słowa kluczowe: przenośnik taśmowy, termowizja, wykrywanie uszkodzeń, diagnostyka, monitorowanie stanu maszyn

Mateusz Sawicki1, Ryszard Błażej2, Radosław Zimroz2, Paweł Stefaniak2, Robert Król2

WYKORZYSTANIE METOD TERMOWIZYJNYCH DO BADANIA STANU TECHNICZNEGO UKŁADÓW NAPĘDOWYCH PRZENOŚNIKÓW

TAŚMOWYCH W O/ZG POLKOWICE-SIEROSZOWICE

Streszczenie:W artykule przedstawiono efekty pracy badawczo-rozwojowej realizowanej na potrzeby kopalni O/ZG Polkowice-Sieroszowice. Celem ww. pracy było zwiększenie funkcjonalności oraz skuteczności diagnozowania stanu technicznego układów napędowych przenośników taśmowych, przez stosowany dotychczas System Zarządzania Eksploatacją Przenośników Taśmowych DIAG MANAGER. Przedstawiono zaimplementowaną do systemu metodę szybkiej i bezdotykowej oceny stanu elementów w oparciu o pomiary termowizyjne, której głównym zadaniem jest wstępne wykrycie zmiany stanu technicznego przekładni bez konieczności zatrzymywania przenośnika taśmowego. Przy zastosowaniu metod termowizyjnych dla nowego obszaru badań konieczne jest opracowanie technologii zbierania, przechowywania i interpretacji wyników. W artykule przedstawiono metodykę realizacji pomiarów, opisano procedury przetwarzania i parametryzacji uzyskanych termogramów oraz pokazano reguły wstępnego wnioskowania o stanie przekładni na podstawie metody termowizyjnej.

1. WPROWADZENIE

Monitorowanie stanu elementów maszyn ma ogromne znaczenie dla bezpieczeństwa pracy obiektów technicznych. W poprzednich pracach [1-4, 9] wykazano, że utrzymanie systemu transportowego przenośników taśmowych jest skomplikowanym zagadnieniem i wymaga wieloaspektowego podejścia. Głównym celem pracy było rozszerzenie modułu akwizycji diagnostycznej o techniki termowizyjne [6-8]. W tym celu wymagane było opracowanie odpowiedniej metodyki pomiarowej adekwatnej do konfiguracji technicznej jednostek napędowych oraz warunków środowiskowych (np. wilgotność, temp. otoczenia itp.) i obciążenia eksploatacyjnego występujących podczas pomiaru [5]. Zadanie to wymagało odbycia szeregu zjazdów w kopalni, przeprowadzenia pomiarów, określenia głównych czynników wpływających na rozkład temperatury zdjęcia 1 KGHM CUPRUM sp. z o.o. Centrum Badawczo-Rozwojowe, Zakład Inżynierii Mechanicznej i Elektrycznej, ul. Gen. Wł. Sikorskiego 2-8, 53-659 Wrocław, m.sawicki@cuprum.wroc.pl2 Politechnika Wrocławska, Zakład Systemów Maszynowych, ul. Na Grobli 15, 50-421 Wrocław, (radoslaw.zimroz, ryszard.blazej, pawel.stefaniak, robert.krol@pwr.wroc.pl )@pwr.wroc.pl

termowizyjnego oraz sposobów niwelacji zakłóceń. Kolejnym etapem tej części pracy było sprecyzowanie procedury przetwarzania termogramów oraz ekstrakcji informacji diagnostycznej. W tym celu została opracowana specjalna aplikacja, instalowana na module akwizycji drganiowej.

