Scientific journal

Scientific Review. Technical science

ISSN 2500-0799

ПИ №ФС77-57440

Основным видом транспортных средств, в условиях открытых разработок месторождений полезных ископаемых, являются карьерные автосамосвалы (КАС). В России, главным образом, эксплуатируются автосамосвалы ПО «БелАЗ», которые также поставляются на рынки ближнего и дальнего зарубежья. За более чем полувековую историю автозаводом было разработано более 400 модификаций и выпущено свыше 120 тысяч единиц карьерных самосвалов грузоподъемностью от 27 до 360 тонн. В последние десятилетия в России появились самосвалы нового поколения грузоподъемностью 55–60, 90, 160, 240 и 320–360 т, оптимально соответствующие потребностям горнодобывающей промышленности [1–7].

Расширяя номенклатуру выпускаемой продукции, ПО «БелАЗ» постоянно ведет работу по повышению надежности серийно выпускаемых узлов и агрегатов, уделяет большое внимание созданию бортовых систем управления безопасностью и получения информации о параметрах работы узлов и систем, обеспечивает комфортные условия для водителей.

В 70–80 годы 20 века самосвалы БелАЗ-7548 грузоподъемностью 42 тонны являлись основным технологически транспортом в карьерах и крупных строительных сооружениях. Однако с ухудшением горнотехнических условий открытых горных разработок, связанных с увеличением глубины и пространственных размеров карьеров, спрос на самосвалы такой грузоподъемности снизился. Приоритеты для карьеров большой мощности, с позиции увеличении производительности по горной массе, были отданы самосвалам большой и особо большой грузоподъемности с электромеханическими трансмиссиями (ЭМТ) [8, 9, 10, 11].

Тем не менее, «ниша» в классе грузоподъемности самосвалов до 75 тонн не опустела. На смену пришли 45-тонные БелАЗ-7547 и 55–60-тонные БелАЗ-7555. Такие самосвалы, оснащенные гидромеханическими трансмиссиями (ГМТ), сегодня используются в карьерах при добыче полезных ископаемых не только малой и средней мощности, но и большой, где глубина может превышать более 200 м.

В настоящее время все карьерные автосамосвалы БелАЗ в классах грузоподъемности до 75 т оснащены ГМТ, которые имеют более высокую эффективность механической силовой передачи, по сравнению с ЭМТ, и что делает возможным эксплуатацию самосвалов на затяжных и повышенных уклонах без перегрева узлов трансмиссии. Однако основным недостатком ГМТ является более низкий ресурс до капитального ремонта основных узлов и возрастание общих издержек за период эксплуатации самосвалов [8, 12].

Зарубежные автопроизводители карьерного автотранспорта (Caterpillar, Haulpak, Perlini, O&K, Terex и др.), аналогично производителям БелАЗ, оснащают самосвалы грузоподъемностью до 65 т ГМТ примерно с одинаковыми характеристиками [13–18]. В последние 15–20 лет практически все фирмы-производители вели активные работы по переоборудованию 90–218-тонных самосвалов гидромеханическими трансмиссиями, что свидетельствует о перспективности использования ГМТ в приводах карьерного автотранспорта.

Белорусский автозавод уже длительное время ведет проектные работы по созданию самосвалов с ГМТ грузоподъемностью более 90 т. Но отсутствие необходимого опыта не позволяет запустить в производство автомобили с данным типом трансмиссий, которые будут предназначены, в первую очередь, для горнодобывающей отрасли России и стран СНГ [18].

Например, в России более 40 % добываемого угля сосредоточено в Кузбассе [19]. В связи с более низкой рентабельностью подземных работ и вынужденным закрытием ряда шахт, возрастает значение открытого способа добычи угля [20, 21]. При этом около 50 % угля Кузбасса добывается открытым способом, где в разработках принимают участие около 20 акционерных обществ и компаний.

