dr hab. inż. Marek IWANIEC Katedra Automatyzacji Procesów, Akademia Górniczo Hutnicza Kraków MONITOROWANIE STANU TECHNICZNEGO WAŁU MASZYNY WYCIĄGOWEJ

Transkrypt

1 dr hab. inż. Marek IWANIEC Katedra Automatyzacji Procesów, Akademia Górniczo Hutnicza Kraków dr inż. Mirosław WITOŚ dr inż. Mariusz ŻOKOWSKI Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych Warszawa MONITOROWANIE STANU TECHNICZNEGO WAŁU MASZYNY WYCIĄGOWEJ STRUCTURAL HEALTH MONITORING OF HOISTING MACHINE SHAFT Streszczenie W referacie przedstawiono propozycję zastosowania pasywnego obserwator pola magnetycznego i efektów magnetomechanicznych do bezdotykowego monitorowania krytycznych elementów maszyn górniczych. Na przykładzie wału maszyny wyciągowej omówiono problem diagnostyczny, podstawy teoretyczne efektów magnetomechanicznych z uwzględnieniem wpływu pola magnetycznego silnika elektrycznego, metodę magnetycznej pamięci metalu (MPM) oraz oczekiwane symptomy diagnostyczne. Przedstawiono tor pomiarowy i wstępne wyniki badań eksperymentalnych, na podstawie których potwierdzono możliwość bezdotykowej obserwacji stanu technicznego wału maszyny wyciągowej podczas bieżącej eksploatacji szybu. Wskazano celowość wsparcia analizy danych MPM wynikami symulacji numerycznych oczekiwanego rozkładu pola magnetycznego w pobliżu silnika elektrycznego dużej mocy. Skojarzenie danych pomiarowych i wyników symulacji numerycznych umożliwia pozyskanie kompleksowej wiedzy o zjawiskach dynamicznych, m.in. o jakości sterowania silników, drganiach lin, drganiach skrętnych wału, będących inicjatorami przyśpieszonego zmęczenia materiału wału. Abstract The paper concerns the idea of passive observer of magnetic field and magneto mechanical effects for contactless monitoring of mining machines critical elements. The diagnostic problem, theoretical basis of magneto mechanical effects taking into account the influence of electric engine magnetic field, the MPM method and expected diagnostic symptoms are discussed on the on the example of windlass shaft. There are presented measurement circuit and preliminary results of experimental research that proved possibility of contactless observation of windlass shaft technical state in the course of well exploitation. It was demonstrated that MPM data analysis should be supported by numerical simulation of magnetic field expected distribution near high power electric engine. On the basis of correlation between measurement data and results of numerical simulations it is possible to obtain complex knowledge concerning dynamic phenomena, such as quality of engine control, vibrations of ropes, shaft torsional vibrations, resulting in shaft material accelerated fatigue.

2 WSTĘP Bezpieczeństwo pracy w górnictwie jest ściśle związane z umiejętnością rozpoznawania narastającego zagrożenia i podejmowania skutecznej profilaktyki przed wystąpieniem poważnych strat materialnych i śmiercią górników. Szczególną uwagę w tym obszarze zwracają sporadyczne przypadki uszkodzenia zmęczeniowego elementów maszyn i urządzeń wskazanych w rozporządzeniu Rady Ministrów z dnia 30 kwietnia 2004 r. w sprawie dopuszczania wyrobów do stosowania w zakładach górniczych (Dz.U. Nr 99, poz z zm.), np. [1]. Są one poważnym wyzwaniem dla specjalistów służb utrzymania ruchu zakładu górniczego i WUG, wymagającym często wsparcia przez ośrodki naukowe. Opracowanie i wprowadzenie skutecznej profilaktyki: doraźnej uwzględniającej bieżące ryzyko powtórzenia się zdarzenia na innym obiekcie oraz koszty nieplanowanego przestoju; długofalowej mającej na celu minimalizację ryzyka powtórzenia się niekorzystnego zdarzenia w górnictwie związane jest z: analizą zaistniałego lub przewidywanego zdarzenia (skutku), identyfikacją możliwych przyczyny uszkodzenia (dlaczego wystąpił skutek?), podjęciem skutecznej profilaktyki (doborem metody i metodyk obserwacji zagrożenia w eksploatacji z uwzględnieniem aspektów ekonomicznych i złożoności łańcuchów przyczynowo skutkowych), ewaluacją efektywności podjętej profilaktyki i działaniami korygującymi. Powyższą problematykę zobrazowano na przykładzie wału maszyny wyciągowej. Główny akcent położono na przybliżenie naukowej metodologii podejścia do danej klasy problemu zmęczeniowego i jego monitorowania. Problem badawczy Wał maszyny wyciągowej jest elementem złożonego układu technicznego (elektrycznego, mechanicznego i hydraulicznego) rys. 1. Jego zadaniem jest przeniesienie [2]: momentu obrotowego z silnika elektrycznego (lub silników) na bęben napędowy urządzenia transportu pionowego (linopędnię), który przekształca ruch obrotowy wału w ruch postępowy lin wyciągowych i naczynia wyciągowego w szybie; momentu obrotowego z układu transmisji mocy (silnika, linopędnii) na tarczę układu hamowania (podczas hamowania i postoju); siły poprzecznej od ciężaru i sił bezwładności urządzenia transportu pionowego i ładunku na podpory (łożyskowanie) wału.

