Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Любимов Олег Владиславович
ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА ПОДШИПНИКОВЫХ ОПОР ШНЕКОВОГО СТАВА МАШИН ГОРИЗОНТАЛЬНОГО БУРЕНИЯ
Специальность - 05.05.06 Горные машины
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Кемерово 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Кузбасский государственный технический университет им. Т. Ф. Горбачева.
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Маметьев Леонид Евгеньевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент Захаров Александр Юрьевич кандидат технических наук, доцент Мартынов Георгий Алексеевич
Ведущая организация: Анжерский машиностроительный завод (ОАО Анжеромаш)
Защита состоится 13 марта 2012 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.102.01 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Кузбасский государственный технический университет им. Т.Ф. Горбачева по адресу: 650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28, факс: (3842) 36-16-87, e-mail:
kuzstu@kuzstu.ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Кузбасский государственный технический университет им. Т.Ф. Горбачева.
Автореферат разослан л 3 февраля 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета А. Г. Захарова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В условиях рынка в различных отраслях экономики России возникает необходимость широкого внедрения комплексных технологических процессов, сочетающих в себе оптимальные решения экономических, технических, экологических и социальных проблем. Не являются исключением горнодобывающая и строительная отрасли, испытывающие в настоящее время потребность в горизонтальных скважинах различного назначения, протяженности и диаметра, которые могут быть проведены бурошнековым способом.
В связи с потребностью в прокладке скважин длиной 100Е150 м и более возникает необходимость в снижении затрат на бурение. Удлинение шнекового става, повышенные требования к его прочности и надежности приводят к увеличению массы оборудования. Это влияет на потребную мощность привода, а также на трудоемкость доставки и монтажа элементов бурового става. Представляется важной задача поиска способов повышения производительности машин горизонтального бурения и ресурса шнекового става при увеличении длины скважин.
При бурении применяют установку шнековых ставов на центрирующие опоры с подшипниками скольжения или качения для повышения соосности с прокладываемой колонной обсадных труб и снижения потерь на трение и износ шнековой спирали. Однако это сопровождается появлением разрывов шнековой спирали с возможностью пробкообразования и прихвата шнекового става, а также создает условия необслуживаемости и неремонтопригодности подшипниковых узлов при бурении. Использование опорных узлов с закладной смазкой и контактными уплотнениями показало их низкий ресурс. В случае потери работоспособности ремонтно - восстановительные работы по подшипниковым опорам производятся после полного демонтажа всего шнекового става из скважины.
В настоящее время в различных отраслях промышленности находят применение подшипники качения с твердосмазочным антифрикционным заполнителем (АФЗ) в виде графитосодержащего расходного смазочного материала, заключенного в самогерметизирующую компактную упаковку.
Поэтому в диссертационной работе поставлена задача повышения ресурса подшипниковых опор шнекового става машин горизонтального бурения на базе подшипников с АФЗ, которая является актуальной для науки и своевременной для практики бурения горизонтальных скважин.
Диссертационная работа выполнялась в рамках хоздоговорной темы 2052011 Построение модели изменения технического состояния проходческих комбайнов и промышленная апробация разработанной методики.
Цель диссертационной работы - повышение работоспособности и ресурса подшипниковых опор шнекового става машин горизонтального бурения.
Идея работы заключается в использовании в подшипниковых опорах шнекового става, недоступных для технического обслуживания и ремонта, радиальных шариковых подшипников с АФЗ.
Задачи исследования:
- выявить основные закономерности влияния конструктивных и режимных параметров опорных узлов шнекового става машин горизонтального бурения, оснащенных подшипниками с АФЗ, на их ресурс на основе модели напряженно-деформированного состояния внутренней конструкции подшипников данного типа;
- определить параметры сопряжений внутренней конструкции АФЗ с основными деталями подшипника, а также ее механические характеристики;
- провести стендовые испытания для оценки ресурса опорных узлов шнекового става машин горизонтального бурения с радиальными подшипниками с АФЗ;
- обосновать конструктивные параметры универсального опорного узла машин горизонтального бурения на базе новых необслуживаемых подшипников с АФЗ с улучшенными ресурсными, самосмазывающими и самогерметизирующими характеристиками.
