4 Введение
Технологический процесс обогащения полезных ископаемых на горно-обогатительных фабриках ГОКов представляет собой цепочку, в которой задействовано множество агрегатов как основного, так и вспомогательного назначения — мельницы, конвейеры, виброгрохоты, дробилки, насосы, вентиляторы и др. Совокупность оборудования на обогатительной фабрике, задействованного в технологической цепочке по обогащению руды, относится к горно-обогатительному оборудованию. Под горно-обогатительным агрегатом, или горно-обогатительной машиной, принята структурная единица (виброгрохот, дробилка, мельница, классификатор и др.), задействованная в технологической цепочке по обогащению руды.
В оборудовании, рассматриваемом в рамках данной работы, характер взаимодействия элементов подчинен периодическому закону, связанному с вращательным движением. К такого рода агрегатам относятся роторные, где периодическое возбуждение в наиболее простом виде проявляется как сумма гармонических составляющих, кратных основной частоте возмущения.
С точки зрения вибрационной прочности, в горных машинах наиболее опасны колебания периодического характера, имеющие спектры с явно выраженными дискретными составляющими. Подобные опасные колебания в основном являются сильными диагностическими сигналами (т. е. хорошо выделяется на фоне помех). Как правило, при возникновении и развитии дефектов с малой виброактивностью возбуждаются колебания, которые являются слабыми диагностическими сигналами. Неисправности порождают узкополосные и широкополосные сигналы стационарного и нестационарного характера.
Ввиду сложности определения неисправностей и дефектов в горных машинах и необходимости анализа слабых сигналов, в качестве диагностических параметров используется большое число количественных характеристик сигналов и их комбинаций. К ним относятся все общеизвестные количественные характе-
5
ристики детерминированных и случайных процессов: спектральная плотность, кепстр (спектр логарифмированного спектра), выделение огибающих. Кроме того, в качестве диагностических параметров используются различные комбинации количественных характеристик процессов, например уровни отдельных составляющих в спектрах детерминированных и случайных сигналов, а также характеристики изменения перечисленных выше параметров. Для обоснования выбора диагностических параметров в каждое конкретном случае необходимы экспериментальные исследования агрегатов в рабочем и неисправном состояниях. При этом учитывается, что дефект обычно характеризуются комплексом диагностических параметров.
Вибрация горно-обогатительных машин, рассматриваемая при диагностических исследованиях в широком диапазоне частот и амплитуд, является комплексным диагностическим сигналом, представляющим собой совокупность аддитивных и мультипликативных комбинаций сложных слабых и сильных "элементарных" диагностических сигналов, возбуждаемых различными источниками колебаний При этом частотный состав большинства "элементарных" сигналов может значительно изменяться даже на установившихся режимах работы агрегата.
Анализ теоретических исследований по созданию систем диагностики технического состояния горнообогатительного оборудования определил область существования критериев технического состояния и показал направления исследований, обеспечивающих достижение заданных динамических параметров. Проблема диагностики технического состояния горнообогатительного оборудования является далекой от решения, что объясняется, прежде всего, ее сложностью и недостаточной изученностью.
Вышеуказанные аргументы определяют выбор темы диссертационных исследований как разработка системного подхода, анализ математической модели, исследование динамических характеристик и диагностика технического состояния горнообогатительного оборудования.
6
Влияние технического состояния узлов на динамические характеристики горнообогатительного оборудования определяется комплексом условий. Возникновение вибраций при технологическом процессе обогащения характеризуется возмущающими силами и свойствами упругой системы. Соотношение между этими параметрами определяет возможность возникновения опасных вибраций и их интенсивность, определенные заданными значениями амплитуды и частоты. Возмущающие силы в зависимости от физической сущности механизма возбуждения вибраций, действующего на горнообогатительный агрегат, приводят к появлению, прежде всего, вынужденных колебаний и автоколебаний, а также других видов колебаний, например, параметрически возбуждаемых. Появление возмущений в упругой системе приводит к изменению закона движения рабочего органа. Это изменение не может распространяться мгновенно на весь рабочий орган, что вызывает запаздывание в изменении силы. Наличие запаздывающих сил, раскачивающих замкнутую технологическую систему, или систему с обратной связью, вызывает автоколебания в процессе работы горнообогатительного агрегата. Возникновение автоколебаний вызывает повышение интенсивности изнашивания узлов горнообогатительного агрегата и снижение его долговечности. Наличие вибраций обусловливает ухудшение рабочих характеристик агрегата что, в свою очередь, приводит к снижению производительности обогащения и ограничению технологических возможностей оборудования. Это обосновывает необходимость разработки системы защиты от вибраций, в т.ч., от автоколебаний.
