14.05.2015
Пути повышения надежности карьерной техники
Важными показателями с точки зрения эффективности использования карьерной техники являются ее коэффициенты готовности и использования [1]. Так отмечается, что для самосвалов БЕЛАЗ с гидромеханическим приводом (ГМП) эти коэффициенты в российских карьерах ниже, чем у самосвалов Komatsu [2], Caterpillar и Terex. Возможно,
Рис. 1 Схема рабочего времени самосвала [1]
что в связи с этим БЕЛАЗ разработал самосвал грузоподъемностью 90 т с электромеханическим приводом (ЭМП), т.к. он эффективнее, чем аналогичный самосвал с ГМП. Доля самосвалов БЕЛАЗ с ЭМП сейчас около 40%, ранее это были самосвалы грузоподъемностью 110 т и выше, и вероятно она возрастет. Из Рис.1 [1] видно, что коэффициенты можно повысить, сократив время на простои, ремонты и обслуживание. В этом могут помочь смазочные материалы с высокими эксплуатационными свойствами и длительным сроком службы. Не раз было показано, что моторные масла Mobil Delvac способны работать в двигателях карьерных самосвалов со сроком смены 1000-1500 часов при стандартном предписываемом интервале 250-500 часов. Есть и доказательства эффективной работы гидравлических масел Mobil DTE 10 Excel. Однако недостаточно достичь длительного срока службы смазочного материала в одном узле машины, желательно, чтобы все механизмы обслуживались через длительный период времени и важно, чтобы интервалы обслуживания узлов были согласованы или кратны.
В настоящее время в планетарных редукторах электромотор-колес (РМК) самосвалов БЕЛАЗ в основном используются трансмиссионные масла типа API GL-5, SAE 85W140. Такие масла заправляются в самосвалы на заводе, срок их смены 1500 часов. Крупнейшим производителем ЭМП за рубежом является General Electric, в частности мотор-колеса GE использует Komatsu и БЕЛАЗ для моделей самосвалов 7513 и 75310. До 90-х годов прошлого века в планетарных РМК GE также использовались масла типа API GL-5. Для исследования причин большого процента повреждения редукторов в эксплуатации был проведен расчет требуемой толщины масляной пленки в режиме эластогидродинамического (ЭГД) смазывания и показано, что она недостаточна у масел API GL-5, SAE 85W140 для обеспечения надежной работы. Кроме того, такие масла при сильных сдвиговых усилиях необратимо теряют вязкость в эксплуатации из-за деструкции загущающей присадки, что ведет к уменьшению толщины пленки. После проведения расчетов толщины пленки для синтетических редукторных масел и успешной их эксплуатации под контролем компания GE настояла на переходе к использованию таких масел для всех РМК самосвалов и погрузчиков, находящихся на гарантии. Одобренные GE для этой цели масла называются Mobil SHC Gear OH. Причем GE рекомендует применять в основном масло класса ISO 680, а масла меньшей вязкости только при длительном зимнем периоде с устойчивой температурой ниже -25°С. Масла Mobil SHC Gear OH применяются в Komatsu, Hitachi, Le Tourneu и др. технике (Таб.1)
Таблица 1. Одобрения производителей техники
Производитель
|
Страна
|
Оборудование
|
Mobil SHC Gear
|
Тип одобрения
|
CSR Qishuyan Institute Co., Ltd.
|
Китай
|
Карьерный самосвал 250 т
|
320 OH
|
Предпочтительное
|
Dalian Heavy Industrial - DHHI
|
Китай
|
Карьерные самосвалы
|
320 OH
|
Предпочтительное
|
General Electric Company
|
США
|
Редукторы тяговых электродвигателей переменного и постоянного тока (Komatsu и др.)
|
320 OH, 460 OH,
680 OH
|
Предпочтительное.
