 при снижении температуры воздуха в указанных на Рис. 6. Зависимость удельной суммарной В настоящей работе попродолжительности неплановых лучены уравнения множестремонтов шагающих экскаваторов от венной регрессии связи показатемпературы воздуха телей надежности с погодноклиматическими факторами для экскаваторов ЭКГ-5А, ЭКГ-8И и шагающих экскаваторов в условиях угольного разреза «Баганурский» в следующем виде:

где t среднесуточная температура воздуха, °C; v скорость ветра, м/с.

Для удельной суммарной продолжительности неплановых ремонтов Куд получено уравнение множественной регрессии в следующем виде:

Обработкой результатов наблюдения методами математической статистики и теории вероятностей установлено, что распределение наработок между отказами редукторов соответствует экспоненциальному закону с уровнем значимости не ниже 0,1. Плотности вероятности распределений представлены на рис. 7.

Плотность вероятности, 1/ч Уровень эксплуатационной надежности шагающих экскаваторов в сверхнормативный срок эксплуатации в условиях Монголии следует определять по установленным регрессионным зависимостям, учитывающим влияние срока эксплуатации на показатели надежности.

В работе изучено изменение уровня надежности шагающих экскаваторов за сверхнормативный срок эксплуатации. На рис. 8 представлено изменение коэффициента технического использования Кти шагающих экскаваторов в период 20032011 гг.

Уравнение аппроксимации, полученное для Кти с коэффициентом корреляции R = 0,48, показывает тенденцию неуклонного снижения его средних значений с 0,84 до 0,75 в рассматриваемый период.

На рис. 9 представлено изменение коэффициента готовности шагающих экскаваторов в период 20032011 гг. Характер его изменения показывает более выраженную тенденцию неуклонного его снижения с 0,90 до 0,77 (коэффициент корреляции R = 0,71) по сравнению с коэффициентом технического использования шагающих экскаваторов.

Возрастание плановых простоев в ремонте при увеличении срока эксплуатации машин связано с нарастающим объемом работ из-за уменьшения послеремонтного ресурса узлов и агрегатов и увеличения номенклатуры объектов ремонта за счет узлов, имевших высокий ресурс, а также базовых элементов оборудования.

Коэффициент технического использования, Кти Удельная суммарная продолжительность Куд= -0,3386+0,0387х+0,0006х2 срока эксплуатации машин вызвано плановых. Удельная суммарная продолжительность неплановых ремонтов Куд. экскаваторов-драглайнов Рис. 10. Зависимость удельной неплановых ремонтов драглайнов от казывают, что средние значения срока эксплуатации удельной суммарной продолжительности неплановых ремонтов Куд.

увеличиваются за 13 лет сверхнормативного срока эксплуатации экскаваторов-драглайнов с 0,12 до 0,30 (коэффициент корреляции R = 0,85).

Полученные регрессионные уравнения для коэффициента технического использования и коэффициента готовности могут быть применены для прогнозирования выработки и оценки целесообразности продолжения эксплуатации машин.

Прогнозирование остаточного ресурса редукторов главных приводов шагающих экскаваторов должно осуществляться с использованием установленных регрессионных зависимостей значения показателя Хёрста от наработки с момента последнего ремонта.

Современные технологии контроля и диагностики состояния оборудования используют метод вибрационной диагностики. Выбор метода вибродиагностики зависит от структурного, функционального и вибрационного состояния объекта.

Наиболее широко вибродиагностика используется для контроля вращающихся механизмов. Выделяют следующие основные неисправности, определяемые анализом вибросигналов:

дефекты подшипников качения, дефекты подшипников скольжения, дефекты механических передач.

На самом деле, сравнивать вибрационный процесс с простым колебательным движением некорректно. Уровень вибрации машин и их вращающихся элементов зависит от многих внешних и внутренних факторов и является нелинейным процессом с параметрами, варьирующими в широких пределах.

На угольном разрезе «Баганурский» были проведены измерения параметров вибрационного процесса в контрольных точках на подшипниках редукторов хода, подъема, тяги и вращения шагающих экскаваторов ЭШ-15-90 с использованием виброанализатора VA-412. Экспериментальную базу данных составили более 280 спектров виброскорости и виброускорений в период эксплуатации экскаваторов с января 2007 г. по февраль 2010 г. Целью измерений являлось изучение степени влияния факторов на техническое состояние узлов экскаваторов и получение данных для прогнозирования их остаточного ресурса и планирования ремонта.

В результате измерений в контрольных точках подшипников редукторов были зарегистрированы спектры вибрации в виде частотной последовательности амплитуд виброскорости и виброускорения. В качестве примера на рис. 11 изображен один из спектров вибрационных ускорений подшипника подъёмного редуктора шагающего экскаватора ЭШ-15-90.

Полученные частотные ряды амплитуд колебаний представляют собой фрактальные множества, для описания которых в теории динамических систем используется комплексный показатель Хёрста Н, который количественно характеризует меру хаотичности значений амплитуд в частотном ряду спектра.

Рис. 11. Спектр вибрационных ускорений подшипника подъёмного редуктора шагающего экскаватора ЭШ-15- По мере изменения уровня хаотичности вибрационного сигнала меняются и его фрактальные характеристики. Это позволяет рассматривать показатель Хёрста как дополнительный диагностический критерий оценки технического состояния подшипников редукторов шагающих экскаваторов, который определяется по следующей формуле:

где Н – показатель Хёрста, принимающий значения от 0 до 1;

R – размах колебания, представляющий собой разность между максимальным и минимальным значениями амплитуды х от среднего значения Mk;

S – среднеквадратическое отклонение амплитуды х колебаний от их среднего значения Mk;

a – константа, эмпирически Хёрст рассчитал, что константа a равна приблизительно 0,5;

N – текущее значение объема выборки (количество периодов колебаний).

Для оценки показателя Хёрста применяется нормированный размах, определяемый отношением R/S. Как правило, для рядов параметров вибрации многих природных процессов величина нормированного размаха описывается следующим эмпирическим соотношением:

где Н – показатель Хёрста.

Данные вибромониторинга измерений вибрационных характеристик были обработаны при помощи программы Fractan, в результате чего для каждого спектра была получена зависимость нормированного размаха R/S от объема выборки N. По данным каждого спектра виброускорений определен показатель Хёрста. Пример зависимости R/S=f(N), рассчитанной по выражению (2), представлен на рис. 12, для которой показатель Хёрста H=0,386.

Рис. 12. Нормированный размах виброускорений подшипника подъёмного редуктора экскаватора ЭШ-15- Практически определено, что у работоспособного редуктора показатель Хёрста меньше 0,5.

Если показатель Хёрста вибрационного ускорения подшипника редуктора подъема ЭШ-15-90 равен H=0,115, то это значит, что в дальнейшем вибрационное ускорение будет возрастать незначительно.

Практика эксплуатации и анализ уровня вибрационого процесса вращательных механизмов (элементов) показывают, что при показателе