CC BY
34
СЕМИНАР 4
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 98" МОСКВА, МГГУ, 2.02.98 - 6.02.98
С. Микула, СТУ
ВЛИЯНИЕ ФРЕТТИНГ-КОРРОЗИИ НА УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ ВАЛОВ ГОРНЫХ МАШИН
В узлах конструкций горных машин для передачи вращающего момента наиболее часто применяются шпоночные и шлицевые соединения. Несмотря на значительные величины расчетных коэффициентов усталостной прочности имеют место специфические усталостные поломки валов приводов машин. Такие поломки характерны для валов вентиляторов главного проветривания шахт, для выходных валов рабочих органов и валов главного привода угольных комбайнов.
Тщательный анализ картины поломки позволил предположить следующий механизм появления и развития усталостных трещин. Характерной особенностью шпоночных и шлицевых соединений горных машин является неизбеж-
ное наличие окружных циклических возвратных перемещений по поверхности центрирования системы вал-ступица. Наличие этих перемещений определяется переменным характером нагрузки, а их амплитуда зависит от величины передаваемого вращающего момента и расстояния поверхности контакта от оси вращения вала.
Наличие малых возвратных перемещений при значительных удельных давлениях, замкнутость контактного пространства, исключающего возможность удаления продуктов износа приводит к появлению характерного износа -фреттинг-кор-розии. Эти продукты износа имеют высокий уровень поверхностной энергии, что ускоряет процесс их окисления. При этом объем окисленного металла значительно увеличивается, что в связи с невозможностью его удаления из зоны контакта приводит к сильному росту местных удельных давлений. Процесс роста давления прогрессивно ускоряется, что приводит к появлению поверхностных трещин. Результаты экспериментальных исследований (рис. 1) показали, что интенсивность роста этих трещин в значительной степени зависит от амплитуды относительных перемещений кон-
Рис. 1. Влияние амплитуды перемещений на интен-
Рис. 2. Соединительные распорные кольца
тактных поверхностей.
Исследования были проведены на парах стальных образцов одной и той же марки легированной стали типа 40Х при номинальном удельном давлении, не превышающем половины предела текучести материала. Число циклов перемещений равнялось 105 циклов. Из рис. 1 видно, что максимальная интенсивность развития поверхностных трещин имеет место при амплитуде перемещений 40...50 микрометров. К аналогичным выводам пришел Островский М.С. [1].
Появившиеся поверхностные микротрещины представляют собой сильные концентраторы напряжений, что приводит к развитию усталостных макротрещин и, в конечном итоге, к поломке вала.
Специфика развития усталостных трещин заключается в том, что на начальном этапе имеет место переменная скорость их развития вплоть до остановки их роста независимо от уровня нагрузки. Одной из причин этого явления может служить переход фреттинг-корро-зии в зону развития усталостной трещины, так как там также скапливаются продукты изнашивания при схлопывании трещины и не имеют выхода во внешнее пространство.
Следует отметить, что обычные технологические мероприятия (создание остаточных сжимающих напряжений за счет наклепа, цементации, нанесения антикоррозийных покрытий и др.) не дает значительного эффекта. Самым надежным способом предотвращения фреттинг-коррозии является устранение относительных перемещений, то есть обеспечение жесткого соединения вала со ступицей. Такое соединение может быть обеспечено за счет применения соединения коническими рас-
порными кольцами [2], (рис. 2) Соединения коническими распорными кольцами снижают концентрацию напряжений за счет равномерного распределения удельных давлений по всей поверхности вала, обеспечивают удобный монтаж и демонтаж, что особенно эффективно при больших размерах соединяемых деталей. Эти соединения снижают требования к точности изго-
товления посадочных мест и даже позволяют производить балансировку вращающихся масс. Следует подчеркнуть, что, как показала практика, перечисленные преимущества соединений коническими распорными кольцами могут быть обеспечены только при высокой технологической культуре монтажа этих соединений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Островский М.С., Повышение ресурса горных машин путем мониторинга соединений деталей и узлов. Москва, МГТУ, 1997 г.
2. Kowal A., Mikula St. Polaczenia rozporowe-mozliwosti zastosowan i potrzeba аutоmаtyzасji montazu. Ill Miedzynarodowa Konferencja «Technika i technologia montazu maszyn». Rzeszow 1997 г.
