Развитие методологических основ эксплуатации и модернизации тяжелонагруженных узлов металлургических машин и агрегатов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, доктор наук Терентьев Дмитрий Вячеславович

• Терентьев Дмитрий Вячеславович
• доктор наук
• 2019

Оглавление диссертации доктор наук Терентьев Дмитрий Вячеславович

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО УЛУЧШЕНИЮ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЯЖЕЛОНАГРУЖЕННЫХ УЗЛОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ АГРЕГАТОВ

1.1. Особенности контактного взаимодействия поверхностей в зависимости от вида их обработки и микрорельефа при эксплуатации в узлах машин и механизмов

1.2. Анализ известных методик прогнозирования ресурса тяжелонагруженных узлов с учетом толщины смазочного слоя между контактирующими поверхностями

1.2.1. Экспериментальные и теоретические исследования режимов трения в узлах машин и агрегатов при наличии смазочного слоя между трущимися поверхностями

1.2.2. Исследования долговечности и ресурса тяжелонагруженных подшипников качения и зубчатых зацеплений

1.3. Анализ смазочных материалов, методов и систем смазывания, применяемых в тяжелонагруженных узлах металлургического оборудования

1.4. Влияние условий эксплуатации металлургических машин и агрегатов на ресурс их основных узлов

1.5. Выводы по главе

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОНТАКТИРУЮЩИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ УЗЛОВ ТРЕНИЯ

2.1. Анализ усталостной прочности тел качения подшипников с использованием метода конечных элементов

2.2. Исследование маслоемкости поверхностей трения в зависимости от способа обработки и микротопографии шероховатых слоев

2.3. Аналитический подход к определению толщины смазочного слоя с учетом маслоемкости контактирующих поверхностей

2.4. Экспериментальные исследования влияния маслоемкости контактирующих поверхностей на толщину смазочного слоя

2.4.1. Определение параметров микротопографии контактирующих поверхностей роликов

2.4.2. Экспериментальные исследования толщины смазочного слоя между контактирующими поверхностями на машине трения

2.5. Выводы по главе

3. ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОДШИПНИКОВЫХ УЗЛОВ И ЗУБЧАТЫХ ЗАЦЕПЛЕНИЙ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

3.1. Разработка лабораторного стенда для физического моделирования работы зубчатых передачах

3.2. Стендовые испытания зубчатых зацеплений в зависимости от условий эксплуатации

3.3. Экспериментальные исследования процессов смазывания подшипников качения на лабораторном стенде для физического моделирования

3.4. Выводы по главе

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ АГРЕГАТОВ НА ХАРАКТЕР ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОНТАКТИРУЮЩИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ И СВОЙСТВА СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

4.1. Исследование свойств смазочных материалов в процессе эксплуатации редукторов скиповых лебедок доменных печей

4.2. Повышение герметичного засыпного аппарата доменной печи

4.3. Исследование условий эксплуатации подшипниковых узлов роликов машин непрерывного литья заготовок

4.4. Определение рациональных режимов эксплуатации подшипниковых узлов роликов машин непрерывного литья заготовок при использовании системы смазывания «масло-воздух»

4.5 Выводы по главе

5 ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ, НАПРАВЛЕННЫЕ НА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МАШИН И АГРЕГАТОВ

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

5.1. Совершенствование тяжелонагруженных узлов доменного, сталеплавильного и прокатного переделов

5.2. Методология модернизации и совершенствования условий эксплуатации тяжелонагруженных узлов металлургических агрегатов

5.3. Выводы по главе

6. ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЙ

6.1. Основные результаты внедрения в условиях ПАО "Магнитогорский металлургический комбинат"

6.2. Выводы по главе

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

СПИСОКЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Развитие методологических основ эксплуатации и модернизации тяжелонагруженных узлов металлургических машин и агрегатов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В технологическом процессе на каждом металлургическом переделе задействованы сотни и тысячи агрегатов и рабочих узлов, от надежности и эффективности работы которых зависит объем и качество готовой продукции. Как показывает опыт проектирования, изготовления и эксплуатации машин и агрегатов, одной из главных причин выхода из строя их деталей и узлов является изнашивание контактирующих поверхностей. Результаты статистических исследований показывают, что не менее чем в 75% случаев выход из строя всего механического оборудования связан с износом их узлов, а также с повреждениями контактирующих поверхностей. Для снижения износа трущихся поверхностей в узлах машин и агрегатов применяют различные смазочные материалы, при этом немаловажным является способ подачи смазочного материала в зону контакта поверхностей трения. В свою очередь, способы подачи смазочного материала определяются системами смазки. Триботехнические и физико-химические свойства смазочных материалов, используемых в узлах металлургических машин и агрегатов, должны быть максимально стабильны в процессе работы и даже при неблагоприятных параметрах эксплуатации изменяться незначительно. В зависимости от условий эксплуатации подшипниковых узлов и зубчатых передач подбирают смазочный материал с теми или иными свойствами, при этом особое внимание уделяется вязкости. В свою очередь, условия эксплуатации машин и агрегатов характеризуются такими основными параметрами, как скорость взаимного перемещения контактирующих поверхностей, нагрузки, состояние окружающей среды (температура эксплуатации, количество абразивных частиц, наличие агрессивных сред и т.д.). Известно, что основное влияние на свойства минеральных и синтетических масел и пластичных смазочных материалов оказывают абразивные частицы, попадающих в узлы механизмов и машин, и температура эксплуатации.

Свойства смазочных материалов в значительной степени зависят от условий эксплуатации узлов, в которых они используются. Вопрос сохранения требуемых триботехнических и физико-химических свойств смазочных материалов очень важен для механического оборудования, которое работает в агрессивных средах, при высоком содержании абразивных частиц, повышенных температурах. Именно в таких условиях эксплуатируют большинство узлов металлургических машин и агрегатов. Особенно остро эти проблемы стоят для механического оборудования доменных и сталеплавильных печей, машин непрерывного литья заготовок, станов горячей и холодной прокатки. В зависимости от специфики работы узлов и параметров их смазывания применяют либо пластичный, либо жидкий смазочный материал.

Согласно ГОСТ 30858-2003 «Обеспечение износостойкости изделий. Триботехнические требования и показатели. Принципы обеспечения. Общие положения» для смазочных материалов характерными являются следующие свойства:

- совместимость смазочных материалов - способность двух или нескольких смазочных материалов смешиваться между собой без ухудшения их эксплуатационных свойств и стабильности при хранении;

- консистенция смазочного материала - способность пластичных смазочных материалов оказывать сопротивление деформации при внешнем воздействии;

- вязкость - возможность веществ оказывать внутреннее сопротивление слоев при трении;

- возможность смазочного материала уменьшать износ и силу трения, при этом вязкость не должна оказывать существенного влияния.

Производители смазочных материалов для подшипников качения и скольжения, а также зубчатых передач разрабатывают и предлагают множество математических моделей и методик для выбора того или иного смазочного

материала, при этом подобные рекомендации носят общий характер и касаются, в основном, класса вязкости.

