Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Ресурс подшипников качения 12
1.1 Виды износа подшипников качения 12
1.2 Системы смазывания подшипников качения. 14
1.3 Методики подбора смазочного материала 18
1.4 Эластогидродинамическая теория трения 21
1.5 Экспериментальные исследования жидкостного трения при качении 25
1.6 Аналитические методы оценки долговечности подшипника качения 29
1.7 Аналитические методы определения толщины масляной плёнки 33
1.8 Определения момента сопротивления в подшипниках качения 37
Выводы по 1 главе 40
Глава 2 Методика определения момента сопротивления от действия смазочного материала, возникающего в подшипнике качения 42
2.1 Испытательный стенд. Обоснование использования. Описание 42
2.2 Подготовка испытательного стенда к проведению экспериментов 46
2.2.1 Определение коэффициентов подобия 46
2.2.2 Определение скорости качения в подшипниках испытательного стенда 48
2.2.3 Определение параметров нагружения испытательного стенда 49
2.2.4 Тарировка упругих элементов испытательного стенда 53
2.3 Определение момента трения качения между роликами испытательного стенда 55
2.4 Исследование влияния класса вязкости смазочного материала на момент трения в подшипнике качения 59
Выводы по 2 главе з
Глава 3 Аналитически-экспериментальное определение параметров ЭГД -расчёта. Установление влияния класса вязкости смазочного материала на ресурс подшипников качения 67
3.1 Определение рабочей температуры смазочного слоя непосредственно в зоне контакта 67
3.2 Экспериментальное определение пьезокоэффициента вязкости смазочного материала 74
3.3 Расчёт толщины смазочного слоя, разделяющего трущиеся поверхности .78
3.4 Определение интенсивности прироста температуры 80
3.5 Определение зависимости коэффициента толщины масляной плёнки от температуры СМ, поступающего в зону контакта 83
3.6 Влияние класса вязкости минеральных масел на долговечность радиальных подшипников 86
Глава 4 Методика оценивания эффективности смазывания подшипниковых опор клетей "КВАРТО" при их техническом обслуживании 91
4.1 Определение совместного влияния суммарной скорости качения и коэффициента толщины МП на температуру масляного слоя в контактной зоне подшипников качения 91
4.2 Алгоритм подбора класса вязкости смазочного материала 94
Выводы по 4 главе 100
Глава 5 Разработка рекомендаций по продлению ресурса подшипников качения валковых опор клетей "КВАРТО" стана - тандем 2000 холодной прокатки и стана 2000 горячей прокатки при их техническом обслуживания 101
5.1 Анализ современного состояния подшипников качения опор рабочих валков 101
5.2 Подбор смазочного материала для смазывания подшипниковых опор с целью увеличения их ресурса 103
5.3 Расчёт экономической эффективности от реализации рекомендаций по продлению ресурса подшипниковых опор рабочих валков прокатных клетей
«КВАРТО» 108
Выводы по 5 главе 110
Заключение 112
Условные обозначения 114
Список литературы 115
- Экспериментальные исследования жидкостного трения при качении
- Определение момента трения качения между роликами испытательного стенда
- Расчёт толщины смазочного слоя, разделяющего трущиеся поверхности
- Алгоритм подбора класса вязкости смазочного материала
Введение к работе
Актуальность работы. Многолетний опыт эксплуатации широкополосных станов выявил недостаточный уровень наджности подшипниковых опор рабочих валков. Подшипники качения (ПК), устанавливаемые в валковых опорах прокатного оборудования, подвержены значительным нагрузкам при высокой частоте вращения. К основным видам повреждения ПК следует отнести их перегрев в процессе эксплуатации, являющийся следствием проявления термоэффекта входной зоны контакта в подшипниках качения. Интенсивность тепловыделения во многом зависит от вязкости смазочного материала, поэтому неверный выбор данного параметра ведт к перегреву подшипников качения и преждевременному их выходу из строя. По этой причине ресурс подшипников качения на стане-тандем 2000 холодной прокатки ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», смазываемых в клети № 5 системой «масло-воздух», составляет всего 5112 часов, что меньше расчтного ресурса на 48%. Восстановление работоспособности линии привода рабочих валков, в случае отказа подшипниковых опор, требует существенных затрат на их замену, а остановка прокатного стана для устранения неполадки ведт к потерям, связанным с выпуском продукции.
