Анализ отказов подшипников российской горнодобывающей дробилки | Решение для повышения срока службы при ударных нагрузках и воздействия окружающей среды 

Дробильное оборудование в высокоширотных горнодобывающих районах России работает в суровых условиях низких температур, высокой пылеобразования, постоянных ударов и непрерывной работы. Преждевременный выход из строя подшипников является одной из наиболее распространенных проблем оборудования при эксплуатации и техническом обслуживании шахт. Многие шахты страдают от короткого срока службы подшипников, частых простоев для замены, высоких затрат на техническое обслуживание и ограниченной производственной мощности. В данной статье, на основе полевых отказов, наблюдаемых на российских шахтах, анализируются фактические причины выхода из строя подшипников в дробильном оборудовании и предлагаются практические методы оптимизации выбора, смазки, герметизации и установки подшипников с учетом конструкции оборудования и условий эксплуатации на месте, для эффективного решения проблемы короткого срока службы подшипников.

I. Характеристики полевых условий эксплуатации, приводящие к выходу из строя подшипников в дробилках на российских шахтах.

По сравнению с обычными промышленными условиями, условия дробления в шахтах на севере России более сложны. Колебания нагрузки, низкие температуры, проникновение пыли и длительная непрерывная работа в совокупности ускоряют износ подшипников, что является основной причиной высокой частоты отказов подшипников в этом регионе.

1.1 Высокочастотные, высокоударные нагрузки, мгновенные нагрузки которых значительно превышают стандартные условия эксплуатации.

Дробление руды происходит в условиях прерывистых ударных нагрузок. Когда подаваемая руда имеет неравномерный размер частиц или когда крупные твердые куски руды внезапно попадают в дробильную камеру, оборудование создает мгновенные ударные нагрузки. Ударное давление действует непосредственно на точки контакта подшипников, вызывая резкое увеличение напряжения на контактной поверхности между роликами и дорожкой качения. При длительной многократной эксплуатации на поверхности дорожки качения могут появляться пластические вмятины и отслоение, которые являются основными причинами преждевременного повреждения подшипников на месте эксплуатации.

1.2 Непрерывная эксплуатация в течение всего года приводит к долговременному усталостному износу подшипников.

Для обеспечения бесперебойной работы большинство карьеров в России эксплуатируют оборудование непрерывно в течение длительных периодов времени, обычно от 3000 до 8000 часов в год. Подшипники постоянно подвергаются радиальным нагрузкам, а вибрации оборудования генерируют непрерывное тепло трения, при этом времени для охлаждения и снятия напряжений практически нет. Длительная усталостная эксплуатация постепенно изнашивает дорожки качения и рабочие поверхности роликов, снижая износостойкость подшипника и сокращая его фактический срок службы.

1.3 Чрезвычайно низкие температуры в северном горнодобывающем районе наносят ущерб смазочным материалам и стабильности работы.

В горнодобывающих районах северной России зимние температуры могут опускаться до экстремально низких значений от -30°C до -50°C. Хотя этот температурный диапазон оказывает ограниченное влияние на присущие подшипниковой стали свойства, он напрямую влияет на работу компонентов и условия смазки. При низких температурах вязкость обычной смазки значительно возрастает, а её текучесть снижается. Это приводит к заметному увеличению сопротивления подшипников перемешиванию при запуске оборудования, затрудняя формирование полной смазочной пленки на начальных этапах, что приводит к граничному и сухому трению. Одновременно низкие температуры вызывают затвердевание и потерю эластичности уплотнительных резиновых компонентов, снижая адгезию уплотнения и создавая потенциальную опасность последующего проникновения пыли.

1.4. Высокий уровень пылевого загрязнения приводит к абразивному износу.

