КРИВОРІЗЬКИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Фірас М.Ф. Аль–Куран

УДК 621: 926: 621.81

Підвищення надійності та вібростійкості конструктивних з’єднувальних елементів гірничо-збагачувальних машин і обладнання

05.05.06 – “Гірничі машини”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Кривий Ріг – 2001

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Криворізькому технічному університеті

Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор,

Рудь Юрій Савелійович,

Криворізький технічний університет,

завідувач кафедри теоретичної та

прикладної механіки

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Трегубов Віталій Анатолійович, Криворізький технічний університет, завідувач кафедри теплотехніки.

кандидат технічних наук, доцент Скорняков Олександр Олександрович,

Криворізький державний педагогічний університет, доцент кафедри загально-інженерних дисциплін

Провідна установа

Національна гірнича академія України, кафедра гірничих машин, Міністерство освіти і науки України, м. Дніпропетровськ

Захист відбудеться “23” жовтня 2001р. об 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д09.052.03 при Криворізькому технічному університеті за адресою: 50099, м. Кривий Ріг, вул. Пушкіна, 37.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Криворізького технічного університету: 50099, м.Кривий Ріг, вул. Пушкіна, 37.

Автореферат розісланий “19” вересня 2001р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук, доцент М.П.Тиханський

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Найбільш масовими конструкційними з’єднувальними елементами гірничо-збагачувальних машин і обладнання є різьбові з’єднання. До 60…70% деталей складальних одиниць цього обладнання з’єднується між собою різьбовими деталями або мають різьбу. Міцність та вібростійкість різьбових з’єднань, стабільність у часі їх навантажувальних характеристик значно визначають роботоздатність вузлів і агрегатів, а також машин і обладнання у цілому. Вібростійкість різьбових з’єднань гірничо-збагачувального обладнання частіше всього забезпечується шляхом використання пружинних шайб і стопоріння силовим замиканням на різьбу. Досвід експлуатації показує, що надійність і вібростійкість стандартних різьбових з’єднань, що використовуються в гірничо-збагачувальних машинах і обладнанні, ще недостатні. Одною із причин такого положення є використання в гірничо-збагачувальному обладнанні уніфікованих стандартних різьбових з’єднань, конструкція і параметри яких розраховані для усереднених навантажувальних режимів, які існують у загальному машинобудуванні. Реальні режими навантаження гірничо-збагачувальних машин і обладнання значно відрізняються від усереднених показників навантаження. Тому для підвищення надійності гірничо-збагачувальних машин і обладнання, зниження експлуатаційних витрат і трудомісткості ремонтів необхідна розробка нових конструкцій з’єднувальних елементів – різьбових з’єднань, які були б адекватними до реальних умов їх експлуатації.

Експлуатації гірничо-збагачувальних машин і обладнання характеризуються такими основними особливостями: 1). У зв’язку із ростом одиничної продуктивності, габаритів і потужності привода гірничо–збагачувальних машин і обладнання їх складові частини і конструктивні з’єднувальні елементи зазнають особливо великого статичного і динамічного навантаження, яке постійно зростає. 2). Режим навантаження агрегатів, вузлів, конструкційних з’єднувальних елементів, в тому числі і різьбових, відрізняється надзвичайно широким діапазоном коливань у часі частоти і амплітуди змінної напруги. 3). Статичне і динамічне навантаження на конструктивні елементи і різьбові з’єднання залежить від випадкових факторів, які діють при виготовленні, монтажі, ремонті та експлуатації обладнання, і змінюється за законами імовірності. Джерелом збурення статичного і динамічного навантаження, яке діє у конструкційних елементах обладнання, є їх взаємодія із гірничою породою, яка руйнується або транспортується, а також коливання технологічного процесу, які зв’язані із випадковою зміною у широкому діапазоні фізико-механічних характеристик сировини. У особливо складних режимах навантаження знаходяться конструктивні з’єднувальні елементи – різьбові з’єднання базового технологічного обладнання збагачувальних фабрик – рудорозмельних барабанних кульових млинів і млинів самоподрібнювання. Кульовий млин МШР 36005500 має біля 200 футеровочних болтів М42200, а млин самоподрібнювання ММС 90003000 – 448 футеровочних болтів М48260.

Конструктивні розробки різьбових з’єднань гірничо-збагачувальних машин і обладнання повинні супроводжуватися роботами з удосконалення методів розрахунку їх міцності, вібростійкості та надійності. Основна увага повинна приділятися уточненню метода оцінки осьової піддатливості проміжних деталей з’єднання – насамперед пружинних шайб різних конструкцій. Існуючі методи розрахунку міцності різьбових з’єднань мають явно виражений детермінований характер і дають змогу оцінити показники міцності лише за усередненими значеннями навантаження, форми і розмірів деталей, при нормативних механічних характеристиках матеріалів. У цих методах не ураховується те, що процес функціонування гірничо-збагачувальних машин і обладнання має явно виражений випадковий характер . Характеристики міцності конструктивних з’єднувальних елементів гірничо-збагачувальних машин і обладнання також мають імовірну природу .

Тому необхідне сумісне урахування випадкового характеру навантаження і міцності конструктивних з'єднувальних елементів гірничо-збагачувальних машин і обладнання, що можливо реалізувати на основі теорії імовірності.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, результати яких наведено в дисертації, виконані в рамках тематичних планів науково-дослідних робіт Криворізького технічного університету в області підвищення надійності гірничих машин і обладнання за 1997- 2000 рік.

Мета і задачі дослідження – підвищення надійності гірничо-збагачувальних машин і обладнання за рахунок удосконалення конструктивних з’єднувальних елементів – різьбових з’єднань, розробка імовірних методів їх розрахунку. Об’єктом досліджень є надійність гірничо–збагачувальних машин і обладнання. Предметом досліджень є надійність і вібростійкість конструктивних з’єднувальних елементів гірничо – збагачувальних машин і обладнання.

