Стендовые и опытно-промышленные испытания уплотнений для горной техники Севера Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

© М.Д. Соколова, B.B. Портнягина, H.B. Шадринов, A.A. Христофорова, М.Л. Давыдова, 2013

УДК 678.742.2.001.73

М.Д. Соколова, В.В. Портнягина, Н.В. Шадринов, A.A. Христофорова, М.Л. Давыдова

СТЕНДОВЫЕ И ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ УПЛОТНЕНИЙ ДЛЯ ГОРНОЙ ТЕХНИКИ СЕВЕРА

Проведены стендовые и опытно-промышленные испытания уплотнений из эласто-мерных композитов. Установлено, что уплотнения из разработанных материалов имеют явные преимущества при эксплуатации в составе гидравлических систем по сравнению со штатными уплотнениями. Уплотнения внедрены на горнодобывающих предприятиях Республики Саха (Якутия).

Ключевые слова: горнодобывающая техника, эксплуатационные свойства, трибология, уплотнительные материалы, морозостойкость, износостойкость, маслостой-кость.

Многолетняя практика эксплуатации горнодобывающей техники в условиях Республики Саха (Якутия) показала, что в зимний период в условиях холодного климата производительность на открытых работах снижается примерно в два раза, фактический срок службы сокращается в 2,5-4 раза, что приводит к огромным убыткам. Статистический анализ причин отказов техники показал, что в значительной степени (30%) отказы связаны с неудовлетворительной работой уплотнительных узлов вследствие недостаточной морозостойкости резиновых уплотнительных деталей, комплектация которых достигает до 10 тыс. на машину [1-3].

Крайне низкие температуры в зимнее время года (до -65 °С) северных территорий; высокая прозрачность атмосферы, а, следовательно, и большая интенсивность ультрафиолетового излучения, обуславливающая глубокое протекание радикальных процессов старения полимера; резкие колебания температуры (до 30 °С) в

осенне-весенний период с переходом через 0 °С, приводящие к появлению термических напряжений, накоплению микротрещин и хрупкому разрушению материала - все это осложняет выбор материала для эластомерных изделий [4]. Кроме того, при контакте резино-технических изделий с углеводородными средами (масла, топлива, смазки) введенные в резиновые смеси пластификаторы - низкомолекулярные добавки, повышающие морозостойкость материалов, интенсивно вымываются, приводя к необратимому снижению морозостойкости в начальный период эксплуатации. В связи с этим идет поиск наиболее перспективных модификаторов резин и разработка новых рациональных рецептур, сочетающих высокий уровень морозостойкости, масло- и износостойкости.

В лабораторных условиях не удается смоделировать поведение эла-стомерных материалов при совместном воздействии климатических и эксплуатационных факторов (напри-

мер, воздействие масел, топлив), поэтому для достоверной оценки их работоспособности требуется проведение как стендовых, так и опытно-промышленных испытаний.

Несмотря на высокую информативность стендовых испытаний, позволяющих оценить работоспособность уплотнений при различных условиях эксплуатации и сравнивать технические характеристики различных уплотнительных материалов и устройств в идентичных условиях работы, они обладают существенным недостатком - высокой трудоемкостью при проведении ресурсных испытаний. Проведение испытаний в натурных опытно-промышленных условиях в условиях непосредственной эксплуатации машин позволяет со значительно меньшими затратами для исследователей определять долговечность уплотнений и сравнивать характеристики конструкций и уплотни-тельных материалов с показателями штатных герметизирующих устройств. Такого рода испытания, как правило, проводятся после проведения стендовых испытаний при отсутствии сомнений в работоспособности и наличии достаточных оснований в обеспечении минимально требуемой долговечности опытного уплотнения. В противном случае преждевременный выход из строя уплотнения может привести к существенным затратам на проведение ремонтно-восстанови-тельных работ и потерям от простоя техники.

Машина трения ИИ 5018 (рис. 1, а) представляет большой интерес для исследования триботехнических

свойств резин уплотнительного назначения. Данная машина может стать универсальным стендом для проведения испытаний в условиях, приближенных к эксплуатационным. При работе на ней можно варьировать

б

Рис. 1. Испытания уплотнений из разработанных материалов на машине трения ИИ 5018: а) машина трения, б) фитильная смазка уплотнения

значениями скорости вращения вала, нагрузки на образец и составом рабочей среды. В Институте проблем нефти и газа СО РАН машину дополнительно модифицировали. Во-первых, снабдили прибором «Термо-дат», позволяющим вести непрерывный контроль за испытаниями. Во-вторых, применили фитильную смазку (рис. 1, б), которая позволяет легко менять рабочие среды, значительно облегчить подготовку и сократить установку образцов к испытанию. Стандартная комплектация машины снабжена закрытой камерой с ванной рабочего масла, при этом установка образца занимает 3-4 часа.

