Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 78/2007 115 Zygmunt Szymański Politechnika Śląska, Gliwice BADANIA NIEZAWODNOŚCIOWE SILNIKÓW NAPDOWYCH MASZYN GÓRNICZYCH RELIABILITY INVESTIGATION OF MINES MACHINE DRIVE MOTORS Abstract: The paper present s a review of construction solutions an transportation mines machines (chain and belt conveyors) used in undergrounds of coal mines, with particular consideration of drives motors. In the pa- per defined a basic aims and definitions of reliability investigations, and also presents an mathematical analy- sis reliability investigations of induction motors. For selected constructions of mine transportations machines performed an analysis of drive system reliability. That analysis were realized on the base of database obtaining with coal mines and electric motors repair factory. Calculated of reliability coefficients may be of base an in- crease of the times an failure free motor works, and increase of the times an failure free work of different types of mine machines. Results of computer calculations realized for different type of the motors were ap- plied by the manufacturer of electric motor and constructor of mine machines at designing of revision periods. Results of reliability investigations can be applied in eliminations of weak points an drive systems. 1. Wstęp W polskich kopalniach węgla kamiennego sto- Obliczone dla reprezentatywnej grupy obie- sowane są systemy urabiania, oparte na wyso- któw, wskazniki niezawodnościowe są podsta- kiej koncentracji wydobycia. Wymaga to zasto- wą do zwiększenia czasów bezawaryjnej pracy silnika napędowego oraz całego przenośnika. sowania odpowiednich maszyn urabiających, oraz niezawodnych systemów transportowych zarówno do transportu poziomego jak i do transportu pionowego. Systemy transportu po- ziomego powinny zapewniać płynną odstawę urobku do stacji załadowczych na podszybiu lub bezpośrednio na powierzchnię [1]. Systemy sterowania maszyn transportu pionowego (ski- powe maszyny wyciągowe) powinny być sko- ordynowane z dostawą urobku. Do odstawy urobku wykorzystuje się przede wszystkim układy przenośników taśmowych, oraz w ogra- niczonym zakresie transport szynowy. Maszyny transportowe eksploatowane w podziemnych zakładach górniczych wymagają spełnienia wa- runków: energooszczędności, niezawodności oraz bezpieczeństwa pracy [4]. W napędach górniczych maszyn transportowych wyrazną poprawę wskazników energetycznych i ekono- micznych uzyskuje się przez: zastosowanie no- wych rozwiązań silników napędowych (energo- oszczędne silniki indukcyjne lub silniki kom- paktowe), zastosowanie zasilaczy przekształtni- kowych, sterowanie optymalne. W referacie przedstawiono przegląd układów napędowych Rys. 1. Schemat poglądowy silnika z chłodze- górniczych przenośników, główne przyczyny niem wodnym [4] ich uszkodzeń, oraz podstawowe metody badań niezawodnościowych układów napędowych. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 78/2007 116 Rys. 2. Schemat sprzęgła hydrokinetycznego [1] 2. Przegląd układów napędowych prze- 105/315 kW. Schemat konstrukcyjny silnika napędowego z chłodzeniem wodnym przed- nośników górniczych stawiono na rys.1. Na rys.2 przedstawiono Systemy transportu poziomego mogą pracować uproszczony schemat sprzęgła hydrokinety- w sposób ciągły (przenośniki taśmowe), lub cznego pośredniczącego w układzie przenie- w sposób dorywczy (przenośniki łańcuchowe), sienia napędu. Moc zapotrzebowaną przez zapewniając płynną odstawę urobku od przod- układ napędowy przenośnika łańcuchowego ków wydobywczych do stacji załadowczych na można obliczyć ze wzoru (1): podszybiu, lub w szczególnych rozwiązaniach zapewniają odstawę urobku bezpośrednio na + ą 3,6q l vź cos Ql ź cos Q H (1) m 1 2 powierzchnię [1, 