Методи дослідження – засновані на використанні теорії надійності гірничих машин та конструктивних з’єднувальних елементів - різьбових з’єднань, методів планування та проведення експерименту, математичної статистики.

Ідея роботи – підвищення надійності та вібростійкості конструктивних з’єднувальних елементів гірничо-збагачувальних машин і обладнання за рахунок підвищення сил тертя на опорних поверхнях деталей конструкційних з’єднань.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Метод підвищення надійності та вібростійкості конструктивних з’єднувальних елементів гірничо-збагачувальних машин і обладнання, новизна якого полягає в тому, що збільшення сил тертя між деталями конструкційних з’єднань досягається за рахунок цілеспрямованої зміни геометричної форми і параметрів їх опорних поверхонь, а силове замикання їх елементів здійснюється з допомогою пружинних шайб особливої конструкції, у яких використовується принцип дії циліндричних і спеціальних пружин.

2. Залежності зведеного коефіцієнта тертя опорних поверхонь деталей вібростійких різьбових з’єднань гірничо-збагачувальних машин і обладнання від сили їх затяжки, новизна яких полягає у виборі степеневої функції та визначенні її коефіцієнтів.

3. Залежності сили затяжки вібростійких різьбових з’єднань гірничо-збагачувальних машин і обладнання від часу дії змінного навантаження, новизна яких полягає у виборі показникової функції та визначенні її коефіцієнтів.

4. Метод оцінки приросту запасу міцності вібростійких різьбових з’єднань гірничо-збагачувальних машин і обладнання при статичному і змінному навантаженні, новизна якого полягає у порівнянні коефіцієнтів основного навантаження стандартних і вібростійких з’єднань з урахуванням осьової піддатливості пружинних шайб нових конструкцій.

5. Метод оцінки надійності вібростійких різьбових з’єднань гірничо-збагачувальних машин і обладнання, новизна якого полягає в тому, що квантиль нормованого нормального розподілу ресурсу їх довговічності визначається координатою перетину дотичних до функцій розподілу навантаження і міцності різьбових з’єднань.

Обґрунтованість та вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується використанням сучасних теоретичних і експериментальних методів досліджень, що дозволило одержати оцінку характеристик тертя з довірчою імовірністю 0,9 і відносною похибкою 0,1; значимістю зв’язку між дослідними параметрами у кореляційних залежностях; задовільною збіжністю теоретичних і експериментальних досліджень (розходження складає 2…14%).

Наукове значення роботи полягає у розробці: 1) методу підвищення надійності та вібростійкості конструктивних з’єднань гірничо-збагачувальних машин і обладнання шляхом цілеспрямованої зміни геометричної форми і параметрів опорних поверхонь деталей з’єднань, а також силового замикання їх елементів з допомогою пружинних шайб особливої конструкції, у яких використовується принцип дії циліндричних і спеціальних пружин; 2) методу оцінки приросту запасу міцності вібростійких різьбових з’єднань гірничо-збагачувальних машин і обладнання при статичному та змінному навантаженні шляхом порівняння коефіцієнтів основного навантаження стандартних і вібростійких різьбових з’єднань з урахуванням осьової піддатливості пружинних шайб нової конструкції; 3) методу оцінки надійності вібростійких різьбових з’єднань гірничо-збагачувальних машин і обладнання в якому квантиль нормованого нормального розподілу ресурсу довговічності визначається координатою перетину дотичних до функцій розподілу навантаження і міцності з’єднань; у визначені залежностей: 1) зведеного коефіцієнта тертя опорних поверхонь деталей вібростійких різьбових з’єднань гірничо-збагачувальних машин і обладнання від сили їх затяжки: 2) сили затяжки цих з’єднань від часу дії змінного навантаження або кількості циклів навантаження.

Практичне значення одержаних результатів полягає у розробці: 1) нових конструкцій з’єднувальних елементів – різьбових з’єднань, які відрізняються підвищеною надійністю і вібростійкістю і призначені для роботи в умовах динамічного навантаження змінної дії, яке характерне для гірничо-збагачувальних машин і обладнання; 2) методик оцінки надійності та приросту запасу міцності вібростійких різьбових з’єднань гірничо-збагачувальних машин і обладнання при статичному і змінному навантаженні; у визначенні: 1) характеристик тертя запропонованих у дисертації вібростійких різьбових з’єднань гірничо-збагачувальних машин і обладнання; 2) залежності зведеного коефіцієнта тертя опорних поверхонь деталей нових вібростійких різьбових з’єднань від сили затяжки; 3) залежності сили затяжки вібростійких різьбових з’єднань гірничо-збагачувальних машин і обладнання, а також швидкості її зміни від часу дії змінного навантаження або кількості циклів навантаження; 4) надійності та приросту підвищення запасу міцності вібростійких футеровочних різьбових з’єднань рудорозмельних кульових млинів МШР 36004000, МШР 40005000, МШР 45005000, МШЦ 36005500, МШЦ 40005500, МШЦ 45006000 і млинів самоподрібнювання ММС 70002300, ММС 90003000, ММС 70006000.

Реалізація висновків і рекомендацій роботи. Розроблені в дисертації “Конструкція та методика розрахунку конструктивних з’єднувальних елементів – вібростійких різьбових з’єднань гірничо-збагачувальних машин і обладнання” передані ВАТ “КриворіжНДПІрудмаш” (м. Кривий Ріг).