3 a) b) Rys. 1. Problem badawczy: a) typowa struktura transportu pionowego [3]; b) schemat blokowy problemu badawczego i proponowane położenie obserwatora stanu Wały maszyn wyciągowych w zależności od intensywności wydobycia wykonują0,1 20 mln obrotów/rok, podczas których podlegają cyklicznym obciążeniom i sporadycznym przeciążeniom. Są narażone na przyśpieszone zmęczenie nisko, wysoko i gigacyklowe. Do zmęczeniowego pęknięcia wału dochodzi najczęściej w rejonie zmian pola przekroju poprzecznego (w strefie konstrukcyjnych karbów mechanicznych). Pęknięcie może wystąpić również w miejscach występowania defektów struktury i wżerów korozyjnych, które obniżają oczekiwane właściwości zmęczeniowe materiału rys. 2.a) i 2.c). Degradacji materiału może towarzyszyć jedno lub wiele ognisko inicjacji pęknięcia zmęczeniowego. Ich liczba i położenie (na powierzchni lub wewnątrz materiału) są uwarunkowane od poziomu wytężenia materiału i liczby cykli obciążenia rys. 2.b) i 2.d). a) b)

4 c) d) Rys. 2. Zmęczenie stali konstrukcyjnych: a) wpływ warunków otoczenia i obróbki powierzchniowej na parametry diagramu bifurkacyjnego (odwróconego wykresu Wöhlera rozszerzonego o zmęczenie gigacyklowe); b) zmęczenie niskocyklowe; c) diagram bifurkacyjny z uwzględnieniem zmęczenia nisko, wysoko i gigacyklowego i B poziom wytężenia materiału, N f liczba cykli obciążenia do pęknięcia normowanej próbki); d) prawdopodobieństwo inicjowania pęknięcia na powierzchni lub wewnątrz materiału wg modelu bimodalnego [4] Wieloogniskowe pęknięcie stalowego wału jest charakterystyczne dla poziomu wytężenia ang. LowCycleFatigue) inicjowane wewnątrz materiału (pod Jednoogniskowe powierzchniowe pęknięcie występuje przy niższym poziomie wytężenia. Dla wytężenia w procesie degradacji stali dominuje zmęczenie wysokocyklowe (HCF, ang. High CycleFatigue).Poziom wytężenia materiału W0,5 odpowiada granicy wytrzymałości długotrwałej, która wg badań Zacharowej może być uważana za wartość stałą tylko do N10 8 cykli [5]. Dla większej liczby cykli obciążeń wału należy w analizie warunków pracy uwzględnić ryzyko wystąpienia zmęczenia gigacyklowego (VHCF, ang. VeryHigh CycleFatigue) inicjowanego pod powierzchnią, głównie na miękkich wtrąceniach lub błędach struktury [4,6 8]. Podczas postoju wał podlega zginaniu w kierunku przyłożonej siły ciężaru oraz skręcaniu pomiędzy bębnem napędowym i tarczą układu hamowania największe naprężenia rozciągające występują w dolnej części obwodu wału. Podczas awaryjnego hamowania wał podlega zginaniu w kierunku przyłożonej siły ciężaru i bezwładności urządzenia transportu pionowego oraz skręcaniu pomiędzy bębnem napędowym i tarczą układu hamowania w tej fazie pracy możliwe jest zainicjowanie pęknięcia zmęczeniowego wału za tarczą hamulcową, w obszarze niedostępnym wizualnie podczas eksploatacji maszyny wyciągowej rys. 1.b). Podstawy profilaktyki Stan techniczny wału jest wypadkową: parametrów napędu elektrycznego, parametrów transportu pionowego i zaburzeń (jakości zasilania silników w energię elektryczną, płynności ruchu lin i naczynia wyciągowego w szybie, liczby cykli wydobywczych i hamowania awaryjnego). Stosując kompleksowe podejście do problemu zmęczeniowego wału, które jest gwarantem osiągnięcie wymaganych celów profilaktyki przy zachowaniu ekonomicznie uzasadnionych kosztów jej realizacji, należy pamiętać o: a) Związkach przyczynowo skutkowym istniejących pomiędzy:

