Polityka wymian taśm przenośnikowych z uwzględnieniem ich regeneracji korzyści z wykorzystania diagnostyki stanu taśm

Transkrypt

1 Polityka wymian taśm przenośnikowych z uwzględnieniem ich regeneracji korzyści z wykorzystania diagnostyki stanu taśm Conveyor belt replacement policies with their reconditioning benefits from belt condition monitoring application Leszek Jurdziak, Ryszard Błażej Omówiono polityki wymian taśm przenośnikowych w kontekście strategii utrzymania maszyn. Zwrócono uwagę na powszechną prak t ykę w ymiany taśm w oparciu o jej stan określany poprzez wizualną ocenę. Wskazano dwie zasadnicze polityki wymian taśm: wymiany zapobiegające awariom ciągu przenośników (w kopalniach podziemnych) oraz wymiany zapewniające opłacalną regenerację taśm (w kopalniach węgla brunatnego). W celu wskazania najlepszego momentu na wymianę taśmy zalecono zastosowanie metod diagnostycznych NDT. Przedstawiono deterministyczny symulator wymian i regeneracji taśm w kopalni w oparciu o średnie czasy pracy taśm różnego rodzaju (nowych, po 1. i po 2. regeneracji) oraz procentowy udział odpadów w trakcie regeneracji. Na wykresach pokazano dążenie układu taśm do stanu stabilnej równowagi (swoistej homeostazy ) długości różnych taśm w kopalni i ich rocznych wymian oraz regeneracji. Wykorzystano symulator do oszacowania zarówno korzyści ekonomicznych z wdrożenia diagnostyki stanu taśm w kopalni, jak i zwiększenia przychodów firmy regenerującej z tytułu zmniejszenia długości taśm odpadowych. Strategie utrzymania urządzeń a polityka wymian taśm przenośnikowych Taśma przenośnikowa jest ważnym elementem systemu transportowego nie tylko ze względu na funkcję transportową i przenoszenie siły napędowej, jaką realizuje w systemie transportu ciągłego, lecz również z uwagi na wysoką cenę oraz kluczową rolę, którą odgrywa w szeregowym układzie, jakim jest ciąg przenośników z punktu widzenia niezawodności. Z uwagi na to można zauważyć rosnącą uwagę, jaką użytkownicy transportu przenośnikowego przywiązują do taśm. Objawia się to nie tylko poprzez wzrost kultury ich obsługi przez osoby bezpośrednio pracujące przy nich (wzrost świadomości i niezbędnej wiedzy o prawidłowej eksploatacji taśm nabywanej poprzez różnorodne szkolenia i uczestnictwo w tematycznych konferencjach, których w Polsce odbywa się regularnie aż trzy), lecz również poprzez odpowiednie zmiany organizacyjne (np. wydzielenie specjalnych oddziałów ds. taśm) oraz zintegrowane zarządzanie eksploatacją przenośników (wdrożenie komputerowo wspomaganej gospodarki taśmami) [9, 14]. Jednym z objawów tego procesu jest również coraz powszechniejsze sięganie do różnych metod diagnostyki. Spośród trzech strategii utrzymania maszyn (obiektów lub urządzeń technicznych) [2] obejmujących: eksploatację do awarii, eksploatację planowo zapobiegawczą, eksploatację zależną od stanu technicznego. Jedynie w trzeciej strategii aktywnie wykorzystuje się techniki diagnostyczne do monitorowania stanu maszyn. Dwie pierwsze strategie określane są jako tradycyjne metody eksploatacji i nie wymagają określenia stanu urządzeń. Taśmy przenośnikowe z uwagi na ich rolę i koszty są traktowane jako bardzo ważne elementy składowe przenośnika w ymagające specjalnej uwagi. W pracy [7] w yróżniono trzy zasadnicze polityki w ymian taśm stosowane w polskich kopalniach oraz sformułowano ich cele: I Eksploatacja taśmy do całkowitego zużycia w celu maksymalizacji czasu pracy taśmy. Odcinek taśmy wymienia się po awarii uniemożliwiającej jego dalszą eksploatację lub po całkowitym jego zużyciu. Zdemontowane taśmy są złomowane. Tego typu polityka wymian stosowana jest już coraz rzadziej w niewielkich kopalniach surowców skalnych o krótkich drogach transportowych. II Stosowanie wymian prewencyjnych w celu uniknięcia strat spowodowanych przestojami. Odcinek taśmy wymienia się po awarii (jak wyżej) lub osiągnięciu stanu zagrażającego ciągłości pracy systemu transportowego. Zdemontowaną taśmę złomuje się lub sprzedaje odbiorcom wg polityki wymian typu I. Przykładem może tu być wymiana taśm w kopalniach węgla kamiennego lub wymiana taśm po ostatniej regeneracja w kopalniach odkrywkowych węgla brunatnego. III Stosowanie wymian prewencyjnych w celu zapewnienia opłacalnej regeneracji taśm. Odcinek taśmy wymienia 2 Transport 2(32)/2016