В процессе дробления постоянно образуются твердые частицы, такие как порошок железной руды, известняка и угля. Открытая рабочая среда в горнодобывающем цехе позволяет пыли легко попадать в подшипники. Эти твердые частицы застревают между роликами, дорожками качения и сепараторами, постоянно царапая рабочие поверхности во время работы и вызывая абразивный износ. Длительное накопление приводит к образованию ямок, царапин и отслоению на больших площадях дорожек качения, что в конечном итоге приводит к ненормальной вибрации оборудования, чрезмерному повышению температуры и полному выходу подшипников из строя.

II. Примеры кратковременных отказов подшипников на дробильных шахтах в России.

В этом разделе, основанном на реальных данных об эксплуатационных и ремонтных отказах на российских линиях дробления железной руды, обобщается фактический ретроспективный процесс преждевременного выхода из строя подшипников конусных дробилок. Все явления отказов, рабочие параметры и методы устранения неисправностей получены из данных о работе оборудования на местах, точно отражающих реальные условия эксплуатации в высокоширотных, холодных шахтах России. Это может служить практическим справочником для поиска и устранения неисправностей и оптимизации работы подшипников в аналогичном дробильном оборудовании.

2.1 Предыстория дела

Пример из практики: Производственная линия дробления на железорудном руднике в Сибири, Россия, занимающаяся в основном крупным и тонким дроблением железной руды. В районе добычи полезных ископаемых зимой длительное время наблюдаются экстремально низкие температуры, что приводит к образованию большого количества пыли на территории. Оборудование работает непрерывно круглый год.

Используемое оборудование: Одноцилиндровая конусная дробилка, являющаяся основным дробильным оборудованием производственной линии, выполняет основную операцию дробления твердой железной руды и длительное время подвергается высокочастотным ударным нагрузкам.

Оригинальные подшипники: Оборудование оснащено стандартными самоустанавливающимися роликовыми подшипниками 22220, которые являются стандартной моделью для горнодобывающего оборудования и не требуют адаптации или модификации к конкретным условиям эксплуатации.

Фактические условия эксплуатации: Производственная линия работает непрерывно 20 часов в сутки. Руда имеет высокую твердость и неравномерный размер частиц подаваемой руды, а оборудование постоянно подвергается ударным нагрузкам. Минимальная температура в районе добычи зимой может достигать -35℃. На территории отсутствуют закрытые пылезащитные сооружения, и количество скопившейся рудной пыли велико. Ежедневно проводится только базовое и простое пылезащитное обслуживание.

2.2 Основные признаки отказа подшипника

Оригинальные самоустанавливающиеся роликовые подшипники стандарта 22220, находившиеся на производственной линии в стабильном режиме около 3 месяцев, выявили явные отклонения, обнаруженные обслуживающим персоналом на месте. Основные неисправности были сосредоточены в трех областях: температура, вибрация и повреждение корпуса подшипника.

Во-первых, температура подшипника в рабочем состоянии аномально повышается. В нормальном режиме работы в установившемся режиме температура подшипника стабильна и составляет около 60℃. На стадии неисправности температура продолжает расти, достигая пика, превышающего 90℃, что приводит к срабатыванию предупреждения о перегреве и создает угрозу безопасности, такую как выход подшипника из строя или заклинивание.

Во-вторых, были обнаружены аномальные вибрации и шумы оборудования. Приборы онлайн-мониторинга показали непрерывное увеличение уровня вибрации машин, усиление рабочего шума и заметную тряску оборудования, что значительно снизило стабильность процесса дробления и напрямую повлияло на производительность и точность выпуска продукции.

После остановки и осмотра на месте эксплуатации было установлено, что характеристики отказа подшипника были весьма типичными: на дорожке качения наружного кольца наблюдалось крупномасштабное усталостное отслаивание, а также большое количество ударных вмятин. На рабочей поверхности роликов отмечались равномерный износ и локальные царапины. Сепаратор был слегка деформирован. Подшипник полностью утратил свою нормальную несущую способность и работоспособность, что является типичным усталостным повреждением в условиях высокогорной и высокоинтенсивной добычи полезных ископаемых.

