"Mechaniczna" jakość w KWB "Konin" SA

Wszystkie maszyny układu KTZ pracujące w KWB "Konin" w Kleczewie SA mają za sobą wieloletnią intensywną eksploatację i wielokrotnie ich stan techniczny był odtwarzany w trakcie remontów oraz usprawniany w wyniku dokonywania modernizacji. Właściwa ocena stanu technicznego jest możliwa dzięki zastosowaniu nowoczesnych metod kontrolno-pomiarowych oraz specjalistycznych urządzeń. Zastosowanie takich rozwiązań znacznie wspomaga proces podejmowania decyzji, dotyczących zakresu remontu oraz pozwala określić przydatność elementów maszyny do dalszej eksploatacji. Nowoczesne przyrządy i techniki pomiarowe wykorzystywane są również podczas weryfikacji możliwości dalszej pracy elementów maszyn w trakcie przygotowania zakresów remontowych oraz w trakcie badań typowo eksploatacyjnych.

Dzięki postępowi techniki, a co za tym idzie pojawianiu się coraz to nowych przyrządów, możliwe jest wykonywanie pomiarów i badań z coraz większą dokładnością lub wręcz realizowanie prac kontrolno-pomiarowych, których wykonanie nie było do tej pory możliwe. Prace kontrolno-pomiarowe wykonywane są na wszystkich etapach produkcji. Kontroli podlegają wyroby i materiały, które dostarczane są do kopalni przez dostawców zewnętrznych. Nadzór jakościowy obejmuje również części maszyn wykonywane przez kopalnię we własnym zakresie oraz montaż tych części w gotowe zespoły. Proces instalowania gotowych zespołów oraz części w maszynach układu KTZ również jest wykonywany z wykorzystaniem najnowszych zdobyczy techniki.

Poniżej przedstawione zostaną wybrane urządzenia pomiarowe wykorzystywane w procesie kontroli jakości w KWB "Konin" w Kleczewie SA wraz z podaniem ich praktycznego zastosowania.

Pierwsza grupa badań obejmuje sprawdzenie własności fizyko-chemicznych materiałów. Badania te dotyczą głównie materiałów wykorzystywanych do produkcji części maszyn. Wychwycenie nieprawidłowości na jak najwcześniejszym etapie produkcji umożliwia nie tylko wyeliminowanie części wykonanych z niewłaściwego materiału, ale eliminuje również koszty, które byłyby zdecydowanie większe w przypadku wykrycia niezgodności w wyrobie gotowym (koszty procesu technologicznego). W przypadku badań materiału oceniane są różne jego własności fizyko-chemiczne i w związku z tym w procesie kontroli wykorzystywane są różne specjalistyczne urządzenia.

Kontrola dostaw zewnętrznych - badanie składu
chemicznego metali przy pomocy analizatora Spectrotest JRF.

Jako pierwsze ze specjalistycznych badań materiałów wykonywane jest badanie składu chemicznego, do którego wykorzystywany jest widmowy analizator składu chemicznego Spectrotest JRF - jest to urządzenie, przy pomocy którego można badać skład chemiczny zarówno stopów żelaza, jak i metali nieżelaznych. Kontrolą objęte są wszystkie dostawy przychodzące do KWB "Konin". Dzięki temu urządzeniu udało się wielokrotnie wykryć nieprawidłowości dotyczące materiału. Ustalenie składu chemicznego metalu jest szczególnie istotne w przypadku materiałów, które mają być poddane dalszej obróbce cieplnej, ponieważ to właśnie skład chemiczny decyduje o parametrach zastosowanych podczas obróbki. Poznanie rzeczywistego składu chemicznego jest również bardzo ważne w przypadku materiałów łączonych poprzez spawanie. Tutaj również czynnikiem decydującym o technologii spawania i użytych materiałach spawalniczych jest skład chemiczny łączonych elementów. Prawidłowy skład chemiczny jest również bardzo istotny w przypadku elementów maszyn wykonanych z metali kolorowych, które są najczęściej stosowane w łożyskach ślizgowych oraz wysoko obciążonych połączeniach przegubowych (np. dźwigary mechanizmów jazdy, łożysko ślizgowe na słupie pionowym podawarki koparki SRs-1200 itp.). Połączenia takie bardzo często są zlokalizowane w taki sposób, że wymiana uszkodzonego elementu wymaga nakładów finansowych i organizacyjnych niewspółmiernie większych niż koszt części zużytej na skutek zastosowania niewłaściwego materiału. Przeprowadzenie takiej operacji jest również czasochłonne oraz powoduje niepotrzebną sytuację podwyższonego ryzyka, która występuje zawsze, gdy w trakcie naprawy dochodzi do ingerencji w statykę maszyny podstawowej.

