CC BY
45
© В.А. Малахов, 2014
УЛК 621.892.5; 62-233.27; 621.867.29 В.А. Малахов
АНАЛИЗ ПОКАЗАТЕЛЕЙ
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ПЛАСТИЧНЫХ СМАЗОК РОЛИКООПОР ЛЕНТОЧНЫХ КОНВЕЙЕРОВ ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Обоснована необходимость уточнения коэффициентов, используемых в расчете сил сопротивления движению и определения надежности работы роликоопор ленточных конвейеров, для современных пластичных смазок выпускаемых отечественной и зарубежной промышленностью. Ключевые слова: ленточный конвейер, подшипник качения, пластичная смазка, роликоопора.
Появление новых видов пластичных смазок используемых в роликоопорах современных ленточных конвейеров горных предприятий вызвало необходимость пересмотра рекомендаций по определению сил сопротивления движению ленты возникающих в роликоопорах. В 70-е годы в СССР и за рубежом были выполнены обширные исследования в этом направлении.
Изучением этого вопроса в разные годы занимались такие ученые, как Л.Г. Шахмейстер, В.Г. Дмитриев, В.И. Галкин, В.П. Дьяченко, A.A. Титов. В работах Л.Я. Перель и A.A. Филатова подробно рассматривались вопросы расчета работоспособности подшипниковых узлов с учетом влияния смазочного материала.
При анализе экспериментальных исследований составляющих силы сопротивления движению ленты по роликоопорам было установлено влияние на нее степени наполнения подшипника смазочным материалом, конструкции уплотнения и температуры окружающей среды [1].
Влияние степени наполнения подшипника смазочным материалом, а также конструкции уплотнения на сопротивление движению значительно. Установлено, что при заполнении подшипника смазочным материалом на 60 % этот материал в работе подшипника не участвует, так как он выжимается из уплотнения. Это уменьшает сопротивление движению (рис. 1).
Рис. 1. Зависимость силы сопротивления вращению ролика от его окружной скорости вращения при степени наполнения подшипника смазочным материалом: 1, 2, 3 - соответственно 45; 30; 10 %
Рис. 2. Зависимость температуры уплотнения подшипника от температуры окружающей среды, заштрихована область применения
Как правило, после некоторого времени работы температура в подшипнике повышается. Разница между температурой ©ок окружающей среды и температурой смазочного материала в уплотнении ©у увеличивается по мере понижения температуры окружающей среды (рис. 2). Предложено влияние температуры окружающей среды учитывать усредненным температурным коэффициентом:
к&= ивр (©)/ивр (30° С). (1)
Установлено также, что коэффициент к® зависит как от типа смазочного материала, так и от скорости. Его предложено рассчитывать по формуле:
к0 = ехр(к - к2А),
(2)
где А - разность между внутренней и внешней температурой; к1, к2 - коэффициенты, определяемые из опытных данных (рис.3).
Для расчета сопротивления вращению роликов приводится формула
ивр = (а + Ьу)кв + С0¥ + СРР. (3)
Большая часть проводившихся ранее экспериментальных работ была посвящена выбору смазки для роликов ленточных
0,8 0,7 03 0,5
00 \
0,025\ А
0,022
0,018
О
Рис. 3. Зависимость коэффициентов кI и к2 от скорости
конвейеров, работающих в северных условиях при температурах окружающей среды от +40 до -45 °С [2, 3].
В связи с этим повышаются требования как к конструкциям конвейерных роликоопор, так и к их смазкам. Обычные сорта смазок при низких температурах резко увеличивают коэффициент сопротивления вращению роликов, что потребовало проведения исследований по созданию специальных сортов дешевых смазок, способных эффективно работать в конвейерных роликах без существенного изменения коэффициентов сопротивления вращению при изменении температуры в указанных выше пределах.
Сопротивление вращению конвейерных роликов обычно составляет от 30 до 50 % общего сопротивления движению ленты. Величина сопротивления вращению роликов зависит от конструкции уплотнения, типа смазки, нагрузки, скорости вращения и температуры окружающей среды. Наибольшее влияние на величину сопротивления вращению роликов при работе ленточных конвейеров на карьерах в зимнее время оказывает температура окружающей среды. При снижении температуры смазка в роликах густеет, что вызывает повышение расхода электроэнергии на транспортирование и усложнение запуска конвейеров после длительной их остановки.
