УДК 621.771.07 621.82.2

Мироненков Е.И., Султанов Н.Л

Закономерности расхода смазочного материала в системах «масло-воздух» в зависимости от температуры подшипникового узла.

ФГБОУ ВПО Магнитогорский государственный технический университет имени Г.И. Носова, Магнитогорск, Россия

Исследования по выявлению закономерностей расхода смазочного материала в системах «масло-воздух» в зависимости от температуры подшипникового узла, выполнены в рамках государственного задания Министерства на выполнение НИР по теме «Разработка теоретических основ механики контактно-гидродинамического взаимодействия неконформных пар трения», зарегистрированного в ФГБОУ ВПО МГТУ им. Г.И. Носова под номером ГЗ 2012-01.

Система смазывания «масло-воздух» часто применяется на металлургических предприятиях и используется на современных станах холодной прокатки, таких как ЛПЦ-11 ОАО «ММК», так как подаваемое системой минимальное количество смазочного материала (СМ), позволяет подшипникам работать при температурах до 65 ⁰С и на скоростях до 1500 м/мин.

В автоматизированной смазочной системе «масло-воздух» (АССМ-В) рис.1 [1] СМ подается периодически дозирующим устройством в количестве в подающий канал трубопровода. Период подачи T можно изменять. СМ под воздействием сжатого воздуха, поступает в подшипник через штуцер или просто перетекает на дорожки качения под воздействием сил поверхностного натяжения.

Рис. 1. Схема автоматизированной смазочной системы «масло-воздух»

Сжатый воздух также используется для охлаждения подшипника и создания избытка давления в подшипниковом узле, препятствующего проникновению внутрь загрязняющих веществ. Характеристики используемого масла и параметры его подачи приведены в табл. 1.

Плотность смазочного материала зависит от температуры. С повышением температуры плотность уменьшается. Зная плотность при температуре t_м0, можно определить плотность при температуре t:

, ₍₁₎

где ‑ температурная поправка плотности СМ.

Таблица 1.

Характеристики используемого СМ и параметры его подачи

Параметр	Обозначение	Единица измерения	Значение
Тип СМ	Mobilgear 600 XP320	~	Индустриальное
Эталонная кинематическая вязкость при =40 ^0С		мм^2/c	318
Эталонная динамическая вязкость при =40 ^0С	=	Па с	0,281
Коэффициент, для определения вязкости СМ от температуры	n	~	2,93
Плотность СМ при tм0=15,6^0С		кг/м^3	900
Температурная поправка плотности СМ		кг/(м^3град)	0,633
Масса порции СМ		г	4,04
Время подачи порции СМ		c	2,5
Период цикла подачи СМ	T	с	24‑168 (27)
Масса остаточного СМ в подшипнике		г	100

Зависимость динамической вязкости от температуры определяем по формуле Прокофьева:

, (2)

где ‑динамическая вязкость СМ при атмосферном давлении и рабочей температуре t, Па∙с; ‑эталонная динамическая вязкость СМ при атмосферном давлении при температуре =40⁰С; n ‑ коэффициент, зависящий от вязкости СМ, и изменяется по логарифмическому закону в пределах 2,91‑2,95. Зная динамическую вязкость и плотность СМ от температуры можно определить кинематическую вязкость .Зависимость динамической и кинематической вязкости СМ от температуры приведено на рис. 2 (а, б).

а б

Рис. 2. Зависимость динамической (а) и кинематической (б) вязкости СМ от температуры

Теплопроводность смазочного СМ находится в диапазоне
λ_м=0,12‑0,17 Вт/(м град). В работе [2] ее зависимость от температуры

, где =897 кг/м³ ‑ плотность масла при 20⁰С.

Расчет по этой зависимости показал, что теплопроводность в диапазоне температур от 20 до 100⁰С изменяется на 4%. Исходя из этого будем полагать, что СМ имеет среднюю теплопроводность λ_м=0,127 Вт/(м град).

Теплоемкость СМ с увеличением температуры растет. В работе [2] предлагается зависимость для удельной теплоемкости от температуры :

, кДж/(кг град).

Расчет с ее использованием показал, что теплоемкость в диапазоне температур от 20 до 100⁰С изменяется на 15%. В диапазоне температур от 40 до 60⁰С среднее значение теплоемкости составляет =2000 Дж/(кг град).

Потеря мощности в подшипнике вследствие трения определяется из зависимости [3]:

, Вт, (3)

где N_R = потери мощности, Вт; M ‑ общий момент трения подшипника, Н∙мм; n ‑ частота вращения, об/мин.

Общий момент сопротивления возникающий в подшипнике качения определяется из выражения [4]:

, (4)

где ‑ момент сопротивления от СМ в подшипнике качения, Н∙м; ‑ момент качения, зависящий от нагрузки на подшипник, Н∙м.

Момент сопротивления от СМ в подшипнике качения может быть определен как (Н мм):

при ≥ 2000 , (5)

при <2000 М₀ = 160∙10^-7f₀ ,

где ν – кинематическая вязкость СМ, мм²/c; f₀ ‑ коэффициент, зависящий от типа подшипника и условий смазки, =4 - 6, d₀ = 0,5 (d + D) ‑ средний диаметр подшипника. Этот момент определяет потерю мощности на преодоление гидродинамического трения в смазочном слое.

Общее уравнение теплового баланса имеет вид:

. (6)

Тепловая мощность, выделяющаяся в подшипнике за счет сил трения:

(7)

где =0,005‑ 0,0005‑ коэффициент трения; ‑ нагрузка; v ‑ окружная скорость вала подшипника.

Тепловая мощность, отводимая нагретым воздухом:

, (8)

где ‑ теплоемкость воздуха; ‑ плотность воздуха; ‑ превышение температуры воздуха на выходе подшипника относительно входной температуры; , ‑ объемный, массовый расход воздуха соответственно.

Воздух подается на 12 подшипников стана в количестве 58 нм³/час или на один подшипник =4,83 нм³/час Плотность воздуха при нормальных условиях кг/м³. Массовый расход воздуха =6,25 кг/час 1,73 г/c. Теплоемкость воздуха в зависимости от его температуры можно определить по уравнению регрессии (t= 0‑1200⁰С):

, Дж/(кг град). (9)

Тепловая мощность, отводимая нагретым СМ:

, (10)

где ‑ теплоемкость СМ; ‑ превышение температуры СМ на выходе из подшипника относительно температуры окружающей среды; ‑ массовый расход подаваемого СМ.

Порция СМ массой происходит в течении времени , отсюда получаем его массовый расход =1,616 г/c. При периодической подаче СМ с периодом T получим средний массовый расход СМ:

=0,15 г/c, (11)

где =10,8 ‑ скважность импульсов подачи СМ.

Можно определить объемный расход =0,167 см³/c=600 см³/час.

Таким образом, исследования по выявлению закономерностей расхода СМ в системах «масло-воздух» в зависимости от температуры подшипникового узла показали, что на количество отводимого тепла существенное влияние оказывает тепловая мощность, выделяющаяся в подшипнике за счет сил трения, отводимая нагретым воздухом и СМ. Которая в свою очередь определяет объемный расход при периодической подаче СМ с периодом .

Литература

1. www.snr.com.ru

2. Воскресенский В.А., Дьяконов В.И. Расчет и проектирование опор жидкостного трения. М.: Машиностроение. 1980.‑ 224 с.

3. Общий каталог по подшипникам качения: Справочное пособие SKF 2009 г., М. 120 с.

4. Перель Л.Я. Подшипники качения: Расчет, проектирование и обслуживание опор.- М.: Машиностроение, 1983 . С. 543.