5 złożoną strukturą maszyny wyciągowej i jej otoczenia, ewentualnymi błędami ludzkimi na etapie produkcji, montażu i eksploatacji, a bieżącym stanem technicznym i poziomem ryzyka uszkodzenia zmęczeniowego wału. Pęknięcie zmęczeniowe wału ujawnia najsłabsze ogniwo w analizowanej strukturze jest skutkiem, a nie przyczynę problemu zmęczeniowego! b) Złożonym widmie wymuszeń. Wał maszyny wyciągowej jest napędzany przez jeden lub dwa silniki elektryczne, których sterowanie odbywa się w określonym układzie regulacji, np. w układzie Leonarda lub przekształtnika tyrystorowego (w układzie prostownikowym, falownikowym lub cyklokonwertorowym) [2]. Stosowany układ regulacji silnika elektrycznego ma wpływ na widmo wymuszeń wału. Widmo wymuszeń (amplituda, częstotliwość i faza oraz częstość występowania danej składowej widma) uwarunkowane są od: rzeczywistych warunków eksploatacji maszyny wyciągowej, m.in. poziomu obciążeń, prędkości jazdy i jakości prowadzenia naczynia w szybie; jakości sterowania momentem obrotowym silników elektrycznych i ich stanu technicznego; liczby hamowań metodą podstawową i awaryjną. Analiza historii wytężenia wału jest możliwa do wykonania przez użytkownika na podstawie zapisów rejestratorów. Przed analizą danych należy upewnić się, czy parametry metrologiczne toru pomiarowego, w tym częstotliwość dyskretyzacji sygnału i rozdzielczość pomiaru, zapewniają obserwowalność niekorzystnych zjawisk dynamicznych (kryterium Nyquista). c) Ewentualnych błędach konstrukcyjno produkcyjnych wału i historii jego eksploatacji przed modernizacją maszyny wyciągowej (o ile była wykonana), które mogą ujawnić się w postaci przyśpieszonego zmęczenia materiału w obliczeniowych warunkach pracy wału. Ich identyfikacja jest możliwa na podstawie analizy dokumentacji konstrukcyjnej i wyników obliczeń wytrzymałościowych oraz badań nieniszczących i badań laboratoryjnych uszkodzonego wału. d) Ewentualnym wpływie modernizacji maszyny wyciągowej(o ile była wykonana) na zmianę pierwotnych warunków obliczeniowych wału i silników elektrycznych. Powtórnej weryfikacji poddaje się obciążenia dynamiczne wału, uwzględniając nowe profile prędkości obrotowej silników n(t)(prędkości jazdy skipu V(t)) oraz stosowane programy sterowania momentem obrotowym silników elektrycznych podczas fazy rozpędzania, stałej prędkości obrotowej i hamowania. Ten punkt wymaga szczególnej uwagi w przypadku skrócenia cyklu jazdy skipu w celu zwiększenia możliwości wydobywczych szybu. Skrócenie cyklu zwiększa dynamikę stanów przejściowych(odwzorowanych przez drugą pochodną prędkości n i V) i poziom krótkotrwałych przeciążeń wału. e) Ewentualnym wpływie sejsmiczności indukowanej występującej w pobliżu szybu oraz drgań maszyny wyciągowej i jej posadowienia na pozaobliczeniowe warunki pracy wału, np. modulację momentu obrotowego generowaną przez drgania lin wyciągowych, czy chwilową zwiększoną niewspółosiowość napędu urządzenia transportowego (silnik wał linopędnia). Niezbędne dane do analizy są dostępne u użytkownika. Poprzez weryfikację ww. hipotez zawęża się obszar poszukiwanej przyczyny i ryzyka przyśpieszonego zmęczenia wału oraz rozpoznaje potrzeby diagnostyczne

6 niezbędne do realizacji skutecznej profilaktyki. Zakres wymaganej dodatkowej profilaktyki określają odpowiedzi na pytania: 1. Czy dotychczasowe klasyczne badania nieniszczące wału i okresowość ich wykonywania są wystarczające do bezpiecznej eksploatacji szybu? 2. Co jest bardziej opłacalne: badania nieniszczące zagrożonego wału wymagające okresowego postoju maszyny wyciągowej, czy monitorowanie wału realizowane podczas normalnej eksploatacji szybu? Problem diagnostyczny Dla diagnosty problem profilaktyki pękniętego wału sprowadza się do: Zagadnienia typu czarna skrzynka o wielu nieznanych zmiennych na wejściu (odwzorowanych pośrednio w widmie parametrów napędu i transportu pionowego), mających wpływ na lokalne wytężenie materiału wału (po uwzględnieniu wpływu współczynników spiętrzenia karbu) i jego trwałość zmęczeniową, oraz jednym wyjściu poziomie lokalnego zmęczenia i degradacji materiału wału (stanie technicznym). Dostęp diagnosty do istniejących systemów monitorowania maszyny wyciągowej umożliwia pozyskanie podstawowej wiedzy o rzeczywistych warunkach pracy wału i częściowe wybielenie zagadnienia. Optymalnego doboru obserwatora stanu (metody pomiarowej, toru pomiarowego i oprogramowania) do obserwacji:rzeczywistych warunków pracy wału, niekorzystnych zjawisk dynamicznych i narastającej degradacji materiału. Podjęcie decyzji o strategii obserwacji: monitorowanie, czy okresowe badanie stanu technicznego metodami nieniszczącymi? Zdefiniowania nowych kryteriów diagnostycznych i ich weryfikacji w warunkach występowania zakłóceń elektromagnetycznych w pobliżu badanego wału. Do monitorowania lub okresowej kontroli stanu technicznego wału maszyny wyciągowej Autorzy zaproponowali pasywnego magnetycznego obserwatora stanu wektorowy pomiar składowych pola magnetycznego w pobliżu badanego wału i silnika (realizowany trójosiowymi magnetometrami w paśmie 0 7 Hz) i analizę numeryczną sygnału pomiarowego zawierającego: składową aperiodyczną (trend) skorelowaną ze średnią wartością poziomu wytężenia materiału wału i natężenia prądu w silniku; składową periodyczną skorelowaną z: obwodową nierównomiernością namagnesowania wału wynikającą z kierunkowego obciążenia wału podczas postoju maszyny wyciągowej; obecności anomalii magnetycznych w materiale wału (defektów, stref koncentracji naprężeń); oraz z wirującym polem magnetycznym silnika elektrycznego; składową szumu zakłócenia elektromagnetyczne i nieskompensowany wpływ przemieszczeń obserwatora stanu względem monitorowanego obiektu. Zaproponowana metoda pomiaru ma pomijalny wpływ na stan namagnesowania wału, w przeciwieństwie do aktywnego magnetycznego obserwatora stanu, który stosuje sztuczne przemagnesowanie materiału badanego obiektu. Zaproponowany pasywny obserwator stanu: Wykorzystuje właściwości polowe pola magnetycznego (obecność linii pola magnetycznego poza materiałem, w którym zostały wytworzone) oraz odwracalne

