Эксперт

Сергей

Задать вопрос

Мы готовы помочь Вам.

Перегрев подшипников и других узлов трения – распространенная причина возникновения пожаров в текстильной, деревоперерабатывающей, картонно-бумажной и других отраслях промышленности, в сельском и коммунальном хозяйствах, а также на транспорте. Основной причиной перегрева является нарушение режима смазки. При нормальном режиме смазки между трущимися поверхностями подшипников находится слой смазки в жидком состоянии (гидродинамический режим), обеспечивающий низкий коэффициент трения (0,001-0,05). При вытекании смазки из узла трение переходит сначала в режим полусухого, а затем сухого трения. При этом коэффициент трения существенно возрастает. Особенно резко возрастает коэффициент трения при попадании в подшипники песка и грязи, что влечет за собой появление задиров на трущихся поверхностях и еще более быстрое возрастание коэффициента трения.
Целью работы является исследование условий, при которых перегретый подшипник может вызвать горение и, разработка противопожарных мероприятий. При этом необходимо:
1. Расчет температуры нормального и аварийного режима работы узла трения по мощности электродвигателя.
2. Экспериментальное определение температуры каплепадения образцов пластичных смазок.

4.1 Основные теоретические сведения
Тепловое превращение механической энергии общеизвестно. Открытие способа зажигания горючих материалов за счет превращения механической энергии в тепловую явилось одним из важнейших открытий на заре человеческой цивилизации. Однако до настоящего времени количественное описание условий зажигания при тепловом превращении механической энергии представляет сложную задачу.
Среди пожарных специалистов распространено убеждение, что ответственным за зажигание является количество энергии, выделяющейся при механическом трении. Отсюда и распространенный термин “малокалорийный источник зажигания”. На самом же деле, ответственным за зажигание является не количество теплоты. Для того, чтобы убедиться в этом, проделайте следующие опыты. Положите на стол руку, прижмите ее к столу и переместите на расстояние, например, одного метра. Опыты повторите несколько раз, не меняя усилия нажима ладони к столу, скорость перемещения руки по столу от первого опыта к последующим увеличивайте. Вы заметите, что с увеличением скорости перемещения руки ощущение
степени нагретости ладони возрастает. При достаточно большой скорости
перемещения ладони можно получить ожог кожи.
Дадим количественную оценку проделанным опытам.
Независимо от скорости перемещения руки по столу Вы совершали
одну и ту же работу:
А F L тр N    , (4.1)
где тр – коэффициент трения,
А – работа по перемещению руки по столу на расстояние L=1 м, Дж;
FN – сила нормального давления (усилие, с которым Вы прижимали
ладонь к столу), Н.
В условиях проведения опытов величины L, FN и тр были
постоянными. Поэтому во всех опытах проделывалась одна и та же работа и,
следовательно, выделялось одно и тоже количество энергии, за счет которой
нагревались стол и ладонь руки. Однако степень нагрева ладони оказалась
различной. В чем же причина? Причина в том, что руку перемещали с
различной скоростью, поэтому одну и туже работу совершали за различные
отрезки времени. Отсюда следует важный вывод о том, что ответственной за
скорость нагревания ладони руки является не проделанная работа и
выделившаяся энергия, а мощность, с которой совершалась работа. Скорость
тепловыделения Q
где: Nтр – мощность, затрачиваема я на преодоление сил трения, Вт;
Fтр=PNтр – сила трения, Н;
 = L/ -скорость перемещения, м/с.
При этом скорость тепловыделения Q
+ и мощность Nтр по
преодолению силы трения Fтр. равны по величине и выражаются в одних и
тех же единицах – Ваттах. Количество же теплоты (в Дж), которое
выделялось в различных опытах (если рука прижималась к столу с одним и
тем же усилием и перемещалась на одно и тоже расстояние) было одним и
тем же.
Таким образом, при совершении механической работы по преодолению
сил трения скорость тепловыделения определяется не совершенной работой
и не затраченной энергией, а мощностью, с которой производилась работа по
преодолению сил трения:
тр N Q  
. (4.3)
3
Мощность, затрачиваемую на преодоление сил трения, можно оценить
по формуле:
mp н N  2  R n  f  в  P (4.4)
где Nmp – мощность, Вт;
R – радиус подшипника, м;
п – частота вращения, 1 с ;
f – коэффициент трения;
Рн – сила нормального давления на трущиеся поверхности, Н;
в – ширина подшипника, м.
Для определения условий, при которых тепловое превращение
механической энергии приводит к горению и взрыву, необходимо, как и при
тепловом самовозгорании (самовоспламенении), решить уравнение:
где ПО – параметр охлаждения, с-1;
Т – разность температур наиболее нагретого трущегося элемента и
окружающей среды, K.
На рисунке 4.1 вариант (а) иллюстрирует условия возникновения
горения, вызванные ухудшением теплоотвода, например, прекращением
подачи водоохлаждающей эмульсии к резцу. Вариант (б) отражает
аварийную ситуацию, обусловленную возрастанием силы трения в
аварийном режиме, например, при вытекании смазки из узла трения. На
диаграммах по вертикальной оси (ось Y) отложены скорости нагревания P+
трущихся деталей (или узла трения) при отсутствии теплообмена с
окружающей средой (адиабатические условия) и виртуальные скорости
охлаждения Р-. Горизонтальная ось (ось X) является осью температур. Точки
АР на обеих диаграммах соответствуют установившимся рабочим
температурам ТР. Точки Аав соответствуют предельным температурам Тав,
которые могут быть достигнуты в аварийных режимах работы узлов трения.
На диаграммах аварийные температуры выше температуры зажигания,
поэтому в аварийных режимах, если своевременно не приостановить работу
узла трения, возникновение горения неизбежно.