Вопросы применения различных смазочных систем и выбора режима смазывания, как правило, представлены в рекомендациях изготовителей ПК, таких как FAG, SKF, NSK, TIMKEN, SNC, Koyo, Kluber lubrication. В разъяснениях приведены различные системы смазывания: разбрызгиванием, коническими насадками, масляным туманом, системы «масло-воздух» и т.д., рассмотрены достоинства и недостатки применения различных систем.
Выбор смазочного материала (СМ) в подшипники качения осуществляется на основе положений теории эластогидродинамической (ЭГД) смазки, в развитие которой существенный вклад внесли отечественные учные Петрусевич А.И., Ро-зенберг Ю.А., Тодер И.А., Коднир Д.С., Байбородов Ю.И., Чичинадзе А.В., Елма-нов И.М., Епифанцев Ю.А. и др.
Вопрос выбора определнной марки СМ в конкретных условиях эксплуатации остатся открытым, хотя и существуют рекомендации, выданные фирмами-изготовителями подшипников качения. Однако, в данных рекомендациях, как правило, указан диапазон классов вязкости (КВ) с последующим установлением конкретного КВ в процессе эксплуатации.
Решением вопроса по выбору соответствующего класса вязкости СМ является установление взаимосвязи между КВ смазочного материала и ресурсом ПК опор рабочих валков клетей «КВАРТО».
Достижение максимального ресурса ПК подшипниковых опор рабочих валков возможно в условиях реализации в них режима эластогидродинамической (ЭГД) смазки при снижении температуры масляного слоя на контакте.
В подшипниках качения при реализации режима ЭГД – смазки, за счт термоэффекта входной зоны, на контакте происходит генерация высоких температур в масляном слое, что ведт к тепловому расширению элементов подшипника ка-
чения, ведущему к исчезновению радиального зазора в подшипнике, то есть к его заклиниванию.
Таким образом, исследования, направленные как на изучение условий реализации ЭГД-режима в подшипниковых опорах рабочих валков, смазываемых системой «масло-воздух», так и на выявление возможностей по предотвращению интенсивного разогрева подшипниковых опор и достижению максимального ресурса подшипников качения опор рабочих валков, являются актуальными.
Объектом исследования в данной работе являются подшипниковые опоры валков клетей «КВАРТО», обслуживаемые системами смазки «масло-воздух».
Предмет исследования - режим эластогидродинамической смазки в зоне контакта поверхностей трения подшипников качения опор рабочих валков, с учтом термоэффекта входной зоны.
Цель и задачи исследования. Целью исследования является продление ресурса подшипников качения опор рабочих валков клетей «КВАРТО», работающих в режиме ЭГД-смазки.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи.
-
Разработать методику определения фактической температуры слоя смазочного материала на контакте в подшипниках качения опор валков клетей «КВАТО», являющейся проявлением термоэффекта входной зоны, и установить взаимосвязь между температурой смазочного материала, подаваемого в подшипниковую опору валков, и температурой смазочного слоя на контакте в подшипнике качения.
-
Разработать методику определения пьезокоэффициента вязкости смазочного материала с учтом его фактической температуры в зоне контакта.
-
Разработать программу выбора класса вязкости смазочного материала, обеспечивающего минимальную температуру на контакте в подшипниках качения, и расчта подшипников качения на долговечность для заданных условий эксплуатации.
-
Разработать рекомендации по продлению ресурса подшипников качения опор рабочих валков стана-тандем 2000 ХП и 5,6 клетей стана 2000ГП. Основные положения, выносимые на защиту, и отражающие личный вклад
автора.
методика определения температуры в слое смазочного материала на контакте в подшипниках качения опор рабочих валков;
методика определения пьезокоэффициента вязкости смазочного материал непосредственно в контактной зоне подшипников качения;
экспериментальные зависимости, устанавливающие взаимосвязь между классом вязкости жидкого смазочного материала, поступающего в узел трения, и интенсивностью его разогрева в контактной зоне подшипников качения опор рабочих валков клетей «КВАРТО».
