ZESZYTY NAUKOWE WSOWL Nr 4 (158) 2010 ISSN 1731-8157 Tadeusz SMOLNICKI Mariusz STAŃCO ZMIANA DYSTRYBUCJI OBCIĄŻEŃ W ŁOŻYSKU WIELKOGABARYTOWYM WSKUTEK ZUŻYCIA ODKSZTAŁCENIOWEGO Bieżnie wielkogabarytowych łożysk wieńcowych ze względów technologicznych są wykonywane ze stali w stanie normalizowanym lub ulepszonym cieplnie. Są one powszechnie stosowane do łożyskowania obrotu głównego nadwozi największych mobilnych maszyn - maszyn podstawowych, górnictwa odkrywkowego: koparek i zwałowarek. Średnice tych łożysk osiągają kilkanaście metrów, a średnice elementów tocznych do 250mm. Wskutek wysokiego poziomu ich obciążenia przy relatywnie niskiej twardości podlegają one w pierwszym etapie eksploatacji intensywnemu zużycie odkształceniowemu. Zmianie ulega pierwotna dystrybucja obciążeń. W zwałowarce o masie nadwozia 11 000Mg wyznaczono w wybranych punktach zużycie bieżni po pierwszych czterech latach eksploatacji. Zużycie osiągnęło wartość ponad 7% promienia elementu tocznego. Metodami numerycznymi przeprowadzono porównanie obciążenia elementów tocznych w zwałowarce ZGOT 11500 dla łożyska nowego, położonego na zdeplanowanym dźwigarze pierścieniowym oraz zużytego. Wartości określono dla wybranych mimośrodów położenia środka ciężkości nadwozia od osi obrotu. Obliczenia dystrybucji obciążenia zrealizowano metodą elementów skończonych z wykorzystaniem superelementu bieżnia element toczny bieżnia. Stwierdzono znaczny spadek maksymalnych wartości obciążenia i przenoszenie obciążenia przez znacznie większą liczbę elementów tocznych. Podczas dalszej sześcioletniej eksploatacji stwierdzono zatrzymanie procesu zużycia łożyska. Słowa kluczowe: łożyska wielkogabarytowe, zużycie odkształceniowe, dystrybucja obciążeń WSTĘP Łożyska obrotu nadwozia maszyn podstawowych górnictwa odkrywkowego charakteryzują się znacznymi średnicami podziałowymi, zazwyczaj w zakresie 8 14m, oraz średnicami kul od 120 do 250mm, a bieżnie, odmiennie niż w typowych łożyskach dr hab. inż. Tadeusz SMOLNICKI, prof. nadzw. PWr., dr inż. Mariusz STAŃCO, Instytut Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Politechniki Wrocławskiej
ZMIANA DYSTRYBUCJI OBCIĄŻEŃ W ŁOŻYSKU WIELKOGABARYTOWYM wieńcowych [1], są wykonywane jako miękkie : stosowane w stanie normalizowanym lub ulepszonym cieplnie. Układ bieżnia element toczny bieżnia posiada znaczną sztywność w porównaniu do podzespołów wsporczych łożyska, co powoduje nierównomierną dystrybucję obciążenia. Podczas eksploatacji tych łożysk dochodzi do istotnej zmiany ich geometrii wskutek rozwalcowania bieżni przez elementy toczne. Poniżej opisano analizę wpływu zużycia odkształceniowego bieżni na obciążenie elementów tocznych na przykładzie łoża kulowego zwałowarki ZGOT 11500.100 eksploatowanej w KWB Turów S.A. (rys. 1). 1. OBIEKT BADAŃ Łożysko zwałowarki charakteryzuje się średnicą podziałową 10 000mm i zawiera 188 kul o średnicy 150mm. Twardość bieżni 280HB klasyfikuje powyższe łożysko w grupie łożysk o bieżniach monolitycznych miękkich. Masa nadwozia razem z nosiwem wynosi około 1200Mg. Pierścienie łożyska mają budowę segmentową (każdy pierścień składa się z 8 segmentów). Wskutek ruchów roboczych członów nadwozia oraz zmiennych obciążeń od transportowanego nosiwa mimośród wypadkowego obciążenia pionowego zmienia się w granicach 0 0,6 promienia podziałowego łożyska R. Dotychczasowy czas eksploatacji łożyska wynosi około 5 lat, co daje około 30 000 obrotów. Rys. 1. Zwałowarka ZGOT 11500.100; schemat łożyska obrotu nadwozia 2. ZUŻYCIE ODKSZTAŁCENIOWE ŁOŻYSKA W wyniku rozwalcowywania oraz ścierania następuje zmiana profilu bieżni w przekroju poprzecznym oraz zagłębianie dna bieżni. Bieżnia łożyska ulega 267
