Identyfikacja trwałości węzłów uszczelniających z regenerowanymi wałami przekładni napędowych maszyn górniczy

Leszek Grabka, Jacek Spałek, Stanisław Szweda

Monografia nr 20
Gliwice 2018, s.1-133, il., bibliogr. 112 poz.
ISBN 978-83-65593-04-7

cena egz. 35,00 zł

Przywracanie hermetyczności przekładni napędowych maszyn górniczych, utraconej w procesie eksploatacji wiąże się często z koniecznością regeneracji uszkodzonej warstwy wierzchniej wału, współpracującej z elastomerowym pierścieniem uszczelniającym.

W wyniku procesu regeneracji zostają przywrócone nominalne cechy konstrukcyjne wału, natomiast parametry takie jak: moduł Younga, współczynnik tarcia pary tribologicznej – warstwa wierzchnia wału – pierścień uszczelniający, zazwyczaj różnią się od nominalnych cech fizycznych stalowej warstwy wierzchniej wału. Taka zmiana cech rozpatrywanej pary tribologicznej może powodować zmianę trwałości węzła uszczelniającego względem założonej (konstrukcyjnej) wartości nominalnej. Z analizy problemu wynika, że ilościowy opis wpływu cech węzła uszczelniającego na jego trwałość jest szczególnie istotny w przypadku, gdy rozważania dotyczą współpracy elastomerowego pierścienia z kompozytową warstwą wierzchnią ukształtowaną w procesie regeneracji. Zagadnienie to jest rozpoznane w małym stopniu, zwłaszcza w zakresie opisu ilościowego. Dlatego zasadniczym celem niniejszej monografii jest wyznaczenie związku pomiędzy momentem tarcia generowanym w strefie kontaktu wargowego pierścienia elastomerowego z kompozytową warstwą wierzchnią wału, a parametrami charakteryzującymi warunki pracy węzła uszczelniającego. Ogólną zależność pomiędzy momentem tarcia generowanym w węźle uszczelniającym a parametrami charakteryzującymi warunki jego pracy wyprowadzono korzystając z metody analizy wymiarowej, umożliwiającej przedstawienie tej zależności w postaci funkcji wykładniczej, której argumentami są: siła sprężystego nacisku pierścienia na wał, średnica wału oraz cztery bezwymiarowe liczby kryterialne charakteryzujące właściwości strefy kontaktu pierścienia uszczelniającego i warstwy wierzchniej wału: jej cechy geometryczne, charakter tarcia, sztywność zastępczą styku i warunki powstawania elastohydrodynamicznej warstwy medium smarującego. Wykładniki potęgowe występujące w zależności na moment tarcia określono doświadczalnie. W procedurze ich wyznaczania wykorzystano wyniki uzyskiwane w testach odbiorczych pierścieni uszczelniających. Utylitarny charakter tych badań sprawia, że zgromadzony obszerny zbiór wyników nie jest dotąd wykorzystywany do formułowania uogólniających wniosków dotyczących współpracy rozważanych skojarzeń tribologicznych. Identyfikacji wartości liczb kryterialnych charakteryzujących warunki pracy pierścienia uszczelniającego na stanowisku do testów odbiorczych dokonano korzystając z symulacji komputerowej modelu MES węzła uszczelniającego oraz stanowiskowych badań współczynnika tarcia w poszczególnych skojarzeniach tribologicznych. Badania pierścieni uszczelniających wykonano dla sześciu skojarzeń tribologicznych utworzonych przez dwa typy elastomeru oraz przez trzy rodzaje warstwy wierzchniej wału. W przypadku każdego skojarzenia tribologicznego przeprowadzono 5 serii pomiarowych, których łączny czas wynosił 160 godzin. Korzystając z wyników najdłuższej, 48-godzinnej serii pomiarowej wyznaczono poszukiwane wykładniki potęgowe, odrębnie dla skojarzeń tribologicznych w których pierścień uszczelniający wykonano z elastomeru nitrylowego (NBR) oraz w przypadku pierścienia z elastomeru fluorowego (FKM). Wyniki uzyskane podczas pozostałych serii pomiarowych wykorzystano do weryfikacji zidentyfikowanych zależności na moment tarcia w węźle uszczelniającym stwierdzając, że są one obarczone błędem oszacowania nie większym niż 9%. Zweryfikowane zależności na moment tarcia wykorzystano do określenia wpływu warstwy kompozytu regeneracyjnego na trwałość węzła uszczelniającego, charakteryzowaną przez czas jego bezawaryjnej pracy. Związek pomiędzy czasami bezawaryjnej pracy dwóch porównywanych węzłów uszczelniających, a parametrami ich pracy określono korzystając z warunku równości wskaźników trwałości pierścienia uszczelniającego. Stwierdzono, że zastosowanie badanych kompozytów do regeneracji warstwy wierzchniej wału zawsze skutkuje obniżeniem trwałości węzła uszczelniającego w odniesieniu do trwałości nominalnej. Jeżeli w węźle uszczelniającym zastosowano pierścień wykonany z elastomeru NBR, to obniżenie jego trwałości po regeneracji uszkodzonej stalowej warstwy wierzchniej wału wynosi od 44 ÷ 61%. W przypadku pierścienia z elastomeru FKM, regeneracja stalowej warstwy wierzchniej za pomocą kompozytu regeneracyjnego skutkuje trwałością węzła o 49 ÷ 72% mniejszą od trwałości nominalnej. Przytoczone wnioski, są zbieżne z dotychczasowymi spostrzeżeniami eksploatacyjnymi o charakterze wyłącznie jakościowym, dotyczącymi mniejszej trwałości węzła uszczelniającego, w którym warstwa kompozytu regeneracyjnego współpracuje z wargowym pierścieniem uszczelniającym.