2. METODYKA POMIARÓW

Jednym z najważniejszych problemów w użytkowaniu kamer termowizyjnych jest określenie wpływu czynników zewnętrznych na końcowy wynik pomiaru [12-15]. Różne typy układów napędowych, długości tras i zmienne obciążenie przenośników taśmowych, wielkości bębnów oraz wiele innych czynników może mieć istotny wpływ na określenie prawidłowego zakresu temperatur dla poszczególnych elementów przenośników taśmowych. W celu minimalizacji wpływu ewentualnych zakłóceń przed wykonaniem termogramów należało wprowadzić do kamery takie parametry jak: wilgotność, temperaturę otoczenia, odległość kamery od badanego obiektu oraz emisyjność. Każdy z ww. parametrów wyznaczany był przy pomocy dodatkowych urządzeń takich jak np. termohigrometr, pirometr. W ramach przeprowadzonych eksperymentów wszystkie układy napędowe były obciążone w czasie badań. Kamera termowizyjna FLIR T640 umieszczana była standardowo na statywie w odległości 3 metrów od badanego obiektu. Temperatura powietrza dla poszczególnych stanowisk pomiarowych wahała się między 24-34 °C. Zdjęcia termowizyjne wykonywane były sekwencyjnie z częstotliwością, co 30 sekund. Sesja pomiarowa dla pojedynczego badanego obiektu trwała około 90 minut. Na poniższym rysunku przedstawiono przykład układu napędowego, który był badany podczas eksperymentów.

Rys. 1 Przykład badanego układu napędowego

W badaniach rozpatrywane były dwa typy przekładni zębatych KA-138 oraz TJK-3400. Wybierane zdjęcia muszą być ostre, odpowiednio wykadrowane, o odpowiednich kontrastach i jasności. Wykonanie serii termogramów danego obiektu pozwala zlokalizować najgorętsze obszary i na nich skupić się w dalszej interpretacji wyników. Na poniższych termogramach przedstawiono przykłady dwóch różnych typów przekładni.

Rys. 2 Przekładnia zębata typu TJK-3400 (po lewej) i KA-138 (po prawej)

3. PARAMETRYZACJA

Parametryzację termogramów cechuje proces wyznaczania obszarów charakterystycznych oraz przypisanie im odpowiednich parametrów. W ten sposób uzyskuje się zbiór cech diagnostycznych, na podstawie którego wnioskowany jest stan techniczny badanego elementu. Nieprawidłowy wybór parametrów diagnostycznych skutkować będzie nieprawidłową diagnozą [11]. Dlatego analizę termogramów rozpoczęto od znalezienia charakterystycznych miejsc, które szybciej osiągają wysokie temperatury. Pozwala się to skupić na obszarach najbardziej eksploatowanych, a co za tym idzie, najbardziej narażonych na awarie. Poniżej przedstawiono przykładowy proces rozchodzenia się ciepła w przekładni za pomocą izotermy (zielone pole) dla temperatur od 50 °C do 53 °C.

Rys. 3 Izoterma dla temp. 50-53 °C

Jak widać ciepło rozchodzi się od wałka atakującego, a temp. powyżej 53°C występuje tylko przy pierwszym i drugim stopniu przekładni. Związane jest to dużą prędkością obrotową wałów na ww. stopniach. Obszar na trzecim stopniu przekładni jest znacznie chłodniejszy, co spowodowane jest brakiem bezpośredniego kontaktu z obudową.

Ponieważ pomiar punktowy jest mało miarodajny, ustalono że optymalnym rozwiązaniem jest skumulowanie oczek w 10 obszarów, których przykładowe rozmieszczenie zostało przedstawione poniżej. Ww. obszary służyły do ekstrakcji parametrów diagnostycznych z termogramu. W celu eliminacji wystąpienia błędów pomiarowych prawdopodobnie najbardziej optymalnym parametrem jest wartość średnia z obszarów. Ilość wyznaczonych obszarów uwarunkowana była budową wewnętrzną i zewnętrzna przekładni. Dla przekładni TJK-3400 przyjęto 10 obszarów, a dla przekładni KA-138 dziewięć.

Rys. 4 Podział na obszary przekładni zębatych TJK-300 i KA-138

Seria zdjęć wykonanych z jednego stanowiska daje możliwość badania zmian temperatury w czasie zarówno całej przekładni, jak i wybranych jej elementów. Dzięki temu uzyskujemy charakterystykę temperatur umożliwiającą wyznaczenie obiektów, które szybciej niż inne osiągają niepokojąco wysokie wartości. Pozwala to również na wyeliminowanie termogramów przedstawiających chwilowe anomalie, nie mające związku z rzeczywistym stanem technicznym obiektu. Na rys. 5 przedstawiono przykładowy wykres zmiany temperatury w czasie od uruchomienia przenośnika taśmowego, aż do stabilizacji temperatury po około 90 minutach pracy ww. przenośnika. Założono, że po określonym czasie od momentu rozruchu, temperatura stabilizuje się i wnioskowanie przeprowadzane być powinno dla ustabilizowanych wartości temperatur.

