На правах рукописи

Дудоров Евгений Александрович

КОМПЛЕКСНОЕ КОНСТРУИРОВАНИЕ ТЯЖЕЛОНАГРУЖЕННЫХ УЗЛОВ

ТРЕНИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ МАШИН С ПОВЫШЕННЫМИ РЕСУРСНЫМИ

ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ПРИ МАСЛОВОЗДУШНОМ СМАЗЫВАНИИ

Специальность 05.02.13 – «Машины, агрегаты и процессы»

(Металлургическое машиностроение) Технические наук

и

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Магнитогорск 2013

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» на кафедре «Механическое оборудование металлургических заводов»

Научный руководитель Жиркин Юрий Васильевич, кандидат технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Кохан Лев Соломонович, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «МГВМИ»

Кутлубаев Ильдар Мухаметович, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «МГТУ им Г.И.Носова»

Ведущая (оппонирующая) организация: Национальный исследовательский технологический университет «Московский институт стали и сплавов»

Защита состоится «14» февраля 2013 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.111.03 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова" по адресу: г.Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГТУ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГТУ

Автореферат разослан « 11 » января 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Жиркин Ю.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Для большинства металлургических предприятий вопрос надёжности основного технологического оборудования является ключевым.

К числу такого технологического оборудования относятся прокатные станы, в структуре которых работает большое количество механических систем, таких как, подшипники качения (ПК) и зубчатые передачи, смазывание которых, как правило, осуществляется различными системами подачи пластичного и жидкого смазочного материала. От эффективности и качества работы смазочных систем и смазочных материалов (СМ) напрямую зависит уровень надёжности оборудования.

Поскольку основная часть отказов ПК происходит по причине износа беговой дорожки колец и тел качения, актуальной становится проблема создания условий снижения интенсивности их изнашивания и повышения долговечности всего узла трения.

Решение указанной проблемы может быть найдено в изменении режима смазки ПК, например создание режима эластогидродинамической смазки (ЭГД - смазки) путем применения систем смазывания «масло-воздух» и изменения конструкций узлов трения.

Объект исследования – тяжелонагруженные узлы трения металлургических машин, смазываемые системой «масло-воздух».

Предмет исследования – комплексный подход по выявлению взаимосвязей и параметров конструктивных элементов совокупности: узел трения – система «масло-воздух», при реализации процесса смазывания, и обеспечивающего повышение долговечности неконформных пар трения, в частности ПК опор рабочих валков.

Цель работы – разработка комплекса требований к конструированию систем, включающих тяжелонагруженный узел трения металлургической машины, смазочную систему «масло - воздух», элементы подачи и распределения смазочного материала, обеспечивающие создание тяжелонагруженных узлов трения повышенной долговечности.

Задачи исследования, направленные на достижение поставленной цели:

1. Провести экспериментальные исследования по установлению параметров, которые являются определяющими для реализации режима ЭГД - смазки в ПК опор рабочих валков прокатных клетей.

2. Разработать математические модели зависимостей по определению минимального расхода СМ при масловоздушном смазывании для смазывания узлов трения с неконформным контактом.

3. Провести испытания на надёжность ПК опор рабочих валков прокатных клетей при масловоздушном смазывании.

4. Изучить процесс формирования смазочной плёнки в трубопроводе системы смазывания «масло-воздух», процесс её доставки и распределение по узлу трения.

5. Разработать общие требования к конструированию смазочных устройств и тяжелонагруженных узлов трения при масловоздушном смазывании.

6. Выполнить промышленные испытания предложенных технических решений, оценить их технико-экономическую целесообразность, внедрить наиболее эффективные решения в конструкциях тяжелонагруженных узлов трения металлургических машин, на действующих металлургических предприятиях.

Положения, выносимые на защиту:

Новая математическая модель расчёта минимального расхода смазочных материалов при масловоздушном смазывании различных узлов трения, таких как подшипники качения, зубчатые зацепления, универсальные шпиндели.

Комплексные требования к конструированию тяжелонагруженных узлов трения повышенной долговечности, смазываемых системами «масло-воздух».

Научная новизна работы:

1. Предложена новая математическая модель расчёта минимального расхода смазочного материала в системах смазывания «масло-воздух», учитывающая конструктивное исполнение узлов трения.

2. Экспериментальными исследованиями установлено, что полное покрытие смазочным материалом поверхности трения подшипника качения достигается изменением диаметра выходного отверстия форсунки в пределах 1,2…2,5мм и расположением её от смазываемой поверхности на расстоянии 5…50мм.

3. На основе теории ЭГД-смазки разработан новый методологический (комплексный) подход к конструированию тяжелонагруженных узлов трения металлургических машин с повышенными ресурсными характеристиками, учитывающий не только условия их нагружения, но и конструктивное исполнение смазочных и уплотнительных устройств, их расположение в узле трения при масловоздушном смазывании, с учётом изменения вязкости СМ в различных условиях эксплуатации.

