автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Повышение надежности быстроизнашивающихся деталей ленточных конвейеров в воздушно-соляной среде

На правах рукописи

ИЩЕНКО Роман Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ БЫСТРОИЗНАШИВАЮЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ ЛЕНТОЧНЫХ КОНВЕЙЕРОВ В ВОЗДУШНО-СОЛЯНОЙ СРЕДЕ

Специальность 05.05.06 - «Горные машины»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

/ Гу-\ и/3

Москва 2013

005061886

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный открытый университет им. B.C. Черномырдина»

Захаров Юрий Никитович доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Техника и технология нефтегазового производства» ФГБОУ ВПО «Московский государственный открытый университет им. B.C. Черномырдина»

Галкин Владимир Иванович доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Горная механика и транспорт» ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет»

Кузнецов Андрей Алексеевич кандидат технических наук, профессор кафедры «Подъемно-транспортных, строительных и дорожных машин» ФГБОУ ВПО «Московский государственный открытый университет им. В.С.Черномырдина»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Пермский национальный

исследовательский политехнический университет»

Защита состоится _ июня 2013г. в _ час. _ мин. на заседании

диссертационного Совета Д.212.137.03 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный открытый университет им. B.C. Черномырдина» по адресу: 107996, г. Москва, ул. Павла Корчагина, д. 22, ауд. № 108.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного открытого университета им. B.C. Черномырдина

Автореферат разослан _ мая 2013 года

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Н.А. Артемьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Производительность процесса добычи и обогащения руды в значительной мере определяется надежностью и долговечностью подъемно-транспортного оборудования, в частности, ленточных конвейеров, основная доля отказов (около 47 %) которых приходится на ролики и транспортирующую ленту, подвергаемые интенсивному изнашиванию и усталостному разрушению. Стоимость роликов и транспортирующей ленты достигает соответственно 28 % и 35 % стоимости конвейера. Отсюда очевидна необходимость и экономическая целесообразность повышения их долговечности. В то же время стремление к достижению высокой производительности горного оборудования требует увеличения ширины ленты, повышения скорости ее перемещения, нагрузок на ролики и приводит к необходимости постоянного совершенствования их конструкции, технологии изготовления и выбора новых материалов. При этом должны учитываться особенности процесса добычи и обогащения руды. Так, в ОАО «Беларуськалий» конвейеры эксплуатируются в условиях повышенной влажности, воздействия химически активных солей хлористого натрия и калия, наличия абразивных частиц в горной массе и воздушно-соляной среде. Эти факторы ускоряют процессы коррозии металла и изменения служебных характеристик материала транспортирующей ленты, повышают интенсивность изнашивания элементов рассматриваемого узла. По этой причине, несмотря на интенсивные исследования в данной области, проблема повышения долговечности роликов и транспортирующей ленты остается актуальной. Для ее решения необходимы исследования напряженно-деформированного состояния обечайки ролика в зависимости от нагрузки горной массы, механизмов и закономерностей изнашивания обоих сопрягаемых элементов, а также, поиск новых материалов и совершенствование конструкций быстроизнашивающихся элементов ленточных конвейеров.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является повышение надежности быстроизнашивающихся деталей ленточных конвейеров, эксплуатирующихся в воздушно-соляной среде.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Выявить закономерности изнашивания резинотканевой ленты, стальной и композитной обечаек ролика при трении в воздушной и воздушно-соляной средах;

2. Исследовать напряженно-деформированное состояние обечайки ролика при воздействии нормальной нагрузки;

3. Изучить процессы, протекающие в зоне фрикционного контакта резинотканевой ленты с композитным и стальным роликом;

4. Разработать износостойкие композиционные материалы для изготовления обечайки ролика, обеспечивающие низкую интенсивность изнашивания сопрягаемой с ним конвейерной ленты, и методы повышения их долговечности;

5. Определить области и эффективность практического применения результатов исследований.

Методы исследования. Анализ напряженно-деформированного состояния обечайки ролика осуществлялся с применением теории цилиндрических оболочек, определение механических характеристик — по стандартизированным методикам на разрывных машинах, маятниковом копре, твердомерах, определение показателей триботехнических свойств материалов - на машине трения СМТ-1. Оптимизацию составов разработанных материалов и технологических режимов их формирования проводили с применением методов математического планирования экспериментов. Применялись также методы физического анализа композитов.

Научная новизна полученных результатов. Разработана математическая модель НДС и перемещений поверхности обечайки, отличающаяся тем, что позволяет установить зависимости радиальных, продольных и окружных перемещений различных точек поверхности обечайки от ее размеров, механических характеристик и нормальной нагрузки. Экспериментально подтверждена возможность управления долговечностью обечайки путем регулирования напряженно-деформированного состояния ее поверхностного слоя.

Установлено, что сталь и находящиеся в горной породе соли металлов переменной валентности ускоряют старение, снижают эластичность и сопротивление резины усталостному изнашиванию. Предложен и обоснован механизм этого явления, согласно которому ионы этих металлов ускоряют разрыв связей в основном скелете молекул и образование свободных радикалов, способных взаимодействовать с молекулами окружающей среды. Скорость протекания этого процесса возрастает при повышении температуры и приложении механической нагрузки. Показана возможность подавления процесса старения резины путем введения металлических солей стеариновой кислоты в состав композита обечайки, сопрягаемой с ее поверхностью.

Выявлены новые закономерности трения и изнашивания деталей подъемно-транспортного горного оборудования. Показано, что при попадании в зону контакта хлористых солей калия и натрия к усталостному и адгезионному видам изнашивания добавляется абразивное изнашивание

резины и коррозионно-механическое изнашивание стальной обечайки: интенсивность изнашивания резины возрастает в 1,4-2,2 раза, а стали - в ~3 раза. Замена стального ролика на композитный снижает влияние частиц горной породы. Установлено, что при фрикционном взаимодействии со сталью резинотканевая транспортирующая лента изнашивается в 1,11,4 раза более интенсивно, чем при контакте с полимерным композитом.

Получена математическая модель влияния содержания фенолофор-мальдегидного олигомера, волокон базальта и торфа на ударную вязкость и интенсивность изнашивания композита. Показана возможность получения высокопрочных композитов на основе фенолоформальдегидного полимера путем выбора такого содержания компонентов, при котором полимерное связующее между волокнами наполнителя находится в состоянии ориентированных тонких пленок.

Практическая значимость полученных результатов. На базе полученных результатов исследований разработаны рецептуры высокопрочных и износостойких материалов для обечаек роликоопор ленточных конвейеров. Предложены методы повышения механических и триботехниче-ских характеристик быстроизнашивающихся деталей подъемно-транспортного горного оборудования путем создания сжимающих напряжений в обечайке, применения устройства оригинальной конструкции для очистки конвейерной ленты, аппретирования базальтовых волокон сила-ном и введения в состав композита стеарата кальция.

Экономическая значимость полученных результатов. В ЗАО «Солигорский Институт проблем ресурсосбережения с Опытным производством» организовано производство 10,4 тыс. шт. в год роликов из разработанных композиций. Замена стальной обечайки на композитную позволила повысить долговечность резинотканевой ленты в среднем на 23 %, а роликов ленточного конвейера - в 1,2 -г- 1,4 раза, снизить в 2,2 -ь 2,4 раза массу обечайки и уменьшить нагрузку на подшипники роликоопор, а также сэкономить около 117 тонн трубного проката. Годовой экономический эффект от внедрения результатов исследований составил 86,4 тыс. долларов США.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Математическая модель напряженно-деформированного состояния обечайки, контактирующей с нагруженной и растянутой в продольном направлении конвейерной лентой, устанавливающая связь главных напряжений с геометрическими параметрами и механическими характеристиками материала обечайки, величиной и распределением нагрузки по контактной площадке, отличающаяся выявлением области экстремальных значений знакопеременных перемещений и напряжений в материале оболочки, и с позиций механики контактного взаимодействия обечайки с лен-

той и теории усталостного разрушения, определяющая условия, при которых возможна замена стальной обечайки на композитную.

