CC BY
34
УДК 620.178:677.042
Н.С. Пенкин, В.М. Сербин
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ ГОРНООБОГАТИТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ МЕТОДОМ ГУММИРОВАНИЯ
Приведены результаты исследования, конструирования, испытания и применения гуммированных деталей машин и оборудования в горной про-мышленности. Показано, что основным фактором, влияющим на надежность и долговечность рабочих органов машин при рудоподготовке, является их износостойкость. Показано, что повышению износостойкости способствует использование резинового покрытия (гуммирования). Теоретически обоснована и на конкретных примерах обоснована высокая эффективность этого метода.
Ключевые слова: гуммирование, резина, абразив, трение, износ, износостойкость.
На практике объектами обогащения обычно являются твердые полезные ископаемые, находящиеся в руде и предназначенные для производства черных, цветных, редких, благородных и радиоактивных металлов, химического сырья и строительных материалов.
В мире тонкому измельчению и обогащению подвергаются в год миллиарды тонн твердого и высокоабразивного материала. Количество основного оборудования, установленного в горно-пере-рабатывающих отраслях очень велико. Так, например, только на обогатительных предприятиях цветной металлургии России парк мощного и крупногабаритного оборудования составляет более 30 тыс. единиц.
Мировая наука и практика показывает, что повышение производительности труда, экономии топливно-энергетических, материальных и трудовых ресур-
DOI: 10.25018/0236-1493-2017-9-0-71-78
сов, обеспечение технического уровня и конкурентоспособности на мировом рынке продукции машиностроения зависит от эффективности, надежности и долговечности, безопасности и экологич-ности машин и механизмов.
Одной из главных задач, стоящих перед машиностроением, является повышение до оптимального уровня долговечности машин. Если повысить, например, долговечность отдельных машин на 30...40%, то это равноценно такому же увеличению их производительности, что приведет к высвобождению значительных финансовых, материальных и трудовых ресурсов. В тоже время надежность и долговечность машин чаще всего определяется потерями на трение и износом трибосопряжений. Установлено, что 80...90% отказов техники связано с износовыми отказами.
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 9. С. 71-78. © Н.С. Пенкин, В.М. Сербин. 2017.
Рис. 1. Спираль классифика и изношенный сектор футеровки (б)
Особо большие потери из-за чрезмерного износа рабочих деталей наблюдаются в горных машинах. Это, прежде всего, дробилка, гроты, шаровые и стержневые мельницы, спиральные классификаторы, гидроциклоны, флотационные машины, делители потока, сепараторы, песковые насосы и другое оборудование. Как правило, они энергоемкие, имеют большую массу и габариты, а перерабатываемое ими сырье весьма абразивное. Так, спиральные классификаторы (рис. 1, а), применяемые в горно-обогатительной промышленности, имеющие диаметр спирали до 3 м и длину спирали 18...20 м, имеют в качестве защиты спирали от абразивного износа футеровку из чугуна ИЧХ28Н2 общей массой 2...2,5 т. На рис. 1, б показан новый и изношенный сектор футеровки, срок службы которой не превышает 6 месяцев. Футеровка же для шаровых мельниц из броневой стали (110Г13Л) с массой одного комплекта 40...60 т, служит не больше 6...8 месяцев.
Следует отметить, что в последние годы во многих странах мира большое внимание уделяется трибологическим
проблемам, вредные последствия которых весьма убыточны [1]. Благодаря высокой износостойкости гуммированных деталей в абразивных средах, они широко используются в различных отраслях промышленности и, прежде всего, в горно-перерабатывающей [2].
Гуммированные детали — это детали из композитных материалов, у которых подложка или арматура предназначены для создания необходимой жесткости и прочности, а также обеспечивают посадочные места в узле. Резиновое покрытие или наполнитель из резины в межарматурном пространстве обеспечивают необходимую податливость рабочей поверхности детали. Кроме этого, гуммированные детали вследствие низкой плотности резины, имеют меньшую массу, хорошо сопротивляются коррозии, гасят шум и вибрацию в процессе эксплуатации, устраняют перекосы в сочленяемых деталях, что важно для горно-обогатительного оборудования.
Одновременно гуммированные детали в процессе эксплуатации воспринимают и передают довольно большие силовые нагрузки и, соответственно, деформируются. Поэтому напряженно-деформированное состояние и износостойкость являются основными критериями их работоспособности.
С точки зрения износостойкости гуммированные детали могут работать в гидро- или газоабразивной средах, в абразивной массе, в абразивной прослойке и при перемещении по абразивному монолиту.
В горно-обогатительной отрасли преобладает гидроабразивная среда и гидроабразивная масса. Поэтому в последние годы при конструировании оборудования, все шире используют принцип податливости. Податливость детали, общая или местная, позволяет ее рабочей поверхности приспосабливаться с неточностями геометрической формы.