Практическая ценность работы:

1. На основе предложенной методики расчёта возможна минимизация расхода СМ для узлов трения металлургических машин с различным их конструктивным исполнением.

2. Внедрение разработанных конструкций смазочных устройств систем «масловоздух» обеспечивает повышение среднего ресурса подшипников качения в 1,5… раза.

3. Повышение уровня безопасности систем смазывания при использовании в качестве транспортной среды негорючего газа – азот.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость работы заключается в научном обосновании комплексного подхода к конструированию тяжелонагруженных узлов трения при масловоздушном смазывании и получении новых закономерностей расхода СМ в зависимости от типа смазываемого узла и его конструкции.

Практическая значимость работы заключается в формировании требований к конструированию тяжелонагруженных узлов трения при масловоздушном смазывании, обеспечивающих повышение их ресурса и снижение расхода СМ.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректностью допущений, принимаемых при разработке методики расчёта минимального расхода смазочных материалов, и принципов конструирования узлов трения для продления их ресурса. Решение задач базируется на экспериментальных данных, и известных теоретических положениях ЭГД - смазки, теории подобия, теории надёжности, математической статистики и теории течения жидкости и газов. Достоверность полученных результатов подтверждается использованием современных программных комплексов Statistica 6.0, средствами измерения температур ThermoCamP60, расходомеров воздуха PF2A при проведении экспериментов и промышленных испытаний. Достоверность новизны технических решений подтверждается патентами на полезные модели и изобретение.

Реализация работы. По результатам научных исследований разработаны различные конструкции смазочных устройств и узлов трения, смазывание которых осуществляется от масловоздушных систем. Разработанные узлы эксплуатируются в сталеплавильных и прокатных цехах ОАО «Магнитогорский Металлургический Комбинат».

Апробация работы. Основные положения и этапы диссертационной работы доложены на ежегодных конференциях ГОУ ВПО «МГТУ им.Г.И.Носова» по итогам научно – исследовательских работ за 2004 – 2006 г., на международном научном симпозиуме «Гидродинамическая теория смазки 120 лет» (ОрёлГТУ, г.Орел, 2006 г), на IV международной научно – технической конференции молодых специалистов ОАО «ММК» (г.Магнитогорск, 2006 г), на конференции «Модернизация российской металлургии»(Москва 2008 г), на международной научно-технической конференции НКМЗ (г.Краматорск, Украина, 2009-2010г), на VII ежегодном семинаре: «Инновационные инженерные решения в области технического перевооружения, экологии и безопасности металлургических и машиностроительных комплексов. Практический опыт: модернизация, ремонты и сервис» (Челябинск, 2011г).

Автору в феврале 2012 года присвоено звание «Лауреат премии Правительства Российской Федерации в области науки и техники для молодых учёных» за разработку комплекса научных и технических решений по созданию и внедрению тяжелонагруженных узлов трения с улучшенными фрикционными условиями функционирования с целью получения высококачественного листового проката для базовых отраслей промышленности.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 17 печатных статей из них 8 печатных статей в изданиях, рекомендованных ВАК, получено патента на полезную модель и 1 патент на изобретение.

Структура и объём работы. Диссертация содержит введение, пять глав, выводы и приложения. Объём 163 страницы машинописного текста, в том числе рисунка, 13 таблиц, 12 приложений. Список литературы включает наименования.

Во введении отражена научно – техническая проблема применения систем масловоздушного смазывания в условиях действующих производств.

Сформулирована цель и задачи исследования.

В первой главе дан обзор современному состоянию применения систем масловоздушного смазывания различных узлов трения, в т.ч. узлов трения металлургических машин. Обзор существующих литературных данных о масловоздушном смазывании позволяет утверждать, что системы смазывания «масло - воздух» (ССМВ) с каждым годом получают всё большее распространение.

В работах Госмана А.И., Ханке У., Ортмана Г., Юрченко Н.А., Лысяка А.А., Красноженова Н.А., Мутамура Х., Мияши Т. и других указывается о преимуществе ССМВ и их эффективности по сравнению с другими методами смазывания.

Указано, что применение ССМВ для смазывания узлов трения с неконформным контактом способно создать на их поверхности трения режим эластогидродинамической плёнки (ЭГД-плёнки). Создание режимов ЭГД – смазки позволяет в разы повысить долговечность узлов трения.

Исследованию процессов смазывания узлов трения маслами посвящены работы таких учёных как Эртель А.М., Грубин А.И., Елин Л.В., Петрусевич А.И., Коднир Д.С., Ратнер И.Д., Байбородов Ю.И., Елманов И.М., Уилсона Д., Хэмрока Б., Жиркина Ю.В. и других ученых. Основная тема исследования - проблемы, характеризующие режим трения в контакте ПК, проблемы определения толщины масляной пленки в зоне контакта ЭГД – смазки. Установлено, что длительная и надёжная работа неконформной пары трения при её смазывании маслами зависит от условия реализации режима ЭГД – смазки, характеризуемого параметром :

где h 0 - толщина смазочного слоя, мкм; Rа1 и Rа 2 - среднеарифметическое отклонение шероховатости контактирующих поверхностей, мкм.