Динамические и статические силы, возникающие при работе агрегата, вызывают деформацию как всего агрегата в целом, так и его составляющих. Это вызывает недопустимое отклонение от заданных рабочих движений, повышенный износ, что непосредственно снижает характеристики качества. Снижения негативного влияния этих сил можно достичь увеличением статической и динамической жесткости. Однако, это требование обеспечения качества не всегда оказыва-
7
ется выполнимым, например, для виброгрохотов, что определяет выполнение других мероприятий, обеспечивающих сохранение заданного качества. Очевидно, что основным предметом исследования при этом становятся свободные, вынужденные колебания, автоколебания, а также вибрационные воздействия на оборудование. Таким образом, предметом диссертационных исследований является горное и обогатительное оборудования, исследование его динамических характеристик, диагностика его технического состояния.
Проблемы динамики виброактивного горнообогатительного оборудования активно исследуются с конца 70-х годов до настоящего времени. Выдающуюся роль в становлении проблемы исследования колебаний в горнообогатительном оборудовании сыграли работы И.И. Быховского, Л.А. Вайсберга, И.И. Блехмана, В.В. Гортинского. Благодаря их работам, выполненным в 70-х годах, в настоящее время достигнут значительный прогресс в исследовании природы колебаний в горнообогатительных агрегатах, создании динамических моделей горнообогатительного оборудования, разработке эффективных методов управления этим оборудованием.
Из краткого обзора состояния вопроса, определения задачи обеспечения качества и установления объективной зависимости динамических параметров и показателей качества следует, что такие явления многообразны, а анализ таких систем сопряжен с определенными трудностями.
Проведенный анализ состояния вопроса, определение объекта исследований и понимание трудностей, возникающих при решении поставленной задачи, позволяет сформулировать суть задачи как исследование, анализ динамических систем горного оборудования, разработка критериев и методов диагностики его технического состояния. Поскольку требования, предъявляемые к динамическим процессам весьма разнообразны, может быть поставлена задача создания совокупности показателей динамических процессов в горнообогатительных агрегатах. Такого рода показатели должны отображать, насколько в динамиче-
8
ских процессах удовлетворяются требования стабильности, уравновешенности [31], малых энергетических потерь и пр. Все эти требования объединены общим понятием: техническое состояние горной машины.
При этом цель диссертационного исследования - создание системы вибродиагностики и виброзащиты оборудования и конструкций обогатительных фабрик ГОКов, обеспечивающей увеличение таких количественных показателей надежности работы машин, как наработка на отказ, вероятность безотказной работы, и уменьшение среднего времени восстановления работоспособного состояния.
Сформулированное выше состояние вопроса, учет существующих трудностей в решении поставленной проблемы, выявление сути поставленной научной задачи и установление цели собственных исследований приводят к определению направлений решения указанной проблемы, установлению методов ее решения. В работе использованы основные положения теории колебаний, принципы и законы теоретической механики, статистические методы, приемлемые для анализа параметров динамического состояния систем, методы системного анализа, а также методы, развитые в задачах мониторинга и диагностики. Исследованные горнообогатительные агрегаты характеризуются многообразием динамических процессов, возникающих при их работе. Методы исследования, оценивающие влияние динамических параметров на техническое состояние горнообогатительного оборудования, оптимизацию этих динамических параметров связаны, с задачей математического моделирования, а соответственно, горнообогатительное оборудование, т.е. предмет исследования, рассмотрено как сложная система.
Исходя из изложенного, на защиту выносятся следующие научные положения;
1. Математическая модель динамики узлов оборудования обогатительных фабрик ГОКов, позволяющая в рамках единой концепции создать систему
9
технического обслуживания горных машин, обеспечивающую увеличение их наработки на отказ, вероятность безотказной работы, и уменьшение среднего времени восстановления их работоспособного сосотояния.
2. Эффективные методы формирования вероятностных моделей и определения подходов к идеализации сложных динамических систем в рамках системного анализа, в соответствии с которым задачи моделирования подчинены единой цели - созданию высокоэффективного горно-обогатительного производства.
3. База данных вибродиагностичесикх тестов, информация о частотах вращения валов, мощностях электродвигателей, сроках эксплуатации, проведенных ремонтах, обнаруженных и устраненных дефектах , которые в составе специализированного программного обеспечения являются основой для определения текущего технического состояния горных машин, работающих в условиях обогатительных фабрик ГОКов, и прогноза сроков вывода их в ремонт.