Степень разработанности темы исследования. Большой вклад в развитие научных основ повышения работоспособности и надежности машин и агрегатов внесли А. Камерон, Д.С Коднир, М. Хебты, А.В. Чичинадзе, Д.Н. Гаркунов, И.В. Крагельский, В.Ф. Решетников, М.В. Коровчинский, Д. Доусон,

A.Н. Грубин, А.И. Петрусевич, Г.В. Хиггинсон, А Крук, М.В. Райко, И.М. Елманов, А.А. Королев, А.Н. Чичинев, Ю.А Розенберг, И.А. Тодер,

B.П. Анцупов, Ю.В. Жиркин и другие российские и зарубежные ученые.

На основе экспериментальных и теоретических исследований отечественными и зарубежными учеными разработаны методики и подходы для выбора способа смазывания и применяемых смазочных материалов для снижения коэффициента трения и износа контактирующих поверхностей. В тоже время бесспорным является то, что с целью увеличения работоспособности и ресурса узлов машин и агрегатов металлургического производства выбор конкретного типа смазочного материала и системы смазывания необходимо осуществлять с учетом условий эксплуатации.

Поэтому увеличение ресурса машин и агрегатов металлургического производства путем снижения износа контактирующих поверхностей таких тяжелонагруженных узлов, как подшипники качения и зубчатые зацепления несомненно является важной и актуальной задачей.

Представляемая диссертационная работа направлена на решение поставленных проблем и задач.

Изложенные в работе результаты теоретических, экспериментальных исследований и внедрения технических решений в действующее производство направлены на увеличение ресурса машин и агрегатов доменных и сталеплавильных печей, листовых станов горячей и холодной прокатки за счет модернизации существующих и разработки новых тяжелонагруженных узлов с применением авторских методик, учитывающих условия эксплуатации,

характер взаимодействия контактирующих поверхностей, применяемые смазочные материалы и системы смазки. Использование полученных результатов позволяет повысить эффективность металлургического производства в целом за счет снижения затрат на обслуживание и ремонт оборудования и увеличения производительности агрегатов из-за снижения простоев.

Исследования выполняли в соответствии с основными положениями научно-технической программы Минобразования Российской Федерации «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (приказ Министерства образования Российской Федерации №539от 19.02.2001) (подпрограмма «Производственные технологии»), а также в качестве инициативных разработок по соглашению с ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат».

Объект исследования: тяжелонагруженные узлы металлургических машин и агрегатов, в частности подшипники качения, зубчатые передачи и герметизирующие устройства.

Предмет исследования: улучшение эксплуатационных характеристик и повышение ресурса тяжелонагруженных узлов путем их модернизации.

Цель работы: развитие методологических основ улучшения эксплуатационных характеристик и повышение ресурса тяжелонагруженных узлов металлургических машин и агрегатов путем научно-обоснованного подхода к их модернизации с учетом характера взаимодействия контактирующих поверхностей, условий эксплуатации, герметизации, применяемых смазочных материалов и систем смазывания.

Для достижения поставленной цели в работе решали следующие основные задачи:

1. Аналитические исследования по выявлению закономерности изменения толщины смазочного слоя в узлах металлургических машин и агрегатов в зависимости от маслоемкости контактирующих поверхностей.

2. Разработка комплекса методов физического моделирования процессов взаимодействия поверхностей в подшипниковых узлах и зубчатых зацеплениях при различных условиях эксплуатации применяемых смазочных материалов, систем и условий смазывания.

3. Установление зависимости триботехнических свойств смазочных материалов и толщины смазочного слоя в тяжелонагруженных узлах металлургических машин от силовых и температурных параметров их работы.

4. Определение в лабораторных и промышленных условиях эффективности применения различных смазочных материалов и систем смазывания и их влияние на износостойкость подшипников качения и зубчатых передач, а также на ресурс основных металлургических агрегатов в целом.

5. Разработка научного подхода к повышению эффективности герметизирующих устройств металлургических агрегатов для снижения количества абразивных частиц в их узлах.

6. Совершенствование существующих и разработка новых конструкций узлов машин и агрегатов металлургического производства и систем их смазывания с целью обеспечения надежной эксплуатации и продления ресурса.

7. Разработка методологии модернизации и совершенствования условий эксплуатации тяжелонагруженных узлов металлургических агрегатов для повышения их ресурса.

8. Опытно-промышленное опробование предложенных решений, оценка эффективности их использования и внедрение в действующее производство в условиях металлургического предприятия.

Методология и методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований на основе системного подхода, включающий анализ и экспериментальную проверку полученных результатов в лабораторных и промышленных условиях. В исследованиях использовали экспериментальные и теоретические методы определения толщины масляной пленки, коэффициента трения и свойств смазочных материалов в

тяжелонагруженных узлах металлургических машин и агрегатов в зависимости от условий их эксплуатации, а также авторские разработки.

На защиту автором выносятся:

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований маслоемкости шероховатых слоев контактирующих поверхностей узлов металлургических машин и агрегатов.

2. Методика расчета толщины смазочного слоя в тяжелонагруженных узлах металлургических машин в зависимости от маслоемкости контактирующих поверхностей.

3. Методология модернизации и улучшения условий эксплуатации подшипниковых узлов и зубчатых зацеплений, позволяющая на основе использования комплекса методик математического и физического моделирования и применения лабораторных стендов повысить их ресурс.

4. Результаты исследовательских и опытно-конструкторских работ по разработке научно-технических решений для повышения срока службы металлургических машин и агрегатов, внедренные в условиях ПАО «ММК" и показавшие значительный экономический эффект.

Научная новизна работы:

1. Разработан аналитический метод определения показателя маслоемкости шероховатых поверхностей подвижных соединений, отличающийся учетом вида их обработки и параметров опорной кривой контактирующих поверхностей.

2. Научно обоснована количественная зависимость толщины смазочного слоя в узлах металлургических агрегатов при их эксплуатации от маслоемкости контактирующих поверхностей, позволяющая определить режим трения на стадии проектирования подвижных соединений металлургических машин.

3. Предложен новый подход по определению прочностных характеристик роликов тяжелонагруженных подшипников качения,

заключающийся в моделировании процесса качения ролика между двумя жесткими плитами с учетом предела выносливости при пульсирующем цикле.

4. Впервые предложена и научно обоснована методика расчета угловых деформаций герметизирующих устройств при различных силовых и температурных режимах эксплуатации, позволившая рекомендовать изготовление контактирующих поверхностей с разницей в угле конусности 1520' и снизить в результате этого количество абразивных частиц, попадающих в узлы металлургических агрегатов, в 1,6-1,8 раза.

5. Разработана методика прогнозирования ресурса тяжелонагруженных узлов металлургических машин и агрегатов, отличающаяся от известных учетом корректирующего коэффициента базового ресурса, принимающего значения от 0,8 до 1,1 в зависимости от маслоемкости шероховатых слоев и параметров эксплуатации.

6. Расширены представления о применении систем смазывания узлов металлургических машин, заключающиеся в исследованиях эффективности применения того или иного способа подачи смазочного материала, с учетом полученной методики по определению толщины смазочного слоя и методики прогнозирования ресурса, позволяющие повысить срок службы данных узлов до 3-х раз.

7. Научно и технически обоснована методология модернизации и улучшения эксплуатационных характеристик тяжелонагруженных узлов, отличающаяся от известных применением разработанных методик и целенаправленных подходов к рациональному выбору смазочных материалов, систем смазывания и герметизирующих устройств, направленная на повышение ресурса металлургических машин и агрегатов в 1,1-1,3 раза.