Когда 3 режим трения полностью эластогидродинамический.

Толщина масляной пленки определяется по формуле И.Д.Ратнера:

где 0 – динамическая вязкость при температуре зоны контакта, Пас; U – суммарная скорость качения на контакте, м/с; – пьезокоэффициент вязкости, Па-1;

пр – приведенный радиус кривизны поверхностей трения, м; qн – нагрузка на единицу длины контакта, Н/м.

Долговечность ПК определяется по известным методикам И.В.Карагельского, В.В.Алисина, Д.С.Коднира и др. учёных. Д.С.Кодниром предложена зависимость контактно – гидродинамического расчёта долговечности ПК:

где LhД - действительная долговечность при 90, 98 и 99% - ной надёжности; K1 коэффициент, учитывающий влияние толщины смазочного слоя на долговечность;

K 2 - коэффициент, учитывающий ужесточение режима испытаний; Lh - расчётная долговечность, определяется по общепринятой методике при 90% - ной надёжности.

Согласно зависимости (3) выполнили расчёт действительной долговечности ПК рабочего валка стана 2000г.п. при условиях нагружения приведённых в таблице 1.

Характеристики нагружения подшипниковых узлов клетей стана 2000г.п.

Скорость прокатки V, м/с 0,75…3,0 1,0…5,0 1,3…7,5 2,1…10,2 2,7…13,5 3,5…17,2 4,0… Расчёт действительной долговечности ПК рабочих валков стана 2000г.п. ОАО «ММК» исходя из условий нагружения представленных для масел с вязкостью 220, 460 и 680мм2/с, изложен в таблице 2.

Расчёт параметров действительной долговечности ПК рабочих валков На основании вычислений по таблице 2 установлено, что при общей тенденции увеличения толщины смазочного слоя в контакте ПК рабочих валков от 7 к клети, действительная долговечность имеет тенденцию снижения. Достоверность выполненных расчётов проверяется в главе 3 и 5.

Установление и анализ факторов влияющих на долговечность ПК позволило сформулировать цель и задачи исследования.

Во второй главе исследуется процесс смазывания подшипниковых узлов рабочих валков. Анализируются условия реализации и нарушения режима ЭГД – смазки. Изучение, процессов смазывания в подшипниковом узле осуществлялось на экспериментальной установке (ЭУ), моделирующей условия смазывания ПК рабочих валков клетей кварто. При расчете технических характеристик ЭУ, использовали положения теории подобия. При ЭГД - смазке, основными параметрами, влияющими на долговечность ПК, являются контактные напряжения и толщина смазочной пленки, поэтому приняты масштабные коэффициенты: по толщине пленки СМ mh 1 и по контактным напряжениям m 1. Все остальные масштабные коэффициенты в соответствии с зависимостью (2).

Исследования масел различной вязкости (100-680 мм2/с), применяемых для смазывания ПК рабочих валков при различных скоростях показали, что полученная экспериментально закономерность изменения толщины масляной пленки h0 с изменением температуры узла трения, имеет другой характер построения в сравнении с существующей методикой её определения (см. рисунок 1). Это связано с проявлением термоэффекта входной зоны на нагруженном контакте ПК, что и было зафиксировано при проведении экспериментов.

Рисунок 1. Теоретические и экспериментальные толщины смазочных плёнок По рисунку 1 видно, что при определённых условиях высоковязкие масла имеют свойства маловязких масел. Аппроксимация полученных графиков изменения температуры ПК от времени эксперимента позволила найти аналитические зависимости изменения температуры от времени эксперимента (4), а производная от неё (5) позволила определить скорость приращения температуры.

где T – температура подшипникового узла, С; T ' – скорость изменения температуры подшипникового узла, 0С/мин; - время эксперимента; xi эмпирические коэффициенты.

Подстановка известных данных в зависимость (5) показывает скорость приращения температуры от времени выполнения эксперимента (см. рисунок 2) Рисунок 2. Теоретические и экспериментальные толщины смазочных плёнок Для расчёта толщины масляной плёнки с учётом термоэффекта входной зоны использована зависимость В.Н.Васина:

где К1 - коэффициент учитывающий термоэффект входной зоны. Без учёта термоэффекта К1 1 ; E – модуль упругости, Па.

Рассчитанная усреднённая толщина масляной пленки, для ПК чистовой группы клетей стана 2000г.п. без учёта термоэффекта по зависимости И.Д.Ратнера (2) и с учётом термоффекта по зависимости В.Н.Васина (6) приведена в таблице 3.