7 i nieodwracalne efekty magnetomechaniczne (EMM) do zdalnej obserwacji poziomu wytężenia materiału i analizy skutków ekstremalnych przeciążeń wału (bezdotykowy tensometr z pamięcią wartości ekstremalnych) [9 15]. Rejestruje zmiany właściwości magnetomechanicznych materiału (przenikalności magnetycznej i magnetostrykcji liniowej) wywołane przez domeny magnetyczne zablokowane na zgrupowaniu dyslokacji, defektach punktowych i liniach Lündersa (lokalnym uplastycznieniu). Ich liczba wzrasta wraz z postępującą degradacją mikrostruktury [16, 17]. Zapewnia kierunkowe rozpoznanie źródła anomalii magnetycznej, zmniejszając ryzyko postawienia błędnej diagnozy nawet w przypadku silnych zakłóceń elektromagnetycznych występujących w pobliżu badanego wału maszyny wyciągowej. Efekty magnetomechaniczne są szeroko wykorzystywane w przetwornikach magneto strykcyjnych, m.in. do bezdotykowego pomiaru sił i momentów w wirujących elementach, (np. w bolidach formuły F1). Do ich budowy są używane materiały o wysokiej magnetostrykcji liniowej, np. nikiel czy Terfanol D. Możliwość obserwacji stanu wytężenia materiału przy pomocy EMM zapewnia również stal ferromagnetyczna stosowana na wały maszyn wyciągowych. Pasywne i aktywne metody magnetyczne są od kilkudziesięciu lat używane nie tylko w badaniach nieniszczących [18] i kontroli jakości produkcji, ale również do monitorowania stanu technicznego konstrukcji i naprężeń. Magnetyczny obserwator stanu wg rozwiązania ABB, AGH czy CBiDGP jest stosowany w górnictwie.in. do monitorowania lin rys. 4.Na podstawie wieloletnich doświadczeń stwierdzono, że wykazuje on bardzo wysoką skuteczność detekcji wczesnej fazy degradacji monitorowanej struktury oraz możliwość prognozowania stanu technicznego badanego obiektu przy niskich kosztach systemu pomiarowego. Informacja o wczesnej fazie narastającej degradacji mikrostruktury jest podstawą wiarygodnego prognozowania stan techniczny badanego obiektu i planowanie dodatkowych czynności kontrolnych. Możliwe jest również podjęcie działań korygujących na etapie zmian odwracalnych, tj. aktywne sterowanie zmęczeniem materiału przez użytkownika przed wystąpieniem pęknięcia [19]. Rys. 4. Magnetyczne detektory stanu technicznego lin w rozwiązaniu firmy ABB [20]

