BADANIA NIEZAWODNOŚCIOWE SILNIKÓW NAPĘDOWYCH MASZYN GÓRNICZYCH

Transkrypt

1 Zeszyy Problemowe Maszyny Elekryczne Nr 78/ Zygmun Szymański Poliechnika Śląska, Gliwice BADANIA NIEZAWODNOŚCIOWE SILNIKÓW NAPĘDOWYCH MASZYN GÓRNICZYCH RELIABILITY INVESTIGATION OF MINES MACHINE DRIVE MOTORS Absrac: The paper presen s a review of consrucion soluions an ransporaion mines machines (chain and bel conveyors) used in undergrounds of coal mines, wih paricular consideraion of drives moors. In he paper defined a basic aims and definiions of reliabiliy invesigaions, and also presens an mahemaical analysis reliabiliy invesigaions of inducion moors. For seleced consrucions of mine ransporaions machines performed an analysis of drive sysem reliabiliy. Tha analysis were realized on he base of daabase obaining wih coal mines and elecric moors repair facory. Calculaed of reliabiliy coefficiens may be of base an increase of he imes an failure free moor works, and increase of he imes an failure free work of differen ypes of mine machines. Resuls of compuer calculaions realized for differen ype of he moors were applied by he manufacurer of elecric moor and consrucor of mine machines a designing of revision periods. Resuls of reliabiliy invesigaions can be applied in eliminaions of weak poins an drive sysems. 1. Wsęp W polskich kopalniach węgla kamiennego sosowane są sysemy urabiania, opare na wysokiej koncenracji wydobycia. Wymaga o zasosowania odpowiednich maszyn urabiających, oraz niezawodnych sysemów ransporowych zarówno do ransporu poziomego jak i do ransporu pionowego. Sysemy ransporu poziomego powinny zapewniać płynną odsawę urobku do sacji załadowczych na podszybiu lub bezpośrednio na powierzchnię [1]. Sysemy serowania maszyn ransporu pionowego (skipowe maszyny wyciągowe) powinny być skoordynowane z dosawą urobku. Do odsawy urobku wykorzysuje się przede wszyskim układy przenośników aśmowych, oraz w ograniczonym zakresie ranspor szynowy. Maszyny ransporowe eksploaowane w podziemnych zakładach górniczych wymagają spełnienia warunków: energooszczędności, niezawodności oraz bezpieczeńswa pracy [4]. W napędach górniczych maszyn ransporowych wyraźną poprawę wskaźników energeycznych i ekonomicznych uzyskuje się przez: zasosowanie nowych rozwiązań silników napędowych (energooszczędne silniki indukcyjne lub silniki kompakowe), zasosowanie zasilaczy przekszałnikowych, serowanie opymalne. W referacie przedsawiono przegląd układów napędowych górniczych przenośników, główne przyczyny ich uszkodzeń, oraz podsawowe meody badań niezawodnościowych układów napędowych. Obliczone dla reprezenaywnej grupy obieków, wskaźniki niezawodnościowe są podsawą do zwiększenia czasów bezawaryjnej pracy silnika napędowego oraz całego przenośnika. Rys. 1. Schema poglądowy silnika z chłodzeniem wodnym [4]

2 116 Zeszyy Problemowe Maszyny Elekryczne Nr 78/27 Rys. 2. Schema sprzęgła hydrokineycznego [1] 2. Przegląd układów napędowych przenośników górniczych Sysemy ransporu poziomego mogą pracować w sposób ciągły (przenośniki aśmowe), lub w sposób dorywczy (przenośniki łańcuchowe), zapewniając płynną odsawę urobku od przodków wydobywczych do sacji załadowczych na podszybiu, lub w szczególnych rozwiązaniach zapewniają odsawę urobku bezpośrednio na powierzchnię [1, 4]. W zależności od przeznaczenia i lokalizacji, przenośniki górnicze można podzielić na: podścianowe, ścianowe i pomocnicze. W zależności od wydajności maszyny urabiającej współpracującej z sysemem przenośników, w polskich KWK sosuje się przenośniki ypu: Gro, Rybnik, Glinik, PP Nowomag, lub Holbach-Braun [1, 4]. Układ napędowy przenośnika zawiera zespół (1-4) silników napędowych, jedno lub dwubiegowych. Silniki napędzają przenośnik przez sprzęgła: szywne lub elasyczne. Są o silniki jedno lub dwuklakowe, chłodzone wodą lub powierzem, zasilane napięciem rójfazowym 1V. Moce znamionowe silników napędowych zawierają się w przedziale (55-315)kW. W górniczych przenośnikach łańcuchowych sosuje się najczęściej silniki ypów: 3SGf 28 M4, SGP 315 S4, dsg (55-16)kW, SGS 4S12/4 15/315 kw. Schema konsrukcyjny silnika napędowego z chłodzeniem wodnym przedsawiono na rys.1. Na rys.2 przedsawiono uproszczony schema sprzęgła hydrokineycznego pośredniczącego w układzie przeniesienia napędu. Moc zaporzebowaną przez układ napędowy przenośnika łańcuchowego można obliczyć ze wzoru (1): P M = gdzie: 3 2,6 q l vµ cosβ + Qlµ cosβ ± Q H m 1 (1) 37 l - długość przenośnika, q m ciężar jednoskowy łańcuchów ze zgrzebłami, na 1m długości, v prędkość łańcucha, Q wydajność przenośnika, H wysokość podnoszenia urobku, β ką nachylenia rasy, µ 1 -współczynnik arcia łańcucha o rynny przenośnika, µ 2 -współczynnik arcia urobku o rynny przenośnika.

