автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Повышение эксплуатационной надежности подшипниковых опор станов холодной прокатки, смазываемых системой "масло-воздух", путем управления их тепловым состоянием

"а

Ъа правах рукописи

Султанов Наиль Ласынович

Повышение эксплуатационной надежности подшипниковых опор станов холодной прокатки, смазываемых системой «масло-воздух», путем управления их тепловым состоянием

Специальность 05.02.13 - «Машины, агрегаты и процессы» (Металлургия) Технические науки

АВТОРЕФЕРАТ диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

005550811

Магнитогорск - 2014

2 4 ИЮЛ 2014

005550811

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Защита состоится 25 «сентября» 2014 г. в 16-00 на заседании диссертационного совета Д 212.111.03 при ФГБОУ ВПЭ «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГТУ, малый актовый зал.

E-mail dsovet21211103@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», http://www.magtu.ru/informacziya-o-zashhishhemoj-i-predstavlennoj-k-zashhite-dissertaczii-na-soiskanie-uchenoj-stepeni-kandidata-nauk-na-soiskariie-uchenoj-stepeni-doktora-nauk-2014/item/3715.html

Автореферат разослан «...» июля 2014 г.

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

Жиркин Юрий Васильевич

Официальные оппоненты: Чиченев Николай Алексеевич,

доктор технических наук, профессор кафедры инжиниринг

технологического оборудования ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Дудоров Евгений Александрович кандидат технических наук коммерческий директор ЗАО «Металлпромсервис»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Южно-ургльский

государственный университет», г. Челябинск

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время ведется разработка сталей будущего для автомобилестроения, основанная на концепции Future Steel Vehicle (FSV), позволяющая достигнуть 35 % снижения массы транспортного средства с использованием 97 % стали типа AHSS. Что позволяет автомобильным компаниям уменьшить массу, улучшить экономию топлива, сократить общее количество вредных выбросов в атмосферу и предложить доступные, безопасные транспортные средства для мировой общественности.

Для обеспечения качества готовой продукции, соответствующей всем вышесказанным требованиям, необходимо учитывать надежность работы оборудования. Опыт эксплуатации основного и вспомогательного оборудования на стане 2000 холодной прокатки ОАО «ММК» показал, что основные внеплановые простои связаны с низкой эксплуатационной надежностью узлов трения подшипниковых опор.

Большой вклад в решение вопросов по обеспечению работоспособности подшипников качения внесли учёные Коднир Д.С., Пинегин C.B., Пенкин Н.С., Перель Я.Я., Филатов A.A., Чуб Е.Ф. и др.

Вопросами повышения ресурса подшипниковых опор клетей кварто, смазываемых системами . «масло-воздух», занимались Жиркин Ю.В., Мироненков Е.И., Дудоров Е.И. Ими решались задачи повышения ресурса подшипников качения опор рабочих валков клетей кварто или подбором конкретной марки СМ, или изменением конструктивного исполнения подушек при скоростях прокатки не более 1200 м/мин.

Повышение скорости прокатки с 1000 до 1500 м/мин в клетях № 4 и 5 на стане 2000 холодной прокатки привело к росту числа отказов подшипников качения и, как следствие к росту внеплановых простоев, и связанных с этим потерь производства.

И это в настоящее время является основной нерешённой проблемой по обеспечению устойчивой работы стана 2000 холодной прокатки, на решение которой и направлены исследования в данной работе.

Отказы узлов трения подшипниковых опор в период между плановыми ремонтами связаны с развитием высоких температур в зоне контакта подшипников качения. Смазывание контактирующих поверхностей осуществляется минеральными маслами с помощью автоматизированных смазочных систем «масло-воздух» (АССМ-В), за счёт подачи определённой порции смазочного материала через заданный промежуток времени. В связи с этим, к смазочным материалам (СМ) и смазочным системам (СС) предъявляются высокие требования в отношении рабочих характеристик при различных условиях эксплуатации, устойчивости к износу, защиты от коррозии и стойкости к окислению, а СС должна гарантировано обеспечить подачу СМ в узел трения.

При заданных условиях эксплуатации и режимах подачи смазочного материала тепловое состояние подшипниковой опоры характеризуется температурой, величина которой является следствием установившегося теплового баланса.

Увеличение скорости прокатки до 1500 м/мин приводит к изменению теплового состояния подшипниковой опоры и к установлению теплового баланса при более высокой температуре, нарушающей работоспособное состояние подшипниковой опоры, то есть ведёт к отказу, и как следствие к снижению её эксплуатационной надёжности.

Поэтому исследования теплового состояния подшипниковых опор, направленные на повышение их эксплуатационной надежности на станах холодной прокатки, являются актуальными.