Для осуществления транспортного процесса на предприятиях Кузбасса сделана ставка на использование самосвалов с ГМТ марок БелАЗ-7540 (540) грузоподъемностью 30 (27) т, БелАЗ-7548 (548) – 42 (40) т, БелАЗ-7547 – 45 т, БелАЗ-7555 – 55–60 т. Выбор БелАЗов с ГМТ обосновывается во многом тем, что такие автосамосвалы эксплуатируются длительное время и хорошо изучены [22–24]. В работе [18] проводится анализ эксплуатационных показателей самосвалов с ГМТ в сравнении с ЭМТ, где показана равнозначность влияния технических характеристик привода на эксплуатационные показатели самосвалов с ЭМТ и ГМТ.

Самосвалы БелАЗ, как транспорт рабочей зоны карьера, в наибольшей степени подвержены воздействию усложняющихся с глубиной горнотехнических условий разработки [1, 12]. Производство вскрышных работ, в таком случае, зависит от грузоподъемности самосвалов, которые, в свою очередь, ограничиваются мощностью двигателя, несущей способностью шин и типом применяемых трансмиссий. Увеличение объемов вскрышных работ снижает производительность карьерного автотранспорта, самосвалы испытывают повышенные нагрузки, и это негативно сказывается на надежности их силовых агрегатов [25–27] .

Совершенствуя производственные процессы при разработке открытых месторождений полезных ископаемых, за счет передовых технологий и комплексной механизации [28, 29], карьерному автотранспорту отводится первостепенная роль в грузоперевозках. Однако, высокая стоимость автосамосвалов, их зависимость от качества дорог и климатических условий, а также значительная трудоемкость технического обслуживания и ремонта (ТО и Р), существенно ограничивают рост производительности КАС на предприятиях горнодобывающей отрасли.

Например, на рынке карьерной техники, в зависимости от возраста и модификации, автосамосвал БелАЗ-7555 может стоить 9 млн руб. [30]. Таким образом, даже БелАЗ не очень большой производственной мощности весьма дорог и потеря его работоспособности отразится миллионными затратами.

Проведение ТО и Р автосамосвалов является важным и необходимым производственным процессом в технологических процессах открытых горных работ [28, 29]. Затраты на проведение ТО и Р автомобиля составляют 35–38 % от затрат на перевозки. По данным [31], трудовые затраты на ТО и Р автосамосвала составляют 86,8 %, на капитальный ремонт – 8,5 %, а на производство автомобиля – всего 4,7 %. Следовательно, вопрос снижения затрат на ТО и ремонт КАС является актуальным.

Постановка проблемы. В настоящее время в России эксплуатация КАС регламентируется системой ТО и Р, которая отражена в нормативных документах: «Положение о техническом обслуживании и ремонте подвижного состава автомобильного транспорта» [32] и «Положение о техническом обслуживании и ремонте автомобилей БелАЗ грузоподъемностью 75 т и более (временное)» [33]. Данные документы были разработаны более 25 лет назад, и до настоящего времени не пересматривались. Следует отметить, что за прошедший период времени существенно обновился парк отечественных автомобилей, стали более совершенны технологические процессы ТО и Р, и предлагаются рациональные цикловые графики периодичности технического обслуживания [31, 34, 35].

Исследования, которые были выполнены в ОАО ХК «Якутуголь» в конце 90-х годов прошлого века, показали [36], что даже полное соблюдение существующей системы ТО и Р, согласно [32, 33], не дало желаемого результата по поддержанию КАС в технически исправном состоянии. Коэффициент технической готовности (КТГ) с возрастом автомобилей по маркам постоянно снижался, и находился в пределах 0,45–0,65, что, на наш взгляд, является недопустимо низким. При этом наибольшее число отказов приходилось на двигатели, узлы и агрегаты гидромеханической трансмиссии и гидравлической системы.

Подобная ситуация наблюдалась в автотранспортном управлении ОАО Разрез «Шестаки», входящего в группу предприятий ЗАО «Стройсервис» Кузбасса. Нашими исследованиями было установлено, что простои автосамосвалов БелАЗ, связанные с неисправностями двигателя, составляют 29 % в общем балансе простоев, агрегатов трансмиссии – 17 %, гидравлических систем – 8 %, проведением ТО – 6 %. Большое количество простоев связано с ремонтом и заменой шин – 14 %, а 24 % составляют долю простоев остальных неисправностей (тормозной системы, ходовой части, электрооборудования, рамы, оперения, кабины и грузовой платформы). Также установлено, что 27 % простоев связано с устранением постепенных (износовых) отказов.