3 Zeszyy Problemowe Maszyny Elekryczne Nr 78/ Przenośniki aśmowe służą do odsawy głównej urobku ze sacji załadowczych do zbiorników zasobniczych na podszybiu, lub w niekórych kopalniach ransporują bezpośrednio na powierzchnię. [1, 4]. Przenośniki aśmowe są napędzane układem jednego, dwóch lub czerech silników napędowych, jedno lub dwubiegowych o mocach znamionowych: 3SGf, dskg < 9kW, oraz SGP, SGS > 132kW. W polskich kopalniach najczęściej sosowane są przenośniki aśmowe ypu: PTGM, Gwarek lub Pioma, o paramerach: długość przenośnika (315-3)m, wydajność (25-17)/h, prędkość (1,45-3,86)m/s. Moc zaporzebowaną przez układ kinemayczny przenośnika można obliczyć meodami przybliżonymi (analiyczno-graficznymi) ze wzorów (2, 3) [1, 4]. Moc zaporzebowana przez przenośnik aśmowy ( a+ c ) l - dla odsawy poziomej (2) = + PM b 1 ( a+ c ± d ) l - odsawa po wzniosie lub = + PM b 1 nachyleniu (3) gdzie: a opory ruchu aśmy po konsrukcji nośnej, b - opory ruchu w głowicy i na bębnie zwroni, c - względy eksploaacyjne, d opory nachylenia rasy, Paramery: a, b, c, oraz d można określać empirycznie lub odczyywać z wykresów (rys. 3, 4), w zależności od podsawowych paramerów eksploaacyjnych przenośnika. 3. Podsawowe meody badań niezawodnościowych maszyn górniczych Użykownik analizując jakość maszyny górniczej, lub całego sysemu ransporowego, uwzględnia przede wszyskim jakość użykową maszyny określoną przez jej paramery fizyczne, oraz przez realizowane procesy echniczne i echnologiczne. Muszą być zdefiniowane wymagania doyczące: funkcjonowania, bezpieczeńswa eksploaacji, ergonomii, niezawodności oraz rwałości układu. [3, 5]. Przez niezawodność echniczną maszyny górniczej należy przyjmować zdolność maszyny do realizacji zadanych procesów echnicznych i echnologicznych, realizowanych w określonym czasie przy założonych warunkach eksploaacyjnych, lub przyjmuje się, że jes o prawdopodobieńswo, że warości paramerów określających podsawowe paramery nie przekroczą wielkości dopuszczalnych, w założonym przedziale czasu. Rys. 3. Zależność współczynnika d od wydajności przenośnika [1] Rys.4. Zależność współczynników a, b, oraz c od prędkości aśmy [1] Z niezawodnością sysemu są związane pojęcia: naprawialności obieku oraz goowości obieku. Naprawialność obieku jes o zdolność do przywrócenia pełnej sprawności obieku w określonym przedziale czasu. Goowość maszyny górniczej należy przyjmować jako prawdopodobieńswo, że maszyna jes goowa do eksploaacji w czasie. Trwałość maszyny górniczej jes o zdolność maszyny do realizacji zadań ransporowych, przy spełnieniu zało-