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается корректностью постановок математических задач, строгостью применяемых методов решения, использованием современных аттестованных приборов для оценки температурных условий эксплуатации подшипников и

зубчатых передач и свойств применяемых смазочных материалов, а также вибродиагностических устройств для мониторинга работы тяжелонагруженных узлов. Предложенные технические решения внедрены в условиях ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат» на нескольких металлургических переделах.

Практическая значимость работы:

1. Разработан испытательный лабораторный стенд для физического моделирования фрикционного взаимодействия зубчатых зацеплений и определения коэффициента трения (Патент РФ № 88445). Полученные с использованием испытательного стенда результаты позволяют обоснованно выбирать смазочный материал и способ смазывания зубчатых зацеплений для повышения ресурса их работы.

2. Разработаны и внедрены в условиях доменного цеха ПАО «ММК» системы смазывания и уплотнительные устройства механизмов скиповых лебедок, предложены эффективные смазочные материалы. Предложенные технические решения позволили увеличить ресурс редукторов скиповых лебедок в 1,2-1,3 раза.

3. Разработан ряд конструкций подшипниковых узлов и пар трения роликовых секций слябовых МНЛЗ (свидетельства РФ на полезные модели № 24711 и24712, патенты РФ №46547 и46548). Внедрение разработанных конструкций в условиях кислородно-конвертерного цеха ПАО «ММК» позволило получить экономический эффект около 100 млн руб. за счет увеличения ресурса роликовых секций в 2,0 раза.

4. Разработаны и внедрены режимы смазывания подшипниковых узлов роликовых секций слябовых МНЛЗ при использовании систем смазывания «масло-воздух».

5. Предложенная централизованная система смазывания подшипниковых узлов роликовых секций сортовых МНЛЗ внедрена в условиях электросталеплавильного цеха ПАО «ММК». Внедрение предложенной

системы позволило снизить износ подшипниковых узлов и увеличить ресурс роликовых секций в 1,4 раза.

6. Модернизированы и усовершенствованы режимы смазывания, а также конструкции уплотнительных и подшипниковых узлов рабочих валков, межклетевых роликов и рольгангов станов горячей и холодной прокатки. Предложенные решения внедрены на стане 2000 горячей прокатки и двухклетевом реверсивном стане 2500 холодной прокатки ПАО «ММК».

7. Суммарный экономический эффект от использования технических разработок, полученных по результатам исследований составляет приблизительно 250 млн. рублей.

Апробация работы. Основные результаты диссертации прошли апробацию в виде выступлений автора с научными докладами: на международных научно-технических конференциях МГТУ им. Г.И. Носова (2010-2018 гг.); IV международном конгрессе прокатчиков, международной научно-технической конференции «Современные достижения в теории и технологии пластической обработки металлов» (Санкт-Петербург, 2005 г.); международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии» (Липецк, 2006 г.); 8-й международной практической конференции-выставке «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки» (Санкт-Петербург, 2006 г.); VI международном промышленном форуме «Реконструкция промышленных предприятий - прорывные технологии в металлургии и машиностроении» (Челябинск, 2014 г.); XI международном конгрессе прокатчиков (Магнитогорск, 2017 г.), международной научно-технической конференции «Современные направления и перспективы развития технологий обработки и оборудования в машиностроении 2018» (Севастополь, 2018 г.).

Результаты работы отмечены премией Правительства РФ в области науки и техники для молодых ученых по результатам 2011 года, а автор является лауреатом данной премии.

Личный вклад автора состоит в непосредственном участии при организации, постановке и проведении всех экспериментальных и теоретических исследований, анализе результатов работы, обобщении и обосновании всех защищаемых положений, а также во внедрении результатов исследований в производство.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержит 226 страниц машинописного текста, включающего 84 рисунка, 6 таблиц, библиографический список из 300 наименований и 13 приложений.

Публикации. Основные результаты диссертации достаточно полно отражены в 26 публикациях, в том числе 11 научных статей опубликованы в рецензируемых изданиях из перечня ВАК РФ, 7 статей в журналах, индексируемых в международной наукометрической базе Scopus, 6 патентов РФ и 2 статьи в других изданиях.

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО

УЛУЧШЕНИЮ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЯЖЕЛОНАГРУЖЕННЫХ УЗЛОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ

АГРЕГАТОВ

Известные статистические сведения показывают, что главная причина выхода из строя узлов и механизмов, в которых они работают, является не разрушение деталей под действием нагрузок, а износ контактирующих поверхностей и нестабильность их триботехнических характеристик.

Повышение ресурса тяжелонагруженных узлов как подшипники качения и зубчатые зацепления - одно из приоритетных направлений в области конструирования и эксплуатации металлургических машин и агрегатов. Несмотря на многочисленные исследования, процесс взаимодействия контактирующих поверхностей при их взаимном перемещении изучен недостаточно для надежного расчета и прогноза ресурса тяжелонагруженных узлов, к которым относятся подшипники и зубчатые зацепления машин и агрегатов доменного, сталеплавильного и прокатного переделов металлургического производства.

Подшипники качения и зубчатые передачи относятся к узлам с сосредоточенным контактом, т.е. узлам трения с неконформным сопряжением, в которых между формами взаимодействующих поверхностей нет геометрической связи.

Значительный вклад в изучение процессов, протекающих в неконформных узлах, внесли М. Хебты, А.В. Чичинадзе [1-4], А. Камерон [5-7, 35], Д.С Коднир [8-10], В.Ф. Решетников, М.В. Коровчинский, Д.Н. Гаркунов [11,74,82,112], И.В. Крагельский [38,109,119,124], А.Н. Грубин, А.И. Петрусевич [12], Д. Доусон [13,76], Г.В. Хиггинсон, Д. Арчард [33], А Крук [34], М.В. Райко [14-17], И.М. Елманов [18-21], Ю.А Розенберг [22,23],

И.А. Тодер [36], Н.А. Чиченев [268-277], Ю.В. Жиркин [24-32], В.П. Анцупов [284-293] и другие ученые [33-81, 278-283, 294-299 и др.].

Существует несколько различных методов увеличения повышения ресурса узлов машин и агрегатов, которые разделяют на три основные группы: конструкционные, технологические и эксплуатационные.

В данной работе особое внимание уделяется эксплуатационным способам, так как именно от условий эксплуатации в основном зависит срок службы узлов механического оборудования. При этом важнейшими параметрами эксплуатации являются характер взаимодействия контактируемых поверхностей, степень герметизации узла и подача в него смазочного материала, что в свою очередь предполагает определение:

- вида, типа и класса вязкости используемого смазочного материала;

- способа подачи смазочного материала в узлы машин и агрегатов;

- количества и периодичности поступления смазочного материала на контактируемые поверхности.

Взаимодействие контактируемых поверхностей с учетом условий их эксплуатации изучено довольно подробно, однако имеются лишь единичные работы, в которых рассматривается влияние микрорельефа данных поверхностей на характер их взаимодействия и процесс изнашивания.

1.1. Особенности контактного взаимодействия поверхностей в зависимости от вида их обработки и микрорельефа при эксплуатации в

узлах машин и механизмов

Известно, что эксплуатационные свойства поверхностей трения тяжелонагруженных узлов в значительной степени зависят от микрорельефа [39-45].

