CC BY
31
УДК 621.822.6; 621.892.09
Д.В. Терентьев, С.И. Платов, Ю.В. Жиркин, Е.И. Мироненков
РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ СМАЗЫВАНИЯ ПОДШИПНИКОВЫХ УЗЛОВ СЛЯБОВЫХ МАШИН НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ЗАГОТОВОК
D.V. Terentiev, S.I. Platov, Yu.V. Zhirkin, E.I. Mironenkov
DEVELOPMENT OF RATIONAL MODES OF LUBRICATION OF BEARING UNITS SLAB CONTINUOUS CASTING MACHINES
В статье рассматриваются вопросы прогнозирования режима трения в контакте подшипниковых узлов роликовой проводки машины непрерывной разливки слябов в зависимости от типа смазочного материала, способа его доставки в узел трения и технологических параметров процесса литья. СМАЗОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ; ПОДШИПНИКОВЫЙ УЗЕЛ; СИСТЕМА СМАЗЫВАНИЯ «МАСЛО-ВОЗДУХ».
The purpose of the work is the prognosis of friction mode in rolling contact of bearing units of roll guide slab continuous casting machine in dependence of lubricant type, method of its delivery to friction unit and technological parameters of casting.
LUBRICANT; THE BEARING ASSEMBLY; LUBRICATION SYSTEM «OIL-TO-AIR».
За сравнительно короткий период времени способ непрерывного литья заготовок получил широкое распространение в сталеплавильном производстве, коренным образом изменив процесс разливки и все металлургическое производство. Около 80 % мировой выплавки стали разливается на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Большие мощности кислородно-конвертерного цеха (ККЦ) требуют высокопроизводительных машин непрерывного литья заготовок для производства слябов. Проблемы повышения производительности решаются увеличением скорости литья и коэффициента использования. Стойкость подшипниковых опор роликовых секций напрямую влияет на коэффициент использования.
Прочность корочки слитка, выходящего из кристаллизатора, невелика, и поэтому для предупреждения ее выпучивания и разрыва за кристаллизатором устанавливают неприводную роликовую проводку, снабженную продольными и поперечными роликами, расположенными на-
против четырех граней слитка. Как было уже отмечено, в первом этапе исследования на всех четырех МНЛЗ установлены по две неприводные роликовые проводки с шарикоподшипниками № 212 (на МНЛЗ № 1, № 4) и роликоподшипниками № 76-180512 (на МНЛЗ №2, № 3). К неприводной роликовой проводке (ее часто называют неприводной, или холостой, роликовой секцией) предъявляются определенные требования, вытекающие из частых прорывов жидкого металла и необходимости точного расположения роликов по отношению к технологической оси машины, а именно: простота конструкции, высокая точность установки и возможность ее регулирования (±0,3 мм), возможность быстрой замены (не более 90 мин). Ниже неприводных проводок установлены приводные роликовые проводки, предназначенные для предупреждения выпучивания корочки слитка, для перемещения слитка вдоль технологической оси машины и его выпрямления (правки). На МНЛЗ № 1 и № 4 — по 11 приводных роликовых секций,
а на МНЛЗ № 2 и № 3 — по 9 приводных роликовых секций с различными двухрядными сферическими роликоподшипниками.
К приводной роликовой проводке предъявляются следующие требования, вытекающие из наличия жидкой фазы в слитке и условий работы машины:
вытягивание слитка должно осуществляться с возможно наименьшими усилиями на корку со стороны роликов;
перегрузки роликов при вытягивании и разгибании охлажденного слитка и пропуске наплывов на его поверхности должны быть сведены к минимуму;
конструкция проводки должна обеспечивать уборку остывшего слитка кусками не менее трех метров в случае возникновения аварии и замену секции в кратчайшее время.
На пути движения в роликовой проводке слиток подвергается интенсивному охлаждению водой, подаваемой форсунками.
Высокие температуры и вода оказывают влияние на уплотнительные узлы подшипниковых опор роликов в роликовых секциях, что приводит к нарушению требований, предъявляемых к роликовым проводкам. Выполнить данные требования возможно лишь при соблюдении технологического процесса и достаточного смазывания подшипниковых опор смазочным материалом.
Приняв допущение о том, что в зоне контакта подшипников качения работает минеральное масло (составляющая часть пластичного смазочного материала), можно рассчитать толщину масляной пленки в зоне контакта.
Угол действия нагрузки в подшипниках роликовых секций составляет 8—20°.