4 118 Zeszyy Problemowe Maszyny Elekryczne Nr 78/27 żonych wskaźników niezawodnościowych. Trwałość mierzy się ilością wykonanej pracy, wyrażonej w jednoskach fizycznych. Miarą rwałości jes przeważnie czas, w kórym maszyna posiada znamionowe paramery. Dlaego rwałość (w odróżnieniu od niezawodności) jes wielkością mianowaną i jes wyrażana w jednoskach fizycznych (czas, długość, masa). Funkcja niezawodności może być aproksymowana różnymi rodzajami rozkładów: wykładniczy, Weibulla, normalny, lub logarymicznonormalny. Przykładowe przebiegi funkcji R() oraz l() przedsawiono na rys.(5, 6). [2, 3, 5]. Rys. 5. Przebieg funkcji wiodącej () [2, 3] W eorii niezawodności przyjmuje się, że podsawową wielkością charakeryzującą niezawodność obieku jes funkcja inensywności uszkodzeń l() oraz funkcja niezawodności R(). Podsawowe funkcje procesu niezawodności są określone wzorami (4-7). R() funkcja niezawodności prawdopodobieńswo zdarzenia polegające na ym, że czas przebywania obieku w danym sanie jes większy niż usalony czas. (4) R() exp λτ ( ) dτ = f() d gdzie: = f() funkcja gęsości prawdopodobieńswa czasu przebywania obieku w danym sanie, λ() funkcja inensywności f() (5) λ() = R() T = E(T) warość oczekiwana (6) E( T) = R() d = f() d () funkcja wiodąca rozkładu () λ( u) du dla = (7) Rys. 6. Rozkład Weibulla funkcji inensywności uszkodzeń l() [2, 3] Wielkości e umożliwiają określenie m.in.: czasu pracy do pierwszego uszkodzenia, czasu remonu, czasów pracy miedzy kolejnymi uszkodzeniami. Znajomość podsawowych funkcji niezawodności maszyny górniczej umożliwi: określenie procesów sarzenia, usalenie wielkości i asorymenu części zamiennych, planowanie pracy serwisu, usalenie erminu przeglądów, właściwej konserwacji urządzeń, usalenie czasów eksploaacji i gwarancji obieku. 4. Ocena awaryjności przenośników górniczych Niezawodność pracy górniczej maszyny ransporowej jes definiowana jako zdolność maszyny ransporowej do realizacji zadań przewozowych w danym przedziale czasu (czas rwania zmiany roboczej), w określonych warunkach eksploaacyjnych [1, 4, 6]. Do oceny niezawodności służą wskaźniki niezawodności układu, określające rodzaj obieku, jego własności konsrukcyjne oraz eksploaacyjne. Zgodnie z eorią niezawodności, przenośniki górnicze są obiekami naprawialnymi, naomias podzespoły przenośników należą zarówno do klas obieków naprawialnych jak i nienaprawialnych. Według eorii niezawodności silnik elekryczny jes obiekem nienaprawialnym, pracującym z przerwami losowymi, a praca układu może być konynu-

5 Zeszyy Problemowe Maszyny Elekryczne Nr 78/27 owana po wymianie silnika - odpowiada o kodowi Dla obieków nienaprawialnych należy określać wskaźniki: Θ- średni czas pracy do wysąpienia awarii, λ()- inensywność uszkodzeń. Badania niezawodnościowe przeprowadzono na reprezenaywnej grupie przenośników górniczych pracujących na 2 kopalniach węgla kamiennego. Informacje uzyskano na podsawie ankie wysłanych do kopalń, rozmów z pracownikami niskiego i średniego dozoru, oraz danych z zakładów remonowych silników elekrycznych. Badania wykonano w okresie: ( )r. Z analizy danych wynika, że: - w przenośnikach ze sprzęgłem hydrokineycznym: 7% uszkodzeń było spowodowanych awarią sprzęgła, 2% -awariom przekładni, 8% - uszkodzony silnik napędowy, - w napędach przenośników ze sprzęgłem podanym: 65% uszkodzeń było spowodowanych awarią przekładni, 2% - awaria silnika napędowego, 12% - awaria sprzęgła. Głównymi przyczynami awarii silników napędowych było: zwarcie uzwojenia sojana - 8%, uszkodzenie łożysk - 16%. Podsawowymi przyczynami awarii sprzęgła hydrokineycznego były: uraa szczelności -7%, uszkodzenie łożysk - 25%, naomias w przekładni najczęściej uszkodzeniu ulegały: wałek szybkobieżny - 7%, łożyska - 15%, koła zębae - 1% oraz uraa szczelności - 4%. [1, 4, 6]. Badania przeprowadzono dla przenośników górniczych ypu: Rybnik, napędzanych silnikami o mocach znamionowych: 9kW, lub 135kW. Badania obejmowały silniki napędowe: SGf -315M4, BMSKf -25, SZDKSp-74f. W silnikach ych najczęściej ulegało uszkodzeniu: uzwojenie wirnika 52%, uzwojenie sojana - 18%, węzły łożyskowe -15% i inne -15%. [6, 7]. Na podsawie analizy przyczyn uszkodzeń 15 silników, obliczono średni czas pracy, kóry wynosi: 345 dni dla silnika SZDKSp-74f, oraz 517 dni dla silnika BMSKf-25, przy czym pierwsza awaria wysąpiła po 6 dniach, naomias osani silnik uległ uszkodzeniu po 1737 dniach pracy [6, 7]. Rys. 7. Przebieg empirycznej funkcji niezawodności dla silnika SZDKSp-74f

