РУМЕНТОВ

Изобретение относится к области механической проходки горных вы- работок, в частности, к способам мониторинга состояния породоразру- шающих инструментов.

Известны высокоточные датчики для определения механической на- грузки породоразрушающих инструментов тоннелепроходческого механи- зированного комплекса [Описание изобретения к патенту Канады NW 2944967 от 08.04.2014, МИК E21D 9/00, E21D 9/ 10, опубл. 05. 10.2016], выполненные в виде втулки, установленной, по меньшей мере, частично в устройстве для крепления ролика или на ролике, причем устройство датчи- ка содержит, по меньшей мере, один чувствительный к нагрузке элемент, а также включающие устройство анализа сигналов датчиков с чувствитель- ных к нагрузке элементов.

К недостаткам данного технического решения следует отнести кон- троль только одного показателя, характеризующего состояние конкретного породоразрушающего инструмента, а именно нагрузки на инструменте. Это является недостаточным для надежного мониторинга состояния поро- доразрушающих инструментов, так как текущая нагрузка важна с точки зрения надежности привода трансмиссии исполнительного органа, но не показательна в контексте состояния самих инструментов. Кроме того, пе- редача определяемых при измерениях указанными датчиками данных осуществляется по проводам, риск повреждения которых в горных услови- ях весьма велик.

Известно устройство для определения состояния породоразрушаю- щих инструментов для тоннелепроходческого механизированного комплек- са [Описание изобретения к патенту США NW 7014271 от 28.07.2004, МПК Е21С 37/26, опубл. 21.03.2006], содержащее, по меньшей мере, один гене- раторный блок, который генерирует электрическую энергию, когда враща- ется соответствующий породоразрушающий инструмент, выполненный в виде дисковой шарошки, блок формирования сигнала, соединенный с ге- нераторным блоком, и антенный блок, подключенный к блоку генерирова- ния сигналов, антенна которого расположена, по меньшей мере, на одной внешней периферийной части соответствующего породоразрушающего ин- струмента и оборудована для беспроводной передачи сигналов передачи на приемный блок, оборудованный для приема сигналов и их интерпретации для каждого соответствующего породоразрушающего инструмента.

Недостатком данного технического решения является оценка только лишь факта работоспособности инструментов, причем регистрация выхода инструментов из строя осуществляется постфактум, то есть данное техни- ческое решение не позволяет отслеживать динамику ухудшения состояния инструментов и заблаговременно предпринимать действия по минимиза- ции негативных последствий этого процесса.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является спо- соб мониторинга эффективности проходки тоннеля и устройство для его осуществления [Описание изобретения к патенту РФ NW 2455490 от 29.05.2009, МПК E21D 9/06, E21D 9/093, опубл. 10.07.2012, Бюл. NW 19]. Устройство представляет собой множество блоков приборов, состоящих из ряда датчиков, включая акселерометр, магнитометр и температурный дат- чик, соединенных с вращающейся режущей головкой, при этом каждый блок приборов содержит дистальный конец в контакте с соответствующим режущим узлом и предназначен для его мониторинга. При этом датчики установлены на дальнем конце блоков приборов и поджаты для контакта с режущим узлом. Блоки приборов включают беспроводной приемопередат- чик и соединены друг с другом в сеть передачи данных или одноранговую сеть, а для каждого блока приборов предусмотрен источник электроснаб- жения. Мониторинг состояния режущих блоков представляет собой сбор и обработку данных со всех блоков приборов в удаленном приемнике - диспетчере.

К недостаткам данного прототипа следует отнести принципиальное отсутствие возможности визуального контроля состояния породоразру- шающих инструментов, размещение датчиков непосредственно в режущем блоке, вследствие чего высока вероятность их выхода из строя, необходи- мость оснащения всех породоразрушающих инструментов датчиками, что приводит также к усложнению и удорожанию конструкции режущих бло- ков, а также не позволяет выполнять их во взрывозащищенном исполне- нии, что приводит к невозможности их использования во взрывоопасных условиях.

