Badania szczelności krążników oraz dynamicznego oporu obracania przy zmiennej prędkości obrotowej

(1)

___________________________________________________________________________

Badania szczelności krążników oraz dynamicznego

oporu obracania przy zmiennej prędkości obrotowej

Andrzej Pytlik

Główny Instytut Górnictwa, pl. Gwarków 1, 40-166 Katowice, a.pytlik@gig.eu

Streszczenie

Z praktyki laboratoryjnej i doświadczeń ruchowych z kopalń węgla kamiennego wynika, że jakość obecnie produkowanych standardowych krążników jest niska. Już na etapie produkcji, co potwierdzają badania w Laboratorium GIG, często nie spełniają one wymagań określonych w normie PN-M-46606:2010 [6]. Szczególnie dotyczy to braku szczelności krążników na wo-dę i pył, co bezpośrednio przekłada się na obniżenie trwałości krążników [1-4]. W związku z powyższym, zaprojektowano i wykonano w GIG stanowiska badawcze, pozwalające, mię -dzy innymi, na badanie szczelności krążników na wodę i pył zgodnie z normą PN-M- -46606:2010, jak również takich parametrów, jak statyczne i dynamiczne opory ruchu krąż ni-ków, które służą analizie ekonomicznej do obniżenia kosztów transportu. Wspomniane stanowiska badawcze rozbudowano o dodatkowe funkcje w stosunku do wymagań ww. nor-my, pozwalające na mierzenie temperatury węzłów łożyskowych oraz na badanie wpływu prędkości obrotowej i obciążenia krążnika na opory obracania. Badania przeprowadzono na krążnikach o średnicach Φ133 i Φ159 mm [9], z węzłem łożyskowym, wyposażonym w łożysko kulkowe jednorzędowe. W krążniku Φ133 zastosowano nowego typu uszczelnienie hybrydowe (labiryntowo-wargowe) [8], natomiast w krążniku Φ159 – typowe uszczelnienia labiryntowe. Słowa kluczowe: przenośnik taśmowy, krążnik, szczelność krążnika, dynamiczny opór

obra-cania krążnika

Tightness tests of rollers and dynamic rotational resistance at

variable velocity

Abstract

Laboratory practice and tests on motion from coal mines indicate that the quality of currently produced standard rollers is low. The rollers often do not meet the requirements specified in the PN-M-46606: 2010 standard [6] even at the stage of production, which is confirmed by studies carried out in the laboratory at Central Mining Institute (GIG) in Katowice, Poland. This particularly concerns the lack of water and air tightness of rollers, which directly causes a reduction in the rollers’ durability [1- 4]. Therefore, the research team designed and manu-factured test stands in GIG that allow, inter alia, to conduct tests on water tightness and air tightness of rollers in accordance with the PN-M-46606: 2010 standard. Moreover, the test stands measure parameters such as static and dynamic rotational resistance of rollers, which can be used for economic analysis to reduce transport costs. These test stands have been expanded by additional functions in relation to the requirements of the above men-tioned standards, in order to measure the temperature of a bearing unit and examine the impact of velocity and roller’s load on rotational resistance. The tests included the rollers with diameter of Φ133 and Φ159 mm [9], with a bearing unit equipped with single-thrust ball bearing. The roller Φ133 was equipped with a new type of hybrid sealing (labyrinthine and lip type) [8]. Typical labyrinth seal was used in the roller Φ159.

(2)

Wprowadzenie

Z praktyki laboratoryjnej i doświadczeń ruchowych z kopalń węgla kamiennego wy-nika, że jakość obecnie produkowanych standardowych krążników jest niska.

Już na etapie produkcji, co potwierdzają badania w Zakładzie Badań Urządzeń

Mechanicznych GIG, często nie spełniają one wymagań określonych w normie PN-M-46606:2010 [6]. Szczególnie dotyczy to braku szczelności krążników na wodę

i pył, co bezpośrednio przekłada się na obniżenie trwałości krążników [1-4].