(класс вязкости в зависимости от температуры воздуха)
|
General Electric Company
|
США
|
Редукторы GDY106 тяговых электродвигателей (Komatsu и др.)
|
680 OH
|
Предпочтительное.
|
Hitachi Construction Truck Manufacturing, Ltd.
|
Канада
|
Редукторы тяговых электродвигателей переменного тока Siemens карьерных самосвалов
|
460 OH, 680 OH
|
Предпочтительное
(класс вязкости в зависимости от температуры воздуха)
|
JOY Global (LeTourneau)
|
США
|
РМК колесных погрузчиков L-2350, L-1850, L-1350, L-1150
|
460 OH
(320 OH для Арктики)
|
Предпочтительное
|
JOY Global (LeTourneau)
|
США
|
РМК колесного погрузчика L-950
|
320 OH
|
Предпочтительное
|
MCC (Xiangtan) Heavy Industrial Equipment & Machinery Ltd.
|
Китай
|
РМК карьерного самосвала 250 т
|
320 OH
|
Предпочтительное
|
Qinghai Foton Equipment Manufacturing Co., Ltd.
|
Китай
|
РМК карьерных самосвалов
|
680 OH
|
Соответствует спецификации
|
Siemens Industry, Inc.
|
США
|
Привод карьерных самосвалов Siemens NTE260
|
460 OH, 680 OH
|
Предпочтительное
(класс вязкости в зависимости от температуры воздуха)
|
XEMC heavy duty equipment Co.
|
Китай
|
Карьерный самосвал SF33900, 220 т
|
680 OH
|
Предпочтительное
|
Результаты расчета требуемого параметра LP (определяется из заданной минимально необходимой толщины масляной пленки) при заданной максимальной температуре зуба шестерни 90оС для типичных режимов работы РМК БелАЗ-75310 (240 т) показали, что масло типа API GL-5, SAE 85W-140 не удовлетворяет режимам 1-3 с высокими крутящими моментами и малыми скоростями, а его применение с вероятностью 17-20% приведет к повреждению шестерен. Масло типа API GL-5, SAE 80W-90 полностью непригодно для заданных условий. Масло Mobil SHC Gear 320 OH полностью удовлетворяет условиям (Рис2). При повышении температуры зуба до 95°С надежную работу обеспечит уже масло Mobil SHC Gear 460 OH. Если температура будет в диапазоне 105-110°С, то следует использовать Mobil SHC Gear 680 OH (Рис.3).
Рис.2 Требуемый параметр LP для первых 4-х режимов РМК БелАЗ-75310, LP масел при заданной температуре 90°С (Критерий выбора – больше, чем min LP) и вероятность повреждения на маслах API GL-5
Рис.3 Требуемый параметр LP для первых 4-х режимов РМК БелАЗ-75310 и LP масел при температуре выше 90°С (Критерий выбора – больше, чем min LP)
Масла серии Mobil SHC Gear OH не являются загущенными, в то время как масла SAE 75/80/85W-x загущены полимерными присадками. Вязкостные присадки в той или иной мере подвержены деструкции при высоких сдвиговых усилиях, что неизбежно приведет к безвозвратной потере их вязкости, снижению параметра LP и увеличению вероятности повреждения шестерен.
Доказано в [3] и далее в собственных исследованиях ExxonMobil, что в синтетических базовых маслах, используемых в маслах Mobil SHC, в зависимости от контактного давления в ЭГД при усилиях сдвига генерируется на 20-50%, меньшие тяговые усилия, чем в минеральных маслах. Коэффициент сцепления в режиме ЭГД внутри синтетических масел (или тяговый коэффициент) значительно ниже, чем у минеральных масел. В зубчатых зацеплениях на режимах скольжения зубьев тяговые потери значительны. Лабораторные и эксплуатационные данные показывают, что использование масел Mobil SHC в передачах со стальными шестернями снижает затраты требуемой энергии на 0,5% на каждой ступени. Снижение тяговых потерь не только приводит к повышению эффективности работы передачи, но и к снижению температуры на несколько градусов в зоне контакта и в объеме масла, что приводит к увеличению защиты пар трения, срока службы узла в целом и самого масла.