Из этих соотношений видно, что загорание узла трения произойдет в
том случае, если температура в аварийном режиме работы достигнет
температуры зажигания и время работы узла трения в аварийном режиме
окажется не меньше времени з, необходимого для возникновения горения в
режиме зажигания.
Тепловыделение, вызванное трением, обусловлено работой по
преодолению сил трения. На преодоление сил трения затрачивается часть
мощности электродвигателей.

мощности на преодоление сил трения адиабатическая скорость нагревания Р+ начнет возрастать (кривая 1’). С повышением температуры подшипника скорость теплоотвода будет увеличиваться пока не наступит равенство скоростей нагревания Р+ и охлаждения Р- в точке А2. Этому равенству Р+=Р- соответствует температура аварийного режима работы подшипника Тав.
Если эта температура окажется выше температуры самовоспламенения паров смазки или температуры зажигания других, контактирующих с подшипником материалов, то произойдет загорание. Загорание может произойти и при более низкой температуре, если на корпусе подшипника нарастет слой самовозгорающейся пыли. Пропитка этого скопления разбрызганной смазкой может привести к самовозгоранию такой пыли.
В случае применения пластичных смазок, режим работы подшипника задается таким, чтобы его температура была на 20-30 градусов ниже температуры каплепадения смазки, что исключает возможность ее вытекания из подшипника. Если же в подшипнике окажется смазка с более низкой температурой каплепадения или же подшипник окажется в среде с температурой более высокой, чем предусмотрено режимом эксплуатации, то станет возможным вытекание смазки из подшипника и переход его работы в аварийный режим. В аварийном режиме возможен нагрев подшипника до опасной температуры, при которой может произойти самовозгорание или поджигание горючих материалов, контактирующих с перегретым подшипником.
Тепловое превращение механической энергии при пробуксовке ремней элеваторов и транспортерных лент; при перегреве подшипников и других узлов трения; при трении соломистой массы на валах комбайнов; при ударах часто приводит к возникновению пожаров и взрывов. Причина их общая: механическая энергия превращается в теплоту и идет на нагревание узлов трения, трущихся деталей, деформируемых, сжимаемых тел. Задача состоит в том, чтобы научиться определять условия, при которых тепловое превращение механической энергии приводит к горению и взрыву, и заблаговременно устранять эти условия.
4.2. Оценочный расчет опасности возникновения горения от узла трения
Задание. Провести оценочный расчет условий загорания от узла трения. Варианты заданий представлены в таблице 4.1. По результатам расчета своего варианта построить диаграмму (Рис.4.3).

