ПОДБОР  МАТЕРИАЛОВ ОПОРНЫХ РОЛИКОВ ПОДВЕСКИ  В  КОНВЕЙРЕ  С ПОДВЕСНОЙ ЛЕНТОЙ

 

Давыдов C.В., Ивченко В.Н.

(Инжиниринговый центр БГТУ,  г.Брянск, РФ)

 

Investigate process the wear supporting structure (rollers) of the belt conveyors with a hanging belt. Fulfill the selection antifriction and wear resistance construction material for the rollers. 

 

Инженерно-производственный центр "Конвейер" разработал принципиально новый тип конвейера с подвесной лентой [1].  В процессе эксплуатации конвейера (рис 1, а) обнаружено явление разупрочнения контактной поверхности детали "ролик" в открытой паре трения качения " опорный  узел подвеска - трубная направляющая" (рис. 1, б, в; зона 1).

Явление разупрочнения проявляется в интенсивном износе контактной поверхности верхнего ролика А в зоне 1 (рис. 2, а). Край реборды утончается с 5 мм до 1…2 мм с образованием наплыва из деформированного металла. Увеличение кривизны опорной поверхности ролика сопровождается самозаклиниванием пары трения качения и недопустимым  изгибом  кронштейна (рис.1, б, поз. 4). В результате этого явления, в процессе работы конвейера происходит сброс подвески с трубной направляющей и вырыв ленты в зоне крепления, что приводит к аварийной остановке конвейера.

Разупрочнение металла в зоне контакта ролик-труба объясняется образованием в структуре поверхностного слоя металла неравномерного тонкого слоя пластически деформированного феррита, образующего полосы разупрочнения по поверхности верхнего ролика А в зоне 1 (рис 2, б). Металлографически установлено, что ширина полос 1…2 мм, глубина ферритного слоя в полосе 0,2…1,0 мм (рис 3). Расчет площадки контакта пары трения по [2]  показал, что гео­метрически пятно контакта представляет собой эллипс с осями 2а = 4,34 мм, 2в = 1,5 мм и ширина полосы разупрочнения соответствует малой оси эллипса пятна контакта. Следовательно, полосы разупрочнения на поверхности ролика представляют собой линии контакта ролика с трубой в зависимости от его местонахождения на трубных направляющих (рис.1, б и в).

Исследовали микроструктуру (рис 3, а) и измеряли твердость по Виккерсу (НV)   металла ролика А в зоне 1 (рис. 3, б).  Ролик изготовлен из стали 45, термообработка - улучшение, структура - сорбит отпуска с остатками ферритной сетки. Твердость стали - НВ = 2600…2800 МПа.

Структура полосы разупрочнения состоит из нескольких участков.

1. Переупрочненный поверхностный слой (рис.3, поз.2). На ферритном участке данный слой значительно разрушен. Его средняя толщина 0,01…0,05 мм. Твердость НV = 3000 МПа.  В  структуре слоя из-за значительных деформаций наблюдаются множественные микротрещины, способствующие отслаиванию металла, что и определяет интенсивный износ поверхности в ферритной полосе.

2. Ферритная область разупрочнения (рис. 3, поз.1). Размеры области: по ширине 1,0…2,0 мм, по глубине 0,2...1,0 мм. На глубине 0,3 мм от поверхности средняя твердость HV = 1900 МПа. Структура области состоит из крупных деформированных светлых зерен в сорбитной матрице.  Микротвердость данных зерен составляет HV_M =1200…1600 МПа, что соответствует твердости феррита.

3. Переходная область (рис. 3, поз.3). Состоит из редких включений сильно деформи­рованных зерен феррита в виде длинных и узких полос шириной до 0,01 мм. Твердость HV = 2270 МПа. Средняя толщина слоя около 0,3…0,5 мм.

4. Область лежащая вне полос разупрочнения. Структура состоит из отдельных мелких изолированных слабо деформированных включений феррита в сорбитной матрице. Твердость HV = 2400 МПа.

Для всех рассматриваемых областей характерным признаком является наличие значи­тель­ного количества микротрещин (рис. 3, поз 6), распространяющихся на глубину до 0,3…0,5 мм как в горизонтальной плоскости (расслаивание металла), так и в вертикальной плоскости (растрес­ки­вание металла). Наличие микротрещин усиливает эффект разупрочнения поверхностного слоя и интенсифицирует износ.

В ферритной области наличие микротрещин наиболее опасно, так как их развитие может привести к скалыванию реборды ролика и начало этого процесса уже зафиксировано на ряде роликов работающего конвейера.

Деформационные процессы в зоне контакта сопровождаются не только изменением микро­структуры металла, но и перераспределением деформированного металла, его раскатыванием в направлении реборды, образованием наплыва с ярко выраженной наклепанной структурой металла (рис. 3, поз.4) и его последующим сколом, что является недопустимым явлением, опасным для эксплуатации конвейера. Аналогичное явление обнаружено также при разрушении опорных катков экскаватора [3].