В работах [4, 5] было показано, что износ высокоэластичных материалов (гуммированные детали) в потоке твердых частиц имеет релаксационную природу, которая обусловлена существование критической скорости удара и переход к наиболее опасному, квазихрупкому механизму износа резин при критических и сверхкритических скоростях ударов частиц.
При скоростях удара ниже критических, т.е. скоростях, при которых эксплуатируются большинство известных гуммированных деталей машин, износ высокоэластичных материалов также имеет релаксационную природу и происходит по усталостному механизму. Для его количественной оценки предложен [5] комплексный критерий — плотность поглощенной энергии:
е = х ■ № /V
п л к ' д
где х — коэффициент механических потерь; №к — кинетическая энергия частиц; V — деформированный объем.
Предполагается, что усталостный износ резин в потоке твердых частиц при скоростях ниже критических, является кинетическим процессом зарождения,
накопления и развития в деформированном объеме различного рода дефектов и повреждений, наличие которых характеризуется уровнем плотности поглощенной энергии.
В соответствии с предположением о связи усталостного износа с плотностью поглощенной энергии [5] безразмерная энергетическая интенсивность износа определяется по выражению:
I = /
w w
е = / ■ х ■ № /V
п ^ л к ' д
где ^ — удельный энергетический износ, который определяется аналитическим или экспериментальным путем.
Как следует из этого выражения, значительное влияние на износ материалов оказывает деформированный объем, который зависит в первую очередь от физико-механических свойств материала.
Расчеты показывают, что в случае удара частицы о сталь сила удара будет в тысячу раз больше силы удара о резину, а глубина внедрения и, надо полагать, деформированный объем у резины будет в тысячу раз больше, чем при ударе о стальную плоскость (рис. 2). Такая большая разница величины силы удара и деформированного объема, объясняется
О 2 4 6
Продолжительность удара т-10,"'сек
Рис. 2. Изменение силы удара (Fn) и глубины внедрения (h) абразивной частицы в стальное (индекс 1) и эластичное (индекс 2) полупространство в зависимости от времени удара
низким значением динамического модуля упругости резины, т.е. высокой ее податливостью.
Исследования показывают, что при ударе частицы благодаря высокой эластичности и низкому модулю упругости резины также снижаются контактные напряжения, а энергия удара рассеивается в относительно большом деформированном объеме резины.
Таков физический смысл причин, порождающих, на первый взгляд, неожиданную высокую сопротивляемость износу эластомеров по сравнению с самыми высокопрочными и твердыми материалами.
Результаты этих теоретических исследований были нами положены в основу создания высокоэффективных гуммированных изделий, которые были востребованы, прежде всего, в горно-перера-батывающей промышленности.
Исследования на тему «Проблемы изнашивания синтетических материалов в различных абразивных средах, и разработка высокоизносостойких гуммированных деталей машин» проводятся в СКФУ (бывшем политехническом институте) с 1970 г. По данной тематике работало в разные периоды времени до 35 штатных сотрудников, аспирантов, преподавателей и более 40 студентов в студенческом КБ ежегодно. Выполнялся большой объем НИР. Были проведены обширные теоретические и экспери-
ментальные исследования по изучению механизма изнашивания эластичных материалов в различных условиях силового воздействия абразива, установлению основных закономерностей изнашивания при воздействии на эластомер потока абразивных частиц, в условиях воздействия кавитации, эрозии и т.д. Результаты этих исследований обобщены в монографиях [2, 5, 6].
В лабораторных условиях были проведены сравнительные испытания и изучены основные закономерности изнашивания различных материалов (металл, резина и др.) в абразивной массе. Разработана конструкция эластичной футеровки спиральных классификаторов и проведены первые промышленные испытания в промышленных условиях (Урупский ГОК), которые подтвердили основные теоретические положения и результаты экспериментальных исследований. Износостойкость эластичной футеровки оказалась в 6 раз выше футеровки из отбеленного чугуна.
Всего за период 1971...1978 гг. была изготовлена, установлена и испытана эластичная футеровка на 14 комбинатах страны, среди которых Норильский ГМК, Алмалыкский ГМК, Садонский СЦК, Ле-ниногорский полиметалический комбинат, НПО «Якуталмаз», ПО «Апатиты» и др. Эти широкомасштабные испытания подтвердили первоначальные данные — износостойкость эластичной футеровки
Рис. 3. Сектор резиновой футеровки с гладкой рабочей поверхностью (а); гуммированная спираль классификатора (б)
Рис. 4. Элемент ребристой футеровки (а) и гуммированная спираль (б)
оказалась в 4...6 раз выше, чем из спецсплава ИЧХ28Н2 и отбеленного чугуна.