Задача изобретения - обеспечение надежного мониторинга состояния породоразрушающих инструментов без усложнения и удорожания конст- рукции режущих блоков, применимого в любых условиях эксплуатации. Достигаемый технический результат заключается в сокращении расходов на обеспечение нормальной эксплуатации породоразрушающих инстру- ментов.

Выход из строя породоразрушающих инструментов происходит по разным причинам, основными из которых являются:

- износ инструмента вследствие контакта с горным массивом, выра- жающийся в потере формы режущей части породоразрушающего инстру- мента, а именно в уменьшении его размеров;

- перегрев инструмента;

- усталостные деформации материала, из которого изготовлены поро- доразрушающие инструменты, выражающиеся в возникновении сначала микродефектов в материале, перерастающих затем в макродефекты, такие как трещины и т.п.

Для обеспечения надежной эксплуатации породоразрушающих инст- рументов необходимо одновременно отслеживать их состояние с точки зрения отсутствия условий выхода из строя по всем указанным причинам. В предлагаемом изобретении это обеспечивается за счет использования не- скольких приборов в блоке приборов. Отслеживание потери формы поро- доразрушающих инструментов вследствие износа осуществляется посред- ством прибора измерения расстояния, например, лазером; перегрев инст- румента отслеживается температурным датчиком; макродефекты отслежи- ваются при помощи прибора визуального наблюдения, например, видео- камеры. При этом блок приборов расположен стационарно и внешним об- разом по отношению к рабочему органу, так чтобы область действия при- боров охватывала часть траектории движения, по меньшей мере, одного режущего блока. Поскольку указанные приборы не встраиваются в режу- щие блоки с породоразрушающими инструментами, усложнения конструк- ций режущих блоков и их удорожания не происходит. Сам же блок прибо- ров имеет меньше геометрических ограничений, за счет чего возможно его исполнение во взрывозащищенной оболочке.

Учитывая, что блок приборов не привязан к конкретным породораз- рушающим инструментам, возникает необходимость в их идентификации. Решение этой задачи в данном изобретении осуществляется следующим образом. Перед началом работы каждому режущему блоку с породоразру- шающим инструментом присваивается условное обозначение, фиксируется положение режущего блока на рабочем органе по отношению друг к другу, фиксируется положение рабочего органа по отношению блоку приборов с учетом зафиксированного положения режущих блоков на рабочем органе относительно друг друга, что означает также известное положение режу- щих блоков относительно блока приборов. При этом удобно выставлять ра- бочий орган таким образом, чтобы в зоне области действия блока приборов находился один из режущих блоков. Тогда в процессе эксплуатации по ме- ре собственного вращения рабочего органа относительно своей оси, зная количество и фазы оборотов рабочего органа, можно определить точное по- ложение каждого режущего блока относительно блока приборов, в том чис- ле определить, какой из режущих блоков находится в области действия блока приборов. С этой целью измерения угла поворота рабочего органа вокруг своей оси относительно положения в момент начала работы. В мо- мент прохождения конкретного режущего блока через область действия блока приборов фиксируется условное обозначение этого режущего блока, осуществляется измерение заданных параметров, характеризующих со- стояние породоразрушающих инструментов в процессе эксплуатации ра- бочего органа, значения измеренных величин сравниваются с заданными критическими значениями. В случае несоответствия (например, превыше- ния) измеренных величин критическим значениям режущий блок призна- ется подлежащим замене. При этом, поскольку конструктивно между ре- жущими блоками существуют зазоры, анализу подвергаются только значе- ния, соответствующие моментам прохождения режущих блоков через об- ласть действия блока приборов. Для этого с учетом известности взаимного расположения режущих блоков на рабочем органе, а также текущего поло- жения рабочего органа анализируются данные, измеренные с некоторой периодичностью, соответствующей моментам прохождения режущих бло- ков через область действия блока приборов. Следует отметить, что иногда породоразрушающий инструмент может работать в аварийном режиме, при этом формально не выходя за установленные критические значения. Такое возможно, например, при заштыбовке режущих блоков, затрудняю- щих или исключающих вращение породоразрушающих инструментов во- круг своей оси. В таком случае, происходит повышенный износ с одной стороны породоразрушающего инструмента, непосредственно взаимодей- ствующей с горным массивом. С целью выявления таких режимов работы породоразрушающего инструмента измеренные значения заданных пара- метров записываются, например, в электронную память системы управле- ния блока приборов каждый раз после измерения. По мере накопления данных новые измеренные значения заданных параметров сравниваются не только с критическими значениями, но и с предыдущими значениями на текущем породоразрушающем инструменте и со значениями на других породоразрушающих инструментах, что позволяет отслеживать характер накопления износа на каждом породоразрушающем инструменте, а также строить типовые модели изменения состояния породоразрушающих инст- рументов в процессе эксплуатации, то есть осуществлять динамический анализ состояния породоразрушающих инструментов. Существенное отли- чие характера изменения состояния конкретного породоразрушающего ин- струмента от типовой модели является основанием для признания такого породоразрушающего инструмента работающим в аварийном режиме.