W związku z powyższym, zaprojektowano i wykonano w GIG stanowiska badaw-cze, pozwalające, między innymi, na badanie szczelności krążników na wodę i pył zgodnie z normą PN-M-46606:2010, jak również takich parametrów, jak statyczne i dynamiczne opory ruchu krążników, które służą analizie ekonomicznej do obniż e-nia kosztów transportu. Wspome-niane stanowiska badawcze rozbudowano o dodat-kowe funkcje w stosunku do wymagań ww. normy, pozwalające na mierzenie tem-peratury węzłów łożyskowych oraz na badanie wpływu prędkości obrotowej i obciążenia krążnika na opory obracania.

1. Zakres i metodyka bada

ń

Badania szczelności krążników na wodę i pył oraz dynamicznego oporu obracania przeprowadzono na krążnikach o średnicach Φ133 i Φ159 mm [9], z węzłem łoż y-skowym, wyposażonym w łożysko kulkowe jednorzędowe. W krążniku Φ159, przedstawionym na rys. 1, zastosowano typowe uszczelnienia labiryntowe, którego wymiary pokazano na rys. 2. W krążniku Φ133 zastosowano nowego typu uszczel-nienie hybrydowe (labiryntowo-wargowe) – opracowane i zastrzeżone w Urzędzie Patentowym RP pod nr. W.121582 [8], przedstawione na rys. 3.

Jednym z istotnych czynników, wpływających na trwałość krążników przenoś ni-ków taśmowych, jest szczelność węzłów łożyskowych. Standardowe rozwiązanie węzła łożyskowego, zastosowane w krążniku Φ159 mm, powszechnie używanego w krążnikach przenośników taśmowych, stosowanych w kopalniach węgla kamien-nego, przedstawiono na rys. 1.

Rys. 1. Krążnik z uszczelnieniem labiryntowym Fig. 1. Roller with labyrinth seal

(3)

Zastosowane w powyższym rozwiązaniu konstrukcyjnym uszczelnienie bezsty-kowe [5] jest uszczelnieniem labiryntowym, wykonanym z trudnopalnego tworzywa sztucznego, którego przykładowe rozwiązanie techniczne przedstawiono na rys. 2.

Rys. 2. Typowe rozwiązanie konstrukcyjne uszczelnienia labiryntowego Fig. 2. Typical design solution of labyrinth seal

Uszczelnienie labiryntowo-wargowe, pokazane na rys. 3, składa się ze stalowego uszczelnienia labiryntowego, w skład którego wchodzi osłona wewnętrznego uszczelnienia wargowego (osadzona w piaście) oraz nierdzewna tulejka (osadzona na osi krążnika), która bezpośrednio współpracuje z wargą uszczelniającą. Jak po-twierdziły badania, takie rozwiązanie konstrukcyjne usztywnia węzeł łożyskowy, czyniąc go bardziej odpornym na obciążenia promieniowe, oraz chroni wargę

uszczelnienia przed zniszczeniem, spowodowanym zwiększonym tarciem wywoła-nym produktami korozji, które występują na osi krążnika podczas jego eksploatacji.

wersja 1 wersja 2

Rys. 3. Węzeł łożyskowy krążnika z nowym uszczelnieniem wg wynalazku GIG nr W.121582

Fig. 3. Bearing unit of a roller with new sealing, acc. to GIG’s invention no. W.121582

Metodyka badania szczelności krążników przenośników taśmowych na stanowi-sku GIG oparta jest na normie PN-M-46606:2010:

(4)

Rys. 4. Schemat stanowiska badawczego do badania szczelności krążnika na pył Fig. 4. Diagram of the test stand for testing the roller’s tightness against dust

− Do komory o pojemności 0,75 m3 wsypywany jest talk techniczny w ilości 1,5 kg.

− Komora zostaje zamknięta, następnie talk zostaje rozpylony za pomocą

wentylatora wewnętrznego.

− Tego samego talku nie należy stosować do więcej niż 20 badań.

− Po ok. minucie wentylator zostaje wyłączony, a krążnik włożony do komory.

− Zostaje włączona sprężarka na minutę oraz wentylator wewnętrzny. Załą -czanie sprężarki na minutę powtarza się co ok. 4 h.