Научная новизна:
- разработана методика определения фактической температуры слоя смазоч
ного материала на контакте в подшипнике качения опор валков клетей
«КВАРТО» в условиях фактически действующих нагрузок, позволяющая, в
отличие от существующих, находить значения температуры, генерируемой в
масляном слое на контакте трущихся поверхностей, за счт термоэффекта входной зоны, и учитывать е при выборе класса вязкости смазочного материала;
- получены аналитические зависимости по определению значения пьезокоэф-
фициента вязкости для различных классов вязкости минерального масла, от
личающиеся возможностью учта температуры масляного слоя непосредст
венно в зоне контакта подшипников качения;
- разработана методика выбора класса вязкости смазочного материала, обес
печивающая реализацию режима эластогидродинамической смазки с мини
мальной температурой масляного слоя на контакте в подшипнике качения,
что способствует снижению тепловыделения в его нагруженной контактной
зоне, и, соответственно, продлению ресурса.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы излагались и обсуждались на:
Х международной технической конференции молодых специалистов ОАО
«Магнитогорский металлургический комбинат», г. Магнитогорск, 2010, XIV-
научно-технической конференции молодых специалистов ЗАО
"Механоремонтный комплекс", г. Магнитогорск 2010 г., международной научно-технической конференции СММТ 2009г., г. Санкт-Петербург, международная научно-технической конференции, г. Брянск 2009 г.; ежегодных научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова», 2009-2013гг., VII Midzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji «Perspektywiczne opracowania s nauk і technikami - 2011» Techniczne nauki.: Przemyl, 73 межрегиональной научно-технической конференции ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова», г. Магнитогорск, 2015 г.
Диссертация выполнена на кафедре «Проектирование и эксплуатация металлургических машин и оборудования» ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».
Практическая ценность работы состоит в следующем.
-
Разработан испытательный стенд, позволяющий определять фактическую температуру масляного слоя в нагруженной зоне подшипников качения (подана заявка № 2015130217 от 21.07.2015 на полезную модель «Стенд для определения вязкости смазочного материала», по которой принято решение о выдаче патента РФ от 29.09.2015).
-
Разработан алгоритм подбора смазочного материала для смазывания подшипниковых опор рабочих валков, защищнный свидетельством о государственной регистрации программ для ЭВМ (свидетельство о государственной регистрации №2014613371), позволяющий при техническом обслуживании системой смазывания «масло-воздух» рассчитывать необходимую температуру подаваемого минерального масла, обеспечивающую реализацию режима ЭГД-смазки и снижение температуры теплового потока, генерируемого на контакте в подшипниках качения опор рабочих валков клетей «КВАРТО».
-
Разработаны рекомендации по продлению ресурса подшипников качения опор рабочих валков клетей «КВАРТО», смазываемых системой «масло-воздух», за счт выбора класса вязкости и управления температурным режимом подавае-
мого минерального масла. Рекомендации переданы в производство, что подтверждается соответствующими документами: от ЗАО «МеталлПромСервис» (г. Магнитогорск) получена справка «О внедрении материалов диссертационной работы»; от ООО «Объединнная сервисная компания» цех «Прокатсервис №3» (г. Магнитогорск) получен акт передачи рекомендаций по продлению ресурса подшипников качения опор рабочих валков стана-тандем 2000 холодной прокатки листопрокатный цех № 11 ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ОАО «ММК»). Применение выданных рекомендаций в части перехода на смазочный материал класса вязкости 220, при соблюдении условий его подачи при температуре не выше 30С, позволит повысить средний ресурс подшипниковых опор на 30-40%. Ожидаемый экономический эффект, связанный с продлением ресурса и сокращением количества замен подшипников качения опор рабочих валков стана-тандем 2000 холодной прокатки, составит 3 млн. 814 тыс.р. в год.
4. Материалы диссертационной работы использованы в методических разработках при подготовке магистров по направлению 151000.68 «Технологические машины и оборудование» профиля «Металлургические машины и оборудование», что подтверждается соответствующими справками о внедрении в учебный процесс.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности.
Материалы диссертации в соответствии с формулой специальности 05.02.13 «Машины, агрегаты и процессы (Металлургия)» включают разработку методологических основ эксплуатации машин; экспериментальные исследования процессов технического обслуживания при эксплуатации металлургических машин; относятся к области исследования по пункту 7 паспорта специальности: разработка и повышение методов технического обслуживания машин и агрегатов в целях обеспечения наджной и безопасной эксплуатации и продления ресурса.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ в научных технических изданиях, в том числе 5 из них, в изданиях рекомендованных ВАК РФ. Получено 1 свидетельство на регистрацию программы для ЭВМ. Получено положительное решение по патенту РФ на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит: введение, 5 глав, заключение, список литературы и приложения. Объем работы составляет 125 страниц машинописного текста, в том числе - 58 рисунков, 15 таблицы, 4 приложения. Объем библиографии составляет 111 наименований
Экспериментальные исследования жидкостного трения при качении
Согласно исследованиям, приведённым в работах [22,23], системы «масло-воздух» являются оптимальными для смазывания поверхностей трения, работающих в условиях больших нагрузок, сильной запыленности, высоких тепловых нагрузок и в других экстремальных условиях.