На основе основных проблем, выявленных в ходе разборки и устранения неисправностей на месте, мы внесли целенаправленные изменения и адаптации по четырем ключевым параметрам: модель подшипника, параметры зазора, смазочная среда и конструкция уплотнения. После завершения модификаций и возвращения оборудования в эксплуатацию аномальные явления были полностью устранены, а срок службы подшипника значительно увеличен. Сравнение параметров и рабочего состояния до и после модификаций, проведенных на месте, представлено ниже:

III. Основные причины преждевременного выхода из строя подшипников в дробилках, возникающие непосредственно на месте эксплуатации.

На основе данных о неисправностях при разборке на месте и результатах технического обслуживания установлено, что преждевременный выход из строя подшипников в горнодобывающей промышленности редко обусловлен одной-единственной проблемой качества. Большинство отказов вызваны сочетанием факторов, включая несоответствие параметров выбора, недостаточное уплотнение, неподходящую смазку, отклонения при монтаже и колебания рабочей нагрузки. С учетом условий в российских горнодобывающих районах можно выделить пять наиболее распространенных факторов, способствующих этому.

3.1 Подшипник имеет недостаточную несущую способность и не может адаптироваться к мгновенным ударным нагрузкам.

При закупке и техническом обслуживании на месте эксплуатации часто используется практика простой замены подшипников в соответствии с чертежами оборудования, предполагая, что одна и та же модель является универсальной, игнорируя мгновенные ударные характеристики дробильного оборудования. Дробилка имеет низкую установившуюся нагрузку, но резкое изменение подачи создаст значительный пик нагрузки. Конструкция сепаратора и роликовых подшипников обычных стандартных подшипников подходят только для стабильных условий эксплуатации. Длительные повторяющиеся ударные нагрузки могут легко привести к усталостному повреждению дорожки качения, что постепенно перерастет в отслаивание.

3.2 Неправильный выбор зазора приводит к увеличению напряжений в условиях эксплуатации.

Стандартный зазор подходит для оборудования общего назначения, работающего при нормальных температурах и стабильных нагрузках, но не подходит для условий дробления в горнодобывающей промышленности. При длительной работе под высокими нагрузками дробилки постоянно выделяют тепло, вызывая незначительную деформацию вала и сжатие внутреннего рабочего зазора подшипников. Если начальный зазор слишком мал, во время работы легко может возникнуть нулевой или даже отрицательный зазор, что приводит к неравномерному напряжению роликов, увеличению сопротивления трению и быстрому повышению температуры. В тяжелых случаях это может привести к термическому заклиниванию и прогоранию забоя. И наоборот, чрезмерный зазор усугубит вибрацию оборудования и ускорит усталостный износ. Поэтому горнодобывающее оборудование требует зазора, соответствующего конкретным условиям эксплуатации.

3.3 Неправильный выбор конструкции уплотнения приводит к попаданию пыли и абразивному износу.

Для разных сценариев применения используются различные конструкции уплотнений. В большинстве горнодобывающих районов используются универсальные конфигурации уплотнений, которые не могут адаптироваться к сложным условиям работы, характеризующимся высокой запыленностью, низкими температурами и сильной вибрацией. Открытые подшипники обладают хорошим теплоотводом, но не обеспечивают пылезащиты, и пыль легко проникает внутрь; двухсторонние клеевые уплотнения обеспечивают лучшую пылезащиту, но сопротивление трению при уплотнении относительно высокое в условиях низких температур, что увеличивает пусковую нагрузку; лабиринтные уплотнения обеспечивают стабильную пылезащиту, но их применимость к старому оборудованию ограничена. Несоответствие между конфигурацией уплотнения и условиями эксплуатации является важной причиной проникновения пыли и износа подшипников.

3.4 Неправильный выбор смазочной среды приводит к нестабильности масляной пленки в условиях низкотемпературных ударных воздействий.