стабильности системы и ограничение подвижности дисперсионной среды – ее загущение.
Вещество, образующее дисперсную фазу, называют загустителем. Действие загустителя основано на том, что он создает в объеме смазки структурный каркас, во внутренних ячейках которого жидкость удерживается силами взаимодействия между молекулами дисперсной фазы и дисперсионной среды.
В наибольшей степени пластичные смазки используются в следующих областях – подшипники скольжения и качения, шарниры, зубчатые, винтовые и цепные передачи машин и механизмов, многожильные тросы.
Большинство современных смазок одновременно обладают свойствами, допускающими их использование и по другим назначениям, например антифрикционные пластичные смазки в некоторых случаях можно использовать как консервационные или уплотнительные.
Преимущество пластичных смазок по сравнению с маслами: более длительный срок службы в механизмах и узлах, что позволяет существенно снизить конструкционные расходы.
Недостаток пластичных смазок: невозможность отвода отработанного материала из узлов трения.
В качестве присадок к смазкам используют те же присадки, что и в маслах. Присадки могут быть: противоизносные, противозадирные, антифрикционные, защитные, вязкостные и адгезионные.
Особое значение для улучшения свойств смазок при высоких нагрузках, температурах и скоростях относительного движения поверхностей трения имеют наполнители, в качестве которых наиболее эффективны твердые слоистые смазки – дисульфид молибдена и графит.
Свойства пластичных смазок:
– стабильность – определяет способность смазок сохранять заданные физико-химические свойства в течение определенного промежутка времени при воздействии внешних факторов длительного хранения, измерений температуры, механических воздействий радиационного облучения и прочее
– механические свойства – большая зависимость прочности от температуры, способность восстанавливать прочность после разрушения и зависимость прочности от интервала времени между последующими нагружениями – “времени отдыха”
– вязкостно-скоростные и вязкостно-температурные свойства смазок определяют потери на трение на рабочих режимах, условия начала движения в узлах трения при низких температурах и усилия (затраты энергии) на подачу смазки по мазепроводам к узлам трения
– смазочные, защитные и герметизирующие свойства.
Пластичные смазки имеют разную консистенцию и классифицируются по типу загустителя и по области применения. Наиболее распространены мыльные пластичные смазки, загущенные кальциевыми, литиевыми, натриевыми мылами высших жирных кислот.
Классификация пластичных смазок по составу базового масла:
12
– минеральные смазки, которые получаются путем переработки нефти
– синтетические смазки, которые получаются путем синтеза из органического и неорганического сырья
– полусинтетические смазки, которые получаются путем смешивания минерального и синтетичеческого масла.
Классификация пластичных смазок в зависимости от назначения:
– антифрикционные смазки применяются для уменьшение трения и износа сопряженных деталей
– консервационные (предохранительные, защитные) необходимы при постановке техники на хранение, чтобы не допустить коррозию ее металлических деталей, при расконсервировании механизма они легко убираются с трущихся поверхностей
– уплотнительные пластичные смазки применяются для герметизации зазоров, для сальниковых устройств, в различных соединениях
– канатные смазки используются для предупреждения коррозии и истирания стальных канатов
Классификация пластичных смазок по консистенции:
– твердые – до отвердения этот вид смазки представляет собой суспензию, после отвердения – коллоидный раствор (золи), который обладает всеми качествами твердых тел и низким показателем сухого трения. Их используют, когда другие виды смазок из-за сложных условий эксплуатации не обеспечивают устойчивую работу механизмов. Обычно твердые смазки применяют в тормозных колодках
– пластичные и полужидкие особенно необходимы для подшипников скольжения и качения, шарниров, винтовых, цепных и зубчатых передач, то есть там, где необходимо уменьшить трение и износ узлов. При небольших нагрузках пластичные смазки не изменяют свою форму и с вертикальных поверхностей не стекают. Под нагрузкой смазка деформируется и, подобно жидкости, начинает течь. После отмены нагрузки смазка вновь застывает.
При высокой температуре смазки разжижаются и могут вытекать из подшипников, сползать с поверхностей под действием силы тяжести или разбрызгиваться под воздействием центробежных сил. Температура каплепадения не является прямым показателем рабочей температуры, но по ней приблизительно можно установить верхнюю допустимую температуру нагрева смазки. При температуре каплепадения смазки до 100 оС максимальная рабочая температура на 15- 20о ниже, при температуре каплепадения до 150 оС – рабочая ниже на 30-40 оС, и при каплепадении до 200 оС – рабочая будет ниже на 60- 80 оС.
