автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Исследование и обоснование применения твердой смазки в подшипниках качения горных машин и механизмов

государственный комитет российской федерации - 1 по высшему образованию

КУЗБАССКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

КОРОТКЕВИЧ Вадим Станиславович

. УДК 622.002.5-2

ИССЛЕДОВАНИЕ И ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ТВЕРДОЙ СМАЗКИ В ПОДШИПНИКАХ КАЧЕНИЯ ГОРНЫХ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ

Специальность 05.05.06. — „Горные машины"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук;

Научный руководитель доктор технических наук, профессор, академик АЕН РФ

М. С. САФОХИН

Кемерово 1993

Работа выполнена в Кузбасском политехническом институте.

Научный руководитель— доктор технических наук,

профессор, академик АЕН РФ

Сафохин М. С.

Официальные оппоненты — доктор технических наук,

профессор

Моисеев Л. Л.

Кандидат технических наук, доцент

Корчуганов Ф. В.

Ведущее предприятие: Ассоциация „Киселевскугольв

Защита состоится \ЬимНй в Ю-00 1993 г. на заседании специализированного совета Д 063. 70. 01 в Кузбасском политехническом институте, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кузбасского политехнического института.

Автореферат разослан « МЛ Я 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор технических наук, профессор,

член-корреспондент аЕН ИФ Б. А, АЛЕКСАНДРОВ

ОЩАЯ ХАРАШРИСША РАБОТЫ

Актуальность работ». Основными задачами горнодобыглющсй промышленности являются совершенствование доб1гчи' полезных ископаемых и улучшение технико-экономических показателей на основе комплекс- ной механизации '« автоматизации технологических процессов. Увеличение добычи угля на пахтах ¡(узбесса зависит от совершенствования технических параметров машин, роста мощности и производительности механизмов,'повышен:..! надежности и долговечности отдельных узлов, ото обуславливает повышение требований к прочносчым и конструкционным свойствам горных машин, так как нарушение режима работы хотя бы одной технологической единицы влечет за Сибой снижение производительности или даже простой всего комплекса'оборудования и невосполнимые потери.

Прочность и долговечность горных машин любого назначения зависят1 от величины и характера действующих нагрузок, конструктивных особенностей её узлов и деталей. В первую очередь это относится к наиболее массовым и дорогостоящим узлам и де^.лям горных машин: валам, подшипникам и т.д.

Так, техническая экспертиза проведенная на тахтах ассоциации "Киселевскуголь" показала, что в эксплуатации находится свыше 10 тыс. подшипников - самый многочисленный элемент горных машин. Данные, полученные в центральных электромеханических мастерских ассоциации "Киселевскуголь", на Прокопьевском механическом заводе, а также известные по литературным источникам, свидетельствуют, что около 50 Й всех, отказов оборудования связаны с выходом из строя подшипниковых узлов. '

Очним из основных элементов, определяющих надежность и долговечность горного оборудования, является система, режим смазки и вид смазочного материрта. В последние годы, широкое распространение получили твердые смазочные материалы, в том числе на основе гребите, дающие повышение безотказности и долговечности опорных узлов в 2 и более раз. ' " °

В связи с вышеизложенным, исследование и обоснование применения твердой смазки в опорных узлах г оно-шахтного оборудования является актуальной задачей.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательской работы фзбасского политехнического института.

Цель работы - исследование и обоснование применения твердой смазки в подиипникау кач^шда горных», машин и механизмов.

-г -

Идея работы заключается в использовании твердоемазочного материала на основе графит? в подшипниках качения горных машин и представлении твердой смазки в пятне контакта в виде вязкой жидкости, подчиняющейся урчвне.шям Навье - Стчкса.

Научные положения, разработанные лично автором и новизна:

- создана физико-математическая модель процесса смазывания материалом на основе графита подшипников качения горных машин;

- предложены уравнения по определению расхода смазочного материала, максимального давления, касательных напряжений и коэффициента трения тз тверчосмалочнем гное;

- установлена зависимость коэффициента трения скольжения твердой смазки от темгэратуры в пятне контакта;

- разработан оригинальный твердый антифрикционный материал на основе гранита, включающий кокс., сажу, медь, олово, свинец, смесь битумов, резиновую кройку, чнлен-кумароновую смолу, полиизобутилен, мягчитель и связующее в определенном процентном соотношении.