©С. Микула
В.А. Бобин, д.т.н.,
ИПКОН
СТРУКТУРНАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ ГАЗОНАСЫЩЕННЫХ УГЛЕЙ
Разработке вопросов связанных с выявлением особенностей состояния и поведения природной системы «уголь-газ» посвящены основополагающие работы А.Т. Айруни, С.В. Кузнецова, Г.Д. Лидина, Н.В. Ножкина, Л.А. Пучкова, П.А. Ребиндера, А.А. Ско-чинского, В.В. Ходота, С.В. Сластунова О.И. Чернова, И.Л. Эттингера, С.А. Ярунина и многих других исследователей.
Вместе с тем, несмотря на широкий круг проблем, решенных в этих работах, исследование процесса трансформации структуры угольного вещества имеет фундаментальное значение для понимания многих газодинамических явлений в угольных шахтах и закономерностей их протекания.
Основным фактором, стимулирующим исследования в этом направлении, является недостаточность теоретических разработок в области создания новых представлений о микро- и макроструктуре угольного вещества, о движущих силах и закономерностях трансформации его структуры в различных условиях.
Исследования в указанной области завершились созданием научных положений теории структурной трансформации газо-насыщенного угольного вещества. При этом теория явилась результатом обобщения цикла теоретических и экспериментальных исследований по изучению на природных углях равновесной сорбции различных газов, кинетики и термокинетики процесса газовыделения, обобщенных в работах [1, 2].
Анализ экспериментальных данных позволил выявить и сформулировать ряд принципиально новых научных результатов, совокупность которых можно рассматривать как основные положения теории структурной трансформации газонасыщенного угольного вещества и представить в следующем виде:
♦ микросорбционное пространство угольного вещества V представляет собой совокупность микросорб-ционных подпространств Vvl заполняемых соответствующими им сорбатами (газами); т.е.
^=Е^ , (1)
где 1 - число сорбатов, которые может эффективно поглощать сорбат;
Это соотношение показывает, что угольное вещество является полидисперсной микропористой средой, причем максимум распределения числа микропор соответствует микропорам, составляющим микросорб-ционное подпространство метана (рис. 1). Сформулированы принципы классификации пор в природном сорбенте, в основе которой лежит критерий, учитывающий возможное фазовое состояние поглощенного в порах газа, а не их геометрические размеры. В предложенной классификации поры разделены на пять групп: 1) микропоры, 2) субмикропоры, 3) мезопоры, 4) макропоры, 5) супермакропоры. В частности, мик-ропора - это такой элементарный объем сорбционного пространства, в котором поглощенный газ находится только в сорбированном состоянии (табл. 1.).
♦ тип микропоры (т.е. ее способность эффективно поглощать сорбат при определенных геометрических размерах) определяется характерным размером поглощаемых в ней молекул сорбата, а именно:
d=2v(n+l)1/3/[(n+l)1/3-1], (2)
где d - характерный размер микропоры, п - структурный параметр угля, V - размер молекулы сорбирующегося газа.
Это соотношение позволяет количественно описывать изменение размера микропор в зависимости от изменения структурного параметра.
♦ структурный параметр сорбента п определяет не только геометрию микропористого сорбционного пространства, но и характеризует наиболее оптимальные условия для сорбции газа при заданных термодинамических условиях, что позволило впервые установить аналитическую связь между энергетическим и структурным параметрами сорбента, которая имеет вид:
E/n=RT/p, (3)
где R - газовая постоянная, р - константа системы «уголь-газ», Е - характеристическая энергия сорбции. Эксперименты показывают(рис. 2), что Е, n и р являются функциями температуры, причем если р линейно убывает, то комплексный параметр Ер/n линейно возрастает с увеличением температуры. Отсюда следует, что Е/n не может быть постоянной величиной при изменении температуры.
♦ первичным элементом микроструктуры угольного вещества является сорбционная частица, представляющая объемную структуру размером менее 1 мкм и включающую в своем объеме порядка 1018 микропор/г угля, т.е.