2. Трибологические механизмы и закономерности фрикционного взаимодействия конвейерной ленты и стальной обечайки ролика, свидетельствующие о снижении их долговечности при эксплуатации в соляной химически активной среде, обусловленном переходом от усталостного изнашивания обечайки к коррозионно-механическому и каталитическим действием ионов металлов среды и обечайки на процесс старения резины и обосновывающие эффективность изготовления обечайки из высокона-полненных полимерсодержащих материалов.

3. Закономерности фрикционного взаимодействия и изнашивания конвейерной ленты и обечайки ролика, изготовленной из полимерсодержащих материалов, позволяющие оценить возможность и целесообразность применения высоконаполненных материалов для изготовления роликов, эксплуатирующихся в соляной среде калийных производств.

4. Обоснование материаловедческих принципов создания износостойких материалов для изготовления роликов ленточных конвейеров, эксплуатирующихся в соляных химически активных абразивсодержащих средах, что позволило разработать новые материалы с высокими трибо-техническими и физико-механическими характеристиками, пригодные для изготовления обечаек роликов, эксплуатируемых в калийных производствах.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается достаточным объемом теоретических и практических исследований, выполненных с применением апробированных методов математической статистики, системного анализа, планирования и объемом математических экспериментов, что позволяет сделать выводы с доверительной вероятностью не ниже 90 %.

Личный вклад соискателя. Автором сформулирована и обоснована постановка теоретических и экспериментальных задач, обобщены полученные результаты исследования, разработана математическая модель напряженно-деформированного состояния обечайки ролика, установлены закономерности и механизмы трения и изнашивания пары «лента - обечайка ролика конвейера» в условиях соляных химически активных и абразивсодержащих сред, обоснованы требования к материалу обечайки ролика с точки зрения повышения надежности и долговечности основных узлов и деталей конвейера.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты исследований неоднократно докладывались и обсуждались на заседаниях, науч-

но-технических совещаниях и семинарах ОАО «Беларуськалий», ЗАО «Солигорский Институт проблем ресурсосбережения с Опытным производством», ОАО «Белгорхимпром», на научных симпозиумах «Неделя горняка» 2006 г., 2012 г., 2013 г. а также на VII Международной научно-технической конференции «Материалы, технологии и оборудование в производстве, эксплуатации, ремонте и модернизации машин» г. Но-вополоцк, 2009 г.

Опубликованность результатов. Основные положения и результаты работы отражены в 17 научных работах, в том числе в 7 публикациях в рецензируемых изданиях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованных источников из 107 наименований. Полный объем диссертации составляет 118 стр., включая 43 рисунка и 7 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность проблемы повышения надежности быстроизнашивающихся деталей ленточных конвейеров, эксплуатируемых в условиях воздушно-соляных сред горных предприятий.

Первая глава посвящена обзору исследований таких известных ученых как Спиваковский А.О., Дьячков В.К., Поляков Н.С., Галкин В.И., Дьяченко В.П., Норенко И.И., Шешко Е.Е., Шахмейстер Л.Г., Дмитриев В.Г., Шорсткий Ф.М. и др., направленных на выявление природы ц закономерностей трения и изнашивания транспортирующей ленты из армированного эластомера, фрикционно взаимодействующей с металлическим роликом. Рассмотрены результаты расчетов напряженно-деформированного состояния обечайки ролика, находящегося в контакте с конвейерной лентой, нагруженной горной породой. Анализируются результаты исследований, направленных на создание материаловедческих и технологических принципов повышения долговечности сопряжения резинотканевая лента - ролик. Описаны условия эксплуатации узлов трения горного оборудования, применяемые для их изготовления материалы и их характеристики. Обоснована необходимость решения поставленных в диссертационной работе задач исследования.

Во второй главе описаны объекты и методики экспериментальных исследований. Моделирование условий эксплуатации узла резинотканевая лента - ролик осуществлялось на машине трения СМТ-1 по схеме вал -частичный вкладыш при трении скольжения и вал - вал при трении качения (ГОСТ 11368-89). Скорость относительного перемещения трущихся тел изменялась в интервале 0,2-3 м/с. Номинальное давление в контакте ленты с роликом (трение качения и скольжения) при нормальных условиях транспортирования горной породы соответствовало 0,1-10 МПа. Испытания проводили в воздушной и воздушно-соляной среде, содержащей смесь хлористого натрия и хлористого калия в соотношении 1:1. Ролики изготавливались из стали 45 и композитов на основе фенолоформальдегидного олигомера (ГОСТ901-78). Износ сопрягаемых тел оценивали методом взвешивания. Механические характеристики материалов определяли по соответствующим стандартам на разрывной машине ЦД-4 и маятниковом копре ПСВ-1,5.

Исследование топографии поверхностей трения после изнашивания проводились на металлографическом микроскопе МИМ-8, а изменений структуры материалов при внешнем воздействии - с применением дифференциально-термического (дериватограф ОД-102) и термомеханического (Thermoflex, Rigacu) анализов. Стойкость композитов к воздействию

агрессивных сред изучали по изменению их массы, физико-механических и триботехнических характеристик после выдержки образцов в течение 720 часов в средах хлористого калия и натрия (ГОСТ 12020-72).

Эксплуатационные испытания роликов проводили на ленточных конвейерах ЗАО «Солигорский Институт проблем ресурсосбережения с Опытным производством».

Третья глава содержит результаты исследований процессов, протекающих в зоне фрикционного взаимодействия роликов из стали и композиционного материала с резинотканевой конвейерной лентой и закономерностей их изнашивания в воздушной и воздушно-соляной (NaCl и КС1) среде. Приводятся данные о напряженно-деформированном состоянии обечайки под воздействием нормальной нагрузки.

Установлено, что интенсивность изнашивания ihp ленты при качении по ролику из стали в воздушно-соляной среде слабо изменяется с увеличением давления р и скорости v относительного перемещения в интервале эксплуатационных режимов нагружения: р < 5 МПа и v < 2 м/с (рисунок 1, а). В области давлений, превышающих нормальные условия эксплуатации конвейера, зависимости ihP(p,v) более существенны. Причина в том, что повышение р и v вызывает рост температуры в зоне трения, приводящий к увеличению проскальзывания, гистерезисных потерь и адгезионной составляющей трения качения.

Рисунок 1 - Влияние давления и скорости на линейную интенсивность изнашивания резины при трении качения (а, в) и скольжения (б, г) по ролику из стали (а, б) и композита (в, г) в воздушно-соляной среде

Зависимость /А/) от скорости V графически изображается кривыми с минимумом, положение которого определяется нагрузкой, и находится в интервале V = 0,5-1,5 м/с. Она согласуется с зависимостью коэффициента сопротивления качению /с от скорости перемещения ленты по ролику. Снижение в области малых скоростей связано с уменьшением числа молекулярных цепей, успевающих вступить в контакт с роликом, что приводит к падению /с. При более высоких скоростях качения жесткость резины в контакте повышается и растет склонность к хрупкому разрушению, что обеспечивает рост /А/7. Доминирующим видом изнашивания резины в исследуемом диапазоне нагрузок и скоростей является усталостное.