Так, в работе [41] приводятся результаты экспериментов по влиянию параметров микрорельефа контактируемых поверхностей на коэффициент трения. Экспериментальные исследования проводили на цилиндрических зубчатых колесах при различных скоростях скольжения и нагрузках.

Авторами показано (рисунок 1.1), что максимальные значения коэффициента трения наблюдаются при наименьших скоростях скольжения и наибольших значениях высотного параметра микрорельефа Rа.

К

<и

Л

ч о и о

X

<и £

<и

к а к

о

0,16

0,14

0,12

0,10

0,08

0,06

Нагрузка, Н

Рисунок 1.1 - Зависимость коэффициента трения-скольженияот нагрузки при скоростях скольжения 0,5 (кривая I); 1,90 (кривая II); 3,20 м/с (криваяШ) и микрорельефах поверхности Ra = 0,8 (кривая 1); 0,16 (кривая 2)

и 0,02 мкм (кривая 3) [41]

В тоже время анализ полученных данных позволил авторам сделать вывод, что изменение шероховатости, а точнее параметра Rа ,в 30 раз изменяет коэффициент трения только в 2,0 раза. Дальнейшие исследования [41],

согласующиеся с результатами, полученными в работах [42-45], показали, что шероховатость оказывает влияние на вид трения: жидкостное, граничное или сухое (авторы применяют термин «трение схватывания»).

Результаты исследований позволили авторам вывести эмпирическую зависимость толщины масляной пленки от параметра Rа и величины нагрузки

N

е = 5,5Я.0;53 (0,Ш )-0,65. (1.1)

Анализ данной формулы показывает, что толщина масляной пленки и возможность образования гидродинамического клина в значительной степени зависят от микрорельефа контактируемых поверхностей, а значит, и от их маслоемкости.

Недостатком полученных данных является то, что учитывается только один высотный параметр микрорельефа, тогда как известно, что даже при одинаковых высотных и шаговых параметрах вид микрорельефа может значительно отличаться и его маслоемкость будет различной.

Многочисленными исследованиями показано, что поверхности трения, имеющие маслоудерживающий рельеф, обладают значительно лучшими триботехническими свойствами [39-46], а недостаточная маслоемкость контактирующих поверхностей в период приработки и износа микровыступов может привести к схватыванию и более интенсивному износу узлов трения. Данное утверждение подтверждено в работе [41] для цилиндрических крупномодульных зубчатых колес.

Вопросу оценки маслоемкости стыка шероховатых поверхностей посвящена работа [40]. Автор предлагает рассчитывать маслоемкость т по формуле:

т = КККЁЁк,„ -%,])+ («2™ -%,])-л], 0-2)

i=1 j=1

R1max И R2max

где kx, ky, kz - масштабные коэффициенты модели;

Raa - параметра микрорельефа образца, имеющего направленность под углом а к оси инструмента; - максимальная высота неровностей образца и контртела;

R j] - высота микронеровностей в точках [i, j] матрицы;

Л - величина сближения, отсчитываемая от исходной точки ,

R1max + R,max, в которой ни одна из вершин

микронеровностей не контактирует с сопрягаемой поверхностью.

При помощи математического моделирования авторы представили маслоемкость контакта шероховатых поверхностей при различном направлении микронеровностей (рисунок 1.2) [40].

л н о о и S к о ч

о eö

— параллельна ■А— под углом 45 -Ж— перпендикулярно

I .fc^steay Hi I iti.|

50 70 90

Сближение, %

Рисунок 1.2 - Маслоемкость контакта шероховатых поверхностей образца( Ra = 3,2 мкм) и контртела( Ra =12,5 мкм)

Анализ значений маслоемкости, полученных в ходе исследования, в зависимости от угла взаимодействия шероховатых поверхностей и их сближения, показал, что наибольшая маслоемкость контакта наблюдается для поверхностей, у которых микрорельефы взаимодействуют перпендикулярно или под углом 45°. В то же время наименьшая маслоемкость стыкового зазора наблюдается при параллельном контакте микронеровностей. Следует отметить, что при сближении микрорельефов на 20% и более, что характерно для тяжелонагруженных пар трения узлов металлургических агрегатов, особенно в условиях эластогидродинамического режима трения, влияние направленности микронеровностей на маслоемкость стыка становится исчезающе малым.

Положительной стороной предлагаемой автором [40] модели контакта шероховатых поверхностей является установление зависимости маслоемкости в зоне контакта от сближения микрорельефов в рамках принятых им допущений. Одним из таких допущений является одноуровневое расположение микронеровностей, иллюстрированное экранной формой программы моделирования, что является явным недостатком подхода, так как это достаточно грубая аппроксимация шероховатых слоев. Еще одним недостатком формулы (1.2) является неопределенность масштабных коэффициентов кх, к , кг.

В нескольких работах [40,42,43] авторами выполнены большие исследования по определению маслоемкости поверхностей, однако адекватность представленных теоретических моделей подтверждена только для неподвижного контакта шероховатых поверхностей и поэтому они не могут быть распространены без доработок на контакт поверхностей с относительным их смещением.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Терентьев Дмитрий Вячеславович, 2019 год

- х„

а?,.

8

^ + ¿с ) + о

х(х+

(4.10)

И - п

^ + ¿с )-+п -

8-¿с к с' /

+

I ^ I

8-¿с

Z+Zс-8 ,

-( - хс

(-8 с

АЬ 8

(I + )+ ?0

х(х +

Ь - ¿с И - хс

+ I ^ I

/-Zc z+Zc -8

а?к

8

(Z + ¿с )+ ?о

х(х.

Ь-8

( - х„

(4.11)

Параметры а, Ь, (, /, И, п, 8, х0, , г0, гк, г0к, ак - приведены на рисунке 4.9.

х

с

х

с

Рисунок 4.9 - Схема расчета поперечного сечения нижнего кольца чаши

Краевые силы 00 и моменты М0 определяют из соотношений:

00 _

м 0 _

А22 Б1 " А12 Б2 .

А11А22 " " А12 А21

Б А21 - 4А

А12 А21 - А11 А22

где А11

А _

1

Г0 Г0к

2Д2 ЕЕ

хс Г0 Г0к

EJ

л _ 1 + Г0 Г0кхс

А12 — т "Т"

12 2Д2 EJ

_ 1 г0 Г0 к А22 _

Дк EJ

(4.12)

(4.13)

А _ - А •

А21 а12 ;

А

_ (1 + м)в(А; + 1 d(А/Рг2 '

2к 28

V

+ Я1ГкГ0 к +

EF

н к dx | ^ Я

Е8

1+ Я Рг

- в +

о У

Г0к«] К _

F

а cos ак -

8 2

ГкГ0 кХс

ЕЗ

+

Я2 (хс -аЯпак - пУкГокхс

Г0кХс

в] хгксР

F

Б,

ЕЗ

(1 + + 1 Л (А/У

+

к8

Яг (Хс -

V

2 (хс -аБтак - п)ГКГ0к

2к Лх - п )

- в ^

З

Ли Ях

г

8

аcosа

V 2 у

ГкГ0 к

У

г

Лх

0кв\ х*к^

F

ЕЗ

+

ЕЗ

З

Использованные при расчетах размеры приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 - Размеры параметров нижнего кольца чаши

Объем 3 печи, м Л 8 п h I Ь ак, град

мм

1370 150 50 112 282 108 162 55,5

2000 155 70 105 260 88 158 63

В таблице 4.2приведены угловые деформации контактного кольца чаши доменных печей объемом 1370 и 2000 м в зависимости от температурного режима.

