CC BY
74
УДК 620.194.3:622.673.6 В.С. Талтыкин
ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ИЗНОСА И РАЗРУШЕНИЯ СТАЛЬНЫХ КАНАТОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В ШАХТНЫХ ПОДЪЕМНЫХ УСТАНОВКАХ
Семинар № 21
Стальные канаты шахтных грузоподъемных машин, подъемных кранов и других механизмов являются сложными по структуре и ответственными по своему назначению конструкциями, работающими в достаточно тяжелых условиях. Так как разрушение каната может быть сопряжено не только с экономическими потерями, но и с человеческими жертвами, то требования, которые предъявляются к надежности функционирования канатов грузоподъемных машин и механизмов в процессе эксплуатации, являются весьма жесткими. Именно поэтому канаты, применяемые в горной промышленности, требуют систематического контроля и своевременной замены.
На работоспособность каната, при его правильном подборе и применении, т.е. правильно выбрана конструкция каната, его размер, разрывное усилие проволок, а также диаметре барабана и шкивов, радиусе желобов шкивов и других конструктивных характеристиках подъемного оборудования, оказывают влияние два определяющих фактора: коррозия и механический износ. В зависимости от условий эксплуатации тот или иной фактор является определяющим для изъятия каната из эксплуатации. Основные виды износа и коррозионного разрушения канатов сведены в таблице.
Основным методом контроля состояния каната является его визуаль-
ный осмотр. При этом, в процессе эксплуатации не всегда возможно, например, при непрерывной работе оборудования, открыть канат для осмотра его сердечника и внутренних прядей или для проведения испытаний методами неразрушающего контроля. Поэтому некоторые дефекты (п. 8, 9 таблицы) установить бывает очень сложно. Опыт эксплуатации стальных канатов показывает, что данные дефекты могут развиться в любом месте на всём протяжении каната, хотя, безусловно, наиболее вероятными и опасными зонами остаются зоны заделки каната, зоны каната, соответствующие заходу каната на шкив или барабан и его схода со шкива в местах остановки подъемного средства и другие зоны. Одной из причин возникающего в канате разрушения является фреттинг.
Фреттинг — это процесс разрушения плотно контактирующихся поверхностей металлических поверхностей проволок в результате малых колебательных относительных перемещений. Для возбуждения этого процесса достаточны перемещения поверхностей с амплитудой 0,025 мкм. Разрушение заключается в образовании на соприкасающихся поверхностях мелких язвин и продуктов коррозии в виде налета, пятен и порошка. Этому виду изнашивания подвержены не только углеродистые, но и коррозионно-стойкие стали.
Типичные примеры износа и разрушения стальных канатов
1. Локализованный износ вследствие абразивного истирания на опорной конструкции. ПНЯ!
2. Узкая полоса износа, приводящая к усталостным разрушениям, вызванным работой в слишком больших желобах или по слишком малым опорным роликам.
яНжЙй
3. Две параллельные полосы оборванных проволок, свидетельствующие об изгибе при движении по слишком узкому желобу шкива. ¡ЙЁЙЙЙЙИ
4. Сильный износ, связанный с высоким опорным давлением.
5. Сильный износ каната односторонней свивки, вызванный абразивным истиранием.
6. Сильная коррозия. ШЕШШЁ
7. Типичные порывы проволок в результате усталости при изгибе.
8. Порывы проволок в точках сопряжения прядей или прядей с сердечником
9. Внутренняя коррозия, в то время как наружная поверхность имеет мало признаков разрушения.
10. Значительный износ внутренняя коррозия.
и сильная
Вследствие малой амплитуды перемещения соприкасающихся поверхностей повреждения сосредоточиваются на небольших площадках действительного контакта. Продукты износа не могут выйти из зоны контакта, в результате возникает высокое давление и увеличивается их абразивное действие на основной металл.
Продукты фреттинг-коррозии стальных проволок в канате при отсутствии смазки имеют цвет от светлокрасно-коричневого до темно-коричневого в зависимости от марки стали, давления, влажности и частоты циклов микросмещений. Состав этих
продуктов: основная масса Ре2Оз, небольшое количество а-железа, могут присутствовать окислы РеО, Ре304 и гидроокись Ре2О3 • Н2О.