Поскольку при качении ленты по ролику или барабану всегда имеет место проскальзывание, и скольжение реализуется в случае бокового смещения ленты или заклинивания ролика, были изучены процессы трения и изнашивания резинотканевой ленты при скольжении по стали. Показано, что при скольжении гЛр резины почти на два порядка выше, чем при качении (рисунок 1, б). Исчезает минимум кривой 4Ду), более существенным становится влияние нагрузки и скорости скольжения в области их больших значений. Причина в том, что при V > 1,5 м/с и р > 0,4 МПа важную роль в изнашивании начинает играть фрикционный нагрев сопрягаемых тел. Температура в зоне трения возрастает на ~ 100-130 °С, доминирующую роль в трении начинают играть гистерезисные потери, повышается коэффициент трения, площадь контакта и толщина деформируемого слоя, в котором протекают усталостные процессы. Проскальзывание вызывает изнашивание поверхностей трения абразивными частицами, содержащимися в горной породе.

Близкие к описанным выше поверхности отклика и /с(р, V) по-

лучены при испытаниях пары резина - сталь в воздушной среде. Отличие состоит лишь в том, что трение качения при р < 5-7 МПа сопровождается менее интенсивным изнашиванием резины в воздушной среде, чем в воздушно-соляной (рисунок 1, в и г). При высоких нагрузках наблюдается обратная картина вследствие выдавливания солей из зоны трения и реализации преимущественно адгезионного и усталостного видов изнашивания.

Исследования процессов в зоне фрикционного контакта показали, что особая роль в изнашивании принадлежит старению (окислению) резины. При длительной эксплуатации в ее поверхностном слое происходит разрыв связей в основном скелете молекул и образование свободных радикалов, способных взаимодействовать с молекулами окружающей среды. Это подтверждается интенсивным поглощением кислорода после истечения времени / = 6600 часов. Далее резина окисляется, ее поверхностный слой теряет эластичность и оказывает меньшее сопротивление усталости. Об

этом свидетельствуют результаты изучения кинетики изнашивания резины: после приработки и стабилизации триботехнических характеристик наступает период ее интенсивного изнашивания.

Обнаружено, что окисление резины ускоряется при контакте ее со сталью и солями металлов переменной валентности, т.к. ионы металлов ускоряют процесс распада гидроперекисей. Каталитическое действие стали и хлористых солей металлов на процесс окисления подтверждено данными ДТА: при введении в навеску резины частиц стали, хлористого натрия и калия высота связанного с окислением резины экзотермического пика при температуре 220 °С возрастает на 10-15 %. Кроме того, повышение температуры на пятнах фактического контакта в процессе трения способствует локальному старению резины.

Снижения скорости старения резины и коррозионного изнашивания роликов можно достичь при замене стальной обечайки на композитную. Поэтому были выполнены исследования влияния режимов нагружения на изнашивание ленты при трении по полимерному композиту (ПК) на основе ФФО (25,1 масс. %), базальтовых волокон (50,3 масс. %) и торфа (24,6 масс. %).

При качении в воздушно-соляной среде контакт ленты с роликом из полимерного композита более предпочтителен (рисунок 1, а и 1, в), что особенно характерно для высоких нагрузок. Так, при изменении р от 7 до 16 МПа ¡Ир резины повышается в 3,5-4,5 раза, а в случае контакта с металлическим роликом — в 6 и более раз. Это связано с низкой адгезией композита к резине и горной породе, что снижает вклад адгезионного и абразивного изнашивания. Кроме того, композит не выступает в роли катализатора старения резины. Зависимость у) немонотонна, т.к. на ¡иР действуют два конкурирующих фактора: время контакта и «оседлой» жизни макромолекул резины на поверхности ролика и фрикционный нагрев поверхностей трущихся тел.

При скольжении по ролику из композита сопротивление резины изнашиванию почти в 2 раза выше, чем по стальному ролику (рисунок 1, б, 1, г). Такое различие обусловлено низким коэффициентом трения резины по композиту и, как следствие, малыми контактными деформациями рабочего слоя ленты. В отличие от стали, полимерный композит обладает низкой адгезионной способностью к частицам горной породы, в том числе, ИаС1 и КС1, что уменьшает абразивное изнашивание ленты и смещение центра масс вращающегося ролика. Существенным недостатком стальных обечаек является повышение шероховатости поверхности, вызванное коррозией, что приводит к непрерывному росту интенсивности изнашивания ленты в процессе эксплуатации.

Таким образом, в сравнении с металлическими, композитные обечайки обеспечивают более высокую долговечность конвейерной ленты. Это особенно характерно в случае проскальзывания ленты по обечайке.

Установлено, что при режимах нагружения, соответствующих нормальным условиям эксплуатации конвейера, интенсивность изнашивания 4 стальной обечайки при качении по резине в воздушной среде сооТве'Г-ствует (0,45-0,63)- 1СГП, если коэффициент проскальзывания а близок к нулю. Обечайка подвергается слабо выраженному адгезионному и окислительному изнашиванию. При а = 10 % 4 стали увеличивается почти в 2 раза вследствие роста контактных напряжений и вклада абразивного изнашивания (рисунок 2).

Интенсивность изнашивания композита в воздушной среде в 1,2-2,3 раза выше, чем ц стали, что связано с его более низкими прочностью и модулем упругости (контактными деформациями) и преимущественно усталостным изнашиванием. Однако для композита характерна менее существенная зависимость 4(р). Это обусловлено увеличением температуры пятен контакта, способствующей образованию пленки торфяного воска, который снижает коэффициент трения по резине и вклад усталостного и адгезионного разрушения поверхностного слоя. Для стали наблюдается обратная зависимость - с повышением нагрузки / возрастает. Влиянием торфяного воска на / можно объяснить и то, что степень проскальзывания оказывает на 4 композита едва заметное влияние: увеличение а до 10 % снижает /А только на 10-25 %.

8 Р. МПа

Рисунок 2 - Влияние нагрузки на ц обечайки из стали (1, 3) и композита

(2, 4) при качении по резине с а = 10 % в воздушной (1, 2) и воздушно-соляной (3, 4) среде (V = 2 м/с)

• -.IV

. - —.

..-":. ,ч. ч 1 д,а..ИЯЯЯЯ>---а. <

Рисунок 3 - Поверхность стали (а) и композита (б) после изнашивания при качении по резине с а = 10 % в воздушно-соляной среде

При переходе от воздушной к воздушно-соляной среде интенсивность изнашивания резины возрастает в 1,4-2,2 раза, а стали - в ~3 раза. Доминирующим видом изнашивания становится коррозионно-механическое (стрелка 1 на рисунок 3, а), заметный вклад вносит абразивное и усталостное разрушение (стрелка 2 на рисунке 3, а). В меньшей степени влияние воздушно-соляной среды сказывается на обечайке из композита - 4 увеличивается в среднем в 1,6 раза, что обусловлено ростом абразивного и усталостного изнашивания. Об этом свидетельствует появление на изношенной поверхности композита глубоких продольных бороздок и перпендикулярных микротрещин усталости (рисунок 2, б).

Таким образом, при оценке возможности замены металлической обечайки на композиционную для работы в воздушно-соляной среде необходимо иметь данные о ее напряженно-деформированном состоянии, т.к. НДС определяет интенсивность усталостного изнашивания. Кроме того, при вращении под нагрузкой обечайка испытывает деформации, которые приводят к развитию усталостных процессов в объеме, что способствует росту ih. Так, установлено, что /Л образцов из композита повышается в 1,11,5 раза, если они предварительно подвергались циклическому деформированию (5 106 циклов). Степень проявления этого эффекта зависит от амплитуды деформаций и асимметрии цикла «растяжение - сжатие». При отсутствии циклического объемного нагружения по данным лабораторных испытаний толщина изношенного слоя обечайки за 12 тыс. часов не должна превышать 2,8 мм, что в 1,3-1,5 раза ниже величины, наблюдаемой в натурных условиях.