Угловые деформации нижнего кольца чаши изменяют характер контакта между конусом и чашей, образуя клинообразную щель, которая расширяется книзу контактного пояса. Поворот сечения нижнего кольца чаши смещает

точку приложения силы R от середины контактного пояса к его верхней части. Такое смещение способствует некоторому уменьшению угла поворота нижнего кольца, однако полностью его исключить не может. Таблица 4.2 - Угловые деформации контактного пояса для различных видов

нагрева чаши доменных печей

Параметр a мм Температура колошниковых газов tu te toe Ч Че Y к, мин. А ,, мм

°С

3 Доменная печь объемом 1370 м

200 200 140 180 50 25 50 17,7 12,6 0,576 0,41

60 300 300 240 280 60 30 60 19,4 14,3 0,629 0,464

0 400 400 340 380 80 40 80 27,1 20,1 0,882 0,654

500 500 440 480 100 50 100 32,9 25,2 1,079 0,820

3 Доменная печь объемом 2000 м

200 200 140 180 50 25 50 17,7 12,6 0,576 0,41

85 300 300 240 280 60 30 60 19,4 14,3 0,629 0,464

0 400 400 340 380 80 40 80 27,1 20,1 0,882 0,654

500 500 440 480 100 50 100 32,9 25,2 1,079 0,820

Примечание - В числителе приведены результаты расчетов деформаций

нижнего кольца чаши при условии, что равнодействующая сила R приложена к

середине контактного пояса чаши и конуса. В знаменателе приведены значения

угловых деформаций при условии смещения равнодействующей к верхней части контактного пояса.

Зазор в нижней части контактного пояса увеличивается с повышением температуры колошникового газа. Так, при повышении температуры колошникового газа с 200 до 500оС (т.е. в 2,5 раза) увеличение размера зазора происходит в2,0-2,1 раза, а от температурных напряжений по сравнению с монтажным зазором составляет для доменных печей объемом 1370 м3 13,7 и 27,3 раза и для доменных печей объемом 2000 м - 18,7 и 39,5 раза. Особенно интенсивно увеличение зазора наблюдается при температуре колошникового газа выше 300оС.

Анализ полученных результатов показывает, что для доменных печей объемом 1370 м величина угловых деформаций нижнего кольца чаши составляют 12,6 мин при 200оС и 25,2 мин при 500оС,для доменных печей объемом 2000 м3- 11,2 мин при 200оС и 23,7 мин при 500оС. Угловые деформации нижнего кольца чаши изменяют характер контакта между конусом и чашей, образуя клинообразную щель, которая расширяется книзу контактного пояса. Увеличение зазора в нижней части кольца чаши для доменных печей объемом 1370м3составляет0,41 мм при 200оС и 0,82 мм при 500оС, для доменных печей объемом 2000 м3- 0,56 мм при 200оС и 1,185 мм при 500оС.

Увеличение зазоров повышает количество колошникового газа, проходящего через засыпные аппараты, а соответственно и количество выносимой в атмосферу колошниковой пыли и способствует увеличению твердых осаждений на их контактных поверхностях. Наличие угловой щели изменяет направление выхода колошникового газа в сторону поверхности конуса засыпного аппарата, способствуя образованию продувов на нем. Поворот нижнего кольца чаши приводит к уменьшению протяженности контакта чаши и конуса по ходу колошниковых газов и, как следствие, к уменьшению сопротивления их истечению. Таким образом, контакт чаши и

конуса в процессе эксплуатации доменной печи происходит не по контактным поверхностям, а по кольцевой линии верхней части кольца чаши, что значительно ускоряет его износ в верхней части.

С целью улучшения герметичности засыпного аппарата рекомендуется выполнять шлифование контактной поверхности чаши с углом конусности на 15-20' больше по сравнению с углом конусности контактной поверхности конуса. Разница в углах наклона контактных поверхностей конуса и чаши компенсируется угловой деформацией нижнего кольца чаши в процессе эксплуатации доменной печи.

Определены величины угловых деформаций нижнего кольца при различных схемах нагружения и температурных режимах эксплуатации деталей засыпных аппаратов доменных печей 1370 и 2000 м . Установлено, что температурные напряжения в чаше вызывают угловые деформации нижнего кольца чаши засыпного аппарата при 200оС в среднем 12 мин и при 500оС в среднем 24 мин. Увеличение зазора в нижней части кольца чаши составляет при 200оС в среднем 0,5 мм и при 500оС в среднем 1,0 мм. Для улучшения герметичности засыпного аппарата рекомендовано выполнять шлифование контактной поверхности чаши с углом конусности на 15-20' больше по сравнению с углом конусности контактной поверхности конуса. Выравнивание углов конусности контактных поверхностей происходит вследствие угловых деформаций нижнего кольца чаши из-за его нагрева при эксплуатации доменной печи.

4.3. Исследование условий эксплуатации подшипниковых узлов роликов

машин непрерывного литья заготовок

За сравнительно короткий период времени способ непрерывного литья заготовок получил широкое распространение в сталеплавильном производстве,

коренным образом изменив процесс разливки и все металлургическое производство. Около 80% мировой выплавки стали разливается на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Большие мощности кислородно-конвертерного цеха (ККЦ) требуют высокопроизводительных машин непрерывного литья заготовок для производства слябов. Проблемы повышения производительности решаются увеличением скорости литья и коэффициента использования. Стойкость подшипниковых опор роликовых секций напрямую влияет на коэффициент использования.

Технологическая линия радиальной МНЛЗ состоит из двух участков -радиального и прямолинейного, на которых установлены неприводные и приводные роликовые проводки с 11-ю и 13-ю роликовыми секциями. Для оценки эффективности системы смазки подшипниковых опор роликов радиального участка МНЛЗ необходимо определить диапазоны нагрузки на подшипники.

Полная сила, действующая на опоры нижних роликов на радиальном участке МНЛЗ (рисунок 4.10),

Рн _ N + Q + 2Gp, (4.14)

где N - сила ферростатического давления жидкой фазы слитка; Q - сила тяжести слитка, направленная по радиусу;

Qp - сила тяжести ролика.

Полное усилие на ролики по широкой поверхности слитка от действия ферростатического давления жидкой фазы слитка

N = pbR2 [(р2 - (p1 )sin р0 + (cos р2 - cos (р1)], (4.15)

где р - плотность жидкой стали (7000 кг/м );

b - ширина жидкой фазы слитка; R - радиус кривизны криволинейного участка; р1 и р2 - углы, координирующие положение ролика;

(0 - угол, определяющий положение мениска металла в кристаллизаторе.

Рисунок 4.10 - Схема расчета нагрузки на опоры нижних роликов секции

Ширина жидкой фазы слитка уменьшается по мере его движения вследствие нарастания корки на боковых поверхностях:

Ь = В - 23, (4.16)

Здесь В - ширина слитка, 5 - толщина корки.

Толщина нарастающей корки определяется закономерностью:

3 = к-Л, (4.17)

где к - коэффициент, зависящий от условий охлаждения слитка, для радиальных участков роликовых проводок к =2,6; время кристаллизации.

