CC BY
22
УДК 671.791.5
А. Г. Яковлева, д-р техн. наук Г. И. Камель Национальный технический университет, г. Запорожье
ОСОБЕННОСТИ ИЗНОСА КОНИЧЕСКИХ ТРИБОСИСТЕМ В УСЛОВИЯХ СКОЛЬЖЕНИЯ, СМАЗКИ И ВИБРАЦИИ
Рассмотрены закономерности износа двух участков конической трибосистемы: 1-й участок - 20 % всех поверхностей, которые выполняют функцию каркаса и обеспечивают автономную работу двух секций питателя и 2-й участок - 80 % всех поверхностей, состоящих из двух секций, которые выполняют функции загрузочного устройства и функции запорного устройства.
Ключевые слова: конусность, износ, компенсация зазора, амплитуда, вибрация, скольжение, смазка.
Введение
Начиная с 1949 года использование конических трибосистем (КТС) в качестве загрузочного устройства варочного котла, находящегося под высоким давлением (1,2МПа), древесной щепой с помощью щелочи (температура 160 °С) показали высокую эффективность. Они обеспечивают работу варочного котла в автоматическом режиме, непрерывно в течении года. Такие установки, их более 500 штук в мире (75 в России, 150 в Америке) вырабатывают более 85 % целлюлозы, из которой изготавливается писчая бумага [1, 2].
В технической литературе отсутствует информация, каким видом износа подвергаются рабочие поверхности питателей КТС, каким образом они влияют на эксплуатационную надежность, срок службы и ремонт-нопригодность деталей питателя КТС.
Анализ работ [1, 2] показал, что условно все конические сопрягаемые поверхности ,вращающегося ротора и неподвижного корпуса питателя КТС можно разделить на два характерных участка.
1-й участок - основание и средние перемычки ротора и корпуса (20 конических поверхностей). Их назначение:
1) они являются каркасом, на котором крепятся две секции ротора и корпуса;
2) средние перемычки ротора и корпуса разделяют секции и обеспечивают их автономную работу;
3) основание ротора и корпуса ограничивают секции по бокам и сохраняют в них необходимый перепад давления 1,2 МПа.
2-й участок - две секции ротора и корпуса (на них приходится 80 % всех рабочих конических поверхностей), и они выполняют функции:
1) загрузка гидросмеси через окна корпуса и сквозные карманы вращающегося ротора в вертикальной плоскости гидросмеси;
2) выгрузка гидросмеси через окна корпуса и сквозные карманы вращающегося ротора в горизонтальной плоскости гидросмеси. На окна загрузки и выгрузки ротора и корпуса приходится 40 % всех конических поверхностей.
3) запорные функции выполняют четыре сектора конических поверхностей питателя КТС и (на них приходится 50 % поверхностей), расположен диаметрально и разделенны окнами загрузки и выгрузки.
Цель и задачи
Целью исследований является получить распределение износа по рабочим поверхностям деталей питателя и установить общие закономерности износа и их влияние на надежность, срок службы и ремонтнопри-годность питателя КТС.
Решение задачи
Для решения поставленных задач использовались действующие промышленные установки типа Камюр, на которых после эксплуатации и разборки питателей определяли геометрические размеры всех участков ротора и корпуса, величину износа. Величину износа по коническим поверхностям ротора и корпуса определяли с помощью индикатора часового типа, устанав -ливаемого на суппорте (замеры износа ротора) и карусельном станке (замеры износа корпуса) с точностью + 0, 005 мм. Экспериментальный материал был собран и обработан на более чем пятидесяти деталей питателя, производительностью 500 т/сутки на разных предприятиях [1, 2].
На основании проведенных исследований на рис. 1 построены индикаторные рисунки износа в аксонометрии для двух характерных участков ротора. Из рисунка видно, что износ ротора существенно влияет на формирование зазора в питателе между корпусом и вращающимся ротором.
На первом и втором участках ротора величина зазоров в питателях КТС с учетом таблицы 1 можно выразить математической зависимостью
51 =50+К1т+Лд-К/2 = 100+2,3-1+1000201-2 = 2,3; (1)
82 = 80 + К2 - т3 +(р2 + К2- т)/2 = 100 + 3,2-13 -= 3,2, (2)
20 - 2
где 81 и 52 - величина зазоров индикаторных рисунков на 1-м и 2-м участках ротора в любой момент вре-
© А. Г. Яковлева, Г. И. Камель, 2010
мени, мкм; 50 - исходная средняя величина зазора в питателе перед эксплуатацией; К и К^ - коэффициент пропорциональности линейной зависимости и кубической параболы третьего порядка; мкм; т - время эксплуатации питателя между компенсациями зазора, сутки; Ар ^, Ар2 - амплитуды колебания на соответствующих участках ротора до и после эксплуатации; мкм; К = 1/20 - конусность ротора.