При фреттинг-коррозии протекают следующие процессы. Под действием сил трения кристаллическая решетка поверхностных слоев при циклических тангенциальных смещениях расшатывается и разрушается. При этом происходит отрыв частиц металла, размеры которых сопоставимы с атомными. Процесс разрушения представляет собой диспергирование поверхности без удаления продуктов износа. Оторвавшиеся частицы ме-
1 г з
Механизм изнашивания проволок при фреттинге: 1, 2 — контактирующие проволоки; 3 — точки контакта поверхностей проволок; 4 — мелкие зарождающиеся каверны; 5 — общая большая каверна;. 6 — трещины; 7 — отколовшиеся объемы металла; 8 — отколовшиеся частицы с твердой структурой
талла подвергаются быстрому окислению. Дополнительным источником повреждения поверхностей может явиться возникающее местами схватывание сопряженных металлов. Цепи сцепившихся атомов вначале искажаются при скольжении, а затем разрываются, что приводит к отрыву отдельных атомов от кристаллической решетки и может служить источником зарождения усталостных трещин.
В зависимости от условия фрет-тинг-коррозии непосредственному разрушению поверхности может предшествовать ее окисление и образование на ней химических соединений в результате повышенной активности атомов пластически деформируемой кристаллической решетки. Разрушение окисных пленок сопровождается схватыванием металлов. По другому варианту упрощенная схема процесса в начальной фазе такова:
Образование окисных пленок на металлической поверхности проволок или продуктов износа в виде окислов изменяет характер протекания про-
цесса, который начинает определяться не только физико-химическими свойствами материалов пары трения в исходном состоянии, но и природой окислов и других образовавшихся химических соединений. Окислы оказывают абразивное действие, которое зависит от прочности сцепления окисных пленок с основным металлом, твердости окислов и размеров их частиц в продуктах износа. Твердость окислов металлов, как правило, больше твердости чистых металлов.
Механизм изнашивания при фрет-тинг-коррозии в упрощенном виде представлен на рисунке. Первоначальное контактирование деталей происходит в отдельных точках поверхности I. При вибрации окисные пленки в зоне фактического контакта разрушаются, образуются небольшие каверны, заполненные окисными пленками (II), которые постепенно увеличиваются в размерах и сливаются в одну большую каверну (III). В ней повышается давление окисленных частиц металла, образуются трещины.
Некоторые трещины сливаются, и происходит откалывание отдельных объемов металла. Частицы окислов производят абразивное воздействие. В результате действия повышенного давления и сил трения частиц окислов повышается температура, и происходит образование белых твердых нетравящихся структур в отколовшихся частицах и на поверхности каверн.
В общем случае существует несколько средств борьбы с фреттинг-коррозией.:
а) уменьшить микросмещения;
б) снизить силы трения;
в) сосредоточить скольжение в промежуточной среде.
Для канатов уменьшить относительное микросмещение невозможно, т.к. сама конструкция каната и его назначение предполагают взаимное перемещение проволок. Снижение сил трения в канате также может отрицательно повлиять на его эксплуатационные характеристики.
Наиболее действенным методом борьбе с данным видом разрушения каната видится перенесение микроскольжения в промежуточную среду. В условиях фреттинга обычные смазочные материалы не влияют на коэффициент трения, так как граничная пленка в процессе работы не пополняется и быстро разрушается. Применение твердых смазок также не даёт желаемых результатов, хотя сила трения при этом и уменьшается, основное назначение покрытий состоит в перенесении процесса смещений во внутрь покрытия, однако начавшийся процесс фреттинг-разрушения быстро переходит в основной металл. Все покрытия срабатываются, большая или меньшая их эффективность определяется сроком службы. В условиях где фреттинг является процессом, определяющим скорость разрушения каната, рационально использование канатов со специальными резиновыми вставками, предотвращающими контакт проволок между собой.
------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гаркунов Д.Н. Триботехника (износ и безызностность): Учебник. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: “Издательство МСХА”, 2001. 616 с., ил.280
2. Беркович И.И., Громаковский Д.Г. Трибология. Физические основы, механика и технические приложения: Учебник для вузов. - Самара.: Изд. Самар. гос. техн. ун-та, 2000. 268 с. ЕШЗ
— Коротко об авторе ---------------------------------------------------------------
ТалтыкинB.C. - аспирант,
Науч. руков.: д-р техн. наук, проф. M.C. Островский,
Московский государственный горный университет.
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 21 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. Л.И. Кантович.