Методы исследований. При моделировании был использован ряд аналитических и численных методов решения физических задач. В процессе экспериментальных исследований применялись положения теории планирования эксперимента, регрессионного и корреляционного анализов, математический аппарат прикладной статистики и теории надежности.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
- ресурс опорных узлов шнекового става машин горизонтального бурения, оснащенных подшипниками с АФЗ, по критерию разрушения и выкрашивания заполнителя из фрикционной зоны, основанному на положениях теории линейного суммирования повреждений, увеличивается в 20Е40 раз по сравнению с ресурсом узлов с крышками и контактными уплотнениями;
- уменьшение зазоров между внутренней конструкцией АФЗ и кольцами по ширине подшипника обеспечивает увеличение гидравлического сопротивления для увлажненных продуктов бурения в 3,4Е5,6 раз;
- применение в опорном узле шнекового става необслуживаемых подшипников с АФЗ с улучшенными ресурсными, самосмазывающими и самогерметизирующими характеристиками позволяет уменьшить его длину в разрыве шнековой спирали в 1,3Е1,4 раза, а диаметр - в 1,15Е1,3 раза по сравнению с узлом с крышками и контактными уплотнениями, что уменьшает пробкообразование по длине става.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- впервые определена зависимость напряженно-деформированного состояния внутренней конструкции радиальных шариковых подшипников с АФЗ от геометрических характеристик сечений как совокупности кусочнонепрерывных, интегрируемых и неотрицательных функций, и от конструктивных и режимных параметров, свойственных опорным узлам шнекового става; теоретически спрогнозирован ресурс опор машин горизонтального бурения с подшипниками с АФЗ, основанный на положениях теории линейного суммирования повреждений;
- впервые установлена взаимосвязь изменения зазоров между внутренней конструкцией АФЗ и основными деталями подшипника по его ширине и с учетом наработки, которая описывается полиномиальными зависимостями; определены механические характеристики внутренней конструкции;
- произведена оценка работоспособности в опорных узлах шнекового става новых необслуживаемых подшипников с АФЗ с улучшенными ресурсными, самосмазывающими и самогерметизирующими характеристиками на лабораторных стендах и в условиях промышленной эксплуатации.
Достоверность научных результатов предопределяется:
- применением апробированных аналитических и численных методов;
- хорошей сходимостью теоретических и экспериментальных результатов исследований (свыше 90%);
- адекватностью предлагаемых моделей реальным процессам, доказанной с помощью ряда критериев.
ичный вклад автора заключается:
- в теоретических и экспериментальных исследованиях, направленных на повышение работоспособности и ресурса подшипниковых опор шнекового става машин горизонтального бурения с подшипниками с АФЗ;
- в обработке экспериментальных данных и получении зависимостей для параметров сопряжений, механических и ресурсных характеристик подшипников с АФЗ в опорных узлах шнекового става;
- в разработке необслуживаемых подшипников с АФЗ с улучшенными ресурсными, самосмазывающими и самогерметизирующими характеристиками.
Практическое значение работы подтверждается использованием результатов исследований в конструкции экспериментального шнекобурового става с доказанным повышением работоспособности его опорных узлов.
Реализация результатов работы. Рекомендуемые решения в полном объеме использованы в конструкции опорных узлов шнекового бурового става опытнопромышленного бурового комплекса, отмеченного золотой медалью Сибирской ярмарки Наука в Сибири-96 (Новосибирск, 1996) и экспонировавшегося на Евроазиатской выставке Деловой Кузбасс (Кемерово, 1998).
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение на Всероссийской научнопрактической конференции Перспективы развития технологий и средств бурения (Кемерово, 1995), V научно-практической конференции по секции машиностроения и горных машин (Новокузнецк, 1996), Международной научнопрактической конференции Проблемы адаптации техники к суровым условиям (Тюмень, 1999), Динамика и прочность горных машин (Новосибирск, 2003), конференциях с участием иностранных ученых Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды (Новосибирск, 2006, 2009), 26-й конференции Международного общества по бестраншейным технологиям (Москва, 2008), 1-й конференции по бестраншейным технологиям в России, СНГ и странах Балтии (Москва, 2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, из них - в изданиях, рекомендованных ВАК; получено 5 авторских свидетельств.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и содержит 203 страницы машинописного текста, 20 таблиц, 52 рисунка, список использованной литературы из 206 наименований и 5 приложений.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования, сформулированы цель работы, идея работы, научные положения, выносимые на защиту, и новизна, обоснованность и достоверность научных положений, научное и практическое значение работы, а также реализация результатов исследований.
В первой главе анализируется состояние вопроса по ресурсу подшипниковых опор шнекового става машин горизонтального бурения.
Оценивается опыт эксплуатации, проблемы и перспективы развития бурошнекового способа прокладки горизонтальных скважин.
Практика прокладки скважин для трубопроводов диаметром 800...1200 мм и более показала преобладание оборудования, осуществляющего разработку грунта буровым инструментом различной конструкции с последующим подтягиванием трубы-кожуха. Известны методы (прокол, продавливание) с ограниченной областью применения по грунтовым условиям.
Анализ конструкций устройств для транспортирования разработанного грунта, применяемых в оборудовании для прокладки горизонтальных скважин, показывает, что предпочтение отдается способу транспортировки грунта с помощью шнековых устройств (34,6% технических решений), а также гидротранспортировке (30,8% технических решений) и пневмотранспортировке (4,1% решений) - с учетом преимуществ, присущих каждому из этих способов.