Однако, в работе [24] говорится о ряде недостатков системы смазывания типа «масловоздушный поток»: - большой расход смазочного материала; - большой расход сжатого воздуха; - неоправданность создания «делителей потока»; - невозможность создания устойчивой масляной пленки с заранее заданными параметрами.
Ещё одной разновидностью системы «масло-воздух» [24] являются пленочные системы (ССП), которые создают из смазочного материала пленку с заранее заданными параметрами и сжатым воздухом доставляют ее к точкам смазывания. Этим достигается существенная экономия смазочного материала, уплотнение подшипникового узла за счет избыточного давления воздуха, что создает практически идеальные условия для работы подшипников, повышая тем самым их ресурс. Автоматизированные пленочные системы смазывания обеспечивают оптимальные режимы смазывания подшипников качения и частичное их охлаждение.
В любом случае, смазочный материал определяет долговечность подшипника в той же степени, что материал его деталей. Особенно возросла роль смазочного материала с повышением напряженности работы узлов трения: с повышением частот вращения, нагрузок и, в первую очередь, температуры (наиболее значительного фактора, обусловливающего долговечность смазочного материала в подшипнике). Выбор смазочного материала зависит, главным образом, от условий эксплуатации, т.е. диапазона температур и скоростей вращения, а также влияния окружающей среды. На сегодняшний день существуют различные каталоги таких известных фирм как: SKF, Timken [2, 3] и др., предлагающие различные модели расчёта подшипниковых узлов. Использование данных моделей позволяет определиться с конструктивными моментами подшипниковых узлов, а также подобрать смазочный материал и систему смазывания. Однако, приведённые в подобных изданиях рекомендации по применению того или иного класса вязкости смазочного материала для смазывания подшипников качения носят общий характер. Основные положения разрабатываются компаниями на основе лабораторных исследований и окончательный выбор класса вязкости смазочного материала должен производиться непосредственным пользователем, с учетом особенностей оборудования и окружающей среды. 1.3 Методики подбора смазочного материала
Согласно [25] при выборе масла для подшипников качения следует учитывать следующие факторы. 1. Основная причина выхода из строя подшипников качения (при смазке незагрязненным маслом) является выкрашивание. 2. Для успешной работы подшипника качения важное значение имеет обеспечение минимальных потерь на трение и предотвращение его перегрева. Вследствие первой причины подшипники рекомендуется смазывать маслами стабильными против окисления. Согласно второму фактору - маслами с низкой рабочей вязкостью. Однако, как было установлено экспериментально, низкая вязкость смазочного материала не всегда способствует формированию эластогидродинамического режима в подшипнике и, как следствие, увеличению его долговечности.
Cпециалистами SKF [2] установлено, что около 36 % преждевременных отказов подшипников вызвано неправильным выбором типа смазки, или метода смазывания. С учётом загрязнения, эта цифра повышается до 50 %. В реальных условиях любой подшипник, при каких-либо отклонениях свойств смазочного материала от требуемых параметров, выходит из строя задолго до выработки расчётного ресурса. Поскольку обычно подшипники располагаются в труднодоступных местах, то недостатки в их смазывании зачастую приводят к существенным проблемам.
Выбор смазочного материала, главным образом, определяется тем, какова будет его вязкость непосредственно в зоне контакта трущихся поверхностей, которая и определяет формирование соответствующей толщины масляной плёнки.
Существует множество методик и номограмм по подбору смазочного материала для подшипников качения. Так, например, Чичинадзе А.В. [14, 26] предлагает подбор смазочного материала по критерию удельной толщины смазочного слоя или температурному критерию. Исходными данными такой методики, являются кинематическая вязкость, пьезокоэффициент вязкости, характеристики узла трения. Подбор смазочного материала начинается с выявления режима смазки в данном узле по величине относительной толщины смазочного слоя.
Данная методика предлагает проверку режима смазывания, если вязкость смазочного материала уже известна.