Работа выполнена в рамках государственного задания МОиН РФ по теме: «Разработка теоретических основ механики контактно-гидродинамического взаимодействия неконформных пар трения», зарегистрированного в ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова» под номером ГЗ 2012-01.

Объектом исследования в данной работе являются подшипниковые опоры станов холодной прокатки.

Предметом исследования является тепловое состояние подшипниковой опоры и её ресурс.

Цель и задачи работы. Целью работы является повышение эксплуатационной надежности подшипниковых опор на станах холодной прокатки путем управления их тепловым состоянием в СС «масло-воздух».

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

- разработка методики расчета теплового состояния подшипниковой опоры при циклическом нагружении роликов подшипника качения и периодической подачи СМ для станов холодной прокатки;

- разработка методики расчёта режима подачи СМ в системе смазывания «масло-воздух» с использованием алгоритмов и программ в среде Visual Basic и Mathcad, при заданных технологических условиях эксплуатации стана холодной прокатки;

экспериментальная проверка адекватности разработанной математической модели;

- проведение промышленных испытаний и внедрение рекомендаций по смазыванию подшипниковых опор с использованием программы, разработанной в среде Mathcad, и учитывающей тепловое состояние подшипниковой опоры при выбранных технологических условиях эксплуатации стана холодной прокатки.

Основные положения, выносимые на защиту и отражающие личный вклад автора:

- новая методика расчета теплового состояния подшипниковой опоры на основе термодинамики с использованием модели теплообмена трех тел;

- методика расчёта, с использованием программного обеспечения, режимов подачи СМ в системе «масло-воздух» при различных режимах эксплуатации для формирования теплового состояния подшипниковых опор, исключающего их перегрев.

Научная новизна работы:

1. Разработана методика расчета теплового состояния подшипниковой опоры, отличающаяся использованием модели теплообмена трех тел: -смазочный материал, являющийся источником тепла при трении в зоне контакта подшипника качения; ролики ПК ; остальные элементы подшипниковой опоры; Использование данной методики позволяет формировать режим смазывания подшипниковых опор в системе «масло-воздух» .

2. Установлена закономерность влияния расхода смазочного материала на температурный режим подшипниковой опоры, учёт которой позволяет управлять её тепловым состоянием при циклическом нагружение роликов.

Практическая значимость работы состоит в реализации полученных результатов:

- предложена методика расчета теплового состояния подшипниковых опор, которая позволила рекомендовать режимы смазывания, обеспечивающие поддержание теплового баланса для заданной температуры, исключающей их перегрев. Это, в свою очередь, стабилизирует ЭГД режим смазки и приводит к росту ресурса подшипников качения на 10%;

предложен способ подачи СМ мелкодисперсной струей в подшипниковые опоры ходовых колес петленакопителя стана 2000 холодной прокатки, за счет установки серво элементов для распыления, позволяющий обеспечивать гарантированное покрытие СМ дорожек качения, ведущее к повышению его ресурса в 1,2 раза;

- внедрена новая конструкция подушек тянущих роликов, позволяющая подавать СМ между роликами, непосредственно в зону контакта и распределять его равномерно по всем роликам, тем самым восстановить тепловое состояние подшипниковой опоры при смазывании АССМ-В с одновременным повышением ресурса подшипников качения на 20 %.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректностью допущений, принимаемых при разработке алгоритма и программы в среде Mathcad, учитывающей тепловое состояние подшипниковой опоры при выбранных технологических условиях эксплуатации стана холодной прокатки; вибраций подшипниковой опоры вибродиагностическим прибором «Microlog» CMVA60 фирмы SKF', современными средствами измерений температур тепловизором «THERMOCAM Р60», бесконтактным пирометром Infared thermometer timeTI-213E,

тепловизором БББ Но1р1пс1 - ОХ, виброметром ТтеЬ> 300 при проведении экспериментов и промышленных испытаний.

Реализация работы. Результаты диссертационной работы используются в листопрокатном цехе № 11 на стане 2000 холодной прокатки ОАО «ММК» (г. Магнитогорск).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы излагались и обсуждались на ежегодных конференциях МГТУ им. Г.И. Носова по итогам научно-исследовательских работ за 2010-2013 гг., на XI и XII Международных конференциях молодых специалистов (г. Магнитогорск, 20112012 гг.), на Международной конференции «Новейшие достижения европейской науки» (Болгария, София, 2012 - 2013 гг.), на 16-й и 17-й Интернет-конференциях «Новые материалы и технологии в машиностроении» (г. Брянск, 2012-2013 гг.), на 2-й международной заочной конференции «Инновационные материалы и технологии в машиностроительном производстве» (г. Орск, 2013 г.), на 6-й Уральской научно-практической конференции «Сварка, реновация, триботехника» (г. Н. Тагил, 2013 г.).