Рис. 2. Расположение термопар: а) в узле трения, б) в образце

Рис. 3. Схема трения «вал-колодка»:

1 - вал (контртело), 2 -колодка (образец из резины), V -направление вращения

Для испытаний на машине трения ИИ 5018 выбран режим испытания, имитирующий условия работы гидравлических систем:

- вращение 1000 об/мин (2,6 м/с), 2000 об/мин (5,2 м/с);

- усилие прижима образца -20Н (нагрузка 0,1 МПа);

- температура испытаний -комнатная;

- рабочая среда - индустриальное масло И-50А;

- время испытаний - 6 часов;

- интервал измерения данных термопар - 15 мин;

- расчетные величины: массовый износ, объемный износ, линейный износ.

Термопары размещали в четырех точках: на образце (3 точки) и в зоне смазки (рис. 2). Испытания проводили по схеме "вал - колодка" (рис. 3) при следующих параметрах: нагрузка -20Н, скорость скольжения - 1000 об/мин (2,6 м/с) и 2000 об/мин (5,2 м/с), режим трения - жидкий. Запись данных с термопар осуществляли через каждые 15 мин.

Исследуемый образец представлял собой колодку, вырезанную из кольца прямоугольного сечения (60х80х10), контртело - стальной вал (сталь марки 40Х, термообработанная до ИКС 50+/-1). Принцип действия машины заключается в истирании действия пары испытываемых образцов, прижатых друг к другу силой Р. Образцы перед испытанием очищали ацетоном и этиловым спиртом и взвешивали. Контртело (стальной вал) перед каждым новым испытанием полировали до шероховатости 1,1 мкм.

Испытуемые материалы уплотнений - это серийная резина марки В-14 на основе морозостойкого бутади-ен-нитрильного каучука БНКС-18 и разработанная в Институте проблем нефти и газа СО РАН резина на основе БНКС-18, модифицированная полимерной композицией сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) и наношпинели магния (патент РФ № 2425851) [5]. Разработанная резина отличается повышенной износостойкостью (в 2 раза), морозостойкостью (в 2-3 раза), стойкостью к воздействию агрессивных сред (в 210 раз в зависимости от среды).

После проведения испытаний на машине трения определяли массовый, объемный и линейный износы. Из табл. 1 видно, что, несмотря на разброс температурного режима, установлен макроэффект улучшения три-ботехнических свойств запатентованной резины. Уменьшены практически все виды износа.

Из табл. 2 видно, что при заданных условиях испытаний не происходит вымывания пластификаторов, которое наблюдается при стандартных испытаниях, проводимых при температуре 70 °С. Объемный износ при абразивном истирании превосходит 2- 5 раз по сравнению при трении в среде масла и по обработанному металлическому валу. Подобные температуры не реализуются в процессе трения при заданных нагрузках и скоростях вращения. Исследования термостойкости резин показали, что температура начала распада материала для В-14 -60 °С, для разработанной -102 °С, что указывает на то, что в процессе испытаний процессы деструкции не должны происходить и их можно не учитывать.

Таким образом, исследования показали, что резина, разработанная в ИПНГ СО РАН имеет улучшенные

свойства в условиях, приближенных к эксплуатации гидравлических промышленных систем: объемный износ снижен на 28 %, линейный на 75 % (при 1000 об/мин) и на 12 % (при 2000 об/мин), температура в зоне трения ниже на 3-7 оС по сравнению с серийной резиной.

Развитие трибологии неразрывно связано с изучением свойств фрикционного контакта, возникающего при взаимодействии твердых тел под нагрузкой. Одним из основных свойств фрикционного контакта является его дискретность (несплошность). Поскольку геометрия поверхностей в результате различных видов их обработки отличается от правильной геометрической формы (макроформы), при сближении тел под нагрузкой, их контакт происходит по отдельным пятнам с высоким давлением, оказывающим существенное влияние на все процессы контактного взаимодействия и изнашивания поверхностей.

Объем межконтактного пространства определяет максимальное количество смазочного материала, удерживаемого в контакте, при отсутствии гидростатических и гидродинамических эффектов.

