CC BY
11
© Л.Е. Маметьев, О.В. Любимов, Ю.В. Дрозденко, 2012
Л.Е. Маметьев, О.В. Любимов, Ю.В. Дрозденко
АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ НАПРАВЛЕНИЙ ПОВЫШЕНИЯ РЕСУРСА ОПОРНЫХ УЗЛОВ ШНЕКОВОГО СТАВА МАШИН ГОРИЗОНТАЛЬНОГО БУРЕНИЯ
Рассмотрены возможности совершенствования опорных узлов шнеко-вого бурового става, направленные на повышение ресурса, подшипников качения, необслуживаемых в пространстве буримых скважин. Ключевые слова: шнековое бурение, опорный подшипниковый узел, ресурс.
При современном уровне развития техники работоспособность подшипниковых узлов бурошнекового оборудования может быть повышена за счет совершенствования уплотнительных устройств для эффективной зашиты фрикционной зоны подшипников от воздействия окружаюшей среды, а также рациональным применением смазочных материалов и способов смазки подшипников.
Вопросы разработки контактных уплотнительных устройств врашаюшихся элементов изложены в работах [1 — 2].
Использование для изготовления уплотнительных узлов эластомеров создает условия полной пассивности абразивных частиц. В непосредственное соприкосновение с деталью вступают тонкие стенки ячеек, создаюшие в контакте незначительные напряжения. Большие натяги при упругих деформациях эластомера обеспечивают длительность контакта в зоне герметизации. При этом возможно увеличение поверхности контакта, что еше более затрудняет проникновение частиц в уплотняемый узел. Герметизируюший элемент должен быть надежно зашишен от повреждения, поскольку эластомер предназначен для задержания малого количества частиц среды. На рис. 1 приведена относительная стоимость некоторых видов контактных уплотнений.
Рис. 1. Относительная стоимость некоторых видов контактных уплотнений
Вопросам исследования, конструирования и эксплуатации герметизирующих устройств бесконтактного типа посвящены работы [3 — 4].
На рис. 2 приведена относительная стоимость некоторых видов бесконтактных уплотнений [3] в условиях мелкосерийного производства.
Наименее трудоемкими и дешевыми уплотнениями бесконтактного типа являются щелевые радиальные, лабиринтные и винтоканавочные. Применяя эти уплотнения в сочетании с защищенными подшипниками, можно получить оптимальные с точки зрения стоимости и эффективности узлы трения. Анализ работоспособности комбинированных уплотнений показывает их высокую эффективность. Однако, вследствие сложности конструкции, высокой стоимости и больших габаритных размеров область их применения ограничивается специфическими узлами трения с неординарными параметрами эксплуатации.
Вид бесконтактного уплотнения
Рис. 2. Относительная стоимость некоторых видов бесконтактных уплотнений
Большое влияние на долговечность подшипников оказывает их смазка. Предотвращение схватывания микровыступов контактирующих поверхностей в комплексе со снижением трения позволяют избежать износа трущихся поверхностей. Смазка может также выполнять функции защиты поверхностей от коррозии и воздействия температурных полей, частичного предотвращения попадания в узлы частиц окружающей среды [5].
Смазка подшипников жидкими маслами характеризуется доступностью, легкостью реализации, антикоррозионными свойствами. Однако вследствие возможности вытекания из корпусов узлов возникает необходимость применения более сложных уплотняющих устройств и более частого пополнения.
Использование пластичных смазочных вешеств позволяет частично предохранять фрикционные зоны подшипников от воздействия температуры и влаги, дает возможность уменьшить размеры, снизить стоимость подшипникового узла и создает предпосылки к уменьшению расхода смазочных материалов, упрошению обслуживания [6].
Для условий работы смазочных материалов в подшипниках качения характерна кратковременность действия значительных нагрузок. В этих условиях для подшипников качения желательно иметь смазочные материалы с большим временем релаксации напряжений [7]. Перспективным направлением улучшения свойств пластичных смазок является применение различных наполнителей и присадок.
В пластичные смазки вводят также различные по составу и происхождению наполнители, обладаюшие, как правило, собственной высокой смазочной способностью. Введение наполнителей преследует разнообразные цели, в числе которых улучшение смазочной способности, повышение герметизирую-ших свойств, увеличение прочности смазки, уменьшение выдавливания ее из узлов трения, повышение термостойкости, снижение коэффициента трения. В качестве наполнителей используют природные слоистые материалы, сульфиды, селени-ды, нитриды и йодиды некоторых металлов, а также алюмосиликаты. Особую группу составляют высокодисперсные коллоидные мягкие металлы и оксиды металлов. В числе органических высокомолекулярных добавок — полиолефины кристаллического строения, аморфные каучукоподобные полимеры, термопластичные смолы (природные и синтетические).