Публикации. Основные положения и результаты работы изложены в 16 научных статьях, из них 2 в изданиях, рекомендованных ВАК, 2 свидетельствах о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена цель работы, показана её актуальность и практическая значимость.

В первой главе приведен анализ известных систем смазывания подшипниковых опор на станах холодной прокатки. Дан анализ влияния параметров нагружености валковой системы на ресурс и тепловое состояние в подшипниковых опорах на станах холодной прокатки.

Также проведены испытания на надежность подшипников качения стана 2000 холодной прокатки. В результате анализа работы подшипников качения выявлено, что основные отказы связаны с перегревом подшипника.

По результатам испытания на надежность ПК стана 2000 холодной прокатки установлено, что средний ресурс ПК рабочих валков с учётом отказов ПК по перегреву составляет 5443 ч, а его нижняя доверительная граница среднего ресурса при доверительной вероятности ц = 0,9 — 4181 ч. Средний же ресурс ПК и его нижняя доверительная граница составляют соответственно 7942 и 7564 ч.

Из полученных результатов вытекает возможность существенного повышения показателей эксплуатационной надежности ПК опор рабочих валков по точечной оценке средней наработки в 1,46 раза, если устранить отказы ПК по причине перегрева.

В настоящее время в цехе установлен норматив по плановой замене ПК, равный 5400 ч.

При высоком уровне вероятности безотказной работы Р(0 = 0,95, в случае устранения отказов по перегреву норматив по плановой замене можно устанавливать на уровне 6260 ч, т.е. повысить в 1,16 раза.

Отказы ПК тянущих роликов связаны только с перегревом, а их средний ресурс составляет 3083 ч, а нижняя доверительная граница среднего ресурса при доверительной вероятности ц = 0,9 - 1531 ч.

Выполненный анализ показывает, что в условиях эксплуатации подшипниковых опор стана 2000 холодной прокатки важнейшей задачей является выявление условий, предотвращающих их перегрев.

На основе проведенного аналитического обзора сформулированы цель и задачи исследований, представленные в общей характеристике работы.

Во второй главе проведены теоретические исследования по определению общего теплового состояния подшипниковой опоры.

В упрощенном представлении процессов, протекающих в подшипнике качения, можно считать, что вся работа трения преобразуется в тепло, которое отводится в окружающую среду путем нагрева СМ, воздуха и конвекцией через корпус подшипниковой опоры. Отсюда уравнение теплового баланса по Пенкину Н.С. имеет вид

Чтр = & + <2л, + <2„ОИ- (1)

Тепловая мощность, отводимая нагретым воздухом, определяется из выражения

& = св-рв-Уввв = св-Свбв, (2)

где св - теплоемкость воздуха; рв - плотность воздуха; вв - превышение температуры воздуха на выходе подшипника tв относительно входной температуры С0; Ув, Св - объемный, массовый расход воздуха.

Тепловая мощность, отводимая нагретым СМ:

= с, ■ См 6М, (3)

где см - теплоемкость СМ; 0М - превышение температуры СМ на выходе из подшипника См относительно температуры окружающей среды Г0; 67М -массовый расход свежего СМ.

Существует несколько подходов для определения выделяемой тепловой мощности в подшипнике за счет сил трения качения:

- через общий момент трения подшипника М (Н-мм):

<}тр = 1,047 • 10-4М ■ п; (4)

- за счет сил трения от внешней нагрузки:

<. (5)

где п - частота вращения, об/мин, / = 0,005 - 0,0005 - коэффициент трения; V - окружная скорость вала подшипника; - нагрузка.

Вследствие этого для определения выделяемой тепловой мощности в подшипнике за счет сил трения качения необходимо знать момент сопротивления, возникающий в подшипнике качения. По Перелю Л.Я., он определяется двумя составляющими

М = М0 + М!, (6)

где М0 - момент сопротивления от СМ в подшипнике качения; М1 -момент качения, зависящий от нагрузки на подшипник.

Для исследования динамических свойств модели нагрева подшипника можно использовать частотный метод. Будем считать, что подшипник работает в режиме с упорядоченным нагружением, это приводит к тому, что в течение времени т1 на него действует нагрузка Ртах, а в течение времени т2 = Тпрок - т1 нагрузка РШп. Пусть эти изменения протекают циклически. При разложении периодической функции в ряд Фурье получим

Р(т) = Р0-(1 + кр- зт(П ■ т)), (7)

„„ о РтахТ1+Ртт^2 п . ,. _ 2 (Т!+Т2) Ртах~Ртт ;

' " Тг+Г2 ^ 7Г РтаХ-Т1+Рт1п-Т2 Т1+Т2"

Можно предложить и более простой алгоритм для построения и использования периодических функций:

ДЛЯ Т' = Т - Ыгипс (—) ■ Тпрок.,

V1 прок./

если т' < т1( то Р(т) = РтЫ + (Ртах - Ртт) ■ эт ; (8)

ПРИТ'>Г! Р(г) = Ртт-

Аналогично можно принять, что в течение времени тг скорость вращения роликов птах, а в течение времени т2 — пт1п. Тогда получим: ^

если т' < т1( то п(т) = пт£п + (птах - пт1п) ■ эт (9)

при г' > гх п(т) = Пыж.