г -

I

Время г = —, гдеI- путь, пройденных заготовкой, V - скорость литья. V

Силу тяжести слитка, приходящуюся на один ролик, считаем приложенной в одной точке и раскладываем на две составляющие -нормальную силу, действующую по радиусу, и тангенциальную, касательную к

дуге окружности. Интересующая нас в расчете нормальная составляющая

Q = Qc sin (, (4.18)

где Qc - вес слитка;

( - угол, определяющий положение ролика относительно горизонтали.

Будем считать, что на ролик приходится вес слитка, длина которого равной расстоянию между роликами.

В расчетах необходимо учесть различные режимы разливки: в два или четыре ручья. Разливка в четыре ручья возможна при ширине сляба от 750 до 1050 мм. В этом случае каждый сляб по всей ширине полностью опирается на один ролик и сила, действующая на опоры роликов, распределяется между подшипниковыми узлами равномерно (рисунок 4.11).

Рисунок 4.11 - Эпюры сил и моментов при разливке в четыре ручья

При разливке в 2 ручья с учетом различной длины роликов нагрузка на опоры распределяется неравномерно: на внутренние подшипники приходится большая ее часть (рисунок 4.12)

Рисунок 4.12 - Эпюры сил и моментов при разливке в два ручья

Для слябов различной ширины и при разных скоростях разливки на рисунках 4.13 и 4.14 представлены результаты расчетов по приведенному алгоритму сил, действующих на опоры роликов.

Из приведенных расчетов можно сделать вывод, что нагрузка на опоры роликов секций 3-4 МНЛЗ зависит от режима разливки и максимальное ее

значение не превышает 32 кН.

На кристаллизаторе и роликовых секциях установлены шариковые однорядные и роликовые двухрядные подшипники качения. Данные подшипники качения работоспособны при нагрузке более 200 кН и частоте вращения более 2000 мин"1. Общее количество подшипников составляет около тысячи единиц на одной МНЛЗ. Статистика по выходу из строя показывает, что расход подшипников качения составляет около 270 ед. в месяц, несмотря на расчетную долговечность подшипников качения до 2-х лет. Основным параметром, определяющим работоспособность подшипников качения по критерию усталостной выносливости, является контактное напряжение, возникающее в местах контакта тел качения с беговыми дорожками колец.

Максимальная сила, действующая на опоры роликов для разных скоростей разливки

31000 -J—-----

26000 ---------

х

| 21000 ---------

о

16000 -_ . ___________

11000 I I—

0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2

скорость разливки, м/мин

750мм _ _ 1050мм - " "2350мм

Рисунок 4.13 - Зависимость нагрузки на опоры роликов от скорости разливки

Сила, действующая на опоры роликов секций 3-4 МНЛЗ№1 для разной ширины слябов

33000

28000

^ 23000

пТ

С

о 18000 13000 8000

11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Номер ролика

-750мм; 0,4м/мин — —1050мм; 0,4м/мин - - -2350мм; 0,4м/мин

Рисунок 4.14 - Зависимость нагрузки на опоры роликов от местонахождения ролика в секции

Нагрузка на тела качения (рисунок 4.15) в зависимости от их положения в процессе вращения постоянно изменяется, принимая значения от нуля до максимума (пульсирующий цикл). Действующая на подшипники общая радиальная нагрузка^ воспринимается лишь телами качения, расположенными по одну сторону диаметрального сечения, причем наибольшая нагрузка Ро воспринимается телом качения, расположенным на линии действия усилия R.

Рисунок 4.15. - Нагрузка на тела качения подшипника

Если считать, что тела качения располагаются симметрично, то из условия равновесия

n

R = P0 + P cos Y, (4.19)

i=1

2n

где Y =-- угловой шаг расположения тел качения; Z - количество тел

Z

качения; n - половина тел качения, находящихся в нагруженной зоне.

Если считать, что под действием радиального усилия R внутреннее кольцо, оставаясь цилиндрическим, перемещается вниз на величину ¿>0, то деформацию i -го тела качения определяют как

di = 80cos iY. (4.20)

Из решения контактной задачи Герца-Беляева

2

di = cP3, (4.21)

где с - коэффициент пропорциональности, зависящий от радиусов кривизны сжимаемых поверхностей и модулей упругости материалов контактирующих тел.

3

Тогда, учитывая, что Pi = P0 cos2 iY, из уравнения (4.19) можно получить

R = Po

з Л

2v,

1 + cos2 iY

\ i=l j

(4.22)

при этом максимальная нагрузка на тело качения

n

R kRR

Po =-— = , (4.23)

n 3 z

1 + 2^cos2 iy

i=1

7 z

где kR —-3— - коэффициент неравномерности распределения

1 + 2^cos2 iy

i—1

нагрузки.

Нагрузка на тела качения является исходным параметром для расчета толщины смазочного слоя и оценки работоспособности подшипников качения на усталостную контактную прочность.

Тела качения подшипников совершают планетарное движение (вращаются вокруг собственной оси и вращаются вокруг оси вала). В общем случае, когда вращаются и внутреннее и наружное кольца, линейные скорости отдельных точек:

V = ■ V = Ы»пи . V = Кь + К = П0

ь 60 ' н 60 ' 0 2 60 '

где Сь и с1н - диаметры дорожек качения соответственно внутреннего и

наружного колец; Сн = О0 + соза; D0- средний диаметр подшипника; пь,

пн, п0 - угловые скорости вращения соответственно внутреннего, наружного

колец и сепаратора (центров тел качения),об/мин; а- угол контакта в подшипнике.

Число оборотов тела качения вокруг собственной оси (относительно

сепаратора)

п (п п

пм. = (пн -пь)-.

Число циклов нагружения в минуту точек тел качения

лг Ф

- - 360'

где ф - угол зоны нагружения (для радиальных подшипников при нулевых зазорах ф = 1800).

Число циклов нагружения точек тел качения И„ является важным параметром, необходимым для расчета тел качения на циклическую контактную прочность.

Между телами, образующими пару трения, располагается тонкий слой жидкости, находящийся в составе пластичного смазочного материала. Толщина слоя смазочного материала во многом зависит от вязкости исходного масла (базового), на котором изготовлен пластичный смазочный материал. Вязкость характеризуется касательными напряжениями т на поверхности, проведенной внутри некоторого объема жидкости при изменении его формы. Касательные напряжения т существенно зависят от скорости деформации. Функциональная зависимость между тна какой-либо площадке внутри движущейся жидкости и производной от скорости и по нормалип к этой площадке, которая определяется на основании соответствующих экспериментов, описывает реологические свойства смазочных материалов.

Среда, у которой, начиная с некоторого значения аи//с1п , напряжения т

линейно зависят от этой производной, называется жидкостью Шведова. Для такой жидкости справедливо

ли

т = То + Л~~, (4.24)

ап

где т0 - статическое предельное напряжение сдвигу; Л - коэффициент вязкости. В частном случае, когда т0=0, та^0, модель среды соответствует среде Бингама-Воларовича.

Прит0 = 0и тс = 0уравнение (4.24) преобразуется в равенство

т = , (4.25)

Сп

а описываемая среда называется ньютоновской жидкостью.

4.4. Определение рациональных режимов эксплуатации подшипниковых узлов роликов машин непрерывного литья заготовок при использовании

системы смазывания «масло-воздух»

Большинство жидких смазочных материалов, а также пластичных смазочных материалов с базовыми минеральными и синтетическими маслами при температурах, превышающих температуру застывания, достаточно точно описываются уравнением (4.25).

