Повышение ресурса подшипниковых опор шнекового става машин горизонтального бурения
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 2
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образо вательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбас ский 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 диссерта ционного совета Д 212.102.01 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Куз басский государственный технический университет им. Т.Ф. Горбачева»» по адресу: 650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28, факс: (3842) 36-16-87, e-mail:
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального госу дарственного бюджетного образовательного учреждения высшего профес сионального образования «Кузбасский государственный технический универ ситет им. Т.Ф. Горбачева».
Автореферат разослан « 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 техноло гических 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, протяжен ности и диаметра, которые могут быть проведены бурошнековым способом.
В связи с потребностью в прокладке скважин длиной 100…150 м и более воз никает 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 тру доемкость 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 опо ры с подшипниками скольжения или качения для повышения соосности с про кладываемой колонной обсадных труб и снижения потерь на трение и износ шне ковой спирали. Однако это сопровождается появлением разрывов шнековой спи рали 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 кон тактными уплотнениями показало их низкий ресурс. В случае потери работоспо собности ремонтно - восстановительные работы по подшипниковым опорам про изводятся после полного демонтажа всего шнекового става из скважины.
В настоящее время в различных отраслях промышленности находят применение подшипники качения с твердосмазочным антифрикционным за полнителем (АФЗ) в виде графитосодержащего расходного смазочного мате риала, заключенного в самогерметизирующую компактную упаковку.
Поэтому в диссертационной работе поставлена задача повышения ресур са подшипниковых опор шнекового става машин горизонтального бурения на базе подшипников с АФЗ, которая является актуальной для науки и своевре менной для практики бурения горизонтальных скважин.
Диссертационная работа выполнялась в рамках хоздоговорной темы 205 2011 «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 режим ных параметров опорных узлов шнекового става машин горизонтального бу рения, оснащенных подшипниками с АФЗ, на их ресурс на основе модели напряженно-деформированного состояния внутренней конструкции под шипников данного типа;
- определить параметры сопряжений внутренней конструкции АФЗ с ос новными деталями подшипника, а также ее механические характеристики;
- провести стендовые испытания для оценки ресурса опорных узлов шнеково го става машин горизонтального бурения с радиальными подшипниками с АФЗ;
- обосновать конструктивные параметры универсального опорного узла машин горизонтального бурения на базе новых необслуживаемых подшип ников с АФЗ с улучшенными ресурсными, самосмазывающими и самогерме тизирующими характеристиками.
Методы исследований. При моделировании был использован ряд анали тических и численных методов решения физических задач. В процессе экспе риментальных 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 буре ния, оснащенных подшипниками с АФЗ, по критерию разрушения и выкра шивания заполнителя из фрикционной зоны, основанному на положениях теории линейного суммирования повреждений, увеличивается в 20…40 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 сопро тивления для увлажненных продуктов бурения в 3,4…5,6 раз;
- применение в опорном узле шнекового става необслуживаемых под шипников с АФЗ с улучшенными ресурсными, самосмазывающими и само герметизирующими характеристиками позволяет уменьшить его длину в раз рыве шнековой спирали в 1,3…1,4 раза, а диаметр – в 1,15…1,3 раза по срав нению с узлом с крышками и контактными уплотнениями, что уменьшает пробкообразование по длине става.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- впервые определена зависимость напряженно-деформированного со стояния внутренней конструкции радиальных шариковых подшипников с АФЗ от геометрических характеристик сечений как совокупности кусочно непрерывных, интегрируемых и неотрицательных функций, и от конструк тивных и режимных параметров, свойственных опорным узлам шнекового става;
теоретически спрогнозирован ресурс опор машин горизонтального бу рения 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 уче том наработки, которая описывается полиномиальными зависимостями;
опре делены механические характеристики внутренней конструкции;
- произведена оценка работоспособности в опорных узлах шнекового става новых необслуживаемых подшипников с АФЗ с улучшенными ресурс ными, 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.
Личный 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 подшип ников с АФЗ в опорных узлах шнекового става;
- в разработке необслуживаемых подшипников с АФЗ с улучшенными ре сурсными, самосмазывающими и самогерметизирующими характеристиками.
Практическое значение работы подтверждается использованием резуль татов 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 опытно промышленного 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 док ладывались, обсуждались и получили одобрение на Всероссийской научно практической конференции «Перспективы развития технологий и средств бу рения» (Кемерово, 1995), V научно-практической конференции по секции ма шиностроения и горных машин (Новокузнецк, 1996), Международной научно практической конференции «Проблемы адаптации техники к суровым услови ям» (Тюмень, 1999), «Динамика и прочность горных машин» (Новосибирск, 2003), конференциях с участием иностранных ученых «Фундаментальные про блемы 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 иссле дования, 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 ре зультатов исследований.