При определении общего теплового состояния подшипниковой опоры рассматривалась модель теплового состояния подшипника качения при циклическом нагружении его роликов и периодической подаче СМ. Для этого случая наиболее рационально использовать тепловую модель, состоящую из трех тел: первое соответствует роликам подшипника качения, второе - тепловой поток, выделяемый СМ в зоне контакта подшипника качения, третье включает в себя остальные элементы конструкции подшипникового узла, исключающие ролики подшипника. Эквивалентная схема замещения для этого случая представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Тепловая схема замещения тепловой модели подшипниковой опоры,

состоящей из трех тел Система дифференциальных уравнений, описывающая тепловое состояние подшипниковой опоры в соответствии с приведенной схемой замещения, имеет вид:

С1^ = АР1+К12-(д2-д1), (10)

С2 ^ = = АР2 - К2 ■ д2 - К12 ■ (Т92 - - К23 ■ (,92 - т93), (11) = = АР3 - К3 ■ -д3 + К23 ■ - !93) , (12)

где 19[ - превышение температуры над температурой окружающей среды /' тела; ДР1, ДР2, ДР3, - тепловые мощности, выделяющиеся в роликах, в СМ и в остальных элементах конструкции подшипниковой опоры (в обоймах подшипника).

Мощность тепловых потерь, посредством теплопроводности через корпус подшипника и теплоотдачи в окружающую среду (рисунок 2), определяется из выражения

= (13)

где Лпов - площадь поверхности подшипниковой опоры; дпов -превышение температуры корпуса подшипника качения над температурой окружающего воздуха; К3 - величина коэффициента теплопередачи.

Передачу тепловой мощности между СМ и роликами определяется из зависимости

¡2,2 =КМ —&х) = «21 -А - №--9,). 04)

где а21 - коэффициент теплоотдачи между роликами и СМ; А1 -площадь боковой поверхности роликов.

Аналогично рассчитывается передача тепловой мощности между СМ и подшипниковой опорой:

дгъ =КГ,(Э, -<93) = апА3(32 -&3) = [аЦА°; + а?Л?\32-33), (15)

где Л§н, А™р - площади внутренней и внешней поверхностей качения роликов; а|з, а"1Р - коэффициенты теплоотдачи от СМ к внутренней и внешней обойме роликов.

Учитывая полученные зависимости, получаем окончательную систему дифференциальных уравнений, описывающих тепловое состояние подшипниковой опоры:

.....: (16)

ат

ат

С

с1Эъ dz

(18)

Таким образом, данную систему дифференциальных уравнений можно решить, добавив к ней начальные условия, определяющие температуры рассматриваемых тел в начальный момент времени:

5,(0) = 0;

¿1,(0) = 0;

(19)

В третьей главе проведены экспериментальные исследования по проверке адекватности математической модели расчета теплового состояния подшипниковой опоры при циклическом нагружении его роликов и периодической подаче СМ.

Значения частоты вращения по всем клетям для стана 2000 холодной прокатки приведены в таблице 1.

Номер клети 1 2 3 4 5

пв (рабочих

валков), 0-345 0-550 0-756 0-962 0-995

об/мин

Таким образом, частота вращения вала на ЭУ должна составлять 1200 об/мин для условий 2-й рабочей клети и 1700 об/мин для условий 3-й рабочей клети стана.

На ЭУ обеспечивается частота вращения вала п = 1400 об/мин. Отклонение от фактической частоты вращения рабочих валков на стане не ведёт к существенному влиянию на толщину масляной плёнки.

Результаты расчетов показывают, что отклонение значения расчётной толщины масляной плёнки в ПК на ЭУ от значения расчётной толщины масляной плёнки в ПК рабочих валков не превышает 10%.

Поэтому проверку адекватности разработанной математической модели, необходимо осуществлять для условий эксплуатации, характерных для подшипниковых опор рабочих валков 2-й или 3-й рабочей клети стана.

В современных условиях развития науки и соответственно проведения исследований возникает необходимость в получении изменений и сохранении накопленных баз данных, а также своевременно изменять интересующие параметры и выражения при проведении теоретических, экспериментальных и промышленных исследований. В связи с этим происходит широкое развитие программ для ЭВМ с использованием уже существующих моделей.