8 Podstawy teoretyczne magnetycznego obserwatora stanu Wytężenie materiału i jego stan techniczny są możliwe do zidentyfikowania, jeżeli badany obiekt zostanie wystawiony na oddziaływanie pola magnetycznego. Każda substancja (gaz, ciecz i ciało stałe) ma własne specyficzne charakterystyki magnesowania. Związek pomiędzy trzema wielkościami wektorowymi w danym punkcie materiału (x,y,z): magnetyzacją (namagnesowaniem)m, natężeniem zewnętrznego pola magnetycznego H i indukcją magnetyczną B, opisuje konstytutywne prawo wyrażone równaniem B μ H H M i ij 1 M m V V j 0 ρ, μ, K, K,T,σ, σ, σ, H f λ, ω, E, v m f a a 1 2 I II III gdzie: μ ij, μ 0 przenikalność magnetyczna badanej substancji (tensor) i próżni (w układzie jednostek SI μ 0 = H/m); V objętość substancji; m magnetyzacja elementarnych molekuł substancji (w przypadku ferromagnetyka magnetyzacja domeny magnetycznej); ρ a, μ a gęstość atomowa i moment magnetyczny atomu, które wynikają ze składu chemicznego i typu komórki elementarnej sieci krystalograficznej; K 1, K 2 stałe anizotropii strukturalnej kryształu (komórki elementarnej);t temperatura materiału; σ I, σ II, σ III naprężenia własne i eksploatacyjne: dalekiego zasięgu (typ I) rozciągające się w skali makroskopowej, średniego zasięgu (typ II) rozciągające się w skali kilku ziaren i bliskiego zasięgu (typ III), które dotyczą rozmiarów pojedynczych atomów i są zrównoważone wewnątrz składowe magnetostrykcji (zmian liniowych l l i zmian objętościowych V V moduł Younga i współczynnik Poissona. Z równania (1) wynika, że zmiana: struktury materiału (poziomu degradacji), rozkładu naprężeń, temperatury materiału, będzie wpływała na przestrzenny rozkład namagnesowania materiału M(x,y,z) i pola magnetycznego B p (x 1,y 1,z 1 ) w pobliżu badanego obiektu. To spostrzeżenie jest przedstawiane w postaci diagramu Hackmanna rys. 5 i równania modulacji. (1) Rys. 5. Diagram Hackmanna: a) liniowe relacje pomiędzy zmiennymi mechanicznymi, elektrycznymi i cieplnymi; b) sprzężenie zjawisk magnetycznych z cieplnymi, elektrycznymi i mechanicznymi [21]

9 Bieżący stan namagnesowania wału w dowolnym punkcie (x,y,z) można opisać wzorem M H, T, 1 k 1 kt 1 k M0 H (2) w którym k H, k T, k są nieliniowymi współczynnikami wpływu zewnętrznego pola magnetycznego H, temperatury materiału T i tensora naprężeń na zmianę początkowego namagnesowania M 0 materiału. Wał maszyny wyciągowej jest wykonany z ferromagnetycznej stali, w której występują efekty magnetomechaniczne, tzn. sprzężenie stanu namagnesowania materiału ze stanem wytężenia, deformacji i degradacji struktury tabela 1. Tabela 1. Odwrotne efekty magnetomechaniczne. Efekty odwrotne (magnesowanie naprężeniowe) Villariego Wertheima Matteuciego Nagaoki Hondy Burnetta Postać obciążeń mechanicznych Rozciąganie, ściskanie Zginanie Skręcanie Zmiana objętości/ciśnienie Ruch obrotowy Wpływ historii obciążenia na anizotropię strukturalną i magnetyczną materiału Reakcja materiału na zewnętrzne wymuszenia może być w przybliżeniu aproksymowana liniowo przez relacje tensorowe (3a 3d) [21], w których zmiennymi niezależnymi są: temperatura T, naprężenia, natężenie prądu elektrycznego I, natężenie zewnętrznego pola magnetycznego H. Zmiennymi zależnymi są: entropia S D i indukcja magnetyczna B. HI HI I H C ds ij ij in H n pm I m dt (3a) T HIT IT HT HI s d H d I T (3b) ij B m ijkl kl ijn n ijm m ij IT IT T I d H m E i dt (3c) mij D m ij mn n mn n m HT T HT H d m H I p dt (3d) mij ij mn n Indeksy dolne i, j,..., n 1, 2, 3 są wskaźnikami adresowymi tensora, natomiast indeksy górne wskazują zmienne niezależne mające wpływ na wartość 11 współczynników odwzoro wujących parametry materiałowe: elastyczność s, gęstość C magnetoelektryczność m, piezo elektryczność H T d, piroelektryczność p, IT d, piromagnetyzm i (wartości współczynników są wyznaczane dla ustalonej stałej wartości zmiennych niezależnych). Dla ustalonej temperatury EMM opisują nieliniowe relacje tensorowe HT s d H (4a) ij B ijkl m d * mij kl ij ijn T mn n H n mn m m (4b)