Обычные литиевые смазки подходят для нормальных температур и стабильных нагрузок, но их применимость в низкотемпературной среде горнодобывающей промышленности России ограничена. Отрицательные температуры значительно снижают текучесть смазки, препятствуя ее быстрому и равномерному распределению при запуске оборудования. Это приводит к образованию неполной масляной пленки на рабочей поверхности подшипника, что легко может вызвать локальное сухое трение. Кроме того, обычные смазки не содержат противоизносных компонентов, что делает масляную пленку склонной к разрыву под воздействием высокочастотных ударов дробильного оборудования, что приводит к недостаточной защите и ускоренному износу рабочей поверхности.

3.5 Отклонения от норм монтажа на месте привели к локальным перегрузкам и усталости от вибрации.

Неправильная установка на месте является распространенной причиной преждевременного выхода подшипников из строя, и большинство отказов не связаны с качеством самого подшипника. Такие проблемы, как отклонение округлости корпуса подшипника, ошибка центрирования вала и сильные удары молотком во время установки, могут привести к смещению подшипника, локальной перегрузке и концентрированным вмятинам на дорожке качения. Отклонение центрирования вала будет постоянно вызывать вибрацию оборудования, многократно воздействуя на конструкцию подшипника, постепенно накапливая усталостные повреждения и сокращая его фактический срок службы.

IV. Методы оптимизации подшипников и процесс внедрения на заводе для адаптации к российским горнодобывающим условиям.

Общие методы подбора и обслуживания могут удовлетворить потребности только традиционных промышленных условий и не могут адаптироваться к сложной среде российских шахт, характеризующейся низкими температурами, высоким уровнем пыли, постоянными ударами и длительной эксплуатацией. Многие производственные линии по-прежнему страдают от короткого срока службы даже после замены подшипников на стандартные модели и проведения регулярного смазочного обслуживания. Основная причина заключается в отсутствии подбора параметров и конструктивной адаптации к реальным условиям эксплуатации.

В ответ на особенности эксплуатации российского горно-дробильного оборудования мы применяем процесс обследования условий на месте эксплуатации, адаптации параметров, структурной оптимизации и полной заводской инспекции. Мы подбираем подшипниковые узлы в соответствии с реальными условиями эксплуатации, адаптируясь к ним с производственного этапа, что позволяет решить проблему кратковременных отказов подшипников, в отличие от стандартных деталей и простых моделей, представленных на рынке.

4.1. Обследование условий работы на месте и подбор параметров по мере необходимости.

Каждая производственная линия в горнодобывающей промышленности имеет разные температуры, нагрузки, часы работы и пылеобразование, поэтому мы не используем универсальный шаблон конфигурации. Перед отгрузкой мы собираем фактические данные, такие как минимальная температура на объекте, характеристики ударной нагрузки, скорость оборудования, часы работы в сутки и влажность пыли. На основе условий эксплуатации на объекте мы определяем зазор подшипников, тип смазки и уровень герметизации, чтобы избежать преждевременного повреждения, вызванного несоответствием параметров, исходящим от источника проблемы.

4.2 Целенаправленная корректировка конфигурации для адаптации к экстремальным условиям работы в горнодобывающих районах

Учитывая низкотемпературную, ударопрочную и пылеобразующую рабочую среду российских шахт, мы внесли целенаправленные корректировки в конфигурацию стандартных самоустанавливающихся роликовых подшипников, адаптировав их к полевым условиям по пяти параметрам: зазор, сепаратор, смазка, уплотнение и защита. Конкретные корректировки следующие:

✔ Зазор, соответствующий условиям эксплуатации : Отказавшись от стандартной конфигурации зазора и учитывая усадку при низких температурах, повышение рабочей температуры и деформацию вала, зазор увеличивается за счет применения условий эксплуатации C3 и C4, чтобы избежать проблем с заклиниванием и перегревом, вызванных недостаточным зазором в условиях эксплуатации.

✔ Утолщенный сплошной каркас : Увеличена толщина и общая жесткость каркасной конструкции, что повышает ударопрочность, снижает вероятность деформации и растрескивания при высокочастотных ударах в условиях смятия и адаптируется к длительной работе в условиях вибрации.