Таким образом, на основе вышерассмотренных параметров и использования обобщенных положений, рассмотренных в главах 1 и 2, разработаны программы для ЭВМ в среде Visual Basic и Mathcad, учитывающие динамику нагрева подшипниковой опоры при выбранных технологических условиях работы стана холодной прокатки до 2000 м/мин и нагрузках до 40 МН. В программах имеется возможность сохранения исходных условий и результатов расчета в базе данных, интерфейсы программ с отображением входных данных представлены на рисунках 3, 4. Программы могут быть использованы как в учебном процессе, так и на практике при решении вопроса продления эксплуатационной надежности подшипников качения.

Рисунок 2 - Интерфейс программы с Рисунок 3 - Интерфейс программы с отображением входных данных в отображением входных данных в среде среде Visual Basic Mathcad

Для проверки адекватности математической модели с использованием методики расчета теплового состояния подшипниковой опоры при циклическом нагружении роликов подшипника качения и периодической подачи СМ проводилась серия лабораторных экспериментов на ЭУ для моделирования процессов смазки в подшипниковых узлах с различными классами вязкости СМ (мм2/с), такими как: И 100 PC, с KB 100, Mobil 600 ХР 220 с KB 220, ТНК 460 с KB 460, измерения результатов производились бесконтактным пирометром Infared thermometer time TI-213E, тепловизором SDS HotFind - DX, виброметром Timetv 300.

При проведении экспериментальных исследований получены зависимости расчетной и экспериментальной температуры от времени, а также момента

сопротивления от времени (рисунки 4 - 9). По полученным данным определялась средняя относительная ошибка, позволяющая производить оценку адекватность математической модели.

ДХ = 2£=1 • 100 %. (20)

Рисунок 4 - График изменения расчетной и экспериментальной температуры с течением времени с КВ СМ 100 мм2/с. По результатам полученных значений из

зависимости (20) А1 = 9,54 %

м,н ---,-,-,-,-

МотетР1= -2Е-05П1 + 0.0222113 - 6.87864 + 2522,5

1425x10* -

п = 5Е-081ехрИ -

Мехр! = 5Е-081ехр14 - 7Е-051ехр1-1 + 0.03321ехр1- - 7,1 !541ехр1 + 1845,4

Рисунок 5 - График изменения расчетного момента сопротивления и экспериментального с течением времени с КВ СМ 100 мм2/с. По результатам полученных значений из зависимости (20) ДМ= 10,75 %

Тсхр = гЕ-ОБЪкр2 ■+ 0,0141=»!, + 27,337

= 8Е-081-' - 0.000112 ■+■ 0.08921 +■ 24,857

Рисунок 6 - График изменения расчетной и экспериментальной температуры с течением времени с КВ СМ 220 мм2/с. По результатам полученных значений из

зависимости (20) М = 8,38 %

-Л- Н

Ме.\р1 = -2Е-06 [схр ; + 0,00571ехр|г - 5.57181схр| + 4776.2

Мотеп|Р1 = -2Е-05И5 + 0,0268ог - 9.8619п + 2597.9

Рисунок 7 - График изменения расчетного момента сопротивления и экспериментального с течением времени с КВ СМ 220 мм2/с По результатам полученных значений из зависимости (20) АМ = 11,905 %

Т|= бЕ-ОЗ^ - 0.000+ 0,09181 + 24.952

.... • Л

Техр =1 Е-ОЭгехр3 + 0.0189!ехр + 24,503

пи э» зи> да

Рисунок 8 - График изменения расчетной и экспериментальной температуры с течением времени с КВ СМ 460 мм2/с. По результатам полученных значений из зависимости (20) Дг = 10,784 %

М.Н МА-,-,-,-.-,-

4.75x10*

2.25Х103

Мсхр1 = 8Е-08 1ехрН - 0.0001+ 0.08451ехр|г - 24,851 гехр! + 54 9.8

1x1 о1

МотемК - -5Е-05И' + 0.0513|1: -17,3411+ 3594.9

Рисунок 9 - График изменения расчетного момента сопротивления и экспериментального с течением времени для смазочного материала с КВ СМ 460 мм2/с. По результатам полученных значений из зависимости (20) АМ =

15,505 %

Таким образом, по итогам экспериментальных исследований, средняя относительная ошибка при проверке адекватности математической модели с использованием методики расчета теплового состояния подшипниковой опоры при циклическом нагружении роликов подшипника качения и периодической подачи СМ для роста температуры составляет не более 11 %, для изменения момента сопротивления не более 16 %. Из этого можно сделать вывод о том, что

математическая модель приемлема и может быть использована при проведении промышленных испытаний для станов холодной прокатки.