10 * B w których d i d są współczynnikami magnetomechanicznymi H H wyznaczanymi eksperymentalnie dla danego materiału przy stałym poziomie naprężeń i natężenia pola magnetycznego. Równanie (4a) odwzorowuje uogólniony efekt Joule a przy stałej temperaturze całkowite odkształcenie materiału jest wypadkową odkształceń wywołanych przez obciążenia mechaniczne i oddziaływanie pola magnetycznego. Składowa magnetyczna odkształceń jest bardzo mała w porównaniu z odkształceniami mechanicznymi występującymi podczas pracy konstrukcji i jest pomijana w obliczeniach wytrzymałościowych. Równanie (4.b) odwzorowuje uogólniony efekt Villariego przy stałej temperaturze indukcja magnetyczna materiału jest wypadkową magnesowania naprężeniowego i oddziaływanie zewnętrznego pola magnetycznego. Zaproponowany magnetyczny obserwator stanu wykorzystuje uogólniony efekt Villariego do oceny poziomu wytężenia materiału. W zakresie odkształceń sprężystych składowa magnesowania naprężeniowego jest wielokrotnie większa od pola magnetycznego Ziemi. Cechą pola magnetycznego jest zdolność przenikania przez różne ośrodki, co umożliwia przeniesienie obserwatora stanu z trudnodostępnej powierzchni badanego obiektu (np. zza tarczy układu hamowania maszyny wyciągowej) do dogodnego położenia oddalonego od powierzchni obiektu rys. 1.b). Przenosząc obserwatora stanu należy pamiętać, że: Magnetyzacja powietrza ma wartość bliską zero, dlatego wynik pomiaru pola magnetycznego zrealizowany w powietrzu może być wyrażany w postaci indukcji magnetycznej B [T] lub natężenia pola magnetycznego H [A/m]. Funkcję przejścia między ww. parametrami pola magnetycznego opisuje równanie (1). Amplituda sygnału (trend i anomalia magnetyczna defektu) maleje wykładniczo wraz z oddalaniem obserwatora stanu, a przeszkody ferromagnetyczne dodatkowo osłabiają i rozpraszają symptomy defektu. Pomiędzy wytężeniem dwóch przekrojów wału (przed i za tarczą układu hamowania) istnieje związek analityczny, na podstawie którego możliwe jest pośrednie obserwowanie poziomu wytężenia zagrożonego przekroju. Na podstawie oczekiwanego poziomu namagnesowania naprężeniowego wału i wady oraz odległości określa się wymaganą czułość i charakterystykę przestrzenną magnetometru. Na granicy dwóch ośrodków o różnej przenikalności magnetycznej (stali i powietrza) występuje załamanie linii pola magnetycznego. Prawo załamania linii jest wyrażone przez równanie tg 1 1 poniewaz H1 H 2 i B1 B2 (5) tg w którym: i 2 2 H składowa natężenia pola magnetycznego równoległa (styczne) do powierzchni granicy dwóch ośrodków, B i składowa indukcji magnetycznej prostopadłej do powierzchni granicy dwóch ośrodków.

11 Zewnętrzne pole magnetyczne Podczas pracy wał maszyny wyciągowej znajduje się w: Słabym polu magnetycznym Ziemi B E 50 T, w którym dominuje składowa stała (aperiodyczna) wykazująca w Polsce trend roczny BE 30 nt / rok. W widmie B E są obecne również: składowa periodyczna związana głównie z cyklem dobowym (rzędu 100 nt) i składowa stochastyczna związana z aktywnością słoneczną (burzami magnetycznymi) i pulsacjami pola magnetycznego docierającymi z kosmosu (zaburzenia mogą dochodzić do 2000 nt) [22]. Wirującym polu magnetycznym wytwarzanym przez silnik elektryczny, w którym dominują częstotliwości związanez ruchem obrotowym wirnika i metodą regulacji momentem obrotowym. Oddziaływanie tych składowych pola magnetycznego silnika na wał i obserwatora stanu maleje wykładniczo wraz z oddalaniem się od silnika i jest dodatkowo osłabiane przez podporę wału, która znajduje się pomiędzy silnikiem i obserwatorem stanu rys. 1.b). Zmiennym polu magnetycznym rozproszenia wytwarzanym przez otaczające elementy ferromagnetyczne, w szczególności przez ułożyskowanie wału. Podczas postoju wirujące pole magnetyczne silnika przyjmuje zerową wartość, w efekcie czego zmienia się również pole magnetyczne rozproszenia pobliskich elementów ferromagnetycznych. Wał maszyny wyciągowej spełnia kryteria wymagane do zastosowania pasywnego magnetycznego obserwatora stanu, np. metody magnetycznej pamięci metalu [17]. Pomiar i analiza składowej stałej zastanego namagnesowania wału (trendu i anomalii magnetycznych) mogą być zastosowane do szybkiej i obiektywnej oceny stanu technicznego. Analiza sygnału pomiarowego Detekcję lokalnych anomalii magnetycznych wału najszybciej jest realizować przy pomocy metody gradientowej. Bazuje ona na relacji (6) w której E i jest estymatorem gradientu pola magnetycznego, k definiuje szerokość okna, z którego wyznacza się różnicę wartości dla i tej próbki, H śr wartość średnia pola magnetycznego dla pozostałej części obwodu wału. Relację (6) stosuje się do analizy wektora pola magnetycznego i jego składowych w układzie współrzędnych magnetometru. Do szczegółowej analizy widma sygnału autorzy używają dyskretnej transformaty Fouriera (DFT). Próba monitorowania wału metodą MPM Rozpoznanie możliwości monitowania rzeczywistych warunków pracy wału i jego stanu technicznego przeprowadzono na maszynie wyciągowej napędzanej dwoma silnikami prądu stałego o mocy 3,6 MW i prędkości nominalnej 70 obr/min. Silniki były zasilane i sterowane przez 6 pulsowe przekształtniki prądu stałego DCS 600 firmy ABB [23]. Obserwację wału od strony prawego i lewego silnika wykonano z wolnej ręki (bez sztywnego mocowania),używając 6 kanałową sondą transduktorową (dwa trójosiowe magnetometryna wspólnej osi) stosowanąprzez firmę Energodiagnostyka Sp. z o.o. do badań nieniszczących obiektów płytko zakopanych.