В то же время имеются попытки создания ряда технических устройств, использующих комбинированно положительные свойства двух основных способов транспортировки (26,1%). На долю циклических способов транспортировки (контейнерный и др.) приходится 4,4%.
Кафедрой горных машин и комплексов КузГТУ в 1970-е - 2010-е годы накоплен большой опыт проектирования и эксплуатации в промышленности бурошнековых установок. В работах М. С. Сафохина, И. Н. Пуркаева, Л. Е.
Маметьева, А. Н. Ананьева, С. М. Карпенко обоснованы технологические схемы, приемлемые для проходки горизонтальных и слабонаклонных скважин, нашедшие экспериментальное и практическое подтверждение. В работах вышеуказанных авторов, а также И. Д. Богомолова, А. Б. Логова, А. М.
Цехина, большое внимание уделяется вопросам совершенствования шнекового става, предназначенного для передачи крутящего момента и усилия подачи от бурошнековой машины на забой горизонтальной скважины и обеспечения разрушения, а также средствам погрузки и транспортирования буровой мелочи к устью скважины.
На основании теоретических и экспериментальных исследований на кафедре горных машин и комплексов КузГТУ были предложены новые способы двухэтапного бурения горизонтальных и слабонаклонных скважин, при реализации которых повышение эффективности проходки и транспортирования достигается посредством целенаправленного изменения физико-механических свойств продуктов разрушения путем их увлажнения до границы текучести. При этом реализуются положительные качества как шнекового, так и гидравлического способов транспортирования продуктов разрушения, теряющих способность к налипанию.
Возрастает скорость проходки, энергоемкость бурения снижается при этом в 2...раза, в отдельных случаях до 5 раз, что позволяет использовать данные способы при сооружении скважин длиной 100-150 м и более.
Техническая реализация этих способов осложнена тем, что до сих пор не получила решения проблема обеспечения надежности подшипниковых узлов машин горизонтального бурения. Радиальные подшипники этих узлов эксплуатируются в условиях интенсивного взаимодействия с увлажненными продуктами бурения, что делает невозможной длительную работу без технического обслуживания. Традиционные подходы к конструированию не позволяют обеспечить требуемый ресурс. На рис. 1 приведены данные о ресурсе подшипниковых узлов оборудования бурошнековых машин, отнесенном ко времени бурения одной скважины. Как видно из диаграммы, ресурс большинства подшипниковых узлов значительно меньше времени бурения скважины, а для подшипниковых опор шнекового става ситуация осложняется тем, что их техническое обслуживание во время бурения скважин невозможно.
1 2 3 42.8% 134.4% 222.6% 398.8% 40.0% 20.0% 40.0% 60.0% 80.0% 100.0% Рис. 1. Относительный ресурс подшипниковых узлов оборудования бурошнековых машин: 1 - забойного опорно-якорного; 2 - опорно-центрирующего;
3 - узла прицепного устройства; 4 - узла вращательно-подающего механизма При современном уровне развития техники работоспособность опорных узлов инструмента бурошнекового оборудования может быть повышена за счет совершенствования уплотняющих устройств, а также рационального применения способов смазки подшипников и смазочных материалов.
Одним из примеров подобного применения можно считать имеющую в настоящее время распространение конструкцию подшипника качения с твердосмазочным антифрикционным заполнителем (АФЗ). Она изготовляется на базе стандартного шарикоподшипника путем заполнения его свободного внутреннего пространства пастообразным антифрикционным компаундом с последующим его отверждением, формированием сопряжений в виде малых зазоров между отвержденным заполнителем и деталями подшипника последующей приработкой. Подшипники с АФЗ обладают рядом достоинств:
- использование недорогих, недефицитных твердосмазочных материалов (в том числе и отходов производства);
- значительный запас смазочного материала, который занимает практически полностью свободное пространство подшипника;
- низкий момент трения за счет пленкообразования;
- самогерметизация фрикционной зоны подшипника, определяемая малыми зазорами между отвержденным АФЗ и кольцами подшипника. Фактически АФЗ выполняет функцию двойного щелевого уплотнения.
На кафедре прикладной механики КузГТУ в трудах В. П. Дубровского, В. П. Котурги, А. Г. Морозова, В. С. Короткевича, М. П. Латышенко, Н. П. Курышкина разработаны модели функционирования подшипников с АФЗ.
В известных работах не описано напряженно-деформированное состояние внутренней конструкции подшипников с АФЗ, которое под влиянием конструктивных и режимных параметров, свойственных, например, опорным узлам шнекового става машин горизонтального бурения, предопределяет при достижении определенных ресурсных показателей разрушение заполнителя.
Разрывается также адгезионная связь между АФЗ и сепаратором-арматурой.
Дальнейшее катастрофическое выкашивание АФЗ из фрикционной зоны подшипника приводит к нарушению его смазочных и герметизирующих свойств.