Масла типа API GL-5 предназначены для работы в гипоидных передачах с высокими давлениями и имеют в своем составе в большом количестве классические противозадирные присадки (ЕР), химически модифицирующие поверхность трущихся пар. Считается, что химическая модификация ЕР присадками поверхностей подшипников качения ведет в конечном итоге к сокращению их срока службы. Кроме того, такие ЕР присадки могут быть в определенных условиях вызывают коррозию. Масла серии Mobil SHC Gear OH прежде всего могут обеспечить работу РМК за счет своих уникальных вязкостных свойств базового масла и имеют в своем составе противозадирные присадки нового поколения, которые не агрессивны.
Исследования [4, 5] показали, что динамическая вязкость по ASTM D 2983 (Brookfield) хорошо коррелирует со временем, необходимым для адекватного смазывания автомобильных дифференциалов, а низшая отрицательная температура пуска - с температурой, при которой динамическая вязкость масла достигает 150000 сП. Это значение динамической вязкости стало критерием низкотемпературной текучести трансмиссионных масел в классификации SAE J306 [6], а затем вошло в стандарт AGMA [7]. По классификации SAE J306 для масел 80W-х температура достижения этого значения вязкости не должна быть выше минус 26оС, а для класса 85W-х – не выше минус 12оС. На Рис.4 видно, что масла серии Mobil SHC Gear OH превосходят по низкотемпературным свойствам требования классов SAE 80W/85W-x.
Рис.4 Динамическая вязкость масел Mobil SHC Gear OH при отрицательной температуре
Масла Mobil SHC Gear 320 OH и Mobil SHC Gear 460 OH одобрены к эксплуатации под наблюдением в самосвалах БЕЛАЗ для получения окончательного допуска к применению.
Электропривод самосвалов состоит из генератора, непосредственно соединенного с двигателем внутреннего сгорания, и двух электромоторов. Обычно смазывание подшипников электромоторов мотор-колес смазками для электромашин, типа Mobil Polyrex EM или Unirex N2, не вызывает проблем, не так с подшипниками генератора. В самосвалах БЕЛАЗ ротор генератора мощностью 800 или 1400 кВт опирается на одном роликовом сферическом подшипнике 3620 НКУ, установленном в съемной капсуле подшипникового щита. В отличие от электрических машин общего назначения тяговые генераторы работают в самых разнообразных режимах с частыми пусками, широким изменением частоты вращения ротора и нагрузки по току. При эксплуатации тяговых машин имеют место частые механические, тепловые и электрические перегрузки, тряска и толчки. По данным МПЗ, производителя подшипников 3620 НКУ, основной причиной выхода из строя этих подшипников в тяговых генераторах является разрушение сепаратора (более 50 % от всех возможных причин). Причина разрушения сепаратора: абразивный износ, воздействие вибрационных и кратковременных, но постоянных осевых ударных нагрузок. В момент подъема, спуска, а также погрузки в карьерный самосвал породы возникают большие мгновенные динамические нагрузки и нагрузки без вращения, что иногда приводит к образованию вмятин и дальнейшему разрушению сепаратора. Поэтому выбор смазочных материалов для подшипниковых опор тяговых генераторов должен принципиально отличаться от электродвигателей и генераторов общего назначения, а в России в электроприводе самосвалов чаще всего применяют смазку Литол-24 или смазки для электромашин на силиконовой основе с хорошими низкотемпературными свойствами такие, как ЦИАТИМ-221 и ВНИИНП-207. По мнению специалистов МПЗ смазка должна иметь противозадирные (ЕР) свойства, а перечисленные российские смазки ими не обладают. Расчет требуемой толщины масляной пленки в подшипнике 3620 НКУ также указывает на необходимость применения смазки с ЕР свойствами при температурных режимах выше 60°С – 75°С для 1000-1900 об/мин, соответственно.