Особистий внесок здобувача. Автором особисто сформульовані мета, ідея, задачі досліджень, наукові положення, наукове і практичне значення роботи, виводи та рекомендації; ним обґрунтована ідея підвищення надійності та вібростійкості конструктивних з’єднувальних елементів за рахунок підвищення сил тертя на їх опорних поверхнях; доведена можливість збільшення сил тертя на опорних поверхнях конструктивних з’єднувальних елементів за рахунок цілеспрямованої зміни їх геометричної форми і параметрів; розроблена конструкція надійних і вібростійких з’єднувальних елементів – різьбових з’єднань, призначених для роботи в умовах динамічного навантаження змінної дії; установлено значення характеристик тертя запропонованих конструкцій різьбових з’єднань, залежностей зведеного коефіцієнта тертя опорних поверхонь деталей вібростійких різьбових з’єднань гірничо-збагачувальних машин і обладнання від сили їх затяжки і залежності сили їх затяжки від часу дії змінного навантаження або кількості циклів навантаження; запропоновано методи оцінки приросту запасу міцності вібростійких різьбових з’єднань при статичному і змінному навантаженні та оцінки їх надійності за координатою перетину функцій розподілу навантаження і міцності з’єднань.

Апробація результатів дисертації. Зміст і основні положення роботи викладені у доповідях на міжнародних наукових симпозіумах “Неделя горняка – 1999” та “Неделя горняка – 2000” (м. Москва, Московський державний гірничий університет та Інститут проблем комплексного освоєння надр РАН), на науково-технічних конференціях Криворізького технічного університету, на наукових семінарах кафедри теоретичної та прикладної механіки КТУ, кафедри електромеханічного обладнання металургійних заводів Криворізького учбово-наукового виробничого комплексу Національної металургійної академії України, кафедри загально-технічних дисциплін Криворізького державного педагогічного університету.

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковані у 8-ми друкованих роботах.

Обсяг і структура роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п’яти розділів, висновків і має 141 сторінку основного тексту, 33 таблиці (45 с.), 76 рисунків(14 с.), список літератури (9 с.) і 1 додаток (1 с.).

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета, ідея, наукові положення, які розроблені особисто співшукачем, та їх новизна, викладено наукове і практичне значення роботи, реалізацію висновків і рекомендацій та апробацію роботи.

У першому розділі аналізується сучасний стан проблеми надійності та вібростійкості конструктивних з’єднувальних елементів гірничо-збагачувальних машин і обладнання. В результаті аналізу літературних джерел і практики експлуатації гірничо-збагачувальних машин і обладнання встановлено, що найбільш поширеними конструктивними з’єднувальними елементами в цих машинах є різьбові з’єднання. Відомі вчені Д.М. Решетов, М.М. Іванов вважають, що у сучасних машинах більше як 60% деталей складальних одиниць мають різьбу, а трудомісткість їх складання перевищують 25…35% від загальної трудомісткості складальних робіт. Д.О. Левицький твердить, що у загальному обсязі з’єднань різного типу, які використовуються у гірничо-збагачувальних машинах і обладнанні, питома вага різьбових з’єднань є ще більшою.

Для підвищення надійності гірничо-збагачувальних машин і обладнання, його довговічності, економічності, зниження металомісткості необхідно удосконалювати відомі та розробляти нові конструкції з’єднувальних елементів – різьбових з’єднань, які були б адаптованими до умов експлуатації. Статистичні спостереження за роботою промислових об’єктів та дослідження відомих вчених П.В. Семенчі, Ю.О. Зисмана, О.В. Докукіна, Є.Є. Гольдбухта, Л.І. Кантовича, С.Д. Бабарики, В.М. Гетопанова, Ю.С. Рудя підкреслюють специфіку умов експлуатації гірничих та гірничо-збагачувальних машин та обладнання, які повинні враховуватися при їх проектуванні, виготовленні та експлуатації.

Для забезпечення вібростійкості та стабільності затяжки різьбових з’єднань гірничо-збагачувальних машин та обладнання в умовах змінного навантаження використовують слідуючи способи стопоріння: 1). Створення додаткових сил тертя у різьбі та на опорному торці гайки шляхом радіального або осьового тиску. 2). Взаємна фіксація болта відносно гайки (корпуса), одної із деталей, які з’єднуються, або декількох гайок. 3) Стопоріння за допомогою місцевих пластичних деформацій. Найбільш поширений перший спосіб стопоріння у 70…80% від всіх способів стопоріння використовуються пружні стопорні шайби, у 20…22% - використовуються контргайки. Недоліком цих способів стопоріння є: 1). Збільшення габаритів і металомісткості різьбових з’єднань. 2). Ускладнення конструкції гайки або необхідність використання двох гайок у кожному з’єднанні. 3). Ускладнення монтажу та демонтажу.

Розглянуто особливості конструкції та умови навантаження футеровочних різьбових з’єднань рудорозмельних барабанних кульових млинів МШР 36004000, МШР 40005000, МШР 45005000, МШЦ 36005500, МШЦ 40005500, МШЦ 45006000, млинів самоподрібнювання ММС 70002300, ММС 90003000, ММС 70006000. Показано, що конструкція і надійність футеровочних різьбових з’єднань рудорозмельних барабанних млинів суттєво впливають на їх загальну надійність роботи, трудовитрати і вартість монтажних і ремонтних робіт, тривалість простоїв, величину технологічних і фінансових витрат, собівартість подрібнення руди на збагачувальній фабриці.

У другому розділі в результаті аналізу і узагальнення відомої теорії різьбових з’єднань розроблено основи теорії розрахунку стабільності затяжки і вібростійкості затягнутих різьбових з’єднань гірничо-збагачувальних машин і обладнання. Розглянуті слідуючи питання: залежність між моментом і осьовою силою затяжки різьбових з'єднань, особливості тертя у різьбі та на опорних поверхнях гайки і з'єднуваних деталей, стабільність затяжки різьбових з'єднань гірничо-збагачувальних машин і обладнання при дії зовнішньої осьової сили . При цьому

, (1)

де – коефіцієнт; – зовнішній діаметр різьби; – коефіцієнт тертя на опорному торці гайки.