Недостатками смазывания пластичными смазочными материалами следует считать: относительное увеличение потерь на внутреннее трение, трудность контроля за состоянием смазочного материала, затрудненное предупреждение аварийных ситуаций, связанных с возможными задирами и заклиниванием подшипника случайными загрязнениями, циркулирующими в смазке.
Некоторые условия работы объектов техники исключают возможность использования жидких и пластичных смазочных материалов. Обеспечение подшипниковых узлов смазкой в подобных условиях вызвало необходимость применения твердых материалов, обладаюших смазочной способностью.
К наиболее распространенным твердосмазочным веществам относятся графит — природная форма углерода с гексагональной кристаллической решеткой, образованной рядом базисных плоскостей, а также дихалькогениды переходных металлов (наиболее распространен МоБг), имеющие сходную кристаллическую структуру с весьма малой поверхностной энергией плоскостей базиса. Исследования показывают, что наиболее приемлемы подшипники, в конструкции которых используются углеграфитовые материалы, имеющие малый износ, низкий коэффициент трения, высокую теплостойкость и теплопроводность, невысокую стоимость.
Применение твердых смазок в подшипниках возможно в виде порошка, покрытия, конструкционного материала. Рациональным является использование твердосмазочных материалов в виде тонких покрытий, прочно закрепленных на рабочих поверхностях трибосопряжения. При этом покрытие может наноситься непосредственным натиранием деталей, в виде суспензии с последующим испарением летучего растворителя, газопламенным напылением, катодным распылением, внедрением твердой смазки в поверхностный слой с помощью ультразвукового инструмента, детонационным напылением. Имеют применение твер-досмазочные покрытия со связующим веществом.
Сложность или невозможность восстановления покрытий в процессе эксплуатации узлов трения ограничивает их применение. К недостаткам антифрикционных покрытий следует также отнести чувствительность к абразивному износу, вызываемому твердыми частицами извне и собственными продуктами разрушения.
Применение твердых смазок в порошкообразном виде ограничивается малым сроком их службы. Это стимулирует появление различных методов транспортирования твердосмазочно-го порошка для восполнения нужного количества в зоне трения и удаления его избытка. Обеспечение работоспособности подшипников качения с порошковой смазкой требует специальных конструкций узлов трения..
Существенное увеличение долговечности подшипников качения может быть достигнуто при использовании рота-принтного метода подачи смазки во фрикционную зону, который реализуется при трении твердосмазочного конструкци-
онного материала по смазываемой поверхности. При этом твердая смазка под действием межмолекулярных сил переносится на контактируюшую поверхность. Отмечено, что одним из основных условий долговечной работы самосмазываюше-гося подшипника является создание достаточного запаса сма-зываюшего материала и возможность его попадания на все трушиеся поверхности.
Положительные свойства твердосмазочных композиционных материалов, имеюших полимерную основу, способствовали вытеснению ими с середины 1960-х гг. в. цветных металлов как материалов для изготовления сепараторов подшипников качения. Отечественной подшипниковой промышленностью был освоен выпуск подшипников качения, сепараторы которых совмешают ряд функций. Таковыми являются, в частности, подшипники исполнения ЕС17, которые представляют собой подшипники закрытого типа, в которых пластмассовый сепаратор одновременно выполняет роль уплотнения. Он состоит из двух полусепараторов, изготовленных литьем под давлением из термопластичных антифрикционных полимерных материалов и имеюших силовое замыкание с телами качения. Роль уплотнения выполняют кольцевые эластичные выступы на поверхностях внутреннего и наружного диаметров полусепараторов. Совмешение двух функций упрошает конструкцию, технологию изготовления и эксплуатацию в тех же условиях, что и подшипников с уплотнениями.