В этот период большая работа проводилась кафедрой детали машин совместно с Черкесским заводом РТИ (ныне ОАО «Черкесский завод РТИ») по освоению эластичной футеровки (рис. 3). В общей сложности было разработано 25 проектов для изделий и прессформ, которые были переданы безвозмездно заводу. В 1980 г. был начат серийный выпуск эластичной футеровки. В настоящее время ОАО «Черкесский завод РТИ» поставляет резиновую футеровку с гладкой рабочей поверхностью более чем на 50 предприятий страны, в том числе и на экспорт. Эта разработка защищена авторскими свидетельствами на изобретение (а.с. № 784915, 1978 г. и др.).
В 1985 г. была продолжена работа по дальнейшему совершенствованию резиновой футеровки с целью расширения области ее применения. В результате была разработана конструкция, изготовле-
на опытная партия и проведены опытно-промышленные испытания ребристой резиновой футеровка (рис. 4, а). Основной отличительный признак этой футеровки — наличие радиальных ребер, предназначенных для защиты от изнашивания рабочей поверхности футеровки за счет эффекта самофутерования, что позволяет использовать указанную футеровку в самых жестких условиях эксплуатации. С 1990 г. ОАО «Черкесский завод РТИ» ведет промышленный выпуск этой футеровки.
На рис. 4 показан сектор ребристой футеровки (рис. 4, а) и спиральный классификатор 2КСН-24 (рис. 4, б), оснащенный ребристой футеровкой. Эта конструкция также защищена а.с. и патентами на изобретение (патент № 1602575, 1993 г., № 2132740, 1998 г и др.).
Параллельно с выполнением этой работы выполнялась совместные исследования с Новочеркасским заводом им. А.А. Никольского с целью повышения из-
Рис. 5. Резинометаллические лопасти (а) и классификатор с гуммированной спиралью (б)
Рис. 6. Гуммированный делитель потока
носостойкости рабочих органов спиральных классификаторов малых типоразмеров (с диаметром спирали от 0,3 до 1,0 м). Эта работа успешно завершилась в 1985 г. разработкой и внедрением в промышленное производство резино-металлических лопастей и гуммированных спиралей классификаторов 1КСН-4,8 и 1КСН-7,5 (рис. 5, а, б). Конструкция также защищена авторскими свидетельствами (№ 1180071, 1984 г. и др.).
Что касается других разработок, то значительные исследования были проведены по разработке износостойких делителей потока гравитационных флото-машин (рис. 6).
Для разделения потока используются желобчатые монолитные резиновые планки 1, разделенные резиновыми втулками 2. Масса гуммированного делителя примерно в 10 раза меньше по срав-
нению с металлической конструкцией, а долговечность в 6...8 раз больше. Благодаря существенному снижению массы и оптимизации конструкции резинового делителя в значительной степени упростилось его техническое обслуживание, монтаж и демонтаж, особенно в аварийных случаях. Конструкция успешно прошла опытно-промышленные испытания и длительное время использовалась при переработке алмазосодержащих руд в НПО «ЯКУТАЛМАЗ». Конструкция также защищенными а.с.
Очень важные работы были выполнены по исследованию режимов работы и созданию новых вариантов резиновой футеровки шаровых мельниц для предприятий цветной металлургии. В результате была создана оригинальная ячейковая резиновая футеровка (рис. 7), которая в конце 80-х годов прошлого века прошла успешные опытно-промышленные испытания в условиях Урупского ГОКа.
На рис. 8 показан разработанный и испытанный на кафедре спиральный гуммированный ролик, поддерживающий транспортерную ленту. Кроме высокой износостойкости этот ролик за счет наличия левой и правой спирали осуществляет центровку ленты конвейера в процессе эксплуатации и, кроме того, выполняет очистку ленты от налипшего материала.
Рис. 7. Ячейковая резиновая футеровка
Рис. 8. Гуммированный поддерживающий ролик 76
Рис. 9. Дисковые поворотные затворы в гуммированном исполнении с D 150, 200 и 250 мм
Рис. 10. Горизонтальная бисерная мельница с гуммированными рабочим органом: 1 2 — мелющие диски; 3 — внутренняя футеровка; 4 — корпус
ротор;
На горно-обогатительных предприятиях широко используется разнообразная запорная и регулирующая арматура, в том числе, дисковые поворотные затворы. К преимуществами дисковых затворов относится небольшое гидравлическое сопротивление,техническая простота, возможность быстрой замены, малый вес и компактность. Многолетние исследования дисковых поворотных затворов, проводимые на нашей кафедре, позволили разработать и изготовить линейку гуммированные дисковых поворотных затворов (рис. 9).