Основными причинами постепенных отказов агрегатов, являются абразивные и коррозионно-механические изнашивания, которые характерны для агрегатов, оборудованных замкнутыми системами смазки [37–39]: двигатели внутреннего сгорания (ДВС), гидромеханические передачи (ГМП), коробки переключения передач (КПП), редукторы ведущих мостов (РВМ), редукторы мотор-колес (РМК), гидравлические системы (ГС).

Исследования отказов механических передач КАС [38, 40], в условиях угольного разреза АО «Вахрушевуголь» Кузбасса, установили, что зубчатые колеса работают при высоких нагрузках, относительно небольших скоростях и при значительных изменениях крутящего момента. Поэтому, преобладающими являются постепенные отказы (до 80 % от количества всех отказов): износ шлицев торсионного вала, фланцев и шестерен, усталостное нормальное или интенсивное выкрашивание рабочей поверхности зуба, износ сепараторов подшипников сателлитов, ослабление креплений деталей, износ и повреждение манжет.

Одновременно в автосамосвалах БелАЗ имеют место и внезапные отказы, 20 % которых, возникают при сочетании неблагоприятных факторов. К таким отказам относятся повреждения корпуса редуктора, откол зубьев шестерен и срез шлицев торсионного вала. Эти отказы связанны с повышением усталостной прочности металла и ростом концентраций механических примесей в масле.

Так планетарные РМК автосамосвалов БелАЗ грузоподъемностью свыше 75 т, с электромеханической трансмиссией, имеют ряд «критических» деталей: солнечные шестерни 1-го и 2-го ряда, сателлиты, подшипники сателлитов, торсионные валы и сапуны. При этом эксплуатационный ресурс подшипников РМК ниже нормативного в 1,3–1,5 раза.

Наиболее характерными отказами РМК в эксплуатации является утечка масла через уплотнения и соединения. Доля таких отказов у автосамосвалов БелАЗ-7519 и их модификаций составляет 36,7 %, у – БелАЗ-75211 (Бачатский угольный разрез ОАО «УК Кузбассразрезуголь») – до 55 %. Достаточно частыми являются случаи разрыва уплотнительной прокладки под крышкой смотрового окна и наружной крышки, неработоспособное состояние или отсутствие сапуна, и как следствие, накопление в масле РМК твердых частиц продуктов износа деталей и загрязнений. При этом величина утечек может достигать от 10 % и более на 1000 км пробега, а содержание кремния в масле – 0,086 %. При удовлетворительном техническом состоянии герметичности РМК содержание кремния в работающем масле находится в пределах 0,032 %.

Статистика отказов РМК автосамосвалов БелАЗ75211 показала: износ торсионного вала и шестерен, выкрашивание поверхности и облом зубьев составили 2 %; износ подшипников сателлитов – 2 %; износ сальников, подтекание масла, вследствие нарушения герметичности – 4,5 %; неремонтопригодные РМК (например, трещины корпусных деталей) – 3 %. Доля отказов РМК в общем балансе неисправностей автосамосвала составила 11,5 %.

Данные исследования были проведены в условиях эксплуатации КАС на угольных карьерах Кузбасса в 90-е годы [38]. Однако спустя десятилетия ситуация существенно не изменилась по причине отсутствия надлежащего контроля и ТО. Исследования [41] на предприятиях ОАО «УК Кузбассразрезуголь» позволили выполнить ранжирование причин и оценить удельный вес отказов автосамосвалов в условиях эксплуатации (табл. 1 и 2).