2 się po awarii (jak wyżej) lub osiągnięciu stanu, którego przekroczenie uniemożliwia przeprowadzenie opłacalnej regeneracji. Zdemontowane odcinki taśm kierowane są do regeneracji. Przykładem może tu być polityka wymiany taśm w kopalniach odkrywkowych węgla brunatnego. Wymienione polityki wymian stosowane są przez poszczególnych użytkowników intuicyjnie (tzn. bez formalnie przeprowadzonej optymalizacji decyzji o wymianach) w oparciu o doświadczenie i wypracowane na przestrzeni lat procedury postępowania. Pierwsza polityka wymian taśmy jest w pełni zgodna z tradycyjnym sposobem eksploatacji urządzeń do awarii. Wprawdzie wydłuża (maksymalizuje) okres eksploatacji taśmy, gdyż nie demontuje się jej prewencyjnie, lecz użytkuje się aż do całkowitego jej zużycia lub awarii. Z drugiej jednak strony strategii tej często towarzyszy całkowite zaniedbanie doglądania taśm i brak jakichkolwiek napraw drobnych uszkodzeń, co zapewnia niskie koszty obsługi. Z czasem jednak brak napraw prowadzi do wzrostu tempa zużywania się taśm na skutek penetracji ich rdzenia (linek lub przekładek) przez wodę oraz do niekontrolowanego rozwijania się uszkodzeń obrzeży, złączy i okładek. W konsekwencji prowadzi to do kosztownych przestojów (straty produkcyjne + koszty usuwania urobku) oraz uszkodzeń innych elementów przenośnika w momencie wystąpienia awarii taśmy (uszkodzenia krążników, stacji napinania, napędów itp.). Korzyści ekonomiczne z przedłużonego użytkowania taśmy nie są więc z góry przesądzone. Jedynie w niektórych przypadkach, zwłaszcza tam gdzie przestoje awaryjne związane z wymianą awaryjną taśmy nie wiążą się z dużymi stratami, tego typu polityka wymian może okazać się opłacalna. Obecnie prowadzenie wymian w taki sposób jest już rzadkością, gdyż zazwyczaj prowadzi się jednak inspekcję taśm na przenośniku, by zapobiec poważniejszym awariom. Pozostałe polityki wymian taśm odpowiadają trzeciej strategii utrzymania maszyn. Wymiany prowadzi się w nich po osiągnięciu przez taśmy stanu granicznego. Stan ten różni się w obu politykach i jest osiągany po różnych okresach pracy. W drugiej polityce stan uszkodzeń taśmy, kwalifikujący ją do wymiany, jest z pewnością większy niż w trzeciej i jest osiągany względnie później. Taśma kierowana do regeneracji, w trzeciej strategii, jest bowiem w pełni sprawna i mogłaby jeszcze pracować przez jakiś czas, nie stwarzając zagrożenia nagłą awarią. Zdejmuje się ją jednak, by przeprowadzić opłacalną regenerację i przedłużyć czas jej pracy o kolejny okres. Stan graniczny jest w tej polityce zdecydowanie dokładniej określony, wymaga się bowiem, by grubość warstwy gumy nad linkami nie spadła poniżej 3 mm. Stan graniczny w drugiej polityce jest określony bardzo nieprecyzyjnie i operator na podstawie znajomości średniej trwałości taśm i jej stanu subiektywnie decyduje o momencie wymiany. W obu politykach konieczne jest więc monitorowanie stanu taśm. Decyzję o wymianie taśmy podejmuje się w oparciu o ocenę stanu taśmy i stopnia jej uszkodzeń. Eksploatacja planowo-zapobiegawcza (druga strategia utrzymania maszyn) w odniesieniu do taśm była proponowana w różnych prewencyjnych strategiach wymian (okresowych i w ustalonym wieku) przez autorów z Polski i zagranicy. Przegląd propozycji strategii wymian prewencyjnych zaprezentowano w pracy [11]. Metody te nie znalazły jednak praktycznego zastosowania w górnictwie, z uwagi na ogromną liczbę czynników wpływających na tempo zużywania się i uszkadzania taśm. Można je podzielić na związane z: jakością taśmy: jakość projektu (typ, rodzaj, konstrukcja, właściwy dobór do warunków pracy: parametry mieszanek gumowych, w tym twardość i ścieralność) i wykonania (równomierny rozkład parametrów taśmy na całej powierzchni), producent (oryginalne własne rozwiązania konstrukcyjno-technologiczne, patenty), parametry wytrzymałościowe gumy i taśmy itp., parametrami przenośnika: długość, prędkość taśmy, rodzaj napędu i zastosowane napięcie wstępne, zamontowane urządzenia czyszczące i naprowadzające, zastosowane zestawy krążnikowe, rodzaj nadawy (konstrukcja kosza zasypowego, wysokość spadku urobku, rodzaj podparcia taśmy i zastosowane uszczelniacze) itp., parametrami urobku: skład ziarnowy, wielkość i zmienność natężenia strugi, ostrokrawędzistość ziaren, lepkość, abrazywność itp., warunkami pracy: temperatura, wilgotność, nasłonecznienie, agresywność środowiska, amplitudy zmian i ich rozkład w czasie itp., jakością obsługi: częstość przeglądów, szybkość reakcji na nieprawidłowości (np. wymiany zablokowanych krążników, uszczelniaczy czy urządzeń czyszczących), zakres i częstość napraw uszkodzeń, przestrzeganie zasad prawidłowej eksploatacji itp. Wiele z tych parametrów ma charakter losowy (obciążenie, struga urobku, jakość wykonania taśmy, ustawienia przenośnika, montażu urządzeń i jakość obsług itp.), dlatego tempo zużycia i pojawianie się uszkodzeń ma indywidualny charakter, trudny do precyzyjnego statystycznego opisania, a właśnie statystyczne zależności są podstawą wyznaczenia optymalnego momentu wymiany taśmy w prewencyjnych strategiach wymian. Wprawdzie można zindywidualizować analizę statystyczną i badać proces zużywania i uszkadzania się taśm dla każdego przenośnika z osobna, lecz przy trwałości taśm rzędu kilku, a nawet kilkunastu lat trudno uzyskać