Zastosowanie niewłaściwego materiału niesie więc ze sobą ryzyko przedwczesnego zużywania się części maszyn i tym samym kosztów. Ponadto zdecydowanie większe jest ryzyko awarii, co jest szczególnie niebezpieczne w przypadku części maszyn decydujących o statyce maszyn podstawowych o znacznym stopniu wytężenia. Zagadnienie badania składu chemicznego materiałów jest o tyle istotne, że zarówno jeżeli chodzi o stale, jak i o metale kolorowe, wypadki niezgodności materiału badanego z zamówieniem nie są wcale rzadkością.

Ustawianie współosiowości wałów zespołu napędowego
przy pomocy systemu laserowego Combi-Laser.

Materiały o tym samym składzie chemicznym mogą mieć zupełnie różne własności w zależności od technologii ich wytworzenia oraz rodzaju obróbki, jakiemu zostały poddane w procesie wytwarzania, w związku z powyższym niezbędne jest również określenie ich własności fizycznych. Najprostszym badaniem, które jest wykonywane obligatoryjnie, są pomiary twardości przy pomocy twardościomierzy stacjonarnych i przenośnych. Na podstawie twardości można również przy pomocy tabel oszacować wytrzymałość na rozciąganie danego materiału. W połączeniu z badaniem składu chemicznego są to więc podstawowe badania, jeżeli chodzi o własności fizyko-chemiczne materiałów. Urządzenia stacjonarne są urządzeniami wzorcowanymi, podlegają więc okresowemu wzorcowaniu przez Urzędy Miar. Praktyczne zastosowanie niesie jednak za sobą znaczne ograniczenia, ponieważ do wykonania badań potrzebna jest próbka materiału. Ograniczenia tego nie ma przenośny twardościomierz, którym można wykonywać badania w dowolnym miejscu oraz w warunkach terenowych. Urządzenie to działa na zasadzie pomiaru własności dynamicznych materiału - na tej podstawie można oznaczyć twardość oraz oszacować wytrzymałość na rozciąganie. W przypadku tego typu badań należy jednak zawsze pamiętać, że wyniki badań dotyczą warstwy wierzchniej i w przypadku zastosowania obróbki, która modyfikuje własności tej warstwy, wyników nie można uogólniać na cały przekrój materiału. Badania twardości pozwalają wstępnie ocenić własności fizyczne materiału takie, jak wytrzymałość na rozciąganie Rm - jednak należy pamiętać, że jest to tylko wartość szacunkowa.

Jeżeli badania dotyczą materiałów na części szczególnie odpowiedzialne, konieczne jest wykonanie badań niszczących, które w sposób bezpośredni pozwalają zbadać takie własności materiału, jak wytrzymałość na rozciąganie Rm, granica plastyczności Re (bądź umowna granica plastyczności Re(0,2)) oraz udarność w temperaturze otoczenia bądź w temperaturach obniżonych - co jest szczególnie ważne w przypadku materiałów na konstrukcje maszyn podstawowych lub wykonywania konstrukcji mostowych (KWB "Konin" w Kleczewie SA wykonywała np. kompleksowe badania niszczące i nieniszczące materiałów oraz gotowych elementów mostu drogowego w miejscowości Roztoka). W takich więc przypadkach badania nieniszczące materiałów na elementy maszyn muszą być uzupełniane badaniami niszczącymi - wytrzymałości na rozciąganie i granicy plastyczności, które wykonuje się na maszynie wytrzymałościowej EU-40 oraz udarności przy pomocy młota Charpy'ego (w przypadku np. konstrukcji mostowych w temperaturze -40oC). Bardzo dużym minusem badań niszczących jest konieczność wykonania specjalnych próbek z badanego materiału, co nie zawsze jest możliwe, a zawsze czasochłonne i kosztowne.