Виявлено, що зовнішній діаметр і крок різьби суттєво не впливають на величину коефіцієнта , що дозволило зробить висновок про незначність впливу масштабного фактору на вид залежності і на характеристики тертя в конструктивних елементах різьбового з’єднання, що дозволяє поширити одержані результати досліджень на широкий діапазон діаметрів різьб.

Розроблено дослідний стенд і методика визначення характеристик тертя і вібростійкості різьбових з’єднань гірничо-збагачувальних машин і обладнання при статичному і змінному навантаженні. Дослідний стенд складається із установки для визначення тертя у різьбі і на опорних поверхнях деталей різьбових з’єднань, а також вібраційного стола. Вимірювання постійного навантаження проводилося з допомогою індикаторів годинникового типу НЧ10, кл.1,0 (ГОСТ 577-68) з перерахунком за відповідним тарувальним графіком або рівнянням, а також методами тензометрії з візуальним відліком по шкалі гальванометра типу М195/2, кл.1,0 з ціною поділки А/под. (ГОСТ 7324-68). Вимірювання змінного навантаження проводилося методами тензометрії.

У третьому розділі приведено опис розроблених у дисертації нових конструкцій різьбових з’єднань, які відрізняються підвищеною надійністю та вібростійкістю і призначені для роботи в умовах динамічного і змінного навантаження, характерного для гірничо-збагачувальних машин і обладнання. До цих конструкцій відносяться різьбові з’єднання: 1) з кільцевою пружинною шайбою (чотири варіанти); 2) з тарільчатою пружинною шайбою (три варіанти); 3) з трубчатою пружинною шайбою (два варіанти); 4) з прорізною пружинною шайбою (два варіанти). На рис. 1 показано різьбове з’єднання з двосторонньою кільцевою пружинною шайбою. Для запропонованих різьбових з’єднань нових конструкцій розроблено методи розрахунку конструктивних розмірів, осьової піддатливості, напруги у деталях з’єднання, додаткового моменту опору відгвинчування.

Рис. 1. Різьбове з’єднання з двосторонньою кільцевою пружинною шайбою.

У четвертому розділі описано експериментальні дослідження характеристик тертя різьбових з’єднань гірничо-збагачувальних машин і обладнання при статичному навантаженні. За результатами експериментальних досліджень визначено кількісні характеристики тертя деталей стандартних різьбових з’єднань, які використовуються в гірничих машинах і обладнанні. Діапазон кількісних значень зведеного коефіцієнта тертя без змащення та із змащенням (,) та на опорних поверхнях деталей стандартних різьбових з’єднань (,) добре узгоджується із результатами, опублікованими різними авторами. За результатами виконаних у дисертації експериментальних досліджень визначено кількісні характеристики тертя запропонованих різьбових з’єднань гірничо-збагачувальних машин і обладнання при статичному навантаженні. Зведений коефіцієнт тертя на опорних поверхнях деталей різьбових з’єднань М16 з двосторонньою і односторонньою (1-й варіант) кільцевою пружинною шайбою, а також з гайкою, яка має конічну опорну поверхню, відповідно у 2,26 (із змащенням в 2,36), в 4,29 (із змащенням в 4,29), в 4,27 (із змащенням в 4,42) рази більший значень зведеного коефіцієнта тертя на опорних поверхнях деталей стандартного різьбового з’єднання М16 (ГОСТ 7808-70) з пружинною шайбою за ГОСТ 6402-70. Відповідно до різьбові з’єднання, розроблені в дисертації, мають підвищену вібростійкість порівняно із стандартними різьбовими з’єднаннями підвищену вібростійкість.

Вперше методами теорії кореляції визначено аналітичні і графічні залежності зведеного коефіцієнта тертя деталей різьбових з’єднань гірничо-збагачувальних машин і обладнання від сили затяжки . Ці залежності мають вид ступеневої функції:

, (2)

де і – коефіцієнти, які визначені нами для всіх видів нових різьбових з’єднань.

Ступенева функція об’єктивно відображує залежність зведеного коефіцієнта тертя від тиску на контактуючі поверхні з’єднання.

На рис. 2 для прикладу наведено графічні залежності зведеного коефіцієнта тертя деталей по опорним поверхням від сили затяжки для різьбових з’єднань з двосторонньою кільцевою пружинною шайбою (а); з тарільчатою пружинною шайбою, мм (б); з трубчатою пружинною шайбою (в); з прорізною пружинною шайбою (г).

Рис. 2. Залежності зведеного коефіцієнта тертя по опорним поверхням різьбових з’єднань від сили затяжки .

Визначена надійність та достовірність кореляційної залежності зведеного коефіцієнта тертя деталей по опорним поверхням від сили затяжки різьбових з’єднань гірничо-збагачувальних машин і обладнання.

Для 70% статистичних розподілів коефіцієнт детермінації перевищує 0,6, тобто до 60% значень зведеного коефіцієнта тертя деталей по опорним поверхням знаходиться у причинному зв’язку з силою затяжки . На частку впливу решти, неврахованих факторів, залишається лише 40%.

У п’ятому розділі розглянуто питання стабільності затяжки вібростійких різьбових з’єднань гірничо-збагачувальних машин і обладнання при змінному навантаженні. В результаті аналізу даних, одержаних при дослідженні вібростійких різьбових з’єднань гірничо-збагачувальних машин і обладнання, запропоновано слідуючи функції залежності сили затяжки від часу випробувань :

(3)

де , і – коефіцієнти, – основа натуральних логарифмів.

Для оцінювання числових значень коефіцієнтів , і використовувався модифікований нами метод натягнутої нитки.