wystarczającą ilość jednorodnych danych, by wykryte zależności były statystycznie istotne. W tak długim okresie pojawia się bowiem wiele istotnych zmian wpływających na trwałość taśm. Przenośniki są przebudowywane (wydłużane i skracane), wymienia się wiele urządzeń i montuje nowe, co znacznie utrudnia posługiwanie się statystycznymi zależnościami, a przede wszystkim wpływa na zwiększenie rozrzutu wyników i zwiększenie przedziałów ufności dla analizowanych charakterystyk. Indywidualna ocena, nawet wyłącznie wizualna, która jest przecież niedokładna (z uwagi na zabrudzenie taśmy) i subiektywna, często okazuje się lepszym rozwiązaniem niż wymiany planowo-zapobiegawcze. W rzeczywistości tam, gdzie zastosowano komputerowo wspomaganą gospodarkę taśmami wizualna ocena stopnia zużycia taśmy, wspomagana jest porów- -naniem dotychczasowej trwałości odcinka taśmy z oczekiwaną trwałością taśm na konkretnym przenośniku [14]. Transport 2(32)/2016 3

3 Przy podejmowaniu decyzji o wymianie taśmy w oparciu o jej stan istotne jest również dążenie kopalń do pełnego wykorzystania potencjału transportowego taśm. W polityce wymian w określonym wieku taśmę należy bowiem wymieniać po przepracowaniu przez nią wyznaczonego optymalnie czasu pracy (na bazie danych statystycznych) niezależnie od jej stanu. Oznaczałoby to czasami konieczność zdejmowania taśm niezbyt zużytych lub dopuszczanie do awarii (nadmiernego zużycia) w przypadku, gdy tempo zużycia jakiegoś odcinka taśmy odbiegałoby od oczekiwanego było wolniejsze (np. w przypadku taśmy dobrej jakości lub po zmniejszeniu obciążenia przenośnika) lub szybsze (np. dla taśm niskiej jakości lub po skróceniu przenośnika). Zbyt wiele czynników wpływa bowiem na proces zużywania i uszkadzania się taśm, by móc wszystkie je kontrolować i dobierać momenty wymian dla każdej taśmy indywidualnie (np. po przełożeniu odcinka na inny przenośnik). Optymalny moment wymiany taśm wyznaczony w oparciu o dane o ich kalendarzowym czasie pracy może być więc dla jednych odcinków zbyt krótki, a dla drugich zbyt długi. Niestety, jak dotąd, nie udało się wdrożyć w polskich kopalniach lepszej (bardziej precyzyjnej) miary trwałości taśm np. efektywnego czasu ich pracy (czasu faktycznie przepracowanego przez taśmy bez uwzględnienia postojów), czy przeniesionej masy, choć istnieją już po temu warunki techniczne. Każde włączenie i wyłączenie przenośników na głównych ciągach jest rejestrowane w systemach automatycznego sterowania, podobnie jak podawane masy węgla i nadkładu z koparek. Posłużenie się precyzyjniejszymi miarami trwałości pozwoliłoby zredukować liczbę czynników istotnie wpływających na różnicowanie trwałości taśmy (np. prędkość taśmy, nierówne obciążenie przenośników) i precyzyjniej wyznaczać momenty wymian odcinków. W tej sytuacji wymiany w oparciu o stan taśmy, nawet określany wyłącznie w oparciu o wizualną ich ocenę, mogą zapewnić większą możliwość wykorzystania potencjału transportowego taśm. Pojawia się jednak nowy problem. W jaki sposób precyzyjnie wyznaczyć moment osiągnięcia przez taśmę stanu granicznego odpowiedniego dla danej polityki wymian? Omówione polityki wymian taśm (prewencyjne typu II i III) zostały wypracowane w praktyce, w celu obniżenia kosztów eksploatacji transportu taśmowego przez różnych użytkowników i dla odmiennych warunków. Opłacalność danej polityki wymian w dużej mierze zależy od właściwego określenia momentu demontażu taśmy. Obecnie decyzję o wymianie podejmuje się jedynie w oparciu o wizualną ocenę stanu taśmy w trakcie rutynowych kontroli przenośników. Ocena taka dotyczy tylko zewnętrznych cech taśmy i nie uwzględnia degradacji jej rdzenia, w tym zachodzących w taśmie zmian zmęczeniowych. Brak jasno i dokładnie sprecyzowanych kryteriów demontażu taśmy wpływa na znaczną subiektywność i nieprecyzyjność wyboru momentu wymiany. Podjęcie decyzji optymalnej ekonomicznie jedynie w oparciu o intuicję i doświadczenie jest więc mało prawdopodobne. Konieczne staje się zatem zastosowanie kompleksowej oceny stanu taśmy z wyko rzystaniem systemu do klasyfikacji uszkodzeń i oceny stopnia jej zużycia [8, 12, 13], najlepiej wspomaganego automatycznymi metodami diagnozowania jej rdzenia z użyciem nieniszczących metod diagnostyki (NDT), np. systemami magnetycznymi [3]. Polityka wymiany taśm z uwzględnieniem regeneracji korzyści z wykorzystania diagnostyki stanu taśmy W kopalniach węgla brunatnego od pięćdziesięciu lat stosowana jest regeneracja taśm przenośnikowych. Pierwszy oddział regeneracji taśm powstał w połowie lat sześćdziesiątych w KWB Turów. Kolejny uruchomiono w 1977 r. w KWB Konin, a w 1981 r. rozpoczęto regenerację taśm w największej i najnowocześniejszej Kopalni Węgla Brunatnego Bełchatów. Początkowo w KWB Turów regenerowano jedynie taśmy przekładkowe, jednak od 1983 r. rozpoczęto