Системы обеспечения надежности гидропривода инструмент внедрения современной карьерной техники на горных предприятиях России

Г.С.Бродский, AGA Engineering & Trading, USA
Р.Р.Даутов, ГУП «Якутуголь»
Б.В.Слесарев, ЗАО «Могормаш»

В последней четверти XX века произошло существенное обновление парка оборудования на горных предприятиях мира, прежде всего, за счет внедрения гидрофицированной техники с принципиально улучшенными технологическими параметрами и энерговооруженностью. Лучшей иллюстрацией этого процесса является распространение карьерных гидравлических экскаваторов, которые в 70-е годы были представлены единичными образцами, а к концу тысячелетия уже составили более 80% парка таких машин.

В то же время на карьерах России гидрофицированная техника пока не занимает достойного места. Более того, наметилась тенденция сокращения парка гидравлических экскаваторов. Зачастую при покупке новой техники специалисты отечественных горных предприятий отдают предпочтение традиционным мехлопатам, несмотря на то, что они, как правило, уступают гидравлическим:

•    по металлоемкости – в 1.7–2.0 раза;

•    по удельной энерговооруженности – в 2.0–2.5 раза;

•    по высоте копания – в 1.5–1.8 раза.

На наш взгляд, причина формирования подобной точки зрения, приводящей к лавинообразному отставанию материальной базы горной промышленности России, состоит в неготовности сервисных служб к эксплуатации новой техники. Отсутствие на горных предприятиях необходимого опыта и инструментальной базы приводит не только к тому, что технологические возможности машин не реализуются, но и к необъективной оценке достоинств и недостатков тех или иных образцов в ходе принятия решений о техническом перевооружении.

Так, на отечественных горных предприятиях распространено мнение о ненадежности гидравлических экскаваторов и большой стоимости их эксплуатации, в частности о том, что для этих машин характерны: низкая долговечность основных агрегатов; трудоемкость ремонта и дороговизна комплектующих изделий; малая надежность систем привода.

Многие считают, что указанные недостатки не позволяют гидравлическим экскаваторам реализовать свои преимущества и продемонстрировать реально высокие экономико-технологические параметры в эксплуатации.

Между тем, анализ информации об эксплуатационной надежности экскаваторной техники на отечественных карьерах свидетельствует о том, что в случае соответствующей технической поддержки и экипировки ремонтных служб, параметры фактической производительности и надежности гидравлических экскаваторов и мехлопат сходны. На рис. 1 и 2 приведены данные эксплуатации гидравлических экскаваторов и мехлопат производства фирмы MARION (США), имеющих близкие номинальные параметры и использовавшихся на одном и том же горном предприятии. Более того, влияние привода на надежность машины в целом также сходно в обоих случаях (время простоев из-за отказов элементов привода и автоматики и для гидравлического экскаватора, и для мехлопаты составляет около 35%, рис. 3).

Однако надежность гидропривода, и, соответственно, гидравлического экскаватора в целом, существенно зависит от качества сервиса. Так, по мере освоения технологии обслуживания гидравлических систем, несмотря на естественное старение машин, возрастал коэффициент готовности гидроприводов экскаваторов 204М, который в 1982 г. составлял 94%, в 1983 г. – 96.2%, в 1984 г. – 98.4%.

Естественно, при этом уменьшается также доля потерь рабочего времени из-за отказов гидропривода (рис. 4).

Сервис гидравлических систем базируется на применении специальных технологий, инструментов и запасных частей, которые, в большинстве своем, весьма специфичны и требуются только для обслуживания гидропривода.

Поэтому внедрение гидрофицированных машин на горном предприятии требует определенной подготовки, включающей как приобретение оборудования, так и обучение персонала. Изготовители гидравлических экскаваторов, как правило, не акцентируют внимания на этом обстоятельстве, как вследствие недостаточного знания специфики российских предприятий, так и по маркетинговым соображениям. В самом деле, понимание необходимости создания специальных служб и оснащения непривычным оборудованием может привести к появлению опасений сложности и дороговизны эксплуатации, что обычно отрицательно отражается на принятии решения о закупках техники.

В действительности же затраты на сервисную службу несоизмеримо меньше стоимости самого карьерного оборудования; более того, эти затраты очень быстро окупаются за счет реализации нормативных характеристик производительности и зачастую даже превышения паспортных показателей надежности машин.

Столь высокая эффективность сервисных систем, которые, применительно к рассматриваемому случаю, могут быть названы системами обеспечения надежности, объясняется конструктивными особенностями гидроприводов и спецификой режимов их эксплуатации в составе экскаваторного оборудования, а именно:

•    гидропривод в целом и его агрегаты в частности имеет высокую надежность, но низкую живучесть в понимании [2];

•    ресурс гидравлических агрегатов и безотказность привода в основном определяется трибологическими характеристиками триад трения, то есть, с эксплуатационной точки зрения, свойствами рабочей жидкости, прежде всего, загрязненностью и вязкостью [3];

•    средняя нагруженность гидроприводов карьерных экскаваторов от номинально установленной не превышает 50% (рис.5). При этом динамика и частота проявления предельных нагрузок, равно как и годовой фонд рабочего времени, достаточно высоки;

•    для рассматриваемых условий эксплуатации характерны высокая загрязненность рабочей зоны (до 500 мг/м3) и широкий диапазон изменения рабочих температур (от –60°С до +50°С).

