ВВЕДЕНИЕ 7
Глава 1 - Литературно - патентный обзор 12
Глава 2 - Разработка подшипника скольжения 20
2.1 Определение геометрических характеристик подшипника 20
2.2 Расчет рабочей поверхности промежуточного кольца подшипника
скольжения 29
2.3 Определение несущей способности подшипника скольжения с регулярным
микрорельефом 37
2.4 Выводы 48
Глава 3 - Разработка технологии изготовления подшипника скольжения с регулярным микрорельефом ячеистого типа 49
3.1 Разработка технологической карты для изготовления подшипника
скольжения с регулярным микрорельефом ячеистого типа на горизонтально¬фрезерном станке 49
3.2 Выводы 56
Глава 4 - Экспериментальные исследования 57
4.1 Разработка методики проведения экспериментального исследования 57
4.2 Разработка матрицы эксперимента 60
4.3 Анализ и обработка экспериментальных данных 63
4.4 Выводы 69
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 71
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 75
ПРИЛОЖЕНИЕ
АО «Ачинский НПЗ ВНК» является единственным крупным нефтеперерабатывающим предприятием в Красноярском крае, а также играет важную роль на рынке нефтепродуктов прилегающих регионов [1]. Завод является одним из ведущих предприятий топливно-энергетического комплекса Красноярского края.
Мощность НПЗ составляет 7,5 млн. т. нефти в год [2]. Завод перерабатывает западносибирскую нефть, поставляемую по системе трубопроводов АК «Транснефть». Вторичные перерабатывающие мощности завода включают установки каталитического риформинга, изомеризации, гидроочистки реактивного и дизельного топлива.
Завод специализируется на производстве моторного и авиационного топлива. Ачинский НПЗ производит более 100 наименований нефтепродуктов. Продукция завода реализуется преимущественно на территории Красноярского края и соседних регионов - Новосибирская, Томская, Кемеровская, Иркутская области, республики Хакасия и Тыва, Алтайский, Приморский и Хабаровский края; часть продукции отправляется на экспорт.
С 2014 года Ачинский НПЗ производит весь автомобильный бензин соответствующий стандарту Евро-5.
Ведутся строительно-монтажные работы на комбинированной установке производства нефтяного кокса мощностью 3 млн. т. в год по мазуту и по комплексу гидрокрекинга с интегрированной установкой гидроочистки дизельного топлива мощностью 3,65 млн. т. в год с объектами общезаводского хозяйства (57 объектов).
На предприятии разработана и внедрена интегрированная система менеджмента (ИСМ) в области качества, экологической и промышленной безопасности, соответствующая международным стандартам ISO 9001:2008, ISO 14001:2004, OH SAS 18001:2007.
Несмотря на активную динамику развития производственных мощностей завода, большая часть основного оборудования работает с момента выпуска первой продукции - 12 декабря 1982 года. Насосы, теплообменные аппараты, электродегидраторы и большая часть существующих трубопроводов непрерывно эксплуатируется уже более 30 лет. Значительное время эксплуатации оборудования, с учетом специфики предприятия, обусловленной наличием абразивных сред, высокими температурами, избыточным давлением, приводит к его быстрому моральному и физическому износу. Перечисленные факторы негативно сказываются на общей динамике работы оборудования, приводят к увеличению внеплановых остановок, значительным затратам времени на ремонтно-восстановительные работы.
Таким образом, на сегодняшний день существует высокая необходимость в модернизации действующего технологического оборудования, применении и активном внедрении новых материалов, способ обработки и ремонта. В условиях современных международных отношений России вопрос самостоятельного повышения надежности оборудования стоит для многих предприятий как никогда остро.
Одним из основных агрегатов Ачинского НПЗ, применяемым повсеместно в нескольких цехах, на различных этапах переработки нефти является электронасосный агрегат НПС 200-700. Производитель - ОАО "Бобруйский машиностроительный завод".
НПС 200-700 насос центробежный горизонтальный нефтяной секционный, предназначен для перекачивания нефти, сжиженных углеводородных газов и других нефтепродуктов при температуре от -20°С до +200°С [3]. Перекачиваемая жидкость не должна содержать твердых взвешенных частиц в количестве более 0,2% по массе и размером более 0,2 мм.
Условное обозначение электронасосного агрегата состоит из основной и дополнительной частей, разделенных знаком тире. В основную часть обозначения входят буквы НПС (Н - нефтяной, П - с плоским разъемом корпуса, С - секционный) и числа, указывающие наибольшие оптимальные параметры: 200-700 (подача-напор). В дополнительную часть обозначения входят буквы и цифры, характеризующие исполнение конструктивных элементов, при которых насос обеспечивает требуемые параметры.