Критериям удовлетворяет смазка Mobilith SHC 100, представляется, что она может работать дольше и надежнее, чем применяемые в настоящее время смазки. Эта смазка применяется в моторах и генераторах GE и Siemens, устанавливаемых не только на Komatsu и Hitachi, но и на самосвалы БЕЛАЗ 7513, 75310, 75311, 75315, 75602. Помимо этого она успешно используется в ветрогенераторах большой мощности, а так же тяговых генераторах скоростных поездов в России конструкции Siemens и Alstom.
Смазка Mobilith SHC 100 включена в документацию на электропривод для новых 90 т самосвалов с ЭГП, которая будет передана на согласование БЕЛАЗ.
Нужно отметить, что российские смазки по нормативным документам работоспособны при очень низкой температуре от -60°С или -50°С. В России для определения низкотемпературного предела применения служит измерение кажущейся вязкости смазки при низкой температуре по ГОСТ-7163-84. При этом непонятно, какая вязкость считается предельной. В нормативной документации для ЦИАТИМ-221 и ВНИИНП-207 указывается одинаковая минимальная температура применения - минус 60°С, считается, что эти смазки взаимозаменяемы. В качестве примера, норма вязкости по ГОСТ-7163-84 для ЦИАТИМ-221 при температуре минус 50°С – не более 800 Па•с, а для ВНИИНП-207 значительно выше – не более 1400 Па•с при температуре минус 30°С. Можно смело утверждать, что эти смазки никак не могут иметь одинаковую минимальную температуру применения. По классификации DIN 51825 и ASTM D 1478 смазка Mobilith SHC 100 работоспособна при минимальной температуре минус 40°С. Когда сравниваются температурные пределы применения смазок, важно пользоваться одной «шкалой измерения». Исследования [8] показали, что смазки классифицируемые в России, как работоспособные при -60°С или -50°С, по DIN 51825 будут классифицированы для температуры на 20 и более градусов выше (Рис.5)
Рис.5 – Низкотемпературные диапазоны применения смазок по ГОСТ и DIN [8]
В самосвалах БЕЛАЗ с ГМП целесообразно было бы использовать одно масло в гидравлической системе рулевого управления, опрокидывающего механизма, гидротрансформатора с силовой трансмиссией и в охлаждаемых маслом тормозах. В настоящее время в самосвалах БЕЛАЗ в этих системах используют масло марки А везде или в комбинации со специализированными маслами. Масла Mobiltrans HD 10W (зимой от минус 20°С) и Mobiltrans HD 30 (летом) или всесезонно синтетическое масло Mobiltrans AST Extra 20 при температуре от минус 40°С и выше способны работать во всех перечисленных механизмах. Опыт эксплуатации в самосвалах и другой технике Caterpillar показывает, что эти масла Mobil, отвечающие спецификации CAT TO-4, способны повысить надежность работы тормозов на 30-40%, обеспечить их работу без проскальзывания, снизить износ шестерен и подшипников трансмиссии и понизить риск коррозии элементов гидравлической системы. Масло Mobiltrans AST Extra 20 близко по вязкостно-температурной зависимости при положительной температуре к маслу марки А, а при отрицательной температуре имеет меньшую вязкость (Рис.6 и 7). Такое решение позволит унифицировать ассортимент с маслами для Caterpillar, Hitachi и Komatsu, если такая техника используется в карьере
Рис. 6 Вязкостно-температурная зависимость универсальных масел для самосвалов БЕЛАЗ с ГМП при отрицательной температуре
Рис. 7 Вязкостно-температурная зависимость универсальных масел для самосвалов БЕЛАЗ с ГМП при положительной температуре
Ключевой карьерной техникой являются экскаваторы. Доля рынка производителей электромеханических экскаваторов на 2011 г. по данным ООО «ИЗ-КАРТЕКС» представлена на Рис.8 [9].