В четвертой главе описано проведение промышленных испытаний и выдача рекомендаций для стана 2000 холодной прокатки с использованием методики расчета теплового состояния подшипниковой опоры при циклическом нагружении роликов подшипника качения и периодической подаче СМ для обеспечения повышения эксплуатационной надежности подшипниковых опор.

При изучении систем смазывания, учитывая опыт эксплуатации стана 2000 холодной прокатки, выявлено, что смазывание подшипников качения опорных и рабочих валков, а также тянущих роликов производится из одного резервуара.

Однако, учитывая разницу скоростей между клетями (таблица 2) и используя программы, представленные в 3 главе, определено, что при скоростях до 21,16 м/с и подачи СМ каждые 128 с тепловое состояние подшипниковой опоры находится в пределах допустимого (рисунок 10), а именно не выше 50 °С.

Таблица 2 - Линейные скорости прокатки по клетям

Номер 1 2 3 4 5

клети

Линейная

скорость 0-8,6 0-13,8 0-18,5 0-21,16 0-25

прокатки, м/с

Рисунок 10 — График изменения температуры подшипниковой опоры с течением времени при подаче СМ каждые 128 с и скорости до 21,16 м/с

При скорости свыше 21,16 м/с и подачи СМ каждые 128 с по рисунку 11 видно, что происходит нарушение теплового состояния подшипниковой опоры, которое, в свою очередь, ведет к выходу из строя подшипника и к внеплановым простоям стана.

Рисунок 11 - График изменения температуры подшипниковой опоры с течением времени при подаче СМ каждые 128 с и скорости свыше 21,16 м/с Учитывая вышеприведенные зависимости и программу, выданы рекомендации по уменьшению интервала подачи СМ с 128 до 27 с для скорости свыше 21,16 м/с. В результате этого из рисунка 12 видно установление теплового баланса.

Рисунок 12 - График изменения температуры подшипниковой опоры с течением времени при подачи СМ каждые 27 с и скорости свыше 21,16 м/с Что подтверждается результатами замеров температуры на стане 2000

течением времени на стане 2000 холодной прокатки

В результате динамических нагрузок при различных режимах эксплуатации стана в подшипниках качения ходовых колес петленакопителя возникла проблема нарушения теплового состояния подшипниковой опоры из-за низкой эффективности системы смазывания, вследствие этого были внеплановые простои производства по выходу из строя подшипников качения, средний ресурс которых составлял 3 048 ч.

Для обеспечения необходимого теплового режима произведена модернизации ходового колеса петленакопителя. А именно: в палец смонтирован маслоканал для подводки СМ, соединенных с составным блоком, который, в свою очередь, соединен с сервоэлементами для распыления мелкодисперсной струи непосредственно в зону контакта для смазки дорожек качения (рисунок 14).

Рисунок 14 - Узел ходового колеса: 1 - колесо; 2 - втулка; 3,4 - корпус подшипника; 5 - предохранитель; 6 -самоустанавливающийся ролик; 7 - палец; 8 - фиксатор оси; 9,10,11 -шестигранные болты; 12 - стопорное кольцо; 13 - маслоканал для подачи СМ; 14 соединительный блок; 15 - сервоэлементы для распределения мелкодисперсной струи

В результате проведенной модернизации тепловое состояние подшипниковой опоры снизилось и находится в рамках допустимого (рисунок 15). Что также подтверждается результатами замеров температур ходовых колес на стане 2000 холодной прокатки (рисунок 16).

Рисунок 15 - График изменения температуры подшипниковой опоры с течением времени после проведенной модернизации

О 200 400 600 800 1000

Рисунок 16 - График изменения температуры с течением времени на ходовых колесах петленакопителя стана 2000 холодной прокатки При скорости прокатки свыше 1000 м/мин возникает нагрев подшипниковых опор тянущих роликов до температуры выше 50 °С. Это связано с тем, что из-за увеличения скорости и натяжения полосы, наматываемой на моталку, СМ не доходил до 2-го ряда роликов подшипника, что вело к нарушению теплового баланса и соответственно перегреву.

Анализ теплового состояния подшипниковой опоры показал, что внутреннее кольцо и ролик нагреваются несущественно и в этих зонах не происходит перегрева. А вот на внешнее кольцо в зоне нагружения воздействует тепловой поток, приводящий к интенсивному разогреву, что требует необходимого теплоотвода для восстановления теплового баланса подшипниковой опоры. Одним из решений является увеличение подачи СМ за счет снижения цикла подачи со 164 до 27 с. Это привело к снижению температуры подшипниковой опоры до 40 °С, и перегрев роликов на некоторое время прекратился. Но при дальнейшей эксплуатации отказы по перегреву возобновились (2 отказа через 528 и 504 ч).