Вал насоса вращается в двух шарикоподшипниковых выносных опорах. Опора, расположенная у муфты, состоит из двух радиально-упорных подшипников 46416Л ГОСТ 831-75. Противоположная опора из двух радиальных подшипников 416Л ГОСТ 8338-75. Смазка подшипников - жидкая. Предусмотрена местная, автономная циркуляция масла с автоматическим поддержанием его уровня. В качестве смазки применяется масло турбинное Т30 ГОСТ 32-74. Температура в подшипниковых узлах поддерживается за счет циркуляции охлаждающей жидкости, рабочая температура в подшипниках не должна превышать +60°С.
Корпус подшипниковых опор выполнен разъемным, с плоским разъемом корпуса в горизонтальной плоскости. Материал корпуса - стальная отливка 25Л-11 ГОСТ 977-75. Вал выполнен из термообработанной стали марки 40Х ГОСТ 4543-71.
Применяемый тип подшипниковых опор вала насоса имеет высокие требования к воспринимаемым нагрузкам, отсутствию ударных и вибрационных воздействий. Кроме того, подшипники качения даже при незначительных дефектах могут сами являться источником вибрации, что приводит к быстрому износу вращающихся частей агрегата, повышенному шуму, снижению производительности. Шарикоподшипниковая опора требует постоянного контроля уровня масла, температуры в корпусе, при этом есть необходимость контроля качества подаваемого масла, отсутствия в нем примесей или воды.
Подшипники качения требуют частого проведения технического обслуживая, постоянного мониторинга уровня вибрации. Каждые три месяца необходимо производить полную замену масла в подшипниковых узлах насоса, промывать подшипники и корпуса. Необходима обязательная замена подшипников после разборки насоса, установка реставрированных подшипников качения запрещается.
Перечисленные недостатки подшипниковых опор качения открывают широкие перспективы для применения подшипников скольжения, которые получили широкое применение во многих отраслях современного машиностроения, благодаря простоте конструкции и легкости в использовании. Подшипники скольжения могут применяться при высоких частотах вращения и значительных нагрузках, могут эффективно работать в агрессивных средах, имеют малую чувствительность к ударным нагрузкам.
Перечисленные достоинства подшипников скольжения, делают их наиболее подходящими для применения в качестве опор вала насоса НПС 200¬700. Кроме того, существующая конструкция подшипниковых опор позволяет произвести замену типа подшипника при минимальном изменении корпусов, с сохранением имеющихся систем охлаждения и подачи смазочного материала. А предлагаемая конструкция подшипника скольжения, имеющего промежуточное кольцо с регулярным микрорельефом, позволяет использовать в качестве смазочного материала жидкое турбинное масло Т30.
Таким образом, цель работы заключается в изыскании наиболее технологичного способа образования элементов регулярного микрорельефа на рабочей поверхности подшипника скольжения для повышения надежности узла.
Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи: проанализировать существующий уровень технологии в области разработки подшипниковых опор скольжения с регулярным микрорельефом, определить наиболее близкое по технической сущности решение; проанализировать возможность применения в насосе НПС 200-700 подшипниковых опор скольжения; произвести расчет геометрии подшипника скольжении с регулярным микрорельефом; разработать технологию изготовления подшипника; произвести численную оценку возникающего гидродинамического эффекта в подшипнике; произвести экспериментальные исследования для подтверждения теоретических рассуждений.
Главной целью современного машиностроения является изготовление продукции сверхвысоко качества, в кратчайшие сроки, с минимальными капиталовложениями. Высокие требования, предъявляемые к современным машинам, требуют от конструкторов постоянного изыскания новых способов повышения надежности работы.
В то же время, в период эксплуатации машин и оборудования первостепенной остается задача максимального его использования с минимальными затратами на восстановительные работы. С учетом существующей ситуации в международных отношениях России эта проблема стоит как никогда остро. Поэтому вопрос повышения надежности узлов трения, которые есть в 90% всех машин и механизмов, является актуальным как никогда.
Многие конструкторы в настоящее время стремятся использовать в качестве узлов трения именно подшипники скольжения, поскольку они обладают большей надежностью, и менее требовательны к качеству обслуживания в процессе эксплуатации по сравнению с подшипниками качения.
Учитывая вышесказанное, в данной диссертации был выбран способ повышения надежности опорного узла центробежного насоса путем применения подшипников скольжения.
Вопрос повышения надежности подшипников скольжения в настоящее время решается многими способами. Поэтому перед началом разработки подшипника, в первой главе диссертации был произведен обзор существующих технологий повышения надежности подшипникового узла скольжения. Основные направления, в которых работают конструкторы для повышения надежности опор скольжения сводятся к применению антифрикционных материалов и изысканию наиболее оптимальной формы микрорельефа рабочих поверхностей. Однако применение современных антифрикционных материалов ведет к существенному увеличению стоимости продукта, что нередко оказывается экономически нецелесообразно. А сложная структура микрорельефа рабочих поверхностей приводит к существенному усложнению конструкции подшипника и бывает технологически недостижимо многими предприятиями.