Таким образом, для обеспечения надежности гидроприводов карьерного оборудования необходимо, прежде всего:

•    гарантировать заправку гидросистемы рабочей жидкостью надлежащего качества и поддерживать ее чистоту и вязкость (температуру) в допустимых пределах в течение всего срока службы машины;

•    производить диагностику привода с целью его своевременной настройки и обслуживания, то есть, прежде всего, поддержания предохранительных устройств в рабочем состоянии и соблюдения графиков планово-предупредительных ремонтов. Последнее позволяет минимизировать потери рабочего времени и не допустить лавинообразного загрязнения жидкости в ходе аварийного, зачастую неквалифицированного, ремонта.

Решение только этих задач позволяет многократно повысить надежность гидропривода, тем более учитывая тот факт, что эксплуатационные нагрузки на привод, как правило, существенно ниже номинальных. Поэтому при разумной эксплуатации ресурс агрегатов должен быть существенно выше номинального, регламентируемого заводом-изготовителем на основании стендовых испытаний при номинальной нагрузке. Так, например, если завод-изготовитель гарантирует ресурс насоса 5 тыс. часов при давлении 25 МПа, то реальной гистограмме нагружения (рис.5) соответствует ресурс 32 тыс. часов. В реальной же практике, в подавляющем большинстве случаев, имеет место недоработка агрегатами номинального ресурса. Для примера, соответствующие данные, полученные авторами работы [4] для экскаваторов европейского производства с объемом ковша 1.0–1.5 м3 и наработкой 6–12 тыс. мото-часов, в сравнении с номинальными значениями, приведены в табл. 1.

Таким образом, очевидно, что имеется многократный резерв повышения эксплуатационной долговечности гидравлических агрегатов. Этот резерв может быть реализован путем обеспечения соответствующих режимов эксплуатации привода. Обобщая данные экспериментальных исследований надежности машин с учетом типовой гистограммы нагружения, мы приходим к выводу о том, что имеет место экспоненциальная зависимость между показателями загрязненности жидкости и надежности (рис. 6). Фактически, в зависимости от конструктивных и эксплуатационных особенностей техники, возможна реализация трех режимов эксплуатации:

Рядового, характеризуемого повышенной загрязненностью жидкости (например, для современной карьерной и строительной техники, на уровне 14–16 класса чистоты по ГОСТ 17216-71). Этот уровень характерен для большинства машин, при создании и эксплуатации которых не проводятся специальные мероприятия. В рядовом режиме эксплуатации абсолютное большинство агрегатов привода недорабатывает свой ресурс и выходит из строя в результате абразивного износа или заедания деталей.

Нормативного, характеризуемого нормальной загрязненностью жидкости на уровне 12–13 класса чистоты по ГОСТ 17216-71, (например, для современной карьерной и строительной техники, на уровне 12–13 класса чистоты по ГОСТ 17216-71). Этот уровень соответствует требованиям большинства заводов-изготовителей машин и агрегатов. В нормативном режиме эксплуатации доля отказов из-за заедания деталей снижается, но абразивное изнашивание превалирует над усталостным разрушением. Значительно возрастает наработка на отказ, а ресурс гидроагрегатов приближается к нормативному, но по-прежнему имеет место существенная недоработка.

Оптимального, характеризуемого пониженной загрязненностью жидкости (например, для современной карьерной и строительной техники, на уровне 10–12 класса чистоты по ГОСТ 17216-71). Этот уровень обеспечивает минимальный эксплуатационный износ агрегатов и отработку ими полного ресурса, ограничиваемого только усталостной прочностью. В оптимальном режиме эксплуатации усталостное разрушение или старение являются основными причинами неисправностей. Наработка привода на отказ и ресурсы агрегатов значительно возрастают и многократно превосходят нормативные значения.

Экспериментальные значения показателей надежности, полученные в ходе подконтрольной эксплуатации гидрофицированного экскаватора в течение трех лет, приведены на рис. 7.

Материальной базой систем обеспечения надежности гидропривода карьерного оборудования служат инструментальные комплексы, содержащие:

•    системы внелинейной очистки и заправки жидкости;

•    системы предпускового прогрева агрегатов привода;

•    наборы специального инструмента для ремонта и настройки привода;

•    устройства для диагностики и контроля агрегатов и рабочей жидкости;

•    приборы для настройки предохранительно-регулирующей аппаратуры и автоматики;

приспособления для обеспечения комфортной и безопасной работы персонала.

Подобные инструментальные комплексы широко распространены на современных горных предприятиях, особенно расположенных в зонах холодного климата, например, в Канаде. Примером такого комплекса, адаптированного к особенностям горной промышленности России, является STARMINE-M.

Именно высокое качество сервисного обслуживания обусловило широкое внедрение гидравлических экскаваторов на горных предприятиях мира. Отсутствие такового объясняет соответствующие неудачи у нас в стране.

Вместе с тем, высокая техническая грамотность инженерного персонала на Российских горных предприятиях дает основания для оптимистической оценки возможности преодоления отставания отечественной горной промышленности в области внедрения современной экскаваторной техники за счет:

•    правильного осознания путей обеспечения эффективной работы гидропривода;

•    приобретения необходимых инструментальных комплексов одновременно с гидрофицированной техникой;

•    своевременного обучения ремонтного персонала.  

Журнал "Горная Промышленность" №1 2002