Были проведены исследования целого ряда конструкций роликов, в подшипниковых узлах которых применялись различные типы консистентных смазок БНЗ-3, БНЗ-ЗМ (морозостойкая) и др.
Определение сопротивления вращению роликов производилось на специальном стенде, который позволял измерять величину этого сопротивления при различных нагрузках, скоростях вращения и углах наклона роликов.
Испытания по определению сопротивления вращению роликов на стендах проводили в закрытом помещении и на от-
крытом воздухе в климатических условиях Северного Урала и Украины в интервале температур окружающей среды от +25 до -45 °С.
При изучении сопротивления вращению роликов исследованиям подвергали ролики с лабиринтным уплотнением серийного изготовления Донецкого машиностроительного завода им. ДКУ и ролики конструкции института УкрНИИПроект, в уплотни-тельном устройстве которого применяется скользящая втулка (рис. 4).
Рис. 4. Конструкции подшипниковых узлов конвейерных роликов:
а - с лабиринтным уплотнением Донецкого завода им. ДКУ; б - с уплотнением скользящей втулкой института УкрНИИПроект
На основании результатов обработки полученных данных с использованием метода математической статистики была установлена следующая зависимость для расчета силы сопротивления вращению ролика:
Рвр = 0152 (аеЫи + Рп + Ра ), кгс, (4)
аР
где СР - диаметр ролика, мм; а = упа - коэффициент; п - скорость вращения ролика, об/мин; Ь = 0,1 (0,9031 - 1д у + а1д п);
- температура окружающей среды, °С; Рп = п (X + еС) - составляющая сопротивления вращению роликов, учитывающая скорость вращения, гс; у, а, е, X - коэффициенты пропорциональности, значение которых указывается в табл. 1; РС - составляющая сопротивления вращению ролика от нагрузки, гс; С - нагрузка на ролик, кгс.
Таблица 1
Тип смазки Значения коэффициентов
¥ а £
БНЭ-3 ГОСТ 5.1343-72 310 0,1870 2,9-10-3 0,107
1-13 ГОСТ 1631-61 316 0,211 2,53-10-3 0,0332
БНЗ-3М ГОСТ 5.1343-72 171 0,2180 1,443-10-3 0,1540
Северол (экспериментальная) 186,5 0,231 1,26-10-3 0,104
ЦИАТИМ-203 ГОСТ 8773-63 130 0,24 1,1210-3 0,104
Смазка универсальная (солидол 207 0,15 2,53-3 0,309
жировой) ГОСТ 1033-51
В работах посвященных определению надежности роликов рассмотрены вопросы выбора рациональных параметров уп-лотнительных узлов, абразивного и фрикционно-усталостного износа подшипников качения [4], [5].
Влияние свойств смазочных материалов на работоспособность подшипников рассматривалось с учетом упругодинами-ческой теории смазки, которая используется при определении условий для образования масляной пленки в контакте тяжело нагруженных поверхностей качения [6],[7].
На рис. 5 представлена схема образования смазочной пленки между нагруженными поверхностями ролика и дорожкой качения внутреннего кольца подшипника, работающего с высокой частотой вращения.
Под действием внешней нагрузки Р ролик и дорожка качения деформируются на определенную величину. Между обоими телами образуется зазор, в который затягивается масло. Поскольку вязкость масла при высоком давлении возрас-
Рис. 5. Распределение давлений при линейном контакте в упругодинамических условиях: 1 - распределение давлений по Герцу; 2 - распределение давлений в упруго-динамических условиях; 3 - деформация дорожки качения; 4 - масляная плёнка; 5 - деформация ролика
тает, то при соответствующей окружной скорости создаются условия, необходимые для образования несущей масляной пленки, толщина которой на большей части деформированной поверхности примерно одинакова.