Таблица 1

Причины и удельный вес отказов в работе автосамосвалов на предприятиях ОАО «УК Кузбассразрезуголь» [41]

Таблица 2

Причины простоев автосамосвалов на предприятиях ОАО «УК Кузбассразрезуголь» [41]

Подобная ситуация наблюдается и у КАС с гидромеханической трансмиссией. В работе [37] указывается, что причиной выхода из строя ГМП автосамосвалов БелАЗ грузоподъемностью до 75 т, является ухудшение качества ТО, что снижало среднюю наработку на отказ до 38,2 тыс. км. При этом отмечалось, что ремонт нередко выполнялся запасными частями низкого качества без надлежащего технического контроля. Как следствие – увеличение темпов изнашивания дисков фрикционов, повышенное загрязнение рабочих жидкостей, возникновение абразивного износа сопрягаемых поверхностей, утечки, рост температуры и перегрев агрегата.

Выход из строя фрикционов ГМП связан с постепенными отказами, которые вызваны предельным износом (47,2 %) и спеканием дисков (12,1 %), низким качеством масла, отложениями продуктов износа в бустере фрикционов (11,9 %) и полостях золотников (7,2 %), утечками масла из корпуса (10,3 %) и перетеканием масла внутри ГМП (33,8 %).

Низкий уровень технического состояния ГМП отмечается в работе [37]. Характерными неисправностями ГМП, приводящими к отказам, являются негерметичность конструкции (32,2 %), дефекты масляных насосов (28,0 %), износ дисков двойного фрикциона (21,0 %), износ вилки заднего хода (18,8 %).

Характерными причинами преждевременных отказов редукторов главных передач (РГП) автомобилей КрАЗ-256Б являются эксплуатационные факторы, влияющие на износ деталей. В автообъединении «Томскстройтранс» в условиях Западной Сибири доля отказов РГП постепенного износного характера составила 48,1 %, облом зубьев сателлитов и полуосевых шестерен – 23,1 %, прочие отказы – 28,8 %.

Анализ отказов коробок переключения передач автомобилей МАЗ и КрАЗ показал, что их доля в общем балансе составляет 12,3 и 13,5 % соответственно [38]. При этом поверхности зубьев шестерен, сепараторов подшипников, шеек валов и других деталей имеют структурные и геометрические изменения форм по причине износа.

Авторы работы [42] показывают, что износ не только снижает нагружающую способность на узлы и детали механических передач, работающих в масле, но и приводит к внезапным отказам. Подшипники КПП, редуктора среднего моста (РСМ) и РВМ главным образом выходят из строя по причине износа. Шестерни КПП имеют износ в 34 % случаев, облом зубьев – 45,3 %, усталостное поверхностное выкрашивание – 20 %, прочие – 0,7 %. Отказы деталей РСМ распределяются следующим образом: износ полуосей – 43,6 %, облом полуоси – 54,2 % прочие – 2,2 %; износ шестерен – 14,4 %, облом зубьев – 63,2 %, прочие – 22,4 %. Отказы деталей РЗМ распределяются следующим образом: износ полуоси – 36 %, облом полуоси – 60 %, прочие – 4 %; износ шестерен – 2,8 % усталостное поверхностное выкрашивание – 13,4 %, облом зубьев – 74,5 %, прочие (сколы, срывы, смятия) – 9,3 %.

Автор работы [37] показывает, что доля отказов 2–3 «критических» деталей КПП и РВМ составляет более 50 % от всех отказов данных агрегатов, а затраты на их устранение составляют 75…80 % от общей суммы затрат.

Анализ надёжности гидравлических элементов автомобилей показал [43, 44], что наряду с выходом из строя быстроизнашивающихся деталей, таких как резиновые уплотнения валов и штоков, постоянно находящихся в движении, имеет место выход из строя самих гидравлических узлов и механизмов, а также элементов гидроавтоматики.

Наиболее распространенными агрегатами гидравлических систем КАС являются насосы, силовые гидравлические цилиндры и гидромоторы. Наибольшее число неисправностей агрегатов гидравлических систем связано с нарушением работоспособности прецизионных пар и элементов уплотнения [45]. При этом преобладающее количество неисправностей происходит вследствие неисправной работы регулирующих и распределительных устройств, а также плунжерных и поршневых пар.