Важливим параметром, який визначає стабільність затяжки різьбових з’єднань, є швидкість зміни сили затяжки (кн/год.) під дією вібрацій. Цей параметр знаходиться як похідна функції (3). У таблиці 1 наведено значення осьової сили затяжки і швидкості її зміни від часу випробувань для деяких вібростійких різьбових з’єднань гірничо-збагачувальних машин і обладнання. В першу годину випробувань швидкість зміни сили затяжки різьбових з’єднань з двосторонньою кільцевою пружинною шайбою, з одно сторонньою кільцевою пружинною шайбою (1-й і 2-й варіанти), а також з гайкою із конічною опорною поверхнею нижче швидкості зміни сили затяжки стандартного різьбового з’єднання М16 (ГОСТ 7808-70) з пружинною шайбою за ГОСТ 6402-70 відповідно у 1,94; 1,73; 1,53 і 1,78 рази. Отже, стабільність затяжки вібростійких різьбових з’єднань розглянутої групи в першу годину випробувань вища вібростійкості стандартних різьбових з’єднань з пружинною шайбою за ГОСТ 6402-70 у 1,53...1,94 рази. Стабільність затяжки різьбових з’єднань з тарільчатою і сферичною пружинною шайбою ( мм), а також трубчатою і прорізною пружинними шайбами порівняно із стандартними різьбовими з’єднаннями вища у 1,52; 1,56; 1,02 і 1,67 рази.

Проведено дослідження впливу величини сили попередньої затяжки вібростійких різьбових з’єднань на вид функції залежності осьової сили затяжки і швидкості її зміни у часі від тривалості випробувань або від числа циклів навантаження N. Знайдено, що вид функції (3) не змінюється при зміні величини початкової затяжки, коефіцієнт дорівнює величині початкової затяжки в момент , коефіцієнт знаходиться за рівнянням

(4)

На прикладі футеровочних болтових з’єднань барабанних рудорозмельних млинів (рис.2) розглянуто особливості розрахунку міцності вібростійких різьбових з’єднань гірничо-збагачувальних машин і обладнання та запропоновано метод визначення приросту запасу їх міцності. За даним методом виконано розрахунок величини підвищення запасу міцності вібростійких футеровочних різьбових з’єднань рудорозмельних кульових млинів і млинів

Таблиця 1.

Значення осьової сили затяжки і швидкості її зміни у часі під час досліджень різьбових з’єднань.

Тип різьбових з’єднань | Розрахунковий параметр: кН; кН/год. | Значення осьової сили затяжки (кН) і швидкості її зміни (кН/год.) за час випробувань (год.) | Значення коефіцієнтів рівняння (з)

0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | а | -b10-2 | c

Різьбове з’єднання М16 з двохсторонньою кільцевою пружинною шайбою | Q0

VQ | 9,49– |

9,41

0,753 | 9,34

0,741 | 9,27

0,732 | 9,19

0,723 | 9,12

0,716 | 9,05

0,709 | 9,49 | 0,810 | 0,988

Різьбове з’єднання М16 з односторонньою кільцевою пружинною шайбою (1 вар) | Q0

VQ | 11,13– |

11,03

0,849 | 10,94

0,818 | 10,85

0,798 | 10,76

0,782 | 10,68

0,769 | 10,60

0,758 | 11,13 | 0,803 | 0,957

Різьбове з’єднання М16 з гайкою із конічною опорною поверхнею | Q0

VQ | 12,76– |

12,60

0,858 | 12,53

0,730 | 12,46

0,663 | 12,39

0,618 | 12,33

0,585 | 12,28

0,559 | 12,76 | 0,873 | 0,776

Різьбове з’єднання М16 з тарільчатою пружинною шайбою | Q0

VQ | 22,73– |

22,62

0,967 | 22,53

0,878 | 22,44

0,828 | 22,36

0,794 | 22,29

0,768 | 22,21

0,747 | 22,73 | 0,494 | 0,866

Різьбове з’єднання М16 з трубчатою пружинною шайбою | Q0

VQ | 22,57– |

22,32

1,465 | 22,20

1,098 | 22,10

0,926 | 22,01

0,820 | 21,93

0,746 | 21,86

0,691 | 22,57 | 1,109 | 0,592

Різьбове з’єднання М16 з прорізною пружинною шайбою | Q0

VQ | 9,49– |

9,43

0,879 | 9,38

0,783 | 9,33

0,729 | 9,29

0,691 | 9,25

0,663 | 9,21

0,640 | 9,49 | 0,656 | 0,845

самоподрібнювання порівняно із стандартними різьбовими з’єднаннями при статичному і змінному навантаженні (частину результатів наведено у табл. 2). Аналіз одержаних даних дозволяє зробити висновок, що при статичному навантаженні міцність вібростійких футеровочних різьбових з’єднань М422200 і М482260, які використовуються у кульових млинах і в млинах самоподрібнення, вища міцності стандартних різьбових з’єднань на 6,2...19,3%. При змінному навантаженні міцність запропонованих конструкцій вібростійких футеровочних різьбових з’єднань вища стандартних на 17...105%. Найбільший приріст міцності досягається при використанні у складі різьбових з’єднань трубчатих і прорізних пружинних шайб. Однак ці різьбові з’єднання мають низькі значення зведеного коефіцієнта тертя на опорних поверхнях деталей. Враховуючи це, найбільш перспективними у практичному використанні конструктивними з’єднувальними елементами є вібростійкі футеровочні різьбові з’єднання з односторонньою (1-й варіант, рис.3) і двосторонньою кільцевою пружинною шайбою і з гайкою із конічною опорною поверхнею, які мають найбільші значення зведеного коефіцієнта тертя на опорних поверхнях деталях ( і 0,566 – без змазування).

Рис.3. Футеровочне різьбове з’єднання з двохсторонньою кільцевою пружинною шайбою.

Рис.4 Футеровочне різьбове з’єднання з односторонньою кільцевою пружинною шайбою.

