Введение к работе
Актуальность работы. Центральное место в горно-добывающей промышленности занимает проблема повышения долговечности быстроизнашивающихся узлов подъемно-транспортного оборудования, не имеющего дублеров и определяющего непрерывность технологического процесса добычи и обогащения полезных ископаемых. Так, остановка магистрального конвейера единой конвейерной системы ПО «Беларуськалий» на 1 час приводит к исключению из объема добычи свыше 2 тыс. тонн калийных удобрений, что равносильно потере 200 тыс. у. е. Жесткие условия эксплуатации (ударные нагрузки, воздействие химически активных сред и абразива, повышенная влажность) приводят к интенсивному коррозионно-механическому изнашиванию основных узлов и необходимости ежегодной закупки по импорту до 50 конвейеров, около 120 тыс. роликов, более 300 тыс. шт. опор качения и скольжения и других деталей на сумму 15,3 млн. у. с. Близкие по величине средства расходуются на замену изношенных транспортирующих лент. Поэтому актуальность исследований, направленных на повышение долговечности элементов трибосопряжений горных машин не вызывает сомнений.
Самыми дорогостоящими и быстроизнашивающимися элементами подъемно-транспортного оборудования являются транспортирующая лента и ролики, срок службы которых составляет 0,2-0,5 срока службы других узлов, а на их обслуживание и ремонт приходится около 81 % средств, расходуемых на весь конвейер. Применение полимерных покрытий и обрезинивания обечаек оказалось малоэффективным. Существующие составы композитов и способы их переработки позволяют получать ролики, которые применимы только в конвейерах легкой серии. Причина в том, что материалы одного состава не могут в полной мере удовлетворять комплексу таких требований как высокие прочность, ударная вязкость, влаго - химстойкость, сопротивление усталости и изнашиванию, а также - низкие адгезия к транспортируемому веществу и коэффициент трения. Это приводит к необходимости применения изделий с переменными по нормали к нагруженным поверхностям свойствами и ставит задачу разработки соответствующих технологий и оборудования в разряд требующих первоочередного решения. Аналогичная проблема возникает при замене стальных трубопроводов, транспортирующих солевые растворы, композитными.
Основной вклад в износ транспортирующей ленты, вероятность отказов скребковых конвейеров и их энергопотребление вносят узлы трения, в которых реализуется скольжение сопрягаемых деталей. В частности, это столы плужковых сбрасывателей, направляющие, скребки, дно рештака, подшипники. Их эксплуатация в химически активной среде, содержащей абразивные частицы, сопровождается интенсивным коррозионно-механическим изнашиванием. Отсюда возникает необходимость в теоретических основах
создания новых самосмазывающихся материалов, разработке методов упрочнения и управления их триботехническими характеристиками.
Работа выполнялась в соответствии с государственной научно-технической программой в области естественных наук «Материал» на 1991-1995 гг. и 1996-2000 гг.
Целью работы является повышение долговечности деталей узлов трения горных машин, эксплуатирующихся в химически активной абразивсо-держащей среде, создание новых материалов, технологій и методов упрочнения деталей
Идея работы заключается в использовании результатов трибологиче-ского анализа напряженно-деформированного состояния и закономерностей трения и изнашивания пары транспортирующая лента - обечайка ролика для создания новых композитов, технологии получения из них и упрочнения деталей с переменными по нормали к рабочим поверхностям свойствами, обладающих высоким сопротивлением изнашиванию и коррозии, снижающих статические и динамические нагрузки на сопрягаемые элементы и обеспечивающих высокую долговечность узлов трения горных машин.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
математическая модель напряженно-деформированного состояния обечайки ролика, коїггактирующей с нагруженной и растянутой в продольном направлении транспортирующей лентой;
закономерности и новые данные о природе трения и изнашивания транспортирующей ленты и обечайки ролика из стали и композитов в химически активной абразивсодержащей и воздушной средах;
математическая модель реологических состояний высоконаполнен-ного композита, перемещающегося вдоль формующего канала с изменяющейся температурой, и метод расчета оптимальных длин зон вязко-текучего, вязко-пластического и жесткого состояний композита;
методы повышения долговечности деталей узлов трения горных машин и принципы создания износостойких материалов;
технология и устройства для изготовления слоистых либо с плавно изменяющимися по нормали к рабочим поверхностям свойствами деталей подъемно-транспортного горного оборудования;
новый класс триботехнических материалов и закономерности влияния типа и содержания компонентов на физико-механические и триботехни-ческие свойства композитов.