Вскрытие подшипникового узла показало, что ролики внутренней дорожки изнашиваются меньше, чем внешней. Следствием этого явилось неравномерное распределение СМ по беговым дорожкам из-за недостатков конструктивного исполнения места подвода СМ в подшипники качения.

Для приближения зоны подачи СМ было внедрено конструктивное изменение (рисунок 17), заключающиеся в том, что старое отверстие было заглушено и просверлено новое, которое позволяет подавать СМ между роликами, непосредственно в зону контакта и распределять его равномерно по всем роликам. Проведенная реконструкция подушек тянущих роликов позволила восстановить тепловой баланс, исключить аварийные отказы подшипниковых опор и повысить эксплуатационную надежность.

Рисунок 17 - Подушка тянущего ролика:

1 - подушка; 2 - подшипник качения; 3 - крышка; 4 - масловоздушный подвод; 5 - опорная шейка; 6-кожух ролика; 7 - направляющая; 8 - опорная плита

В заключении сформулированы основные выводы по работе:

- Разработана методика расчета теплового состояния подшипниковой опоры, отличающаяся использованием модели теплообмена трех тел, включающих: СМ, являющийся источником тепла при трении в зоне контакта подшипника качения, ролики ПК и остальные элементы подшипниковой опоры и позволяющая формировать в системе смазывания режим подачи СМ, обеспечивающего достижение в подшипниковой опоре заданного значения температуры.

- Выполненные исследования позволили установить закономерность влияния расхода смазочного материала на температурный режим подшипниковой опоры, учёт которой позволяет управлять её тепловым состоянием при циклическом нагружение роликов.

- Результаты экспериментальных исследований показали адекватность разработанной математической модели;

- разработанная методика расчёта режима подачи СМ в подшипниковые опоры систем смазывания «масло-воздух», с использованием алгоритмов и программ в среде Visual Basic и Mathcad, позволила исключить их перегрев в различных технологических условиях эксплуатации стана холодной прокатки. Это привело к росту ресурса подшипников качения опор рабочих валков на 10%;

Предложен способ подачи СМ мелкодисперсной струей в подшипниковые опоры ходовых колес петле накопителя стана 2000 холодной прокатки, за счет установки серво элементов для распыления, позволивший обеспечить гарантированное покрытие СМ дорожек колец подшипников качения, и приведший к повышению их ресурса в 1,2 раза;

- внедрена новая конструкция подушек тянущих роликов, позволяющая подавать СМ между роликами, непосредственно в зону контакта и распределять его равномерно по всем роликам, тем самым при смазывании АССМ-В

формировать тепловой баланс подшипниковой опоры, исключающий её перегрев. Это позволило повысить ресурс подшипников качения на 20 %.

- результаты работы реализованы на стане 2000 холодной прокатки ОАО «ММК», что подтверждается актами по результатам работы оборудования, ожидаемый экономический эффект от которых составляет 3 792 345,98 руб.

Основные положения диссертации опубликованы в работах: Издания, рекомендованные ВАК

1. Султанов, H.JI. Методика контактно-гидродинамического расчета, с целью повышения ресурса подшипников качения/ H.JI. Султанов, Ю.В. Жиркин, Е.И. Мироненков и др. // Ремонт, Восстановление, Модернизация,- 2013.-№4,-С. 28-31.

2. Султанов, H.JI. Управление тепловым состоянием подшипниковых опор, смазываемых системой «масло-воздух» на стане 2000 холодной прокатки ОАО «ММК» / Н.Л. Султанов, Ю.В. Жиркин, Е.И. Мироненков // Сталь,- 2014.-№4,- С. 71-73.

Прочие издания.

3. Султанов, Н.Л. Методика определения момента сопротивления в подшипниках качения/ Н.Л. Султанов, Ю.В. Жиркин, Е.И. Мироненков // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 68-й межрегион, науч. - техн. конф. - Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2010.- Т 1,- С. 272-274.

4. Султанов, Н.Л. Экспериментальные исследования в области реализации ЭГД смазки в подшипниках качения/ Н.Л. Султанов, Ю.В. Жиркин, Е.И. Мироненков // Актуальные поблемы современной науки, техники и образования: материалы 68 межрегион, науч.-техн. конф,- Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2010. -Т 1.- С. 275-276.

5. Султанов, Н.Л. Исследование подшипниковых опор прокатных станов/Н.Л. Султанов, Ю.В. Жиркин, Е.А. Пузик // Молодежь.Наука. Будущее: сб. науч. трудов. —Магнитогорск, 2011.- С.137-139.