Коднир Д.С., Жильников Е.П., Байбородов Ю.И. [27] рекомендуют методику выбора смазочного материала для подшипников качения по критерию (1.2). Авторами разработана следующая формула для расчёта данного критерия , (1.2) где - конструктивный коэффициент, зависящий от типа подшипника; - параметр масла; - эквивалентная нагрузка, Н; - средний диаметр подшипника, мм; - число оборотов, мин-1 [27]. Рассчитанный по формуле (1.2) параметр сравнить с заданными желательными значениями. При несоответствии и необходимости увеличить критерий - перейти к другой марке смазочного материала и к иному температурному уровню за счёт более интенсивного охлаждения подшипника. Существует ряд исследований, посвящённых, также, испытаниям СМ на противоизносные свойства [99-101].
Определение момента трения качения между роликами испытательного стенда
Из условия равновесия (2.4) следует, что измерительное устройство через упругий элемент будет регистрировать момент сопротивления, возникающий в ролике 6 от действия смазочного материала, за вычетом момента трения качения роликов.
Примем следующую методику по определению экспериментального значения момента трения сопротивления, возникающего в ПК от действия СМ, состоящую из нескольких этапов.
На первом этапе осуществляется подготовка испытательного стенда к проведению эксперимента, которая заключается в установлении величины силового нагружения и значения скоростей качения в ПК роликов, при которых условия на контакте в ПК ИС и ПК опор рабочих валков клетей «КВАРТО» будут идентичны.
На втором этапе проводится тарировка упругих элементов и устанавливаются соответствующие величины силового нагружения и скоростей качения. Вычисляется коэффициент трения качения между роликами ИС. На третьем этапе определяется момент трения от действия СМ в ПК второго ролика по зависимости (2.4) через фиксацию усилия (рисунок 2.2).
Согласно первой теореме подобия [82, 83], необходимым условием подобия двух систем является равенство соответствующих критериев подобия этих систем. При расчёте технических характеристик испытательного стенда принималось равенство масштабных коэффициентов по коэффициенту толщины смазочного слоя. Используя зависимость для коэффициента толщины масляной плёнки (1.1) в соответствии с теорией подобия возможно определение характеристик ИС по условиям нагружения через комбинацию масштабных коэффициентов
Так как в подшипниковых узлах исследуемых объектов и испытательного стенда используется один и тоже смазочный материал, то , . Рассмотрим значения коэффициентов подобия, обусловленных шероховатостями поверхностей качения. По данным полученным с производства, средняя шероховатость поверхностей качения составляет =1,18 мкм. Средняя шероховатость поверхностей качения роликов испытательного стенда имеет следующее значение =0,8 мкм.
Поскольку данное соотношение близко к 1, то учитывая выше принятые допущения, получим следующее соотношение коэффициентов подобия
Для проведения исследования свойств минеральных масел на контакте в ПК ИС необходимо обеспечить условия, при которых толщина масляной плёнки (МП) будет соответствовать толщине МП в исследуемых объектах.
Для этого были проанализированы параметры ПК, установленных в исследуемых опорах и на ИС. Характеристики ПК представлены в таблице 2.1., и установлены соответствующие масштабные коэффициенты [81-83].
Анализируя данные параметров исследуемых ПК, а также данные по скоростным характеристикам прокатки на исследуемых объектах, была установлена суммарная скорость качения в контакте исследуемых ПК для создания аналогичной скорости в ПК на ИС. Результаты расчётов приведены в таблице 2.2 Таблица 2.2 - Результаты расчётов суммарной скорости качения в подшипниках качения
Для определения величины нагрузок подшипников качения ЭУ, обеспечивающих условия на контакте идентичные натуре, необходимо найти удельную нагрузку на единицу длины ролика «q», возникающую в исследуемых ПК, и, соответственно, фактическую нагрузку, действующую на подшипники качения опор рабочих валков.
Согласно [80], на станах с постоянным направлением прокатки подушки с подшипниками рабочих валков установлены таким образом, что рабочие валки смещены на 10 мм для стана горячей прокатки и на 5 мм для стана холодной прокатки относительно опорных в направление движения металла (рисунок
Схема нагружения подшипниковых опор прокатных клетей № 5 и №6 стана 2000 ГП и прокатных клетей стана 2000 ХП Р–полное давление металла на рабочие валки, Мр - общий момент, который требуется прикладывать к рабочим валкам, Rоп - радиус опорного валка, e – величина смещения рабочих валков по отношению к опорным. Роп– сила, действующая на контакте валков, – угол смещения, - угол угол наклона силы Роп к вертикали, Rоп – радиус опорного валка, R р – радиус рабочего валка. х – горизонтальная составляющая силы Роп, Н, Nx ,Ny – силы реакции опоры, Н, У – усилие противоизгиба, Н В этом случае угол смещения составляет sin = e/(Rp+Rоп), а угол наклона силы Роп к вертикали будет равен (+). Если принять, что равнодействующая Р направлена вертикально, то из условия равновесия рабочего валка получаем равенство (2.8) где Р– полное давление металла на рабочие валки, МН; Роп – сила, действующая на контакте валков, МН; – угол угол наклона силы Роп к вертикали, ; х – горизонтальная составляющая силы Роп, дествующая на подшипниковые опоры, МН.