Рассмотрим составляющие величины, входящие в формулы (1) и (2).
1. Исходная средняя величина зазора в питателе перед эксплуатацией
Эта величина зазора зависит от следующих факторов: 1) от величины и времени приработки деталей питателя; 2) от протечек щелочи, поступающих в питательную трубу и определяющих высоту уровня щелочи в ней и 3) от нагрузки на привод ротора.
С учетом этих факторов величина зазора должна быть минимальной с одной стороны и иметь минимальную нагрузку на привод ротора. Эта величина (табл. 1) достигает 80 =100 мкм.
2. Характер кривых износа при эксплуатации
Опыт эксплуатации показывает, что на 1-м участке ротора величина износа описывается по линейному закону. Коэффициент параболы для сопрягаемых материалов монель-металл-1Х13 равна К1 = 2,3 (табл. 1).
Во втором случае антифрикционная пара монель-металл-1Х13 менее износостойкая и быстрее изнашивается. Это явление положительное, так как при этом меньше вероятность возникновения явлений заклинивания, заедания и схватывания ротора относительно корпуса при выполнении компенсации зазора.
Характер кривых износа на 2-м участке ротора описывается параболами 3-го порядка и зависит от используемых материалов. Для материалов монель-ме-талл-1Х13 (табл. 1) коэффициент пары К2 = 3,2; для материалов 40Х13-1Х13 - К2 =1,6; во втором случае износостойкость материалов выше, чем в 1-м случае и, следовательно, величины износа будут меньше, а срок службы питателя будет больше.
Рис. 1. Зависимость изменения зазора в питателе КТС в зависимости от:
1) индикаторных рисунков износа ротора; 2) амплитуды осевого перемещения ротора (Ар) и 3) времени работы питателя КТС (т ,сутки); 1-й участок - индикаторные рисунки износа на основаниях и средних перемычках ротора; 2-й участок - индикаторный рисунок износа ротора в двух секциях питателя между окнами
1607-6885 Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні №1, 2010
127
Таблица 1 - Изменение физических величин в питателе КТС в зависимости от времени работы при частоте вращения п = 5 мин-1
Физические характеристики: числитель - основания и средние перемычки деталей (1), знаменатель - конические поверхности между окнами деталей (2) Время работы питателя КТС, т, сутки
1 2 3 4 5
Материалы: 1. (Монель-металл)-1Х13 / 2. (Монель-металл)-1Х13
1.1 Исходный зазор в питателе, 80 , мкм 100 100 - - - -
1.2 Увеличение износа в процессе работы: стмз = к' т = 2,3 • т = 2,3-1 = 2,3 мкм 2,3 3,2 4,6 192 6,9 86,4 9,2 11,5 400
ст2, = к1 -т3 = 3,2-т3 = 3,2• 13 = 3,2 мкм 204,8
1.3 Полная величина зазора в питателе 81 50 + 5Ц, мкм 8 2 52 +82 мкм 2 и0 ^ ииз 25 25 31.25 31.25 37.5 37.5 43.75 43.75 50 50
1.4 Величина амплитуды осевого перемещения ротора, Ар, мкм Ар = Ар1 + кц -т = 1000 + 250-т Ар = Ар2 + к22 - т 1000 1000 1250 1250 1500 1500 1750 1750 2000 2000
1.5 Увеличения зазора от гидроударов, 51р!5р , мкм/мкм 5Р = АР-|=1250-2^Т=25 5Р = =1250-2(1-2 = 25 25 25 31.25 31.25 37.5 37.5 43.75 43.75 50 50
1.6 Разность зазора между 2-м и 1-м участками деталей КТС, А = 5 2 -51, мкм 0,9 14,6 79,5 195,6 388,5
Уровень щелочи в питательной трубе, Н, мм 0,6 0,75 0,9 1,05 1,2
Нагрузка на привод ротора, Аа, А 18-20 18-20 18-20 18-20 18-20
Компенсации критического зазора (ККЗ) 2.1 Осевые перемещения ротора, Пр , мкм 2000 2000 2000 2000 2000
2.2 Уменьшение зазора при ККЗ, мкм К 1 Sкк, = Я- - = 2000 = 50 ккз р 2 40 - - - - 50
2.3 Уменьшение зазора на участках 1 и 2 КТС 38,5
А1 = 5и, -Аккз = 11,5-50 = -38,5 мкм -38,5
А 2 =52 -А ккз = 400 - 50 = 350 мкм 350