На основании этого определены цель и задачи исследований.
Во второй главе приведены теоретические исследования работоспособности радиальных подшипников с АФЗ в опорных узлах шнекового става машин горизонтального бурения.
При моделировании напряженно-деформированного состояния внутренней конструкции подшипников с АФЗ должно учтено, что в процессе изготовления пастообразный антифрикционный материал заполняет свободное пространство между кольцами, телами качения и сепаратором подшипника, копируя при отверждении его форму, с последующим образованием сопряжений в виде зазоров при кольцах и в гнездах тел качения.
Геометрические характеристики сечений внутренней конструкции радиального шарикового подшипника с АФЗ как многослойного кольца переменного сечения определены совокупностями кусочно-непрерывных, интегрируемых и неотрицательных функций угловой координаты:
F( ) = Fij( ) ( ); Ii( ) = Iik( )k( ), (1) ij j k где F( ) и Ii( ) - площадь и момент инерции i -го слоя в сечении с коордиi натой ; Fij( ) - площадь j -го элемента сечения i -го слоя, подключаемая по условию ( ) ; Iik( ) - момент инерции k -го элемента сечения i -го j слоя, подключаемая по условию k( ).
Особенности нагружения опорных узлов шнекового става машин горизонтального бурения таковы, что плоская система сил, действующая на радиальные шариковые подшипники, расположена в вертикальной плоскости, перпендикулярной оси вращения. Схема взаимодействия деталей подшипника с АФЗ (рис. 2, а) также имеет плоский характер. В динамической системе жесткости (K) и коэффициенты демпфирования (C) имеют величины, характерные при контактах деталей подшипника с АФЗ при работе в опорных узлах шнекового става (рис. 2, б).
а б Рис. 2. Схема взаимодействия деталей подшипника с АФЗ (а) и динамическая система (б). Зазоры между деталями подшипника для наглядности показаны увеличенными Численное решение системы дифференциальных уравнений позволило получить массивы значений Mi, Ti, Pi - моментной, продольной и поперечной компонент i -й внешней силы, возникающих от ее приведения к нейтральному радиусу кривизны R0 с координатой i.
Внутренние силовые факторы в любом сечении внутренней конструкции подшипника с АФЗ описываются уравнениями:
N M () = X1 + X2R0(1- cos) + X3sin + Mi +TiR0(1- cos( -i)) + PiR0 sin( -i) ;
[] N N() = X2 cos + X3sin + Ti cos( -i) + Pi sin( -i) ; (2) [] N Q() = X2 sin + X3 cos + Ti sin( -i) + Pi cos( -i), [] где M () N() Q() - изгибающий момент, нормальная и поперечная силы в сечении с координатой ; X1, X1, X1 - силовые факторы, приложенные в сечении = 0 для раскрытия статической неопределимости с учетом (1).
С учетом условий равновесия элемента криволинейного стержня нормальные напряжения в i -м слое внутренней конструкции касательные напряжения в адгезионном контакте заполнителя с арматурой определятся:
B h + + 2 N() M () Q() i(, y) = Ei ; (, y) = Ei ydydz, (3) + y xy Bк () Dк () Dк ()b(y) B h - 2 mm где Bк () = Fi(); Dк () = Ii() - жесткости, Ei - модуль упругости E E i i i -го слоя.
Моделирование напряженно-деформированного состояния внутренней конструкции подшипников с АФЗ позволило получить массивы изменяющихся во времени значений внутренних силовых факторов, а затем - массивы амплитуд нормальных и касательных напряжений.
Оценка ресурса в вероятностном аспекте, основанная на положениях теории линейного суммирования повреждений производится по зависимости m m NG R 1 + t v () R a T =, (4) n min b max b P nПЦ Г,n - P,n 2 2 2a a где nПЦ - среднее число полных циклов в единицу времени; , NG, m - паR раметры кривой усталости; v - коэффициент вариации предела выносливоR сти; t - квантиль нормального распределения для уровня значимости ;
R m P - функция вероятности распределения ; n = + ; min - минималь 21 b ная амплитуда напряжений, выбранная из условия min = ; - коэффициR ент снижения границы суммирования повреждений относительно предела выносливости; max - максимальная амплитуда напряжений, принимаемая либо равной максимально зарегистрированной амплитуде, либо как квантиль для уровня значимости .
На основании результатов обработки массивов получены множества значений ресурса по критерию разрушения и выкрашивания заполнителя, работающего в условиях подшипниковых опор шнекового става машин горизонтального бурения (рис. 3).
T, час 70060050040030020051001015P, Н 20n, мин-Рис. 3. Ресурс внутренней конструкции подшипника с АФЗ по критерию разрушения и выкрашивания заполнителя в зависимости от нагрузки на подшипник от шнекового става P, Н и его частоты вращения n, мин-Установлено, что ресурс опорных узлов шнекового става машин горизонтального бурения, оснащенных подшипниками с АФЗ, по критерию разрушения и выкрашивания заполнителя из фрикционной зоны, основанному на положениях теории линейного суммирования повреждений, увеличивается в 20Е40 раз по сравнению с ресурсом узлов с крышками и контактными уплотнениями.