Расчёт толщины смазочного слоя, разделяющего трущиеся поверхности
В соответствии с данной методикой были проведены эксперименты по изучению влияния температуры СМ, входящего в ПК на температуру СМ, находящегося непосредственно на контакте самых нагруженных тел качения подшипника с дорожками качения, с использованием минеральных масел различных классов вязкости. На рисунках (3.1) и (3.2) представлены экспериментальные данные по изменению температуры входящего в зону контакта СМ и изменению температуры СМ, находящегося в зоне контакта, полученные по данной методике. Также представлены фотографии теплового поля, полученные с помощью тепловизора. Данные по всем смазочным материалам представлены в приложении А.
а)- изменение температуры с течением времени для смазочного материала КВ 460 при суммарной скорости качения в контакте 7,92 м/с. ,б),в), г) – фотографии теплового поля Далее, используя зависимости изменения температур во времени, была установлена взаимосвязь изменения температуры СМ на контакте от температуры СМ, входящего в контакт.
Полученные экспериментально - расчётным путём значения температур на контакте, представлены на рисунках (3.3)-(3.4). Рисунок 3.3 - Изменение температуры на контакте для четырёх классов вязкости смазочного материала, при суммарной скорости качения 2,9 м/с
Изменение температуры на контакте для четырёх классов вязкости смазочного материала, при суммарной скорости качения 7,92 м/с
При аппроксимации линий тренда, были получены степенные функции с величиной достоверности аппроксимации 99%. Полученные аналитические зависимости фактической температуры на контакте от температуры смазочного материала, поступающего в контакт можно представить в виде обобщённой зависимости (3.9) где - температура подаваемого СМ, С; C, Cх- эмпирические коэффициенты для исследуемых КВ СМ, приведённые в таблице 3.1 1 Рост фактической температуры на контакте является следствием интенсивного разогрева минерального масла и происходит уже с первых минут работы ПК ИС. 2 В ходе эксперимента происходит постепенный разогрев ПК, но на точечную температуру на контакте это не оказывает существенного влияния. 3 Рост температуры на контакте происходит с увеличением суммарной скорости качения в контакте. При меньшей скорости качения в контакте: 2,9 м/с - наименьшее значение температуры на контакте фиксировалось с подачей СМ КВ220. При более высокой скорости качения в контакте: 7,925 м/с -наименьшее значение температуры фиксировалось с подачей СМ КВ 100. 4 Значения высоких температур смазочного материала на контакте, подтверждают проявление термоэффекта входной зоны, о котором в своих работах упоминали ещё А.В. Крук, А. Дайсон, Г. Нейлор и др. [29]. 5 Полученные значения температур СМ на контакте позволяют выполнить уточнённый расчёт толщины МП, разделяющей трущиеся поверхности.
В настоящее время в справочной литературе отсутствуют значения пьезокоэффициентов для выбранных марок СМ: ИР 100 КВ 100, марки ТНК 522 КВ 220, марки Mobilgear 320 КВ 320, марки 460ПВ КВ 460. Поэтому для выполнения дальнейшего ЭГД - расчёта ставится задача установления значения пьезокоэффициентов вязкости для данных смазочных материалов.
Использование полученных значений фактических температур, позволяет определить значения пьезокоэффициентов вязкости СМ, применяя зависимость
Зависимости эмпирических коэффициентов А и Ах для различных КВ Полученные значения пьезокоэффициента вязкости для различных классов вязкости смазочного материала значительно отличаются от значений, полученных по зависимости Вустера (рисунки 3.8 – 3.9, приложение Б).