18
Rc4<1 мкм; N^=10 микропор/г угля (4)
Доминирующим физическим процессом, который определяет характер выделения сорбированного газа из микропор и образующихся из них объемных структур, является диффузия. Макроструктура частиц угля представляется следующим образом: сорбционные частицы составляют основу макроструктуры угольного вещества, их совокупность образует суперсорбцион-ные частицы, окруженные переходными порами и каналами; суперсорбционные частицы в свою очередь формируют фильтрационно-сорбционные частицы, окруженные макропорами и соответствующими им по размеру фильтрационными каналами, а совокупность фильтрационно-сорбционных частиц образует исследуемую частицу угольного вещества.
Поэтому математический аппарат процесса газо-выделения базируется на математическом описании процесса диффузии из суперсорбционных частиц различных типов: 1) образующих внешнюю поверхность частиц угля, 2) образующих внешнюю поверхность фильтрационно-сорбционных частиц, 3) находящихся в объеме фильтрацинно-сорбционных частиц.
Вне зависимости от типа суперсорбционных частиц основное уравнение, описывающее процесс десорбции из них, является уравнение диффузии:
æ/a=D(d2C/ft-2+2æ/rôr);(0<KRo). (5)
При начальном условии
С0=О)=С°=ар°/(1+ар°) (6)
и граничном
C(r=R°)=C(t)=ap(t)/(I+ap(t)), (7)
где предполагается, что суперсорбционные частицы являются шаровыми с некоторым приведенным радиусом R°; С - концентрация сорбированного газа в частице; С° - концентрация при начальном равновесном давлении р°; а и b - константы Ленгмюра; D - коэффициент диффузии.
♦ тип элемента макроструктуры угольного вещества определяется соответствующим диффузионным параметром кинетики десорбции, а соответствующие им дифференциальные теплоты сорбции имеют постоянное значение. При этом размер элементов макрострук-
туры определяется размерами окружающих их транспортных каналов и значением диффузионных параметров кинетики десорбции, а их взаимосвязь определяется соотношениями:
Яфс=100^ф(к)13, Rc=100dп(kп)1/3, (8)
где Rфс и Rс - радиус фильтрационно-сорбционной и суперсорбционной частиц, dф и ^ - диаметры фильтрационного и переходного порового пространства, кф и кп - соответствующие им кинетические параметры.
Вычисления дают оценочные значения для мкм, а для Яфс=5-50 мкм, при этом кф имеет в зависимости от размера исследуемой фракции угля значение порядка (1, 4-1, 6)-102 с., а кп=(1,2- 1,4)- 103с. В свою очередь дифференциация теплот сорбции в зависимости от типа макроструктурных образований дает ключ к пониманию массы экспериментальных данных по кинетики тепловыделения. В результате учет дифференциального вклада каждого уровня макроструктуры в формирование теплового эффекта сорбции позволил установить, что для каждых элементов макроструктуры параметры кинетики сорбции и кинетические параметры тепловыделения практически равны, причем дифференциальная теплота сорбции для каждого типа макроструктурных образований в угольном веществе является постоянной величиной и составляет для су-персорбционных частиц первого типа величину порядка 30 кДж/моль, второго типа - 22 кДж/моль и третьего типа - 14 кДж/моль.
♦ структурная трансформация газонасыщенного угольного вещества происходит за счет высвобождения аккумулированной в микропорах потенциальной энергии отталкивания молекул сорбата, при этом соотношения между структурным (п) и энергетическими (Е, Р) параметрами первичной и формирующихся структур не изменится, т.е.
Е1 Р^=СОШ^ (9)
где 1 - номер макроструктур, 1=1,2.
Эта закономерность прослеживается и для влажных углей, в процессе трансформации структуры которых установлено, что влага сосредоточена в микро-поровом пространстве природного угля и оказывает существенное влияние на их формирование.