В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований работоспособности подшипников с АФЗ для шнекового става.
С целью уточнения параметров модели напряженно-деформированного состояния внутренней конструкции подшипника с АФЗ в опорном узле шнекового става были оценены параметры ее сопряжений с основными деталями подшипника. Зазоры сформированы на стадии изготовления подшипника и рассматриваются как случайные величины.
Изменение величин зазоров между заполнителем и кольцами по ширине оценивалось на представительной выборке из партии новых подшипников на осевом распиле. Перед распилом подшипника его детали фиксировались от относительного движения. Затем из подшипника вырезались секторы и на их поверхностях отмечалось 9 характерных точек для каждого зазора, в которых оценивалась его величина. Измерение зазоров проводилось на микроскопе МБС-9.
Статистическая обработка результатов эксперимента позволила формализовать изменения зазоров по ширине подшипника в виде полиномов 2-й степени.
Продукты разрушения, образующиеся при бурении глиняных, угольных и многих других массивов при увлажнении образуют гидросмеси, которые относятся к вязко-пластичным бингамовским жидкостям, ведущим себя при транспортировке шнековым ставом как ньютоновские жидкости, причем их движение проходит в ламинарном режиме. С учетом этого, возрастание коэффициента гидравлического сопротивления конфузорного сужения сопряжений подшипника с АФЗ опоры шнекового става составит: для зазора между заполнителем и внутренним кольцом - 3,4Е3,7 раз, для зазора между АФЗ и наружным кольцом - 5,4Е5,6 раз.
Наработка ресурса подшипников осуществлялась на испытательной машине ЦКБ-72. Значения радиальной нагрузки при проведении эксперимента принимались из условия неперехода на другие критерии отказа подшипника, кроме ресурсного. Для неразрушающего контроля изменения величин зазоров в процессе наработки ресурса использован рентгенографический метод.
Модель, позволяющая прогнозировать зазоры в подшипниках с АФЗ по долговечности, имеет вид полиномов 3-й степени:
(k ) ( (k ) (L) = 0k ) + (5) b P Li, i C i=P ( где 0k ) - начальный k -й зазор; bi(k ) - i -й коэффициент k -го полинома, за C висящий от отношения нагрузки на подшипник от шнекового става P, Н к динамической грузоподъемности подшипника C, Н; L - наработка ресурса, млн. об.
С целью уточнения параметров модели напряженно-деформированного состояния внутренней конструкции подшипника с АФЗ в опорном узле шнекового става были определены механические характеристики заполнителя.
Для этого случайно выбранный из нескольких изготовленных партий образец в виде калиброванного стержня зажимался во вращающейся цанге. Количество испытанных циклов нагружений фиксировался с помощью измерительной цепи. Свободный конец образца снабжен нагрузочным устройством.
Предусмотрена возможность отключения счетчика сигналов после разрушения образца. Исследовались собственные механические свойства АФЗ и свойства адгезионного контакта с материалом армирующего сепаратора.
Регрессионный анализ значений, полученных в результате испытаний, показал, что для образцов из АФЗ усталостная кривая может быть описана уравнением Вейбулла. В отношении левой ветви кривой усталости адгезионного соединения в образцах АФЗ - арматура применимо уравнение линейной регрессии. Полученные данные использованы при оценке ресурса.
Для подтверждения результатов моделирования с целью определения ресурса были проведены стендовые испытания опор, снабженных подшипниками с АФЗ.
В качестве диагностического параметра технического состояния подшипников с АФЗ наблюдалась температура поверхности наружного кольца подшипника, регистрировавшаяся с помощью измерительной цепи. Временные ряды значений температуры формировались на основе усреднения результатов измерений, полученных при параллельных опытах. Выделение основной детерминированной тенденции временного ряда производилось путем аппроксимации экспериментальных данных. При обработке результатов параллельных опытов также полагалось, что время наработки подшипника с АФЗ на отказ является случайной величиной.
Статистическая обработка вариационных рядов, образованных наработанным ресурсом при параллельных опытах в каждой точке плана, подтвердила адекватность применения нормального закона распределения.
По результатам испытаний при фиксированных значениях частот вращения с помощью методов множественной линейной регрессии определены оценки функций отклика, в качестве которой предварительно рассматривался логарифм ресурса lg(T). Значимость коэффициентов регрессии оценена по tкритерию Стьюдента, адекватность модели в целом - по F-критерию Фишера.
Достоверность полученных регрессионных моделей допускает экстраполяцию функции отклика в область номинальных нагрузок. В качестве базового фактора была использована величина статической составляющей радиальной нагрузки. Общая адекватность регрессионной модели (рис. 4) подтверждена F-критерием Фишера.