regenerację taśm z linkami stalowymi. W pozostałych kopalniach regenerowano głównie taśmy z linkami stalowymi [6]. Obecnie regenerację prowadzi się już tylko w Turowie i Bełchatowie i jest ona wykonywana przez wyspecjalizowaną firmę BestGum, która świadczy również usługi łączenia i napraw taśm przenośnikowych dla ich użytkowników. Kiedyś regeneracja była bardzo potrzebna, gdyż redukowano w ten sposób import taśm lub komponentów do ich produkcji, które trzeba było sprowadzać za dewizy. Możliwość powtórnego, a nawet potrójnego wykorzystania gumowego rdzenia taśm z linkami stanowiły liczące się w budżetach kopalń oszczędności. Obecnie prowadzenie regeneracji taśm też jest uzasadniane ekonomicznie, choć ceny taśm względem innych produktów spadły, a trwałość taśm wzrosła. Zmieniły się też proporcje czasów prac (trwałości) taśm krajowych i importowanych oraz nowych i po regeneracji. Panuje przekonanie, że trwałość taśm regenerowanych nie odbiega od trwałości taśm nowych, jednak wiele wskazuje na to, że tak być po prostu nie może z obiektywnych przyczyn. Rdzeń taśmy podlega w trakcie pracy taśm na przenośnikach procesom degradacji zmęczeniowej, uszkodzeniom, przecięciom linek i gumy oraz procesom korozji. Regeneracja, pomimo przeprowadzenia skrupulatnych napraw rdzenia, nie jest w stanie przywrócić rdzenia do pierwotnej postaci. Każdorazowa wulkanizacja zmniejsza przyczepność gumy do linek, dlatego wytrzymałość połączeń taśm po kolejnych regeneracjach spada i trzykrotna regeneracja jest już w zasadzie nieopłacalna. Zbyt dużo zregenerowanych taśm, na regenerację, których poniesiono nakłady, nie przechodzi koniecznych badań wytrzymałościowych. Regenerację prowadzi się więc co najwyżej dwukrotnie, a i tak udział odpadów jest znaczący. Odpady powstają na etapie kwalifikacji taśmy do regeneracji po zdjęciu okładek i obejrzeniu stanu rdzenia oraz na etapie badań wytrzymałościowych, choć ilość tych ostatnich nie jest znacząca. Im dłużej użytkowana jest taśma na przenośniku tym w gorszym stanie przekazywana jest do regeneracji. Skutkuje to zwiększeniem ilości odpadów. Z jednej strony każdy dodatkowy miesiąc pracy taśm redukuje koszt jednostkowy transportu. Z drugiej jednak strony zwiększa ilość odpadów, a niezregenerowane taśmy muszą być zastąpione nowymi, które kosztują więcej niż ich regeneracja. 4 Transport 2(32)/2016

4 Bez korzystania z urządzeń diagnostycznych decyzje o demontażu taśmy z przenośnika i skierowaniu jej do regeneracji odbywają się na podstawie subiektywnej wizualnej oceny stanu okładek i obrzeży oraz znajomości dotychczasowego czasu pracy odcinka taśmy (możliwe to jest tylko tam, gdzie prowadzone są komputerowe bazy danych o taśmach oraz ich naprawach). Decyzje o demontażu taśm mogą więc nie być optymalne, gdyż jak wykazuje wiele badań stan okładek zazwyczaj nie oddaje faktycznego stanu rdzenia [1]. Wiele procesów degradacyjnych i uszkodzeń linek zachodzi bez uzewnętrzniania się na powierzchni okładek. Zbyt późne zdjęcie taśmy, tzn. taśmy ze zbyt uszkodzonym rdzeniem, może skutkować koniecznością jej złomowania. Taśmy takiej może nie udać się zregenerować, pomimo poniesionych nakładów na jej przygotowanie do tego procesu (transport, czyszczenie, sfrezowanie okładek). W miejsce taśmy zezłomowanej trzeba będzie kupić taśmę nową, co zwiększy wydatki kopalni. Zazwyczaj w pierwszym rzędzie swoje potrzeby wymian taśm kopalnie starają się zaspokoić taśmami z regeneracji, gdyż te są istotnie tańsze. Oczywiście nie da się wszystkich zdejmowanych taśm zastąpić regenerowanymi. Nie wszystkie taśmy kierowane do regeneracji udaje się bowiem z sukcesem regenerować, a demontowane taśmy po drugiej regeneracji muszą być zastąpione nowymi, bo trzeciej regeneracji się już nie prowadzi. Oczywiście zastąpienie taśmy zdejmowanej regenerowaną nie oznacza, że trafiają one dokładnie w miejsce taśmy zdemontowanej. Kopalnie prowadzą bowiem racjonalną gospodarkę taśmami i taśmy słabsze (np. po drugiej regeneracji) trafiają na przenośniki mniej obciążone i mniej narażone na intensywne zużycie, a więc np. na przenośniki węglowe. Dlatego może powstawać wrażenie, że ogólna średnia trwałość taśm nowych i regenerowanych jest podobna, lecz te drugie montuje się głównie na przenośnikach, na których taśmy nowe pracują zdecydowanie dłużej. Porównywać trwałości taśm można, gdy pracują one w podobnych warunkach. Transport węgla, praca na długich przenośnikach lub przenośnikach stałych mogą istotnie wpływać na wydłużenie czasu pracy taśm, a transport nadkładu, praca na przenośnikach krótkich lub przesuwnych mogą wpływać na skrócenie ich życia. Model gospodarki taśmami w kopalni W uproszczonym modelu gospodarki taśmami (deterministycznym symulatorze) przyjęto wiele uproszczeń, wynikających z pominięcia wielu szczegółów dotyczących