− Badanie prowadzone jest przez 72 h w dwóch fazach. Podczas fazy pierw-szej krążnik jest obracany z prędkością 600 obr/min przez 48 h. Podczas fazy drugiej krążnik stoi nieruchomy przez 24 h.

− Po badaniu demontuje się kolejne elementy uszczelniające i ocenia się or-ganoleptycznie oraz za pomocą mikroskopu cyfrowego (z możliwością

maksymalnego powiększenia 220 ×) stopień przeniknięcia pyłu do łożysk i smaru.

B. szczelność na wodę – 36 h, na stanowisku wg schematu na rys. 5.

Rys. 5. Schemat stanowiska badawczego do badania szczelności krążnika na wodę Fig. 5. Diagram of the test stand for testing the roller’s tightness against water

(5)

− Badany krążnik umieszcza się w stanowisku badawczym, tak by oś krążnika znajdowała się pomiędzy kłami centrującymi.

− Na oba końce krążnika zostają założone komory, w których umieszcza się

sitka prysznicowe rozpryskujące wodę, nachylone pod kątem około 45º do osi krążnika. Sitka należy tak zamocować, aby odległość od powierzchni czołowej węzłów uszczelniających krążnika wynosiła około 200 mm.

− Badanie prowadzone jest przez 36 h w dwóch fazach. W pierwszej fazie krążnik obracany jest z prędkością obrotową 600 obr/min przez 24 h. W drugiej fazie krążnik stoi nieruchomy przez 12 h. Co trzy godziny krążnik obracany jest o kąt 90º, w celu działania głównej strugi wodnej kolejno na całym obwodzie węzłów uszczelniających.

− Po badaniu demontuje się kolejne elementy uszczelniające i ocenia się or-ganoleptycznie oraz za pomocą mikroskopu cyfrowego (z możliwością

maksymalnego powiększenia 220 ×) stopień przeniknięcia wody do łożysk i smaru oraz ewentualne zmiany jego barwy lub konsystencji.

Metodyka badania dynamicznego oporu obracania krążników na stanowisku GIG (rys. 6) oparta jest na normie PN-M-46606:2010 i obejmuje ona:

– obracanie osi krążnika przez 4 h z prędkością 600 obr/min (faza tzw. do-cierania);

– pomiar dynamicznego oporu obracania przez minutę (przedział czasu przyjęty w laboratorium jako miarodajny), z minimalną częstotliwością prób-kowania fp = 20 Hz sygnału siły. Zmierzona wartość dynamicznego oporu

obracania jest średnią arytmetyczną z zarejestrowanych pomiarów.

Rys. 6. Schemat stanowiska badawczego do badania statycznych i dynamicznych oporów obracania krążników przenośników taśmowych

Fig. 6. Diagram of a test stand for static and dynamic rotational resistance of rollers in a conveyor

(6)

Dynamiczny opór obracania krążnika FO, wyrażony w niutonach, jest obliczany

wg wzoru:

=

⋅

_{, [N]}

gdzie:

F – średnie wskazanie czujnika siły zarejestrowane w 60 s, N

l – długość ramienia, na jakim działa siła (zaznaczona na obejmie), mm, d – średnica zewnętrzna krążnika, mm.

Badanie dynamicznego oporu obracania przy różnych prędkościach obrotowych wykonano po docieraniu krążników przez 4 h. Badania wykonano na stanowisku wg schematu na rys. 6., w zakresie prędkości obrotowych od ok. 30 do 600 obr/min, w celu wyznaczenia zależności oporu dynamicznego w funkcji prędkości obrotowej krążnika.

Na badany krążnik zakładana jest obejma, dostosowana do średnicy krążnika, następnie krążnik jest umieszczany w stanowisku badawczym, tak by oś krążnika znajdowała się pomiędzy kłami centrującymi. Do obejmy zostaje zamontowany ten-sometryczny czujnik siły wraz z elementem mocującym. Następnie oś zostaje wprawiona w ruch obrotowy z prędkością obrotową w zakresie 30-600 obr/min, oko-ło minuty, z minimalną częstotliwością próbkowania sygnału siły fp = 20 Hz.

