Влияние температурных режимов на долговечность ОПУ

Опорно-поворотные устройства (ОПУ) представляют собой критически важные механические компоненты, обеспечивающие вращательное движение верхней части тяжелой техники относительно её основания. Они широко применяются в производстве кранов, экскаваторов, буровых установок и других видов специализированной техники, работающей в различных климатических условиях.

Температурный режим эксплуатации является одним из определяющих факторов, влияющих на долговечность и надежность ОПУ. Изменение температуры окружающей среды и рабочей температуры самого устройства приводит к комплексу физико-механических процессов, которые необходимо учитывать как при проектировании, так и при эксплуатации опорно-поворотных устройств.

В данной статье мы рассмотрим механизмы влияния различных температурных режимов на долговечность ОПУ, проанализируем типичные проблемы, связанные с температурными воздействиями, и предложим рекомендации по минимизации негативных последствий.

Основными физическими явлениями, связанными с температурным воздействием на опорно-поворотные устройства, являются:

2.1. Тепловое расширение и сжатие

При изменении температуры все материалы испытывают линейное и объемное расширение или сжатие в соответствии с их коэффициентами теплового расширения. В сложных механизмах, таких как ОПУ, где используются разные материалы, неравномерное тепловое расширение может приводить к изменению зазоров, преднатяга подшипников и общей геометрии устройства.

2.2. Изменение вязкости смазочных материалов

Температура оказывает значительное влияние на вязкость смазочных материалов, что напрямую влияет на трение и износ подвижных частей ОПУ. При низких температурах повышение вязкости смазки может привести к затрудненному пуску и повышенному износу в начальный период работы. При высоких температурах снижение вязкости может приводить к недостаточной толщине масляной пленки и повышенному износу.

2.3. Изменение механических свойств материалов

С изменением температуры меняются основные механические характеристики материалов: предел прочности, твердость, ударная вязкость и другие. Особенно критичны эти изменения для сталей при низких температурах, когда возрастает хрупкость, и при высоких температурах, когда снижается прочность.

2.4. Термические напряжения

Неравномерный нагрев или охлаждение частей ОПУ приводит к возникновению термических напряжений, которые могут суммироваться с рабочими нагрузками и приводить к ускоренному усталостному износу или даже к разрушению компонентов.

Большинство стандартных ОПУ проектируются для работы в определенных температурных диапазонах. Выход за пределы этих диапазонов может существенно сократить срок службы устройства или даже привести к аварийным ситуациям.

Опорно-поворотные устройства состоят из множества компонентов, изготовленных из различных материалов, каждый из которых по-разному реагирует на изменения температуры.

4.1. Конструкционные стали

Основной материал для изготовления колец и корпусных деталей ОПУ. При понижении температуры ниже -20°C большинство конструкционных сталей начинают проявлять повышенную хрупкость, что особенно опасно при динамических нагрузках.

4.2. Подшипниковые стали

Шарики, ролики и дорожки качения ОПУ изготавливаются из высокоуглеродистых хромистых сталей (ШХ15, ШХ15СГ и аналоги). Эти стали особенно чувствительны к низким температурам из-за повышенной хрупкости при охлаждении.

4.3. Уплотнительные материалы

Уплотнения в ОПУ обычно изготавливаются из различных эластомеров, которые при низких температурах теряют эластичность и могут растрескиваться. При высоких температурах они могут размягчаться, терять форму и ускоренно стареть, что приводит к протечкам смазки и проникновению загрязнений.

Одним из наиболее чувствительных к температуре элементов ОПУ является система смазки. Правильный выбор смазочного материала в соответствии с температурным режимом эксплуатации критически важен для обеспечения долговечности опорно-поворотного устройства.

5.1. Влияние температуры на свойства смазки

Основная характеристика смазки, зависящая от температуры — вязкость. С понижением температуры вязкость возрастает, что может привести к недостаточной подвижности смазки и затрудненному доступу к трущимся поверхностям. С повышением температуры вязкость падает, что может привести к недостаточной несущей способности масляной пленки.

5.2. Выбор смазочных материалов по температурному диапазону

5.3. Системы циркуляции и охлаждения смазки

При работе в условиях высоких температур или при интенсивном режиме эксплуатации может потребоваться система циркуляции смазки с охлаждением. Такие системы обеспечивают не только подачу свежей смазки к трущимся поверхностям, но и отвод тепла, что позволяет поддерживать оптимальный температурный режим ОПУ.

При проектировании ОПУ и анализе его работы в различных температурных условиях необходимо учитывать тепловые деформации элементов конструкции. Рассмотрим основные расчеты, связанные с температурным режимом.

6.1. Изменение зазоров и натягов

Одним из наиболее важных аспектов является изменение зазоров между дорожками качения и телами качения (шариками или роликами) при изменении температуры.

6.2. Практический пример расчета

Рассмотрим практический пример расчета изменения радиального зазора для однорядного шарикового ОПУ с диаметром дорожки качения наружного кольца 1500 мм и диаметром дорожки качения внутреннего кольца 1480 мм при изменении температуры от +20°C до -30°C (ΔT = -50°C).

Коэффициент теплового расширения для стали примем αo = αi = 12 × 10⁻⁶ 1/°C.

ΔS = (12 × 10⁻⁶ × 1500 - 12 × 10⁻⁶ × 1480) × (-50) = 12 × 10⁻⁶ × 20 × (-50) = -0.012 мм

Таким образом, при охлаждении на 50°C радиальный зазор уменьшится на 0.012 мм. Для тяжелонагруженных ОПУ такое изменение может быть существенным и должно учитываться при проектировании.