Обсзнопянносль и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаемся применением апробированных методов обработки результатов и объемом лабораторных исследований, позволяющим делать выводы с доверительной вероятностью не ниже 90 : такке результатами апр#бации твердоемазочного материала в шахтных условиях.

Научное значение работы состоит в описании процесса смазывания поверхностей трения п подшипнике ..ачения горно-шахтного оборудова-вния твердой смазкой на основе графита.

Практическое значение работы заключается в повышении долговечности опорных узлэв горных машин и механизмов путем использования твердой смазки.

Реализация г>езул' та то в работы, lía шахтах сссогиации "Киселезск-уголь" в течении 1969 - 1992 годов эксплуатировались подшипники с твердой смазкой в узлах скребковых конвейеров C-50-OI, вентиляторов местного проветривания типа 3!&-о, скипов золоудаления и другом обору^оьании.

Лпролапия работы. Основные положения и результаты, изложенные я писсертации, представлялись на научных конференциях студентов, аспирантов, сотрудников НИЗ и "рофессорско-препопавательского состава Ку^аоского политехнического институт. ( г.Нямероко, I9d9 -1992 .'г на техническое совете ассоциации "Нисолевскуголь" ( г. г-телорск, 1990 - '1992 гг ка «совместном .часеяпнии xaleip гормнх мавдм и комплектов, прикладной механики Кузбасского политехничес-

кого института ( г.Кекерово, 1992 г ).

Публикации. По теме диссертации опублигэзано 16 печатни-/ работ, в том числе I авторское свидетельство на антифрикционный материал , и получено I п-ложигельное реиение о выдаче авторского свидетельства.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четн-реу пав и заключения; содержит 136 страниц машинописного текста, 22 рисунка, 21 таблицу, список литературу из 123 наименований и 12 приложений.

ОСНОВНОЕ С0Д5РНАШЕ РАБОТЫ

Вопросам повышения надежности и долговечности горного оборудования посвящены раоотн А.В.Бермана, А.С.Бурчлкова, Г.В.Вишнорецке-го, Е.Л.Гутмана, И.Ф.Гончаревича, А.В.Докукина, В.Д.Зшпнора, Л.Л.Моисеева, Н.А.Малевича, Г.Я.Лалантз, Г.Н.Периинова, Г.И.Оолодз, ■ А.0.Спиваков кого, Л.Г.<ЛаумеГ;стеря, В.Г.Порина, Ч.И.Чугреева, Б.А.ЭЯ-дермана и ■'(.•нсгиу другк* ученыг, в которых изложены различные пути совертенстроракня горло-сахтного оборудования.

Несмотря ка то, что ропросок усовсртенствоьания конструкции и поввтением надежности горных машш регулярно замигаете» бслькоа количество к^одедорйтзлей, ««еотсп еирэкоэ поло деятельности по улуч-пега» г« эксплуатационных харякгеряегкк» в чыспюстя, погзьтенне на-деяиоси» и долгоаочнэстг? опори«* узлов.

А.Я^Аяь^ер» И.З.Еэчлров, А.Н.Еурт:.роэ, З.В.Еальмонт,' А.П.Гу-ня. М.Д.Гедахсз, В.Э.Зург?дез, В.А^Йзтгеов, Я.В.Йэдороу, З.А.ОЬеЯ-ко, З.Я,Земеиов а зрут» исследовали процессы и явления, характернее злч пгаорныу уэяов масин п приборов» для шдаигнтлв качения.

Амадкэ р?.бзт раэдКчЧпгу азторов и реадыту" услоблЛ эксплуатации горггачгэутнаго оборудования позвони сделать пкво.з, что наиболее перспедтахиое нагчавлсико а области увеличения надежности и долго- . ре^оста ошрныу - использопанне твордоЛ стазки в подшипниках

каченйа. ^умкцгопп» твердая "кззки, достаточно

п&кмо ^дорог^ворд! дкм е рейэвашда\ предонадяешк к подшипникам гор-нзк> э^рудомил-.