Skład chemiczny oraz własności wytrzymałościowe materiału nie są jednak wystarczające w przypadku szczególnie odpowiedzialnych części maszyn. W takim razie konieczne jest również wykonanie badań mających na celu wykrycie nieciągłości na powierzchni i w głębi materiału. Nieciągłości takie są szczególnie niebezpieczne, ponieważ w ich rejonie powstają koncentracje naprężeń (karby), od których mogą rozwinąć się pęknięcia zmęczeniowe.

Badanie defektoskopowe wału silnika podczas remontu
w Warsztatach Naprawczych.

W poszukiwaniach niezgodności wewnętrznych w KWB "Konin" wykorzystywana jest defektoskopia ultradźwiękowa - jest to metoda badań nieniszczących pozwalająca na zlokalizowanie wad wewnętrznych materiału, zarówno pochodzących z procesu wytwarzania (wtrącenia, żużle, pustki i inne niejednorodności materiałowe), jak i uszkodzeń powstałych w trakcie eksploatacji (głównie pęknięcia zmęczeniowe). W metodzie tej wykorzystywane jest zjawisko piezoelektryczne, czyli impuls prądu powoduje wygenerowanie impulsu ultradźwiękowego, który poprzez środek sprzęgający wnika do materiału badanego, wiązka odbija się od wszelkich nieciągłości materiałowych i wraca do przetwornika (w metodzie echa), który w tym momencie pełni funkcję odbiornika i sygnał ultradźwiękowy jest przetwarzany na sygnał prądowy. Sygnał ten jest poddawany analizie przez defektoskop i w efekcie otrzymujemy obraz na ekranie. Analiza wyników badań defektoskopowych jest czasami dość trudna, szczególnie jeżeli chodzi o części maszyn o skomplikowanych kształtach i wymaga od operatora dużej wiedzy i doświadczenia oraz zdobycia odpowiednich kompetencji oraz uprawnień. W trakcie badań wielokrotnie wykrywano nieciągłości w elementach maszyn podstawowych, np. w przypadku koparek SRs-1200 (w KWB "Konin" pracuje pięć maszyn tego typu) w ciągu ostatnich 10 lat wykryto następujące uszkodzenia: pęknięcie zmęczeniowe wału koła frezowego, dwukrotnie wykryto pęknięcia zmęczeniowe wałków wciągarki wysięgnika urabiającego, dwukrotnie wykryto pęknięcia sworzni osadzenia słupów pionowych nadwozia. W przypadku wszystkich przytoczonych tu uszkodzeń odpowiednio szybkie wykrycie uszkodzeń zapobiegło bardzo poważnym awariom o trudnych do przewidzenia konsekwencjach.

W wykrywaniu niezgodności powierzchniowych wykorzystywana jest metoda penetracyjna - jest to metoda powierzchniowa, polega ona na wykorzystaniu efektu kapilarnego, dzięki któremu ciecz penetracyjna wnika w nieciągłości materiału, a następnie przy pomocy wywoływacza jest z nich wyciągana na powierzchnię. Jako efekt badania otrzymujemy powiększone wskazania nieciągłości. Aby wykonać badanie, konieczny jest dostęp do badanej powierzchni, która musi być dokładnie oczyszczona. Metoda ta bardzo dobrze uzupełnia się z badaniami ultradźwiękowymi, ponieważ w przypadku defektów otwartych ku powierzchni istnieje możliwość potwierdzenia wyników badań uzyskanych przy pomocy obu metod. Metoda penetracyjna wykorzystywana była między innymi do wykrywania pęknięć portala obrotu koparki KWK-1500s przed naprawą oraz pozwoliła w trakcie ostatniego roku na wykrycie napęknięć zmęczeniowych czopów kilkunastu kół zabierakowych koparek SRs-1200 i zwałowarek A2RsB-8800 oraz słupa pionowego podawarki SRs-1200, na którym osadzona jest cała konstrukcja przenośnika taśmowego nr III.