Известно [1, 2], что в условиях контактноги-дродинамической смазки существенное влияние на перераспределение гидродинамического давления оказывает параметр скорости — и :
и=Пи.
ЕЯ
(1)
частом срабатывании смазочных питателей от работы централизованных станций в автоматическом режиме ведет к более высоким контактным напряжениям, а это снижает срок службы подшипника. Так повышение контактных напряжений в 1,13 раза в соответствии с зависи-
мостью Ь =
( С
10
ведет к снижению долговеч-
ности Ь подшипника в 1,5 раза.
В связи с этим для снижения параметра скорости необходимо понижать класс вязкости смазочного материала. Но одновременно необходимо обеспечить в подшипнике качения возможность реализации режима эластогидро-динамической смазки.
Нагрузку на каждый ролик подшипника и угол зоны нагружения подшипника определяем по следующей формуле [3]:
бшах1
1 - - ^ ^
(2)
где — нагрузка на тело качения ряда 1 в положении , кН; 0шах — нагрузка, воспринимаемая наиболее нагруженным телом качения (ролик), кН; е — коэффициент, 8 = 0,5 ; — угол зоны нагружения для /-го ряда роликов; п — коэффициент, п = 1,5 — при точечном, п = 1,11 — при линейном контактах.
Угол зоны нагружения для /-го ряда роликов определяем по формуле
= агсс°8 (1 - 2е) = ±90°. (3)
Угол между соседними роликами одного ряда определяем по формуле
360°
Ау = :
I
(4)
Следовательно, в данном случае только изменение вязкости ведет к изменению параметра скорости и, а именно к его повышению с ростом вязкости минерального масла. Это в свою очередь приводит к росту пика давления на контакте и к снижению ресурса подшипников. Повышенная вязкость смазочного материала при
где I — число тел качения в одном ряду подшипника.
Нагрузка, воспринимаемая наиболее нагруженным телом качения, для всех рядов подшипника будет одинакова и определяется по формуле [3]
е =. р
г1р с°б а
(5)
где Р — нагрузка, действующая на подшипник ролика роликовой секции, Р = 30 кН; /— числовой коэффициент, для двухрядных подшипников качения / = 0,4577 ; а — угол контакта ролика с дорожкой качения, а = 12°.
Q кН
По формуле (5) рассчитана нагрузка, действующая на каждый ролик зоны нагружения. Получен следующий результат:
±¥(>°...............
7,5.........................9,18
15..........................8,75
22,5.......................8,21
30..........................7,50
37,5.......................6,57
45..........................5,53
52,5.......................4,41
60..........................3,29
67,5.......................2,20
75..........................1,22
82,5.......................0,44
90..........................0,00
Толщина масляной пленки определяется из зависимости
Л0'7^ 0,6 0,4 -0,15
h = 3,17 (по^Г5 а °'6рПр4 </Н
(6)
где к0 — толщина смазочного слоя в точке, в которой градиент давления равен нулю, м; п0 — динамическая вязкость масла при атмосферном давлении и рабочей температуре, Пас; и, — суммарная скорость качения на контакте, м/с; а — пьезокоэффициент вязкости смазочного материала, МПа1; а = 0,02 МПа1; рпр — приведенный радиус кривизны поверхностей трения, м; дн — нагрузка на единицу длины линии контакта, Н/м;
и, А(1 ^) (7)
где Б0 — средний диаметр подшипника, м; п — частота вращения внутреннего кольца подшипника рабочего валка, об/мин; п7 = 1 об/мин; у — приведенный коэффициент радиуса кривизны;
(8)
Dw
Y=—— cos а;
Do '
Dw — диаметр ролика, м.
Смазочный материал — Униол 2М; класс вязкости базового масла — 220.
Необходимую вязкость при температурах To = 40 °С, To = 60 °С, To = 90 °С определяем, по зависимости
(
По =Пэ
T
sn
(9)
V о /
где пэ — эталонная динамическая вязкость масла при атмосферном давлении; п — коэффици-
ент, зависящий от вязкости смазочного материала, п = 2,92; Т0 — объемная температура подшипникового узла, °С; Тэ — температура, при эталонной вязкости масла, °С; к — температурный коэффициент, к = 1,1—1,8.
Анализ расчетных значений динамической вязкости при атмосферном давлении и рабочей температуре показывает, что толщина масляной пленки в подшипниках качения в зоне контакта наиболее нагруженного ролика для различных температур Т0 — 40, 60 и 80 °С — составляет соответственно 1,15; 0,8: 0,4 мкм.