Tadeusz SMOLNICKI, Mariusz STAŃCO rozwalcowaniu, powstają koleiny, po których toczą się kule, co zaobserwowano podczas oględzin, a materiał pierścienia łożyska zostaje wypchnięty na zewnątrz. Rozwalcowanie niweluje niedoskonałości płaskości pierścienia łożyska (deplanację) wynikające z montażu oraz zmniejsza wytężenie elementów tocznych w punktach twardych, czyli w miejscach wyprowadzenia podpór. Jest to tzw. samoczynna korekcja łożyska. Odmiennie niż w przypadku bieżni utwardzonych nie następuje wykruszanie fragmentów bieżni. Pomiary kontrolne łożyska wykonywane są obecnie cyklicznie, w celu identyfikacji stopnia rozwalcowania bieżni i tempa przyrostu zużycia. Mierzona jest odległość pomiędzy pierścieniami łożyska. Pomiary dokonywane są dla dwóch położeń nadwozia, co pozwala na wyznaczenie rozkładu zużycia odrębnie dla bieżni nadwozia i podwozia. Zagłębienie dna bieżni nadwozia mieści się w granicach 3,5 5,4mm, a dla podwozia 3,3 5,4mm. Większe zużycie występuje w tzw. punktach twardych, mniejsze w strefach miękkich. Tak szybki przyrost zużycia jest typowy dla silnie obciążonych łożysk o bieżniach miękkich [2]. 3. OBLICZENIA METODĄ ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH Zbudowano powłokowo-bryłowy model obliczeniowy (rys. 2) w oparciu o superelementy [3, 4], które umożliwiają wprowadzenie oddzielnych wartości zużycia dla miejsca działania każdego elementu tocznego, a także odchyłek od płaskości (deplanacji powierzchni pod łożysko). Do modelu zaaplikowano warunki brzegowe. Wartości obciążeń elementów tocznych analizowano w układzie odwrotnym (reakcje podporowe stanowią obciążenie układu) [5]. 268 Rys. 2. Model geometryczny ramy portalowej podwozia ZGOT
ZMIANA DYSTRYBUCJI OBCIĄŻEŃ W ŁOŻYSKU WIELKOGABARYTOWYM Rys. 3. Model dyskretny ramy portalowej podwozia dźwigar pierścieniowy Wyznaczono wartości obciążeń poszczególnych elementów tocznych dla trzech różnych geometrii łożyska: łożysko nowe posadowione na płaskiej ramie portalowej; łożysko nowe posadowione na ramie portalowej z uwzględnieniem odchyłek płaskości podzespołu wsporczego na poziomie 1,5mm; łożysko z uwzględnieniem zużycia odkształceniowego. Rys. 4. Superelement bieżnia-element toczny-bieżnia do modelowania łożysk wielkogabarytowych Przykładowe odchyłki płaskości podzespołu wsporczego pokazano na rysunku 5. Na wykresach (rys. 6 rys. 8) pokazano wyniki obliczeń dla analizowanych przypadków 269
Tadeusz SMOLNICKI, Mariusz STAŃCO dla 3 mimośrodów działania obciążenia 0,6R; 0; 0,6R. Wartości obciążeń podano w postaci tzw. obciążenia właściwego p w, czyli siły obciążającej element toczny (kulę) przez kwadrat jej średnicy d. Rys. 5. Odchyłka płaskości zmierzona na podzespole wsporczym maszyny podstawowej górnictwa odkrywkowego Rys. 6. Obciążenie elementów tocznych w łożysku nowym na płaskim podzespole wsporczym 270
ZMIANA DYSTRYBUCJI OBCIĄŻEŃ W ŁOŻYSKU WIELKOGABARYTOWYM Rys. 7. Obciążenie elementów tocznych w łożysku nowym podzespół wsporczy z odchyłkami płaskości Rys. 8. Obciążenie elementów tocznych w łożysku po 5 letniej eksploatacji PODSUMOWANIE Nowoczesne metody doświadczalne w połączeniu z metodami numerycznymi dają obecnie możliwość porównania przebiegu zużycia po obwodzie łożyska z rozkładem sztywności dźwigara pierścieniowego [4]. Wartości obciążenia elementów tocznych znajdujących się w strefach twardych (miejsca wyprowadzenia ramion podpór) są kilkukrotnie większe niż dla elementów znajdujących się pomiędzy tymi obszarami. 271
Tadeusz SMOLNICKI, Mariusz STAŃCO Należy zauważyć, że znaczne zużycie odkształceniowe, które nastąpiło w łożysku zwałowarki ZGOT, nie ma konotacji wyłącznie negatywnych. O ile dla łożyska nowego obciążenie niesie zaledwie połowa elementów tocznych, to po rozwalcowaniu liczba kul biorących czynny udział w przenoszeniu obciążenia ulega wydatnemu zwiększeniu. W związku ze znacznie większym rozwalcowaniem bieżni w miejscach o zwiększonej sztywności (przepony, środniki podpór), spłaszczeniu ulegają wierzchołki lokalnych ekstremów. Dzięki temu uzyskuje się spadek wartości maksymalnego obciążenia do około 45 56% wartości dla łożyska nowego (rys. 9). Zachodzi więc samoczynna korekcja geometrii bieżni wydatnie zmniejszająca obciążenia. 