Введение к работе
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 1,1-1,4 раза более интенсивно, чем при контакте с полимерным композитом.
Получена математическая модель влияния содержания фенолоформальдегидного 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 триботехнических характеристик быстроизнашивающихся деталей подъемно-транспортного горного оборудования путем создания сжимающих напряжений в обечайке, применения устройства оригинальной конструкции для очистки конвейерной ленты, аппретирования базальтовых волокон силаном 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 1,4 раза, снизить в 2,2 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 лентой 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 высоконаполненных 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 триботехническими 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, научно-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. Новополоцк, 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.