Pęknięcie czopu wieloboku napędowego mechanizmu jazdy koparki SRs-1200 wykryte przy użyciu metody penetracyjnej.

Trzecią grupę podstawowych badań elementów maszyn stanowią badania wizualne, zarówno okiem nieuzbrojonym, jak i uzbrojonym. KWB "Konin" posiada wideoendoskop, dzięki któremu możliwe jest wykonanie oględzin w trudno dostępnych miejscach. Podczas badań spoin portala koparki KWK-1500s zastosowanie tej metody pozwoliło na określenie, że na etapie wytwarzania zamiast wykonania spoiny o dwustronnym licu (spoina typu K) wykonano tylko wewnętrzną część spoiny, natomiast spoina po drugiej stronie złącza nie została wykonana. Urządzenie to wykorzystywane było również do sprawdzania przekładni o bardzo zwartej budowie czy oceny stanu technicznego łoża kulowego zwałowarki A2RsB-8800.

Właściwa praca nawet najlepiej wykonanych części maszyn nie jest możliwa w przypadku, gdy zostaną one niewłaściwie zmontowane. W procesie montażu również wykorzystywane są zdobycze nowoczesnej techniki. W tego typu pracach stosowane są urządzenia optyczne i laserowe.

Pęknięcie żebra ostatniego koła zębatego przekładni głównej koparki SRs-1200 wykryte metodą penetracyjną.

Montaż zespołów napędowych dużych mocy, w celu zapewnienia im długotrwałej i prawidłowej pracy, wymaga bardzo precyzyjnego dopasowania. W tym celu stosowane jest urządzenie combi laser, czyli laserowy system do osiowania zespołów napędowych - pozwala on na wykonanie tej operacji z dokładnością do 0,01 mm. Stosowany system jest modyfikacją metody "dwóch czujników", czyli w skład urządzenia wchodzą dwa detektory, z których każdy emituje wiązkę laserową oraz matryce rejestrujące przemieszczenia się wiązek. System analizuje zebrane informacje i na ich podstawie podaje wartości korekt ustawienia. Połączenie bardzo dużej dokładności wzajemnego ustawienia elementów napędowych z zastosowaniem posadowienia silnika na specjalnej chemoutwardzalnej masie powoduje zwiększenie trwałości zespołu napędowego przy jednoczesnej redukcji hałasu oraz drgań. Urządzenia te są szczególnie przydatne w przypadku zastosowania do połączenia silnika i przekładni sprzęgieł przeponowych, ponieważ w tym przypadku uzyskanie prawidłowego wzajemnego ustawienia elementów napędowych przy użyciu tradycyjnych metod jest bardzo trudne. Przy pomocy tego urządzenia możliwe jest również sprawdzenie prostoliniowości elementów maszyn (np. wału, łoża obrabiarki) z dokładności 0,01 mm do długości 8 m.

Pękniecie słupa pionowego podawarki koparki
SRs-1200 - wykrycie przy pomocy metody penetracyjnej.

W KWB "Konin" wykonywane są także pomiary geometrii konstrukcji maszyn podstawowych. W tym celu wykorzystywane jest urządzenie optyczne jakim jest teodolit, ale przede wszystkim urządzenia laserowe takie, jak dalmierz oraz niwelator laserowy, który ma możliwość emitowania dodatkowych dwóch wiązek prostopadłych do wiązki głównej oraz możliwości zatrzymywania wiązki głównej w wybranym miejscu przy pomocy płytki refleksyjnej, co pozwala na bardzo dokładne zmontowanie elementów maszyn oddalonych od siebie na znaczne odległości. Techniki te były z powodzeniem stosowane podczas wykonywania modernizacji koparki RS-400, a przede wszystkim zwałowarki A2RsB-5000M.