Методология и методы исследований. Теоретическая часть работы выполнена с использованием основных положений механики деформируемого твердого тела и теплофизики. Числешые результаты получены с помощью современных программных продуктов и вычислительной техники. Экспериментальные исследования выполнены с применением методов математического планирования экспериментов, средств тонкого физического и химиче-
ского анализа, приборов и оборудования для механических и триботехниче-скігх испытаний.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: их соответствием основным положениям трибологии и механики твердого деформируемого тела; хорошей сопоставимостью расчетных и экспериментальных данных; положительными результатам! опыгко-промьшшешюй проверки щ>актических рекомендаций и высокой эффективностью их внедрения; применением современных стандартизированных методов и средств испытаний; достаточным и статистически обоснованным объемом экспериментальных измерений.
Научная новизна.
-
Разработана 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. Выявлены области экстремальных значений знакопеременных перемещений и напряжений в материале оболочки. Показано, что при одном обороте ролика материал обечайки подвергается знакопеременному циклическому нагружению. С позиций механики контактного взаимодействия обечайки с лентой и теории усталостного разрушения определены условия, при которых возможна замена стальной обечайки на композитную.
-
Выявлены трибологические механизмы и закономерности фрикционного взаимодействия и изнашивания конвейерной липы и стальной обечайки, свидетельствующие о снижении их долговечности при эксплуатации в химичесхи активной среде, обусловленном переходом от усталостного изнашивания обечайки к коррозиошю-механическому и каталитическим действием ионов металлов среды и обечайки на процесс старения резины. Экспериментально обоснована эффективность изготовления обечайки из композита, содержащего и способного выделять в зону контакта ингибиторы окисления резшпы.
-
Предложены и экспериментально обоснованы методы упрочнения деталей и повышения долговечности узлов трения горных машин, эксплуа-тируювдихся в химически активных абразивсодержащих средах, сформулированы и научно обоснованы принципы создания износостойких материалов для этих узлов.
-
Разработана математическая модель реологических состояний высо-конаполнешюго композита, перемещающегося вдоль формующего канала с изменяющейся температурой, устанавливающая связь геометрических параметров канала с теплофизичесюши и мехаїшчесюши свойствами композита и режимами формования обечайки ролика.
5. Разработан метод расчета оптимальных длин зон вязко-текучего,
вязко-нластического и жесткого состояний композита в формующем канале.
Научное значение работы состоит в: развитии теории напряженно-деформированного состояния обечайки ролика ленточного конвейера; установлении основных закономерностей и механизмов трения и изнашивания деталей горных машин, эксплуатирующихся в химически активной абразив-содержащей среде; создании теоретических основ технологии высокопрочных деталей с изменяющимися по нормали к рабочим поверхностям и управляемыми физико-механическими и трибстехничесшми характеристиками; разработке материаловедческих и технологических принципов повышения долговечности узлов трения горных машин.