6.3. Расчет термических напряжений

При неравномерном нагреве или охлаждении в элементах ОПУ возникают термические напряжения, которые накладываются на рабочие нагрузки.

Для стали с E = 2.1 × 10⁵ МПа и α = 12 × 10⁻⁶ 1/°C при перепаде температуры в 50°C термические напряжения могут достигать:

σt = 2.1 × 10⁵ × 12 × 10⁻⁶ × 50 = 126 МПа

Это очень существенные напряжения, которые могут составлять до 30-40% от предела текучести конструкционных сталей.

7.1. Случай эксплуатации ОПУ автокрана в условиях Крайнего Севера

В ходе эксплуатации автокрана с ОПУ шарикового типа при температуре окружающей среды -42°C было зафиксировано значительное увеличение момента сопротивления вращению. Анализ показал, что при таких низких температурах стандартная литиевая смазка существенно увеличила свою вязкость, а уплотнения потеряли эластичность.

После замены стандартной смазки на специальную арктическую синтетическую смазку с температурным диапазоном до -50°C и установки силиконовых уплотнений, работоспособность ОПУ была восстановлена. Кроме того, была внедрена практика предварительного прогрева устройства перед началом работы.

7.2. Выход из строя ОПУ экскаватора при высоких температурах

При эксплуатации экскаватора в условиях жаркого климата (температура окружающей среды +45°C) было зафиксировано преждевременное разрушение дорожек качения ОПУ. Исследование показало, что причиной стало снижение вязкости смазки и, как следствие, недостаточная толщина смазочной плёнки между телами качения и дорожками.

Решением проблемы стал переход на высокотемпературную смазку с высоким индексом вязкости и установка дополнительной теплоизоляции, защищающей ОПУ от прямого воздействия солнечных лучей.

7.3. Разрушение ОПУ из-за термоциклирования

На металлургическом предприятии ОПУ поворотного крана подвергалось частым циклам нагрева-охлаждения из-за работы вблизи с источниками интенсивного тепловыделения. В результате многократных циклических термических напряжений произошло усталостное разрушение элементов ОПУ.

Для решения этой проблемы было применено ОПУ специального исполнения с увеличенными зазорами, устойчивое к термоциклированию, а также установлена система принудительного охлаждения.

Современные подходы к эксплуатации ответственных механизмов предполагают непрерывный мониторинг ключевых параметров, включая температуру. Для ОПУ температурный мониторинг является эффективным инструментом предупреждения отказов.

8.1. Методы измерения температуры ОПУ

• Контактные датчики температуры (термопары, термометры сопротивления), устанавливаемые на корпусные детали
• Бесконтактные инфракрасные термометры для периодических измерений
• Тепловизионный контроль, позволяющий выявлять зоны локального перегрева
• Встраиваемые датчики температуры с непрерывной передачей данных в систему мониторинга состояния оборудования

8.2. Предельно допустимые значения температуры

Для большинства стандартных ОПУ с литиевыми смазками предельно допустимыми значениями рабочей температуры являются:

Следует отметить, что превышение критического уровня температуры требует немедленной остановки оборудования и выяснения причин перегрева.

На основе анализа влияния температурных режимов на долговечность ОПУ можно сформулировать следующие практические рекомендации:

9.1. Эксплуатация при низких температурах

• Используйте ОПУ в "северном" или "арктическом" исполнении, специально разработанные для низких температур
• Применяйте низкотемпературные синтетические смазки
• Обеспечьте предварительный подогрев ОПУ перед началом работы
• Увеличьте частоту технического обслуживания и замены смазки
• Избегайте резких динамических нагрузок после длительного простоя на холоде
• Используйте специальные уплотнения из морозостойких материалов

9.2. Эксплуатация при высоких температурах

• Применяйте высокотемпературные смазки с повышенной стойкостью к окислению
• Обеспечьте дополнительную теплоизоляцию или охлаждение ОПУ
• Сократите интервалы между обслуживанием и заменой смазки
• Регулярно контролируйте температуру ОПУ в процессе работы
• Для ответственных применений используйте системы циркуляционной смазки с охлаждением

9.3. Общие рекомендации по учету температурного фактора

• При проектировании оборудования с ОПУ учитывайте весь спектр возможных рабочих температур
• Производите выбор ОПУ с запасом по нагрузочной способности для компенсации негативного влияния температурных факторов
• Внедряйте системы непрерывного мониторинга температуры ОПУ для предупреждения аварийных ситуаций
• Разрабатывайте специальные регламенты обслуживания ОПУ для экстремальных температурных условий
• При резких перепадах температур предусматривайте возможность температурной компенсации

1. Перель Л.Я. Подшипники качения: Расчет, проектирование и обслуживание опор. М.: Машиностроение, 2018.
2. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. М.: Машиностроение, 2020.
3. ISO 281:2007 Rolling bearings — Dynamic load ratings and rating life.
4. ГОСТ 24955-81 «Подшипники качения. Термины и определения».
5. SKF General Catalogue, SKF Group, 2022.
6. Bearing Technical Journal, The Timken Company, 2021.
7. Кривцов В.С., Карпов Я.С. Конструкционные материалы в авиационной технике: Справочник. Харьков: ХАИ, 2019.
8. Трение, износ и смазка: справочник / Под ред. И.В. Крагельского. М.: Машиностроение, 2021.
9. Технические условия на опорно-поворотные устройства, ГОСТ 27365-87.
10. Руководство по эксплуатации строительных машин в условиях низких температур. М.: ЦНИИОМТП, 2019.