różnych typów taśm użytkowanych w kopalniach. Nie rozróżniono również taśm pracujących w węglu i nadkładzie przyjmując, że czasy pracy taśm są średnimi ważonymi czasów pracy taśm pracujący w tych odmiennych warunkach. Przykładowo, jeśli 2/3 taśm transportuje nadkład, a 1/3 taśm przenosi węgiel, to biorąc pod uwagę, że w nadkładzie taśmy pracują około 7 lat, a węglu 10 lat można przyjąć, że średni ważony czas pracy taśmy do demontażu w celu jej regeneracji wyniesie 8 lat ( = 2/ /3 10). Przyjęto, że łączna ilość taśm w poszczególnych latach (k = 1,,N) jest niezmienna i wynosi L, przy czym zawsze spełniony jest warunek (1), mówiący o tym, że łączna długość taśm jest sumą długości taśm nowych (k), po pierwszej (k) i po drugiej regeneracji L R2 (k). L= (k) + (k) + L R2 (k) (1) Związki pomiędzy trwałością taśm (T) a ilością rocznych wymian (W) taśm opisano dokładnie w pracy [9, 10]. Wzory 2-4 pozwalają szybko ocenić długości, przy czym indeksy dolne N, R1 i R2 odnoszą się do taśm nowych, po 1. i 2. regeneracji, a k oznacza rok, w którym oszacowano długość wymienianych taśm: W N (k) = (2) W R1 (k) = (3) W R2 (k) = L R2 (k)/t R2 (4) Długość taśm w kolejnym roku (k+1) w poszczególnych rodzajach przedstawiają wzory 5-7. (k+1) = (k) - W N (k) + O N W N (k) + O R W R1 (k) + W R2 (k) (5) (k+1) = (k) - W R1 (k) + (1-O N ) W N (k) (6) L R2 (k+1) = L R2 (k) - W R2 (k) + (1-O R ) W R1 (k) (7) Można też oszacować długość taśm nowych w kolejnym okresie, biorąc pod uwagę fakt, że część trzeba było wymienić z uwagi na zużycie oraz trzeba było uzupełnić braki spowodowane wymianą zużytych taśm po drugiej regeneracji oraz powstałymi odpadami (wyrażone % taśm, których nie udało się zregenerować) w trakcie pierwszej (O N ) i drugiej regeneracji (O R ): (k+1) = (k) - + O N + O R + L R2 (k)/t R2 (8) Długość taśm po pierwszej regeneracji w kolejnym okresie można przedstawić jako różnicę stanu poprzedniego i długości taśm zużytych w tym okresie, powiększoną o ilość zdemontowanych taśm nowych skierowanych do regeneracji po uwzględnieniu odpadów powstałych w trakcie tego procesu (O N ): (k+1) = (k) - + (1-O N ) (9) Długość taśm po drugiej regeneracji w kolejnym okresie można przedstawić jako różnicę stanu poprzedniego i długości taśm zużytych w tym okresie, zwiększoną o ilość zdemontowanych taśm po pierwszej regeneracji skierowanych do regeneracji, ale bez odpadów powstałych w trakcie tego procesu (O R ): L R2 (k+1) = L R2 (k) - L R2 (k)/t R2 + (1-O R ) (10) Zrozumiałe jest, że O R < O N, gdyż taśmy poddawane drugiej regeneracji są w gorszym stanie niż taśmy nowe, kierowane do regeneracji. Transport 2(32)/2016 5

5 Można również obliczyć długość kupionych taśm nowych: Z N (k) = O N W N (k)+o R W R1 (k)+w R2 (k) (11) Z N (k) = O N +O R + L R2 (k)/t R2 (12) oraz długość taśm poddanych regeneracji: Z R (k) = (1-O N ) W N (k) + (1-O R ) W R1 (k) (13) Z R (k) = (1-O N ) + (1-O R ) (14) Długości te są potrzebne do oszacowania kosztu zakupu nowych taśm i potrzebnych środków na pokrycie kosztów regeneracji. Suma obydwu kosztów tworzy niezbędny budżet na nowe B N (k) i regenerowane taśmy B R (k) w kolejnych latach. Rys. 2 Zmiany długości taśm zainstalowanych, wymienianych latach (w km). Stan wyjściowy to 100 km taśm nowych i brak taśm po 1. i 2. regeneracji B N (k) = Z N (k) P N (15) B R (k) = Z R (k) P R (16) Podane powyżej wzory iteracyjne pozwalają zbadać zmiany długości zainstalowanych taśm różnych rodzajów oraz prowadzonych wymian w kolejnych latach. Przedstawione one zostały dla hipotetycznej kopalni użytkującej 100 km taśm. Przyjęto, że taśmy nowe mają średnią trwałość 8 lat, po 1. regeneracji 7 lat, a po 2. regeneracji 6 lat. Średnie są średnimi ważonymi trwałości taśm węglowych, których jest 1/3 oraz nadkładowych, których jest 2/3. Taśmy transportujące węgiel pracują dłużej: 10, 9 i 8 lat (odpowiednio: nowe, po 1. regeneracji i po 2. regeneracji), a transportujące nadkład krócej: 7, 6 i 5 lat odpowiednio. W efekcie przyjęte średnie trwałości wyniosły 8, 7 i 6 lat. Założono też, że w trakcie procesu regeneracji taśm nowych zdarza się 10% odpadów (O N = 10%), a w procesie regeneracji taśm po pierwszej regeneracji jest ich więcej, bo 20% (O R = 20%). Taśm po 2. regeneracji nie regeneruje się już więcej, bo w zasadzie wszystkie nie przeszłyby badań dopuszczających je do ruchu z uwagi na spadek przyczepności linek do gumy i nadmierny stan zużycia rdzenia. Rys. 3 Zmiany długości taśm zainstalowanych, wymienianych latach (w km). Stan wyjściowy to 100 km taśm po 1. regeneracji Na kolejnych wykresach (rys. 1-6) przedstawiono zmiany długości taśm zainstalowanych, w ymienianych oraz kupowanych i regenerowanych, rozpoczynając analizę od różnych stanów wyjściowych: równej długości wszystkich rodzajów taśm (rys. 1), 100 km taśm nowych (rys. 2), 