Наиважнейшими узлами экскаватора является открытые зубчатые передачи, подача смазки осуществляется автоматической централизованной системой. Смазка должна не только обеспечивать высочайшую нагрузочную способность, но и прокачиваться при низкой температуре эксплуатации. Такими особенностями обладает Mobil Dynagear 600SL, которая содержит в виде твердых добавок мелкодисперсный дисульфид молибдена и графит. Смазка соответствует требованиям P&H к смазкам для открытых зубчатых передач и многоцелевым. Она соответствует спецификациям или одобрена для открытых зубчатых передач электромеханических и гидравлических экскаваторов Caterpillar (Bucyrus), Taiyuan, УЗТМ, Komatsu, Hitachi. Работа по одобрению смазки для экскаваторов ИЗ-КАРТЕКС еще предстоит. Имеется положительный и обширный опыт применения ее не только в открытых зубчатых передачах, но и в качестве многоцелевой и круглогодично в экскаваторах P&H, Marion, Page, Hitachi, Komatsu и порядка в 500 единицах карьерной техники другого типа.
Рис.8 – Рыночные доли производителей электромеханических экскаваторов [9]
Как и смазки серии Mobilgrease XHP Mine, смазка Mobil Dynagear 600 SL способна решить многие проблемы со смазыванием пар скольжения: осей, шкворней, палец-втулка, полозья и др. в изобилии встречающихся в карьерном оборудовании, при этом смазка прокачивается по системе Linkoln до температуры минус 40оС. Применение Mobil Dynagear 600 SL позволит значительно сократить ассортимент смазочных материалов в эксплуатации и избежать проблем при попадании несовместимых смазок из других узлов.
Дробильно-размольное оборудование не менее важно в производственном цикле. УЗТМ одобрил применение Mobil SHC 627 и Mobil DTE 10 Excel 32 в системах дробильно-размольного оборудования. Мировые лидеры в области производства дробильного оборудования Svedala и Metso также отдают предпочтение маслам серии Mobil SHC 600, особенно в холодных условиях, и маслу Mobil DTE 10 Excel 32.
Гарантийный срок карьерного оборудования производства СНГ обычно невелик – 1 или 2 года. По данным БЕЛАЗ гарантийный парк карьерных самосвалов БЕЛАЗ в 2013 г. составлял лишь около 1668 ед. из 17 420 ед. в эксплуатации [10], т.е. менее 10%. Это открывает возможность применению различных масел Mobil, оптимально подходящих по условиям, но возможно еще не имеющим одобрения российских производителей техники. Некоторые перечисленные в статье продукты будут доступны лишь в 2015 году, но готовится к их эксплуатации под наблюдением и испытаниям в реальных условиях нужно начинать сейчас. Положительный опыт применения будет способствовать получению одобрения более высокого уровня от производителя – предпочтительной или эксклюзивной рекомендации.
А.Г. Павлов,
Инженер по взаимодействию
с производителями оборудования
Список литературы:
- Журнал "Горная Промышленность" №4 (98) 2011, стр.38
- Горное Дело, 2013, №1, стр.43
- Murphy, W.R. et al., “The effect of lubricant traction on wormgear efficiency,” AGMA Paper P254.33 (1981)
- Osborne, R.E., “New Trends in Gear Lubricant Viscosity”, NLGI Spokesman, September, 1977, pp.187--191
- Hitchcox, H.F. and Powell, D.L., “ASTM Study of Fluidity of Automotive Gear Oils at Low Temperatures”, SAE Paper 780939
- SAE J306, Automotive Gear Lubricant Viscosity Classification
- ANSI/AGMA 9005-Е02, Industrial Gear Lubrication
- Уголь Кузбасса, Март — апрель 2013, стр. 78
- http://miningworld-russia.primexpo.ru/media/47/presentation/iz-karteks.pdf
- Новые направления организации сервисного обслуживания техники "БЕЛАЗ"