4]. W zależności od przezna- = P M 370 czenia i lokalizacji, przenośniki górnicze można podzielić na: podścianowe, ścianowe i pomoc- gdzie: nicze. W zależności od wydajności maszyny urabiającej współpracującej z systemem prze- l - długość przenośnika, nośników, w polskich KWK stosuje się przeno- qm ciężar jednostkowy łańcuchów ze śniki typu: Grot, Rybnik, Glinik, PP Nowomag, zgrzebłami, na 1m długości, lub Holbach-Braun [1, 4]. Układ napędowy v prędkość łańcucha, przenośnika zawiera zespół (1 - 4) silników na- Q wydajność przenośnika, pędowych, jedno lub dwubiegowych. Silniki H wysokość podnoszenia urobku, napędzają przenośnik przez sprzęgła: sztywne kąt nachylenia trasy, lub elastyczne. Są to silniki jedno lub dwuklat- kowe, chłodzone wodą lub powietrzem, zasi- ź1-współczynnik tarcia łańcucha o rynny lane napięciem trójfazowym 1000V. Moce przenośnika, znamionowe silników napędowych zawierają ź2-współczynnik tarcia urobku o rynny się w przedziale (55-315)kW. W górniczych przenośnika. przenośnikach łańcuchowych stosuje się naj- częściej silniki typów: 3SGf 280 M4, SGP 315 S4, dSg (55-160)kW, SGS 400S12/4 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 78/2007 117 Przenośniki taśmowe służą do odstawy głównej podobieństwo, że wartości parametrów okre- urobku ze stacji załadowczych do zbiorników ślających podstawowe parametry nie przekro- zasobniczych na podszybiu, lub w niektórych czą wielkości dopuszczalnych, w założonym kopalniach transportują bezpośrednio na po- przedziale czasu. wierzchnię. [1, 4]. Przenośniki taśmowe są na- pędzane układem jednego, dwóch lub czterech silników napędowych, jedno lub dwubiego- wych o mocach znamionowych: 3SGf, dSKg < 90kW, oraz SGP, SGS > 132kW. W polskich kopalniach najczęściej stosowane są przenośniki taśmowe typu: PTGM, Gwarek lub Pioma, o parametrach: długość przenośnika (315-3000)m, wydajność (250-1700)t/h, prędkość (1,45-3,86)m/s. Moc zapotrzebo- waną przez układ kinematyczny przenośnika można obliczyć metodami przybliżonymi (ana- lityczno-graficznymi) ze wzorów (2, 3) [1, 4]. Moc zapotrzebowana przez przenośnik ta- śmowy (a+c )l + - dla odstawy poziomej (2) = P b M 100 (a+c ą )l + - odstawa po wzniosie lub d = P b M 100 nachyleniu (3) Rys. 3. Zależność współczynnika d od wydajno- ści przenośnika [1] gdzie: a opory ruchu taśmy po konstrukcji nośnej, b - opory ruchu w głowicy i na bębnie zwrotni, c - względy eksploatacyjne, d opory nachylenia trasy, Parametry: a, b, c, oraz d można określać empi- rycznie lub odczytywać z wykresów (rys. 3, 4), w zależności od podstawowych parametrów eksploatacyjnych przenośnika. 3. Podstawowe metody badań niezawod- nościowych maszyn górniczych Użytkownik analizując jakość maszyny górni- czej, lub całego systemu transportowego, uwzględnia przede wszystkim jakość użytkową Rys.4. Zależność współczynników a, b, oraz c maszyny określoną przez jej parametry fi- od prędkości taśmy [1] zyczne, oraz przez realizowane procesy tech- Z niezawodnością systemu są związane pojęcia: niczne i technologiczne. Muszą być zdefinio- naprawialności obiektu oraz gotowości obiektu. wane wymagania dotyczące: funkcjonowania, Naprawialność obiektu jest to zdolność do bezpieczeństwa eksploatacji, ergonomii, nieza- przywrócenia pełnej sprawności obiektu w wodności oraz trwałości układu. [3, 5]. Przez określonym przedziale czasu. Gotowość ma- niezawodność techniczną maszyny górniczej szyny górniczej należy przyjmować jako pra- należy przyjmować zdolność maszyny do reali- wdopodobieństwo, że maszyna jest gotowa do zacji zadanych procesów technicznych i tech- eksploatacji w czasie t. Trwałość maszyny nologicznych, realizowanych w określonym górniczej jest to zdolność maszyny do realizacji czasie przy założonych warunkach eksploata- zadań transportowych, przy spełnieniu zało- cyjnych, lub przyjmuje się, że jest to prawdo- Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 78/2007 118 żonych wskazników niezawodnościowych. Funkcja niezawodności może być aproksymo- Trwałość mierzy się ilością wykonanej pracy, wana różnymi rodzajami rozkładów: wykładni- wyrażonej w jednostkach fizycznych. Miarą czy, Weibulla, normalny, lub logarytmiczno- trwałości jest przeważnie czas, w którym normalny. Przykładowe przebiegi funkcji R(t) maszyna posiada znamionowe parametry. oraz l(t) przedstawiono na rys.