Damping capacity research of the persistent bearing in case of the intermediate elements from composition materials are added

Abstract

The research results of damping capacity of heavy-loaded contact in the persistent bearing of boring chisels rolling cutters in case of the intermediate elements of the persistent bearing are made from composition materials are given.

Full Text

В разработанной конструкции упорных подшипников скольжения шарошечных буровых долот [1, 4, 9] и др. уступ цапфы 1 взаимодействует с опорной поверхностью шарошки 2 через промежуточную свободно сидящую шайбу 3 (рис. 1). В наиболее результативных разработках упорных подшипников и технических способах повышения работоспособности буровых долот [1…6] и др. предложено применение в опорах износостойких марок сталей, бронзовых шайб, смазок с высокой адгезионной способностью, создана система подачи смазки, устройство смазочных каналов, подобраны антифрикционные покрытия и др. Однако эти технические усовершенствования до настоящего времени не обеспечивали необходимую долговечность упорных подшипников долот. Работоспособность 60 – 70 % шарошечных долот прекращается в результате выхода из строя опор, а не режущих зубков. Характерные отказы при эксплуатации наблюдаются в виде схватывания, задиров и заклинивания между упорным буртом цапфы, промежуточной шайбой, втулкой и опорной поверхностью шарошки [1, 4] и др., что свидетельствует о работе опор в режиме смешанной смазки при воздействии высоких механических и тепловых нагрузок. В практике совершенствования опор в долотном производстве, например на ОАО «Волгабурмаш», лучшие результаты получены при выполнении упорного подшипника скольжения с установкой промежуточной свободно сидящей шайбы, изготавливаемой из бронзы БрБ2, и нанесении на бронзу серебряного покрытия при одновременном применении высокоэффективных консистентных смазок, например американской смазки JBL-713R [1]. Изучение работоспособности и режима трения в упорных подшипниках скольжения показало, что эти сопряжения нагружаются на пределе своих возможностей, что особенно резко проявляется при недостатке смазочного материала. Например, шарошечные долота диаметра 46...508 мм работают при осевых нагрузках больше 200 кН, частоте вращения 0,7...20 с-1, в абразивосодержащей среде, при значительной динамичности приложения нагрузки. Рис. 1. Принятая компоновка опоры шарошек буровых долот со свободно сидящей промежуточной втулкой и шайбой: 1 – цапфа; 2 – шарошка; 3 – промежуточная свободно сидящая упорная шайба; 4 – свободно сидящая втулка осевого подшипника; 5 – шариковый замок; 6 – герметизирующее уплотнение; 7 – опорная лапа шарошки Рис. 2. Компоновка комплексного упорного подшипника: 1 – цапфа; 2 – шарошка; 3 – верхняя шайба из металлофторопласта; 4 – стальная шайба; 5 – нижняя шайба из металлофторопласта Коэффициент динамичности шарошечных долот составляет 1.3...1.5, всестороннее гидростатическое давление в контакте достигает 6000...8000 мПа и более, крутящий момент – 2500 Н∙м. В связи с отмеченным актуальной технической задачей является изучение динамики упорных подшипников шарошек буровых долот, поиск, всестороннее исследование и разработка новых технических решений [7, 8, 9] и др. для снижения динамичности нагрузки и повышения на этой основе работоспособности и долговечности опор. Для реализации намеченного поиска более эффективного технического решения был разработан ряд технических мероприятий: проведение экспериментальной оценки нагрузочной и демпфирующей способности упорного подшипника в базовом исполнении при варьировании марок смазки; применение двух бронзовых шайб с серебряным покрытием; применение дополнительной (третьей) стальной шайбы при установке между двумя бронзовыми; применение шайб из металлофторопласта и композиционной опоры из двух фторопластовых шайб, разделенных стальной