В процессе эксплуатации в подшипниковые узлы проникают вода, механические примеси (окалина) и высокие температуры, в результате чего пластичный смазочный материал меняет свойства [4].
При эксплуатации машин непрерывного литья заготовок вода является неотъемлемой частью, так как необходимо проводить постоянное охлаждение слябов и роликов в роликовых секциях.
Были обследованы 50 блоков, в которых произошло заклинивание роликов. Результаты мониторинга данных роликов показали, что водяные каналы засорены, соответственно проток воды через корпус средней опоры затруднен и смазочный материал отсутствует в 20-ти % случаев из-за засоренности смазочных магистралей или их разрушений; в более чем 50 % обнаружено значительное обводнение и загрязнение пластичного смазочного материала.
Для того чтобы проанализировать причины попадания воды, пыли, механических частиц, необходимо проследить путь смазывания (подачи смазочного материала) в подшипниковые узлы опор роликовых секций.
От централизованных станций, которые установлены в отдельных маслопомещениях для каждой МНЛЗ, пластичный смазочный материал поступает к блокам питателей. Периодичность включения станции — 30 мин.
После прохождения блока питателей смазочный материал поступает в подшипниковые узлы роликовых секций, где и происходит основной процесс охлаждения водой.
Эксплуатация централизованных станций осуществляется на пластичном смазочном материале Униол-2М, изготовленном по техническим условиям ТУ 38.5901243—92 и предназначенном для применения в узлах трения металлургиче-
ского оборудования с системами централизованного смазывания. Основные эксплуатационные характеристики этого пластичного смазочного материала — высокая термостойкость, хорошие противозадирные характеристики, прокачивае-мость и работоспособность при температуре от -30 до +160 °С
С использованием тепловизора «ТНЕЯМО-КАМ Р60» были произведены замеры температур на смазочных магистралях от блоков питателей до подшипниковых узлов роликовых секций.
Результаты исследования показали, что температура свыше 150 °С наблюдается на роликах и подшипниковых узлах первых шести секций. В свою очередь температура свыше 150 °С оказывает негативное влияние на работу всего оборудования МНЛЗ, разрушая уплотнительные узлы подшипниковых опор и способствуя интенсивному старению пластичного смазочного материала, как уплотнительного (там, где используются закрытые подшипники качения), так и непосредственно эксплуатационного Уни-ола 2М. В таблице представлены реологические и физико-химические свойства пластичного смазочного материала Униол 2М
Из таблицы видно, что наиболее подходящий материал для смазывания роликовых секций от централизованной станции — Униол 2М/2, так как известно, что при повышении температуры динамическая вязкость пластичного смазочного материала повышается, а не понижается, как у жидких смазочных материалов.
Однако высокие внешние температуры отрицательно влияют как на Униол 2М/1, так и на Униол 2М/2. Они, приводя к закоксованию смазочных трубопроводов, затрудняют прока-чиваемость и снижают стойкость подшипников качения, так как в зоне контакта вязкость базового масла резко снижается, и, как следствие, снижается толщина масляной пленки, а под-
шипники качения работают в режиме сухого трения.
Таким образом, закоксованный смазочный материал способствует разрушению трубопроводов и подшипниковых узлов изнутри, а вода и высокие температуры способствуют их разрушению снаружи, и все это приводит к попаданию в подшипниковые узлы воды, пыли и механических примесей, снижая тем самым реологические и физико-химические свойства пластичных смазочных материалов.
Проверка адекватности полученных результатов осуществлялась на специально разработанной лабораторной установке для моделирования процессов, протекающих в подшипниках качения, а также в условиях кислородно-конвертерного цеха ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» на подшипниковых узлах роликовых секций МНЛЗ.
По результатам проведенных теоретических исследований разработаны режимы смазывания подшипниковых узлов роликовых секций МНЛЗ при использовании системы смазывания типа «масло — воздух». По результатам теоретических и экспериментальных исследований предложено: осуществлять эксплуатацию системы «масло — воздух» на смазочном материале классом вязкости не ниже 460;
при использовании смазочного материала класса вязкости 460 увеличить период его нагнетания в смесительный модуль до 30 сек;
при использовании смазочного материала класса вязкости 680 увеличить период его нагнетания в смесительный модуль до 45 сек;
поддерживать давление воздуха в системе в диапазоне 0,2-0,4 атм.
Использование предложенных режимов позволяет снизить износ подшипников и повысить стойкость подшипниковых опор в целом.