Практическое значение работы заключается в:
создании нового класса наполненных материалов для опор качения и скольжения горных машин, эксплуатирующихся при воздействии абра-зивсодержатцей химически активной среды и циклически повторяющихся ударных нагрузок;
определении оптимального содержания наполнителей и модификаторов, обеспечивающих высокие механические и триботехнические характеристики композитов и их стабильность в процессе эксплуатации;
разработке устройств и технологии деталей слоистых и с плавно изменяющимися по нормали к рабочим поверхностям свойствами;
создании новых методов упрочнения деталей горных машин и устройств для их реализации, обеспечивающих непрерывное продольно-поперечное армирование предварительно растянутыми струнами, равномерное распределение прочности материала по объему изделия, формование эластичной прослойки между связующим и волокнами;
разработке методики прогнозирования долговечности транспортирующей ленты и роликов шахтных конвейеров, учитывающей конструкцию и геометрические параметры става и роликоопор, нагрузочно-скоростные режимы и особенности их эксплуатации в воздушно-соляной среде с высоким содержанием влаги и абразивных частиц;
Реализация результатов работы.
Разработанные композитные материалы, технологии, оборудование и способы упрочнения деталей использованы при серийном производстве обечаек роликов и рабочих столов птужковых сбрасывателей ленточных шахтных и солеотвалыгых конвейеров и кратцер-кранов; фидьтратных трубопроводов; крупногабаритных подшипников вакуумных барабанных фильтров; скребков, направляющих и покрытий для рештаков скребковых конвейеров. В результате долговечность транспортирующих конвейерных лент повысилась на 15-20%, трубопроводов - в 1,6 раза, подшипникового узла барабанных фильтров - в 2,05 раза, деталей ленточных конвейеров - на 10-22%, деталей скребковых конвейеров - на 5-40%.
На Опытном производстве Солигорского Института проблем ресурсосбережения организовано отечественное импортозаменяющее производство конвейеров для эксплуатации в воздушно-соляной, в том числе, влажной
среде. Ежегодный выпуск 34 ленточных и скребковых конвейеров для шахт, солеотвалов и сшьвишгговых обогатительных фабрик ПО «Беларуськалий» позволил отказаться от импортных поставок на сумму 6,3 млн. у. е. Изготовление 36 тыс. шт. деталей из разработанных композитных материалов позволяет экономить 255 тонн трубного проката, 174,5 тонн стали ЗОХГСА, 25,8 тонн бронзы и получить эконокопо в размере 450 тыс. у. е. в год.
Апробация работы. Основные результаты научных исследований по теме диссертации доложены и обсуждены на: международных конференциях «Прочность элементов и узлов конструкций горных машин» (Гливице, 1996), «Охрана труда в подземных и открытых шахтах и рудниках (София, 1998), «Качество и надежность машин» (Нитра, 1996), «Трибология в промышленности» (Белград, 1996), «Долговечность горных машин» (Норильск, 1996), «Проектирование, изготовление и эксплуатация элементов машин» (Ченстохова, 1996), Первом всемирном конгрессе по трибологии (Лондон, 1997), международном симпозиуме по механике (Минск, 1999), международной конференции «Достижения науки и техники в области ресурсосбережения и экологии» (Гомель, 1989), международном симпозиуме по трибофатике (Гомель, 1993), международных симпозиумах «Модификация древесины» (Познань, 1995), «Древесно-полимерные композиционные материалы и изделия» (Гомель, 1991), международных конференциях «Полимерные композиты» (Солигорск, 1995, Гомель, 1998), «Ресурсосберегающие и энергосберегающие технологии в нефтехимической промышленности (Минск, 1998), респ>6ликанских конференциях «Физика и механика композиционных материалов на основе полимеров» (Гомель, 1993), «Современные материалы, оборудование и технологии упрочнения и восстановления деталей машин» (Новополоцк, 1995), «(Применение композиционных материалов в народном хозяйстве» (Солигорск, 1992), «Ресурсо- и энергосберегающие технологии на транспорте и в строительном комплексе» (Гомель, 1995), «Новые материалы и технологии» (Минск, 1996), «Ресурсосберегающие и экологически чистые технологии» (Гродно, 1996).
Публикации, Результаты исследований, изложенные в диссертации, опубликованы в 58 работах, в том числе, в 5 монографиях, 25 статьях и 18 патентах.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, семь глав, заключение, список цитируемых источников из 262 наименований и приложения. Полный объем диссертации составляет 324 стр., включая 71 рисунок и 24 таблицы.