Poza badaniami na etapie wytwarzania oraz montażu w KWB "Konin" wykonywane są również badania eksploatacyjne, określające przydatność maszyn i urządzeń układu KTZ do dalszej pracy. W tym celu wykorzystywany jest głównie analizator drgań Mikrolog 55. Urządzenie to pozwala na przetworzenie sygnału drganiowego i uzyskanie widma drgań, w którym można zidentyfikować, jaki element maszyny jest źródłem wibracji i na tej podstawie ocenić stan techniczny urządzenia. W warunkach kopalni tylko badania częstotliwościowe mają sens, ponieważ mamy do czynienia z bardzo dużymi zakłóceniami pochodzącymi od drgań konstrukcji. Diagnostyka wibroakustyczna stosowana jest w KWB "Konin" do weryfikacji stanu technicznego zespołów napędowych, a szczególnie przekładni zębatych. Rozwinięciem diagnostyki drganiowej prowadzonych w systemie pomiarów okresowych jest zainstalowanie sytemu monitoringu nadzorującego prawidłowość działania najważniejszych i najbardziej kosztownych elementów maszyny. W chwili obecnej prowadzone są prace nad wprowadzeniem takiego systemu na przekładni głównej koparki SchRs-800, przy których kopalnia współpracuje z Akademią Górniczo-Hutniczą w Krakowie. Współpracę w zakresie diagnostyki kopalnia prowadzi również z Politechniką Wrocławską.

Diagnostyka wibroakustyczna przekładni zębatej przy pomocy analizatora drgań Mikrolog CMVA 55.

Upływ czasu oraz długotrwała praca maszyn podstawowych nie pozostaje bez wpływu na stan techniczny ich konstrukcji. Do oceny ich stanu technicznego wykorzystywane są pomiary tensometryczne oraz wielopunktowe pomiary drgań konstrukcji, które we współpracy z kopalnią wykonywał Poltegor-Instytut, oraz analizy stany naprężeń konstrukcji z wykorzystaniem metody elementów skończonych, które w oparciu o wyniki pomiarów dostarczone przez KWB "Konin" wykonywała Politechnika Wrocławska.

Do oceny stanu konstrukcji wykorzystywane były również badania termowizyjne. Technika ta pozwala na wykrycie miejsc emitujących większe ilości ciepła. Zjawisko jest charakterystyczne dla miejsc, w których naprężenia dynamiczne konstrukcji są największe lub występują poluzowania elementów złącznych i w węzłach występują procesy tarcia.

Wynik badania wibroakustycznego - widmo prędkości drgań VRMS.

Prawidłowa praca maszyn podstawowych układu KTZ wymaga zapewnienia odpowiedniej jakości na wszystkich etapach - zarówno produkcji, montażu, jak i eksploatacji. Zastosowanie nowoczesnych urządzeń i technik badawczych pozwala na odpowiednio wczesne wyeliminowanie błędów i - co za tym idzie - ograniczenie kosztów i zmniejszenie liczby awarii. Działania takie wydłużają również czas pracy elementów maszyn podstawowych. Proces zapewnienia jakości musi obejmować wszystkie etapy wytwarzania, montażu i eksploatacji, ponieważ usterka, której wyeliminowanie we wczesnym etapie produkcji pociąga za sobą niewielkie koszty i nakład pracy, może spowodować bardzo poważne konsekwencje, a awaria części z pozoru mniej ważnej powodując tzw. "efekt domina" może doprowadzić do uszkodzenia bardzo kosztownego mechanizmu. Z tych właśnie powodów zagadnienia jakości muszą być wdrażane jako rozwiązania systemowe, ponieważ nawet najlepsze inicjatywy bez wzajemnego powiązania dają w tej dziedzinie niewielkie efekty.