Таблиця 2

Імовірність безвідказної роботи одиничних вібростійких різьбових з’єднань барабанних млинів

Тип футеровочних вібростійких різьбових з’єднань, які використовуються у млинах | Коефіці-єнти

мм/Н; | За умовою нерозкрит-тя стику ; |

За умовою герметичності стику

м’яка прокладка | металева фасонна прокладка | металева плоска прокладка

Кульові млини МШР36004000, МШР 40005000, МШР 45005000, МШЦ 36005500, МШЦ 40005500, МШЦ 45006000

Різьбові з єднання М422 з двохсторонньою кільцевою пружинною шайбою–

статичне навантаження–

динамічне навантаження | 0,1405

0,0783 | 1,144

1,645 | 1,155

1,953 | 1,177

1,737 | 1,193

1,536

Різьбові з єднання М422 з односторонньою кільцевою пружинною шайбою або з гайкою із конічною опорною поверхнею–

статичне навантаження–

динамічне навантаження | 0,0702

0,1200 | 1,109

1,422 | 1,118

1,587 | 1,134

1,474 | 1,146

1,360

Різьбові з єднання М422 з тарільчатою або сферичною пружинною шайбою–

статичне навантаження–

динамічне навантаження | 0,0739

0,1763 | 1,062

1,203 | 1,067

1,266 | 1,076

1,223 | 1,083

1,177

Різьбові з єднання М422 з трубчатою пружинною шайбою–

статичне навантаження–

динамічне навантаження | 0,3065

0,0430 | 1,174

1,896 | 1,187

2,428 | 1,213

2,047 | 1,232

1,726

Рис. 4. Графік до функції розподілу навантаження і міцності вібростійких різьбових з’єднань.

Розроблено метод імовірнісного оцінювання надійності конструктивних з’єднувальних елементів – вібростійких різьбових з’єднань гірничо-збагачувальних машин і обладнання, який базується на проведені дотичних прямих і до функції розподілу навантаження і міцності (рис. 4). При цьому імовірність безвідказної роботи одиничного з’єднувального конструктивного елементу для заданого запасу міцності n визначається за величиною квантилю нормованого нормального розподілу, яка знаходиться за формулою:

(5)

За цим методом виконано розрахунок безвідказної роботи одиничних футеровочних з’єднувальних конструктивних елементів – вібростійких різьбових з’єднань для кріплення футеровочних плит рудорозмельних барабанних кульових млинів МШР36004000, МШР 40005000, МШЦ 36005500, МШЦ 40005500, МШЦ 45006000 і млинів самоподрібнення ММС 70002300, ММС 90003000, ММС 70006000.

Імовірність безвідказної роботи системи конструктивних з’єднувальних елементів – вібростійких різьбових з’єднань , які забезпечують кріплення всього комплекту футеровочних плит барабанного млина, може бути знайдена як добуток імовірностей безвідказної роботи одиничних футеровочних вібростійких різьбових з’єднань , тобто

(6)

де – кількість одиничних футеровочних різьбових з’єднань млина.

За даним методом знайдено імовірність безвідказної роботи системи нових конструктивних з’єднувальних елементів – вібростійких футеровочних різьбових з’єднань для кріплення комплекту футеровочних плит барабанних млинів при змінному навантаженні. Для прикладу в табл. 3 приведено результати розрахунків імовірності безвідказної роботи системи вібростійких різьбових з’єднань М422200 з двосторонньою кільцевою пружинною шайбою.

Таблиця 3

Імовірність безвідказної роботи системи вібростійких футеровочних з’єднань барабанних млинів при змінному навантаженні.

Тип барабанних млинів | За умовою не розкриття стику з’єднання | За умовою герметичності стику з’єднання

Р 36004000 (198) | 0,99982 | 0,99992

МШР 40005000 (266) | 0,99978 | 0,99989

МШР 45005000 (309) | 0,99972 | 0,99988

МШЦ 36005500 (249) | 0,99978 | 0,99990

МШЦ 40005500 (285) | 0,99974 | 0,99989

МШЦ 45006000 (373) | 0,99966 | 0,99985

ММС 70002300 (270) | 0,99606 | 0,99892

ММС 90003000 (448) | 0,99348 | 0,99821

ММС 70006000 (441) | 0,99358 | 0,99824

Як видно із табл. 3, використання розроблених в дисертації конструктивних з’єднувальних елементів – вібростійких футеровочних різьбових з’єднань забезпечує високий рівень надійності роботи барабанних рудорозмельних млинів.

висновки

У дисертацій наведене теоретичне узагальнення і нове рішення актуальної наукової задачі, що виявляється підвищенні надійності та вібростійкості конструктивних з’єднувальних елементів гірничо-збагачувальних машин і обладнання при статичному і змінному навантажені. Виконані теоретичні та експериментальні дослідження дозволяють зробити слідуючи висновки.

1. Найбільш масовими конструктивними з’єднувальними елементами гірничо-збагачувальних машин і обладнання є різьбові з’єднання. Надійність і вібростійкість різьбових з’єднань, які використовуються у гірничо-збагачувальних машинах і обладнанні, – недостатні. До 50% відказів і руйнування різьбових з’єднань виникають із-за недосконалості їх складових елементів: болтів, пружинних шайб, гайок. Як показав детальний аналіз конструкції основних вузлів рудорозмельних барабанних млинів і млинів самоподрібнення, умови експлуатації і навантаження різьбових з’єднань гірничо-збагачувальних машин і обладнання відрізняються від умов експлуатації стандартних різьбових з’єднань загального машинобудування. Ця різниця повинна ураховуватися при виборі конструкції і розрахунках параметрів різьбових з’єднань гірничо-збагачувальних машин і обладнання.