Таким образом, установлено, что применение высоковязких масел для смазывания неконформных узлов трения не всегда обосновано с точки зрения создания устойчивого смазочного слоя. Гораздо больший эффект возможно получить при применении менее вязких масел, которые создают устойчивую смазочную плёнку как в начальный момент работы узла, так и в процессе долговременной эксплуатации, следовательно обеспечивают повышение долговечности ПК. Результаты расчёта наиболее эффективной вязкости СМ при эксплуатации ПК рабочих валков стана 2000 показывают, что в конкретных условиях эксплуатации, для некоторых подшипниковых узлов, необходимо изменять вязкость подаваемого СМ. Так, по результатам исследований, в 2006 году для клетей №7-10 рекомендован СМ с вязкостью 460мм2/с, а для клетей №11-13 СМ с вязкостью 220мм2/с.

Помимо подбора вязкости масла, для реализации режима ЭГД – смазки требуется изучение таких важных параметров, как место подачи СМ и его объём. В ходе исследований установлено, что заблаговременная подача минимального количества СМ перед входом в зону контакта обеспечивает снижение влияния термоэффекта входной зоны, тем самым, исключает нарушение режима ЭГД – смазки. А обоснованный подбор СМ позволяет снизить его расход и повысить долговечность подшипникового узла. Выполненные исследования позволили сформулировать математические зависимости для определения минимального объёма СМ при масловоздушном смазывании для различных узлов (см. таблицу 4).

Определение минимального расхода СМ при масловоздушном смазывании 2. Цепные передачи (в общем случае) 3. Зубчатые передачи (в общем случае) 4. Шарниры универсальных шпинделей где Qм, Qп - расход СМ для манжет и ПК соответственно, см3/ч; nм, n м - количество манжет и ПК соответственно;

Dв – диаметр вала, м; v – скорость скольжения, м / с ; d | – внутренний диаметр манжеты (в свободном состоянии), м; a – ширина контактной поверхности, м;

давление на кромке, Па; "с" - коэффициент, учитывающий конструкцию ПК, см 3 /( мм 2 час ) (для 4-х рядного роликового ПК - c 2...5 10, для 2-х рядного роликового ПК - c 2 10, для шарикового ПК c 5...8 10 5 ); D0 - средний диаметр ПК, мм; В0 - ширина ПК, мм; Dц, Вц - диаметр и ширина соединительного пальца цепи соответственно, мм; aзп - межосевое расстояние, мм; m - модуль зубчатого зацепления, мм; К – коэффициент износостойкости смазочной плёнки, м2/Н [Л.В.Елин]; R – радиус вкладыша, см; L – длина опоры, см; Р – контактное давление, Па; nв – частота вращения вала, об/мин.

Представленные зависимости минимального расхода СМ при масловоздушном смазывании, для различных узлов трения, получены эмпирически. В процессе эксплуатации реальных узлов трения возможна корректировка расчётного расхода СМ в зависимости от условий смазывания.

Подача масла в узел трения осуществляется при помощи газовой среды, однако существующие в настоящее время модели и методики течения жидкости и газов не позволяют объяснить процессы для двухкомпонентных потоков (вязкая жидкость + газ). Образование смазочного потока в трубопроводе и распределение его по смазочным устройствам предположительно осуществляется за счёт действия отрывных сил (эффект Коанда). Возникновение эффекта Коанда в трубопроводах подачи масловоздушного потока не позволяет разрушаться транспортируемой смазочной плёнке, и исключает образование масляного тумана, на этапе её формирования и транспортирования. При выходе из смазочного устройства образуется струя, которая имеет завихрения, характерные для турбулентного потока (см. рисунок 3).

а – фотография масловоздушной струи; б - составные части свободной струи С помощью экспериментов установлено, что СМ попадает на смазываемую поверхность, без значительных потерь, при размещении наконечника смазочного устройства от потребителя в пределах компактной части струи (5-50мм), тем самым достигается экономия СМ и лучшие условия смазывания узлов трения. При размещении наконечника смазочного устройства в пределах раздробленной струи (50-120мм) и распылённой части струи (свыше 100мм) эффективность смазочного процесса снижается до 50%, что, соответственно, ведёт к снижению ресурса узла трения.

В третьей главе приведены результаты испытаний на надёжность ПК рабочих валков чистовой группы клетей стана 2000г.п. ОАО «ММК» при масловоздушном смазывании. Испытания на надёжность предполагают сбор информации о ресурсе ПК по плану испытания [NUN], то есть учитываются только ПК достигшие предельного состояния. Исследования проводились в период с 2003 по 2010 год, основной этап исследований закончился в 2008г вводом в эксплуатацию новых конструкций подшипниковых узлов.

Внедрение ССМВ в 2003г позволило повысить средний ресурс ПК в 1,2 - 1, раза и снизить расход СМ в 6 - 8 раз. Однако распределение среднего ресурса ПК и количество отказов по месту установки в клети является неоднозначным (см.