В предложенном подшипнике скольжения, исключены эти существенные недостатки в разработках. Прежде всего, несмотря на достаточно сложную структуру микрорельефа рабочей поверхности, исключены тяжелые технологические операции по ее образованию за счет изготовления промежуточного кольца. То есть рабочая поверхность, имеющая регулярный микрорельеф ячеистого типа, выполняется на плоской поверхности, что обеспечивает простоту выполнения данной операции на металлообрабатывающих станках общего назначения. Кроме того, специальная форма и расположение ячеек регулярного микрорельефа обеспечивает требуемый гидродинамический режим трения и положительно влияет на общую динамику работы узла.
В первой части работы был выполнен краткий обзор рассматриваемого насоса, проанализирован принцип работы, рассмотрены существующие подшипниковые опоры. После чего был сделан вывод о возможности применения в насосе, в качестве опор вала, подшипников скольжения.
Во второй главе диссертации была выполнена разработка предложенного подшипника скольжения по следующим этапам: во-первых, исходя из существующей конструкции подшипниковых опор насоса, были определены геометрические характеристики подшипника скольжения, которые позволят произвести модернизацию существующих опор с наименьшими изменениями. Во-вторых, был произведен расчет геометрии рабочей поверхности промежуточного кольца для подшипника с регулярным микрорельефом ячеистого типа. В-третьих, было выполнено численное определение несущей способности гидродинамической опоры подшипника скольжения с регулярным микрорельефом. Численная оценка влияния регулярного микрорельефа на несущую способность показала значительное увеличение гидродинамической подъемной силы, которая обеспечивает постоянное разделение поверхностей скольжения слоем смазочного материала. Также был рассмотрен вопрос возникновения технического эффекта с точки зрения микрогеометрии поверхности и гидродинамической теории смазки.
В третьей главе диссертации была произведена разработка технологии изготовления предложенного подшипника с регулярным микрорельефом. Заключающаяся в образовании ячеек регулярного микрорельефа на плоской поверхности развертки заготовки, после чего выполняется свертка заготовки в кольцо, фиксация от осевого смещения посредством специально выполненных пазов по двум вариантам - в виде «ласточкина хвоста» и «пазла» и склеивание кромок развертки. Далее была выполнена разработка технологической карты на изготовление подшипника скольжения с регулярным микрорельефом на горизонтально - фрезерном станке. В выводах к главе было отмечено, что разработанная технология изготовления подшипника скольжения позволяет вывести на качественно новый, более высокий уровень технологию ремонта оборудования на действующих предприятиях. Поскольку предложенный подшипник скольжения может быть выполнен на металлообрабатывающем станке общего назначения и может быть установлен в узел, как при проектировании новой машины, так и при проведении ремонта, действующего оборудования.
В четвертой главе диссертации были описаны проведенные в ходе работы экспериментальные исследования предложенного подшипника скольжения. В качестве экспериментального стенда использовался насос ПЭН 100-51 Красноярского Алюминиевого завода, в котором в качестве опор вала применяются баббитовые подшипники скольжения. В первой части главы была кратко рассмотрена конструкции насоса, описан метод проведения эксперимента, прибор для снятия результатов исследования. Во второй части главы была выполнена разработка матрицы проведения эксперимента, запланировано проведение 3-х экспериментов с шагом варьирования контрольного фактора An. В результате проведения экспериментальных исследований были получены спектральные характеристики динамики работы подшипника скольжения на трех скоростях - 1000, 2000 и 3000 об/мин. После анализа полученных данных был сделан вывод о том, что положительный эффект от применения такого подшипника скольжения сказывается на высоких частотах вращения вала n> 1000 об/мин. При больших частотах вращения вала происходит самоустановка промежуточного кольца в масляном клине между трущимися поверхностями, что приводит в возникновению дополнительной подъемной силы, обеспечивая полностью жидкостный режим трения. Как показали результаты экспериментальных исследований, ячейки регулярного микрорельефа, обеспечивают наличие дополнительного объема смазочного материала в зоне контакта поверхностей скольжения, что снижает износ в момент пуска оборудования. В установившемся режиме работы кольцо с регулярным микрорельефом обеспечивает жидкостное трения между поверхностями цапфы и вкладыша, снижая общий уровень вибрации в узле до 0,1 мм/с. В таком режиме работы, обеспечиваются оптимальные условия скольжения вала, а износ поверхностей практически отсутствует, поскольку контакт между поверхностью цапфы и вкладыша полностью разделен слоем смазочного материала.
Таким образом, в диссертации было сделано предложение по повышению надежности подшипниковой опоры центробежного насоса для Ачинского НПЗ. После проведения всех научно - исследовательских работ, был сделан вывод об эффективности применения предложенного подшипника скольжения с регулярным микрорельефом. Данная технология позволяет существенно повысить надежность работы опоры насоса, может быть применена как в периоды проведения ремонтов, так и при проектировании нового оборудования.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