272 Rys. 9. Wartości ekstremalne obciążeń dla łożyska nowego i po kilkuletniej eksploatacji Jak wykazują badania doświadczalne [6], największy przyrost odkształceń plastycznych zachodzi dla pierwszych kilkudziesięciu przetoczeń szczytowych (maksymalnie obciążonych) elementów tocznych. Następnie proces ten ulega całkowitemu zahamowaniu lub znacznemu spowolnieniu. Obecne tempo zbliżania się pierścieni analizowanego łożyska powinno zapewnić jego jeszcze co najmniej 5 letnią eksploatację. Prawidłowy dobór geometrycznych i fizycznych cech łożyska w skojarzeniu z odpowiednim doborem sztywności podzespołów wsporczych [7], pozwalający uzyskać wstępną korekcję [5] poprzez początkowe rozwalcowanie bieżni, a następnie stabilizację geometrii, wymaga jeszcze dalszych symulacji numerycznych oraz badań na obiektach rzeczywistych, szczególnie w zakresie rozpoznania zjawisk zachodzących podczas wstępnego rozwalcowania, jednak już na obecnym etapie można stwierdzić potencjalne korzyści płynące ze stosowania łożysk miękkich podlegających samokorekcji.
ZMIANA DYSTRYBUCJI OBCIĄŻEŃ W ŁOŻYSKU WIELKOGABARYTOWYM Łożysko poddane zostało dalszej eksploatacji. Nie stwierdzono dalszego szybkiego wzrostu zużycia odkształceniowego. LITERATURA [1] Kania L., Modelling of rollers in calculation of slewing bearing with the use of finite elements, [in:] Mechanism and machine theory, no 11/2006, vol. 41, pp. 1359-1376. [2] Oettel R., Henatsch P., Die Gestaltung von Kugelbahnen in Tagebaugeräten, [in:] Braunkohle, 23/1971, pp. 345-350 [3] Rusiński E., Czmochowski J., Smolnicki T., Zaawansowana metoda elementów skończonych w konstrukcjach nośnych, Oficyna Wyd. PWr, Wrocław 2000. [4] Smolnicki T., Rusiński E. Superelement-Based Modeling of Load Distribution in Large-Size Slewing Bearings, [in:] Journal of Mechanical Design, no 4/2007, vol. 129, pp. 459-463. [5] Przybyłek G., Metoda uzyskiwania równomiernego przeniesienia obciążenia w parach obrotowych o niejednorodnej podatności, Praca doktorska, Raport IKEM Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2003. [6] Kunc R., Prebil I., Torkar M., Določitev malociklične nosilnosti kotalnega stika, [in:] Kovine, zlitine, technologie, 1-2/1999. [7] Stańco M., Modele analityczno-numeryczne zużycia odkształceniowego wielkogabarytowych łożysk tocznych, Praca doktorska. IKiEM Politechnika Wrocławska 2008. CHANGE IN LOADING DISTRIBUTION IN LARGE-SIZED BEARING RESULTING FROM PLASTIC WEAR Summary For technological reasons the raceways of large-sized bearings are made of a material in an normalized state or quenched and tempered. They are commonly used for bearing the main rotation of the body of the largest mobile machines basic machines of open cast mining: excavators and spreaders. The diameters of such bearings are up to several meters, and the diameters of rolling elements up to 250 mm. Due to high levels of load at relatively low hardness, in the first stage of operation they undergo intensive plastic wear. The initial distribution of loading is subject to a change. In the dumping conveyor with the body weight of 11,000 Mg, at selected points the wear of a track after the first four years of operation has been determined. The wear reached a value of more than 7% of the radius of the rolling element. With the use of numerical methods, a comparison of rolling elements loading in the dumping conveyor ZGOT 11500 for a new bearing, a new bearing placed on the faced annular girder and a used bearing was made. The values were determined for selected eccentrics of the centre of gravity of the body from the axis of rotation. The calculations of load distribution with the finite element method was carried out using a super-element raceway a rolling element a raceway. A considerable decrease in the maximum value of load and the transfer of load by 273
Tadeusz SMOLNICKI, Mariusz STAŃCO a much larger number of rolling elements was found. During the subsequent six-year operation it was found that the process of bearing wear had stopped. Key words: large-sized bearings, plastic wear, loading distribution Artykuł recenzował: dr hab. inż. Jerzy CZMOCHOWSKI, prof. nadzw. PWr 274