Например, периодическое нарушение подачи масла насосом является следствием заедания клапанов системы регулирования. Неправильное функционирование исполнительного механизма следящего гидропривода вызывается возрастанием трения в распределительном устройстве. Поломка узлов насосов и разрушение гидромоторов нередко являются следствием заклинивания плунжерных или поршневых пар ротора.

Существенное влияние на надежность гидроагрегатов оказывают физико-химические свойства рабочих жидкостей, которые создают антифрикционную среду для работы деталей. Особое влияние на работоспособность пар трения оказывает загрязненность масел нерастворимыми твердыми частицами.

В гидравлических системах, несмотря на наличие фильтров, находятся продукты атмосферного загрязнения и элементы износа, размеры которых соизмеримы с зазорами сопрягаемых деталей или щелевых уплотнений [46, 47].

Твердость частиц абразивного загрязнения значительно превышает твердость материала, из которого изготовляют детали. Движущиеся частицы с рабочей жидкостью в гидросистеме попадают в зазоры между рабочими поверхностями сопрягаемых деталей, что вызывают увеличение сил трения и, как следствие, повышенный износ или заклинивание деталей. Концентрация загрязнений в жидкости неравномерна [45, 48], число частиц малого размера значительно превышает число частиц крупного размера. Существующая норма степени загрязненности рабочей жидкости 0,005 % по массе [49] является малообоснованной. Она не устанавливает предельного допустимого загрязнения ни по размеру, ни по характеру частиц.

Гидросистема КАС с технической точки зрения характеризуется комплектом узлов и агрегатов, имеющих общую замкнутую систему смазки. Поэтому гидравлическое масло является источником и носителем информации о техническом состоянии гидросистемы. Для эффективного использования такой информации необходимо владеть информацией об эксплуатационной надежности гидросистемы и ее отказах.

Как правило, гидросистема включает комплекс механизмов управления. Например, гидросистема автосамосвалов БелАЗ объединяет тормозную систему, гидроусилитель руля и подъемный механизм платформы. Доли отказов гидросистем автосамосвалов БелАЗ-7555, согласно наблюдениям [40, 50], распределяются следующим образом: подъемный механизм платформы – 61 %; автомат разгрузки насоса – 31 %; механизм тормозной системы – 4 %; механизм гидроусилителя руля – 4 %.

Двигатели автомобилей являются наиболее изученными силовыми энергетическими агрегатами [51, 52]. Совершенствование технологий изготовления ДВС, использование износостойких материалов, применение новых видов обработки, улучшение свойств смазочных масел и их очистки влекут за собой снижение износа деталей. Такая тенденция развития характерна для двигателестроителей и производителей смазочных материалов. Тем не менее, эти мероприятия не могут всецело избавить ДВС от внешних и внутренних эксплуатационных факторов. В работах [51, 52] отмечается, что основными деталями, подвергающимися износу, являются детали цилиндропоршневой группы. Преобладающими видами износа являются: абразивный, при схватывании, коррозионно-механический. Данные виды износа, как правило, являются стимуляторами других видов износа, которые могут протекать одновременно. Однако, несмотря на многочисленные работы по улучшению условий производства и эксплуатации, до сих пор основным деталями, характеризующими интенсивность износа ДВС, являются пары трения: кольцо – гильза; шейка вала – вкладыш (подшипник скольжения); поршневой палец – втулка верхней головки шатуна; кулачок распределительного вала – тарелка толкателя. Об этом свидетельствуют отказы ДВС в условиях эксплуатации [50].

Эксплуатация КАС происходит в условиях повышенной запыленности. Частицы дорожной пыли, попадая в работающее масло, приводят к повышенному абразивному изнашиванию деталей. Низкая температура ДВС при эксплуатации в зимнее время приводит к интенсивному нагарообразованию и закоксовыванию поршневых колец, это приводит к ускоренному «старению» масла и повышенному износу. Использование масла повышенной вязкости вызывает масляное «голодание» при запуске двигателя. Это дополнительный расход моторесурса ДВС, а длительная работа двигателя на холостом ходу также снижает его долговечность. Все перечисленные факторы приводят к относительно невысокому ресурсу силовых установок [53].