Вскрасам »оястру.гооеа!т пэдекгн'тксвых узлов с твердой смазкой пасвйзйкв работы ^чшгигх г'дйдедопатэдоЗ: П.П.Гчлярова, Ю.К.Глодина, С.Г.Гла} э» С.В.ГерлекагшЬ, З.П.Д^ровского, А.Г.Елисеешсо, А.Н.За-. рехзЕэм» З.П.Хэтурга» ".ПЛаиггекке, Д.А.МаЯоровоЯ, Г .Я. Петриков а

и других.

Применение твердой смазки на основе графите позволит увеличить долговечность опорных узлов горных машин й механизмов.

Для достижения поставленной цели работы необходимо решить сле-иувщие задачи:

- создать физико-математическую модель смазочного действия материала на основе :рзфита в подшипниках качения горных машин;

- теоретически исследовать взаимодействия в смазочном ^лое подшипника качения ¿. твердым антифрикционным материалом и процессы протекающие при атом;

- экспериментально проверить теоретические выводы в лабораторных и производственных условиях;

- разработать рекомендации по применению твердой смазки на основе гранита в опорнкх узлах горных мак;:.! и механизмов.

При смазывании тел твердой смазкой на основе графита трение имеет жидкостный хапктер. Во-первых, труциеся поверхности полностью разделены - микронерсвности одного тела не взаимодействуют с микронеровностями другого. Во-вторых, несмотря на то, что графит является твердым телом, силы сопротивления относительному движению.определяются силами сцепления между частицами, что характерно для жиглостного трения. Происходит процесс скольжения одной поверхности относительно другой. Взаимодействие между поверхностями трущихся тел заменяется взаимодействием между частицами смазочного ыата-риола, т.е. становится внутренним трением.

Рассмотрено плоское движение смагочного материала в сукещен-ся зазоре между париком подшипника и наружным кольцом ( рис. I Предлагаем в данн.:й, бесконечно малый моме т времени, парии неподвижным, а спорную поверхность наружного кольца прямолинейной и пви-хущейся с постоянной скоростью ¿/о вдоль оси 03». С учетом этого, движение смазки ыезцяу трущимися поверхностями можно считать установившимся.

В смазочном лое выдедям три характерных фазы состояния смазочного материала. Перпая фаза имеет толцину глоя , состоящего из ен: ¡¡фрикционного маг-ерипла па основе лафита с упрочнявцими добавками. Е ^.роцесса работы подшипнике качения от сепаратора отделяют-гчастицы смазки различны^ по форме и размерам { о? I до 500 мкы ) пополняющие слой. Мелкие.частицы смазки заполняют микронеровности поверхностей смазыва?м1гх тел.

Во второй фазе толчина■слоя уменьшается о тдо б , а давление изменяется в соответствии с кривой, приводимо:* А.Зоммерфельдом. 1{зординаты экс.ремума функции ( точка и ) не совпадают с координатами максимальной и минимальной толщины слоя ( в точках Д" и М ), где давление практически отсутствует.

3 силу анизотропности гранита частицы твердой смазки при неболь-гой нагрузке ориентируются по направо?нмо движения. ТрущиесгГповерх-ности сближаются. Частицы анти.рикционного материала.,^упрочняющими добавками имеют трехслойное строение: графит - добавки - графит. С^ттзи грабит - -травки ^олее прочные, чем связи графит - графит. В этих сечениях проходят плоскости спайности, характеризующиеся наименьшим сцеплением частиц. При повышении даллениь в Слое, по мере изменения координаты У , отдельные слои частиц проскальзывают яруг по гругу по плоскостям спайности, происходит хрупкий разрыв связей гра;иг - грабит. Этим --'г.'.екяется механизм Смазочного действия твер-

- и -

50Й смазки. Смазочный слой отличается по своим физическим свойствам от твердого материала, проявляя текучесть, уарактернуи для вязких жидкостей. Для твердой смазки во второй фазе изменение касательных напряжений относительно скорости сдвигч имеет такой ¡?ч характер, как "л; вязкой жидкости. В третьей фазе давление отсутствует. Гидродинамическое трение прекратилось. Материал возвращается в исходное состояние.