Анализ полученных данных показал, что использование пластичного смазочного материала
Реологические и физико-химические свойства пластичного смазочного материала Униол 2М
Наименование Температура каплепадения, °С Пенетрация при 25 °С, х10-1мм Предел прочности при 20 °С, Па Вязкость при 0 °С и 10с-1, Па-с, (не более) Коллоидная стабильность, % (не более) Работоспособность, °С
Униол-2М/1 >200 280-360 250-450 800 7 (-40)-(+160)
Униол-2М/2 >205 330-380 >410 110 12 (-30)-(+160)
в подшипниковых узлах МНЛЗ приводит к частому заклиниванию роликов из-за закоксовывания смазки. Наиболее перспективным техническим
СПИСОК Л
1. Бейзельман Р.Д., Цыпкин Б.В., Перель Л.Я.
Подшипники качения. Справочник. Изд. 6-е, пере-раб. и доп. М.: Машиностроение, 1975. 572 с.
2. Перель Л.Я. Подшипники качения: Расчет, проектирование и обслуживание опор. М.: Машиностроение, 1983. 543 с.
3. Перель Л.Я., Филатов А.А. Подшипники качения: Расчет, проектирование и обслуживание опор. М.: Машиностроение, 1992. 608 с.
4. Мироненков Е.И., Жиркин Ю.В., Дудоров Е.А. Исследование изменения свойств смазочного мате-
решением для устранения вышеперечисленных недостатков является, на наш взгляд [5], внедрение систем смазывания типа «масло — воздух».
риала в подшипниковых узлах рабочих валков чистовой группы клетей стана 2000 горячей прокатки ОАО «ММК» // Материалы 64-й научно-технической конференции : сб. докл. / Магн. гос. техн. ун-т. Магнитогорск, 2005. С. 277-279.
5. Мироненков Е.И., Жиркин Ю.В., Дудоров Е.А., Резванов С.Б. Влияние вязкости минеральных масел на температурный режим подшипниковых узлов рабочих валков прокатных станов // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова, 2006. № 1. С 58-60.
REFERENCES
1. Beyzelman R.D. Typkin B.V., Perel L.Y. Podshipni-ki kattheniya.Spravothnik. Izd. 6-e, pererab. i dop. Moscow: Mashinostroenie, 1975. 572 s. (rus.)
2. Perel L.Ya. [Bearings: Calculation, design and maintenancetion supports]. Moscow: Mashinostroenie, 1983. 543 s. (rus.)
3. Perel L.Y., Filatov A.A. [Bearings: Calculation, design and service support]. Moscow: Mashinostroenie enie, 1992. 608 s. (rus.)
4. Mironenkov E.I., Zhirkin Ju.V., Dudorov E.A. Issle-dovanie izmenenija svojstv smazochnogo materiala v pod-
shipnikovyh uzlah rabochih valkov chistovoj gruppy kletej stana 2000 gorjachej prokatki OAO «MMK». Materialy 64-j nauchno-tehnicheskoy konferencii: sb. dokl. / Magn. gos. tehn. un-t. — Magnitogorsk, 2005. S. 277-279. (rus.)
5. Mironenko E., Zhirkin Y., Dudorov E., Rezvanov S. Vliyanie vyazkosti mineralnikh masel na temperaturniy regim podchipnikovykh uzlov rabotchikh valkov prokat-nykh stanjv. [The effect of viscosity of mineral oils in the temperature regime of bearing units of work rolls of rolling mills]. Vestnik MGTU imeni G. Nosov. 2006. № 1. S. 58-59. (rus.)
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
ТЕРЕНТЬЕВ Дмитрий Вячеславович — кандидат технических наук доцент кафедры машин и технологий обработки давлением ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»; e-mail:ktnterentyev@mail.ru
ПЛАТОВ Сергей Иосифович — доктор технических наук заведующий кафедрой машин и технологий обработки давлением ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»
ЖИРКИН Юрий Васильевич — кандидат технических наук профессор кафедры механического оборудования металлургических заводов ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»
МИРОНЕНКОВ Евгений Иванович — кандидат технических наук доцент кафедры механического оборудования металлургических заводов ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»
AUTHORS
TERENT'EV Dmitrii V. — Magnitogorsk State Technical University named by Nosov G.I., Russia PLATOV Sergey I. — Magnitogorsk State Technical University named by Nosov G.I., Russia ZhIRKIN Yuriy V. — Magnitogorsk State Technical University named by Nosov G.I., Russia MIRONENKOV Evgeniy I. — Magnitogorsk State Technical University named by Nosov G.I., Russia
© Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2014