Zmierzona wartość dynamicznego oporu obracania jest średnią arytmetyczną z zarejestrowanych pomiarów.

Na stanowisku badawczym, według rys. 6, możliwy jest również pomiar przyrostu temperatury węzła łożyskowego za pomocą pirometru, jednak nie jest on wymagany w normie. Pomiar temperatury węzła łożyskowego wykonywany jest głównie pod-czas badania dynamicznego oporu obracania, opisanego powyżej, oraz podczas badań trwałościowych, wg metodyki [7] stosowanej w laboratorium GIG, nieobjętych normą.

Dopuszczalne wartości dynamicznego oporu obracania podane zostały w przedmiotowej normie PN-M-46606:2010 [6]. Dla krążników gładkich, o ś redni-cach Φ133 i Φ159 mm, dopuszczalna wartość dynamicznego oporu obracania Fdop wynosi 4,5 N.

Badanie dynamicznego oporu obracania przy prędkości obrotowej 600 obr/min powoduje, że dominującą częstotliwością w widmie pomiarowym jest 10 Hz. Z tego powodu, aby wiernie zapewnić prawidłowe przeniesienie sygnału siły w paśmie przenoszenia do 10 Hz, zgodnie z regułami próbkowania sygnału wg częstotliwości Nyquista, częstotliwość próbkowania powinna wynosić co najmniej 20 Hz.

Dlatego pomiary siły rejestruje się na komputerze z częstotliwością próbkowania 20-50 Hz. Taki zakres częstotliwości próbkowania zapewnienia wierną rejestrację

oporów obracania.

Do badań użyto czujnika siły firmy HBM typu Z6FC3 w klasie 0,05%.

Dodatkowo dokonano pomiaru temperatury, w zależności od potrzeb, z użyciem kamery termowizyjnej, pirometru firmy FLUKE typu 572 (okresowy pomiar tempera-tury) lub pirometru firmy RAYTEK, z możliwością ciągłego pomiaru temperatury równolegle, z pomiarem oporów obracania.

(7)

2. Wyniki bada

ń

Badania szczelności krążników Φ159 ze standardowym uszczelnieniem labirynto-wym (wg rys. 2), którego podstawowe labirynto-wymiary przedstawiono na rys. 7, wykazały,

że nie zapewniają one właściwej szczelności na wodę, co spowodowane jest zbyt dużymi luzami pomiędzy elementami uszczelnienia, które w praktyce przekraczają

0,5 mm, co nie stanowi żadnej przeszkody dla wody mogącej przenikać do węzła łożyskowego. Badania wykazały również, że stosowanie dodatkowo specjalnych smarów plastycznych o zwiększonej lepkości również nie powoduje istotnej poprawy szczelności.

Rys. 7. Podstawowe wymiary standardowego uszczelnienia labiryntowego Fig. 7. Basic dimensions of standard labyrinth seal

Podczas prób szczelności na wodę (rys. 8) powyższego uszczelnienia zaobser-wowano wypływanie smaru poza uszczelnienie oraz zwiększony poziom hałasu podczas obracania krążnika. Po demontażu krążnika stwierdzono przeniknięcie wody do węzła łożyskowego i ślady korozji.

Rys. 8 Krążnik poddany próbie szczelności na wodę Fig. 8. A roller subjected to water tightness test

(8)

Po badaniu szczelności na wodę wykonano badanie dynamicznego oporu obra-cania, podczas którego stwierdzono szybki wzrost temperatury węzła łożyskowego (rys. 9), spowodowany zwiększonymi oporami obracania.

Rys. 9. Wzrost temperatury węzła łożyskowego podczas badania dynamicznego oporu obracania po próbie szczelności na wodę

Fig. 9. Increased temperature in a bearing unit during dynamic resistance test after water-tightness test

Podczas prób szczelności węzłów łożyskowych na pył (z użyciem talku) zaob-serwowano, że stosowanie smaru stanowi zazwyczaj skuteczną ochronę przed pyłem, pod warunkiem użycia odpowiedniego smaru plastycznego, gwarantującego długotrwałe przyleganie do ścianek labiryntu.