2.4 Нагрузка на привод ротора, Ар, А 85-90
3.5 ПМТКЗ Осевое перемещение ротора, Ар, мкм Уменьшение зазора в питателе, мкм Нагрузка на привод ротора, А 250 6,25 18-22 - - - -
Материалы: 1. (Монель-металл)-40Х13 / 2. 40Х13-1Х13
3.1 Исходная величина зазора в питателе, 80 , мкм 100 100 - - - -
3.2 Увеличение износа в процессе работы: аи3 = к' т = 11,8' т = 11,8 -1 = 11,8 мкм °2з = к2-т3 = 1,6-т3 = 1,6-13 = 1,6 мкм 11,8 1,6 23,6 12,8 35,4 43,2 47,2 102,4 59 200
3.3 Полное увеличение зазоров питателя: 8, 80 + 8^3 мкм . 82 80 + 8^ мкм ’ 111,8 101,6 123,6 112,8 135,4 143,2 147,2 202,4 159 300
8Х % 82 % 100 100 110,5 111,0 121,1 140,9 131,6 199,2 142.2 295.2
3.4 Величина амплитуды осевого перемещения ротора Ар = Ар1 + кц - т = 1000 +150- т Ар = Ар2 + к22 - т = 1000 +150- т 1000 1000 1150 1150 1300 1300 1450 1450 1600 1600
3. Величина амплитуды осевого перемещения ротора
Согласно работ [1, 2, 3] в карманах вращающего ротора возникают гидравлические удары, которые обуславливают осевые колебания ротора. Колебания ротора после приработки деталей питателя КТС достигают 1000 мкм. После эксплуатации величина колебаний, в зависимости от используемых материалов на
2-м участке ротора, достигает величины Ар1 = 2000 мкм и Ар2 =1600 мкм. Амплитуда осевых колебаний ротора зависит от износостойкости сопрягаемых материалов на 1-м участке основной и средней перемычек ротора и корпуса и не зависит от износостойкости материалов на 2-м участке ротора и определяется по формуле:
А1р = Ар1 + К11 -т = 1000 + 250-1 = 1250; (3)
А2 = Ар2 + К22 - т = 1000+250- 1 = 12250. (4)
4. Величина амплитуды изменения величины зазора от гидроударов зависит от амплитуды осевого ко -лебания ротора и используемой конусности
51р = 44 = 1250- 202 = 25' (5)
5р = А2р - К = 1250- ^ = 25. (6)
5. Разность величины зазора на участках 2 и 1 определяется по формуле:
Б = 5р-5р = (Ар + К22- т)-К-(Ар ■ К22=
= К (22 - Кц)т (7)
и зависит от разности коэффициентов пропорциональности кривых износа.
Из анализа разности величин зазора на участках 2 и 1 видно, что в начале эксплуатации эти величины положительны для материала 1. Монель-металл-40Х13 (2. Монель-металл-40Х13) и отрицательны для материала 1. Монель-металл-1Х13(2.40Х13-1Х13).Сочета-ние материалов во втором случае более благоприятно, так как в первые сутки эксплуатации износ по основаниям и средним перемычкам больше, чем по секциям и, следовательно, явления заклинивания, схватывания и заедания ротора относительно корпуса на этих участках мало вероятно.
6. Уровень щелочи в питательной трубе (табл. 1) возрастает пропорционально величине зазора. Это объясняется ростом протечек щелочи, поступающих из питателя КТС в питательную трубу При этом нагрузка на привод ротора сохраняет свои значения постоянными и колеблется в пределе Аа =1 8.. .20 А.
7. Компенсация зазора. При компенсации критического зазора (ККЗ) осуществляется осевое перемещение ротора на два деления, 2 мм (2000 мкм). При этом происходит уменьшение зазора на величину
Sккз = Пр-К = 2000- ^ = 50, (8)
где SККЗ - величина компенсации критического зазора (ККЗ).
При этом величина зазора на первом участке ротора (табл. 1) и износостойкость материала уменьшается согласно уравнению на величину:
А1 = 5и\ -АККЗ =11,5 - 50 = -38,5. (9)
Отрицательный знак износа деталей КТС на 1-м участке показывает, что для того чтобы уменьшить зазор на 1-м участке ротора по 50 мкм необходимо принудительно, в течении нескольких минут износить сопрягаемую поверхность ротора при выполнении очередных компенсаций зазора.