Также известно, что при скорости движения заготовок до 5 м/мин частота вращения подшипников качения, установленных на машинах непрерывного литья, значительно ниже максимально допустимой (2000 мин"1), а нагрузка на подшипники от веса слябовых заготовок составляет от 8 до 32 кН, что также значительно ниже паспортной грузоподъемности (более 200 кН).

Таким образом, из изложенного можно сделать следующий вывод: основной причиной выхода из строя подшипниковых опор роликов роликовых секций МНЛЗ являются температуры в зоне контакта подшипникового узла. Это происходит вследствие того, что роликовые секции работают в условиях повышенных температур, в результате чего происходит разрушение уплотнений и, как следствие, вытекает базовое масло из пластичного смазочного материала, а также попадает вода и механические примеси взамен базового масла, что приводит к нарушению условий реализации жидкостного трения.

Неоднократно отмечалось, что основным параметром, определяющим

работоспособность подшипников качения по критерию усталостной выносливости, является контактное напряжение, возникающее в местах контакта тел качения с беговыми дорожками колец. Расчетная долговечность подшипников качения роликовых секций составляет от 2,5 до 5,0 лет, а фактически - от 2,5 до 5 месяцев. Уже доказано, что основной причиной выхода из строя подшипников качения роликовых секций являются температуры в зоне контакта подшипникового узла. Из-за внешних температур вытекает базовое масло из пластичного смазочного материала и нарушаются условия смазки в зоне контакта подшипников качения.

Общепринятым считается, что при использовании пластичного смазочного материала в подшипнике качения обеспечивается граничная смазка, то есть смазка, при которой трение и износ между поверхностями, находящимися в относительном движении, определяются свойствами поверхностей и свойствами смазочного материала, отличными от объемной вязкости (ГОСТ 27674-88).

Так как известно, что пластичный смазочный материал состоит из базового масла и загустителя («губки», способной отдавать в «работу», а затем опять впитывать в себя базовое масло), то можно предположить, что в зоне контакта находится именно базовое масло, характеризующееся объемной вязкостью и оказывающее основное влияние на ресурс подшипников качения.

Такое предположение и было сделано при проведении расчетов толщины масляной пленки роликовых секций МНЛЗ во время эксплуатации на пластичном смазочном материале для сравнения с толщиной масляной пленки при эксплуатации на жидком смазочном материале.

В настоящее время созданы условия, при которых возможно повысить стойкость подшипников качения роликовых секций рольгангов, используя централизованную подачу смазочного материала в узлы трения в автоматическом режиме.

К достоинствам централизованных систем смазывания относят:

- возможность использования там, где затруднен подвод жидкого смазочного материала с помощью циркуляционных систем;

- компактность по сравнению с циркуляционными системами смазывания;

- возможность эксплуатации в автоматическом режиме;

- смазывание большого количества узлов трения подшипниковых опор;

- возможность регулировки нагнетания смазочного материала в каждый узел в зависимости от условий эксплуатации.

Однако полная реализация эластогидродинамического режима возможна только при использовании жидкого смазочного материала. Как уже было отмечено в проведенном анализе причин выхода из строя подшипников качения, в качестве параметра Я, характеризующего режим трения в контакте качения, принимают отношение толщины смазочного слоя к приведенному

среднеквадратичному значению шероховатости Ка поверхности

контактирующих тел.

При Л> 4 трение полностью жидкостное и долговечность подшипника, как минимум, вдвое превышает расчетную.

Данный параметр Л> 4 является основным условием реализации режима эластогидродинамической (жидкостной) смазки и его возможно достичь только при определенной толщине масляной пленки к0.

Толщину масляной пленки к() при использовании жидкого смазочного

материала рассчитывали по зависимости (2.30), полученной автором с учетом маслоемкости контакгируемых поверхностей, описанной выше:

Результаты расчета вязкости смазочных материалов при различных температурах приведены в таблице 4.3.

Таблица 4.3 - Вязкость смазочного материала в зависимости от температуры

Марка смазочного материала Температура смазочного материала, °С

40 50 60 70 80

MobilGear 636 680 354,4 208,1 132,7 89,8

Mobil Vacuoline 146 460 239,8 140,8 89,8 60,8

Mobil Gear 630 220 114,7 67,3 42,9 29,1

И-100Р 100 52,1 30,6 19,5 13,2

Суммарная скорость качения на внутреннем кольце подшипника

U^= 0,5 D0o(1 -у1), (4.26)

где D0 - средний диаметр подшипника,

о - угловая скорость ролика, Y - приведенный коэффициент радиуса кривизны;

Dw

Y = —— cosa; (4.27)

D0

Dw - диаметр ролика подшипника, м. Приведенный радиус кривизны контактирующих поверхностей

рпр = 0,5 Dw (1 -y) . (4.28)

Нагрузка на единицу длины линии контакта

Р

Чн = -, (4.29)

zlw cosa

где Рн - радиальная нагрузка на подшипник;

z - количество тел качения в подшипнике; lw - длина ролика.

Результаты расчетов характеристик режимов работы подшипниковых узлов представлены на графиках (рисунки 4.16-4.17) .

Согласно результатам расчетов, требуемое значение параметра Х>4 достигается при использовании смазочных материалов вязкостью не ниже 460 МПа.

Для смазочных материалов вязкостью 460 МПа при рабочих температурах подшипниковых узлов расчетное значение Х-7-9. Данный диапазон значений показывает, что интервал между нагнетаниями смазочного материала в системе «масло-воздух» может быть увеличен в 2 раза (с 15 до 30 секунд).

700 -г---------

600 —^^--------

500 ---------

г ч \

5 400 -----------

£ ч N.

о ^

§ 300 -----------

п ч.

200 -—------^ — ---

40 45 50 55 60 65 70 75 80

температура, С

-680 --460 --- .220 ---100

ч ч

ч ч ч

ч ч

* * % - — —.

Рисунок 4.16 - Изменение вязкости смазочного материала с ростом температуры для масел с различным классом вязкости

40 45 50 55 60 65

температура, С

70

75

80

•680

■460

■220

100

Рисунок 4.17 - Изменение значение параметра X с ростом температуры для масел с различным классом вязкости

Многочисленными исследованиями [132,134,147,233-235,240] показано, что расчету параметров эластогидродинамического режима и его регулировке легко поддаются малорасходные системы типа «масло-воздух», которые в последнее время получают все более широкое применение. Действие автоматизированных систем смазывания «масло-воздух» (рисунок 4.18) основано на принципе транспортировки масловоздушной смеси с помощью сжатого воздуха по трубопроводам непосредственно к точкам смазывания.

Принцип работы системы «масло-воздух» заключается в следующем. Масло и воздух по отдельным трубопроводам подают к питателям масловоздушным, из которых масло определенными дозами с определенной цикличностью подается в масловоздушную магистраль. По масловоздушной магистрали смазочный материал волнообразно, в виде масляной пленки, по стенкам переносится потоком сжатого воздуха к точкам смазывания. На выходе из масловоздушных магистралей возникает непрерывный равномерный поток, образующий тонкую эластогидродинамическую пленку на смазываемой

поверхности. Расположение трубопровода в пространстве может быть любым, даже вертикальным.