(5, 6). [2, 3, 5]. Dlatego trwałość (w odróżnieniu od nieza- wodności) jest wielkością mianowaną i jest wyrażana w jednostkach fizycznych (czas, długość, masa). Rys. 6. Rozkład Weibulla funkcji intensywności uszkodzeń l(t) [2, 3] Wielkości te umożliwiają określenie m.in.: czasu pracy do pierwszego uszkodzenia, czasu remontu, czasów pracy miedzy kolejnymi Rys. 5. Przebieg funkcji wiodącej "(t) [2, 3] uszkodzeniami. Znajomość podstawowych W teorii niezawodności przyjmuje się, że pod- funkcji niezawodności maszyny górniczej stawową wielkością charakteryzującą nieza- umożliwi: określenie procesów starzenia, usta- wodność obiektu jest funkcja intensywności lenie wielkości i asortymentu części zamien- uszkodzeń l(t) oraz funkcja niezawodności nych, planowanie pracy serwisu, ustalenie ter- R(t). Podstawowe funkcje procesu niezawodno- minu przeglądów, właściwej konserwacji urzą- ści są określone wzorami (4-7). R(t) funkcja dzeń, ustalenie czasów eksploatacji i gwarancji niezawodności prawdopodobieństwo zdarze- obiektu. nia polegające na tym, że czas przebywania 4. Ocena awaryjności przenośników gór- obiektu w danym stanie jest większy niż usta- niczych lony czas t. t " Ą# ń# (4) Niezawodność pracy górniczej maszyny trans- = R(t) exp ()d f (t)dt ó#- +" Ś# = +" Ą# Ł# 0 t portowej jest definiowana jako zdolność ma- gdzie: szyny transportowej do realizacji zadań prze- wozowych w danym przedziale czasu (czas f(t) funkcja gęstości prawdopodobieństwa trwania zmiany roboczej), w określonych wa- czasu przebywania obiektu w danym runkach eksploatacyjnych [1, 4, 6]. Do oceny stanie, niezawodności służą wskazniki niezawodności (t) funkcja intensywności układu, określające rodzaj obiektu, jego wła- (5) sności konstrukcyjne oraz eksploatacyjne. f (t) = (t) Zgodnie z teorią niezawodności, przenośniki R(t) górnicze są obiektami naprawialnymi, nato- T = E(T) wartość oczekiwana miast podzespoły przenośników należą " " (6) = = E(T) R(t)dt f (t)dt zarówno do klas obiektów naprawialnych jak i +" +"t 0 0 nienaprawialnych. Według teorii niezawod- "(t) funkcja wiodąca rozkładu ności silnik elektryczny jest obiektem niena- t (7) prawialnym, pracującym z przerwami lo- = dla t e" 0 "(t) (u)du +" 0 sowymi, a praca układu może być kontynu- Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 78/2007 owana po wymianie silnika - odpowiada to ko- Głównymi przyczynami awarii silników napę- dowi 1131. Dla obiektów nienaprawialnych dowych było: zwarcie uzwojenia stojana - 80%, uszkodzenie łożysk - 16%. Podstawowymi należy określać wskazniki: Ś- średni czas pracy przyczynami awarii sprzęgła hydrokinetycz- do wystąpienia awarii, (t)- intensywność nego były: utrata szczelności -70%, uszkodze- uszkodzeń. Badania niezawodnościowe prze- nie łożysk - 25%, natomiast w przekładni naj- prowadzono na reprezentatywnej grupie prze- częściej uszkodzeniu ulegały: wałek szybko- nośników górniczych pracujących na 20 kopal- bieżny - 70%, łożyska - 15%, koła zębate - 10% niach węgla kamiennego. Informacje uzyskano oraz utrata szczelności - 4%. [1, 4, 6]. Badania na podstawie ankiet wysłanych do kopalń, roz- przeprowadzono dla przenośników górniczych mów z pracownikami niskiego i średniego do- typu: Rybnik, napędzanych