2. Виконаний аналіз і узагальнення відомої теорії різьбових з’єднань, методів і технічних засобів досліджень характеристик тертя конструктивних елементів різьбових з’єднань. На цій основі розроблено випробувальний стенд і методика визначення характеристик тертя і вібростійкості різьбових з’єднань гірничо-збагачувальних машин і обладнання при статичному і змінному навантаженні. Для вимірювання постійної та змінної напруги у елементах випробуваних різьбових з’єднань використовувався метод тензометрії.

3. Розроблені нові конструкції різьбових з’єднань, які відрізняються підвищеною надійністю і вібростійкістю і призначені для роботи в умовах динамічного навантаження змінної дії, яке характерне для гірничо-збагачувальних машин і обладнання. До цих конструкцій відносяться різьбові з’єднання: 1) з кільцевою пружинною шайбою (чотири варіанти); 2) з тарільчатою пружинною шайбою (три варіанти); 3) з трубчатою пружинною шайбою (два варіанти); 4) з прорізною пружинною шайбою. Для нових конструкцій різьбових з’єднань розроблено методи розрахунку конструктивних параметрів, осьової піддатливості , напруги в деталях, додаткового моменту опору відгвинчування .

4. За результатами виконаних у дисертації експериментальних досліджень визначено кількісні характеристики тертя запропонованих різьбових з’єднань гірничо-збагачувальних машин і обладнання при їх статичному навантаженні. Зведений коефіцієнт тертя на опорних поверхнях деталей різьбових з’єднань М16 з двосторонньою і односторонньою (1-й варіант) кільцевою пружинною шайбою, а також з гайкою, яка має конічну опорну поверхню, відповідно у 2,26 (із змазуванням у 2,36), у 4,29 (із змазуванням у 4,42) рази більший значень зведеного коефіцієнта тертя на опорних поверхнях деталей стандартного різьбові з’єднання М16 (ГОСТ 7808-70) з пружинною шайбою за ГОСТ 6402-70. При збільшенні зведеного коефіцієнта тертя відповідно підвищується вібростійкість різьбових з’єднань, запропонованих у дисертації.

5. Вперше методами теорії кореляції визначено залежність зведеного коефіцієнта тертя деталей різьбових з’єднань гірничо-збагачувальних машин і обладнання від сили затяжки . Ця залежність має вид степеневої функції, числові значення коефіцієнтів якої для нових різьбових з’єднань визначено у дисертаційних дослідженнях.

6. Вперше установлена залежність зусилля затяжки від тривалості дії змінного навантаження або кількості циклів навантаження різьбових з’єднань гірничо-збагачувальних машин і обладнання підвищеної вібростійкості. Ця залежність описується показниковою функцією, числові значення коефіцієнтів якої для досліджених різьбових з’єднань приведено у дисертації.

Знайдено швидкість зміни сили затяжки від часу при дії вібрацій на досліджувані різьбові з’єднання. Швидкість зміни сили затяжки на протязі першої години випробування різьбових з’єднань М16 з двосторонньою і односторонньою пружинними шайбами, а також з гайкою, яка має конічну опорну поверхню, нижча швидкості зміни сили затяжки стандартного різьбового з’єднання М16 (ГОСТ 7808-70) з пружинною шайбою за ГОСТ 6402-70 відповідно в 1,94; 1,73; 1,53 і 1,78 рази.

7. На прикладі футеровочних різьбових з’єднань рудорозмельних барабанних кульових млинів і млинів самоподрібнення розглянуті особливості розрахунку міцності вібростійких різьбових з’єднань гірничо-збагачувальних машин і обладнання, а також розроблено метод оцінки приросту запасу їх міцності при статичному і змінному навантаженні. Піддатливість пружинних шайб вібростійких різьбових з’єднань значно впливає на розподіл загального навантаження різьбового з’єднання між його елементами. Для цих конструкцій різьбових з’єднань необхідне оцінювання осьової піддатливості пружинних шайб за методом, запропонованим у дисертації.

Виконаний розрахунок величини підвищення запасу міцності вібростійких футеровочних різьбових з’єднань М422200 і М482260 рудорозмельних барабанних кульових млинів і млинів самоподрібнення порівняно із стандартними. Статична міцність вібростійких футеровочних різьбових з’єднань запропонованих конструкцій вища стандартних на 6,2...19,3%. При змінному навантаженні міцність запропонованих футеровочних різьбових з’єднань М422200 і М482260 вище стандартних на 17...105%. Перспективу для практичного використання мають вібростійкі футеровочні різьбові з’єднання з односторонньою кільцевою пружинною шайбою (1-й варіант) і різьбові з’єднання з гайкою із конічною опорною поверхнею.

8. Розроблено метод оцінювання надійності конструктивних з’єднувальних елементів гірничо-збагачувальних машин і обладнання підвищеної вібростійкості, який базується на проведені дотичних прямих до функцій розподілу навантаження і міцності з’єднань. За даним методом визначено імовірність безвідказної роботи одиничних вібростійких футеровочних різьбових з’єднань. За результатами розрахунку надійності одиничних футеровочних різьбових з’єднань знайдено імовірність безвідказної роботи системи конструктивних з’єднувальних елементів для кріплення комплекту футеровочних плит рудорозмельних барабанних кульових млинів і млинів самоподрібнення при змінному навантаженні. Для різних типів різьбових з’єднань, які запропоновано в дисертації, імовірність безвідказної роботи системи футеровочних болтів для кріплення комплекту футеровочних плит барабанних рудорозмельних млинів досягає 0,9044...0,9998 за умовою не розкриття стику і 0,9508...0,9999 за умовою його герметичності. Розроблені в дисертації “Конструкція і методика розрахунку конструктивних з’єднувальних елементів – вібростійких різьбових з’єднань гірничо-збагачувальних машин і обладнання” передані ВАТ “КриворіжНДПІрудмаш”, м. Кривий Ріг.