12 Pomiary wykonano z odległości ok. 2 cm od powierzchni wału z częstotliwością próbkowania ok. 270 Hz. Dla maksymalnej prędkości obrotowej wału uzyskano rozdzielczość kątową pomiaru nie gorszą niż ±1,5 o, która teoretycznie umożliwia wykrywanie anomalii magnetycznej wywołanej przez dipol magnetyczny o rozmiarach 1,3 mm z wykorzystaniem prostych algorytmów analizy sygnału. Mniejsze defekty struktury są możliwe do wykrycia podczas fazy rozruchu i hamowania maszyny wyciągowej, przy czym w tych fazach pracy maszyny analiza sygnału wymaga śledzenie zmian chwilowej prędkości obrotowej i położenia kątowego wału. Równolegle z pomiarami wału rejestrowane było pole magnetyczne w pobliżu silników (w odległości ok. 0,5 1,0 m). Na podstawie uzyskanych wyników badań potwierdzono: możliwość odtworzenia profilu prędkości obrotowej wału na bazie okresowości zaburzeń jego pola magnetycznego, bez konieczności korzystania z danych systemu pomiarowego maszyny wyciągowej rys. 6.a); możliwość prowadzenia wiarygodnej obserwacji stanu namagnesowania wału i zaburzeń pola magnetycznego w pobliżu silników z wykorzystaniem aparatury do badań MPM firmy Energodiagnostyka Sp. z o. o rys. 6 i 7. a) b) c) Rys. 6.Cykl pracy maszyny wyciągowej: a) profil prędkości; b) pole magnetyczne w pobliżu prawego silnika widoczne skokowe zmiany wartości skorelowane z przełączaniem programu prędkości obrotowej; c) pole magnetyczne w pobliżu krytycznego przekroju wału widoczna obwodowa cykliczność zmian wartości (oś pozioma numer próbki)

13 a) b) Rys. 7.Zmiany pola magnetycznego podczas ustalonej prędkości obrotowej maszyny wyciągowej w pobliżu: a) lewego silnika i strefy krytycznej wału; b) prawego silnika i strefy krytycznej wału widoczna anomalia magnetyczna na wale przy umownym położeniu kątowym 0 o skorelowana ze zwiększoną modulacją pola magnetycznego silnika (oś pozioma numer próbki) W przypadku wystąpienia lokalnej anomalii magnetycznej rys. 8.a) w widmie pola magnetycznego wału dominują trzy pierwsze harmoniki częstotliwości obrotowej(rzędy) rys.8.b). Ich amplituda ukształtowana jest przez widmo anomalii (kształt i poziom lokalnego zaburzenia pola). a) b) Rys. 8. Detekcja anomalii magnetycznej wału: a) metodą gradientową (oś pozioma numer próbki); b) analizą DFT (amplituda) W sygnale pola magnetycznego silnika elektrycznego występują cykliczne zmiany związane z wirującym polem magnetycznym i jakością pracy układu 6 pulsowe przekształtnika prądu stałego DCS 600. Wyniki analizy gradientowej zobrazowano na rys. 9.a). W widmie sygnału rys. 9.b) obecne są harmoniki częstotliwości obrotowej, z których pierwszych sześć znajduje się w paśmie magnetometru. Wyższe harmoniki częstotliwości obrotowej są coraz mocniej tłumione przez charakterystykę częstotliwościową zastosowanego magnetometru.

14 a) b) Rys. 9. Detekcja anomalii magnetycznej silnika: a) metodą gradientową (oś pozioma numer próbki); b) analizą DFT (amplituda) Na podstawie wstępnych wyników badań zobrazowano: nierównomierny obwodowy rozkład pola magnetycznego wału, wraz z wyraźnymi symptomami anomalii magnetycznej od strony prawego silnika; skorelowanie obwodowych zmian namagnesowania wału, w tym dostrzeżonej anomalii, z głębokością modulacji pola magnetycznego silnika; występowanie krótkotrwałych pulsacji pola magnetycznego silnika podczas zmiany programu sterowania prędkością obrotową rys. 10. Ze względu na wykonywanie pomiaru z wolnej ręki nie wyklucza się, że ich przyczyną mogły być niezamierzone zmiany położenia magnetometru przez operatora pod wpływem odczuwalnych wahań podłoża. a) b) Rys. 10. Zmiany pola magnetycznego w odległości: a) ok. 0,7 m od silnika lewego; b) ok. 1,0 m od silnika prawego (oś pozioma numer próbki) PODSUMOWANIE Wstępne wyniki badań MPM potwierdziły możliwość zastosowania pasywnego magnetycznego obserwatora stanu do monitorowania: stanu technicznego wału maszyny wyciągowej, stanu technicznego silników maszyny wyciągowej, jakości zasilania silników. W celu zmniejszenia ryzyka błędnej diagnozy wskazane jest zastosowanie nieruchomego obserwatora stanu zabudowanego na stałe w pobliżu wału i silnika. Na etapie opracowania kryteriów diagnostycznych wskazane jest wsparcie diagnosty modelem symulacyjnym. Zadaniem modelu jest jakościowe zobrazowanie oczekiwanego rozkładu pola magnetycznego, zarówno w statorze silnika

15 indukcyjnego jak również i w jego otoczeniu. Dane uzyskane ze zweryfikowanego modelu mogą być używane jako sygnał referencyjny. Istniejące w polskim górnictwie aplikacje magnetycznego obserwatora stanu (tor pomiarowy, oprogramowanie) i wieloletnie doświadczenie eksploatacyjne mogą być wykorzystane do realizacji długofalowej profilaktyki wału maszyny wyciągowej. LITERATURA [1] Różewicz M., Łowkis Zb., Kehle Zb., Wójcik M., Rokita T.: Awaria wału maszyny wyciągowej R II przedział południowy O/ZG Rudna. 6. Międzynarodowa Konferencja Naukowo Techniczna Transport Szybowy, Rytro. [2] Utikal J.(2008):Sygnalizacje i napędy w górniczych wyciągach szybowych, Wydawnictwo Górnicze, Katowice. [3] Mine hoist systems. Safe and reliable for all needs. [4] Shaniavski A.A. (2007): Modeling of fatigue cracking of metals. Synergetics for aviation. Publishing House of Scientific and Technical Literature Monography, Ufa (ros.). [5] Zacharowa T.P. (1983): Modeli ustałostnogorazruszenijaprisłożnomnagrużenii. Mechaniczeskajaustałostmetałłow. Poradnik [red:] Troszczenko W.T., Naukowaja dumka, Kijew, s [6] Bathias C., Paris P.C. (2005): Gigacycle fatigue in mechanical practice. Marcel Dekker NY, USA. [7] Murakami Y., Nomoto T., Ueda T.: (1999) : Factors Influencing the Mechanism of Superlong Fatigue Failure in Steels. Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures, Vol. 22, pp [8] Sakai T. (2009): Review and prospects for current studies on Very High Cycle Fatigue of metal materials for machine structural use. Journal of Solid Mechanics and Materials Engineering, Vol. 3, No 3, p [9] BurrowsC. W. (1916): Correlation of the magnetic and mechanical properties of steel, Scientific Papers of the Bureau of Standards, No 272, Government Printing Office, Washington [10] SandfordR. L. (1924): Effect of stress on the magnetic properties of steel wire. Scientific Papers of the Bureau of Standards, Vol. 19, No [11] Birss R. R., Faunce C. A. (1971): Stress Induced Magnetization in Small Magnetic Fields, Journal de Physique, Colloque C I, supplément au n o 2 3, Tome 32, Février Mars, page C [12] Altherton D. L., Jiles D. C. (1986):Effects of stress on magnetization, NDT International, Vol. 19, No 1, pp [13] Robertson I. M. (1991):Magneto Elastic Behaviour of Steels for Naval Applications, MRL Technical Report, MRL TR 90 27, DSTO Materials Research Laboratory. [14] VianaA., RouveL L., CauffetG., CoulombJ L. (2011): Analytical Model for External Induction Variations of a Ferromagnetic Cylinder Undergoing High Mechanical Stresses in a Low Magnetic Field of Any Orientation. IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 47, No. 5 [15] Iwaniec M., Witoś M., Żokowski M. (2012): Diagnozowanie konstrukcji wsporczych z wykorzystaniem efektów magneto mechanicznych, [w:] Krauze K

16 (red.) Problemy bezpieczeństwa w budowie i eksploatacji maszyn i urządzeń górnictwa podziemnego. Monografia, CBiDGP Lędziny, s [16] Bozorth R.M. (1993): Ferromagnetism, IEEE Press [17] VlasovV. T., DubovA. A. (2004): Physical bases of the metal magnetic memory method, ZAO Tisso Publishing House. [18] KocańdaS. (1957): Wykrywanie wad metali metodą magnetyczną, PWN Warszawa. [19] Witoś M. (2011): Zwiększenie żywotności silników turbinowych poprzez aktywne diagnozowanie i sterowanie, Prace Naukowe ITWL, zeszyt 29 [20] ABB Hoisting System at Cannington Mine. [21] NewnhamR. (2005): Properties of materials. Anisotropy, symmetry, structure. Oxford University Press. [22] Witoś M. (2012): The reference signal of geomagnetic field for MMM expert systems. Key Engineering Materials, Vol. 518, pp [23] DCS800 Sales Presentation.