Таким образом, во второй фазе, твердая смазка является вязкой

жидкостью и плоское стационарное течение этой жидкости подчиняется уравнениям Навье - Стикса:

где J) - платность;

JJ - динамическая лязкость; Р - давление; -

- скорости вдоль ocefl. В теории смазочнЪго слоя принимаются следующие "Допущения:

1. Протяженность- слоя по длин- и радиусы кривизны ограничивающих- поверхностей достаточно велики по сравнению с толщиной слоя, так чтс h (X) «£

2. инерции и массовые силы малы пс срав: энию с силами давления и вязкости.

3. Скорость 1'ече::ия в направлении ОУ мала, по сравнению со око-гостью в направлении ОХ, причем

4. Изменением .пэвлегчя по толаине пленки преке^ре'-еется ( по

Основываясь на этих предположениях- из обдих уравнении Навье-Jtokco получим уравнение вида

которое реаиы при следующих граничных условияу:

Vx =Uo при У'О, Ух при У*/?; С') Р°Ро при X'Q, PsPo пои (5)

Peo;a>i уровнен..г Навье - Зтскса той цанныУ граничных условиях

определим расход смазочного материала через поперечное сечен::е, распределение давления вдоль смазочного слоя и его максимальное значение, результирующую касательных напряжений и коэффициент трения скольжения. Так как - процессе эксплуатации вязкость смаьочного материала изменяется, расчет произведем для двух случаев: при постоянной вязкости и переменной. Неоднородность по вязкости моделируется завь-

°™cn*:J«-M'+A)/fr+A(2Wft'-1)*]\ (6)

где А - коэффициент изменения вязкости* А - высота смазочного слоя.' Расход смазочного материала в обоих случаях определяется:

Q * UoH8/2, (?)

где Uo - скорость двияения слоя;

Н -характеристическая высота слоя; . .

В - ширина пятна контакта, в пэре кольцо - cirpiiK,o = т(кш17 . Для слузя постоянной вязкости распределение давления и результирующая кесательных напряжений определяются, соответственно:

где £ - дшка пятна контакта; @- ß(Rw} О -минимальная ^ысота смазочного слоя; ИГ - коэффициент отношения еысот, к= fl/&. 1Сзэ4фпцйент трения бузе? ре вен: . "

J w 6 Щ ел к -¿wm^J m

Дня случая переменней вязкости:

«

Таким образом, распределение давления и результирующая касательных напряжений оп}Х5Деляю1г.я характером изменения вязкости, скоростью у. отношением размеров пятна контакта к минимальной толщине смазочного слоя. ¡Соэффициент трения зависит от геометрии пятна контакта, смазочного слои и изменения ляз-зсти. Результаты расчетов по Формулам ( II > и ( 12 ) представлены на рис. 2 и 3. Расчетные значения коэффициента трения варьируются от 0,13 по 0,30. Теоретически определена область применения твердой смазки на основе графита в подшипниках с 306 по 4 330 гс^но-епхтного оборудования.

Лабораторные исследования проводились с целью сравнительной оценки теоретических данных и определения оптимального соотношения упрочнягкдеу добавок в составе антифрикппнно:о материала на основе графита. Они проводились на специально сконструированном стенде. 0сновным_критери»н опенки был выбран коэ^фицкент трения скольжения. Движущая сила и время регистрировались с помощью самопишущего прибора на масштабно-координатной бумаге посредством тензодатчиков, фотоэлектронной системы и устройства для точного определения времени опыта. Расчет коэффициента трения проводится по форцуяе:

- # бе*г (т

где ~ лви:*ущая сила;

Щ - масса образца;

£ - ускорение свободного падения;

А -.коэффициент пропорциональности;

*1СМ " кинематически вязкость смазочного материала;

I- путь движения образца;

ЗсК - плецадь пг-?ер::нос7и скольжения образця; - время движения ( время опыта ).