шайбой (рис. 2). В качестве первого мероприятия была проведена экспериментальная оценка предельных нагрузок упорного подшипника в базовом исполнении ОАО «Волгабурмаш» (с промежуточной шайбой из бронзы БрБ2 с серебряным покрытием) при варьировании 12 смазочных композиций. Результаты оценки предельной нагрузки представлены на рис. 3. Как видно из рис. 3, наиболее эффективные смазки существенно повышают работоспособность опор. В последующих испытаниях упорного подшипника оценивали контактную жесткость и демпфирование в стыке в зависимости от конструктивного исполнения и применяемой марки смазки. Для реализации таких испытаний были разработаны методики и средства испытания – устройства, моделирующие упорный подшипник, режимы его нагружения и подобраны необходимые мерительные приборы. Рис. 3. Результаты оценки предельной нагрузки схватывания в упорных подшипниках с промежуточной шайбой при испытаниях на стенде СамГТУ: предельная нагрузка схватывания, кгс/см2; момент трения, н·м; температура разогрева, ˚С; износ, мкм; 1 – Томфлон ЭПЦ-10; 2 – Томфлон ЭПЦ-10+ПМС-60000; 3 – Томфлон ССВ-250; 4 – Долотол МАУ+ПМС-60000; 5 – JBL-713+ ПМС-60000; 6 – Томфлон СК250; 7 – JBL-713; 8 – Томфлон ССВ-250+ПМС-60000; 9 – Долотол МАУ; 10 – две опорных шайбы с Томфлон ССВ-250; 11 – Томфлон ССВ-250+MicroCeramic; 12 – Томфлон ЭПЦ-10+MicroCeramic а б в Рис. 4. Установка для оценки динамических характеристик в торцевом упорном подшипнике скольжения шарошки: а – схема устройства для измерения демпфирования и жесткости стыка; б – фотография устройства для измерения демпфирования стыка; в – фотография устройства для измерения жесткости стыка с помощью микрокатора 8; 1 – опорная поверхность; 2 – промежуточная шайба; 3 – образец верхней упорной поверхности; 4 – дополнительный груз; 5 – направляющая втулка; 6 – емкостный датчик; 7 – опорная станина а б в Рис. 5. Зависимость контактной жесткости упорного подшипника: а – без промежуточной шайбы; б – с промежуточной шайбой из бронзы БрБ2; в – с трехслойным металлофторопластовым промежуточным элементом; 1 – без смазки; 2 – со смазкой Циатим-221; 3 – со смазкой JBL-713; 4 – со смазкой Долотол М-АУ; 5 – со смазкой ОАО «СвНИИНП» № 02/С от 12.03.2012; 6 – со смазкой ОАО «СвНИИНП» № 79С-3Д13 от 12.03.2012; 7 – со смазкой Циатим-221 с присадкой частиц детонационных наноалмазов ИХХТ СО РАН Исследование жесткости упорного подшипника выполняли на устройстве, показанном на рис. 4, в. При испытаниях на испытываемый модельный упорный узел подавали нагрузку Р и с помощью микрокатора 8 (рис. 4, в) производили измерение сближения в стыке упорного подшипника при каждом значении приложенной нагрузки. Результаты оценки контактной жесткости в базовой конструкции шарошки (с промежуточной шайбой) приведены на рис. 5. При оценке демпфирования в упорных подшипниках шарошек (рис. 4, а) производили статическое нагружение грузом 4, а затем ударом по центральному штоку образца 3 возбуждали собственные затухающие колебания в стыке (по оси шарошки, рис. 5), по которым оценивали характеристику демпфирования – логарифмический декремент колебаний (1). Амплитуду колебания стыка измеряли с помощью емкостного датчика 6, подключенного к разработанному усилителю сигнала. После АЦП-преобразования в устройстве Е-14-140МД (ООО «Л Кард») сигнал передается в компьютер по каналу USB и производится его обработка. Для приема, записи и анализа вибросигналов с емкостного датчика использовали программу PowerGraph 3.3 Professional, в которой оценку логарифмического декремента колебаний выполняли по известной методике [10, 11, 12 и др.]: d = ln(An/An+1), (1) где An и An+1 – соседние амплитуды затухающих колебаний из анализируемой виброграммы (рис. 6). Рис. 6. Вид рабочего экрана программы PowerGraph 3.3 Professional при записи затухающих колебаний в исследуемой опоре Результаты оценки демпфирования, приведенные