Изобретение иллюстрируется тремя чертежами:

Фиг. 1 - фрагмент общего вида исполнительного органа планетарного типа, оснащенного системой мониторинга породоразрушающих инстру- ментов.

Фиг. 2 - фрагмент общего вида исполнительного органа роторного типа, оснащенного системой мониторинга породоразрушающих инстру- ментов с несколькими блоками приборов.

Фиг. 3 - принципиальная блок-схема работы блока приборов с обра- боткой данных.

Исполнительный орган планетарного типа оснащается, по меньшей мере, одним породоразрушающим органом 1, совершающим в процессе работы вращение вокруг собственной оси, а также переносное движение. Привод вращения исполнительного органа условно не показан. На перифе- рии исполнительного органа устанавливаются режущие блоки с породораз- рушающими инструментами 2. На любой части исполнительного органа, совершающего вместе с ним переносное вращение, например на корпусе 3, устанавливаются, по меньшей мере, по одному блоку приборов 4 на каж- дый рабочий орган 1. Область действия приборов в блоке приборов 4 на- правлена на породоразрушающие инструменты 2, установленные на пери- ферии рабочего органа 1. При этом области действия отдельных приборов и датчиков могут различаться и иметь разный характер. Например, изме- рение расстояния осуществляется точечно посредством луча 5 - прерыви- стая линия, направленного строго в одно положение; область действия температурного датчика б целесообразно распространить на весь режущий блок для измерения температуры не только самого породоразрушающего инструмента, но и узлов крепления - область между двумя тонкими сплош- ными линиями; область действия прибора визуального наблюдения 7 огра- ничивается параметрами его обзора (угол обзора, фокусное расстояние, геометрические размеры объектива и т.п) - область между двумя штрих- пунктирными линиями.

Исполнительный орган роторного типа совершает в процессе работы вращение только относительно собственной оси. Привод вращения испол- нительного органа условно не показан. На лицевой части роторного органа устанавливаются породоразрушающие инструменты 2. На неподвижном (не вращающемся) корпусе 3 роторного исполнительного органа закрепля- ется необходимое число блоков приборов 4, но не менее одного. На фиг. 2 показаны три блока приборов 4: два блока, осуществляющих мониторинг состояния инструментов в центральной части, и один - в кутковой части роторного исполнительного органа. При этом также показано, что у каждо- го из блоков приборов могут различаться настройки области действия от- дельных датчиков и приборов. У верхнего блока приборов область действия ограничена только кутковыми породоразрушающими инструментами, вы- полненными спаренными в одном корпусе 8. Измерение геометрических размеров породоразрушающих инструментов 2 осуществляется двумя лу- чами 5, исходящими из блока приборов 4, а область действия температур- ного датчика б охватывает одну пару породоразрушающих инструментов 2 в одном корпусе 8. Средний блок приборов охватывает три пары породо- разрушающих инструментов 2 соответственно в трех корпусах 8. Однако при помощи лучей 5 измеряются геометрические размеры не шести поро- доразрушающих инструментов 2, а пяти. Мониторинг геометрических раз- меров «шестого» породоразрушающего инструмента осуществляется при помощи нижнего блока приборов 4. При этом область действия темпера- турных датчиков б нижнего блока приборов 4 не распространяется на «шестой» породоразрушающий инструмент, который находится в области действия температурного датчика среднего блока приборов. Таким обра- зом, на фиг. 2 продемонстрирован случай, когда мониторинг различных аспектов состояния (износ, перегрев, деформации) породоразрушающих инструментов 2 осуществляется при помощи приборов и датчиков различ- ных блоков приборов 4. Кроме того, настройки действия блоков приборов 4 могут быть выполнены таким образом, чтобы их области действия дублиро- вали друг друга. Например, условно непоказанные на фиг. 2 области дей- ствия приборов визуального наблюдения, очевидно, пересекаются.