Identification of reliability of sealing nods for regenerated shafts of the mining machines driving gears

Restoration of leak tightness of mining machines’ driving shafts that was lost during their operation often requires regeneration of deteriorated surface layer of the shaft, which cooperates with an elastomer sealing ring. During the regeneration process the nominal design features had been restored but the parameters such as Young modulus, friction coefficient of tribological pair shaft surface layer – sealing disk, usually differ from the nominal physical features of the steel surface of the shaft. Such change in features of the discussed tribological pair can change life of the sealing nod in relation to the assumed (design) nominal value. From the analysis of the problem it results that quantitative description of the sealing nod features impact on its life is especially important, when the discussion concerns the cooperation of the elastomer ring with the composite surface layer produced during the shaft regeneration process. This problem is not properly described especially regarding its quantitative description. That is why determination of relationship between the friction momentum generated within the contact elastomer ring - composite surface layer of the shaft and the operational parameters of the sealing nod is the main objective of this monogtraph. General relationship between friction momentum generated in a sealing nod and its operational parameters was derived using the dimensional analysis method to express this relationship as the exponential function with the following arguments: elastic pressure of the ring on the shaft, shaft diameter and four dimensionless figures characterizing properties of the contact zone between sealing ring and the shaft surface layer; its geometric features; character of friction, rigidity replacement of the contact and conditions for generation of elastic-hydrodynamic layer of the lubricating medium. The exponents in the friction momentum relationship were determined experimentally. To determine them, the results from the acceptance testing of sealing rings were used. However, utilitarian character of those tests and large database of test results have not been used so far to formulate general conclusion on cooperation of discussed tribological combination. The criterial figures characterizing the operational condition of the sealing ring on the stand used for the accepting tests were identified in a computer simulation of FEM model of the sealing nod as well as during stand tests of friction coefficient in each tribological combination. Tests of sealing rings were conducted for six tribological combinations created by two types of elastomers and by three types of the shaft surface layer. For each tribological combination, five series of tests were carried out  and total time of these tests was 160 hours. Using the results of the longest 48 h measurement series, the searched exponents were determined separately for the tribological combination in which the sealing ring was made of nitrile rubber (NBR) and separately for the ring made of fluoropolymer elastomer (FKM). The results obtained in other measuring series were used in verification of identified equation for friction momentum in the sealing nod, finding out that they are affected by an error less than 9%. Verified equation for the friction momentum was used for determination of impact of the regenerating composite layer on durability of the sealing nod, characterized by time of its failure-free operation. Correlation between failure-free operation of two compared sealing nods and their operational parameters was determined assuming the same durability of the sealing nods. It was found that the tested composites used for regeneration of the shaft surface layer always reduce durability of the sealing nod in relation to the nominal durability. If a ring made of NBR elastomer is used in the sealing nod, its reliability after regeneration of damaged shaft surface is reduced by 44÷61%. In the case of a ring made of FKM elastomer, regeneration of steel surface layer reduces durability of sealing nod  by  49 ÷ 72% in relation to the nominal durability. These conclusions are analogous to the current operational observations of only qualitative character concerning lower reliability of the sealing nod in which the composite regenerative layer cooperates with a lip sealing ring.