0 12 24 36 48 60 72 84 96 10812013214415616818035

37

39

41

43

45

47

49

51

53

55

AR01AR02AR03AR04AR05AR06Ar07

Numer pomiaru

Tem

pera

tura

[°C]

Rys. 5 Przykład zmiany temperatury w czasie dla obszarów AR01-A07 przenośnika taśmowego L-207

4. OPRACOWANIE WARTOŚCI PROGOWYCH I REGUŁ DECYZYJNYCH PARAMETRÓW TERMOWIZYJNYCH

Kluczowym elementem całej procedury analizy jest określenie wartości progowych, po przekroczeniu, których wystąpi ostrzeżenie lub alarm. Koncepcja wyznaczenia tych wartości bazuje na statystycznej analizie wyników dla badanej populacji obiektów.

Na rysunku 6 zestawiono przykładowe wyniki parametryzacji termogramów przekładni pracujących na przenośniku L-207. Takie pogrupowanie zostało przeprowadzone dla wszystkich badanych przenośników i może być podstawą do poszukiwać prawidłowości (relacji diagnostycznych) w układach wielonapędowych. Niestety, ze względu na relatywnie małą liczbę przykładów reprezentujących trzy docelowe klasy (OK, ostrzeżenie i stan alarmowy) zdecydowano przeprowadzić analizę dla wszystkich przekładni bez podziału na ich lokalizację w układzie napędowym przenośnika. Takie zestawienie wartości cech diagnostycznych dla obszarów Ar01-Ar10 dla wszystkich badanych przekładni pokazało ukazało różnicę występujące zarówno między samymi obszarami jak i poszczególnymi przekładniami.

Ar01 Ar02 Ar03 Ar04 Ar05 Ar06 Ar07 Ar08 Ar09 Ar100

10

20

30

40

50

60

P1P2P3P4

Numer obszaru

Tem

pera

tura

[°C]

Rys. 6 Zestawienie danych termowizyjnych dla przenośnika L-207

Dalszej analizie poddano dane diagnostyczne znormalizowane względem temperatury otoczenia. Jak wynika z rysunku 7 temperatury otoczenia dla badanych przenośników są różne. Zauważono jednak, że warunki zewnętrzne utrzymują się na stałym poziomie w danym wyrobisku.

L-1 L-3 L-204

L-106

L-207

L-222

L-205

L-216

L-215

L-217

L-121

L-201

L-210

L-120

L-250

L-254

L-220

L-212

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Numer przenośnika

Tem

pera

tura

[°C]

Rys. 7 Zestawienie temperatury otoczenia przy badanych przekładniach

Do wyznaczenia wartości progowych zastosowano proste miary statystyczne. Wartosci progowe ostrzegawcze jak i alarmowe wyznaczano indywidualnie dla każdego z parametrow diagnostycznych AR01 – AR 10. Przyjęto założenie, że dla badanej populacji wartość ostrzegawcza to wartość średnia pomniejszona o watrość odchylenia standartowego z próby, a wartość alarmowa to wartość średnia powiększona o watrość odchylenia standartowego. Na rysunku 8 przedstawiono przykładowe wyznaczone wartości progowe dla obszaru AR02. Poziom ostrzegawczy zaznaczono linią ciągłą (17°C), poziom alarmowy linią kropkowaną (28°C). Linia przerywaną oznaczono wartość średnią z próby, której wartość w tym przypadku wyniosła 23°C.