Независимо от типа исполнительного органа результаты измерений, полученные блоком приборов 4, проходят стадии согласно блок-схеме, по- казанной на фиг. 3. Под обработкой данных понимают первичную интер- претацию результатов измерений, то есть, например, соотнесение конкрет- ных значений с приборами, которыми они были получены, что позволяет установить тип данных (например, температура породоразрушающих ин- струментов 2 или видеозапись). Идентификация инструментов 2 осуществ- ляется путем измерения текущего угла поворота исполнительного органа относительно начального положения и дальнейшего сопоставления изме- ренного значения текущего угла поворота исполнительного органа относи- тельно начального положения с исходным положением каждого режущего блока. После идентификации режущего блока ему «присваиваются» резуль- таты измерений, полученные блоком приборов 4. Далее производится ана- лиз данных.

В простейшем случае анализ данных подразумевает экспресс-оценку текущего состояния породоразрушающих инструментов 2 в идентифици- рованном режущем блоке путем сравнения измеренных значений с задан- ными критическими величинами. В зависимости от результатов сравнения возможны три варианта дальнейшей работы:

1) если анализ не выявил отклонений от заданной нормы, то работа продолжается в нормальном режиме;

2) если анализ показал, что отклонение от нормы не выявлено, но си- туация близка к этому, то работа может продолжиться в особом режиме;

3) если анализ показал отклонение от нормы, то рекомендуется заме- на инструмента.

Возможны и более сложные формы анализа, например, путем срав- нения результатов измерения не только с критическими значениями, но и со значениями предыдущих измерений и/ или измерений, полученных для других режущих блоков.

Изобретение проиллюстрируем следующими примерами.

Пример 1.

Для начала опишем пример общего принципа работы системы мони- торинга за состоянием породоразрушающих инструментов. Перед началом эксплуатации рабочий орган 1 выставляется таким образом, чтобы один из режущих блоков с породоразрушающим инструментом 4 находился в об- ласти действия блока приборов 6. Пусть вомемнадцать режущих блоков с породоразрушающими инструментами 4 равномерно и симметрично рас- положены на рабочем органе 1, а их количество равно двадцати. Тогда уг- ловое расстояние между режущими блоками 4 равно 360/ 18 = 20°, то есть измерение заданных параметров при помощи блока приборов б должно производиться при повороте рабочего органа 1 вокруг своей оси на каж- дые 20°. Дадим режущему блоку, находящемуся в момент начала эксплуа- тации в области действия блока приборов, условное обозначение NQ 1 , а следующим режущим блокам - условные обозначения NQ ί, где ί - порядко- вый номер режущего блока. В качестве породоразрушающего инструмента используются лобовые дисковые шарошки.