рисунок 4).

Средний ресурс, час Различные значения величины среднего ресурса связаны с условиями эксплуатации, а именно, с неравномерностью нагружения подшипниковых опор, влиянием внешней агрессивной среды (вода, пар, механические примеси), местом подвода СМ и низкой надёжностью уплотнительных устройств подшипниковых опор.

Установлено, что со стороны зафиксированной опоры ПК количество отказов больше, чем с не зафиксированной стороны из-за возникновения больших осевых усилий направленных в сторону зафиксированной подушки в результате перекоса в валковой системе. Распределение ресурса по производителям ПК так же неоднозначно. Исследования показали, что средний ресурс ПК Timken (Румыния), SKF (Швеция) и Timken (США) смазываемых ССМВ в независимости от места их установки превышает средний ресурс, регламентируемый производителями.

Средний ресурс ПК производства СПЗ (Россия) ниже заявленного заводом производителем (см. таблицу 5).

На долговечность ПК влияет не только неравномерное распределение нагрузок в валковой системе, но и проникающая в подшипниковый узел вода, пар, механические примеси, которые изменяют свойства СМ, а в некоторых случаях замещают его, что приводит к разрушению ЭГД - плёнки и, соответственно, к снижению долговечности ПК. Проникновение в узлы трения внешней агрессивной среды вызвано неэффективностью применяемых уплотнительных устройств.

Средний ресурс ПК в зависимости от производителя и положения в клети Общий средний ресурс, час *Норма среднего ресурса, час Ср. отклонение от нормы, раз *Норма среднего ресурса – это регламентируемый (гарантийный) средний ресурс ПК, заявленный заводом изготовителем, при соблюдении правил монтажа и эксплуатации.

В пятой главе описаны мероприятия и конструкции новых уплотнительных устройств, позволяющих снизить влияние внешней агрессивной среды.

В четвёртой главе представлены основные схемы подвода и дренажа СМ для различных узлов трения в т.ч. и для ПК (см. рисунок 5).

Рисунок 5. Схема подачи масловоздушного потока к точкам смазывания ПК Представлены особенности и отличия конструирования смазочных устройств для масловоздушных систем. Представлены основные смазочные устройства, разработанные по результатам выполненных исследований. Такими устройствами являются дюзы, делители потока, форсунки. Приведены практические схемы подачи масловоздушного потока для узлов трения. Описано устройство и принцип действия делителей потока, позволяющий разделить масловоздушный поток на второстепенные потоки, обеспечивающие большее число точек смазывания маслом.

В работе приведены конструкции встраиваемых и блочных делителей потока.

Установлено, что наиболее эффективно (с погрешностью до 10%) масловоздушный поток делится на 2, 3, 4 второстепенных потока. Схема ЭУ исследования распределения потока в делителе представлена на рисунке 6.

Рисунок 6. Общий вид ЭУ исследования распределения масловоздушного потока Представлены промышленные исследования применения в ССМВ в качестве транспортирующей среды инертного газа - азот. Описаны разработанные конструкции станций подготовки и смешения транспортного газа. Применение в качестве транспортирующей среды воздуха с повышенным содержанием азота позволяет в ряде случаев снизить нагрузку на цеховую воздушную магистраль, снизить затраты на получение сжатого воздуха и снизить пожароопасность ССМВ.

Исследования с помощью тепловизора «THERMOCAM P60» показали, что воздух оказывает удовлетворительное охлаждающее воздействие на смазываемый узел. В среднем температуру узла можно понизить на 10-20%.

В пятой главе представлены требования к комплексному конструированию узлов трения металлургических машин и элементов системы масловоздушного смазывания, обеспечивающие создание узлов трения повышенной долговечности.

Установлено, что в контакте манжеты с валом возникает всасывающий эффект, который в определённых условиях провоцирует затягивание охлаждающей жидкости в подшипниковый узел. Для исключения обводнения предложена новая конструкция подшипникового узла (см. рисунок 7), в которой смазывается не только ПК, но и уплотнительное устройство.

Рисунок 7. – Подшипниковый узел рабочего валка стана 2000г.п.

Исследования, выполненные на производстве (стан 2000г.п.) показали, что в подшипниковом узле за счёт воздушного потока создаётся избыточное давление P (подпор), которое препятствует проникновению охладителя и загрязнений. Значение избыточного давления для разных точек узла различно:

где P1 избыточное давление воздуха в зоне ПК, Па; P0 атмосферное давление, Па; P2, P3 избыточное давление в зоне манжет, P2 P3.

Избыточное давление воздуха позволяет вытеснить загрязнители через дренажные отверстия из подшипникового узла в случае их проникновения.