Исследованиями установлено, что разупрочненные полосы  феррита интенсифицируют износ поверхности ролика и являются источником внутренних трещин, ответственных за скол реборды ролика. Причина возникновения слоев феррита заключается в том, что в условиях сложного термо - силового воздействия в зоне трения сорбитная структура стали становиться неработо­способной, метастабильной и претерпевает распад на более стабильную структуру феррита, но менее прочную и износостойкую. Механизм  обнаруженного явления еще предстоит выяснить в дальнейших исследованиях. Причем, парадоксальность данного явления состоит в том, что направляющие трубы изготовлены из стали 10 с поверхностной твердостью НВ = 1400 МПа, а интенсивно изнашиваемый ролик из улучшенной стали 45 с твердостью НВ = 2600…2800 МПа.

С целью повышения эксплуатационной надежности работы конвейеров с подвесной  лентой, с учетом специфики их работы и жестких многофакторных условий работы триботехнических пар "труба - ролик", проведен комплекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по синтезу принципиально новых типов износостойких материалов.

Для обеспечения устойчивой работы пары трения " ролик-труба" разработаны два типа специальных износостойких и антифрикционных чугунов, состоящих из термодинамически стабильных структурных компонентов: графита, феррита, цементита и карбидов.

Тип А. Износостойкие и антифрикционные ковкие чугуны с компактной формой графита. Матрица ферритная или феррито-перлитная. Объем графитной фазы и степень ее дисперсности регулируются термической обработкой. Свойства чугунов:  σ _В = 276…398 МПа, НВ = 2070…2230 МПа, коэффициент полусухого трения  f   = 0,12 [ 4 ].

Тип Б.  Половинчатые износостойкие чугуны. Матрица с регулируемой структурой от ферритной до мартенсито-трооститной. Термодинамически стабильные фазы графит и цементит могут быть получены с различной формой  и распределением.  Свойства чугунов: σ _В = 350…1100 МПа,  НВ = 2350…2480 МПа, коэффициент сухого трения  f = 0,9.

Для  "мягких" условий работы конвейера (при малых удельных нагрузках, низких скоростях движения ленты, малопылящих грузах и т.п.) ролики изготавливаются из чугунов с ферритной или феррито-перлитной матрицами (рис. 4, а). Для "жестких" условий работы конвейера (при высоких удельных нагрузках, высоких скоростях ленты, неравномерности ее загрузки по длине и ширине, пылящих грузах, высокой влажности и химической активности окружающей среды и транспортируемых материалов и т.п.)  ролики изготавливают из стабильно-половинчатых чугунов (рис. 4, б).

Отличительной особенностью чугунов нового типа является графитная фаза компактной формы, причем при сохранении достаточно большого объема графита в матрице чугуна можно получать как мелкодисперсную графитную фазу, так и более крупные включения. Отличительной особенностью чугунов нового типа является графитная фаза компактной формы, причем при сохранении достаточно большого объема графита в матрице чугуна можно получать как мелкодисперсную графитную фазу, так и более крупные включения графита.

Наличие значительного количества графитной фазы в матрице чугуна решает следующие задачи:

1. Графит играет роль естественной твердой смазки, снижающей коэффициент трения в условиях абразивного сухого изнашивания.

2. Поступление графита в зону контакта препятствует образованию адгезионных мостиков схватывания, ослабляя процесс разрушения и разупрочнения поверхности трения.

3. Графит в данных условиях трения является диссипативной структурой, рассеивающей выделяющуюся при  трении теплоту деформации в зоне  контакта в объем металла, снижая тем самым температуру поверхности трения по причине своей высокой теплопроводности.

4. Графит локализует процесс развития усталостных трещин, особенно в рабочем поверхностном слое металла, предотвращая процесс разрушения (истирания) контактирующих поверхностей.

5. Графит снижает уровень шума работы конвейера.

В настоящее время из разработанных типов чугунов изготовлены экспериментальные подвески, проходящие испытание на  конвейерах с подвесной лентой, работающих  на Лебединском ГОКе  (г. Белгород).

 

Литература

1. Подопригора Ю.А., Ивченко В.Н., Щупановский В.Ф., Бабай В.Я. Внедрение конвейера с подвесной лентой // Горный журнал, 1997.- № 5 – 6.- С. 72 - 75.

2. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Расчеты на прочность деталей машин. Справочник. 4 -е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1993 -- 640 с.

3. Яковлева С.П., Милохин С.Е. Причины эксплуатационного разрушения опорного катка экскаватора ЭКГ-90 // Металловедение и термическая обработка металлов. – 1985.- № 10.- c. 8-10.

4. Антифрикционный чугун. Авт. свидетельство СССР № 1151581 от 3 ноября 1982 г. (Бюллетень " Открытия, изобретения...." № 15, 1985 г.). Авт.: Давыдов С.В. и др.

5. Чугун. Авт. свидетельство СССР № 1041597  от 01 апреля 1982 г.  (Бюллетень "Открытия, изобретения..." № 34, 1983г.). Авт.: Сильман Г.И., Давыдов С.В. и  др.