100 km Rys. 4 Zmiany długości taśm zainstalowanych, wymienianych latach (w km). Stan wyjściowy to 100 km taśm po 2. regeneracji Rys. 1 Zmiany długości taśm zainstalowanych (nowych LN, po 1. regeneracji LR1 i po 2. regeneracji LR2), wymienianych (WN, WR1 i WR2) oraz kupowanych (ZN) i regenerowanych (ZR) w kolejnych latach (w km). Stan wyjściowy to taka sama długość taśm różnych rodzajów ( = = L R2 = 33,(3) km) taśm po 1. regeneracji (r ys. 3 ), 10 0 km taśm po 2. regeneracji (rys. 4) oraz połowy taśm nowych (50 km) i regenerowanych (2 po 25 km; (rys. 5), a także od rozkładu zapewniającego pełną stabilność wymian w czasie (rys. 6). Okazuje się, że niezależnie od punktu wyjścia, prędzej czy później układ dąży do stanu stabilnej równowagi swoistej homeostazy, charakteryzującej się stabilnymi 6 Transport 2(32)/2016

6 Rys. 5 Zmiany długości taśm zainstalowanych, wymienianych latach (w km). Stan wyjściowy to 50 km taśm nowych i 2 x po 25 km taśm regenerowanych (po 1. i 2. regeneracji) zakupów i regeneracji w kolejnych latach, zadając w nim stan początkowy odpowiadający konkretnej kopalni oraz osiąganym w niej czasom pracy taśm różnych rodzajów. Model ten można także wykorzystać do oszacowania korzyści z zastosowania urządzeń diagnostycznych. Na Wydziale Geoinżynierii, Górnictwa i Geologii Politechniki Wrocławskiej w ramach projektu NCBiR opracowano system diagnostyczny DIAGBELT do automatycznej oceny stanu taśm z linkami stalowymi. Działanie systemu oparte jest na pomiarze zmian pola magnetycznego wokół namagnesowanych wcześniej stalowych linek rdzenia taśmy. System jest w pełni automatyczny i wykorzystuje w działaniu zaawansowane procedury diagnostyczne, mające na celu obiektywną ocenę stanu rdzenia taśmy, a także jej połączeń [4]. Głowica pomiarowa pozwala na diagnostykę taśm o szerokości nawet 3 m i prędkości ruchu do 10 m/s (rys. 7). Rys. 6 Zmiany długości taśm zainstalowanych, wymienianych latach (w km). Stan wyjściowy to 42,96 km taśm nowych, 33,83 km taśm po 1. regeneracji i 22,58 km taśm po 2. regeneracji. Rozkład długości taśm zapewnia stan stabilnej równowagi swoistej homeostazy dla układu dopasowany do trwałości taśm i skali odpadów w trakcie 1. i 2. regeneracji proporcjami taśm zainstalowanych (42,96 km, 33,83 km i 23.2 km odpowiednio), wymienianych (5,37 km, 4,83 km i 3,87 km, odpowiednio) oraz kupowanych nowych (5,37 km) i regenerowanych (8,70 km) w cyklu rocznym. W stanie homeostazy ilości demontowanych rocznie nowych taśm oraz tych, które kopalnia zmuszona jest kupić, by uzupełnić braki (odpady i taśmy zdjęte po 2. regeneracji), pokrywają się (5,37 km). Układ dopasowuje się do częstości wymian wynikających z przyjętego średniego czasu pracy oraz wskaźnika powstawania odpadów. Oszacowanie korzyści z zastosowania diagnostyki taśm Przedstawiony model (deterministyczny symulator) można dopasować do faktycznych długości taśm różnych rodzajów i typów. W uproszczonym modelu nie uwzględniano różnych szerokości i wytrzymałości taśm ani różnej ich konstrukcji, które ograniczają możliwość zastępowania jednych taśm drugimi. W uproszczonym modelu zastępowalność jest pełna, a w rzeczywistości tak nie jest. Już teraz można opracowany symulator wykorzystać do zgrubnego oszacowania budżetu oraz skali wymian, Rys. 7 Widok głowicy pomiarowej oraz magnesów podczas pomiarów na przenośniku Powstałe oprogramowanie pozwala na szybką ocenę stanu taśmy bezpośrednio w trakcie pomiaru. Dokładna analiza, tj. ocena ilościowa uszkodzeń (uszk/m), procedura automatycznego wykrywania połączeń i określania ich geometrycznych parametrów, generowanie obrazów 2D i 3D oraz szerokiego zestawu statystyk możliwe jest bezpośrednio po pomiarze (post-processing). Stan uszkodzeń poszczególnych odcinków taśmy obrazowany jest m.in. za pomocą palety kolorów i odpowiadających im przyjętym progom. Takie zobrazowanie pozwala jednoznacznie Transport 2(32)/2016 7

7 i szybko zidentyfikować odcinki taśm o szczególnie wysokiej koncentracji uszkodzeń, jak i dokładne miejsca ich występowania. Przykładowy obraz analizowanej taśmy w programie DIAGBELT przedstawiono na rys. 8. Rys. 8 Obraz graficznej wizualizacji stanu rdzenia taśmy w systemie DIAGBELT wraz z szczegółowymi informacjami statystycznymi Bezpośrednie korzyści z zastosowania urządzeń diagnostycznych to redukcja ilości odpadów w procesie regeneracji, bo dzięki znajomości stanu rdzenia można podejmować decyzje o demontażu taśm, zanim rdzeń ulegnie nadmiernemu zużyciu. Można też wykorzystać urządzenie w trakcie procesu kwalifikacji do regeneracji, nie dopuszczając do niepotrzebnych kosztów związanych z frezowaniem okładek. Obecnie ostateczną decyzję o regeneracji danego odcinka taśmy podejmuje się po odsłonięciu rdzenia i ocenie skali jego uszkodzeń. Z urządzeniem diagnostycznym można tego