В настоящее время на кафедре основное внимание уделяется изучению и созданию высокоэффективных бисерных мельниц с гуммированным рабочим органом (рис. 10). Эти мельницы обладают более высокой энергоемко-
стью по сравнению с обычными шаровыми мельницами, позволяют повысить производительность и получить более тонкий помол частиц сырья при помощи мелких мелящих тел (бисера с размером частиц 1,6...6 мм), что свидетельствует о большой перспективности данного направления научной работы.
Проводимая научная работа способствовала повышению уровня преподавания учебных дисциплин для студентов и развитию методической работы.
Для специальностей машиностроительного и механического профиля была введена новая учебная дисциплина «Основы трибологии и триботехники». В 2008 г. в издательстве «Машиностроение» вышло одноименное учебное пособие [7], которое неоднократно переиздавалось.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Трибология. Исследования и предложения. Опыт стран СНГ и США / Под ред. В. А.Бело-го, К. Лудемы, Н. К.Мышкина. — М.: Машиностроение, 1993. — 450 с.
2. Пенкин Н. С. Гуммированные детали машин. — М.: Машиностроение, 1977. — 200 с.
3. Бартенев Г. М., Пенкин Н. С. Релаксационная природа и закономерности износа резин в потоке абразивных частиц // Трение и износ. — 1980. — № 4. — Т. 1. — С. 584—592.
4. Пенкин Н.С. Энергетический подход к оценке износостойкости вы-сокоэластичных материалов в потоке твердых частиц // Трение и износ. — 1981. — № 3. — Т. 2. — С. 359—366.
5. Пенкин Н. С., Копченков В. Г., Сербин В. М., Пенкин А. Н. Гуммированные детали машин / Под ред. Н. С. Пенкина. Изд. 2-е, перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 2013. — 245 с.
6. Пенкин Н. С., Капралов Е. П., Маляров П. В. и др. Повышение износостойкости горнообогатительного оборудования / Под ред. Н. С. Пенкина. — М.: Недра, 1992. — 264 с.
7. Пенкин Н. С., Пенкин А. Н., Сербин В.М. Основы трибологии и триботехники. — М.: Машиностроение, 2008. — 208 с. птш
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Пенкин Николай Семенович1 — доктор технических наук, профессор, Сербин Виктор Михайлович1 — кандидат технических наук, доцент, e-mail: vmserbin@yandex.ru,
1 Северо-Кавказский федеральный университет (СКФУ).
ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 9, pp. 71-78.
UDC 620.178:677.042
N.S. Penkin, V.M. Serbin
ENHANCEMENT OF RELIABILITY AND DURABILITY OF MINING AND PROCESSING MACHINES BY GUMMING
The results of the research, design, testing and application of rubberized parts of machinery and equipment in the mining of Industry. It is shown that the main factor affecting the reliability and durability of working bodies at the ore preparation machines is their durability. It is shown that increase wear resistance contributes to the use of a rubber coating (gumming). Theoretically substantiated and specific examples proved the high effectiveness of this method.
Key words: rubber lining, rubber, abrasive, friction, wear, abrasion resistance.
DOI: 10.25018/0236-1493-2017-9-0-71-78
AUTHORS
Penkin N.S.1, Doctor of Technical Sciences, Professor,
Serbin V.M.1, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, e-mail: vmserbin@yandex.ru, 1 North-Caucasus Federal University, 355009, Stavropol, Russia.
REFERENCES
1. Tribologiya. Issledovaniya i predlozheniya. Opyt stran SNG i SShA. Pod red. V. A.Belogo, K. Lude-my, N. K.Myshkina (Tribology. Research and proposals. Experience of CIS countries and USA. Belyy V. A., Ludema K., Myshkin N. K. (Eds.)), Moscow, Mashinostroenie, 1993, 450 p.
2. Penkin N. S. Gummirovannye detali mashin (Gummed parts of machines), Moscow, Mashinostroenie, 1977, 200 p.
3. Bartenev G. M., Penkin N. S. Trenie i iznos. 1980, no 4, vol. 1, pp. 584—592.
4. Penkin N. S. Trenie i iznos. 1981, no 3, vol. 2, pp. 359—366.
5. Penkin N. S., Kopchenkov V. G., Serbin V. M., Penkin A. N. Gummirovannye detali mashin. Pod red. N. S. Penkina. Izd. 2-e (Гуммированные детали машин. Penkin A. N. (Ed.), 2nd edition), Moscow, Mashinostroenie, 2013, 245 p.
6. Penkin N. S., Kapralov E. P., Malyarov P. V. Povyshenie iznosostoykosti gorno-obogatitel'nogo ob-orudovaniya. Pod red. N. S. Penkina (Improvement of wear resistance of mining and processing equipment. Penkin A. N. (Ed.)), Moscow, Nedra, 1992, 264 p.
7. Penkin N. S., Penkin A. N., Serbin V. M. Osnovy tribologii i tribotekhniki (Basic tribology and tribo-technique), Moscow, Mashinostroenie, 2008, 208 p.