Результаты .-^бороторш-х исследований по определению коэффициента трения различ. « «.-пгериалор ке ммепт росхсящекий с данными, по ."ученными !'.Б. Краггльскиы, И.2.Нагаевым, С.Д.Веронковым, С.А.Чер-навсхии

В.ходе экспериментов изменялась температура в пятне контакте, что позволило установить её связь с-коэффициентом трения ( -рис,4

Рис.2. Завкс1;.иос'1 ^ максимального давления в смазочном слое от вязкости и геометрических размеров подаипника

Рис. 3. Связь часательныт напряжений в

смазочном слое с. вязкостью и гес :етрическими размерами пслпипника

а также зависимость коэффициента трения от скорости скольжения. На основании данных зависимостей был уточнен состаэ антифрикционного материала и получена уточненная формула для расчета коэффициента трения:

г«)

где Л Т - изменение температуры;

- экспериментальный коэффициент. Уточненный состав антифрикционного материала для горно-иахтного оборудована., ооноипью ингредиенты, % : графит 13-37; медь 5-20; свинец 1-5; олово 0,5-2; кокс 0,5-5; сажа 0,5-3; упрочняющие добавки: смесь битумов 3,5-6; релиновая крошка 1-26,инден-кумаронопая смола 0,25-0,75; полиизобутиле.. 0,1-0,3; мягчитель 0,15-0,45; остальное связующее.

Для проведения подконтрольных экспериментов была изготовлена партия подшипников " 310 с твердой смазкой на основе графита и 5 % упрочняющей добавки. С ноября 1989 года концевые головки скребкового конвейера, вентиляторы местного проветривания, скипы золоудаления с подэитиками, смазываемыми твердой смазкой сксплуатирова-лись на шахтах "Дальние горы", "Двенадцатая","Храснокаменская" ассоциации "¿йюелевскуголь".

!(онтроль осуществлялся поэтапно через три месяца, шесть месяцев, четырнадцать месяцев, путем разборки подшипникового узла и визуального ос...отра твердосмазочного сепаратора, .если позволяли горно-геологические условия.

Предварительные эксперименты показали, что использование пзри-коподшипников с твердо!' смазкоЧ улучаекного состава снижает трудоемкость тонического обслуживания одного конвейера на 220 чел.-мин. в год, дает повышение срока службы, опошит? узлов оборудования в 1,5 - 2,0 раза. 1'одовои ¡жономичеекиЯ эффект для скребкового конвейера составляет до 5 % от его стоимости.

- -О. -

У 0,20

0,15

0,Ю

0,05

и

¡4

<

> --< >3

50

75

ЮО

Г,

Рис.4. Зависимость коэффициента трения скольжения от температуры при содержании упрочняющей добавкй: 1-ОЙ, 2-5$, 3-10$ 4-15$

т,°с

юо 75 50 25

г чг

1 1 / / V

/ л

^ ^ /

О./

0,2

О,*

0,5 ' 1Г,,и/С

Рис.5. Изменение скошсти сколь-<ения при изменении температуры при содержании упрочняющей добарки: 1-0£, 2-5», 3-10%,

4-15Я

о

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена актуалы я задача по исследованию и обоснованию применения твердой смазки на основе графита в подшипниках качения горных машин и механизмов с целью повь-'эш' : надежности и долговечности их опорных узлов.

Выполненные исследования позволяю»' с глать следующие выводы:

1. Смазки на нефтяной основе, применение в подшипниках качения горных машин и механизмов, не обеспечивают паспортного срока ■ слуябы оборудования. Наиболее перспективно применять , ля смазывания подшипниковых узлов горно-шахтного оборудования твердосмазоч-ные материалы. Установлено, чтс не существует четкой Фи^л.'д-л'атгм-тической модели взаимодействия твердой смазки на осове графита в подшипнике качения.

2. Создана физико-математическая модель процесса смазывания путем представления твердого мазочного мг?ериала на основе графита а плтна контакта кольцо-отрип п видо вязкой хсидкооти, подчиняющейся уравнениям Навье - Стокса.