Температура каплепадения- это температура, при которой смазка из пластичного твёрдого переходит в жидкое состояние и появляется первая капля из отверстия при стандартных условиях испытания.
13
Лабораторная установка.
Аппарат АКП-02 для определения температуры каплепадения нефтепродуктов предназначен для нагревания продуктов и контроля температуры падения первой капли при переходе продукта в жидкое состояние.
Принцип действия АКП-02 основан на измерении температуры в технологическом блоке.
Эксплуатационные характеристики:
Максимальная продолжительность одного анализа не более 1ч.
Аппарат имеет следующие режимы работы:
– режим 1 в соответствии с ГОСТ 6793 , при котором проба нагревается со скоростью (10 ± 1,5) 0С/мин и начиная с температуры на 20 0С ниже ожидаемой температуры каплепадения, температура пробы повышается со скоростью 1 0С в минуту до окончания анализа;
– режим 2 стабилизации используется при аттестации аппарата.
Время охлаждения технологического блока до температуры окружающей среды не более 1ч.
Устройство аппарата:
Аппарат состоит из электронного и технологического блоков (Рис.4.4). В электронном блоке размещена плата с элементами электрической схемы. На задней стенке блока установлены два разъёма (для подключения датчика температуры, для подключения схемы фиксации момента каплепадения нефтепродукта в пробирках и для подключения нагревателя и вентилятора). В верхней части электронного блока расположена плата с элементами световой индикации, дисплей и клавиатура. С одного бока расположен разъём Х4 – для подключения аппарата к компьютеру, а с другого тумблер СЕТЬ. Все светодиоды имеют соответствующие обозначения (ПРОБА1 – ПРОБА6).
В технологическом блоке размещены алюминиевый блок с шестью каналами, два нагревателя, блок светодиодов и блок фотодиодов для регистрации момента каплепадения, вентилятор для охлаждения блока после окончания анализа и датчик температуры.
На кожухе технологического блока наклеена табличка, с обозначениями каналов.
Подготовка к работе:
Соединить электронный и технологический блок шнурами согласно маркировке;
маслёнки, внутренние полости пробирок промыть спиртом или спирто-бензиновой смесью. Почистить каналы в технологическом блоке;
маслёнку наполнить пробой, избыток пробы удалить шпателем;
собрать пробирку таким образом, чтобы прорезь-щель нижней части пробирки была продолжением большого окошка верхней части пробирки;
установить в пробирку заправленную маслёнку;
анализы проводить без установки термометра в пробирку;
14
если необходимо контролировать температуру термометром, то последний устанавливается в пробирку с пустой маслёнкой;
пробирка с термометром помещается в любой свободный канал.
Рис 4.4.Прибор АКП-02 для определения температуры каплепадения нефтепродуктов
Рис.4.5. Пробирка с термометром и маслёнкой
Порядок работы:
– подключить аппарат к сети 220 В,
– тумблером сеть включить питание аппарата, при этом на лицевой панели загорится светодиод сеть, а на мини-дисплее появится надпись АППАРАТ АКП-02
15
– нажать клавишу электронного блока (далее АКП-2) ENTER, на мини-дисплее появится надпись: Ввод даты анализа (число, месяц, год), (мигание указывает на необходимость уточнения даты ввода анализа). После установки «стрелками» нужной даты нажать клавишу АКП-2 ENTER, на мини-дисплее появится надпись Ввод даты анализа (число, месяц, год), подтвердить: Ок
– повторно нажать клавишу АКП-2 ENTER, на мини-дисплее появится надпись Анализ Ттек=XXX.X(текущая температура в блоке ).
– аппарат готов к реализации программы Анализ температуры каплепадения
-установить значок «>» напротив данного режима и нажать клавишу АКП-2 ENTER, при этом:
-если температура технологического блока выше значения 900С, на две секунды на мини- дисплее электронного блока появится надпись: Установка не готова! Так как текущая выше 900С, (она указывает на необходимость выдержки для охлаждения технологического блока при повторном использовании АКП-2);
– если температура технологического блока ниже значения 900С, на мини-дисплее электронного блока появится надпись-команда: Выбор режима, режим 1, выбор режима выполняется клавишей « ↑» на клавиатуре АКП-2 для увеличения значения или «↓» для уменьшения значения;
– после выбора режима 1 нажать клавишу АКП-2 ENTER, на мини-дисплее аппарата появится надпись-команда Ввод Т каплепадения Ткап=XXX 0C и высветится мигающее значение температуры последнего анализа.