✔Специальная низкотемпературная смазка : Заводская заправка низкотемпературной синтетической смазкой, устойчивой к экстремальным нагрузкам, которая сохраняет хорошую текучесть даже при -50℃. Она быстро образует сплошную масляную пленку при включении машины, что позволяет избежать проблемы сухого трения при запуске в зимнее время. В то же время, благодаря компонентам, устойчивым к экстремальным нагрузкам, смягчаются ударные нагрузки.

✔ Многоступенчатое комбинированное уплотнение : заменяет простую конструкцию уплотнения, использует многоступенчатую пылезащитную конструкцию, предотвращающую попадание твердой рудной пыли в подшипник, снижающую абразивный износ, и подходит для непрерывных режимов работы в условиях высокой запыленности.

✔Защита от коррозии в полярных регионах : Разработанные для транспортировки на большие расстояния и хранения в условиях низких температур и высокой влажности в России, подшипники упакованы в многослойную антикоррозийную упаковку, предотвращающую окисление поверхности и появление ржавчины перед установкой.

4.3 Оптимизация внутренней конструкции для улучшения распределения нагрузки

Для решения проблемы концентрированных мгновенных ударных нагрузок в дробильном оборудовании были оптимизированы внутренние структурные параметры подшипников. За счет соответствующего увеличения количества эффективных роликов была расширена площадь контакта под напряжением, рассеяно мгновенное ударное давление и снижено напряжение в одной точке контакта. Параметры кривизны дорожки качения были оптимизированы для улучшения концентрации напряжений на кромках и уменьшения локального износа от перегрузки. В сочетании с более жесткой конструкцией сепаратора была улучшена общая вибростойкость, что делает подшипники пригодными для длительной работы в условиях ударов и вибрации.

4.4 Комплексная заводская инспекция для контроля стабильности готовой продукции.

Для обеспечения пригодности серийной продукции для экстремальных условий эксплуатации в горнодобывающей промышленности мы применяем метод поштучной полной проверки, отличающийся от традиционного в отрасли выборочного контроля. Этот метод контролирует точность готовой продукции и рабочие характеристики каждого подшипникового узла, а также позволяет избежать скрытых дефектов обработки.

✔ Проверка точности зазоров : Проверка значений зазоров C3 и C4 для каждого комплекта, строгий контроль диапазона допусков и обеспечение разумного зазора при работе при низких температурах и высоких нагрузках, без заклинивания или аномальной вибрации.

✔Испытание на устойчивость к низким температурам : имитирует условия низкой температуры -35℃ в горнодобывающем районе для проверки сопротивления вращению подшипников, обеспечивая плавный запуск оборудования зимой без заклинивания или шума от сухого трения.

✔ Обнаружение вибрации и шума : Высокоточное оборудование обнаруживает вибрацию и шум подшипников, выявляет дефекты обработки дорожек качения и роликов, а также обеспечивает стабильную работу в условиях сильной вибрации.

✔ Повторная проверка основных размеров : повторно измерьте ключевые размеры, такие как внутренний диаметр, внешний диаметр и ширина, чтобы обеспечить точность установки и подгонки, а также снизить дополнительные нагрузки, вызванные эксцентриситетом сборки и ненормальными зазорами.

✔ Выборочная проверка герметичности : Имитация условий высокой запыленности на объекте для проведения испытаний герметичности, проверки пыленепроницаемости уплотнительной конструкции и обеспечения предотвращения проникновения пыли или износа в течение длительной эксплуатации.

Для экстремально холодных районов добычи полезных ископаемых на севере России используется стандартизированная конфигурация: выбраны горнодобывающие смазки марок С3 и С4 с увеличенным зазором, учитывающим усадку при низких температурах и деформацию при высоких температурах; используется низкотемпературная широкотемпературная синтетическая смазка с добавлением противоизносных компонентов для стабилизации низкотемпературной масляной пленки; применяется многоступенчатая комбинированная уплотнительная конструкция для повышения пыле- и водонепроницаемости; на заводе предусмотрена полярная антикоррозионная упаковка, подходящая для транспортировки на большие расстояния и хранения при низких температурах.