Эпюра распределения давлений в пленке масла, приведенная на рис. 5, для сравнения сопоставлена с эпюрой эллиптического распределения давлений по Герцу. На стороне входа давление возрастает, достигая в центре площадки максимальной величины р0, совпадающей с расчетом по Герцу. Затем давление вновь снижается. Однако на стороне выхода имеется пика, величина которой возрастает с повышением окружной скорости (т. е. в условиях, где доминируют гидродинамические эффекты).
В общем виде при линейном контакте ролика с дорожкой качения минимальная толщина смазочной пленки
Н Ш (5)
где к - параметр, отражающий зависимость давления от вязкости (обычно к = 0,01-0,02), мм2/Н; п - динамическая вязкость при рабочем давлении, Па-с; V,, - окружная скорость на поверхности качения ролика, м/с; Ер - сумма величин кривизны соприкасающихся поверхностей, мм-1; Q - нагрузка на ролик, Н; - эффективная длина ролика, мм; Е - модуль упругости, МПа; е - коэффициент Пуассона.
Для стальных тел (Е = 2,08-105 МПа, е = 0,3) формула для расчета минимальной толщины масляной пленки (мкм) примет вид
= (6)
(!р)"
а ^
V ^ у
Анализ из уравнения (6) показывает, что изменения вязкости смазочного материала и скорости влияют на толщину масляной пленки значительно сильнее, чем изменение нагрузки.
В уравнениях (5) и (6) толщина масляной пленки приводится для линейного контакта. При точечном контакте следует учитывать вытекание смазки из зазора.
При расчете долговечности подшипников, смазываемых маслом, имеющим кинематическую вязкость при рабочей температуре v > 12 сСт, при nDo > 10000 рекомендуется в соответствии с эластодинамической теорией смазки учитывать условия, необходимые для образования масляной пленки в контакте тел качения с дорожками качения.
Коэффициент Л, характеризующий эти условия, определяют из уравнения
Л = KA D0 (W)0,73 P0 -0'09, (7)
где Ku - коэффициент, зависящий от типа подшипника; Do -средний диаметр подшипника, мм; Y - коэффициент, зависящий от вязкости смазки v (величина Y0,73 определяется в зависимости от кинематической вязкости v из диаграммы на рис. 6); Po - эквивалентная статическая нагрузка на подшипник, Н; n -частота вращения подшипника.
При Л = 0,8 ~ 3,5 условия смазки большинства типов подшипников вполне удовлетворительны. Однако для подшипников (например, для сферических роликовых), с относительно высокими потерями на трение скольжения, желательно иметь Л > 1,5. При Л < 0,8 смазывание подшипника недостаточно эффективно, и в этом случае следует применять масло с более высокой вязкостью. При Л > 4 в подшипнике обеспечиваются условия для образования эластогидродинами-ческой масляной пленки, т. е. имеет место полнее отделение поверхностей качения в подшипнике масляной пленкой. В этом случае предполагается, что долговечность подшипника будет, по меньшей мере, вдвое больше долговечности, определенной с помощью обычных формул.
k 6 810 20 Н? 60100 200 W И ММ %
Рис. 6. График для определения ф0,73 при заданной кинематической вязкости смазки V
Рассмотренные выше результаты теоретических и экспериментальных исследований по определению сил сопротивления движению и определения надежности работы ро-ликоопор ленточных конвейеров используют коэффициенты, полученные для смазочных материалов, использовавшихся в 70-е годы прошлого столетия. В связи с этим, уточнение величин этих коэффициентов для современных пластичных смазок, используемых в подшипниковых узлах ро-ликоопор ленточных конвейеров горных предприятий, является актуальной научной задачей. Далее приводятся основные показатели эксплуатационных свойств современных пластичных смазок используемых отечественной и зарубежной промышленностью.
Пластичные смазки — мазеобразные или пастообразные смазочные материалы, получаемые введением твердых загустителей в жидкие нефтяные или синтетические масла и их смеси. Эти смазки существенно отличаются от жидких минеральных масел. По механическим свойствам пластичные смазки занимают промежуточное положение между твердыми веществами и жидкостями. Под действием малых нагрузок они проявляют себя как твердые тела, а при больших напряжениях сдвига -как жидкости, т.е. обладают текучестью [8].