L-210

L-204

L-215

L-250

L-207

L-250

L-215

L-204

L-201 L-3

L-120

L-201

L-254

L-120 L-3

L-254

L-121

L-121

L-121

0

5

10

15

20

25

30

35

Numer przenośnika

Tem

pera

tura

[°C]

Rys. 8 Ustawienie wartości progowych dla Ar02

5. APLIKACJA TERMOWIZYJNA

W celu automatyzacji procesu parametryzacji termogramów została zaprojektowana aplikacja. Koncepcja zakładała stworzenie pulpitu użytkownika o prostej i przejrzystej budowie., który to został przedstawiony na rysunku 9. Wykonana aplikacja posiada wbudowane algorytmy, dzięki którym termogram jest automatycznie kadrowany, obracany i skalowany, aby znormalizować przeprowadzane następnie analizy. Funkcjonalność aplikacji pozwala na automatyczną analizę pojedynczego termogramu, a także całej serii zdjęć termowizyjnych. Samo przetwarzanie obrazu termowizyjnego przebiega po ustawieniu w aplikacji takich parametrów jak: nazwa przenośnika, typ i numer przekładni, temperatury otoczenia oraz emisyjności. Gotowe wyniki zapisywane są w postaci plików tekstowych .txt oraz obrazów .png o unikatowych nazwach gotowych do zaimportowania do aplikacji wykonawczej [10]

Rys. 9 Widok pulpitu użytkownika aplikacji

6. PODSUMOWANIE

Podczas wizyt w kopalni O/ZG Polkowice-Sieroszowice skupiono się na zbadaniu możliwości wykorzystania metod termowizyjnych do wykrywania uszkodzeń występujących w elementach układów napędowych przenośników taśmowych. Ze względu na liczbę przenośników taśmowych oraz ich przestrzenny rozkład na znacznej powierzchni, zastosowanie przenośnych kamer termowizyjnych wydaje się być uzasadnione i może stanowić uzupełnienie zaawansowanych metod drganiowych. Głównym celem jest wykrycie zmiany stanu technicznego tych elementów bez zatrzymywania pracy ciągu technologicznego i wykorzystanie tej informacji do planowania remontów. Szybka (niewymagająca długiej rejestracji sygnału, zatrzymania przenośnika w celu montażu czujników itd.) detekcja uszkodzeń jest istotnym czynnikiem zarówno z technicznego jak i ekonomicznego punktu widzenia. Przy zastosowaniu technologii termowizyjnych dla nowego obszaru badań konieczne było opracowanie technologii zbierania, przechowywania i interpretacji wyników.

Pomiary wykonane w ramach badań zostały przeprowadzone dla każdego z obiektów jednorazowo, co nie pozwala na wykrycie zmian w stanie technicznym przekładni. Umożliwiły one jednak stworzenie charakterystyk badanych obiektów wraz z wyszczególnieniem temperatur poszczególnych obiektów w trakcie ich ustabilizowanej pracy, co stanowić będzie punkt odniesienia, gdy pomiary dla każdego z przenośników zostaną powtórzone.

LITERATURA

[1] Błażej R., Zimroz R., Jurdziak L., Hardygóra M., Kawalec W.: Conveyor beltcondition evaluation via non-destructive testing techniques Mine planning and equipment selection: proceedings of the 22nd MPES Conference, Dresden, Germany, 14th-19th October 2013. Vol. 2 / Carsten Drebenstedt,Raj Singhal (eds.). Cham [i in.] : Springer, 2014. s. 1119-1126

[2] Król R., i inni: System zarządzania eksploatacją przenośników taśmowych DIAG MANAGER dla KGHM O/ZG "Polkowice-Sieroszowice". Wiadomości Górn. 2011, R. 62, nr 7/8, s. 420-427

[3] Zimroz R., Król R., Hardygóra M., Górniak-Zimroz J., Bartelmus W., Gładysiewicz L., Biernat S.: A maintenance strategy for drive units used in belt conveyors network. 22nd World Mining Congress & Expo, 11-16 September, Istanbul-2011. Vol. 1 / ed. Şinasi Eskikaya. Ankara : Aydoğdu Ofset, cop. 2011. s. 433-440.

[4] Zimroz R., Król R., Gładysiewicz Lech, Hardygóra M.: Diag Manager - system wsparcia podejmowania decyzji w zakresie eksploatacji przenośników taśmowych. Problemy bezpieczeństwa w budowie i eksploatacji maszyn i urządzeń górnictwa podziemnego: monografia / pod red. K. Krauze. Lędziny CBiDGP, 2011. s. 103-116

[5] Sawicki M., Stefaniak P., Król R., Zimroz R., Hardygóra M.: The integration of thermography data and Diag Manager System for diagnostic management of technological system, XVII. W: Międzynarodowa Konferencja Badania, Produkcja i Stosowanie Lin Stalowych, Przenośników i Urządzeń dźwigowych, Podbanske 2012.