Для лобовых дисковых шарошек мерой износа инструмента вследст- вие контакта с горным массивом, выражающимся в потере формы режу- щей части породоразрушающего инструмента, является уменьшение ра- диуса. То есть для оценки износа породоразрушающего инструмента 4, вы- ражающимся в потере формы режущей части и измеряемом при помощи блока приборов б, а также для принятия решения о соответствии породо- разрушающего инструмента 4 критериям работоспособности измеренные расстояния для каждого из режущих блоков с породоразрушающими инст- рументами 4 сравниваются с величиной, равной сумме исходного расстоя- ния от блока приборов (точнее, от прибора измерения расстояния) до ре- жущего блока с породоразрушающим инструментом 4 перед началом экс- плуатации и допустимому износу породоразрушающего инструмента, кото- рый для современных лобовых дисковых шарошек обычно составляет 25 мм. В ходе измерений было установлено, что все породоразрушающие инструменты 4 за каждый оборот рабочего органа 1 равномерно уменына- ются в радиальном направлении на 0,001 мм. Таким образом через 10000 оборотов рабочего органа 1, износ всех породоразрушающих органов 4 со- ставил 10 мм, что меньше критического значения 25 мм. При сохраняю- щемся темпе износа для выхода породоразрушающих инструментов 4 из строя необходимо, чтобы рабочий орган 1 совершил 25000 полных оборо- тов.

Пример 2.

Общий принцип работы системы мониторинга за состоянием поро- доразрушающих инструментов тот же, что и в примере 1.

Для породоразрушающих инструментов 4 максимальная допустимая температура нагрева установлена на уровне 80° С. В процессе эксплуата- ции породоразрушающие инструменты 4 нагрелись до температуры 76° С, что меньше критического значения, но очень к нему близко - 95%. Это оз- начает, что замена породоразрушающих инструментов 4 не требуется, од- нако следует рассмотреть возможность проведения ряда мероприятий, на- правленных на снижение температуры нагрева породоразрушающих инст- рументов 4, например, включение орошения или снижение скорости реза- ния.

Пример 3.

Общий принцип работы системы мониторинга за состоянием поро- доразрушающих инструментов тот же, что и в примере 1.

В ходе визуального наблюдения за состоянием породоразрушающих инструментов, например, при помощи установленной в блоке приборов б видеокамеры оператор машины (или иное ответственное лицо) заметил на одном из породоразрушающих инструментов 4 линию, напоминающую трещину. При помощи блока приборов б он установил, что эта линия отно- сится к породоразрушающему инструменту в режущем блоке NW 13, по- скольку за время работы было совершено 238 полных оборотов и один не- полный оборот на 260° (260°/20° = 13). Являясь суеверным человеком, а также с целью исключения вероятности выхода из строя породоразру- шающего инструмента в режущем блоке оператор (или иное ответственное лицо) принял решение приостановить работу и осмотреть породоразру- шающий инструмент в режущем блоке NW 13 на предмет наличия в нем де- фектов, и в случае их наличия произвести замену породоразрушающего инструмента в режущем блоке NW 13.

Пример 4.

Общий принцип работы системы мониторинга за состоянием поро- доразрушающих инструментов тот же, что и в примере 1.

В ходе измерений расстояния от блока приборов б до режущих бло- ков с породоразрушающими инструментами 4 было установлено, что боль- шинство породоразрушающих инструментов 4 за каждый оборот рабочего органа 1 равномерно уменьшаются в радиальном направлении на 0,001 мм. После 1000 оборотов рабочего органа 1 типовое уменьшение по- родоразрушающих инструментов 4 в радиальном направлении составило 1 мм. Однако согласно измерениям, произведенным при помощи блока приборов б, породоразрушающий инструмент в режущем блоке NW 8 (рабо- чий орган совершил 562 полных оборота и один неполный на 160°) за это уменьшился в радиальном направлении на 3 мм. Кроме того, для породо- разрушающего инструмента в этом режущем блоке была зафиксирована на 15% более высокая температура, чем в типовом случае по результатам из- мерений. Оператор машины (или иное ответственное лицо) отследил при помощи прибора визуального наблюдения блока приборов б режущий блок NW 8 и определил, что, вероятно, в данном режущем блоке произошла за- штыбовка. Он принял решение остановить работу и осмотреть детально режущий блок NW 8 с целью принятия дальнейших решений. Следует отме- тить, что в данном случае с учетом небольшого износа относительно крити- ческого значения, равного 25 мм, возможно будет достаточно очистить ре- жущий блок NW 8 от штыба без замены породоразрушающего инструмента. В результате использования изобретения снизились затраты на мони- торинг состояния породоразрушающих инструментов на исполнительных органах планетарного типа без снижения надежности эксплуатации.