Powyższych wad nie zaobserwowano w krążniku Φ133 z uszczelnieniem labiryn-towo-wargowym (wg rys. 3), które zapewniło całkowitą szczelność na wodę i pył. Jak wykazały badania prototypu tego uszczelnienia, wymaga ono jednak od produ-centa zachowania precyzyjnego montażu, tak by nie dopuścić do nadmiernego wzrostu oporów obracania krążnika. Jest to szczególnie trudne w piastach tłoczo-nych, dlatego zaleca się stosowanie tego rozwiązania w piastach odlewanych, gdzie zapewniona jest większa powtarzalność wymiarów w stosunku do piast tłoczonych.

Poza zakresem normy wykonano wstępne badania zależności dynamiczne-go oporu obracania w funkcji prędkości obrotowej [7], które przedstawiono w postaci wykresów na rys. 10 i 11. Zaznaczona na wykresach siła Fdop, zgodnie z normą,

(9)

Fdop – dopuszczalna wartość dynamicznego oporu obracania, N

Rys. 10. Wykres zależności siły oporu dynamicznego w funkcji prędkości obrotowej krążnika Φ133 mm

Fig. 10. Graph of dynamic resistance as a function of rotational velocity of the roller Φ133 mm

Rys. 11. Wykres zależności siły oporu dynamicznego w funkcji prędkości obrotowej krążnika Φ159 mm

Fig. 11. Graph of dynamic resistance as a function of rotational velocity of the roller Φ159 mm

Chociaż obydwie zależności, przedstawione na rys. 10 i 11, zbliżone są do linii prostej, to należy je traktować jako wstępne, ze względu na słabą korelację wpływu prędkości obracania na opory w krążniku Φ159 mm (rys. 11). Może być to spowo-dowane wieloma czynnikami, które wymagają dalszego badania.

Przeprowadzono również wstępne badania wpływu prędkości rozruchu krążnika na jego dynamiczny opór obracania. Chociaż zagadnienie to jest powszechnie znane w literaturze, postanowiono jednak opracować własną metodykę badań laboratoryj-nych, której celem byłoby porównywanie ze sobą różnych typów krążników.

W metodyce założono, że krążniki będą docierane przez 4 h, a następnie (bez obracania) pozostawione do wyrównania się ich temperatury z temperaturą otoczenia (ok. 18-20 °C). Ma to symulować niekorzystne warunki pracy krążnika, który zaczyna

(10)

obracać się po dłuższym przestoju. Analizie poddawany jest pierwszy pik zareje-strowanej siły podczas rozpoczęcia rozruchu oraz dalszy charakter jej zmian.

Badania porównawcze przeprowadzono z użyciem krążnika Φ133 mm z uszczelnieniem labiryntowo-wargowym (wg rys. 3) oraz krążnika Φ159 mm ze standardowym uszczelnieniem labiryntowym (wg rys. 2). Wyniki badań przedstawio-no na wykresach (rys. 12-15).

Rys. 12. Badanie dynamicznego oporu obracania krążnika Φ133 mm podczas rozruchu od 0 do 600 obr/min

Fig. 12. Test of dynamic rotational resistance of the roller Φ133 mm during start-up from 0 to 600 rpm.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7

Czas obracania krążnika, s

D y n a m ic zn y o p ó r o b ra ca n ia k rą żn ik a, N 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6

D y n a m ic zn y o p ó r o b ra ca n ia k rą żn ik a, N

(11)

W przypadku obydwu typów krążników widoczny jest bardzo znaczny wzrost po-czątkowego oporu obracania (w momencie rozruchu) podczas rozruchu od 0 do 600 obr/min w stosunku do rozruchu od 0 do 100 obr/min, który osiąga wartość ok. 100%. Jednym z czynników, mających wpływ na to zjawisko, jest rozruch przy niewystar-czająco rozgrzanym smarze, który swoją optymalną pracę osiąga dopiero po długo-trwałym obracaniu krążnika. Zjawisko to jest przedmiotem dalszych badań, a identyfikacja czynników, mających na nie wpływ, oraz określenie odpowiednich