4. Принцип действия, эскизные и проектные решения виброзащитных систем, обеспечивающих снижение уровня нежелательных вертикальных вибраций на конструкциях и оборудовании обогатительных фабрик ГОКов. Диссертационная работа состоит из четырех глав.
В первой главе представлен анализ состояния проблемы оценки, диагностики горнообогатительного оборудования. В главе представлен обзор литературных источников, критический анализ которых позволил обосновать предмет и задачу диссертационного исследования. Сформулирована задача диагностики технического состояния горнообогатительного оборудования как одно из приоритетных направлений развития науки и технологии, дается обоснование взаимозависимости диагностических критериев с динамическими параметрами горнообогатительного оборудования.
В соответствии с изложенным выше, сформулированы основные задачи диссертационной работы:
10
- Анализ пригодности узлов технологического оборудования и горных машин обогатительных фабрик ГОКов к применению методов вибродиагностики;
- Разработка математических и статистических моделей горных машин и технологического оборудования, определяющих предельные значения вибрации для оборудования обогатительных фабрик ГОКов при оптимизации динамических параметров; '
- Разработка системы сбора и автоматизированной обработки виброданных;
- Разработка и расчет устройств и систем, снижающих вибрацию на оборудовании и конструкциях обогатительных фабрик ГОКов.
Во второй главе обоснована методика диссертационных исследований, определены подходы к идеализации сложных динамических систем. Показано, что основу современного подхода к решению проблем динамики горнообогатитель-ного оборудования составляет системный анализ, в соответствии с которым задачи моделирования подчинены единой цели: созданию высокоэффективного горнообогатительного производства.
Обосновано, что при решении задач динамики горнообогатительных технологических систем и установления их связи с оценкой технического состояния под динамической системой, можно понимать техническую систему, поведение которой с приемлемой точностью может быть, описано системой дифференциальных уравнений, подтверждено, что в динамике горнообогатительных технологических систем анализ системы «вход-выход» важен при определении технического состояния. Отмечено, что всякое исследование динамических процессов в системе вообще (и в горнообогатительной технологической системе в частности) начинается с построения модели. При этом различают следующие модели: концептуальные (феноменологические), физические (эмпирические) и математические (аналитические). Математическую модель динамической системы воспринимаем как динамическую модель, предлагаемую как совокупность дифференциальных (а также интегро-дифференциальных, дифференциально-
11
разностных) уравнений, а при необходимости - с элементами логических операций, описывающих поведение этой системы на заданном временном интервале.
Рассмотрена проблема влияния вибраций на горнообогатительных фабриках на межремонтный интервал агрегатов. Общую вибрацию, действующую на агрегат, предложено представить как сумму из трех компонент. С использованием вероятностного подхода, разработано несколько математических моделей, на основании которых рассчитывается вероятность поломки горнообогатительного агрегата в зависимости от срока его службы. Приведен анализ влияния типа вибрации на вероятность выхода из строя мельницы мокрого самоизмельчения, на ее примере показан расчет минимального межремонтного интервала.
В третьей главе предложено решение задачи диагностики технического состояния горнообогатительного оборудования. Важность исследования вибрационных параметров горнообогатительного оборудования определяется тем, что его ресурс, техническое состояние, а также изменение параметров элементов, содержащих контактные пары (подшипники, фрикционные пары, зубчатые передачи и т.п.), зависит от частот собственных колебаний. Предложен анализ причин, вызывающих нарушения работы оборудования горнообогатительных фабрик, систематизируются причины, вызывающие нарушение его работы или влияющие на формирование дефектов и отказа работы. Предложен алгоритм диагностики, основанный на том, чтобы из множества возможных состояний диагностируемого объекта выделить одно, наиболее вероятное. Следовательно, задачей диагностики по совокупности диагностических параметров является идентификация множественных связей между структурными характеристиками Xi и соответствующими диагностическими параметрами Si, что обусловливает применение диагностических матриц.
Изложены положения разработки и внедрения программы диагностики технического состояния «VibrAn» - реализация системы диагностики, обслуживания оборудования по фактическому техническому состоянию. Система вибродиагно-
12 стики и программа "VibrAn" разработана в целях:
* контроля текущего технического состояния роторного (вращающегося) оборудования с отслеживанием динамики развития неисправностей;
* определения возможности дальнейшей эксплуатации оборудования без ремонта;
* подготовки информации о ресурсе оборудования, необходимых регламентных и ремонтных работах, их объеме и сроках проведения.
В главе приводятся результаты реальных диагностических работ, проведенных на горнообогатительных фабриках №15 и №16 Нюрбинского ГОКа АК "АЛРОСА".