silnikami o mocach zoru, oraz danych z zakładów remontowych znamionowych: 90kW, lub 135kW. Badania silników elektrycznych. Badania wykonano w obejmowały silniki napędowe: SGf -315M4, okresie: (1995-1999)r. Z analizy danych wy- BMSKf -250, SZDKSp-74f. W silnikach tych nika, że: najczęściej ulegało uszkodzeniu: uzwojenie - w przenośnikach ze sprzęgłem hydrokine- wirnika 52%, uzwojenie stojana - 18%, węzły tycznym: 70% uszkodzeń było spowodowa- łożyskowe -15% i inne -15%. [6, 7]. Na pod- nych awarią sprzęgła, 20% -awariom prze- stawie analizy przyczyn uszkodzeń 1500 silni- kładni, 8% - uszkodzony silnik napędowy, ków, obliczono średni czas pracy, który wy- - w napędach przenośników ze sprzęgłem po- nosi: 345 dni dla silnika SZDKSp-74f, oraz 517 datnym: 65% uszkodzeń było spowodo- dni dla silnika BMSKf-250, przy czym pierw- wanych awarią przekładni, 20% - awaria sza awaria wystąpiła po 6 dniach, natomiast silnika napędowego, 12% - awaria sprzęgła. ostatni silnik uległ uszkodzeniu po 1737 dniach pracy [6, 7]. Rys. 7. Przebieg empirycznej funkcji niezawodności dla silnika SZDKSp-74f Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 78/2007 120 Rys. 8. Przebieg intensywności uszkodzeń *[7] Intensywność uszkodzeń określona na podsta- i przyczynach uszkodzeń górniczych maszyn wie wyników empirycznych ma charakter mo- transportowych można zastosować inne rozwią- notoniczny o rozkładzie Weibulla o postaci: zania konstrukcyjne najbardziej awaryjnych R(t) = exp(-t/). Wartości nieznanych parame- elementów oraz zwiększyć kontrolę i konser- wację newralgicznych elementów. Zapewni to trów określających: intensywność uszkodzeń oraz dystrybuanty i przedziały pracy bezawa- pewne oszczędności eksploatacyjne górniczych maszyn transportowych, oraz umożliwi ograni- ryjnej, można obliczyć wykorzystując metodę czenie ilości potencjalnych awarii tych maszyn. największej wiarygodności Fischera. [2, 3, 5, 6]. Na rys.7 przedstawiono przykładowy prze- 6. Literatura bieg funkcji niezawodnej pracy dla silnika [1]. Antoniak J.: Urządzenia i systemy transportu SZDKSp-74f. Na rys.8 przedstawiono przykła- poziomego w kopalniach. Wyd. Śląsk, Katowice, dowe przebiegi funkcji intensywności uszko- 1998r dzeń * dla wybranej grupy obliczeniowej. Po [2]. Bobrowski D.: Wprowadzenie matematyczne do przeprowadzeniu obliczeń analitycznych, wy- teorii niezawodności. Wyd. Politechniki Poznań- korzystując metody analizy statystycznej i teorii skiej, Poznań, 1977r niezawodności [2, 5], uzyskano dla poszczegól- [3]. Gawuć W.: Niezawodność maszyn elektrycz- nych silników analityczne wartości funkcji nie- nych. Zagadnienia ogólne, badania. Szkoła nieza- zawodności: R(t) = exp(-t0,9/179) dla silnika wodności T. X. Bydgoszcz, 1982r BMSKf-250, oraz R(t) = exp(-t0,72/110) dla sil- [4]. Krasucki F.: Elektryfikacja podziemnych zakła- dów górniczych. Wyd. Śląsk, Katowice 1998r, nika SZDKSp-74f. [6, 7]. [5]. Migdalski J. red.: Poradnik niezawodności. 5. Zakończenie Podstawy matematyczne. Wyd. WEMA, Warszawa, 1982r Zastosowanie teorii niezawodności oraz metod [6]. Szymański Z.: Nowoczesne metody oceny statystyki matematycznej do projektowania, trwałości oraz diagnostyki układów napędowych eksploatacji, oraz diagnostyki górniczych ma- przenośników taśmowych. Materiały Międzynaro- szyn transportowych zapewni znaczne wydłu- dowej Konferencji TEMAG 02. Ustroń, pazdziernik żenie czasów bezawaryjnej eksploatacji, umoż- 2002r liwia zaprojektowanie odpowiedniej bazy re- [7]. Szymański Z.: Ocena niezawodności pracy sil- montowej, oraz opracowanie harmonogramów ników napędowych przenośników górniczych. Praca przeglądów, newralgicznych elementów kon- naukowo badawcza niepublikowana strukcyjnych maszyn transportowych. Wyko- rzystując bazy danych oraz bazę wiedzy o ilości