Однако, при использовании масловоздушного смазывания в машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) следует учитывать более высокую агрессивность внешней среды (паровые газы при высоких температурах) по сравнению с прокатным производством, которые нередко превалируют над избыточным давлением, создаваемым внутри подшипникового узла. Согласно выполненным экспериментальным исследованиям на сортовой МНЛЗ №1 ОАО «ММК» установлено, что применение в дренажной системе отводного трубопровода (длиной 1-1,5 м) и специальных уплотнительных устройств позволяет исключить закупоривание дренажа, следовательно снизить риск возникновения отказа.

На основе выполненного исследования разработан комплекс мероприятий по повышению ресурса ПК рабочих валков стана 2000г.п. включающий:

- изменение вязкости СМ подаваемого в подшипниковый узел (для клетей №7вязкость СМ при эталонной температуре 460мм2/с, для клетей №11-13 вязкость СМ - 220мм2/с), что по расчётам обеспечивает коэффициент толщины масляной плёнки 2,5...3,2. При этом температура подшипниковой опоры снижается на 5… - изменение места подвода СМ, а именно подача его в верхней части ПК под углом 150…450 к вертикальной оси, тем самым СМ проходит определенный путь и нагревается, а его вязкость снижается перед входом в нагруженную зону, что снижает вероятность возникновения термоэффекта входной зоны;

- распределительные устройства, обеспечивающие смазочным материалом не только ПК, но и межманжетное пространство подшипникового узла;

- защиту подшипникового узла от воздействия «внешней среды» путём применения уплотнительных устройств новой конструкции;

- выпуск освободившегося от масла воздуха через специальный канал в верхней части подшипникового узла. Отработанное масло удаляется через дренажный канал в нижней части узла.

Ввод в 2008 году предложенных мероприятий существенно перераспределило характер отказов ПК (см. рисунок 8). Исключены отказы ПК, имеющие ресурс ниже 2000 часов. Снизилось количество отказов ПК, имеющих ресурс в диапазоне от до 3000часов. Значительно выросло количество ПК, ресурс которых превышает 3000 часов.

Рисунок 8. График частот отказов ПК в диапазоне среднего ресурса Используя методы математической статистики, выполнены расчёты Гамма – процентного ресурса (при 90% - ой надёжности) для двух исследуемых периодов, результаты расчётов представлены в таблице 6.

где T - средняя наработка на отказ, час; u - квантиль нормального распределения, u 90 1,28 ; - среднеквадратичное отклонение.

где N - количество наработок.

Гамма – процентный ресурс ПК рабочих валков стана 2000г.п.

1* - период с 2003 по 2008 год (до внедрения комплекса мероприятий), 2* - период с 2008 по 2010 год (после внедрения комплекса мероприятий).

Сравнение долговечности ПК (см. таблицу 2) рассчитанной по зависимости (3) и среднего ресурса установленного эмпирическим путём (см. таблицу 6), указывает на высокую степень сходимости результатов. Таким образом, зависимость Д.С.Коднира, по определению долговечности ПК, может быть применима для расчётов при масловоздушном смазывании узлов трения.

Реализация мероприятий по созданию тяжелонагруженных узлов трения повышенной долговечности дало положительные результаты: увеличен средний ресурс ПК в 1,3 раза (за 2008-2010гг) по сравнению с предыдущим периодом;

увеличен ресурс уплотнительных устройств в 2,0-2,5 раза. В общем, с 2003 по год, при применении масловоздушного смазывания с внедрённым комплексом мероприятий, удалось повысить средний ресурс ПК чистовой группы клетей стана 2000г.п. в 2,1-2,3 раза и снизить расход СМ 8-10 раз.

Указанные мероприятия в дальнейшем были приняты за основу при разработке новой конструкции подшипниковых узлов рабочих валков клетей RR1, RR2, F стана 2500г.п. совместно с ОАО «Новокраматорский машиностроительный завод».

Повышение среднего ресурса ПК, при применении масловоздушного смазывания с внедрённым комплексом мероприятий, получены на других объектах ОАО «ММК»: стан 630х.п. - в 1,6 раза; стан 1200х.п. - в 1,6 раза; стан 2500х.п. - в 1, раза.

Выполненные исследования на ЭУ и на производстве позволили сформулировать основные требования к комплексному конструированию смазочных устройств и тяжелонагруженных узлов трения при масловоздушном способе смазывания:

1. При выборе вязкости СМ с повышением скорости качения выше 10 м/с необходимо учитывать термоэффект входной зоны.

2. Масловоздушный поток необходимо направлять перед входом в нагруженную зону контакта ПК исключая попадания непосредственно в зону контакта.

3. Расположение смазочного устройства (форсунки) от смазываемой поверхности, по возможности, должно находиться в пределах 5-50 мм, а диаметр выходного отверстия - в пределах 1,2 – 2,5 мм.

4. Подшипниковые узлы с многорядным ПК необходимо оснащать делителями масловоздушного потока, обеспечивающими подачу СМ не только в зоны трения ПК, но и к уплотнительному устройству.