3. Теоретически доказана возможность применения твердой смазки на основе графита в подшипгттах качения горных машин и механизмов, определена область их применен!« и предложены зависимости по определению расхода, касательных напряжений, давленая и коэффициента трения в смазочном Экспериментально определена зависимость коэффициента трения материалоа на основе графита от температуры, скорости и движущей силы.

4. Разработан антифрикционный материал на неново графита с 5-10$ упроедяэдих добавок. Данные теоретических, лабораторных и проюалгпшх исследований корреспондируются меяду собой.

5. • Пр:"!Знен1:о тзердосмазочного материала на основе графита потваялог увеличить срок службы узлов скребкового конвейера в 1,8-2,2 раза, вентилятора местного проветрившим в 1,5-2 раза, при ото» значительно снияаются расходы на техническое обслуживание подаган!< шв! х узлов.

Годовой экономический эффект для скребкового конвейера составляет ю 5 от его стоимости.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Коэффициент трения скольжения антифрикционных материалов для опорных узлов горних ыапкн и механизмов / Известия вузов. Горный куриал, ?5 2, ID92. - J. 94 -93; ( соавторы П.С.Сафохин, М.П.Лпткшепко ").

2. О применении подшипников качения с твердой смазкой в горных мгшинах / Уголь, F 6, 1992. - С. 26 - 27; ( соавторы М.С.Сафахкн, М.П.Латьменко ).

3. Повышение долговечности подшипниковых узлов хвостовых барабанов конвейеров // Вклад ученых института п его выпускников в развитие производительны* сил ^уг^ас-гп; ¿со.докл. научно-г.ракг. конф. поев. 4С-летию инспггуга. - .^мерово» 1990. - с. 70 - 71; ( соавтор М.П.Латншенко ).

4. Экспериментальная установка дли определения коэффициента трения скольж.снвдг Шгфарм.листок 404-^9, - лемерово:

- 4 о.; ( соавтор,!! М.П.Даиженко, il.П.^рыезкии, В.и.Ыакридш, , С.Г.Пивень ).

5.Расширение a&iactw иртлженкл штйншцноннцу шдштншеов качения / Ileper.pmrô крэйзйадС'ГйенНЫЙ .опыт, * I, IO?I. - С. 15 - 16;

( соавторы ¡Л.Ц.Дэтаенк'о» О^В.Герасименко, Д.Г.Морозов, Е.С.Арцуляк).

6. Устонопкэ айа аоренеявная козф^щлента трен-.ш каченка: Ин-фо^л.лигток »■ 130 - 91. - lie^poai: ЦГГИ, 1991. -.4 е.; ( соавторы М.П.Латьпкенка, i.E.repaciuKH"o, А.Г.Морозов, Э.В.ироткяэв ).

7. Ант^р'.сщкэ'йнна мятёркоа: Информ.листок п £12-91. - Кемерово: ЦЧТИ, 19'Л. -2 с.; соавтор» М.П.Латывеико» U.E фругкки, B.îl.Maic-рилиа, О.Г.Пявеаь- К

о, Стенд для к^сдедаггд'ги 1изико-динзм;тескаг7 процесса взаиыо-асЯствия пар трск;к: Ц^флры.яйеток Г CI9-9I. - Г&иерэро: 15ГП!, 1991.

- 4 с. ;( соопторы Ц.&.Латигешсо, З.В.Иротиков

9. Пр "меиение пеппшшккев с тгердоЯ сма;дай в узлах скребковых конвейеров: Пнформ.дисток Ï* 520-91." - £Свмерово: ЦЩХ, 1991. - 2 е.; ( авторы М.П.Лпткоенко, О.В.^ттаср К

1С, г переменным наклоном импеллераг Кнформ.листок

? 56-22. - ifejt]»во: Ц-ГГК, 1952. - 4 с.

11. ГЬйюпние качения для горнртранспьртного оборудования: Ин-iopv.листок ? 396-92. - Земерср'к IÇîïE, 1932. - 2 е.; Î сссрторк М.П.Л.тиенко, С.В.Гсраспданк^, А.Г.Корсг?)!» ).

12. Заявка « 4dI2595/27-C225ii9, регеиие о втгаче а.г. от 26