6. Султанов, Н.Л. Исследование влияния коэффициента трения на ресурс подшипников качения и качество холоднокатаной продукции/ Н.Л. Султанов, Ю.В. Жиркин, Е.И. Мироненков // Тезисы докладов XI междунар. науч.-техн. конф. молодых работников ОАО «ММК».- Магнитогорск, 2011.- С. 67-69.

7. Султанов, Н.Л. Изменение ресурса узлов трения при использовании смазочных материалов с определенным классом вязкости / Н.Л. Султанов, Е.И. Мироненков, P.P. Юсупов // Новые материалы и технологии в машиностроении: сб. докл.-Брянск, 2011. - С. 70-73.

8. Султанов, Н.Л. Влияние отношения толщины масляной пленки к шероховатости трущихся поверхностей на ресурс неконформных пар трения и качество холоднокатаной продукции / Н.Л. Султанов, Е.И. Мироненков, P.P.

Юсупов // Новые материалы и технологии в машиностроении. - Брянск, 2011.-С. 74-76.

9. Султанов, HJI. Параметры, влияющие на качество холодной прокатки стана - тандем 2000/ НЛ. Султанов, Е.И. Мироненков, Р.Р. Юсупов // Инновационные технологии в машиностроении: проблемы, задачи решения. -Орск, 2012. - С. 105-108.

10. Султанов, НЛ. Разработка параметров механической модели для измерения момента сопротивления в подшипниках качения с использованием теории подобия / НЛ. Султанов, Ю.В. Жиркин, Е.И. Мироненков и др. // Механическое оборудование металлургических заводов: межрегион, сб. науч. тр. — Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2012.-С. 154-158.

11. Султанов, НЛ. Проведение экспериментальных исследований основ механики контактно-гидродинамического взаимодействия в подшипниках качения/ НЛ. Султанов, Е.И. Мироненков, С.И. Платов и др. // Новейшие достижения современно науки-2012. Т. 19. Технологии. Физическая культура и спорт: материалы 8-й междунар. науч.-пракг. конф.: сб. докл . - София: «Бил ГРАД-БД» ООД, 2012.- С.15- 18.

12. Султанов, НЛ. Использование теории подобия при разработке параметров механической модели для определения моментов сопротивления в подшипниках качения/ НЛ. Султанов, Ю.В. Жиркин, Е.И. Мироненков и др. // MATERIÁLY VIII MEZINÁRODNÍ VÉDECKO- PRAKTICKÁ KONFERENCE: сб. докл. - Прага, Чехия, 2012. - С 30-35.

13. Султанов, НЛ. Повышение эффективности подачи смазочного материала в подшипники качения тянущих роликов стана 2000 х/п ОАО «ММК» / НЛ. Султанов, Ю.В. Жиркин, Е.И. Мироненков, и др. // Актуальные поблемы современной науки, техники и образования: материалы 71 межрегион, науч,-техн. конф.- Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. ГЛ. Носова, 2013,- С. 27-274.

14. Султанов, H.JI. Методика расчета теплового состояния подшипникового узла при его циклическом нагружении и периодической подачи смазочного материала с использованием модели теплообмена трех тел/ H.JI. Султанов, ЕЛ. Мироненков // Достижения высшей школы - 2013: материалы IX Междунар. науч.-пракг. конф. - София, Болгария, 2013. - С. 51-56.

15. Султанов, НЛ. Закономерности расхода смазочного материала в системах «масло-воздух» в зависимости от температуры подшипникового узла / НЛ. Султанов, Ю.В. Жиркин, Е.И. Мироненков и др. // MATERIÁLY IX MEZINÁRODNÍ VÉDECKO- PRAKTICKA KONFERENCE: сб. докл. -Прага, Чехия, 2013. - С. 23-28.

16. Султанов, НЛ. Математическое моделирование теплового состояния подшипникового узла тянущих роликов стана 2000 ОАО «ММК» холодной прокатки / НЛ. Султанов, Ю.В. Жиркин, И.М. Ячиков и др. // Математическое и

программное обеспечение систем в промышленной и социальных сферах. -Магнитогорск, 2013. - № 1. - С. 29-37.

17. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013611708. Математическая модель контактно-гидродинамического расчета подшипников качения / Султанов Н.Л., Жиркин Ю.В., Мироненков Е.И. и др.; ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

18. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014614308 Расчет теплового состояния узлов трения на станах холодной прокатки / Султанов Н.Л., Жиркин Ю.В., Мироненков Е.И., Ячиков И.М. и др.; ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Подписано в печать 30.06.2014 Формат 60x84/16. Бумага тип. № 1.

Плоская печать. Усл.печ.л. 1,00. Тираж 100 экз. Заказ 411.

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок ФГБОУ ВПО «МГТУ»