6 12 Zeszyy Problemowe Maszyny Elekryczne Nr 78/27 Rys. 8. Przebieg inensywności uszkodzeń λ * [7] Inensywność uszkodzeń określona na podsawie wyników empirycznych ma charaker monooniczny o rozkładzie Weibulla o posaci: R() = exp(- δ /θ). Warości nieznanych paramerów określających: inensywność uszkodzeń oraz dysrybuany i przedziały pracy bezawaryjnej, można obliczyć wykorzysując meodę największej wiarygodności Fischera. [2, 3, 5, 6]. Na rys.7 przedsawiono przykładowy przebieg funkcji niezawodnej pracy dla silnika SZDKSp-74f. Na rys.8 przedsawiono przykładowe przebiegi funkcji inensywności uszkodzeń λ * dla wybranej grupy obliczeniowej. Po przeprowadzeniu obliczeń analiycznych, wykorzysując meody analizy saysycznej i eorii niezawodności [2, 5], uzyskano dla poszczególnych silników analiyczne warości funkcji niezawodności: R() = exp(-,9 /179) dla silnika BMSKf-25, oraz R() = exp(-,72 /11) dla silnika SZDKSp-74f. [6, 7]. 5. Zakończenie Zasosowanie eorii niezawodności oraz meod saysyki maemaycznej do projekowania, eksploaacji, oraz diagnosyki górniczych maszyn ransporowych zapewni znaczne wydłużenie czasów bezawaryjnej eksploaacji, umożliwia zaprojekowanie odpowiedniej bazy remonowej, oraz opracowanie harmonogramów przeglądów, newralgicznych elemenów konsrukcyjnych maszyn ransporowych. Wykorzysując bazy danych oraz bazę wiedzy o ilości i przyczynach uszkodzeń górniczych maszyn ransporowych można zasosować inne rozwiązania konsrukcyjne najbardziej awaryjnych elemenów oraz zwiększyć konrolę i konserwację newralgicznych elemenów. Zapewni o pewne oszczędności eksploaacyjne górniczych maszyn ransporowych, oraz umożliwi ograniczenie ilości poencjalnych awarii ych maszyn. 6. Lieraura [1]. Anoniak J.: Urządzenia i sysemy ransporu poziomego w kopalniach. Wyd. Śląsk, Kaowice, 1998r [2]. Bobrowski D.: Wprowadzenie maemayczne do eorii niezawodności. Wyd. Poliechniki Poznańskiej, Poznań, 1977r [3]. Gawuć W.: Niezawodność maszyn elekrycznych. Zagadnienia ogólne, badania. Szkoła niezawodności T. X. Bydgoszcz, 1982r [4]. Krasucki F.: Elekryfikacja podziemnych zakładów górniczych. Wyd. Śląsk, Kaowice 1998r, [5]. Migdalski J. red.: Poradnik niezawodności. Podsawy maemayczne. Wyd. WEMA, Warszawa, 1982r [6]. Szymański Z.: Nowoczesne meody oceny rwałości oraz diagnosyki układów napędowych przenośników aśmowych. Maeriały Międzynarodowej Konferencji TEMAG 2. Usroń, październik 22r [7]. Szymański Z.: Ocena niezawodności pracy silników napędowych przenośników górniczych. Praca naukowo badawcza niepublikowana