Регулярное проведение измерений вибрации оборудования позволяет выявлять неисправности на ранней стадии возникновения, отслеживать динамику их развития, определять рациональные сроки проведения ремонтов. Внедрение системы диагностики дает реальный экономический эффект: достигается уменьшение числа ремонтов и обслуживании до десяти раз при снижении общей стоимости проводимых ремонтов в два-четыре раза.
В четвертой главе предложен вариант конструктивного решения динамического гасителя колебаний. Дано обоснование, предложен расчет параметров, представлены эскизные и рабочие чертежи динамического гасителя колебаний. Выполнен расчет кинематических и прочностных характеристик динамического гасителя колебаний. Определены конструктивные параметры, проведена проверка прочности металлоконструкций и выполнена оценка эффективности применения динамического гасителя.
Расчет основных конструктивных параметров гасителя колебаний выполнен методом конечных элементов и реализован на ПЭВМ в пакете ANSYS 8.0. При использовании метода конечных элементов (МКЭ) рассчитана математическая модель и получены в матричном виде уравнение движения динамической системы. Сходимость решения обеспечивается согласно метода Кранка- Николсона.
13
Рассмотрены динамические параметры колебаний фундамента и инерционного элемента гасителя колебаний. Предложена расчетная картина напряженно-деформированного состояния гасителя. Результат замеров среднеквадратичного значения виброскорости до и после установки динамического гасителя подтверждают правомерность принятого решения.
В заключении, рассматривая основные выводы по результатам исследований, следует, прежде всего, отметить выполненный единый комплекс исследований, связанных с разработкой системного подхода, анализом математической модели, исследованием динамических характеристик, диагностикой технического состояния горнообогатительного оборудования. Автором предложены теоретические решения, разработана программная реализация, получены конструктивные предложения.
Методы исследований, связанные с анализом динамических параметров в горнообогатительных машинах, разработки виброзащитной системы были применены и реализованы при выполнении плановой тематики НИР вуза.
Глава 1. Состояние проблемы диагностики технического состояния горного
и обогатительного оборудования ГОКов
1.1. Анализ теоретических исследований, посвященных диагностике технического состояния горного и обогатительного оборудования ГОКов
Возникновение вибраций, обусловленных как некачественной сборкой горных и обогатительных агрегатов, так и их износом, вызывает снижение точности движения рабочего органа (например, просеивающей поверхности виброгрохота, конуса дробилки и др.), что ухудшает как динамическое качество работы самих агрегатов, так и ограничение производительности и технологических возможностей всей обогатительной фабрики в целом [31].
Возникновение вибраций в горнообогатительном оборудовании при добыче, транспортировке и обогащении руды характеризуется возмущающими силами,
14
инерционными и упругодиссипативными свойствами системы. Структура динамической системы и соотношение между этими параметрами определяют как возможность возникновения и характер вибраций, так и их интенсивность, т.е. амплитуду и частоту. Возмущающие силы в зависимости от физической сущности механизма возбуждения вибраций, действующего на горнообогатительный агрегат, приводят к возникновению колебаний - собственных затухающих, вынужденных, параметрически возбуждаемых, автоколебаний [11].
Вынужденные колебания возникают вследствие воздействия на горнообога-тительную машину внешней периодической силы (например, на короб виброгрохота), вызывающей колебательный процесс с частотой, равной частоте возмущающей силы или сложные периодические процессы, обусловленные нелинейными свойствами системы. Интенсивность вынужденных колебаний особенно велика на резонансных режимах, которые, как правило, недопустимы в горнообо-гатительном оборудовании в качестве рабочих режимов.
Автоколебания являются самовозбуждающимися колебаниями, которые характеризуются тем, что силы, поддерживающие колебательный процесс, возникают в самом процессе колебаний. Автоколебания возможны лишь в замкнутых нелинейных неконсервативных системах. Для систем с конечным числом степеней свободы возможны автоколебания на различных частотах, близких к частотам собственных колебаний.
Таким образом, колебания оборудования горнообогатительной фабрики можно разделить на две основные группы:
1) Полезные, наличие которых предусмотрено разработчиками агрегата, выполняющие работу по классификации, транспортировке или размельчению руды, либо другие технологические операции;
2) Вредные, возникающие вследствие износа подшипников, наличия дефектов изготовления и сборки, расцентровки узлов горнообога-
15 I
тительного агрегата; а также колебания, передаваемые с фундамента, на котором установлен агрегат.
Общая вибрация, которой подвержено горно-обогатительное оборудования, как правило, определяется суммой колебаний двух вышеуказанных групп [4,31].