T, час 70060050040030020051001015P, Н 20n, мин-Рис. 4. Поверхность регрессионной модели ресурса подшипника с АФЗ в зависимости от нагрузки на подшипник от шнекового става P, Н и его частоты вращения n, мин-Полученные экспериментальные результаты исследований имеют 90%-ю сходимость с теоретическими.
В четвертой главе на основе моделирования и экспериментальных исследований, посвященных прогнозированию ресурса подшипников с АФЗ, обоснованы технические решения по созданию конструкций необслуживаемых подшипников для опорных узлов шнекового става машин горизонтального бурения.
Технические решения в отношении подшипников с АФЗ могут реализовываться как в направлении модификации известных конструкций в данной области, так и в направлении создания новых конструкций, обеспечивающих улучшенные ресурсные, самосмазывающие и самогерметизирующие характеристики.
Известны полимерные материалы, которые при своей достаточной конструкционной прочности не могут быть использованы в качестве основы твердосмазочного заполнителя, потому что существует техническое противоречие между необходимым условием обеспечения усталостной прочности АФЗ и условием эффективного смазывания деталей подшипника. Для устранения этого противоречия возможно комбинирование материалов различного служебного назначения во внутренней конструкции подшипника. Твердосмазочный заполнитель сохраняется во фрикционной зоне подшипника за счет того, что он скреплен решеткой из соединенных перемычками кольцевых пластин, защищающих его торцы. При изготовлении подшипника часть внутреннего пространства в виде решетки оставляют свободным, а затем, после отверждения заполнителя, заполняют вторичным прочным материалом.
Стремление к рациональному размещению слоев внутренней конструкции подшипников с АФЗ, а также к совершенствованию связи между ними, диктует необходимость развития технического решения сепаратора - уплотнения, сохраняющего заполнитель во фрикционной зоне и формирующего начальные зазоры на торцах подшипника. При этом отвержденный антифрикционный заполнитель может выполнять как уплотняющую, так и фиксирующую функцию, обеспечивая силовое замыкание полусепараторов.
Для доказательства отсутствия у необслуживаемых подшипников с АФЗ отказа по критерию прихвата шнекового става по причине проникновения продуктов бурения в их фрикционную зону были проведены дополнительные эксперименты на испытательном стенде кафедры горных машин и комплексов КузГТУ.
Подшипники монтировались в корпусе опоры, расположенной в отрезке инвентарной обсадной трубы, нагружались весом шнековой секции и приводились во вращение приводом стенда. Корпус опоры оставлялся открытым так, чтобы подшипники имели непосредственный контакт с транспортируемой средой.
По мере наработки ресурса (T ) исследовалось влияние влажности транспортируемой среды (W ) и коэффициента заполнения шнековой спирали ( ) на величину максимального преодолеваемого приводом момента трения подшипникового узла Mmax, контролируемого с помощью комплекса тензоизмерительной аппаратуры.
Mmax, Нм 10987654321W, % 12346T, час Рис. 5. График зависимости Mmax, Нм от T, час и W,% при = 0,Результаты эксперимента показывают (рис. 5), что Mmax по мере наработки ресурса возрастал, но имел тенденцию к стабилизации при относительно небольших величинах. При этом меньшие значения наблюдались при W, близкой к нулю, что объясняется затрудненностью проникновения неувлажненных продуктов бурения во фрикционную зону подшипника. При W, увеличивающейся до 40Е50% визуально наблюдалось сквозное проникновение продуктов бурения, увлажненных до состояния текучести, через подшипниковый узел, причем величина Mmax значительно снижалась.
По результатам экспериментов в качестве опоры шнекового става предложен подшипниковый узел, оснащенный необслуживаемыми подшипниками с АФЗ с улучшенными ресурсными, самосмазывающими и самогерметизирующими характеристиками (рис. 6).
в а б г Рис. 6. Подшипниковый узел с крышками и контактными уплотнениями (а), предлагаемый подшипниковый узел (б) и конструкции применяемых в нем необслуживаемых подшипников с АФЗ с улучшенными характеристиками:
подшипник с защитной решеткой, формируемой при изготовлении (в);
подшипник с сепаратором-уплотнением (г) Предлагаемый подшипниковый узел по длине в разрыве шнековой спирали в 1,3Е1,4 раза меньше, а по диаметру - в 1,15Е1,3 раза меньше узла с крышками и контактными уплотнениями, что уменьшает пробкообразование по длине става.