Значения пьезокоэффициента, полученные по зависимости Вустера при фактической температуре СМ на контакте и при температуре СМ, поступающего на контакт для класса вязкости 460 при суммарной скорости качения в контакте 2,9 м/с
Значения пьезокоэффициента, полученные по аналитически-экспериментальным зависимостям и по зависимости Вустера для СМ класса вязкости 460 при суммарной скорости качения в контакте 7,92 м/с
Представленные зависимости показывают, что использование зависимости Вустера по расчёту пьезокоэффициента вязкости без учёта фактических температур на контакте ведёт к завышенным значениям толщины масляного слоя в нём. Используя полученные значения фактических температур на контакте для исследуемых СМ (таблица 3.1) и значения пьезокоэффициентов вязкости СМ (таблица 3.2) по формуле И.Д. Ратнера (1.23), была определена толщина смазочного слоя в точке контакта для исследуемых масел. Графики зависимостей толщины МП, разделяющей трущиеся поверхности, от температуры СМ, поступающего в зону контакта для четырёх классов вязкости СМ, представлены на рисунках 3.10, 3.11.
Зависимость толщины смазочного слоя, разделяющего трущиеся поверхности от температуры смазочного материала, поступающего в зону контакта при суммарной скорости качения в контакте 2.9 м/с Рисунок 3.11 – Зависимость толщины смазочного слоя, разделяющего трущиеся поверхности от температуры смазочного материала, поступающего в зону контакта при суммарной скорости качения в контакте 7,92м/с Полученные зависимости характеризуют изменение толщины МП от температуры подаваемого СМ. С увеличением температуры смазочного материала происходит уменьшение толщины смазочного слоя, разделяющего трущиеся поверхности. А так как при разогреве СМ, поступающего в ПК, происходит постепенный рост фактической температуры на контакте (рисунок 3.1 и 3.2), то можно сделать вывод, что значение фактической температуры на контакте напрямую влияет на толщину МП. Чем выше фактическая температура на контакте, тем меньше толщина МП.
Также по графикам видно, что при разогреве смазочного материала происходит постепенное выравнивание толщины МП для четырёх классов вязкости СМ, т.е. при температуре поступающего в контакт СМ 60С и выше, значение толщины МП для четырёх классов вязкости СМ отличается не существенно.
Таким образом, подача более высоковязкого СМ не приводит к лучшим показателям по толщине МП при температурах поступающего СМ свыше 60 С. Толщина МП снижается в 2-3 раза с увеличением температуры подаваемого СМ с 30 до 60 С. При поддержании температур подаваемого СМ при 30-40 С толщина МП увеличивается в разы для КВ СМ от 220 до 460 по сравнению с СМ КВ 100. Применение более высоковязкого СМ, с точки зрения формирования благоприятной толщины МП для поддержания заданного режима трения, целесообразно только в диапазоне температур 30-40 . Дальнейшее увеличение температуры подаваемого СМ приводит к более интенсивному разогреву ПК, уменьшению вязкости СМ и снижению толщины МП, что может привести к её разрыву, и более интенсивному износу трущихся поверхностей. Причём для различных КВ СМ скорость изменения МП различна, соответственно различна будет и интенсивность разогрева ПК. Следовательно, определение интенсивности разогрева ПК для различных условий его работы и КВ СМ является немаловажной составляющей для дальнейшего прогнозирования режимов трения.
Алгоритм подбора класса вязкости смазочного материала
В настоящее время для смазывания подшипниковых опор рабочих и опорных валков 1-5 клетей стана 2000 ХП применяют минеральное масло Mobilgear 600 ХР 320 класса вязкости 320 [111]. На стане – тандем 2000 холодной прокатки задача по выбору класса вязкости минерального масла осложняется тем, что конструктивно подача смазочного материала происходит во все подшипниковые опоры стана из одного резервуара. В то же время подшипниковые опоры находятся в различных условиях нагружения и, соответственно, вязкость смазочного материала на контакте будет различная. Это ведёт к формированию на контакте смазочной плёнки различной толщины и к реализации различного ресурса подшипников качения. Необходима такая оптимизация по классу вязкости минерального масла, чтобы обеспечить максимальный ресурс подшипников качения.
Данные, полученные на производстве, представлены в таблице 5.1. Таблица 5.1 - Ресурс ПК опор рабочих валков стана 2000 ХП за 2011-2014 гг. (по данным, полученным с ОАО «ММК»)
Как видно из таблицы 5.1 средний ресурс подшипников качения составляет 5112 часов. При этом в большинстве случаев основной причиной выхода из строя подшипников качения является их перегрев. Это происходит в результате того, что параметры применяемого смазочного материала, не позволяют создать благоприятный режим трения, при котором будет реализована МП, способная разделить трущиеся поверхности тел и дорожек качения в подшипнике. Поэтому необходимо рассмотреть возможность применения других минеральных масел. С этой целью воспользуемся методикой, представленной в 4 главе.