Список основних опублікованих праць

1. Рудь Ю.С., Аль-Куран Ф. Конструкция и расчёт резьбовых соединений горных машин с повышенной вибростойкостью // Разработка рудных месторождений. – Кривой Рог: Криворожский технический университет – 1999. – Вып. 68. – С. 123-128.

2. Аль-Куран Ф. Экспериментальные исследования характеристик трения резьбовых соединений горно-обогатительных машин и оборудования при статических нагрузках // Разработка рудных месторождений. – Кривой Рог: Криворожский технический университет. –2000. – Вып. 72. – С. 107-113.

3. Рудь Ю.С., Эль-Гергави А., Аль-Куран Ф. Экспериментальные исследования резьбовых соединений с улучшенным распределением нагрузки между витками поляризационно-оптическими методами // Горный информационно-аналитический бюллетень: М.: Московский государственный горный университет. – 1999. -№8 – С. 117-119.

4. Рудь Ю.С., Аль-Куран Ф. Зависимость коэффициента трения деталей резьбовых соединений горных машин от силы затяжки // Разработка рудных месторождений. – Кривой Рог: Криворожский технический университет. –2000. – Вып. 70. – С. 125-130.

5. Аль-Куран Ф. Определение тесноты связи корреляционной зависимости приведенного коэффициента трения деталей вибростойких резьбовых соединений горно-обогатительных машин и оборудования от силы затяжки // Разработка рудных месторождений. – Кривой Рог: Криворожский технический университет. –2000. – Вып. 73. – С. 111-116.

6. Аль-Куран Ф. Стабильность затяжки вибростойких резьбовых соединений горно-обогатительных машин и оборудования при переменных нагрузках // Разработка рудных месторождений. – Кривой Рог: Криворожский технический университет. –2001. – Вып. 74. – С. 113-119.

7. Рудь Ю.С., Аль-Куран Ф. Особенности расчёта коэффициента основной нагрузки резьбовых соединений горных машин // Разработка рудных месторождений. – Кривой Рог: Криворожский технический университет – 1999. – Вып. 67. – С. 94-99.

8. Рудь Ю.С., Эль-Гергави А., Аль-Куран Ф. Вероятностный метод расчёта прочности и надёжности резьбовых соединений горных машин // Горный информационно-аналитический бюллетень: М.: Московский государственный горный университет. – 2000. -№4- С. 90-92.

Анотація

Аль-Куран Фірас. Підвищення надійності та вібростійкості конструктивних з’єднувальних елементів гірничо-збагачувальних машин і обладнання. – Рукопис .

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.06 – Гірничі машини. – Криворізький технічний університет, Кривий Ріг, 2001.

Запропоновано і досліджено нові конструкції найбільш масових конструктивних з’єднувальних елементів гірничо-збагачувальних машин і обладнання – різьбових з’єднань, призначених для роботи в умовах динамічного навантаження змінної дії, яке характерне для цих машин. Визначено кількісні характеристики тертя запропонованих в роботі різьбових з’єднань гірничо-збагачувальних машин і обладнання при їх статичному навантаженні, а також залежність зведеного коефіцієнта тертя деталей цих з’єднань від сили затяжки. Встановлено залежність зусилля затяжки від часу дії змінного навантаження або числа його циклів. Знайдено швидкість зміни сили затяжки від часу дії вібрацій на досліджені різьбові з’єднання. На прикладі футеровочних різьбових з’єднань рудорозмельних барабанних млинів і млинів самоподрібнення розглянуто особливості розрахунку міцності різьбових з’єднань нових конструкцій, розроблено метод і виконано оцінювання приросту запасу їх міцності при статичному і змінному навантаженні. Розроблено метод оцінювання надійності запропонованих конструктивних з’єднувальних елементів, Визначено імовірність безвідказної роботи одиничних вібростійких футеровочних різьбових з’єднань, а також системи конструктивних з’єднувальних елементів для кріплення комплекту футеровочних плит рудорозмельних барабанних кульових млинів і млинів самоподрібнення. Розроблені в дисертації конструкції і методика розрахунку конструктивних з’єднувальних елементів – вібростійких різьбових з’єднань гірничо-збагачувальних машин і обладнання передані у ВАТ “КриворіжНДПІрудмаш”, м. Кривий Ріг.

Ключові слова: надійність, вібростійкість, конструктивний з’єднувальний елемент, вібростійкі різьбові з’єднання, зведений коефіцієнт тертя, кульовий млин, млин само подрібнення, футерівка, імовірність безвідмовної роботи.

Аннотация

Аль-Куран Фирас. Повышение надёжности и вибростойкости конструктивных соединительных элементов горно-обогатительных машин и оборудования. – Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.06 – Горные машины. – Криворожский технический университет, Кривой Рог, 2001.

Диссертация посвящена вопросам повышения надёжности горно-обогатительных машин и оборудования. В работе предложены и исследованы новые конструкции наиболее массовых конструктивных соединительных элементов горно-обогатительных машин и оборудования – вибростойких резьбовых соединений, предназначенных для работы в условиях динамического нагружения переменного действия, характерного для этих машин.

На основе анализа и обобщения известной теории резьбовых соединений, методов и технических средств исследований характеристик трения конструктивных элементов резьбовых соединений разработаны испытательный стенд и методика определения вибростойкости резьбовых соединений горно-обогатительных машин и оборудования при статических и переменных нагрузках. Разработаны новые конструкции вибростойких соединительных элементов горно-обогатительных машин и оборудования, в том числе резьбовых соединения с кольцевой пружинной шайбой, с тарельчатой пружинной шайбой, с трубчатой пружинной шайбой, с прорезкой пружинной шайбой. Для предложенных соединительных элементов разработаны методы расчета конструктивных размеров, осевой податливости, напряжения в деталях соединения. По результатам выполненных в диссертации исследований определены