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 3 3,5 4 4,5 5

D y n a m ic zn y o p ó r o b ra ca n ia k rą żn ik a, N 0 1 2 3 4 5 6 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7

D y n a m ic zn y o p ó r o b ra ca n ia k rą żn ik a, N

(12)

zależności może przyczynić się do lepszego poznania charakteru i wartości dyna-micznych oporów obracania krążników w stanach nieustalonych. Doskonalona będzie również metodyka badań porównawczych, która jest w fazie badań wstępnych.

Podsumowanie

Badania szczelności i oporów obracania krążnika Φ133 mm z uszczelnieniem labi-ryntowo-wargowym wykazują, że spełnia on założone wymagania w zakresie normy oraz wykazuje mniejsze od krążnika Φ159 mm opory dynamiczne podczas rozru-chu. Krążnik Φ159 mm ze standardowym uszczelnieniem labiryntowym nie spełnił założonych wymagań w zakresie szczelności na wodę i dynamicznego oporu obra-cania, natomiast pozytywnie przeszedł badania szczelności na pył. Opracowana metodyka badań krążników została akredytowana przez PCA w zakresie określania bicia promieniowego oraz statycznych i dynamicznych oporów obracania krążników.

Wykonywane poza zakresem normy badania dynamicznego oporu obracania przy zmiennej prędkości obrotowej krążnika oraz podczas jego rozruchu będą kon-tynuowane dla różnych typów krążników oraz uszczelnień. Uzyskane doświadczenia mogą być pomocne zarówno dla użytkowników, jak i dla projektantów i producentów krążników. Celem badań będzie również optymalizacja konstrukcji krążników, prze-znaczonych do określonych warunków pracy oraz minimalizacja ich energo-chłonności. Poszukiwania Zakładu Badań Urządzeń Mechanicznych GIG zmierzają

również do opracowania metod badania i oceny krążników już na etapie badań labo-ratoryjnych, które będą symulowały warunki pracy krążników w sposób możliwie zbliżony do rzeczywistych.

Bibliografia

[1] Antoniak J., 2007, Przenośniki taśmowe w górnictwie podziemnym i odkrywkowym, Wy-dawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice.

[2] Gładysiewicz A., Orzeł P., Noga D., 2012, Obniżenie kosztów eksploatacyjnych przeno-śnika taśmowego poprzez dobór odpowiednich krążników – na przykładzie doświadczeń Zakładów Górniczych Sobieski i Janina, Transport Przemysłowy i Maszyny Robocze, nr 3(17).

[3] Gładysiewicz L., 2003, Przenośniki Taśmowe – Teoria i obliczenia, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław.

[4] Król R., Jurdziak L., Gładysiewicz L., 2008, Gospodarka remontowa krążnikami przeno-śników taśmowych w oparciu o wyniki badań laboratoryjnych, Transport Przemysłowy i Maszyny Robocze, nr 2(2).

[5] Marcinkowski W.A., Kondura C., Teoria konstrukcji uszczelnień bezstykowych, Wydaw-nictwo Politechniki Świętokrzyskiej w Kielcach, Kielce 2008.

[6] Norma PN-M-46606:2010 – Przenośniki taśmowe – Krążniki.

[7] Pytlik A., 2013, Badania trwałości krążników przenośników taśmowych, Journal Of Susta-inable Mining, iss. 3, vol. 12, Główny Instytut Górnictwa (wersja polska), Katowice. [8] Pytlik A., Rabsztyn J., 2012, Uszczelnienie łożyska krążnika przenośnika taśmowego.

Zgłoszenie patentowe nr W.121582, UP RP 17.12.2012. Zgłaszający: Główny Instytut Górnictwa, Katowice, Polska.

[9] Pytlik A. + zespół, 2012, Badania trwałości krążników przenośników taśmowych, Doku-mentacja działalności statutowej, Główny Instytut Górnictwa, nr komputerowy w GIG: 11230112-180 (niepublikowana).