В процессе изготовления или при эксплуатации деталей машин на их поверхности формируются неровности, которые определяют топографию поверхности. Принято различать четыре вида отклонений от правильной геометрической формы поверхности: макроотклонения, волнистость, шероховатость и субшероховатость.

Электронно-микроскопические исследования поверхностей исследованных образцов показали, что суб-микрошероховатость образуется неровностями, имеющими высоту 2...20 нм (рис. 4-6).

Рабочая поверхность образцов из модифицированных резин до и после

*- уменьшение, + - увеличение показателя запатентованной резины по отношению к резине В-14

Таблица 2

Сравнительные результаты испытаний (стандартная и выбранная методики)

Таблица 1

Триботехнические характеристики уплотнений, полученные на машине трения ИИ5018

№ Материал уплотнений Скорость вращения вала, об/мин Массовый износ, Аш(г) АУ(см3) АЬ(мм) Сравнение свойств материалов +/-*

1 В-14 0,0082 0,0065 -0,080

-28% объемный износ, -75% линейный износ

По рецепту- 1000

2 ре патента 0,0059 0,0047 -0,002

№ 2425851

3 В-14 0,0146 0,0116 0,024

-22% объемный износ, -31% линейный износ

По рецепту- 2000

4 ре патента 0,0123 0,0091 0,016

№ 2425851

Показатели В-14 Материал по рецептуре Патента № 2425851

Степень набухания в масле И-50А, % -2,61 -1,88

Объемный износ, см3 ГОСТ 23509-79 Машина трения ИИ5018 1000 об/мин 2000 об/мин 0,03 0,0065 0,0116 0,018 0,0047 0,0091

Машина трения ИИ5018 температура в зоне трения, °С 1000 об/мин 2000 об/мин 35 43 32 37

Термостойкость (температура начала потери массы), °С 60 102

испытаний на машине трения представлена на рис. 4.

После триботехнических испытаний на машине трения ИИ-5018 на поверхности образца (рис. 4, б) видны следы износа, появились микронеровности, образовались межконтактные пространства, которые определяют максимальное количество смазочного материала.

Поверхность немодифицирован-ной резины до и после испытаний представлена на рис. 5. Видно, что особых изменений рельефа не наблюдается, т.к. при выбранных режимах испытаний образец из немоди-фицированной резины начинает разрушаться.

На рис. 6 видно, что для уплотнений из разработанной резины не на-

V

I

Рис. 5. Поверхность образца из резины В-14: а - до испытаний, б - после испытаний

блюдается спада температуры при высоких оборотах (приработки три-ботехнической пары), уменьшается температура во время испытания образца за счет увеличения межконтактного пространства.

Таким образом, результаты всесторонних испытаний разработанных уплотнительных устройств показывают перспективность их применения в горной технике, предназначенной для эксплуатации в условиях Севера.

Большая работа проведена по внедрению разработанных материалов на предприятиях ЗАО «АЛРОСА». Ре-

зультаты опытно-промышленных испытаний показали, что долговечность разработанных уплотнений в 1,5-3 раза превышает долговечность штатных конструкций. Основным заказчиком являются Ленские авторемонтные мастерские ПУ «Алмаздортранс» АК «АЛРОСА», на котором функционирует участок РТИ. Оформлено 2 акта внедрения.

В 1990 г. на базе Института неметаллических материалов СО РАН (ныне лаборатория материаловедения ИПНГ СО РАН) был организован опытно-промышленный участок производства

т, °с

100 90

80

30 20 10 о -

т^тЧг^г^гО^-^Юи^уЭГ^Г^СОСОСЯОО^т-)

г1 г1 г1

- Ря д! -Ряд2 РядЗ

Время, мин а

Т, °С

-РядЗ, "Ряд! РядЗ

Время, мин

б

Рис. 6. Температура на поверхности образца в процессе испытаний: а - материал по рецептуре Патента № 2425851, б - резина марки В-14

Рис. 7. Структура деятельности опытно-ленного производства уплотнений

резинотехнических изделий (РТИ), целью которого на начальном этапе являлось проведение широкомасштабных испытаний разрабатываемых морозостойких уплотнений в машинах и механизмах, работающих в различных эксплуатационных условиях. Постоянный дефицит морозостойких уплотнений, необходимость обеспечения техники, эксплуатируемой различными отраслями промышленности и населением республики, запасными уплотнительными деталями предопределили значительное расширение объемов производства и ассортимента продукции.