Исследованию колебаний первой группы посвящена работа [31]. Л.А. Вайс-берг, Д.А. Плисе привели зависимости между гармоническими вынуждающими силами, обусловленными центробежным возбуждением колебаний рабочих органов сепараторов, виброгрохотов и их производительностью. Аналогичные зависимости показаны И.И. Блехманом и А.Д. Лесиным для вибрационных мельниц и конусных дробилок — предложен расчет параметра "критической щели" - такого предельного параметра, при котором еще обеспечивается существование и устойчивость нормальной работы машины.
СЕ. Андреевым, В.В. Зверевичем, В.А. Петровым в работе [3] показано непосредственное влияние конструктивных параметров и закона движения рабочих органов таких горнообогатительных машин, как дробилки, виброгрохоты, на их производительность.
Изучению колебаний второй группы посвящена работа [90]. В ней А.К. Яв-ленский, К.Н. Явленский показывают соответствие спектральных характеристик колебательного процесса на подшипнике агрегата тому или иному дефекту изготовления или сборки, процессу усталостного износа, плохому закреплению агрегата на фундаменте.
В работе А.Ширмана и А.Соловьева [87] собраны представительные данные по результатам измерения колебаний на различных вспомогательных группах оборудования (насосах, компрессорах, вентиляторах и др.) и сопоставлению опытных данных формулам, приведенным в работе [90]. Предложены методики улучшения качества работы вращающегося оборудования методом планирования ремонтных работ и обслуживания агрегатов по их фактическому состоянию.
16
Анализ вышеперечисленных работ показывает, что закон движения рабочих органов горнообогатительных машин непосредственно влияет на их производительность. Однако, при разработке расчетных моделей горнообогатительных агрегатов авторы не учитывают наличие "вредных" колебаний, что обуславливает расхождение между результатами расчетов и практическими данными. Данный факт можно объяснить прежде всего тем, что предложенные модели рассчитаны на аналитический расчет и существенно упрощены. С другой стороны, опубликован ряд работ [32,74,87,89,90], посвященных проблеме анализа "вредных" колебаний. Однако, все эти работы посвящены исследованиям в отраслях, не связанных с горно-обогатительной промышленностью.
1.2. Мониторинг и диагностика технического состояния горных и обогатительных машин
Известно, что признаки технического состояния горных и обогатительных машин различают как качественные, так и количественные. Определение динамического качества работы горнообогатительной машины — одна из наиболее актуальных задач мониторинга и диагностики его технического состояния. В процессе эксплуатации структурные параметры непрерывно или дискретно изменяются от номинальных до критических значений. Поэтому показатели динамического качества машин, их техническое состояние определяются совокупностью отклонений от номинальных значений структурных характеристик машины, обусловливающих ее исправность.
Учет изменения структуры объекта исследований позволяет оценить количественные параметры качества, или техническое состояние горнообогатительной машины в каждый момент времени. Изменение структурных параметров объекта исследований имеет определенные количественные закономерности, которые могут быть определены в процессе диагностики. Эти изменения, постоянно накапливаясь, могут достигнуть некоторого количественного предела, при котором скачкообразно наступают качественные изменения.
17
В процессе эксплуатации структурные параметры объекта диагностики изменяются, а упорядоченность системы в целом и ее функциональное качество ухудшается. Количественная оценка качества оборудования, его технического состояния связана с определением закономерностей изменений структурных параметров под воздействием типовых эксплуатационных факторов. Такими изменениями структуры горнообогатительных машин могут быть:
-естественное изнашивание, старение в ходе нормальной эксплуатации.
-ускоренное изнашивание при нарушении номинального режима эксплуатации, нерегламентных режимов работы машины.
Таким образом, изменение показателей качества работы машин и их технического состояния является объективным процессом, который происходит под воздействием широкого спектра эксплуатационных факторов и представляет собой определенную во времени смену исправных, промежуточных и неисправных состояний. Исходя из изложенного выше, проблему обеспечения качества горнообогатительных машин определим как решение задачи диагностики технического состояния и управление параметрами динамической системы, обеспечивающих эксплуатацию машины в нормальном режиме при сохранении заданных параметров качества.
Вибрация - наиболее универсальный параметр, учитывающий практически все аспекты состояния агрегата, позволяющий "безразборно", в рабочих режимах, определять техническое состояние горнообогатительного оборудования.
1.3. Анализ функционирования технологического оборудования обогатительных фабрик ГОКов по вибрационным параметрам.
Изменения, происходящие в любом электромеханическом или механическом технологическом оборудовании на горнообогатительной фабрике, связаны с внутренними и внешними воздействиями. Механические воздействия, порождаемые статическими и динамическими силовыми факторами, определяются характером рабочего процесса, относительным перемещением элементов, трением в |