Следует отметить, что использование подшипников с само-смазываюшимися полимерными сепараторами имеет ряд специфических особенностей. Так, увеличение нагрузок на сепаратор в местах его контакта с базируюшими поверхностями и телами качения, несбалансированность сил приводят к значительным деформациям. Повышенная скорость скольжения в местах контакта приводит к интенсификации износа материала сепаратора, разрушению его перемычек и отказу подшипника. По этим причинам рекомендуемое давление в контакте сепаратор-кольцо ограничивают величиной 0,35 МПа, шарик-сепаратор — 0,015 МПа. Напряженный тепловой режим работы определяется малой теплопроводностью образуемых на поверхностях качения полимерных пленок, вследствие чего наличествует концентрация тепловой энергии в микрообъемах, прилегаюших к плошад-48
кам контакта. Избыточное пленкообразование приводит также к возрастанию момента трения подшипника с последуюшим его отказом из-за заклинивания. Недостаточное пленкообразование приводит к отказу подшипника, выражаюшемуся в схватывании шариков и колец с последуюшим глубинным вырыванием металла и образованием сетки мелких трешин на поверхности колец — так называемым сухим питтингом [8].
Повышение конструктивной прочности и несушей способности полимерных самосмазываюшихся сепараторов подшипников качения может быть осушествлено за счет применения армированных пластиков — антифрикционных полимеров, упрочненных армируюшими материалами в виде дискретных и непрерывных волокон (углеродных, борных), жгутов, лент, ровницы, сетки, ткани, а также отдельных частиц. В качестве таких материалов могут выступать металлы, неметаллы, минералы, тугоплавкие соединения.
Одним из конкретных примеров подобного применения можно считать находяшую в настояшее время распространение конструкцию подшипника качения с твердосмазочным антифрикционным заполнителем (АФЗ) (рис. 3).
Конструкция выполняется на базе стандартного шарикоподшипника путем заполнения его свободного внутреннего пространства пастообразным антифрикционным компаундом с последующим его отверждением, формированием зазоров между от-вержденным заполнителем и деталями подшипника после-дуюшей приработкой [9]. Разработана гамма твердосмазоч-ных антифрикционных материалов с различными свойствами, используемых в качестве заполнителей. В настояшее время разработкой, изготовлением и внедрением подшипников качения данного типа занимается такой гигант мировой подшипниковой промышленности, как шведская фирма БКР. Рис. 3. Подшипник качения с АФЗ
Накопленный опыт эксплуатации в узлах бурошнекового оборудования показал, что подшипники с АФЗ обладают рядом достоинств, выделяющих их среди других технических решений в этой области:
• использование недорогих, недефицитных твердосмазоч-ных материалов (в том числе и отходов производства);
• значительный запас смазочного материала, который занимает практически полностью свободное пространство подшипника;
• низкий момент трения за счет пленкообразования;
• одновременное выполнение функции самогерметизации фрикционной зоны подшипника, определяемой малыми зазорами между отвержденным АФЗ и кольцами подшипника. Фактически АФЗ выполняет функцию двойного щелевого уплотнения при всех его вышеперечисленных достоинствах.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Комиссар А.Г. Уплотнительные устройства опор качения. — М.: Машиностроение, 1980. — 192 с.
2. Кононенко А.П. Уплотнительные устройства машин и машиностроительного оборудования. Расчет и конструирование / А.П. Кононенко, Ю.Н. Голубов. — М.: Машиностроение, 1984. — 104 с.
3. Васильев Э.А. Бесконтактные уплотнения. — М.: Машиностроение, 1978. — 158 с.
4. Тадаси К. Современные проблемы бесконтактных уплотнений. Пер. с япон. М.: ГПНТБ, № 1033, 1980. — 15 с.
5. Смазочные материалы: Справочник / Р.М. Матвеевский, В.Л. Лахши, И.А. Буяновский и др. — М.: Машиностроение, 1989. — 224 с.
6. Климов К.И. Антифрикционные пластичные смазки. — М.: Химия, 1988. — 160 с.
7. Фукс И.Г. Добавки к пластичным смазкам. — М.: Химия, 1982. — 248 с.
8. Брейтуэйт Е.Р. Твердые смазочные материалы и антифрикционные покрытия. Пер. с англ. Под ред. В.В.Спицына. — М.: Химия, 1967. — 320 с.
9. А.с. 1555558 (СССР) Подшипник качения и способ его изготовления. / Дубровский В.П., Толстов А.Е., Котурга В.П., Любимов О.В. — Опубл. в Б.И., 1990, № 13. НЗШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Маметьев Леонид Евгеньевич — доктор технических наук, профессор кафедры горных машин и комплексов,
Любимов Олег Владиславович — старший преподаватель кафедры прикладной механики, [email protected],
Дрозденко Юрий Вадимович — старший преподаватель кафедры горных машин и комплексов,
Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева.