Поскольку обечайка подвергается преимущественно усталостному изнашиванию, было изучено ее НДС при воздействии нормальной нагрузки. Учитывая существенное различие ih стали и композита, важно также знать оптимальные геометрические параметры обечайки, в частности толщину h, при которой долговечность обечайки из стали и композита будет одинаковой.

Расчет перемещений обечайки радиусом R и длиной / выполнен по формулам, полученным с применением теории цилиндрических оболочек. Полагая, что оболочка находится под действием радиальной нагрузки q, зависящей от координат а (расстояние по образующей, выраженное в долях радиуса) и Р (центральный угол), перемещения поверхности в радиальном w, по образующей и, и окружном v направлениях можно найти, определив функцию F{a, Р) уравнения равновесия оболочки.

По условиям закрепления обечайку можно рассматривать как шар-нирно неподвижную в плоскостях поперечных краев цилиндрическую оболочку, что позволяет определять перемещения w, и и v, пользуясь ме-

тодом двойных тригонометрических рядов. При этом граничные условия имеют вид: при а = 0 и а = l/R, v = w= N\ = Мх = 0, а при а = const функция F и все ее частные производные по Р будут также равны нулю. Так как поперечное сечение оболочки имеет форму окружности, то функция F(a, Р) по переменной Р должна быть периодической. В соответствии с граничными условиями и условиями периодичности функцию F(a, р) решения дифференциального уравнения можно представить в форме тригонометрического ряда. Тогда перемещения:

, \ тж г тълъ | тка п и = 2-,Zj А™.» I -п +у-— [cos—-cos«/?; (1)

СС. СС.

= Х1Х.» п ~(2 + v)——и sin-sinп/3; (2)

а,

{ 2 2 Л2 т ж

V V i " 2 • пгжх

w = 2_i2_iAmn —---п sin-cos«/?, (3)

m.l л=0 V а\ У а\

где: т и п - числа натурального ряда, включая для п и нуль, а коэффициенты:

А - B"a

"" [(ттг/а,)2+п2]4+(l-v1)(mTT/a!)i/с2' ^

Вт п для четного т равен нулю, для нечетного:

'"(Го-^УиИ^ + г,)

, , S1U

ж2п2т(Та-Тх)

16? . '

В„ „ =--г—:—--sin

sin

(5)

В расчетах принималось, что радиальная нагрузка распределена равномерно по всей длине обечайки, а также по дуге контакта (Р < а{), за пределами а\ - уменьшается до нуля.

Установлено, что за один оборот обечайки радиальные, продольные и окружные перемещения поверхности многократно меняют знак (рисунок 4). Причем, наибольшие перемещения (деформации) наблюдаются в радиальном направлении. Такого рода деформации являются причиной изнашивания и разрушения обечайки, а их величина и число циклов ответственны за интенсивность протекания усталостных процессов. Известно, что для обеспечения требуемой долговечности (108 циклов нагружения) толщина стальной обечайки (Е = 2,1 105 МПа) должна превышать 4,0 мм.

Рисунок 4 - Перемещения композитной Рисунок 5 - Радиальные перемещения обечайки: 1 - радиальные ж; стальной (1) и композитной (2) обе-

2 - продольные и; 3 - окружные V чайки в зависимости от их толщины

Сравнительный анализ НДС показывает, что близкие по величине максимальные напряжения на поверхностях оболочки и максимальные перемещения, как положительные, так и отрицательные, наблюдаются в том случае, если толщина обечайки из полимерного композита достигает 12 мм при модуле упругости около 2,0 104 МПа (рисунок 5).

Увеличение толщины обечайки приводит к росту массы ролика и нагрузки на подшипники. Поэтому более целесообразно создание высокопрочных композитов с высоким модулем упругости. Однако повышение прочности, как правило, сопровождается ухудшением триботехнических характеристик композита и снижением долговечности ленты. Из полученных результатов следует, что решение этой задачи возможно, если обечайка является двухслойной, внутренний слой которой выполнен из высокопрочного композита, а наружный - из износостойкого материала с низким коэффициентом трения по резине. Возможно также изготовление обечаек с плавно изменяющимися по толщине механическими и триботехнически-ми характеристиками.

Из анализа НДС следует метод повышения износостойкости и долговечности обечайки, основанный на том, что интенсивность усталостного изнашивания материалов определяется не только амплитудными значениями деформаций, но и асимметрией каждого цикла деформирования. Уменьшения наиболее опасных для усталостной прочности растягивающих напряжений (деформаций) можно достичь путем предварительного напряжения поверхностного слоя обечайки сжатием.

В четвертой главе приводятся данные о результатах исследований, направленных на выбор компонентов и оптимизацию состава материалов для изготовления обечаек.

В качестве базовой была выбрана композиция на основе фенолоформальдегидно- — го олигомера (ФФО), который обеспечивает не только высокие механические характеристики изделий, но и является ингибитором окисления резины. С целью повышения прочности в состав композиции вводили базальтовые волокна и волокна торфа размером около 500 мкм. Торф обладает высокой (~ 60 %) пористостью и хорошей адгезией к ФФО, а содержащиеся в нем торфяной воск (до 9,4 масс. %) и парафины снижают внутренние напряжения, хрупкость и коэффициент трения, повышая тем самым износостойкость композита. Для увеличения адгезии к ФФО порошок торфа предварительно обрабатывался ксилолом.

С целью снижения внутренних напряжений на границе ФФО - БВ и повышения ау на поверхности хрупкого базальтового волокна формировалось эластичное покрытие толщиной ~ 1,5 мкм. Покрытие из поливинилбу-тираля (ПВБ) или силана (АГМ-2) повышает ау на 20-30 %, а покрытие из обладающего низкой адгезионной способностью латекса (СКД-1) — снижает Оу (рисунок 6). Прочностные характеристики композита повышаются также при введении в ФФО 1,2-2,4 масс. % оксида магния, который увеличивает до 94,8 % степень отверждения олигомера. Причина в том, что оксид магния связывает гидроксильные группы фенольных ядер и образует феноляты, обеспечивая тем самым дополнительную сшивку молекул олигомера.

Оптимизацию состава композитов для несущего слоя обечайки проводили с применением факторного планирования эксперимента по показателям (ударная вязкость - ау и интенсивность изнашивания ¡/, композита при трении по резине), которые определяют долговечность обечаек. Установлено, что зависимости ау и /А от содержания связующего х\ (основной уровень х]0 = 20 масс, ч., интервал варьирования х1а = 6 масс, ч.), аппретированного силаном базальтового волокна (хг0 = 40 масс, ч., Х2а = 8 масс, ч.) и торфа х3 (х3о = 15 масс, ч., х3а = 5 масс, ч.) адекватно (Ра = 3,78 и .Р/, = 4,93) описываются полиномами второго порядка:

30 28 26 24 -22 20

О 0,3 0,6 0,9 С, масс. %

Рисунок 6 - Влияние типа и содержания аппрета на ударную вязкость композита

ад = 32,3 + 2,6х, +2,7х2+3, 1х, - О,1х,х2 + О, Зх,х3 + О,02х2х, - 3,4л,2 - 3,\х\ -1, З*2, (6) ¡н -Ю10 = 22,8 + 1,2о, -3,1о2 -2,9о3 +0,06о,б2 -0,5о,б3 + 0,Зо2о3 -1,6б,2 +4,8о22 -2,75, . (7)

Высокие коэффициенты взаимодействия при хрсз в обоих уравнениях свидетельствуют о взаимном влиянии этих факторов. Анализ ИК-спектров подтвердил наличие химического взаимодействия между активными группами ФФО и торфом.