Ресурсные характеристики предлагаемого узла подтверждены бурением в промышленных условиях 20 скважин длиной 25Е80 м и диаметром 250Е14мм при эксплуатации в режиме необслуживаемости в пространстве буримых скважин в городах Нижневартовск, Кемерово, Прокопьевск, Березовский.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертационной работе на основе теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная научно-техническая задача повышения работоспособности и ресурса подшипниковых опор шнекового става машин горизонтального бурения, недоступных для технического обслуживания и ремонта, за счет использования в них радиальных шариковых подшипников с твердосмазочным антифрикционным заполнителем (АФЗ), имеющая существенное значение для создания нового и совершенствования существующего бурошнекового оборудования.
Основные научные результаты и выводы заключаются в следующем:
1. Установлено, что отказы подшипников в опорных узлах шнекового става машин горизонтального бурения, недоступных для технического обслуживания и ремонта, предопределяются процессами нарушения герметичности фрикционной зоны и функции смазывания при активном воздействии продуктов бурения, увлажненных до состояния текучести.
2. Одним из эффективных технических решений является применение в опорных узлах шнекового става подшипников качения с твердосмазочным антифрикционным заполнителем, сочетающих в своей конструкции самосмазывающую и самогерметизирующую функции. Нарушение этих функций происходит при разрушении и выкашивании заполнителя из фрикционной зоны, что ограничивает их работоспособность.
3. Выявлены основные закономерности влияния конструктивных и режимных параметров опорных узлов шнекового става машин горизонтального бурения, оснащенных подшипниками с твердосмазочным антифрикционным заполнителем, на их ресурс на основе модели напряженно-деформированного состояния внутренней конструкции подшипников данного типа. Определена зависимость напряженно-деформированного состояния от геометрических характеристик сечений внутренней конструкции.
4. Установлено, что ресурс опорных узлов шнекового става машин горизонтального бурения, оснащенных подшипниками с твердосмазочным антифрикционным заполнителем, по критерию разрушения и выкрашивания заполнителя из фрикционной зоны, основанному на положениях теории линейного суммирования повреждений, увеличивается в 20Е40 раз по сравнению с ресурсом узлов с крышками и контактными уплотнениями.
5. Экспериментально оценены изменения параметров сопряжений внутренней конструкции с основными деталями подшипника по его ширине и с учетом наработки опоры шнекового става, описываемые полиномиальными зависимостями. При этом уменьшение зазоров между внутренней конструкцией твердосмазочного антифрикционного заполнителя и кольцами по ширине подшипника обеспечивает увеличение гидравлического сопротивления увлажненным продуктам бурения в 3,4Е5,6 раз. Определены механические характеристики образцов из твердосмазочного антифрикционного заполнителя. Проведены стендовые испытания для оценки ресурса опорных узлов шнекового става с радиальными подшипниками данного типа для подтверждения результатов моделирования.
6. Обоснованы технические решения по созданию конструкций необслуживаемых подшипников с улучшенными ресурсными, самосмазывающими и самогерметизирующими характеристиками. Доказано отсутствие у подшипников данного типа отказа по критерию прихвата шнекового става по причине проникновения продуктов бурения в их фрикционную зону.
7. В качестве опоры шнекового става предложен подшипниковый узел, оснащенный необслуживаемыми подшипниками с твердосмазочным антифрикционным заполнителем с улучшенными ресурсными, самосмазывающими и самогерметизирующими характеристиками. Предлагаемый узел по длине в разрыве шнековой спирали в 1,3Е1,4 раза меньше, а по диаметру - в 1,15Е1,3 раза меньше узла с крышками и контактными уплотнениями, что уменьшает пробкообразование по длине става.
Ресурсные характеристики предлагаемого узла подтверждены бурением в промышленных условиях 20 скважин длиной 25Е80 м и диаметром 250Е1440 мм при эксплуатации в режиме необслуживаемости в пространстве буримых скважин.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК 1. Маметьев, Л. Е. Конструктивные схемы бурошнековых машин и оборудования на базе серийных узлов и механизмов горных машин / Л.Е. Маметьев, Ю.В. Дрозденко, О.В. Любимов. - Перспективы развития горнотранспортных машин и оборудования: Сборник статей. - Горный инф.аналит. бюллетень. - 2009. Отдельный выпуск 10. С. 84 - 90.
2. Маметьев, Л. Е. Научно-технические разработки кафедры горных машин и комплексов КузГТУ для реализации бестраншейных технологий прокладки коммуникаций бурошнековыми комплексами / Л.Е. Маметьев, Ю.В. Дрозденко, О.В. Любимов, К.А. Ананьев. - Вестн. Кузбасского гос. тех. унив., 2010. №1. С. 3 обложки.
3. Маметьев, Л. Е. О реализации бурошнековых технологий в горном деле и подземном строительстве / Л.Е. Маметьев, Ю.В. Дрозденко, О.В. Любимов. - Горное оборудование и электромеханика, 2010, №5, с. 47-49.
4. Маметьев, Л. Е. Конструктивные элементы узлов и механизмов для шнековых машин горизонтального бурения / Л.Е. Маметьев, Ю.В. Дрозденко, О.В.