Рисунок 4.18 - Общий вид централизованной системы смазывания «масло - воздух» 1 - маслобак с системой нагнетания масла, 2 - питатели масловоздушные,

3 - соединение быстроразъемное, 4 - блок управления, 5 - воздушные трубопроводы, 6 - масляные магистрали, 7 - масловоздушные магистрали

Подача сжатого воздуха для транспортирования смазочного материала в подшипниковые узлы обеспечивает их частичное охлаждение и предотвращает попадание воды, грязи, окалины и других частиц, так как создается внутреннее избыточное давление (0,01-0,06 МПа). Системы «масло-воздух» позволяют регулировать дозы подаваемого смазочного материала, частоту подачи и расход воздуха, что позволяет создавать оптимальные режимы смазывания. С помощью систем «масло-воздух» осуществляется возможность широкого регулирования микропередач смазочного материала в узлы трения. Практически отсутствуют ограничения по вязкости применяемых минеральных

масел (вязкость от 100 до 680 мм2/с). Эти системы смазывания удовлетворяют строгим современным требованиям в области экологии. Автоматизация управления и контроля над функциями смазочной системы легко осуществима. Все это ставит автоматизированные системы смазывания «масло-воздух» в ряд прогрессивных научно-технических решений по совершенствованию металлургического оборудования.

Недостатком данных систем является чувствительность аппаратуры к загрязнению рабочей жидкости и воздуха, как следствие, повышенные требования к изготовлению приводят к удорожанию автоматизированных систем смазывания «масло-воздух».

Однако опыт использования систем «масло-воздух» показывает промышленную пользу и экономическую выгоду за счет уменьшения потребления смазочного материала и повышения ресурса подшипников качения.

Учитывая изложенное, было предложено провести испытания реально установленной системы«масло-воздух» на секциях МНЛЗ-1 и МНЛЗ-З.

На пятой секции МНЛЗ№Э ПАО «ММК» была установлена и испытана в режиме максимального функционирования система смазывания «масло-воздух». Система была настроена на режим максимальной подачи смазочного материала в подшипниковый узел: масло нагнетается каждые 15 секунд.

Температурные режимы эксплуатации системы смазывания представлены на рисунках 4.19-4.26. При этом на рисунках 4.19, 4.21, 4.24, 4.25 представлены смазочные магистрали с наружной стороны в районе секций 3-5. Как видно из рисунков, температура трубопроводов около 70°С., что вполне достаточно для обеспечения работоспособного состояния смазочных систем.

На рисунке 4.20 показан смесительный блок системы «масло-воздух» секции №5 по ручьям №11, 12 МНЛЗ №3. Температура блока в районе 40°С, что практически является эталонной для создания работоспособного состояния системы, обеспечивающей эластогидродинамический режим.

Рис.4.19. Наружная сторона секции №4 МНЛЗ №3

I

30,5°С

1R information Value

Dave of creation 22.07.2008

Time of creation 9:04:41

Object parameter Value

Emissivity 0.92

Object distance 1,2 m

Label Value

SP0I 35.8°C

SP02 36,3°C

S P03 36.4°C

SP04 36.8°C

SP05 35,2°C

SP06 34, PC

Термограмма 2. Смесительный блок системы "м-в"секция №5 ручей №11,12

Рисунок 4.20 - Смесительный блок системы «масло-воздух» секции №5, ручей №11, 12 МНЛЗ №3

Рисунок 4.21 - Наружная сторона секции №5 МНЛЗ №3

Рисунок 4.22 - Прямолинейный участок в районе секции №5 МНЛЗ №3;

внутренняя сторона.

Рисунок 4.23 - Внутренняя сторона секции №5 МНЛЗ №3

Рисунок 4.24 - Наружная сторона секции №4 МНЛЗ №1

Рисунок 4.25 - Магистрали смазочные. Наружная сторона в районе 3-4 секцийМНЛЗ №1

Рисунок 4.26 - Внутренняя сторона. Секции 3-4 МНЛЗ №1

На рисунках 4.22 и 4.26 представлены температуры с внутренней стороны секций. Из рисунков видно, что температура на стенках соответствует 100°С, а на роликах температура достигает 160-200°С причем температура выше на секциях №5 МНЛЗ-3, поэтому для испытания была выбрана именно она, как наиболее нагруженная по температуре.

Известно, что для поддержания рабочей температуры необходимо проводить постоянное охлаждение роликовых проводок, тем не менее температура свыше 150°С оказывает негативное влияние на работу всего оборудования МНЛЗ. Преимущество использования систем «масло-воздух» здесь явно просматривается, так как воздух оказывает дополнительное охлаждение масловоздушной смеси, что при таких высоких температурах способно обеспечить эластогидродинамический режим.

На рисунке 4.27 представлена действующая система масло-воздух установленная для испытания режимов смазывания секции №5 МНЛЗ-3, а на рисунке 4.28 показан смесительный модуль этой же системы.

Рисунок 4.27 - Система масло-воздух МНЛЗ №3 секции №5

Рисунок 4.28 - Смесительный блок системы смазывания «масло-воздух» МНЛЗ №3 секции №5

С использованием изложенной методики проведенные предварительные расчеты возможности реализации режима эластогидродинамической смазки рекомендуют использовать смазочный материал в системах «масло-воздух» классом вязкости не ниже 460, а наиболее рациональным является использование в системе минерального масла классом вязкости 680.

Для подшипниковых узлов, работающих в условиях высоких температур, как, например, рольганги и ролики МНЛЗ, охлаждающее воздействие воздуха имеет значительный результат. Проведенные в рамках диссертационной работы исследования показали, что воздух оказывает удовлетворительное охлаждающее воздействие на смазываемый узел. В среднем температуру узла можно понизить на 10-20%.

4.5. Выводы по главе

1. В результате мониторинга свойств пластичных и жидких смазочных материалов, применяемых для смазывания подшипниковых узлов и зубчатых зацеплений редукторов скиповых лебедок доменных печей, выявлено возрастание механических примесей в отработанных смазочных материалах в процессе эксплуатации, что указывает на недостаточную защищенность узлов от попадания абразивных частиц из окружающей среды и необходимость проведения мероприятий по повышению эффективности герметизирующих устройств.

2. Для снижения количества абразивных частиц в окружающей среде и в узлах агрегатов доменной печи предложены решения для улучшения герметичности засыпного аппарата. В частности, предложено выполнять шлифование контактной поверхности чаши с углом конусности на 15'...20' больше по сравнению с углом конусности контактной поверхности конуса. Выравнивание углов конусности контактных поверхностей происходит вследствие угловых деформаций нижнего кольца чаши из-за его нагрева при эксплуатации доменной печи.

3. Проведены исследования режимов смазывания подшипников роликов роликовых секций МНЛЗ при использовании периодической подачи жидкого смазочного материала с различным классом вязкости, согласно которым установлено, что значение параметра 4 , характеризующего режим трения близкий к жидкостному достигается при использовании смазочных материалов вязкостью не ниже 460 МПа и интервалом между нагнетанием смазочного материала в 30 секунд.

4. Проведенные экспериментальные исследования условий эксплуатации и режимов смазывания подшипниковых узлов роликов роликовых секций слябовых МНЛЗ при использовании системы смазывания "масло-воздух" показали, что в подшипниковых узлах температура достигает