Применение измерительно-информационных комплексов для контроля режима эксплуатации карьерного оборудования

Г.С.Бродский, Е.С.Бродская, AGA Group, Inc., США
В.М.Штейнцайг, ЗАО «Могормаш»

Необходимым условием эффективной эксплуатации техники в современных условиях является реализация рациональных режимов ее нагружения. С одной стороны техника должна обеспечивать высокую производительность, а с другой стороны – проявление пиковых нагрузок, режимов холостого хода и тому подобных явлений, неблагоприятных с точки зрения надежности и ресурсосбережения, должно быть минимизировано. Кроме того, для поддержания высокой технической готовности, с учетом удаленности горных предприятий от заводов-изготовителей оборудования, желательно обеспечить достаточно точное прогнозирование остаточного ресурса рабочих агрегатов и узлов машин.

В связи с разнообразием горно-геологических, климатических и технологических условий эксплуатации, обосновать универсальные рекомендации по выбору режимов работы и назначению ресурсов техники практически нереально. Соответствующие решения могут вырабатываться только непосредственно на горном предприятии, с учетом всех локальных особенностей, включая квалификацию персонала. Инструментом для этого может служить постоянный мониторинг режимов работы оборудования, на основании которого возможно:

-    контролировать качество работы оператора и обеспечивающих служб;

-    осуществлять ресурсосберегающую настройку систем привода;

-    определять показатели организационно-технологической эффективности, в том числе коэффициенты использования и технической готовности;

-    прогнозировать остаточный ресурс узлов и агрегатов;

-    в случае отказов агрегатов, определять, что явилось истинной причиной отказа.

Большинство машин в настоящее время оснащено бортовыми компьютерами, постоянно фиксирующими определенные параметры. Однако использование предоставляемых ими данных цля целей эксплуатации, как правило, затруднительно, поскольку как набор отображаемых данных, так и способы их хранения и обработки определяются спецификой задач изготовителя в части сопровождения и гарантийного обслуживания. Поэтому в интересах эксплуатации необходима организация специального мониторинга, достаточную аппаратную базу для которого вполне могут предоставить современные измерительные технологии [1, 2].

Специально для решения эксплуатационных задач авторами, с участием специалистов ЗАО «Аэротест», разработан измерительно-информационный комплекс, состоящий из набора датчиков, измеряющих те или иные физические параметры (давление, температуру, услилия, перемещения и т.п.) и соединенных с накопителем информации. Последний производит непрерывный или периодический опрос датчиков и накопление результатов измерений в собственной памяти. Специальное считывающее устройство обеспечивает перенос в компьютер, на котором установлено соответствующее программное обеспечение, необходимое для анализа данных. Комплекс испытывался в условиях угледобывающего карьера, эксплуатирующего мощные гидравлические экскаваторы и буровые станки. В процессе испытаний контролировались параметры давления и температуры жидкости в гидроприводах. Так, на экскаваторе были установлены два температурных датчика и пять датчиков давления: в напорных гидролиниях привода рабочего оборудования (ковш, стрела, рукоять, поворот) и сливной гидролинии. Четыре датчика давления и два датчика температуры были установлены в гидролиниях высокого и низкого давления бурового станка.

В качестве информационного накопителя был применен анализатор физических параметров типа АФПg [3], функционировавший в двух режимах:

-    «Электронный самописец», или «Регистратор», в котором производится регистрирация сигнала по каждому из аналоговых каналов с заданным интервалом времени и запись этой информации в энергонезависимую память устройства;

-    «Накопитель», или «Анализатор», в котором производится автоматическое построение гистограммы результатов измерений во времени, иными словами фиксируется время нахождения машины под определенной нагрузкой (в данном случае – при определенном давлении). Прибор АФПг позволяет различать 10 уровней (интервалов изменения нагрузки).

Испытания производились в течение шести месяцев (февраль–июль), суммарная продолжителеьность измерений составила 734.45 моточаса.

Непосредственным результатом измерений являлись массивы значений давлений и температур, регистрировавшиеся с периодичностью от 1 секунды до 1 минуты, в зависимости от настройки анализатора. Полученные данные подвергались первоначальной обработке с отбраковкой грубых ошибок [1] и визуализировались в виде исходных диаграмм, а также гистограмм (рис. 1, 2). С целью перекрестной проверки осуществлялся пересчет данных, полученных в режиме «электронный самописец». Сравнение результатов с гистограммами, непосредственно записанными в режиме «накопитель» (рис. 2, «анализатор») показало, что прибор обеспечивает вполне удовлетворительную точность.

Очевидно, что применение перенастраиваемых информационных накопителей с широким набором датчиков требует наличия специальной программы-обработчика, обеспечивающей своевременный и объективный анализ больших потоков информации. В свою очередь, программное обеспечение должно иметь возможность адаптации с учетом специфики задач, стоящих перед организацией, эксплуатирующей технику. В ходе данных испытаний обработка информации производилась с целью выявления закономерностей работы карьерных машин и определения путей оптимизации режимов их эксплуатации.