Канонический анализ уравнений регрессии и решение компромиссной задачи с учетом того, что оба параметра оптимизации (ау, /'/,) являются одинаково важными, позволили получить оптимальное содержание компонентов: С1 = 22,6 масс. ч. по сухому остатку, С2 = 40,5 масс. ч. и С3 = 21,4 масс, ч (рисунок 7). При таком соотношении компонентов композит обладает высокими ударной вязкостью (ау = 35,0 кДж/м2) и сопротивлением изнашиванию (гл = 14,4-10"10). Показано, что экстремальный характер зависимостей ау и 4 от содержания компонентов обусловлен толщиной и свойствами слоя связующего, разделяющего волокна наполнителей: переход полимера в состояние тонких пленок и рост доли полимера, находящегося в ориентированном состоянии. Композит оптимизированного состава обладает высокой прочностью при изгибе (аи = 143,4 МН/м2) и может использоваться для изготовления обечайки или ее несущего слоя.

Эта рецептура предложена также в качестве базового состава для изготовления рабочего слоя обечайки, фрикционно взаимодействующего с конвейерной лентой.

С целью повышения триботех-нических характеристик рабочего слоя в состав композиции вводили антифрикционные наполнители. Показано, что введение наполнителей выше ~2,5 масс. % снижает адгезию между связующим и волокнами, что вызывает резкое падение аи и ау. По этому показателю недопустимым оказалось применение графита и сте-арата цинка.

Увеличение содержания политетрафторэтилена (ПТФЭ), стеаратов кальция (СК) и меди (СМ) в меньшей

Сз, мас.ч

20

15

10

10

15

20

25 С,, масс.ч

Рисунок 7 - Сечения поверхностей отклика плоскостями х2 — 0,43 (ау) и х2 = -0,32 (¡н): 1 - ау = 34,8; 2 - 32; 3 - ау = 28 кДж/м2 4 - 4 = 25,2-10~1С;5 - 24,0; 6 - 21,0; 7 - /Л = 15-Ю10

степени снижает аии ауи приводит к монотонному уменьшению / и г'л, однако при С > 2,2-2,7 масс. % композит становится менее износостойким вследствие заметного падения прочности (рисунок 8). Наиболее существенное улучшение триботехнических характеристик достигается при введении в композит около 2,5-2,7 масс. % стеарата кальция. Аналогичный эффект повышения износостойкости (в ~2 раза) при неизменном коэффициенте трения отмечен при введении оксида цинка. Показано, что образующаяся на поверхности трения обечайки пленка СК не только снижает коэффициент трения, но и ингибирует процесс старения резины.

На основе полученных результатов исследований разработаны ПК оптимизированного состава, которые обеспечивают приемлемую интенсивность изнашивания конвейерной ленты. В целом ¡1,р резины на порядок выше г'Л композитного ролика. При трении качения в воздушной среде и р = 4 МПа, и V = 2 м/с интенсивность изнашивания ленты ¡Ир е (0,6-1,2)-Ю*10, а в воздушно-соляной — е (2,1-2,4)ТО"10. При трении скольжения в воздушной среде и р = 0,3 МПа и у = 2 м/с 1Ир е (1,6-1,8)-10"8, а воздушно-соляной - г'йр € (0,4-0,6)-10~8. Замена стальной ооечаики на полимерную, содержащую феноло-формальдегидный олигомер и стеараты металлов, уменьшает в среднем в 1,1-1,4 раза скорость старения и изнашивания конвейерной ленты.

Для изготовления несущего слоя обечайки применялся базовый состав композита, включающий фенолоформальдегидный олигомер (26,6 масс. %. по сухому остатку), аппретированное силаном базальтовое волокно (47,6 масс. %), предварительно обработанный ксилолом торф (25,2 масс. %) и 0,6 масс. % оксида магния. Рабочий слой формировался из композиции указанного состава, дополнительно содержащей 1,5 масс. % стеарата кальция. Разработана технология изготовления обечайки из композитов предлагаемого состава.

Показано, что наиболее высокой ударной вязкостью обладает обечайка, сформированная при температуре 160-170 °С и давлении прессования 38-40 МПа. Для снижения внутренних напряжений на границе раздела связующее — базальтовое волокно и повышения ударной вязкости на поверхности базальтового волокна формировалось эластичное покрытие из

Рисунок 8 - Влияние антифрикционных наполнителей на интенсивность изнашивания композита и коэффициент трения по резине

силана АГМ-2 толщиной -1,5 мкм. С целью уменьшения наиболее опасных растягивающих напряжений обечайку в процессе изготовления армировали предварительно растянутыми струнами.

Учитывая, что в узле лента - ролик реализуется качение с проскальзыванием, при котором горная порода многократно повышает ¡Ир резины, предложено устройство для очистки ленты конвейера. Устройство позволяет осуществлять непрерывную очистку налипающей на поверхности ленты горной породы и, благодаря этому, снижает не только ее износ, но и ударные нагрузки на подшипники роликоопоры, обеспечивая более высокий срок службы узла.

В ЗАО «Солигорский Институт проблем ресурсосбережения с Опытным производством» организовано производство роликов из разработанных композиций. Замена стальной обечайки на композитную позволила повысить долговечность резинотканевой ленты в среднем на 23 %, а роликов ленточного конвейера - в 1,2+1,4 раза. При этом масса обечайки снизилась в 2,2 -н 2,4 раза, что позволило уменьшить нагрузку на подшипники роликоопор и сэкономить около 117 тонн трубного проката. При объеме выпуска 10,4 тыс. шт. годовой экономический эффект от внедрения результатов исследований составил 86,4 тыс. долларов США.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных исследований полностью решены поставленные задачи и получены новые научные результаты, обеспечивающие повышение надежности ленточных конвейеров, эксплуатируемых в условиях воздушно-соляной химически активной среды калийных рудников и обогатительных фабрик:

1. Установлены особенности протекания процессов трения и изнашивания деталей подъемно-транспортного горного оборудования в воздушно-соляной среде. Показано, что при попадании в зону трения горной породы к усталостному виду изнашивания конвейерной ленты добавляется абразивное, а стальная обечайка подвергается также коррозионно-механическому изнашиванию. Интенсивность изнашивания ленты возрастает в 1,4-2,2 раза, а стальной обечайки ролика в среднем в 3 раза. В меньшей степени влияние горной породы сказывается при замене стальной обечайки на композитную.

Установлено, что при трении по стали резинотканевая конвейерная лента изнашивается в 1,1-1,4 раза более интенсивно, чем по полимерному композиту. Это объясняется более высоким коэффициентом трения резины по стали, ухудшением параметров топографии поверхности стального роли-

ка в воздушно-соляной среде вследствие коррозионно-механического изнашивания, а также снижением механических характеристик резины в результате окисления и старения поверхностного слоя, активируемого металлом.

2. Установлено, что при длительном контакте со сталью или солями металлов переменной валентности поверхностный слой конвейерной ленты теряет эластичность и сопротивление усталости. Механизм каталитического действия металлов и их хлористых солей обусловлен тем, что ионы металлов ускоряют распад гидроперекисей, разрыв связей в основном скелете молекул и образование свободных радикалов, способных взаимодействовать с молекулами окружающей среды. Скорость протекания этого процесса возрастает при повышении температуры и приложении механической нагрузки. Предложен метод подавления процесса старения резины путем введения металлических солей стеариновой кислоты в состав композита.