Подбор смазочного материала для смазывания подшипниковых опор с целью увеличения их ресурса С целью анализа эффективности смазывания необходимо выяснить какой режим трения реализуется в ПК при использовании минерального масла Mobilgear 320 КВ 320. Для решения данной задачи был использован предложенный в 4 главе и опубликованный в источниках [96, 111] алгоритм расчёта.
На рисунке 5.1 приведены результаты расчётов ресурса работы ПК рабочих валков 1-5 клети стана 2000 ХП ОАО «ММК». Как видно из рисунка, применение СМ КВ 320 (используется на данный момент) приводит к уменьшению ресурса ПК по сравнению с расчётным. Это происходит в результате повышенных температур на контакте тел качения с дорожками качения внутреннего и наружного колец ПК, что приводит к интенсивному разогреву ПК и уменьшению ресурса его работы.
На рисунках 5.2-5.3 приведены диаграммы расчётного ресурса и ресурса ПК при реализации режима ЭГД смазывания при смазывании ПК рабочих и опорных валков стана 2000ХП ОАО «ММК»
Как видно из рисунков 5.2-5.3, реализация ЭГД-режима трения позволит значительно увеличить ресурс работы ПК рабочих и опорных валков стана 2000ХП.
1. При смазывании подшипниковых опор тянущих роликов реализацию ЭГД-режима смазывания обеспечивают смазочные материалы класса вязкости 100, 220, 320. Однако применение СМ КВ с более высокой вязкостью приводит к увеличению момента сопротивления от действия смазочного материала. Поэтому применение СМ КВ 220 при использовании интенсивного охлаждения является наиболее предпочтительным.
2. Реализацию режима ЭГД-смазывания на контакте при смазывании подшипников качения подшипниковых опор рабочих валков 1-5 клетей стана 2000ХП ОАО «ММК» обеспечивают смазочные материалы класса вязкости
3. Реализацию режима ЭГД-смазывания на контакте при смазывании подшипников качения подшипниковых опор опорных валков 1-5 клетей стана 2000ХП ОАО «ММК» обеспечивают смазочные материалы класса вязкости 220 и 460. Интенсивность разогрева подшипника при смазывании СМ КВ 220 превышает интенсивность разогрева при смазывании СМ КВ 460. Применение СМ КВ 220 является наиболее эффективным при обеспечении интенсивного охлаждения подшипникового узла
4. Поскольку все подшипниковые опоры стана 2000ХП смазываются одним смазочным материалом, то, обобщая выданные рекомендации по смазыванию ПК тянущих роликов, ПК опор РВ и ОВ, можно сделать вывод о том, что наиболее целесообразным для смазывания является СМ КВ 220.
5. При смазывании подшипниковых опор стана 2000ГП необходимо рассматривать СМ КВ 220, 320, 460. СМ КВ 100 реализацию ЭГД – режима трения не обеспечивает. При этом самая высокая температура на контакте наблюдается при применении СМ КВ 460. Поэтому его использование может привести к перегреву ПК. В связи с этим необходимо рассмотреть возможность применения СМ КВ 220 и 320. Наименьшая температура на контакте реализуется при применении СМ КВ 220, однако здесь наблюдается и наибольшая интенсивность разогрева. Данный фактор способен привести к негативным последствиям, таким как перегрев ПК, его заклинивание и выход из строя. Поэтому применение данного СМ целесообразно при организации более интенсивного отвода тепла при работе ПК.
В среднем на рынке по данным на конец 2013 года стоимость подшипников, устанавливаемых на подшипниковых опорах рабочих валков прокатных клетей «КВАРТО», колеблется в диапазоне от 200 до 300 тыс. руб. Принимая среднюю стоимость подшипников 250 тыс.р., получаем среднее значение затрат по замене подшипников в течение года (таблица 4.6).
Таким образом, при реализации режима ЭГД-смазки, затраты по замене подшипников качения уменьшатся, и составят 1 млн. 179 тыс.р. в год. При реализации режима «смешанное трение», затраты по замене подшипников составят 4 млн. 993 тыс.р. в год. Экономия средств, связанных с заменой подшипников при реализации режима «ЭГД – трение», составит 3 млн. 814 тыс.р. в год.