– Ткап=XXX0С – предполагаемая температура каплепадения устанавливается нажатием и удержанием клавиши «+↑» для увеличения и «−↓» для уменьшения ее.
После установки температуры нажать клавишу АКП-2 ENTER, на мини-дисплее высветится надпись-команда Ввод Т каплепадения Ткап=XXX 0C, подтвердить Ок, при этом, если значение температуры подобрано правильно нажать клавишу АКП-2 ENTER и на мини-дисплее АКП-2 появится сообщение: Установка проб 1 2 3 4 5 6, если на мини-дисплее напротив какого-либо канала появится знак «٭», то данный канал неисправен и в анализе не участвует.
– установка пробирок допускается только после появления надписи «Установка проб 1 2 3 4 5 6»
– установить подготовленные пробы в каналы технологического блока прорезями на пробирках «к себе». Медленно поворачивая пробирки вправо
16
или влево добиться звукового сигнала, одновременно при этом на мини-дисплее электронного блока рядом с номером пробы появится «٭», в пустующих каналах значок «*» не появится и при анализе учитываться не будет. Если в анализе участвуют пробы 2-х смазок, рекомендуется использовать ячейки 3 и 4 каналов, при использовании 4-х проб рекомендуется устанавливать во 2-й, 3, 4,и 5-й каналы.
– следить, чтобы при установке пробирок с пробами на мини-дисплее электронного блока постоянно высвечивались значки «٭», отсутствие значка указывает, что пробирка с пробой установлена неправильно и нагревается без контроля, так как прорезь пробирки смещена от центра.
– ввести программу контроля температуры нагревания проб в технологическом блоке;
– мышкой на рабочем столе компьютера выбрать значок ☻- «прибор», на экран проецируется «пустая» координатная сетка: (по оси абсцисс фиксируется продолжительность нагревания технологического блока, по оси ординат текущее время анализа и текущая скорость нагрева проб).
-после заданной установки пробирок нажать клавишу ENTER, на дисплее аппарата появится надпись Установка проб 1* 2* 3* 4* 5* 6* Ок, повторно нажать клавишу ENTER, на дисплее АКП-2 появится надпись Ввод данных завершен. Начать анализ Режим- 1.
Анализ в режиме-1.
-нажать клавишу АКП-2 ENTER, на мини-дисплее засветится светодиод «нагрев» и появится надпись Ттек=XXX.X 0С на экран проецируется в соответствии с программой введенной в компьютер текущие данные:
-Т время выполнения анализа в минутах и секундах;
-U текущая скорость нагрева проб в0 С/мин;
-графики нагревания технологического блока с установленными пробами и изменения скорости нагрева
(Справка, скорость за 300 С до предполагаемой температуры каплепадения должна быть равной 10,0±1,50 С/мин )
(Cправка; при достижении температуры на 300 С ниже предполагаемой температуры каплепадения Ткап аппарат автоматически перейдет в режим нагрева 10 С, при этом график станет более пологим);
-в момент падения первой капли пробы из какой либо пробирки, на панели электронного блока загорится соответствующий светодиод и прозвучит звуковой сигнал на дисплее аппарата появится надпись Ттек=XXX.X 0 С, U=XX.X0 С, Тn =XXX.X
17
где: n- номер канала от 1 до 6; Тn =XXX.X -температура каплепадения пробы в канале n и последующих.
– после фиксации каплепадения во всех установленных пробирках или достижении текущей температуры 4050С произойдет автоматическое отключение нагрева, при этом прозвучит звуковой сигнал и погаснет табло светодиода Нагрев, и засветится светодиод Вентилятор на охлаждение технологического блока и появится надпись Анализ завершен или Анализ прерван если достигнута Т=4050 С
-для выхода в меню режимов нажать клавишу Esc на АКП-2
Результаты определения заносятся в таблицу 4.2.

4.4. Отчет по работе
Отчет по работе должен содержать:
– наименование работы;
– основные идеи и принципы, положенные в основу лабораторной работы;
– результаты расчетов температуры узла трения при нормальном и аварийном режимах работы своего варианта задания;
– схему прибора по определению температуры каплепадения;
– результаты определения температуры каплепадения;
– вывод о целесообразности использования пластичных смазок, рассмотренных в экспериментальной части, для расчетного узла трения.
4.5. ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ 6793. Нефтепродукты. Метод определения температуры каплепадения.
2. Товарные нефтепродукты: Свойства и применение. Справочник. -М.: Химия, 1978.
18
3. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения: Справ, изд. в 2 кн. / Баратов А.Н., Корольченко А.Я., Кравчук Г.Н. и др. – М.: Химия, 1990. – 496 с.
4. Киселёв Я.С. Физические модели горения в системе предупреждения пожаров. СПб университет МВД России ,2009г.264с
5. Трансмиссионные масла. Пластичные смазки. Р. Балтенас, А.С.Сафонов, А.И. Ушаков, В. Шергалис. СПб.: ООО Издательство ДНК, 2001.-208с.