dokonać na przenośniku (co jest najlepszym rozwiązaniem przynoszącym najwięcej korzyści finansowych) albo w zakładzie regeneracji nim poniesie się dalsze koszty związane z przygotowaniem taśmy. Regularna ocena stanu taśmy pozwoli identyfikować i naprawiać uszkodzenia rdzenia nawet wtedy, gdy nie są one widoczne na powierzchni okładek. Wiele procesów degradacji zachodzi we wnętrzu taśmy (np. korozja), choć na zewnątrz praktycznie nie ma śladu po uderzeniu bryły urobku uszkadzającej gumę i linkę [1]. Przyczyni się to z pewnością do wydłużenia czasu pracy taśm. Konsekwencje finansowe wydłużenia trwałości opisano w pracy [10]. Można je również oszacować z wykorzystaniem opisanego tu symulatora. Przykładowo w ydłużenie tr wałości wszystkich taśm o 10 %, przy niezmienionej skali odpadów zapewni oszczędności roczne wydatków na zakup nowych taśm i regenerację (w stanie homeostazy ) na poziomie 1,06 mln zł rocznie (przy założeniu, że nowa taśma kosztuje ok zł, a regenerowana ok. 600 zł). Stanowi to ok. 10% budżetu na zakupy i regenerację taśm. W kopalni, w której nie stosuje się diagnostyki stanu taśm, przy 10- i 20-procentowej skali odpadów w trakcie regeneracji w ciągu roku powstawałoby ok m taśm odpadowych. Daje to od 6 do 8 odcinków taśm (o długości 250 m lub 200 m odpowiednio). Gdyby wyeliminować odpady poprzez zastosowanie diagnostyki to straty, których uda się uniknąć, z tytułu transportu i przygotowania odcinków taśm wraz ze sfrezowaniem okładek wyniosłyby od 30 do 40 tys. zł. Można jednak spojrzeć na oszczędności inaczej. Zregenerowanie odpadowych taśm wygenerowałoby bowiem dodatkowy przychód w wysokości ok. 902,3 tys. zł. Oczywiście odpadów całkowicie nie da się wyeliminować. Ich redukcja do poziomu 3% i 6% (dla taśm nowych i regenerowanych odpowiednio) wydaje się możliwa. Uwzględnienie zmian spowodowanych wzrostem trwałości taśm o 10% dałoby łączną kwotę dodatkowego przychodu w wysokości 674,7 tys. zł rocznie, co zapewniłoby środki na wdrożenie diagnostyki. Bez niej przyjęcie przez firmę usługową odpowiedzialności za koszty awarii w kopalni (nie mówiąc o stratach w produkcji z tego tytułu) byłoby bowiem loterią i groziłoby wysokimi karami. Zastosowanie diagnostyki zredukowałoby niepewność co do stanu taśm. Po uwzględnieniu redukcji odpadów taśm do 3% i 6% (dla nowych i regenerowanych taśm) oszczędności kopalni wyniosłyby 1,03 mln zł rocznie, gdyż długości i proporcje taśm regenerowanych i nowych dopasowałyby się z czasem dla nowego stanu równowagi. Oszczędności w początkowym okresie byłyby większe i wynosiłyby 1,35 mln zł, co z pewnością wystarczyłoby na wdrożenie diagnostyki (rys. 9). Rys. 9 Zmiany długości (w km) taśm zainstalowanych, wymienianych oraz kupowanych i regenerowanych wg rodzajów w kolejnych latach od początkowego stanu równowagi do nowego, osiągniętego po zastosowaniu diagnostyki wraz z oszczędnościami kopalni i dodatkowymi przychodami (w mln zł) firmy regenerującej z tytułu zregenerowania taśm, które wcześniej stanowiły odpady Wnioski Przedstawione oszczędności są szacunkowe. Trwałości taśm oraz koszty ich zakupu i regeneracji starano się dobrać na realistycznym poziomie. Skala oszczędności powinna więc być również zbliżona do możliwych do uzyskania. Bardzo ciekawe są rezultaty, wskazujące na dążenie układu do stanu stabilnej równowagi udziałów poszczególnych rodzajów taśm w ogólnej długości taśm zainstalowanych, ich wymian i zakupów, czyli stanu swoistej homeostazy układu. Długości zainstalowanych i wymienianych różnych rodzajów taśm stabilizują się na poziomie odzwierciedlającym trwałości taśm i ilość odpadów w procesie regeneracji. Ich zmiana wytrąca układ, który po jakimś czasie stabilizuje się na nowym poziomie. 8 Transport 2(32)/2016

8 Z przeprowadzonych symulacji widać skalę możliwych do osiągnięcia oszczędności, które są znaczące i w zupełności pozwalają pokryć koszty zakupu kilku urządzeń diagnostycznych. Inwestycja powinna się zwrócić się nawet w ciągu jednego roku. Należy podkreślić, że przeprowadzone szacunki oszczędności nie uwzględniały kosztów postojów awaryjnych oraz strat spowodowanych brakiem produkcji, które mogą być ogromne. Zastosowanie diagnostyki powinno zmniejszyć te koszty i straty, przynajmniej w zakresie awarii spowodowanych narastającą degradacją taśm i połączeń. Znaczenie diagnostyki taśm przenośnikowych wzrasta, bo zmienił się tryb ich obsługiwania. Obecnie regeneracja, wymiany i naprawy taśm realizowane są przez zewnętrzne firmy, które gwarantować muszą jakość wykonanych napraw i połączeń. Gwarancje dotyczą nie tylko konieczności ponownego wykonania wadliwej usługi, lecz czasami mogą dotyczyć odpowiedzialności za straty, wynikające z awaryjnego zatrzymania przenośników, a nawet pełnej odpowiedzialności za straty postojowe, a te mogą być bardzo duże [5]. Rosnąca skala odpowiedzialności firm usługowych szybko wymusi korzystanie z diagnostyki oraz urządzeń zabiegających nagłym awariom, bo tylko w ten sposób można dokonać prewencyjnych wymian i ograniczyć skutki ewentualnych awarii. Z uwagi na to, że głównym beneficjentem oszczędności z wydłużenia trwałości taśm jest kopalnia (lub inny użytkownik systemów przenośników), również i ona powinna korzystać z takich urządzeń. Nadal to kopalnia podejmuje decyzje o zdjęciu taśmy z przenośnika, a od tej decyzji zależeć będzie skala odpadów w procesie regeneracji. Zbyt późne zdjęcie taśmy (np. z uwagi na cięcia kosztów i ograniczenia budżetowe) w przyszłości odbije się na zwiększeniu udziału taśm niezregenerowanych (odpadowych) i konieczności zwiększenia zakupów taśm nowych w przyszłości. Artykuł powstał w ramach realizacji pracy statutowej nr S50136 Abstract Conveyor belt replacement policies have been discussed in the context of strategies of machinery maintenance. It has been noticed that the common practice is to base belt replacement on its condition established usually through visual inspection. Two main policies have been recognized: replacements in order to prevent conveyor systems breakdowns (in underground mines) and replacements in order to assure profitable recondition of belts (in opencast lignite mines). In order to choose the best moment for replacement the application of NDT diagnostic methods is recommended. A deterministic simulator of belt replacements and reconditions in mines has been presented taking into account the average operating times of various kinds of belts (new ones, after the 1st and the 2nd recondition) and the percentage of waste belts during recondition. A trend of the belt system to the stable equilibrium (a kind of homeostasis ) of lengths of different kind of belts the mine and their annual replacements and reconditions has been shown on charts. The target limit is independent of the starting point. Simulator was used to estimate the economic benefits of implementation of the diagnostic devices in the mine as well as the increased revenue of firm providing belt reconditioning due to reduction of the length of waste belts. Literatura [1] Bajda M., Błażej R., Hardygóra M., Jurdziak L.: Integracja diagnostyki magnetycznej z nowatorską metodą oceny odporności taśm przenośnikowych z linkami stalowymi na przebicia, Węgiel brunatny gwarantem bezpieczeństwa energetycznego: monografia. Akademia Górniczo-Hutnicza, Agencja Wydawniczo-Poligraficzna Art-Tekst, 2016, s [2] Bartelmus W.: Diagnostyka maszyn górniczych, Górnictwo Odkrywkowe, Śląsk, Katowice [3] Błażej R., Jurdziak L., Zimroz R., Hardygóra M., Kawalec W.: Inteligentny system do automatycznego badania i ciągłej diagnozy stanu taśm przenośnikowych cele i założenia projektu badawczego, Transport Przemysłowy i Maszyny Robocze, nr 4(18)/2012. [4] Błażej R., Hardygóra M., Jurdziak L.: Inteligentny system diagnostyki taśm przenośnikowych budowa i działanie, XXIII Międzynarodowe Sympozjum FTT Wolbrom, Wisła , [5] Jurdziak L., Błażej R.: Szacowanie kosztów utrzymania taśm w kopalni stosującej różne strategie wymian taśm i metody wykrywania ich uszkodzeń, Cuprum, nr 4, 2010, s [6] Jurdziak L.: Determination of optimum time the replacement conveyor belts meant for reconditioning, XXII. International Symposium APCOM, Berlin, West Germany, , vol. 1. Berlin: TU, s [7] Jurdziak L.: Metoda określenia rozkładu czasu pracy taśmy przenośnikowej i jego wykorzystania do prognozowania wymian taśm, praca doktorska (niepub.), Politechnika Wrocławska, [8] Jurdziak L.: Zastosowanie zmiennych lingwistycznych do określenia stopnia zużycia taśmy metoda szeregowania taśm przenośnikowych do wymiany, Prace Naukowe Instytutu Górnictwa Politechniki Wrocławskiej. [9] Jurdziak L.: Gospodarka taśmami przenośnikowymi w kopalniach stan obecny i perspektywy, Górnictwo Odkrywkowe, 1998, s [10] Jurdziak L.: Wpływ zmian trwałości taśm na koszty eksploatacji przenośników/leszek Jurdziak, Wiadomości Górnicze, vol. 50, nr 10, s [11] Jurdziak L.: Prewencyjne strategie wymian taśm przenośnikowych, Prace Naukowe Instytutu Górnictwa Politechniki Wrocławskiej, [12] Jurdziak L.: The conveyor belt wear index and its application in belts replacement policy Proceedings of the International Symposium On Mine Planing and Equipment Selection, Ateny, Grecja, nov. 2000, Balkema. [13] Jurdziak L., Hardygóra M.: Jednolita klasyfikacja uszkodzeń taśm przenośnikowych i ich intensywności. Prace Naukowe Instytutu Górnictwa PWr, Wrocław [14] Jurdziak L., Stolarczyk R., Zawadzka B.: Nowe narzędzia do komputerowego wspomagania zarządzania eksploatacją taśm, Transport Przemysłowy, nr 3, dr hab. inż.. Leszek Jurdziak, prof. PWr dr inż. Ryszard Błażej Politechnika Wrocławska Transport 2(32)/2016 9