5. В верхней части подшипникового узла необходимо выполнять дренажные отверстия для воздуха, в нижней части для выпуска отработавшего масла.

6. Подшипниковые узлы, подверженные интенсивным абразивным отложениям, необходимо оснащать дренажными трубками длиной 1…1,5 м.

Основные итоги проведённого диссертационного исследования, определяющие научную новизну и практическую значимость работы, заключаются в следующем.

1. На основе выполненных экспериментальных исследований получены закономерности изменения вязкости СМ на контакте в ПК в зависимости от класса вязкости и скорости качения. Рекомендована замена минерального масла для ПК рабочих валков клетей №11-13 стана 2000г.п. с класса вязкости 460, на класс вязкости 220, которая обеспечивает значение коэффициента 2,5...3,2.

2. Предложены зависимости по определению минимального расхода СМ для различных неконформных узлов трения при масловоздушном смазывании, учитывающие их конструкцию (патент на изобретение №2114643).

3. На основе анализа надёжности ПК, смазываемых масловоздушной системой, установлено, что неравномерность распределения среднего ресурса вызвана неэффективностью уплотнительных устройств, необоснованностью выбора класса вязкости СМ и неравномерностью распределения нагрузки по узлам.

4. Изучен процесс формирования, доставки и распределения смазочной плёнки при масловоздушном смазывании. Главным условием реализации данного процесса является проявление эффекта Коанда. При этом смазочная плёнка сохраняет свои свойства неразрывности, в пределах 5-50 мм, при выходе из смазочного устройства.

5. Впервые установлено, что в качестве транспортирующей среды при эксплуатации ССМВ возможно использовать не только сжатый воздух, но и нейтральные к СМ газы, например азот, который снижает уровень пожароопасности ССМВ и способствует охлаждению узлов трения.

6. Разработаны основные требования, включающие 6 позиций (глава 5) к конструированию смазочных устройств и тяжелонагруженных узлов трения при масловоздушном способе смазывания.

7. Выполнены промышленные испытания разработанных технических решений; наиболее эффективные решения рекомендованы к внедрению в конструкциях тяжелонагруженных узлов трения металлургических машин, на действующих металлургических производствах. Применение предлагаемых мероприятий позволило повысить средний ресурс ПК рабочих валков стана 2000г.п.

8. Мероприятия реализованы в производственных подразделениях ОАО «Магнитогорский Металлургический Комбинат», и позволили получить экономический эффект 2 123,0 тыс. руб., что подтверждается справками о внедрении, актами использования и решениями технических советов.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Дудоров Е.А. Влияние вязкости минеральных масел на температурный режим подшипниковых узлов рабочих валков прокатных станов. Жиркин Ю.В.;

Мироненков Е.И.; Дудоров Е.А.; Резванов С.Б. // Вестник МГТУ им. Г.И.Носова.

2006.№1.С.58-60. (рецензируемое издание, рекомендуемое ВАК) 2. Дудоров Е.А. Работоспособность подшипников качения рабочих валков чистовой группы клетей стана горячей прокатки при их смазывании системой «масло-воздух». Мироненков Е.И., Жиркин Ю.В., Дудоров Е.А. // Тяжелое машиностроение. 2007. №2.С.19-20. (рецензируемое издание, рекомендуемое 3. Дудоров Е.А. Модернизация подшипникового узла с целью продления его ресурса. Дудоров Е.А., Жиркин Ю.В. // Вестник МГТУ им. Г.И.Носова. 2007.

№4.С.94-96. (рецензируемое издание, рекомендуемое ВАК) 4. Дудоров Е.А. Опыт внедрения на МНЛЗ системы смазывания масло – воздух.

Дудоров Е.А.; Жиркин Ю.В.; Рузанов А.И. // Сталь. Металлургическое оборудование. 2009.№4.С.53-55. (рецензируемое издание, рекомендуемое ВАК) 5. Дудоров Е.А. Физическое моделирование режима смазки подшипниковых узлов рабочих валков прокатных станов. Жиркин Ю.В.; Мироненков Е.И.; Дудоров Е.А. // Известия ВУЗов. Чёрная металлургия. 2007.№4.С.54-56. (рецензируемое издание, рекомендуемое ВАК) 6. Дудоров Е.А. Эластогидродинамический расчёт подшипников качения рабочих валков стана 2000 ОАО «ММК». Дудоров Е.А., Мироненков Е.И., Жиркин Ю.В. // Производство проката. Издательство «Наука и Технологии» 2008г. №3.

(рецензируемое издание, рекомендуемое ВАК) 7. Дудоров Е.А. Повышение герметизации подшипниковых узлов рабочих валков клети «Кварто». Дудоров Е.А.; Жиркин Ю.В.; Паршин П.Р. // Вестник МГТУ им. Г.И.Носова. 2009.№3.С.58-61. (рецензируемое издание, рекомендуемое ВАК) 8. Дудоров Е.А. Повышение ресурса подшипниковых узлов рабочих валков стана 2000г.п. ОАО «ММК». Дудоров Е.А., Жиркин Ю.В. // Чёрные металлы.