Главные преимущества смазок перед маслами: способность удерживаться в негерметизированных узлах трения, т.е. отсутствие текучести при малых и средних нагрузках; лучшие смазочные и защитные свойства, высокая экономичность. Их используют там, где невозможно использовать жидкие масла. Применение смазок вместо масла позволяет снизить массу узла трения на 25 %. Недостатки пластичных смазок плохая охлаждающая способность трущихся поверхностей, отсутствие выноса продуктов износа из зоны трения, сложность подачи к узлу трения.
Пластичная смазка состоит из двух компонентов: масляной основы (минерального, синтетического, растительного или другого масла) и твердого загустителя (мыльного или немыльного). Смазки обычно содержат стабилизатор структуры и присадки, нередко и различные наполнители (графит, дисульфит молибдена, порошкообразные металлы или их оксиды и др.). Загуститель образует твердый структурный каркас, внутри которого содержится масло.
Основные эксплуатационные свойства пластичных смазок — предел прочности на сдвиг, вязкость, механическая стабильность, термическая стабильность и термоупрочнение, коллоидная и химическая стабильность, водостойкость и способность предотвращать фреттинг. Наряду с реологическими характеристиками (прочностными и вязкостными) важное значение, для оценки качества смазки, имеют трибологические характеристики — нагрузка и нагрузка сваривания.
Принимая во внимание особенности работы роликоопор ленточных конвейеров горных предприятий, будем считать важными следующие эксплуатационные свойства пластичных смазок:
1) Предел прочности на сдвиг характеризуется минимальным напряжением сдвига, при котором в пластичной смазке разрушается структурный каркас и она приобретает текучесть. Предел прочности зависит от температуры: при повышении температуры он снижается.
2) Механическая стабильность — это способность смазки противостоять разрушению. Она существенно зависит от типа и концентрации загустителя, химического состава масла, температуры смазки, интенсивности механического воздействия.
3) Коллоидная стабильность характеризует возможность выделения дисперсионной среды (масла) из смазки при хранении и эксплуатации.
4) Химическая стабильность — это стойкость смазок против окисления при хранении и эксплуатации. Окисление смазок снижает их антикоррозионные и прочностные свойства, ухудшает коллоидную стабильность, смазочную и защитную способность. При повышении температуры окисление смазок ускоряется.
5) Термическая стабильность и термоупрочнение (способность смазок сохранять свои эксплуатационные свойства без изменения при повышенных температурах).
6) Температура каплепадения — это температура, при которой смазка из пластичного (полутвердого) состояния переходит в жидкое. Плавление пластичных смазок сопровождается значительным изменением их свойств.
7) Противоизносные свойства пластичных смазок определяют на четырехшариковой машине трения; предельно допустимые
значения износа шариков устанавливают в зависимости от назначения смазок и условий их эксплуатации.
Из вышеперечисленных эксплуатационных свойств можно выделить три группы: прочностные (предел прочности на сдвиг, механическая стабильность, коллоидная стабильность, противоизносные свойства); температурные (термическая стабильность, температура каплепадения); химические (химическая стабильность).
Пластичные смазки по назначению делят на четыре группы: антифрикционные, консервационные, канатные, уплотни-тельные (ГОСТ 23258 - 78).
Структура выпуска пластичных смазок по загустителю определяет уровень их качества в целом. По структуре вырабатываемых смазок наша страна значительно отстает от европейских стран и США, где основными являются литиевые смазки. Доля литиевых смазок от общего объема их выпуска в США составляет 60 %, в Западной Европе — 70, в России — 24%. Основу ассортимента пластичных смазок (около 45 %), выпускаемых в России, составляют устаревшие гидратированные кальциевые смазки, выпуск которых, например в США, не превышает 4 %. Производство натриевых и натриево-кальциевых смазок в нашей стране составляет около 31 % общего объема их выпуска. У этих смазок удовлетворительные эксплуатационные свойства. Их применяют в интервале температур от -30 до + 100°С.
В табл. 2 приведен сравнительный анализ рынка пластичных смазок (смазки отечественного производства и их зарубежные аналоги).