Трансформация структуры угольного вещества происходит в результате того, что при изменении силового состояния структурных элементов угольного вещества часть энергии межмолекулярного отталкивания молекул сорбата может передаваться угольному скелету, а при его разгрузке от внешних сил вызвать дополнительное растяжение, и тем самым, обеспечить локальное разрушение угольного вещества. Энергетический критерий разрыва связей между структурными элементами угольного вещества имеет вид:
2N6[(о/R)12 -(a/R)6
^ <
n cm я rn W
ncm И W , (10)
ncm s w
Классификация пор в природных углях
Характерный размер поp ^)
Тип пор (группа) Состояние молекул сорбата в поре среднее значение для различных видов сорбатов
Н2 Аг СН4 СО2
микропоры сорбированное 6-10 5,46 7,52 6,32 8,32 9,26
субмикропоры сорбированное ква-зисвободное 12-32 16,4 22 5 22 25 31,2
мезопоры квазисвободное сорбированное 32-100 40,5 56,4 54,9 62,4 69,4
макропоры квазисвободное свободное сорбированное 100-10000 <680 <940 <920 <104 <116
супермакропоры свободное квазис-вободное сорбированное >1000 >680 >940 >920 >104 >П6
где N - число молекул сорбата в микропоре; е - глубина минимума потенциала Леннарда-Джонса (кДж/моль),соответствующего К.е=2 6ст, Яе и ст - константы этого потенциала (стсн4=380, стсо2=449 пм), Я -расстояние между центрами молекул; пст - число структурных связей (пст=16-40); Евв, Ен и Ем - соответственно энергии диссоциации вандерваальсовых, водородных и межатомных связей (Евв=0,133.10-19, Ен=0,465.10-19 и Ем=4,65.10-19 Дж/связь).
Расчеты показывают, что энергия межмолекуляр-ного отталкивания молекул сорбата аккумулированная в микропорах, соизмерима с энергией разрыва ван-дерваальсовых и водородных связей между структурными элементами. Очевидно, что взаимодействие отталкивания молекул сорбата и угольного вещества может не только усилить эффект разрушения угля, но и является начальной движущей силой этого процесса, обладая определенной упругостью, ранее не учитываемой исследователями при анализе системы «газ -природный уголь».
Свидетельством процесса трансформации микроструктуры угольного вещества является изменчивость структурного параметра в зависимости от изменения внешних воздействий, например, вели чины равновесного давления насыщения при изотермической сорбции, которая проиллюстрирована на рис. 3.
Газо-насыщенное угольное вещество представляет собой полидисперсную микропористую саморегулирующуюся систему способную к адекватным изменениям своей структуры при соответствующих изменениях внешних воздействий.
При этом установлено, что сорбат, помещенный в газообразный сорбат, увеличивает свой объем на величину, численно равную приращению его сорбционного объема за счет изменения физико-механических свойств и структуры сорбата в процессе сорбции.
Подход к сорбционным явлениям и их анализ с точки зрения теории структурной трансформации позволил получить ряд новых научных результатов, в
том числе:
♦ сорбированный в микропорах угольного вещества газ следует рассматривать как начальную движущую силу процесса трансформации структуры угля и как фактор существенно (2,5-4 раза) уменьшающий его коэффициент поверхностного натяжения и значение трещи-ностойкости и прочностные свойства в 1,6-2 раза;
♦ классификация пор в природном угле определяется не их геометрическими размерами, а физическим состоянием молекул сорбата в этих порах;
♦ причина различия в сорбционной емкости углей по отношению в разным газам обусловлена размером их молекул и объемом соответствующих этим газам мик-росорбционных подпространств;
♦ структурный и энергетический параметры надежно определяются в любой точке изотермы сорбции, а не только в точке, соответствующей степени заполнения сорбента сорбатом равной 0,7.
Логическим воплощением на практике основных положений теории структурной трансформации стали семь новых методов определения различных сорбционных характеристик угольного вещества, таких как сорбционная емкость и набухание, дифференциальная теплота сорбции и показатель газоотдачи.
Все это вместе - и теория структурной трансформации, и полученные на ее основе новые научные результаты, и новые эффективные методы определения сорбционных свойств углей - является дальнейшим развитием сформировавшегося в горной науке направления «Физическая химия газоносного угольного пласта».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бобин В.А. Сорбционные процессы в природном угле и его структура. М., изд-во ИПКОН АН СССР, 1987, 135 с.
2. Бобин В.А. Теория структурно-трансформа-ционных процессов при сорбционных явлениях в природных газонасыщенных углях. Автореферат на соиск. уч. степ. докт. техн. наук. М.,1993, 32 с.
© В.А. Бобин
б і 1999
87