Ноябрь, 2012. С.19-23. (рецензируемое издание, рекомендуемое ВАК) 9. Дудоров Е.А. Исследования изменения свойств смазочного материала в подшипниковых узлах рабочих валков чистовой группы клетей стана 2000 горячей прокатки ОАО «ММК». Мироненков Е.И., Жиркин Ю.В., Дудоров Е.А.. Материалы Научно – технической конференции по итогам научно – исследовательских работ за 2004 – 2005г. Магнитогорск, МГТУ, 2005 г.

10. Дудоров Е.А. Экспериментальное исследование смазочных масел применяемых в подшипниках качения. Дудоров Е.А.; Резванов С.Б. // Молодёжь.

Наука. Будущее. Вып.6: Сб. науч. Тр. студентов / Под ред. Л.В.Радионовой. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2006. С.104-107.

11. Дудоров Е.А. Обеспечение режима жидкостной смазки в подшипниках качения рабочих валков чистовой группы клетей стана горячей прокатки при их смазывании системой «масло-воздух». Жиркин Ю.В.; Мироненков Е.И.; Дудоров Е.А. // Труды Международного научного симпозиума. Гидродинамическая теория смазки 120 лет. Изд. Машиностроение-1, ОрёлГТУ. 2006 г.

12. Дудоров Е.А. Повышение надёжности подшипниковых узлов рабочих валков.

Дудоров Е.А.; Резванов С.Б. // Молодёжь. Наука. Будущее. Вып.6: Сб. науч. Тр.

студентов / Под ред. Л.В.Радионовой. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2006.

С.108-111.

13. Дудоров Е.А. Испытание на надёжность подшипников качения рабочих валков чистовой группы клетей стана 2000 горячей прокатки. Жиркин Ю.В.;

Дудоров Е.А.; Мироненков Е.И., Семенякин Е.Б. // Математика. Приложение математики в экономических, технических и педагогических исследованиях:

Сборник науч. тр./ Под ред. Бушмановой М.В. Вып.4. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ»,2006. С.147.

14. Дудоров Е.А. Модернизация подушек рабочих валков стана 2000 горячей прокатки ОАО «ММК» при внедрении системы «масло-воздух». Жиркин Ю.В.;

Дудоров Е.А.; Мироненков Е.И. // Современные методы конструирования и технологии металлургического машиностроения: Международный сб. науч. тр./ под ред. Н.Н.Огаркова. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ»,2006. С.87-90.

15. Дудоров Е.А. Влияние тепловыделения в контакте качения на толщину масляной плёнки. Дудоров Е.А., Жиркин Ю.В. // Материалы 65-й научнотехнической конференции: Сб. докл. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2007. – Т.1. С.213-216.

16. Дудоров Е.А. Снижение отказов механического оборудования за счёт применения перспективных смазочных систем. Юрченко Г.Н., Корогодин В.В., Дудоров Е.А. / Материалы международной научно-технической конференции НКМЗ, Украина. г.Краматорск. 2009.

17. Дудоров Е.А. Повышение стойкости механического оборудования сортовой МНЛЗ. Дудоров Е.А., Вагизов А.И. Материалы международной научно-технической конференции НКМЗ, Украина. г.Краматорск. 2010.

Патент №55130 РФ, МПК 7 GO1M 13/04. Установка для измерения момента 18.

сопротивления в подшипниках качения [Текст] / Жиркин Ю.В., Железков О.С., Мироненков Е.И., Юрченко Г.Н., Дудоров Е.А. // Опубл. 27.07.2006, Бюл № 21-2с.

Патент №68384 РФ, МПК 7 B21B31/02. Узел рабочего валка [Текст] / Жиркин 19.

Ю.В., Дудоров Е.А., Мироненков Е.И., Алешкевич К.Г., Платов С.И. // Опубл. 27.11.2007.

Патент № 2414643 РФ, МПК 7 F16N 7/30. Способ автоматизированного 20.

эластогидродинамической текущей плёнки [Текст] / Корогодина Г.П., Дудоров Е.А., Тахаутдинов Р.С., Федонин О.В., и др. // Опубл. 20.03.2011, Бюл № 8.

Патент №105002 РФ, МПК 7 F16N 7/30. Система смазки «масло-воздух»

21.

[Текст] / Корогодин В.В., Тимошенко В.И., Демьяненко А.В., Дудоров Е.А., Зубов Д.О. // Опубл. 27.05.2011, Бюл № 15.

Подписано в печать 10.01.2013 Формат 60х84/16. Бумага тип.№1.

Полиграфический участок ФГБОУ ВПО «МГТУ»