Основное направление в улучшении качества современных смазочных материалов состоит в применении синтетических масел в качестве масляной основы при использовании мыльных литиевых загустителей. Большое распространение получило применение различных противоизносных присадок расширяющих область применения и улучшающих антифрикционные свойства смазок. Основные характеристики современных универсальных смазок довольно близки, что усложняет задачу подбора наиболее подходящих из них, в соответствии с требованиями, предъявляемыми к основным эксплуатационным показателям смазок применяемых в роликоопорах ленточных конвейеров горных предприятий.
Таблица 2
Ёитол-24 (ГОСТ 21150-75) BP Energrease LS-EP2, LS3, LC 2, LCX 222 Shell Alvania RL 2,3, Alvania EP(LF) 2, 3, Retinax EP 2 Mobil Mobilux 2, 3, EP2, EP3,Mobilgrease MP Exxon Beacon 3 Castrol: Castrol LM, LMX Agip: Agip Fl CR MU3, Agip F1 CP FC3 Teboil Multi-Purpose Grease Texaco Hytex EP-2 Unocal 76 Multiplex Red Grease 2 Valvoline General Multi Purpose Grease
ЛСЦ-15 (ТУ 38 УССР 201224-80) BP Energrease SY 2202 Shell AeroShell Grease 6 Mobil Mobilux 2, EP2 Teboil Multi-Purpose Grease
ШРБ-4 (ТУ 38 УССР 201224-77) BP Energrease L21 M, LC 2M, SY-HT 462M, LS-EP 2, SY 2202 Shell Retinax HD 2 Kluber Lubrication Centoplex 132 BV FIAT KB-521
ШРУС-4 (ТУ 38 УССР 201312-81) BP Energrease L21 M, LG 2M, SY-HT 462M Shell Retinax HDX 2 Kluber Lubrication Caxtrobase MS 20 Texaco Hytex EP-2 Dow Corning Molikot VN2461C
Фиол-2У (ТУ 38 УССР 201266-79) BP Energrease SY 2202 LS-EP 2, LC 2, LCX 222 Shell Retinax HD 2 Kluber Lubrication Centoplex 278M Castrol MS 3 Grease FIAT MRM-2
ФИОЁ-2М (ТУ 38 УССР 101233-75) BP Energrease L21 M, LC 2M SY-HT 462M Shell Retinax HDX 2 Mobil Mobilgrease Special Exxon Beacon Q2 Castrol Spheerol LMM, Castrolease LMM, MS3 Texaco Glissando FL 738, FLA22,Texalube F Molytex2 FIAT Jota-2M
КСБ (ТУ 38 УССР 201115-76) Kluber Lubrication Centoplex 3 CU
ДТ-1 (ТУ 38 УССР201116-76) Exxon Arapen BC 290(2) FIAT SP-349
ЦИАТИМ-201 BP Energrease SY 2002, SY-HT 2
(ГОСТ 6267-74) Shell AeroShell Grease 6, 22 Mobil Mobiltemp SHC 32 Teboil O-Grease
ВНИИ НП-242 (ГОСТ 20421-75) BP Energrease L21 M, LC 2M, SY-HT 462M Shell Alvania RL 3, Nenta HV 2 Mobil Mobilgrease Special, Mobilux EP2 EP3 Exxon Beacon EP2,Q330,3 Castrol Castrolease LMM,MS3 Texaco Glissando FL 738, Texalube F
□ 158 (ТУ 38 101320-77) BP Energrease LS-EP 2, SY 2202 Shell Alvania RL 1 Nyco Interm Inc Nyco Grease 57 c
ЁЗ-31 (ТУ 381011144-88) BP Energrease LS-EP 3 LC 2, LCX 222, SY 2202 Shell Alvania RL 2, AeroShell Grease 7 Mobil Mobilgrease 22 Exxon Beacon 325 Texaco Low Temp EP
Исходя из всего выше изложенного в испытательной лаборатории «Топлива и смазочных материалов» кафедры Горной механики и транспорта МГГУ была поставлена задача выбора ряда отечественных и зарубежных пластичных смазок и уточнения для них коэффициентов используемых при определении сил сопротивления движению и определения надежности работы роликоопор ленточных конвейеров.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шахмейстер Ё.Г., Дмитриев В.Г. Теория и расчет ленточных конвейеров. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1987. 336 с.: ил.