Проведенные авторами исследования автомобилей БелАЗ в условиях ОАО разрез «Шестаки» (г. Гурьевск, Кемеровская обл.) позволили проанализировать статистику отказов (табл. 3) и выявить агрегаты (и системы) наиболее «слабые» в эксплуатации.

Таблица 3

Статистика отказов КАС в ОАО разрез «Шестаки», %

Решение проблемы. Карьерный автосамосвал можно представить как сложную техническую систему, силовые или энергетические агрегаты которой нерезервируются. Это значит, что выход из строя любого агрегата системы приведет к отказу автомобиля в целом. Если говорить, что элементами такой системы являются агрегаты, имеющие замкнутые системы смазки, и отказы которых составляют значительную долю в общем балансе отказов КАС – от 38 до 48 %, то информацию об их технических состояниях можно получить на базе информации, источником и носителем которой является смазочное масло. Для этого на базе информации, полученной от работающего масла, следует выявить самый ненадежный элемент системы и назначить комплекс мер по ТО и Р, который позволит управлять техническим состоянием автомобиля.

Проведенные кафедрой «Автомобили и тракторы» Томского государственного архитектурно-строительного университета, с участием авторов, в автопредприятиях горнодобывающей отрасли Кузбасса внедрения служб контроля и управления надежностью агрегатов автомобилей по параметрам работающего масла (ПРМ) [37–40, 50] показали, что для диагностики агрегатов КАС и контроля качества работающих масел необходимым и достаточным будет комплекс параметров, который будет включать определение: негорючих механических примесей, температура вспышки масла, наличия воды, наличия водорастворимых кислот и щелочей, концентраций загрязняющих компонентов и элементов присадки, выявляемых эмиссионным спектральным анализом масла (ЭСАМ). При этом диагностика по ПРМ способна выявлять комплекс неисправностей КАС.

1. Повышенные и аварийные износы отдельных деталей и узлов. Данные виды неисправностей определяются ЭСАМ, преимуществом которого является способность раннего обнаружения начала повышенного или аварийного износа.

2. Неисправности топливной аппаратуры. Эти неисправности связаны с ухудшением технического состояния топливной аппаратуры или с нарушением герметичности топливопроводов и топливных насосов, находящихся внутри агрегата. В первом случае это приводит к неполному сгоранию топлива двигателя, во втором – к утечкам топлива в масляную систему двигателя. В обоих случаях увеличиваются топливные фракции в работающем масле, вследствие чего происходит снижение его вязкости и температуры вспышки.

3. Утечки охлаждающей жидкости в масляную систему. Данный вид неисправности связан с нарушением герметичности системы охлаждения двигателя. Установить эту неисправность можно путем непосредственного определения содержания охлаждающей жидкости в работающем масле.

4. Неисправности системы очистки масла. Такие неисправности приводят к повышенному загрязнению работающего масла механическими примесями, и диагностика этих неисправностей осуществляется по показателям, которые характеризуют его загрязнение.

5. Неисправности системы очистки воздуха. Эти неисправности могут быть вызваны нарушением технического состояния воздушного фильтра и нарушением герметичности воздухопроводящих патрубков. В обоих случаях это приводит к значительному повышению содержания кремния в работающем масле. Данный вид неисправности целесообразно определять ЭСАМ.

6. Нарушение работы системы вентиляции картера. Эта неисправность косвенно проявляется через показатели работающего масла, которые характеризуются процессами окисления и загрязнения масла топливными фракциями.

Кроме того, ПРМ позволяют также обнаруживать и ряд других неисправностей, специфичных для конкретных моделей двигателей или агрегатов автомобилей.

Вывод

Проблеме снижения эксплуатационной надежности КАС следует противопоставлять мероприятия эффективного использования агрегатов и смазочного масла, базируемых на методах их оценки и контроля. Такие методы должны вскрывать механизмы сложных физико-химических процессов, протекающих в системе «агрегат – масло», и позволять задолго до наступления отказов определять и устранять причины их возникновения.