В первой главе анализируется состояние вопроса по ресурсу подшип никовых опор шнекового става машин горизонтального бурения.
Оценивается опыт эксплуатации, проблемы и перспективы развития бу рошнекового 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 подтя гиванием трубы-кожуха. Известны методы (прокол, продавливание) с ограни ченной 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 по мощью шнековых устройств (34,6% технических решений), а также гидро транспортировке (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, исполь зующих 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 сква жин, нашедшие экспериментальное и практическое подтверждение. В рабо тах вышеуказанных авторов, а также И. Д. Богомолова, А. Б. Логова, А. М.
Цехина, большое внимание уделяется вопросам совершенствования шнеко вого става, предназначенного для передачи крутящего момента и усилия по дачи от бурошнековой машины на забой горизонтальной скважины и обес печения разрушения, а также средствам погрузки и транспортирования буро вой мелочи к устью скважины.
На основании теоретических и экспериментальных исследований на кафед ре горных машин и комплексов КузГТУ были предложены новые способы двух этапного бурения горизонтальных и слабонаклонных скважин, при реализации которых повышение эффективности проходки и транспортирования достигается посредством целенаправленного изменения физико-механических свойств про дуктов разрушения путем их увлажнения до границы текучести. При этом реали зуются 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 уз лов машин горизонтального бурения. Радиальные подшипники этих узлов эксплуатируются в условиях интенсивного взаимодействия с увлажненными продуктами бурения, что делает невозможной длительную работу без техни ческого обслуживания. Традиционные подходы к конструированию не позво ляют 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 большин ства 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% 1 34.4% 2 22.6% 3 98.8% 4 0.0% 20.0% 40.0% 60.0% 80.0% 100.0% Рис. 1. Относительный ресурс подшипниковых узлов оборудования бурошне ковых 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 примене ния способов смазки подшипников и смазочных материалов.
Одним из примеров подобного применения можно считать имеющую в настоящее время распространение конструкцию подшипника качения с твердо смазочным антифрикционным заполнителем (АФЗ). Она изготовляется на базе стандартного шарикоподшипника путем заполнения его свободного внутренне го пространства пастообразным антифрикционным компаундом с последую щим его отверждением, формированием сопряжений в виде малых зазоров ме жду отвержденным заполнителем и деталями подшипника последующей при работкой. Подшипники с АФЗ обладают рядом достоинств:
- использование недорогих, недефицитных твердосмазочных материа лов (в том числе и отходов производства);
- значительный запас смазочного материала, который занимает прак тически полностью свободное пространство подшипника;
- низкий момент трения за счет пленкообразования;
- самогерметизация фрикционной зоны подшипника, определяемая ма лыми зазорами между отвержденным АФЗ и кольцами подшипника. Факти чески 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. Ку рышкина разработаны модели функционирования подшипников с АФЗ.
В известных работах не описано напряженно-деформированное состоя ние внутренней конструкции подшипников с АФЗ, которое под влиянием кон структивных и режимных параметров, свойственных, например, опорным уз лам 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 под шипника приводит к нарушению его смазочных и герметизирующих свойств.
На основании этого определены цель и задачи исследований.
Во второй главе приведены теоретические исследования работоспо собности радиальных подшипников с АФЗ в опорных узлах шнекового става машин горизонтального бурения.
При моделировании напряженно-деформированного состояния внутрен ней конструкции подшипников с АФЗ должно учтено, что в процессе изготов ления пастообразный антифрикционный материал заполняет свободное про странство между кольцами, телами качения и сепаратором подшипника, копи руя при отверждении его форму, с последующим образованием сопряжений в виде зазоров при кольцах и в гнездах тел качения.
Геометрические характеристики сечений внутренней конструкции ра диального шарикового подшипника с АФЗ как многослойного кольца пере менного сечения определены совокупностями кусочно-непрерывных, интег рируемых и неотрицательных функций угловой координаты:
Fi ( ) = Fij ( ) j ( ) ;
I i ( ) = I ik ( ) k ( ), (1) j k где Fi ( ) и I i ( ) – площадь и момент инерции i -го слоя в сечении с коорди натой ;
Fij ( ) – площадь j -го элемента сечения i -го слоя, подключаемая по условию j ( ) ;
I ik ( ) – момент инерции k -го элемента сечения i -го слоя, подключаемая по условию k ( ).