V. Справочник по выбору подшипников для основного горнодобывающего оборудования

Различное горнодобывающее оборудование значительно отличается по характеру нагрузок, частоте ударов и интенсивности вибрации. Поэтому необходимо подбирать соответствующие серии подшипников в зависимости от конкретных условий эксплуатации оборудования, чтобы избежать недостаточной совместимости универсальных моделей, приводящей к сокращению срока службы. Ниже представлен справочник по выбору наиболее часто используемого дробильного, сортировочного и транспортировочного оборудования в российских горнодобывающих районах.

VI. Ключевые моменты проверки критических параметров при закупке горных подшипников

Закупка подшипников для горнодобывающей промышленности не может ограничиваться проверкой только базовой модели. Даже подшипники одной и той же модели могут иметь совершенно разный срок службы в зависимости от зазора, герметизации, смазки и процесса изготовления. Для повышения совместимости оборудования на этапе закупки необходимо проверить четыре основных параметра, чтобы убедиться, что подшипники соответствуют условиям эксплуатации на объекте.

6.1 Подтвердите конкретный тип оборудования

Определение типа оборудования — щековая дробилка, конусная дробилка, ударная дробилка, вибрационный грохот или измельчительное оборудование — имеет решающее значение. Различное оборудование имеет разную ударную вязкость, методы нагружения и частоту вибрации, что приводит к совершенно разным требованиям к характеристикам подшипников. Это является основополагающим принципом выбора оборудования.

6.2 Подтвердите параметры рабочей среды на месте эксплуатации.

Ключевым моментом является проверка минимальной рабочей температуры в зоне добычи полезных ископаемых, концентрации пыли на месте, влажности воздуха, а также наличия коррозии, вызванной водяным паром, чтобы определить уровень зазора подшипника, тип смазки и форму уплотнительной конструкции, адаптированные к особым условиям эксплуатации, таким как низкая температура, высокая запыленность и высокая влажность.

6.3 Подтвердите рабочие параметры оборудования

Соберите основные параметры, такие как нормальная рабочая скорость, средняя нагрузка, пиковая ударная нагрузка, ежедневное время работы и годовое количество часов работы оборудования, чтобы определить требуемую несущую способность и стандарт усталостной долговечности, а также избежать недостаточной нагрузки или чрезмерной производительности.

6.4 Подтвердите параметры конфигурации, специфичные для подшипника.

После подтверждения базовой модели необходимо дополнительно проверить уровень зазора, тип уплотнения, материал сепаратора, стандарт совместимости смазки, точность обработки и другие параметры, чтобы убедиться, что параметры подшипника соответствуют условиям эксплуатации на месте и снизить вероятность последующих отказов.

VII. Заключение

Обширные данные по эксплуатации и техническому обслуживанию на российских рудниках показывают, что преждевременный выход из строя подшипников в дробильном оборудовании — это не просто проблема качества продукции, а результат сочетания факторов, включая низкие температуры окружающей среды, попадание пыли, ударные нагрузки, ошибки выбора и неправильную установку. Простая замена подшипников, если она происходит часто, не может коренным образом решить проблему; необходимы подбор параметров и оптимизация конструкции с учетом условий эксплуатации на месте.

Проверка параметров работы на месте, соответствие зазорам в горнодобывающей промышленности класса C3/C4, замена низкотемпературных смазочных материалов, работающих в условиях экстремального давления, модернизация многоступенчатых уплотнительных конструкций, стандартизация процедур монтажа и проведение заводских испытаний всего оборудования позволяют эффективно улучшить рабочее состояние подшипников в российском горнодобывающем дробильном оборудовании, снизить распространенные неисправности, такие как образование точечных повреждений, отслоение, перегрев и вибрация, значительно увеличить срок службы подшипников, сократить частоту простоев производственной линии и затраты на техническое обслуживание, а также гарантировать долгосрочную стабильную работу горнодобывающего оборудования.