3. Разработана математическая модель НДС и перемещений поверхности обечайки центральной роликоопоры, моделируемой цилиндрической оболочкой, находящейся под воздействием нормальной нагрузки. Модель позволяет выявить зависимости радиальных, продольных и окружных перемещений различных точек поверхности обечайки от ее размеров, механических характеристик и нормальной нагрузки. Установлено, что за один оборот ролика перемещения поверхности обечайки многократно меняют знак, что способствует усталостному разрушению поверхностного слоя. Показана возможность управления долговечностью обечайки путем регулирования ее напряженно-деформированного состояния.

4. С применением методов математического планирования эксперимента получена математическая модель влияния содержания фенолофор-мальдегидного олигомера, волокон базальта и торфа на ударную вязкость и интенсивность изнашивания композита. Показано, что наиболее высокими механическими характеристиками обладает композит, в котором связующее находится в состоянии ориентированных тонких пленок, разделяющих волокна наполнителя, а дополнительная сшивка молекул олигомера осуществляется оксидом магния (до 2,4 масс. %). На этой основе разработаны новые рецептуры высокопрочных и износостойких материалов для несущего и рабочего слоев обечаек роликов.

5. Разработаны методы повышения механических и триботехнических характеристик деталей подъемно-транспортного горного оборудования путем создания сжимающих напряжений в обечайке, аппретирования волокон наполнителя силаном, введения в связующее стеарата кальция, применения устройства для очистки конвейерной ленты. Замена стальной обечайки на композитную позволила уменьшить скорость старения и изнашивания кон-

вейерной ленты в среднем на 23 %, повысить долговечность роликов конвейера в 1,2 н- 1,4 раза и сэкономить около 117 тонн трубного проката. Годовой экономический эффект от внедрения результатов исследований составил 86,4 тыс. долларов США.

6. Установлено, что выявленные закономерности взаимодействия ленты конвейера и роликоопор, математическая модель напряженно-деформированного состояния обечайки роликов и разработанные новые конструкционные материалы с повышенными триботехническими и физико-механическими характеристиками могут быть использованы в научно-исследовательских и проектно-конструкторских организациях горного машиностроения при разработке конвейерного транспорта с улучшенными эксплуатационными характеристиками для работы на калийных рудниках и обогатительных фабриках.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Ищенко Р.В. Закономерности фрикционного взаимодействия стального ролика с резинотканевой лентой конвейера // Горный информационно-аналитический бюллетень: Региональное приложение Белоруссия. Изд-во МГГУ, 2006. - Вып. 1. - С. 7-14.

2. Ищенко Р.В. Особенности износа ленты конвейера в условиях калийного предприятия // Горный информационно-аналитический бюллетень: Региональное приложение Белоруссия. Изд-во МГГУ, 2006. - Вып. 1. -С. 15-19.

3. Ищенко Р.В. Особенности фрикционного взаимодействия резинотканевой ленты конвейера и ролика из композиционного материала в условиях калийного предприятия // Горный информационно-аналитический бюллетень: Региональное приложение Белоруссия. Изд-во МГГУ, 2006. - Вып.1. -С. 20-26.

4. Щерба Ю.В., Ищенко Р.В. Исследование влияния эксцентриситета барабанов на движение ленты конвейера // Горный информационно-аналитический бюллетень: Региональное приложение Белоруссия. Изд-во МГГУ, 2006. - Вып. 1. - С. 51-56.

5. Щерба Ю.В., Ищенко Р.В. Исследование влияния эксцентриситета опорных роликов на движение ленты конвейера // Горный информационно-аналитический бюллетень: Региональное приложение Белоруссия. Изд-во МГГУ, 2006. - Вып. 1. - С. 57-61.

6. Щерба Ю.В., Ищенко Р.В. Математическое моделирование уровня погонной нагрузки в пролетах между опорами ленточного конвейера // Горный информационно-аналитический бюллетень: Региональное приложение Белоруссия. Изд-во МГГУ, 2006. - Вып. 1. - С. 140-155.

7. Красников Ю.Д., Ищенко P.B. Динамика нагрузок на опоры ленточных конвейеров при транспортировании грузов // Горный информационно-аналитический бюллетень: Региональное приложение Белоруссия. Изд-во МГГУ, 2006. - Вып. 1. - С. 191-196.

8. Ищенко Р.В. Исследование напряженно-деформированного состояния и закономерностей изнашивания конвейерной ленты в условиях РУП «ПО «Беларуськалий» // Ищенко Р.В. - Сб. науч. трудов VII Междунар. науч.-техн. конф. «Материалы, технологии и оборудование в производстве, эксплуатации, ремонте и модернизации машин», Новополоцк: ПГУ, 2009.-Т. 1.-С. 71-75.

9. Ищенко Р.В. Исследование интенсивности изнашивания обечайки ролика ленточного конвейера в условиях РУП «ПО «Беларуськалий» // Сб. науч. трудов VII Междунар. науч.-техн. конф. «Материалы, технологии и оборудование в производстве, эксплуатации, ремонте и модернизации машин», Новополоцк: ПГУ, 2009. - Т. 1. - С. 75-78.

10. Захаров Ю.Н., Ищенко Р.В. Особенности изнашивания элементов сопряжения ролик - конвейерная лента в воздушно-соляной среде // Весщ HAH Беларуси, сер. ф1з.-тэхн. навук. - 2009. - № 4. - С. 58-61.

П.Захаров Ю.Н., Ищенко Р.В. Особенности формирования ударопрочных износостойких композитов // Becui HAH Беларуси, сер. ф1з.-тэхн. навук. - 2010. - № 2. - С. 20-23.

12. Захаров Ю.Н., Ищенко Р.В. Напряженно-деформированное состояние стальной и композитной обечаек ролика ленточного конвейера // Горная механика и машиностроение. - 2010. - № 3. - С. 46-53.

13. Устройство для очистки ленты конвейера: пат. 2020 Респ. Беларусь, МПК B65G19/18. - Довнар Д.Н., Ищенко Р.В. и др. // Афщыйны бюл. / Нац. цэнтр ¡нтэлектуал. уласнасщ. - 2005. - Ч. 2. - № 3 (46). - С. 60.

14. Конвейер отвальный: пат. 10735 Рэсп. Беларусь, МПК В 65 G 19/18 / Д.Н. Довнар, Р.В Ищенко и др. // Афщыйны бюл. / Нац. цэнтр ¡нтэлектуал. уласнасщ. - 2006. -№ 3 (62). - С. 125-126.

15. Ленточный конвейер: пат. 6089 Респ. Беларусь, МПК В 65 G 18/00 / И.А. Конопляник, Р.В. Ищенко и др. // Афщыйны бюл. / Нац. цэнтр ¡нтэлектуал. уласнасщ. - 2010. -№ 2 (73). - С. 192.

16. Композиционный триботехнический материал: пат. 16768 Респ. Беларусь, МПК С 08 L 27/18 / О.В. Авдейчик, В.А Струк, Р.В. Ищенко и др. // Афщыйны бюл. / Нац. цэнтр ¡нтэлектуал. уласнасщ. - 2013. -№ 1 (90). - С. 88-89.

17. Композиционный триботехнический материал для подвижных уплотнений: пат. 14817 Респ. Беларусь, МПК С 08 L 27/18, С 08 J 5/16 / H.A. Антанович, Р.В. Ищенко и др. // Афщыйны бюл. / Нац. цэнтр ¡нтэлектуал. уласнасщ. - 2011. -№ 5 (82). - С. 125.