Особенности нагружения опорных узлов шнекового става машин горизон тального бурения таковы, что плоская система сил, действующая на радиальные шариковые подшипники, расположена в вертикальной плоскости, перпендикуляр ной оси вращения. Схема взаимодействия деталей подшипника с АФЗ (рис. 2, а) также имеет плоский характер. В динамической системе жесткости (K) и коэффи циенты 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 M i, Ti, Pi – моментной, продольной и попереч ной компонент i -й внешней силы, возникающих от ее приведения к ней тральному радиусу кривизны R0 с координатой i.
Внутренние силовые факторы в любом сечении внутренней конструк ции подшипника с АФЗ описываются уравнениями:
N M ( ) = X1 + X 2 R0 (1 cos ) + X 3 sin + [ M i + Ti R0 (1 cos( i )) + PR0 sin( i )];
i N N ( ) = X 2 cos + X 3 sin + [Ti cos( i ) + P sin( i )];
(2) i N Q( ) = X 2 sin + X 3 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 нор мальные напряжения в i -м слое внутренней конструкции касательные на пряжения в адгезионном контакте заполнителя с арматурой определятся:
+B +h N ( ) M ( ) Q( ) Dк ( )b( y ) B h i (, y ) = Ei ;
xy (, y ) = +y Ei ydydz, (3) Bк ( ) Dк ( ) m m где Bк ( ) = Ei Fi ( );
Dк ( ) = Ei I i ( ) – жесткости, Ei – модуль упругости 1 i -го слоя.
Моделирование напряженно-деформированного состояния внутренней конструкции подшипников с АФЗ позволило получить массивы изменяю щихся во времени значений внутренних силовых факторов, а затем – массивы амплитуд нормальных и касательных напряжений.
Оценка ресурса в вероятностном аспекте, основанная на положениях тео рии линейного суммирования повреждений производится по зависимости m ( ) m N G R 1 + t v R a T=, (4) n min max b b,n P nПЦ Г P 2,n 2 a a где nПЦ - среднее число полных циклов в единицу времени;
R, N G, m - па раметры кривой усталости;
v R - коэффициент вариации предела выносливо сти;
t - квантиль нормального распределения R для уровня значимости ;
m P - функция вероятности распределения 2 ;
n = 2 1 + ;
min - минималь b ная амплитуда напряжений, выбранная из условия min = R ;
- коэффици ент снижения границы суммирования повреждений относительно предела выносливости;
max - максимальная амплитуда напряжений, принимаемая ли бо 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, ра ботающего в условиях подшипниковых опор шнекового става машин гори зонтального бурения (рис. 3).
T, час 20 P, Н 30 n, мин-1 Рис. 3. Ресурс внутренней конструкции подшипника с АФЗ по критерию раз рушения и выкрашивания заполнителя в зависимости от нагрузки на под шипник от шнекового става P, Н и его частоты вращения n, мин- Установлено, что ресурс опорных узлов шнекового става машин горизон тального бурения, оснащенных подшипниками с АФЗ, по критерию разрушения и выкрашивания заполнителя из фрикционной зоны, основанному на положениях теории линейного суммирования повреждений, увеличивается в 20…40 раз по сравнению с ресурсом узлов с крышками и контактными уплотнениями.
В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследо ваний работоспособности подшипников с АФЗ для шнекового става.
С целью уточнения параметров модели напряженно-деформированного состояния внутренней конструкции подшипника с АФЗ в опорном узле шне кового става были оценены параметры ее сопряжений с основными деталями подшипника. Зазоры сформированы на стадии изготовления подшипника и рас сматриваются 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 от носительного движения. Затем из подшипника вырезались секторы и на их по верхностях отмечалось 9 характерных точек для каждого зазора, в которых оце нивалась его величина. Измерение зазоров проводилось на микроскопе МБС-9.
Статистическая обработка результатов эксперимента позволила формали зовать 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 транспортиров ке 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 – 3,4…3,7 раз, для зазора между АФЗ и наружным кольцом – 5,4…5,6 раз.
Наработка ресурса подшипников осуществлялась на испытательной машине ЦКБ-72. Значения радиальной нагрузки при проведении эксперимен та принимались из условия неперехода на другие критерии отказа подшипни ка, кроме ресурсного. Для неразрушающего контроля изменения величин за зоров в процессе наработки ресурса использован рентгенографический метод.
Модель, позволяющая прогнозировать зазоры в подшипниках с АФЗ по долговечности, имеет вид полиномов 3-й степени:
P ( L) = 0 + bi( k ) Li, (k ) (k ) (5) C i = P где 0( k ) – 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 дина мической 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 шне кового става были определены механические характеристики заполнителя.
Для этого случайно выбранный из нескольких изготовленных партий об разец в виде калиброванного стержня зажимался во вращающейся цанге. Ко личество испытанных циклов нагружений фиксировался с помощью измери тельной цепи. Свободный конец образца снабжен нагрузочным устройством.
Предусмотрена возможность отключения счетчика сигналов после разруше ния образца. Исследовались собственные механические свойства АФЗ и свой ства 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 адгезион ного соединения в образцах «АФЗ – арматура» применимо уравнение линей ной 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 подшипни ков с АФЗ наблюдалась температура поверхности наружного кольца подшипника, регистрировавшаяся с помощью измерительной цепи. Временные ряды значений температуры формировались на основе усреднения результатов измерений, полу ченных при параллельных опытах. Выделение основной детерминированной тен денции 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 нарабо танным ресурсом при параллельных опытах в каждой точке плана, подтвер дила адекватность применения нормального закона распределения.
По результатам испытаний при фиксированных значениях частот враще ния с помощью методов множественной линейной регрессии определены оцен ки функций отклика, в качестве которой предварительно рассматривался лога рифм ресурса lg(T). Значимость коэффициентов регрессии оценена по t критерию 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 аде кватность регрессионной модели (рис. 4) подтверждена F-критерием Фишера.
T, час P, Н 30 n, мин-1 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 иссле дований, посвященных прогнозированию ресурса подшипников с АФЗ, обосно ваны технические решения по созданию конструкций необслуживаемых под шипников для опорных узлов шнекового става машин горизонтального бурения.
Технические решения в отношении подшипников с АФЗ могут реализовы ваться как в направлении модификации известных конструкций в данной облас ти, так и в направлении создания новых конструкций, обеспечивающих улуч шенные ресурсные, самосмазывающие и самогерметизирующие характеристики.
Известны полимерные материалы, которые при своей достаточной кон струкционной прочности не могут быть использованы в качестве основы твердосмазочного заполнителя, потому что существует техническое противо речие между необходимым условием обеспечения усталостной прочности АФЗ и условием эффективного смазывания деталей подшипника. Для устра нения этого противоречия возможно комбинирование материалов различного служебного назначения во внутренней конструкции подшипника. Твердосма зочный 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 внут реннего пространства в виде решетки оставляют свободным, а затем, после отверждения заполнителя, заполняют вторичным прочным материалом.
Стремление к рациональному размещению слоев внутренней конструк ции подшипников с АФЗ, а также к совершенствованию связи между ними, диктует необходимость развития технического решения сепаратора - уплотне ния, сохраняющего заполнитель во фрикционной зоне и формирующего на чальные зазоры на торцах подшипника. При этом отвержденный антифрикци онный заполнитель может выполнять как уплотняющую, так и фиксирующую функцию, обеспечивая силовое замыкание полусепараторов.
Для доказательства отсутствия у необслуживаемых подшипников с АФЗ от каза 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 приводи лись во вращение приводом стенда. Корпус опоры оставлялся открытым так, что бы подшипники имели непосредственный контакт с транспортируемой средой.
По мере наработки ресурса (T ) исследовалось влияние влажности транспорти руемой среды (W ) и коэффициента заполнения шнековой спирали ( ) на величину максимального преодолеваемого приводом момента трения подшипникового узла M max, контролируемого с помощью комплекса тензоизмерительной аппаратуры.
Mmax, Нм 200 100 20 W, % 0 120 240 360 T, час Рис. 5. График зависимости M max, Нм от T, час и W,% при = 0, Результаты эксперимента показывают (рис. 5), что M max по мере нара ботки 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 неувлаж ненных продуктов бурения во фрикционную зону подшипника. При W, увели чивающейся до 40…50% визуально наблюдалось сквозное проникновение продуктов бурения, увлажненных до состояния текучести, через подшипнико вый узел, причем величина M max значительно снижалась.
По результатам экспериментов в качестве опоры шнекового става пред ложен подшипниковый узел, оснащенный необслуживаемыми подшипниками с АФЗ с улучшенными ресурсными, самосмазывающими и самогерметизи рующими 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 спи рали в 1,3…1,4 раза меньше, а по диаметру – в 1,15…1,3 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 25…80 м и диаметром 250… мм 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 работо способности и ресурса подшипниковых опор шнекового става машин горизон тального бурения, недоступных для технического обслуживания и ремонта, за счет использования в них радиальных шариковых подшипников с твердосмазочным ан тифрикционным заполнителем (АФЗ), имеющая существенное значение для соз дания 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 об служивания и ремонта, предопределяются процессами нарушения герметич ности 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 само смазывающую 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 ре жимных 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 го ризонтального бурения, оснащенных подшипниками с твердосмазочным ан тифрикционным заполнителем, по критерию разрушения и выкрашивания за полнителя из фрикционной зоны, основанному на положениях теории линей ного суммирования повреждений, увеличивается в 20…40 раз по сравнению с ресурсом узлов с крышками и контактными уплотнениями.
5. Экспериментально оценены изменения параметров сопряжений внутрен ней конструкции с основными деталями подшипника по его ширине и с учетом наработки опоры шнекового става, описываемые полиномиальными зависимо стями. При этом уменьшение зазоров между внутренней конструкцией твердо смазочного антифрикционного заполнителя и кольцами по ширине подшипника обеспечивает увеличение гидравлического сопротивления увлажненным продук там бурения в 3,4…5,6 раз. Определены механические характеристики образцов из твердосмазочного антифрикционного заполнителя. Проведены стендовые ис пытания для оценки ресурса опорных узлов шнекового става с радиальными под шипниками данного типа для подтверждения результатов моделирования.
6. Обоснованы технические решения по созданию конструкций необслу живаемых подшипников с улучшенными ресурсными, самосмазывающими и самогерметизирующими характеристиками. Доказано отсутствие у подшипни ков 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, осна щенный необслуживаемыми подшипниками с твердосмазочным антифрикционным заполнителем с улучшенными ресурсными, самосмазывающими и самогерметизи рующими характеристиками. Предлагаемый узел по длине в разрыве шнековой спи рали в 1,3…1,4 раза меньше, а по диаметру – в 1,15…1,3 раза меньше узла с крышка ми и контактными уплотнениями, что уменьшает пробкообразование по длине става.
Ресурсные характеристики предлагаемого узла подтверждены бурением в промыш ленных условиях 20 скважин длиной 25…80 м и диаметром 250…1440 мм при экс плуатации 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 обо рудования на базе серийных узлов и механизмов горных машин / Л.Е. Маметь ев, Ю.В. Дрозденко, О.В. Любимов. – Перспективы развития горно транспортных 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 комму никаций бурошнековыми комплексами / Л.Е. Маметьев, Ю.В. Дрозденко, О.В. Лю бимов, 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. Лю бимов. – Горное оборудование и электромеханика, 2010, №5, с. 47-49.
4. Маметьев, Л. Е. Конструктивные элементы узлов и механизмов для шне ковых машин горизонтального бурения / Л.Е. Маметьев, Ю.В. Дрозденко, О.В.
Любимов. – Справочник. Инженерный журнал, 2010, №11, с. 25-26, с. 3 обложки.
5. Маметьев, Л. Е. Роль опорных подшипниковых узлов в буровой и горно транспортной технике / Л.Е. Маметьев, О.В. Любимов, Ю.В. Дрозденко. – Перспек тивы развития горно-транспортного оборудования: Сборник статей. Отдельный вы пуск 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 конструктивно технологической адаптации бурошнековых машин к требованиям заказчика / Л.Е. Маметьев, О.В. Любимов. – Материалы 26-й конференции и выставки Международного общества по бестраншейным технологиям [Электронный ре сурс]. – 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 отрас ли в регионах России и странах СНГ. Материалы II Международной научно практической конференции. – Прокопьевск, 2009, с. 263-265.
8. Маметьев, Л. Е. О проектировании подшипниковых опор для инстру мента бурошнековых машин / Л.Е. Маметьев, Ю.В. Дрозденко, О.В. Любимов.
– Проблемы механики современных машин: Материалы четвертой междуна родной 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. Маметь ев, Ю.В. Дрозденко, О.В. Любимов. – Фундаментальные проблемы форми рования техногенной геосреды. Том 2. Машиноведение. – Новосибирск: ИГД СО РАН, 2009. – С. 283-285.
10. Маметьев, Л. Е. Результаты внедрения бурошнековых для бестран шейной технологии прокладки коммуникаций / Л.Е. Маметьев, Ю.В. Дроз денко, О.В. Любимов. – Материалы 1-й конференции и выставки по бес траншейным технологиям в России, СНГ и странах Балтии [Электронный ре сурс]. – 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 соору жения городских подземных коммуникаций / Л.Е. Маметьев, Ю.В. Дрозденко, О.В. Любимов. – Строительство и эксплуатация угольных шахт и городских под земных 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 под шипников с АФЗ в опорных узлах горных машин / Л.Е. Маметьев, О.В. Лю бимов, В.П. Котурга. – Инновации в машиностроении: Труды 2-ой Междуна родной научно-практической конференции (6-8 октября 2011 г., Россия, Ке мерово) – 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., Котур га 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., Тол стов 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., Котур га 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