в ряде конструктивных исполнений упорного подшипника шарошек буровых долот, показаны на рис. 7 и в табл. 1. Таблица 1 Результаты оценки демпфирования в стыке торцевого упорного подшипника скольжения № опыта Материал промежуточного элемента Смазка Удельная статическая нагрузка, кГс/см2 Ср. повышение в сравнении с сухим стыком, % 0,22 0,65 1,08 Логарифмический декремент колебаний, d = ln(An/An+1) 1 Стык без шайбы Без смазки 0,11 0,09 0,08 0 2 Циатим-221 0,44 0,39 0,31 297 3 JBL-713R 0,48 0,45 0,41 367 4 Два стыка на шайбе из БрБ2 Без смазки 0,22 0,18 0,18 100 5 Циатим-221 0,57 0,56 0,52 475 6 JBL-713R 0,61 0,59 0,56 513 7 Четыре стыка на шайбе из БрБ2 Без смазки 0,28 0,24 0,22 158 8 Циатим-221 0,83 0,79 0,77 733 9 JBL-713R 0,89 0,87 0,81 795 10 Десять сухих стыков на 9 шайбах Без смазки 0,41 0,35 0,22 240 11 Стальная гладкая шайба между 2 металлофторопластовых JBL-713 + подслой ПМС60000 1,12 1,08 1,04 1029 12 Две пластины из металлофторопласта JBL-713 + 5 % присадки 2 0,93 0,89 0,87 837 Рис. 7. Результаты оценки демпфирования в стыке торцевого упорного подшипника скольжения: № опыта – по табл. 1 Графическая интерпретация всех полученных результатов, характеризующих роль демпфирования в упорном подшипнике, показана на рис. 8 и в табл. 2. Рис. 8. Результаты длительных испытаний промежуточных элементов опор модели долота R866 из промышленных композиционных материалов: нагрузка схватывания, кГс/см2; износ, мкм; время наработки, час; момент трения, Н×м; температура разогрева, °С; логарифмический декремент колебаний; 1 – со стальной гладкой шайбой между двух металлофторопластовых и с подслоем ПМС60000; 2 – с двумя металлофторопластовыми шайбами и с 5 % присадки 2, № опыта по табл. 2 Таблица 2 Результаты испытаний промежуточных элементов опор из промышленных металлополимерных композиционных материалов № опыта Материал промежуточного элемента Декремент колебаний d Смазка Нагрузка схватывания, кГс/см2 Время наработки, час Износ, мкм Момент трения, Н·м Коэффициент трения Температура разогрева, °С 1 Стальная гладкая шайба между 2 металлофторопластовых 1,12 JBL-713 + подслой ПМС60000 513 6 – 2,74 0,024 192 2 2 шайбы из металлофторопласта 0,93 JBL-713 + 5 % присадки 2 77 100 340 1,58 0,093 137 Выводы При обосновании конструктивных параметров упорного подшипника шарошек буровых долот целесообразно оптимизировать его контактные характеристики – контактную жесткость и контактное демпфирование за счет выбора материала промежуточных шайб, их пакета и подбора смазочного материала. Наибольшее значение имеет обеспечение высокой демпфирующей способности стык, понижающий динамическую составляющую нагрузки, что может быть реализовано конструктивным путем (применение пакета шайб) и подбором смазок с высокими поглощающими характеристиками. Как показала экспериментальная проверка, наибольший декремент затухания получен при применении 3-слойного промежуточного элемента на основе металлофторопласта при смазке JBL-713 с подслоем кремнийорганической жидкости ПМС‑60000. В сравнении с базовым вариантом (промежуточная шайба из БрБ2) логарифмический декремент затухания для стыка упорного подшипника скольжения с одной промежуточной шайбой из БрБ2 составил d = 0,61 (табл. 1, опыт № 6), а для 3‑слойного промежуточного элемента со смазкой (JBL-713 + подслой ПМС60000) d = 1,12 (табл. 1, опыт № 11). По данным результатов трибоиспытаний торцевого упорного подшипника скольжения модели долота R866 с консистентными смазками JBL-713 (фирмы Tomlin) и Циатим-221 при добавлении присадок с кластерными наноалмазными порошками ИХХТ СО РАН и полиметилсилоксановой жидкости ПМС-60000 наилучшие результаты (по предельной нагрузке схватывания) получены на 3-слойном промежуточном элементе со смазкой (JBL-713 + подслой ПМС60000, табл. 2, опыт № 1). Логарифмический декремент затухания при этом составил d = 1,12.