Подписано в печать 30.04.2013 г. Формат 60x84 '/16. Бумага офсетная, отпечатано на ризографе 01-1610. Гарнитура Тайме. Усл.печ.л. 1,40. Тираж 100 экз. Заказ 366. ЛП № 403 от 15.06.2000.

ул. Козлова, 69, г. Солигорск, 223710, Республика Беларусь, т.: 8 (0174) 263532 E-mail: ipr@sipr.bv

ФГБОУ ВПО «Московский государственный открытый университет

им. В.С. Черномырдина»

УДК 622.647:621.687

На правах рукописи

ИЩЕНКО

04201452326 Роман Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ БЫСТРОИЗНАШИВАЮЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ ЛЕНТОЧНЫХ КОНВЕЙЕРОВ В ВОЗДУШНО-СОЛЯНОЙ СРЕДЕ

05.05.06 - Горные машины

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................ 4

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ...................................... 6

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЛЕНТОЧНЫХ КОНВЕЙЕРОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ КОРРОЗИОННО-МЕХАНИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ............ 11

1.1. Особенности напряженно-деформированного состояния транспортирующей ленты и роликоопор ленточных конвейеров, применяемых в горнодобывающей промышленности............................................. 11

1.2. Особенности процессов фрикционного взаимодействия транспортирующей ленты и ролика конвейера.......................................... 18

1.3. Типы применяемых материалов для изготовления конструктивных элементов роликов ленточных конвейеров...................................... 25

1.4. Выводы по главе 1............................................................... 30

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ АСПЕКТОВ ФОРМИРОВАНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЭЛЕМЕНТОВ ЛЕНТОЧНЫХ КОНВЕЙЕРОВ..................................... 32

2.1. Компоненты материалов для получения деталей ленточных конвейеров.................................................................................. 32

2.2. Методы и средства определений параметров физико-механических характеристик материалов......................................................... 35

2.3. Методы оценки триботехнических характеристик композиционных материалов и покрытий на их основе....................................... 37

2.4. Методы исследования физико-химических превращений в компонентах и материалах................................................................. 37

2.5. Определение оптимального числа испытаний и статистическая обработка экспериментальных данных............................................. 39

2.6. Выводы по главе 2.............................................................. 41

ГЛАВА 3. ОСОБЕННОСТИ КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТРАНСПОРТИРУЮЩЕЙ ЛЕНТЫ И РОЛИКА ШАХТНОГО КОНВЕЙЕРА................................................................................ 43

3.1. Оценка динамических нагрузок на роликоопору при транспортировании массы с неоднородным гранулометрическим составом........... 43

3.2. Механизмы изнашивания при фрикционном взаимодействии стального ролика с резинотканевой лентой.................................... 51

3.3. Особенности фрикционного взаимодействия резинотканевой ленты шахтного конвейера и ролика из композиционных материалов........ 58

3.4. Исследование особенностей напряженно-деформированного состояния обечайки ролика ленточного конвейера.............................. 63

3.5. Применение результатов анализа особенностей напряженно-деформированного состояния и изнашивания сопряжения «ролик-лента» в конструкциях конвейеров повышенного эксплуатационного ресурса.................................................................................. 76

3.6. Выводы по главе 3............................................................... 91

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА КОМПОЗИЦИОННЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ КОРРОЗИОННО-МЕХАНИЧЕСКОГО ИЗНАШИВАНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЛЕНТОЧНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ КОНВЕЙЕРОВ..... 93

4.1. Триботехнические материалы для покрытий роликоопор............. 93

4.2. Композиционные материалы для конструктивных элементов ленточных конвейеров................................................................... 119

4.3. Триботехнические композиционные материалы для узлов трения ленточных конвейеров............................................................... 153

4.4. Выводы по главе 4............................................................... 178

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................... 181

ЛИТЕРАТУРА........................................................................ 184

ВВЕДЕНИЕ

Ленточные конвейеры нашли широкое применение в горной промышленности, в том числе и в калийной индустрии. Надежность этого оборудования во многом определяет надежность всей технологической цепочки добычи и переработки калийной руды. При этом ленточные конвейеры эксплуатируются в чрезвычайно неблагоприятных условиях агрессивной воздушно-соляной абразивсодержащей среды, что приводит к ускоренному кор-розионно-механическому износу его основных элементов: ленты и роликов. Поэтому понятно, насколько важное место в калийной промышленности занимает проблема повышения долговечности быстроизнашивающихся узлов ленточных конвейеров, как правило, не имеющих дублеров и определяющих непрерывность технологического процесса добычи и обогащения полезных ископаемых. Жесткие условия эксплуатации (нагрузки, воздействие химически активных сред и абразива, повышенная влажность) приводят к интенсивному коррозионно-механическому изнашиванию ленты и основных узлов. Традиционно обечайки роликов изготавливают из стали, что предопределяет ряд их недостатков, в первую очередь, низкую коррозионную стойкость, высокую металлоемкость и, соответственно, вес. Кроме того, триботехническое взаимодействие роликов и ленты конвейера в условиях воздушно-соляных сред приводит к ускоренному износу обкладок конвейерной ленты. В связи с этим, первостепенное значение приобретают исследования, направленные на замену металлов высоконаполненными полимерными материалами при изготовлении роликов.

В настоящее время, в некоторых отраслях промышленности для изготовления роликов конвейеров легкой серии используют древесно-полимерные материалы. Однако существующие составы и способы их переработки позволяют получать изделия, свойства которых не могут удовлетворять эксплуатационным требованиям калийных предприятий. К ним, в частности, относятся высокие прочность, химстойкость, ударная вязкость и сопротивление изнашиванию, а также низкая адгезия к транспортируемому материалу и стабильный коэффициент трения по конвейерной ленте, кроме того, должна быть обеспечена их высокая огнестойкость.

Несмотря на то, что в отечественной и зарубежной науке много внимания уделяется вопросам повышения надежности основных узлов и элементов ленточных конвейеров, эксплуатирующихся в условиях горных производств, проблема использования высоконаполненных полимерных материалов для изготовления обечаек и других элементов роликов никогда не находилась в центре внимания и изучена недостаточно. При этом, есть основание полагать,

что реализация идеи замены металлов высокопрочными полимерсодержащи-ми материалами обещает повысить сопротивление роликов изнашиванию и коррозии, снизить статические и динамические нагрузки на сопрягаемые элементы и обеспечить, вследствие этого, высокую долговечность и надежность узлов трения ленточных конвейеров, работающих в условиях воздушно-соляной среды, а также повысить долговечность ленты, что и определяет актуальность темы диссертации.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Производительность процесса добычи и обогащения руды в значительной мере определяется надежностью и долговечностью ленточных конвейеров, основная доля отказов которых приходится на ролики и транспортирующую ленту, подвергаемые интенсивному изнашиванию и усталостному разрушению. Отсюда очевидна необходимость и экономическая целесообразность разработки методов повышения их эксплуатационного ресурса. В то же время стремление к достижению высокой производительности горного оборудования требует изменения геометрических параметров ленты, повышения скорости ее движения, нагрузок на ролики и приводит к необходимости постоянного совершенствования их конструкции, технологии изготовления и выбора новых материалов. При этом необходимо учитывать технологические особенности процесса добычи и обогащения руды. Так, в калийной промышленности конвейеры эксплуатируют в условиях повышенной влажности, воздействия химически активных компонентов (хлористых солей натрия и калия), наличия абразивных частиц в горной массе и воздушно-соляной среде. Эти факторы ускоряют процессы коррозии металла и изменения служебных характеристик материала транспортирующей ленты, повышают интенсивность коррозионно-механического изнашивания всех элементов сопряжения. По этой причине, несмотря на интенсивные исследования в данной области, проблема повышения эксплуатационного ресурса роликов и транспортирующей ленты остается актуальной. Для ее решения необходим системный подход, включающий исследования напряженно-деформированного состояния обечайки ролика в зависимости от условий эксплуатации, анализ превалирующих механизмов изнашивания сопрягаемых элементов и разработку новых функциональных материалов для конструкций элементов ленточных конвейеров повышенного ресурса.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка методов повышения эксплуатационного ресурса быстроизнашивающихся деталей ленточных конвейеров, эксплуатирующихся в воздушно-соляной среде.

Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:

1. Выявить закономерности изнашивания резинотканевой ленты, стальной и композитной обечаек ролика при трении в воздушной и воздушно-соляной средах.

2. Исследовать особенности напряженно-деформированного состояния обечайки ролика при воздействии нормальной нагрузки.

3. Изучить физико-химические и теплофизические процессы, протекающие в зоне фрикционного контакта резинотканевой ленты с композитной и стальной обечайками ролика.

4. Разработать износостойкие композиционные материалы для изготовления обечайки ролика и подшипников, обеспечивающие низкую интенсивность изнашивания сопрягаемой с ним конвейерной ленты, и методы повышения их эксплуатационного ресурса.

5. Определить области эффективного практического применения результатов исследований.

Идея работы заключается в повышении эксплуатационного ресурса конвейеров, работающих в условиях воздушно-соляной среды горных предприятий, путем замены металлических опорных и поддерживающих конвейерную ленту элементов высокопрочными полимерсодержащими материалами либо нанесением на их поверхности многофункциональных триботехни-ческих покрытий.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты системного анализа и моделирования напряженно-деформированного состояния обечайки, находящейся во фрикционном взаимодействии со сложнонагруженной конвейерной лентой, которые позволили оценить параметры деформационно-прочностных характеристик композиционных материалов на основе олигомерных, полимерных и смесевых матриц, обеспечивающих возможность полноценной замены стальной обечайки на композиционную.

2. Установленные механизмы физико-химических, теплофизических и деформационных процессов, обусловливающих кинетику коррозионно-механического изнашивания сопряжения «обечайка-транспортирующая лента», позволившие разработать методы повышения эксплуатационного ресурса ленточных конвейеров путем применения металлополимерных роликов с обечайкой из композиционного материала, покрытием из триботехнического материала на основе полиамидов, эпоксидных или полиэфирных олигомеров, подшипниками скольжения и стаканами из конструкционных и триботехни-ческих материалов на основе политетрафторэтилена и совмещенных термопластов (ПА-СФД, ПП-ПЭНД).

3. Разработанные составы композиционных конструкционных, антикоррозионных и триботехнических материалов на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ), полиолефинов (1111, ПЭВД, СЭВА), алифатических полиамидов (ПА6, ПАП), олигомеров фенолформальдегидной (ФСО), эпоксидной (ЕР) и полиэфирной (РР) смол и технологии их изготовления и переработки, позволяющие снизить интенсивность коррозионно-механического и коррозионного повреждения элементов ленточных конвейеров, определяющих эксплуатационный ресурс.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается достаточным объемом теоретических и практических исследований, выполненных

с применением апробированных методов физико-химического анализа, математической статистики, системного анализа, планирования и объемом лабораторных, стендовых и натурных экспериментов, что позволяет сделать выводы с доверительной вероятностью не ниже 90 %.

Научное значение работы заключается в установлении закономерности взаимодействия ленты конвейера и роликоопор, разработке математической модели напряженно-деформированного состояния обечайки роликов и новых конструкционных материалов с повышенными триботехническими и физико-механическими характеристиками, которые могут быть использованы при разработке конвейерного транспорта с улучшенными эксплуатационными характеристиками для работы на калийных рудниках и обогатительных фабриках.

Практическое значение. Разработаны рецептуры высокопрочных и износостойких материалов для обечаек роликоопор покрытий и подшипников скольжения ленточных конвейеров. Разработаны составы композиционных функциональных материалов на основе термопластичных полимерных, олигомерных и совмещенных матриц. Предложены методы повышения параметров механических и триботехнических характеристик быстроизнашивающихся деталей подъемно-транспортного горного оборудования путем использования обечаек, покрытий и подшипников скольжения из функциональных материалов на основе ФФС, политетрафторэтилена (ПТФЭ) и смесей термопластов (ПП+ПЭВД).

Реализация выводов и рекомендаций работы. Разработаны составы композиционных материалов на основе совмещенных термопластичных матриц, обладающие повышенными параметрами деформационно-прочностных характеристик для изготовления обечаек роликоопор. Разработаны составы триботехнических материалов на основе политетрафторэтилена для изготовления подшипников скольжения роликоопор. Разработаны конструкции элементов ленточных конвейеров с повышенными параметрами эксплуатационных характеристик.

Научная новизна полученных результатов. Осуществлен анализ факторов, обуславливающих процесс изнашивания элементов ленточных конвейеров: специфического напряженно-деформированного состояния обечайки роликоопор, характеризующегося действием многоцикловых и ударных нагрузок, физико-химических и теплофизических процессов, протекающих в зоне фрикционного контакта сопряжения «лента-обечайка» и «ось-подшипник», определяющих интенсивность термоокислительных и деструк-ционных процессов, наличия абразивных и коррозионных компонентов в эксплуатационной среде, активизирующих разрушение поверхностных слоев контактирующих тел.

На основе анализа особенностей нагружения динамической системы оболочкового типа разработана математическая модель, описывающая напряженно-деформированное состояние обечайки в процессе контактирования с лентой, которая позволила провести оценку значений различных видов деформаций и необходимых параметров деформационно-прочностных характеристик материалов, достаточных для устойчивой эксплуатации роликоопо-ры в реальных условиях. Полученные аналитические выражения позволили разработать методы управления параметром эксплуатационного ресурса обечайки, состоящие в применении композиционных материалов на основе оли-гомерных и полимерных матриц с заданными параметрами деформационно-прочностных характеристик, нанесении триботехнических покрытий на поверхность трения, снижающих тепловую энергию, инициирующую термоокислительные и деструкционные процессы, и использовании подшипников скольжения из триботехнических композитов, устойчивых к процессам кор-розионно-механического изнашивания. Показано, что преобладающим механизмом изнашивания элементов сопряжения «лента - обечайка» является коррозионно-механическое разрушение поверхностных слоев под совокупным действием деформационных, тепловых, коррозионных и абразивных факторов.

Показано, что в триботехнических композитах для антифрикционных покрытий определяющим компонентом является полимер-олигомерный продукт термогазодинамического синтеза политетрафторэтилена (УПТФЭ), формирующий разделительную пленку, способную к многоцикловому передеформированию, снижающую силу трения и увеличивающую гидрофоб-ность. Для повышения устойчивости обечаек к коррозионно-механическому разрушению разработаны и оптимизированы составы высокопрочных композитов на основе олигомера фенолформальдегидной смолы и функциональных композитов.

Установлен эффект модифицирования полипропилена (1111) при введении в состав полиэтилена высокого давления (ПЭВД) в сочетании с нанораз-мерными частицами с нескомпенсированными зарядами, которые выполняют функции физического компактибилизатора, повышающего термодинамическую совместимость полимерных компонентов. Установлено, что эффект повышения