юбимов. - Справочник. Инженерный журнал, 2010, №11, с. 25-26, с. 3 обложки.
5. Маметьев, Л. Е. Роль опорных подшипниковых узлов в буровой и горнотранспортной технике / Л.Е. Маметьев, О.В. Любимов, Ю.В. Дрозденко. - Перспективы развития горно-транспортного оборудования: Сборник статей. Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня (научно-технического журнала) - М.: издательство Горная книга. - 2011. - № ОВ5. - С. 142 - 153.
Статьи в прочих изданиях 6. Маметьев, Л. Е. Разработка параметров и компонентов конструктивнотехнологической адаптации бурошнековых машин к требованиям заказчика / Л.Е. Маметьев, О.В. Любимов. - Материалы 26-й конференции и выставки Международного общества по бестраншейным технологиям [Электронный ресурс]. - М: SIBICO International Ltd., 2008. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM):
цв.; 12см - Загл. с контейнера. - ISBN 978 -5-9900677-5-2.
7. Маметьев, Л. Е. Адаптация бурошнековых машин и инструмента к условиям эксплуатации / Л.Е. Маметьев, Ю.В. Дрозденко, О.В. Любимов, К.А. Ананьев. - Инновации - основа комплексного развития угольной отрасли в регионах России и странах СНГ. Материалы II Международной научнопрактической конференции. - Прокопьевск, 2009, с. 263-265.
8. Маметьев, Л. Е. О проектировании подшипниковых опор для инструмента бурошнековых машин / Л.Е. Маметьев, Ю.В. Дрозденко, О.В. Любимов.
Ц Проблемы механики современных машин: Материалы четвертой международной конференции / ВСГТУ. - Улан-Удэ, 2009. - Т.1. - С. 286-289.
9. Маметьев, Л. Е. Разработка подшипниковых узлов для опорных и прицепных устройств расширителей горизонтальных скважин / Л.Е. Маметьев, Ю.В. Дрозденко, О.В. Любимов. - Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды. Том 2. Машиноведение. - Новосибирск: ИГД СО РАН, 2009. - С. 283-285.
10. Маметьев, Л. Е. Результаты внедрения бурошнековых для бестраншейной технологии прокладки коммуникаций / Л.Е. Маметьев, Ю.В. Дрозденко, О.В. Любимов. - Материалы 1-й конференции и выставки по бестраншейным технологиям в России, СНГ и странах Балтии [Электронный ресурс]. - М: SIBICO International Ltd., 2010. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM):
цв.; 12см - Загл. с контейнера. - ISBN 978 -5-904941-01-7.
11. Маметьев, Л. Е. Опыт использования бурошнековых машин для сооружения городских подземных коммуникаций / Л.Е. Маметьев, Ю.В. Дрозденко, О.В. Любимов. - Строительство и эксплуатация угольных шахт и городских подземных сооружений: материалы VI Российско-китайского симпозиума, Кемерово, 28 сент. 2010 г. - Кузбас. гос. техн. ун-т. - Кемерово, 2010. - С. 347-351.
12. Маметьев, Л. Е. Расширение области применения радиальных подшипников с АФЗ в опорных узлах горных машин / Л.Е. Маметьев, О.В. Любимов, В.П. Котурга. - Инновации в машиностроении: Труды 2-ой Международной научно-практической конференции (6-8 октября 2011 г., Россия, Кемерово) - Кемерово, 2011. - С. 102-106.
Авторские свидетельства 13. А.с. 1555558 (СССР) Подшипник качения и способ его изготовления.
/ Дубровский В.П., Толстов А.Е., Котурга В.П., Любимов О.В. - Опубл. в Б.И., 1990, № 13.
14. А.с. 1661500 (СССР) Подшипник качения. / Дубровский В.П., Котурга В.П., Любимов О.В., Терехин В.H., Толстов А.Е., Соболев С.И. - Опубл. в Б.И., 1991, № 25.
15. А.с. 1490331 (СССР) Подшипник качения. / Дубровский В.П., Толстов А.Е., Котуpга В.П., Любимов О.В. - Опубл. в Б.И., 1989, № 24.
16. А.с. 1557382 (СССР) Подшипник качения. / Дубровский В.П., Котурга В.П., Любимов О.В., Толстов А.Е., Соболев С.И. - Опубл. в Б.И., 1990, № 14.
17. А.с. 1656218 (СССР) Подшипник качения. / Дубровский В.П., Котурга В.П., Толстов А.Е., Любимов О.В. - Опубл. в Б.И., 1991, № 22.
Подписано в печать Формат 60х84/16. Бумага офсетная. Отпечатана на ризографе.
Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ.
ГУ Кузбасский государственный технический университет.
650000, Кемерово, ул. Весенняя, 28.
Типография ГУ Кузбасский государственный технический университет.
650099, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4а
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям