Факторы, определяющие надежность горных машин, основные направления повышения времени эксплуатации горных машин и электромеханического оборудования
ЛЕКЦИЯ № 1
Факторы, определяющие надежность горных машин, основные направления повышения времени эксплуатации горных машин и электромеханического оборудования
Неуклонное развитие народного хозяйства нашей страны неразрывно связано с развитием сырьевой базы современной индустрии ‒ горнодобывающей промышленности. Поэтому пяти летними планами постоянно предусматривается наращивание производственных мощностей, повышение технической вооруженности этой отрасли, комплексная механизация и автоматизация производственных процессов.
Для добычи руд и угля открытым и подземным способами в стране создан ряд высокопроизводительных машин и комплексов, которые по своим техническим данным находятся на уровне лучших зарубежных образцов, а конструкции многих отечественных машин не имеют аналогов в зарубежной практике.
Дальнейшее развитие горнодобывающей промышленности будет происходить не только за счет ввода в эксплуатацию новых предприятий, разработки новых горных машин и комплексов, но и путем интенсификации работы существующего оборудования, его модернизации и продления сроков службы.
Это обусловлено тем, что долговечность некоторых узлов и деталей горных машин зачастую ниже технически возможных и экономически целесообразных сроков.
Наш век является веком научно-технической революции, веком комплексной механизации и автоматизации производственных процессов.
По мере создания горных комплексов, автоматических и поточных линий значение надежности оборудования значительно возрастает. Это связано с тем, что при комплексной работе горных машин или поточной технологии горного производства поломка одной какой-либо детали приводит к простою не одной машины, а всего комплекса, всей технологической линии, что наносит большой материальный ущерб народному хозяйству страны.
В связи с этим интересы современного горного производства требуют, чтобы оборудование работало бесперебойно в течение достаточно длительного, заранее заданного межремонтного периода.
Для достижения поставленной цели необходимо полностью исключить причины, вызывающие поломки деталей, и поднять до целесообразного уровня их износостойкость.
Опыт и вся история развития техники свидетельствуют о том; что создание горного оборудования высокой надежности и хороших условий для него безаварийной работы, является весьма длительным процессом.
Этот процесс связан с необходимостью создания высокопрочных материалов, идущих на изготовление оборудования, требует коренного улучшения конструкций горных машин и технологии их производства, совершенствования технологии горных работ, роста квалификации рабочих кадров машиностроителей и эксплуатационников и дальнейшего воспитания их добросовестного отношения к труду.
Поэтому, наряду с решением этих задач, на данном этапе развития горного производства одним из путей быстрейшего повышения эффективности работы оборудования, повышения его надежности является организация своевременных и качественных профилактических ремонтов.
Для этого на горнодобывающих предприятиях имеются ремонтные мастерские, участки и цехи, развивается сеть ремонтных заводов и гарантийных служб заводов-изготовителей горного оборудования.
После изготовления и до начала эксплуатации машина может некоторое время храниться на складах, транспортироваться или перегоняться к месту работы. На каждой из этих стадий она находится в условиях, которые в той или иной мере оказывают влияние на ее состояние.
При хранении машины в ее элементах под воздействием внешней среды (пыли, солнечных лучей, осадков, температурных изменений и т. п.), а также под действием собственной массы деталей происходит разрушение изоляции электропроводки, ухудшение состояния резиновых или кожаных уплотнительных элементов, корродирование недостаточно защищенных деталей, прогиб консольных частей и т. д.
При длительном хранении некоторые элементы машины (например, кожаные изделия, полированные детали высокой чистоты и пр.) могут полностью выйти из строя.
При транспортировании машины по железной дороге изменение состояния элементов происходит главным образом за счет действия внешней среды. Во время перегонов машин своим ходом усилия в некоторых элементах ходовых устройств резко меняются и часто превышают рабочие значения, что приводит к быстрому износу. Большой наклон машин, неизбежный при подъемах и спусках, приводит к стеканию масла с некоторых участков картера, из-за чего ухудшается режим смазки и ускоряется износ.
В процессе работы машин изменения в этих элементах возникают под воздействием как технологических нагрузок, так и внешней среды.
На износ горных машин большое влияние оказывают условия их работы, специфичные для горных предприятий:
- наличие больших динамических и особенно знакопеременных нагрузок, вызывающих резкое чтение условий трения сопрягаемых поверхностей;
- высокая агрессивность окружающей среды в связи с избытками влаги, пыли и вредных газов;
- более тяжелые условия труда рабочих, что отрицательно сказывается на качестве ухода за оборудованием.
Условия работы машин и механизмов в шахте значительно тяжелее, чем на поверхности. Шахтная вода обычно имеет в своем составе кислоты и щелочи, способствующие развитию коррозионного износа, а наличие пыли в рудничном воздухе повышает механический износ трущихся поверхностей. Влага и пыль ускоряют износ изоляции, электрических контактов и аппаратуры. Особенно опасно попадание их в закрытые узлы, периодический осмотр которых затруднен.
К любой выпускаемой машине предъявляется ряд требований, зависящих от специфики ее работы, необходимых удобств обслуживания и ремонта, стоимости самой машины и трудоемкости выполняемых ею работ.
Основными из них являются:
- машиностроительные;
- эксплуатационные;
- ремонтные;
- экономические.
Применительно к горным машинам все эти требования имеют свои особенности.
К требованиям машиностроительного характера относятся надежность и технологичность конструкции.
Горная машина, прежде всего, должна быть надежной в работе. При ее создании максимально учитывают специфику работы и величину случайных нагрузок, которыми изобилует процесс горного производства, т. е. принимают все меры, чтобы горная машина была достаточно прочной.
Учитывая агрессивность атмосферы шахт и карьеров, трущиеся поверхности тщательно изолируют от внешней среды уплотнительными устройствами и смазывают, а открытые поверхности окрашивают устойчивыми в данных условиях красками.
С технологической точки зрения машина должна быть простой в изготовлении, удобной при сборке, давать возможность применять прогрессивные технологические процессы изготовления, позволяющие рационально использовать металлообрабатывающее оборудование и материалы.
Кроме того, в процессе освоения машина не должна требовать сложной подготовки производства и высокой квалификации исполнителей.
Эксплуатация ‒ наиболее ответственный и самый продолжительный период существования машины. От удобств эксплуатации зависит ее производительность, а также утомляемость рабочих. Поэтому конструкторами должны быть предусмотрены удобства управления машиной, регулировки, наладки, осмотра и смазки ее механизмов.
Особое внимание уделяется вопросам техники безопасности при эксплуатации и ремонтах.
Это особенно важно в отношении громоздкого оборудования, текущие ремонты которого выполняются непосредственно в забое.
В процессе эксплуатации горная машина интенсивно изнашивается и, следовательно, нуждается в ремонтах. В связи с ним ее конструкция должна обладать ремонтопригодностью в условиях шахт, карьеров или угольных разрезов. Обязательным условием является простота замены любого узла, что позволяет применить узловой метод ремонта машины.
Экономические требования, предъявляемые к горной машине, не отличаются от аналогичных требований, предъявляемых к другим машинам. Они заключаются в том, чтобы машина была по возможности дешевой, а стоимость выполняемых ею работ ‒ минимальной.
Длительная и достаточно эффективная работа машин обеспечивается не только технически грамотной эксплуатацией, но и своевременными и качественными ремонтами, т.е. регулированием зазоров в соединениях трущихся деталей, заменой износившихся деталей новыми или восстановленными. Если при ремонте будут восстановлены первоначальные условия работы машины (зазоры, удельное давление, чистота трущихся поверхностей и др.), то и эффективность ее работы будет восстановлена.
Очевидно, что система ремонтов машин должна строиться по принципу предупреждения аварийных поломок деталей путем правильного ухода за оборудованием, замены подношенных деталей прежде, чем они окончательно выйдут из строя.
Такой системой является система планово-предупредительных ремонтов (ППР). Под системой планово-предупредительных (профилактических) ремонтов понимается совокупность организационных и технических мероприятий по уходу, надзору за правильной эксплуатацией и ремонту оборудования, направленных на предупреждение окончательного износа узлов и механизмов с целью обеспечения работоспособности машин в течение заданного времени при минимальных затратах труда и материальных средств.
Возможны три метода организации планово-предупредительных ремонтов: после осмотровой, периодический и стандартный.
Метод после осмотровых ремонтов основан на периодических осмотрах машин. Если состояние машины окажется неудовлетворительным, то ее останавливают на ремонт. Элементы, подлежащие замене, определяют в процессе осмотра машины. Недостатком этого метода ремонтов является невозможность заранее предусмотреть сроки и длительность ремонтов.
Метод периодических ремонтов заключается в том, что очередные осмотры и ремонты машин производят согласно заранее составленному графику. Необходимость замены тех или иных элементов также устанавливают в процессе осмотра машины. Следовательно, при этом методе также невозможно заранее получить достаточно точные данные о сроках замены элементов, что необходимо для определения объема работ, потребного количества рабочей силы, запасных частей, инструментов и станочного оборудования.
Метод стандартных ремонтов, называемый иначе планово-принудительным, основан на обязательном периодическом обновлении машины путем замены части элементов. Для этого по известным срокам службы заранее устанавливают сроки замены элементов и объем работ для каждого из ремонтов. Элементы заменяют в предусмотренный планом срок независимо от их состояния. В виде исключения могут быть оставлены только те, которые в момент ремонта оказались настолько исправными, что гарантируют нормальную работу вплоть до следующего ремонта. Для внедрения метода стандартных ремонтов необходимо знать точные сроки службы всех элементов машины.
Рассмотренные особенности каждого из методов организации ремонта определяют области их применения. После осмотровой и периодический методы дают широкую возможность усилить наблюдение за правильной эксплуатацией машин. Поэтому их рекомендуется применять к машинам, работающим при переменном режиме нагрузки и обслуживаемым недостаточно квалифицированным персоналом. Эти методы незаменимы и в период освоения новых типов и конструкций машин, в период изучения особенностей работы и установления сроков службы элементов.
Метод стандартных ремонтов наиболее применим к оборудованию, работающему при установившемся режиме. Его применяют также к машинам, бесперебойность работы которых имеет особенно важное значение для предприятия (например, шахтные подъемные машины, вентиляторы центрального проветривания и др.).
В горной промышленности применяется комбинированная система обслуживания и ремонта, состоящая из элементов после осмотрового, периодического и стандартного методов.
Рациональное совмещение рассмотренных методов позволяет обеспечить наиболее длительные межремонтные периоды, увеличить срок службы оборудования и снизить расходы на его содержание.
Высокие темпы развития отечественного машиностроения и появление сложных, высокопроизводительных и дорогостоящих машин поставили перед наукой и производством ряд новых проблем.
Одной из них является проблема повышения надежности машин, относящаяся к числу наиболее актуальных; возникающих с развитием техники (ГОСТ 13377‒78).
Надежность ‒ свойство машины выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования. Надежность характеризуется безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью машины.
Безотказность ‒ свойство машины непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки.
Безотказность оценивается пятью показателями:
- наработкой на отказ;
- вероятностью безотказной работы машины в течение требуемого времени;
- средней наработкой до отказа;
- интенсивностью отказов;
- параметром потока отказов.
Отказом называется событие, заключающееся в нарушении работоспособности машины.
Наработкой на отказ для различных машин может служить время устойчивой работы или количества выпущенной продукции между двумя последовательными отказами. Например, наработка электродвигателя может измеряться в часах работы, магнитного пускателя ‒ в циклах включения, а наработка выемочного комбайна ‒ в тоннах добытого угля.
Долговечность ‒ свойство машины сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов.
Предельным называется такое состояние машины, при котором ее дальнейшая эксплуатация должна быть прекращена, из-за неустранимого нарушения требований безопасности, или неустранимого ухода заданных параметров за установленные пределы, или неустранимого снижения эффективности эксплуатации ниже допустимой, или необходимости проведения среднего или капитального ремонта. Причиной предельного состояния может быть как физический, так и моральный износ.
Показателями долговечности служат срок службы и ресурс.
Срок службы ‒ календарная продолжительность эксплуатации машины от ее начала или возобновления после среднего или капитального ремонта до наступления предельного состояния.
Под ресурсом понимают наработку машины от начала эксплуатации или ее возобновления после среднего или каминного ремонта до наступления предельного состояния.
Чем выше долговечность машины, тем больше продукции она может выпустить за свой срок службы и тем дешевле будет продукция.
Следовательно, долговечность машин положительно сказывается на экономике работы предприятия и народного хозяйства в целом.
Ремонтопригодность ‒ свойство машины, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения его отказов, повреждений и устранению их последствий путем проведения ремонтов и технического обслуживания. Показателями ремонтопригодности машины служат среднее время восстановления и вероятность восстановления в заданное время.
Для обеспечения ремонтопригодности горное оборудование должно соответствовать следующим условиям:
- взаимозаменяемость однотипных узлов и деталей;
- удобство транспортирования машины при спуске в карьер или шахту и по горным выработкам;
- удобство монтажа в горных условиях;
- возможность выполнения монтажа и демонтажа без разборки узлов;
- хороший доступ к узлам для их осмотра;
- обеспечение легкой регулировки узлов и соединений;
- использование сменных элементов, упрощающих ремонт (втулок, вкладышей, гильз, сухарей и других легкозаменяемых деталей и компенсаторов износа);
- в некоторых деталях необходимо предусматривать специальные припуски на обработку при ремонтах (например, по толщине дисков фрикционных муфт, которые деформируются во время работы, по толщине торцевых стенок корпусов вихревых насосов и т. п.);
- наличие базовых плоскостей деталей для удобства контроля износа.
Сохраняемость ‒ свойство машины непрерывно сохранять исправное и работоспособное состояние в течение и после хранения и (или) транспортирования. Показателями сохраняемости являются: гамма-процентный срок сохраняемости и средний срок сохраняемости.
Наиболее часто надежность машин характеризуют коэффициентом готовности. Следует иметь в виду, что надежность одной и той же горной машины зависит и от горно- технических условий, в которых она работает. Так, для проходческого комбайна не безразлично, по породам какой крепости он будет проходить горные выработки.
Само собой разумеется, что при работе его по крепким породам время наработки на отказ будет значительно меньше того же времени при работе по слабым породам. Следовательно, коэффициент готовности в первом случае тоже будет ниже, чем во втором.
Отсюда следует, что приведенный в паспорте коэффициент готовности правильно характеризует надежность только той горной машины, которая работает в условиях, для которых предназначена данная машина и в которых она проходила испытания.
Пути повышения надежности машин. Надежность машины и процесс ее изнашивания между собой взаимосвязаны: чем интенсивнее протекает процесс физического изнашивания машины, тем ниже ее надежность.
Пути повышения надежности машин различают конструктивные, технологические и эксплуатационные.
Конструктивные и технологические пути предусматривают проведение большого комплекса мероприятий. К их числу относятся:
1) создание новых конструкций машин, в которых механические связи заменены электромагнитными, гидравлическими или пневматическими, уменьшающими износ деталей;
2) создание и применение новых, более прочных износостойких материалов;
3) применение смазочных устройств, обеспечивающих оптимальные режимы смазки;
4) применение упрочняющей обработки деталей;
5) высокая точность изготовления деталей и узлов, обеспечивающая возможность их взаимной замены.
Кроме того, в процессе отработки конструкции машины необходимо предусматривать применение устройств, предохраняющих машину от перегрузок, устройств для компенсации износа и сигнализации при нарушении смазки.
К эксплуатационным путям повышения надежности машин относятся:
1) создание нормальных условий работы горных машин. Эти условия сводятся к систематическому контролю за тем, чтобы машину не заливало агрессивными подземными водами, а в зоне работы машины меньше было агрессивной пыли. Рабочая площадка должна быть свободной от крупных кусков горных пород и не должна иметь ухабов. В забое шахтной погрузочной машины взорванная горная масса по возможности не должна содержать крупных фракций, которые машина не может погрузить. Кровля выработанного пространства шахты, где работает машина, должна исключать возможность обвала. Во время взрывных работ горное оборудование необходимо удалять из зоны действия взрыва, для чего специально предусматриваются места его расположения, и др.;
2) своевременные и качественные ремонты оборудования. Они должны производиться в заранее запланированное время, а их качество должно обеспечивать безаварийную работу машины в течение всего межремонтного периода;
3) разработка критериев оценки годности (предельных норм изнoca) деталей. Очень важно, чтобы деталь была своевременно заменена: преждевременная замена приводит к убытку в связи с перерасходом запасных частей, а задержка с заменой ‒ к поломке детали и аварийному простою оборудования;
4) централизованное обеспечение оборудования запасными частями. Только в таком случае они будут наготовлены из соответствующих материалов при соблюдении необходимых технологических требований и поэтому высокого качества.
Важнейшим условием повышения надежности машин является высокая техническая культура машиностроительных, эксплуатационных и ремонтных предприятий, которая определяется научной организацией труда, наличием совершенного оборудования и прогрессивной технологией, технологической дисциплиной и технической грамотностью рабочих кадров.
Долговечность и эффективность работы всякой машины зависят от сохранения в заданных пределах зазоров и натягов между сопрягаемыми деталями.
Отклонения этих величин от нормальных способствуют понижению работоспособности машины, потешно удельного расхода энергии, нарушают прочность элементов.
Основное причиной этих нарушений является износ.
При значительном износе возникают дополнительные нагрузки в виде ударов, возникающих в сопряжениях, понижается точность работы оборудования, ухудшаются условия работы других узлов машины, что повышает опасность и может привести к аварийным поломкам.
Скорость изнашивания узла зависит от динамичности и величины удельных нагрузок, скорости взаимного перемещения трущихся тел, агрессивности среды (температуры, наличия абразивной пыли и вредных газов), свойств трущихся поверхностей (чистоты и твердости, природы материала) и режима смазки.
Машину называют изношенной, если дальнейшая ее эксплуатация нерациональна из-за понижения качества большинства ее основных узлов. Причем понижение качества может произойти как за счет изменения формы, размеров и состояния деталей, так и за счет старения ее модели (конструкции).
В зависимости от наличия изменений формы и размеров деталей износ машин делят на две группы: моральный и физический.
Моральный износ машины зависит от новизны ее модели. Он наступает тогда, когда на смену старой модели машины появляются более совершенные, позволяющие выполнять одну и ту же работу лучше и дешевле.
Замена морально изношенных машин более совершенными, обычно, ведет к повышению выпуска продукции и улучшению ее качества. Однако это может привести и к нерациональному расходованию средств. Поэтому в нашей стране, наряду с внедрением новейшего оборудования, широко производится модернизация морально устаревшего.
Физический износ ‒ изменение первоначального состояния, формы и размеров изделия или его элементов под воздействием внешних сил или условий, приводящее к понижению его качества. Сущность физического износа заключается в следующем. Элементы машины могут сопрягаться между собой подвижно ‒ с зазорами или неподвижно ‒ с натягом.
В процессе работы эти соединения теряют свои первоначальные качества: элементы истираются, ржавеют, изгибаются и т. п., материал стареет, уплотняется, деформируется или меняет структуру под воздействием температуры.
При работе соединения, как правило, ослабляются, а при небрежном хранении возможно корродирование металла и снижение подвижности элементов.
При износе закаленных, особенно цементированных, деталей снижается их твердость.
В некоторых случаях бывает наоборот ‒ приобретаемый деталью наклеп приводит к повышению ее твердости и хрупкости.
В зависимости от скорости протекания физического износа, его подразделяют на естественный и аварийный.
Естественный износ ‒ это износ, который нарастает постепенно, в течение длительного времени. Он является следствием работы сил трения или других факторов (температуры, влажности, абразивности и т. д.), связанных с нормальными условиями эксплуатации и имеет место при самом тщательном выполнении технических требований по уходу за машиной.
Аварийный износ ‒ внезапная или ускоренная поломка или деформация элементов машин в результате неправильной эксплуатации, из-за конструктивных недостатков или внутренних пороков материала.
Аварийный износ может быть механическим или коррозионным. Он наступает значительно раньше естественного, а величина его достигает таких размеров, при которых дальнейшая эксплуатация машины или ее элемента недопустима.
Наиболее характерные причины, вызывающие аварийный износ следующие:
- нарушение нормального режима работы машины (перегрузка, нарушение правильного взаимодействия частей, ослабление крепления болтов, шпонок, клиньев и т. п.);
- неправильный режим смазки (отсутствие смазки, несоответствие сортов смазки, неправильные нормы смазки);
- несвоевременная очистка механизма от грязи и абразивных частиц;
- несвоевременная замена износившихся деталей или недоброкачественный ремонт;
- низкое качество материала деталей;
- усталостные явления в материале деталей;
- некачественное изготовление деталей;
- неправильная сборка механизма;
- неправильная организация горного производства (поломки при взрывных работах и пр.);
- стихийные бедствия.
При правильной организации плановых ремонтов и правильной эксплуатации оборудования аварийные износы происходят редко.
В зависимости от сущности процесса изнашивания износы бывают механические и коррозионные.
В горных машинах чаще всего наблюдается механический износ, возникающий под действием сил трения. Мерой износа детали является уменьшение ее линейных размеров, объема или массы. Основной мерой является величина линейного износа. Интенсивность износа характеризуют его скоростью, т. е. отношением линейного износа детали ко времени, в течение которого определяется износ.
С целью снижения износа для подвижных сопряжений должны устанавливаться вполне определенные зазоры, предусмотренные допусками и посадками. Эти зазоры обычно несколько меньше тех, которые необходимы для нормальной эксплуатации. Величина эксплуатационных зазоров устанавливается в процессе приработки.
Предельные колебания зазоров от заводских до максимально допустимых должны, очевидно, задаваться так, чтобы механизм практически не изменял своих рабочих качеств, а его сопряжения не получали заметных повреждений.
Коррозионный износ. Коррозией называется разрушение металлических частей машин и сооружений под действием окружающей среды. Коррозионное разрушение протекает мод воздействием воды, воздуха или химических веществ. Оно начинается с поверхности и постепенно распространяется вглубь металла.
Наиболее распространенным видом коррозии является ржавление, т. е. соединение металла с кислородом воздуха.
Различают два вида коррозии: химическую и электрохимическую.
Химическая коррозия проявляется при воздействии на металл агрессивных газов (кислород, сернистый и углекислый газы) или жидкостей, не проводящих электрический ток (бензин, масла, смолы и др.). Электрохимическая коррозия происходит в средах, проводящих электрический ток (электролит, шахтные кислотные воды и др.).
Примерами электрохимической коррозии являются разрушения металлов и сплавов во влажной почве, содержащей растворы кислот, щелочей и солей.
Коррозия может проявляться в равномерном разъедании всей поверхности детали, в образовании глубоких пороков отдельных ее мест, имеющих узкие щели, где возникают неподвижные участки жидкости или газа, ив межкристаллическом разъедании металла по всему сечению.
В результате коррозионных процессов детали теряют металлический блеск, покрываются слоем ржавчины. Главной же опасностью является потеря чистоты обработки полированных деталей, для нормальной работы которых необходима зеркальная их поверхность (гидро- и пневмоцилиндры и др.).
На деталях, изготовленных из малоуглеродистых сталей, поверхность может при- обрести губчатую структуру, теряя первоначальную прочность.
Коррозионный износ является чаще всего медленным процессом. Однако при работе машин в средах высокой агрессивности некоторые детали их могут выходить из строя достаточно быстро.
Например, при откачке рудничной воды высокой кислотности ротор обычного центробежного насоса из-за коррозии приходит в негодность уже после 30÷40 часов работы.
Вопросы для самоконтроля
1 В чем заключаются цели и задачи ремонта ГШО.
2 Кратко охарактеризовать условия работы ГШО и требования к нему.
3 Раскрыть сущность системы (ППР).
4 Раскрыть понятия «надёжность» и «долговечность» ГШО.
5 Что такое износ ГШО и классификация износов.