Основным правилом при работе с клиентами является выполнение заказа «под ключ»: клиент предъявляет требования к изделию по основным эксплуатационным характеристикам (прочность, эластичность, износо-, мо-розо-, маслостойкость и.т.д.), а высококвалифицированные сотрудники из

числа научных работников выбирают соответствующий материал, ИТР - разрабатывают конструкции изделия и вулканизационные прессформы, рабочие прессовщики - изготавливают (вулканизуют) изделия (рис. 7).

В 2003 году впервые был объявлен конкурс инновационных проектов, проводимых Фондом содействия развитию малых предприятий в научно-технической сфере по программе «Старт». Основным требованием Фонда развития содействия развитию малых предприятий в научно-технической сфере •промыш~ для предоставления гранта и подписания государственного контракта является создание малого предприятия. Проект «Исследование и разработка новых эластомерных композиционных материалов на основе пропиленоксидного, бутадиен-

нитрильного и других видов каучуков» выиграл грант Фонда. В РС(Я) это был первый проект, выигравший грант программы «СТАРТ». Так, было положено начало существованию ООО «Нордэласт», основной функцией которого организационно являлось продолжение деятельности опытно-промышленного участка РТИ и расширение сферы его деятельности.

В настоящее время ассортимент выпускаемой продукции ООО «Нор-дэласт» по эластомерным уплотнениям составляет более 600 типоразмеров. Следует отметить, что из материалов, разработанных в Институте проблем нефти и газа СО РАН, изготавливаются все манжеты для гидравлических машин и кольца круглого сечения для

особо ответственных узлов машин, что составляет около 40% объема выпускаемой продукции.

Подобная организация производства позволила наиболее мобильно ответить на спрос в морозостойких уплотнениях, предприятие имеет довольно высокую степень рентабельности (около 20%). Одним из показателей успешного развития предприятия

1. Черский И.Н., Попов С.Н., Гольд-штрах И.З. Проектирование и расчет морозостойких подвижных уплотнений - Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние РАН, 1992.123 с.

2. Черский И.Н. Полимерные материалы в современной уплотнительной технике. -Якутск: Якут. кн. изд-во, 1975. - 110 с.

3. Бояршинов А. Л. Прогнозирование надежности двигателя ЯМЗ-240н при эксплуатации в северных условиях. Автореф. дис.. .канд. техн. наук. - Якутск, 2000, - 18 с.

4. Портнягина В.В., Соколова М.Д., Петрова Н.Н., Давыдова М.Л., Шадринов

является и то, что оно завоевало широкий круг постоянных потребителей, среди которых ведущие предприятия промышленного комплекса РС (Я): ЗАО «АЁРОСА», ОАО «Саханефте-газсбыт», ОАО «Сахаэнерго», крупные автотранспортные предприятия,

предприятия ЖКХ и др. предприятия промышленного комплекса Республики Саха (Якутия).

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Н.В. Модификация резин природными цеолитами при создании морозостойких уплотнений горнодобывающей техники Севера // Горный-информационный аналитический бюллетень. №.11, 2012. С. 392-401.

5. Патент РФ на изобретение № 2425851. Соколова М.Д., Шадринов Н.В., Давыдова М.Д., Христофорова А. А. и др. Резиновая смесь, модифицированная композицией сверхвысокомолекулярного полиэтилена и наношпинели магния (приоритет от 09 марта 2010 г.). ™

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Соколова Марина Дмитриевна - доктор технических наук, зав. лабораторией материаловедения Института проблем нефти и газа СО РАН, профессор биолого-географического факультета Северо-восточного федерального университета им. М.К. Аммосова, marsokol@mail.ru,

Портнягина Виктория Витальевна - кандидат технических наук, директор НОЦ «Геотехнологии Севера им. М.Д. Новопашина» Арктического инновационного центра», Северовосточный федеральный университет им. М.К. Аммосова, младший научный сотрудник Института проблем нефти и газа СО РАН, уюк i@mail.ru,

Шадринов Николай Викторович - младший научный сотрудник Института проблем нефти и газа СО РАН, ведущий инженер НОЦ «Нанотехнологии» Северо-восточного федерального университета им. М.К. Аммосова, nshadrinoff@yandex.ru,

Христофорова Александра Афанасьевна - научный сотрудник, Институт проблем нефти и газа СО РАН, a_khristoforova@mail.ru,

Давыдова Мария Ларионовна - кандидат технических наук, старший научный сотрудник Института проблем нефти и газа СО РАН, доцент автодорожного факультета Северовосточного федерального университета им. М.К. Аммосова, mlar80@mail.ru.