[6] Sawicki M., Stefaniak P., Król R., Zimroz R.: Portable data acquisition and diagnostic system for belt conveyors gearboxes. W: XI International Technical Systems Degradation Conference, Liptovský Mikuláš, 11-14 April 2012 / [ed. Jędrzej Mączak]. Warszawa : Polskie Naukowo-Techniczne Towarzystwo Eksploatacyjne; Lublin : Wydawnictwo-Drukarnia Liber Duo, cop. 2012

[7] Sawicki M., Stefaniak P., Król R., Zimroz R., Metoda pozyskiwania cech diagnostycznych w zarządzaniu eksploatacją układów napędowych przenośników taśmowych, Interdyscyplinarne zagadnienia w górnictwie i geologii, s. 232-343, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 2012

[8] Stefaniak P., Sawicki M., Król R., Zimroz R.: Perspektywy rozwoju systemu zarządzania parkiem maszynowym Diag MANAGER w oparciu o zebrane doświadczenia eksploatacyjne, II Międzynarodowy Kongres Górnictwa Rud Miedzi’ 2012

[9] Stefaniak P. K.., Błażej R., Jurdziak L., Sawicki M., Zimroz R., Hardygóra M.: Metody badania stanu technicznego i pracy elementów przenośnika taśmowego Problemy bezpieczeństwa w budowie i eksploatacji maszyn i urządzeń górnictwa podziemnego : monografia pod red. Krzysztofa Krauze. Lędziny : Centrum Badań i Dozoru Górnictwa Podziemnego, 2013. s. 213-223.

[10] Stefaniak P. K., Zimroz R., Król R., Błażej R., Sawicki M.: Rozszerzenie

systemu wspomagającego zarządzanie DiagManager – integracja nowych metod szybkiego pozyskiwania danych i narzędzi analitycznych, Szkoła Eksploatacji Podziemnej 2014, Materiały Konferencyjne

[11] Sawicki M., Stefaniak Paweł K.., Zimroz R., Błażej R.: Badania eksperymentalne stanu technicznego elementów przenośnika taśmowego z wykorzystaniem metod termowizyjnych, Interdyscyplinarne zagadnienia w górnictwie i geologii/ pod red. Drzymała J. i Ciężkowski W., Wrocław 2013 s. 203-211.

[12] Walker N.,Nowicki A. N.: Infrared Thermography Handbook, Vol. 1-2, The British Institute of Non-Destructive Testing, 2012

[13] Fidali M.,: An idea of continuous thermographic monitoring of machinery. 9th International Conference on Quantitative InfraRed Thermography, Kraków 2008

[14] Więcek B., De Mey G.: Termowizja w podczerwieni. Podstawy i zastosowania, Wydawnictwo PAK, 2011

[15] Widodo A., Satrijo D., Prahasto T., Lim MG, Choi BK: Confirmation of Thermal Images and Vibration Signals for Intelligent Machine Fault Diagnostics, International Journal of Rotating Machinery, Volume 2012

conveyor belts, damage detection, thermovision,

diagnostics, machines condition monitoring

USE OF THERMOVISION METHODS FOR RESEARCH THE TECHNICAL STATE OF CONVEYOR BELTS DRIVE UNITS IN O/ZG POLKOWICE-

SIEROSZOWICE

Abstract:The article presents research – development work, realized on the need of the mine O/ZG Polkowice – Sieroszowice. The aim of the above mentioned work was to increase functionality and effectiveness of technical diagnosis of conveyor belts drive units used so far DIAG MANAGER system. It shows implemented into system method of quick and touchless status check of elements based on thermo vision measurements which main task is to detect preliminary changes of the technical state of the gear without stopping conveyor belt drive. By using thermo vision for a new research area there is a need to find a new technology to gather, store and interpret the results. The article presents methodology of measurement, describes procedures of processing and parameterization of gained thermograms and shows rules of preliminary conclusion of gear state based on the thermovision method.