Такой вид компенсации зазора сопровождается явлениями заклинивания, схватывания и заедания, вращающего ротора относительно корпуса, а это приводит к снятию питателя с эксплуатации.
При этом возрастет нагрузка на привод ротора в 4.4,5 раза. Использование схемы ККЗ вынудило производственников увеличить мощность двигателя привода с 8 кВт до 40 кВт и более, что привело к частым разрушениям цапф ротора.
Для устранения перечисленных недостатков была разработана и внедрена в производство принудительная микротолчковая компенсатора зазора (ПМКТКЗ). Суть ее состоит в том, что компенсация зазора выполняется не один раз в 5-7 суток на величину 50 мкм, а один раз в сутки на величину 6,25 мкм (осевое перемещение ротора на 250 МКМ или поворот маховика
присадки ротора на 90 градусов (14 часть оборота).
При этом нагрузка на привод ротора практически не возрастает (показания амперметра изменяются от 1820 до 20-22 А).
Использование менее износостойких материалов замена 40Х13 на 12Х18Н10Т позволяет существенно увеличить износ на 1-м участке (основания и средних перемычки) ротора за 5 дней эксплуатации до 50 мкм и при последующей ККЗ снизить явление самозакли-нивания, схватывания и заедания ротора относительно корпуса.
Выводы
1. Установлено, что все конические поверхности ротора и корпуса питателя КТС по величине и механизму износа можно разделить на два участка: 1) основания и средние перемычки ротора и корпуса - на их долю приходится 20 % всех конических поверхностей; 2) конические поверхности ротора и корпуса по длине окружности между окнами и по образующей,
ISSN 1607-6885 Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні №1, 2010
129
между основаниями и средней перемычкой ротора и корпуса - на их долю приходится 80 % конических поверхностей.
2. Износ на 1-м участке ротора и корпуса на порядок меньше, чем на 2-м участке, а величина износа зависит от: 1) скорости скольжения ротора относительно корпуса; 2) изменения зазора в питателе; 3) концентрации абразивных частиц в щелочи; и 4) расхода и скорости прохождения протечек щелочи через вибрирующий зазор и зависит от срока службы в первой степени.
3. Основание и средние перемычки ротора и корпуса подвергают вибро-гидро-абразивному износу, величина которого зависит от: 1) скорости скольжения; 2) концентрации абразивных частиц в щелочи;
3) амплитуды возвратно-поступательного перемещения щелочи в вибрирующем зазоре и 4) бокового избыточного давления щелочи в зазоре.
4. Срок службы питателя КТС зависит от износостойкости используемых материалов на 2-м участке, а надежность компенсации зазора зависит от антифрикционных характеристик материала на 1-м участке ротора и используемых материалов при ремонте.
5. Использование менее износостойких материалов на основаниях и средних перемычках, например, 1Х13 взамен 40Х13 позволяет существенно облегчить процесс компенсации зазора. И, следовательно, надежность работы питателя.
Перечень ссылок
1. Камель Г. И. Роторные питатели установок непрерывной варки целлюлозы / Г. И. Камель. - М. : Лесная промышленность, 1987. - 160 с.
2. Нечаев Г. И. Повышение надежности и продуктивности загрузочных устройств непрерывной варки целлюлозы и полуцеллюлозы / Г. И. Нечаев, Г. И. Камель. -Луганск : Изд-во СНУ им. В. Даля, 2005. - 392 с.
Одержано 13.02.2009
A. G. Yakovleva, G. I. Kamel
FEATURES OF CONICAL TRIBOSYSTEM WEAR IN THE CONDITIONS OF SLIDING,
GREASING AND VIBRATION
Розглянуто закономірності зношування двох ділянок конічної трібосистеми: 1-а ділянка - 20 % всіх поверхонь, які виконують функції каркаса і забезпечують автономну роботу двох секцій живильника і 2-а ділянка - 80 % всіх поверхонь, що складаються з двох секцій, які виконують функції завантажувального пристрою і функції запорного пристрою.
Ключові слова: конусність, зношування, компенсація зазору, амплітуда, вібрація, ковзання, змащування.
Wear regularities of two areas of conical tribosystem are considered: the 1st area is 20 % of all surfaces, which execute the functions of framework and provide autonomous work of two feeder sections and 2nd area is 80 % of all surfaces, consisting of two sections which execute the functions of load device and function ofplug-forming device.
Key words: cone, wear, compensation of gap, amplitude, vibration, sliding, greasing.