На рис. 1 прослеживаются все три характерных режима: остановка (привод выключен, напорное давление равно нулю), холостой ход (давление в напорной и сливной гидролиниях примерно равны и составляют 0.5–1.0 МПа) и рабочий цикл (напорное давление колеблется с высокой амплитудой). В качестве примера на рис.1 показан участок диаграммы, характеризующий один из «рабочих циклов». Численный анализ исходных массивов позволяет определить реальные значения коэффициента использования (kи) машины (рис. 3). Очевидно, что применение стандартного счетчика моточасов в данном случае дало бы величину коэффициента использования 75%. В действительности же значение kи следует вычислять, исходя только из суммарной продолжительности рабочих циклов. Тогда, по данным наблюдений (рис. 3), реальное значение коэффициента использования получится равным 60%, т. к. 15% времени привод работал в режиме холостого хода. При этом, по-видимому, можно считать, что 50% «холостого пробега» связано с непосредственным управлением экскаватором, поскольку складываются из кратковременных (от 1 до 14 мин) остановок, а оставшиеся 50% холостого хода имеют место по организационно-технологическим причинам. Поскольку работа привода на холостом ходу означает лишь непроизводительное использование моторесурса и топлива, подобная картина является основанием для подробного анализа. Очевидно, что в данном случае интенсивность использования машины может быть увеличена или, по крайней мере, имеются возможности для ресурсосбережения.

Статистический анализ показывает, что продолжительность рабочего цикла колеблется в пределах от 1 минуты до 2.5 часов при среднем значении около получаса, а математическое ожидание – примерно 15 минут. По-видимому, можно считать, что эта величина распространена по логарифмически нормальному закону (рис. 4). На рис.5 приведена гистограмма характерного рабочего цикла экскаватора.

Из гистограммы видно, что эквивалентное рабочее давление, рассчитываемое, с учетом гипотезы линейного суммирования повреждений, по формуле:


(pi – давление, действовавшее в течение времени ti;  ti = T), существенно ниже номинального, и составляет около 10 МПа, что хорошо корреспондируется с известными результатами [4] (рис. 6). На более длительных отрезках времени, включающих, кроме рабочих циклов, еще и холостой ход, величина pэкв будет, естественно, еще ниже (рис. 7).

Вместе с тем вывод о наличии зависимости между величинами эквивалентного давления и продолжительностью наблюдений был бы ошибочным. Очевидно, разнообразие горно-геологических и климатических условий делает невозможным предсказание величины эквивалентной нагрузки даже на основании весьма длительных испытаний. Для получения достоверных результатов прогнозирования остаточного ресурса желателен постоянный контроль режимов нагружения.

Остаточный ресурс агрегата может быть определен из выражения:


где p ном – номинальное давление (в данном случае за «номинальное» принимается давление настройки предохранительного клапана), p экв(T) – эквивалентное рабочее давление, определенное на отрезке времени T; kд – коэффициент динамичности. Анализ литературных данных показывает, что, в зависимости от конструктивных особенностей механизмов, величина α колеблется в интервале 1.7…3. Эксперименты, проведенные применительно к аксиально-поршневым гидромашинам, определили значение б = 2 [5]. Величину коэффициента динамичности в данном случае определим как:


где p макс ; p мин – соответственно максимальное и минимальное текущее значение давления (рис. 1).

Отметим, что величина коэффициента динамичности важна также для предсказания долговечности элементов гидролиний, в том числе рукавов высокого давления.

Изучение диаграмм нагружения исполнительных механизмов машин показало, что даже в стабильном тепловом режиме для них характерна высокая динамика рабочего процесса. Средняя амплитуда колебаний давления в напорной магистрали гидросистемы экскаватора достигает 58% от номинального давления, частота – до 75 мГц.

Обращают на себя внимание значительные колебания давления в сливной гидролинии экскаватора, что, несомненно, способствует проявлению кавитационных процессов. Так, на рис 8 приведена фотография распределительного диска аксиально-поршневого гидромотора привода поворота, вышедшего из строя в первый год работы экскаватора. На кромках питающих отверстий (семидолей) явно заметны следы кавитационного износа. Данная ситуация может служить примером использования информации постоянного мониторинга для уточнения причин отказов и предъявления мотивированных претензий изготовителю. Кроме того, в подобных случаях целесообразно поставить вопрос об усовершенствовании конструкции гидропривода путем применения соответствующих демпфирующих устройств, прежде всего в реверсивных контурах вращательного движения.

Интересно отметить, что, несмотря на высокую динамику, максимальные измеренные значения давлений (28 МПа) несколько ниже показателей настройки предохранительных клапанов (31 МПа), что указывает не только на хорошую работу регуляторов объемной подачи насосов, но также и на достаточность энерговооруженности экскаватора для данных горногеологических условий. Это наблюдение открывает дополнительные резервы для повышения надежности гидравлической системы. Анализ диаграммы нагружения привода рабочего оборудования экскаватора показал, что общее время функционирования в интервале давлений от 25 до 28 МПа не превышает 1% от эффективного рабочего времени. Поэтому ограничение нагрузок уровнем 25 МПа путем перестройки регуляторов и клапанов не приведет к изменению производительности экскаватора, но существенно снизит риск внезапных отказов, и, прежде всего, разгерметизаций гидросистемы.

Проведенные испытания подтвердили возможность использования информационно-измерительных комплексов с целью определения коэффициента использования, контроля расхода энергии (топлива), аккуратности и квалифицированности работы персонала, а также для установления, с высокой степенью достоверности, причин отказов систем и агрегатов. Кроме того, данные мониторинга могут быть использованы для выработки рекомендаций по совершенствованию оборудования и более обоснованного принятия решений о закупке тех или иных моделей техники.

Относительно низкая стоимость измерительно-информационного комплекса (примерно равная стоимости топлива, потребляемого мощным гидравлическим экскаватором за несколько часов работы на холостом ходу), простота его установки и, в первую очередь, открываемые им возможности контроля и управления, позволяют предположить существенную эффективность его внедрения в практику эксплуатации горной и строительно-дорожной техники. Источниками экономической эффективности в данном случае являются повышение производительности и надежности машин, а также экономия энергии за счет выбора рациональных технологических режимов эксплуатации техники.

Журнал "Горная Промышленность" №6 2004