2. Приседский Г.В., Титов A.A., Клейнерман И.И. Выбор смазки для роликов ленточных конвейеров, работающих в северных условиях. Шахтный и карьерный транспорт. Вып. 1. Под общей редакцией чл.-кор. Ан СССР A. О. Спиваковского. М., "Недра", 1974. 368 с.
3. Титов A.A. Исследование и создание роликов с долгодействующей смазкой для ленточных конвейеров горнодобывающей промышленности: Дис. канд. техн. наук. - Киев, 1975. - 209 с.
4. Галкин В.И. Исследование динамических нагрузок и выбор конструктивных параметров роликоопор шахтных ленточных конвейеров: Дис. канд. техн. наук. - М.: 1975. - 123 с.
5. Дьяченко В.П. Исследование и повышение надежности роликоопор ленточных конвейеров при транспортировании крупнокусковых грузов на горных предприятиях: Дис. канд. техн. наук. - М., 1981. - 159 с.
6. Перель Л.Я., Филатов А.А. Подшипники качения: Расчет, проектирование и обслуживание опор: Справочник. - М.: Машиностроение, 1992. -606 с.
7. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. - М.: Машиностроение, 1977. - 526 с.
8. Кузнецов А.В. Топливо и смазочные материалы.- М.: КолосС, 2007. - 199 с. га
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Малахов Валерий Алексеевич - кандидат технических наук, доцент, [email protected], МГИ НИТУ МИСиС
Malahov V.A., Candidate of Engineering Sciences,
Moscow mining Institute National University of Science and Technology "MISIS" (MISIS)
REFERENCES
1. Shakhmeister L.G., Dmitriev V.G. Teoriya i raschet lentochnykh konveierov (Theory and calculation of belt conveyors). 2-e izd., pererab. i dop. Moscow, Mashinostroenie, 1987. 336 p.
2. Prisedskii G.V., Titov A.A., Kleinerman I.I. Vybor smazki dlya rolikov lentochnykh konveierov, rabotayushchikh v severnykh usloviyakh. Shakhtnyi i kar'ernyi transport (he choice of lubricants for belt conveyor rollers, working in the North. Mining and quarrying transport.). Vyp. 1. Pod obshchei redaktsiei chl.-kor. An SSSR A.O. Spivakovskogo. Moscow, Nedra, 1974. 368 p.
3. Titov A.A. Issledovanie i sozdanie rolikov s dolgodeistvuyushchei smazkoi dlya lentochnykh konveierov gornodobyvayushchei promyshlennosti (Research and create movies with long-term lubricant for conveyor belts in the mining industry). Dis. kand. tekhn. nauk. Kiev, 1975. 209 p.
4. Galkin V.I. Issledovanie dinamicheskikh nagruzok i vybor konstruktivnykh pa-rametrov rolikoopor shakhtnykh lentochnykh konveierov (Investigation of dynamic loads and the choice of design parameters roller carriages of belt conveyors). Dis. kand. tekhn. nauk. Moscow, 1975. 123 p.
5. D'yachenko V.P. Issledovanie i povyshenie nadezhnosti rolikoopor lentoch-nykh konveierov pri transportirovanii krupnokuskovykh gruzov na gornykh predpri-yatiyakh (Study and improve reliability roller carriages of belt conveyors for transportation of General cargoes at mining enterprises). Dis. kand. tekhn. nauk. Moscow, 1981, 159 p.
6. Perel' L.Ya., Filatov A.A. Podshipniki kacheniya: Raschet, proektirovanie i obsluzhivanie opor (Bearings: Calculation, design and maintenance of bearings). Spravoch-nik. Moscow, Mashinostroenie, 1992, 606 p.
7. Kragel'skii I.V., Dobychin M.N., Kombalov V.S. Osnovy raschetov na trenie i iznos (Calculation is based on friction and wear). Moscow, Mashinostroenie, 1977, 526 p.
8. Kuznetsov A.V. Toplivo i smazochnye materialy (Fuels and lubricants). Moscow, KolosS, 2007, 199 p.
