Износостойкие конвейерные цепи J.D.T. из нового особопрочного материала HO

А. Бёмке, к.т.н., директор по науке,
Ю.Бергхоф, начальник отдела качества, J.D.Theile GmbH & Co. KG


Германская фирма J.D.Theile GmbH & Co. KG (J.D.T.) выпускает цепи различного назначения, которые успешно применяются на многих шахтах мира. В настоящее время специалистами фирмы разработана новая технология производства конвейерных цепей повышенной прочности и износостойкости из нового особопрочного материала HO (нем. Hochoptimisiert – высокооптимизированный). Одновременно при изготовлении цепей применена антикоррозийная защита с помощью горячего оцинкования и улучшена геометрическая форма звеньев.

Существенное повышение ресурса конвейерных цепей только путем изменения технологии и уже апробированных температурных режимов тепловой обработки материалов для их изготовления невозможно без увеличения диаметра прута (калибра цепи). Вместе с тем, совершенствование методов термообработки может быть вполне оправданным, если она используется, например, для улучшения качества поверхности закруглений звеньев с целью уменьшения абразивного износа. Однако с повышением прочности (увеличением разрушающей нагрузки) стандартных материалов, используемых для изготовления цепей, снижается их пластичность, цепи становятся более хрупкими при ударных нагрузках. Это является существенным препятствием при создании новых материалов, предназначенных для производства цепей.

Как известно, основными параметрами конвейерных цепей, применяемых в горно-добывающей отрасли, являются прочность или разрушающая нагрузка, а также пластичность или удлинение при разрыве.

Фирма J.D.T. на базе высококачественных сталей, соответствующих нормам DIN 17115, разработала новый материал HO, отличающийся по химическому составу от известных сплавов. Разработанный материал позволил повысить прочность цепей (рис. 1) и, тем самым, увеличить разрушающую нагрузку и их ресурс. Одновременно материал HO имеет настолько высокую пластичность, что уменьшение температуры его термообработки практически не влияет на прочность цепей. Это позволяет их производителю учитывать пожелания заказчика или специфику применения цепей при выборе варианта тепловой обработки.

На рис. 2 представлена зависимость разрушающей нагрузки конвейерных цепей, изготовленных из материала HO и стандартного материала, от их типоразмеров. Применение материала HO позволяет не только получить более высокие значения основных параметров цепей, но и, как следствие, придать им при соответствующей тепловой обработке специальные свойства в зависимости от условий их применения. На практике это может, например, означать, что для цепи, которая при эксплуатации будет подвергаться пиковым нагрузкам ярко выраженного динамического характера, более подойдут свойства, обозначенные линией 2, в то время как для транспортирования грузов с повышенной абразивностью целесообразнее применять цепь, имеющую свойства, показанные линией 3.

Очень часто для повышения прочности конвейерных цепей предлагается использовать специальные методы термообработки. Примером этого могут служить различные варианты процесса отпуска при улучшении качества закруглений звеньев. Фактическое различие в прочности цепей, выполненных из стандартного и особопрочного материала HO, видно из зависимостей, представленных на рис. 3.

Как видно на рис. 3, для запатентованного J.D.T. материала HO характерно более высокое значение прочности, а для стандартного – более резкое снижение пластичности при температуре отпуска ниже 450°C. Цепи из материала HO, прошедшие термообработку с использованием тех же температур, имеют вдвое большие значения пластичности. При этом разница ее значений для закругления и полки крайне мала.

Сравнительное испытание цепей

Сравнительные испытания центрально расположенных на конвейере цепей типоразмером 30(108 мм из стандартного материала и материала HO были проведены на одной из немецких шахт в режиме одновременной работы. При этом, стандартные цепи (рис. 4) были заменены дважды, а из материала HO – один раз; ресурс и разрушающая нагрузка у цепей из материала HO – больше, а удлинение – значительно меньше (рис. 5).

Стандартные цепи с повышенными прочностными характеристиками быстрее выходят из строя под воздействием коррозии, если для увеличения их прочности используются различные методы тепловой обработки, отрицательно влияющие на пластичность материала.

J.D.T. предоставил образец из материала HO (предел прочности Rm = 1350 Н/мм2, твердость по Бринеллю HB = 399) одному из независимых институтов Германии для проведения испытаний на устойчивость против коррозии в сравнении со стандартным материалом, соответствующим нормам DIN 17115 (Rm = 1250 Н/мм2, HB = 370). Оба материала были проверены на их разрывные свойства в результате коррозии. Проверка проводилась в рамках теста CERT-Test (Constant Extension Rate Tensile – предел прочности с постоянными скоростями натяжения) по нормам EN ISO-Norm 7539-7 и дополнительной норме DIN – DIN 50905-4. Образец для испытаний и его относительное сужение при разрыве показаны на рис. 6.

На рис. 7 приведены результаты испытаний в нормальной атмосфере (воздух) и в коррозионной среде (соленая вода с разницей потенциалов 310 мВ). Относительное сужение при разрыве Zf находится в прямой зависимости от пластичности материала. Коррозия увеличивает скорость образования трещин вследствие снижения местной когезии материала.

Изначально ожидалось меньшее значение Zf для материала HO по сравнению со стандартным. Однако в процессе испытаний были получены даже более высокие значения этой величины при более высокой прочности стандартного материала.

Так как материал HO хорошо поддается ковке, появилась возможность изготавливать из него также и замки и, таким образом, создавать соединения и зацепления с одинаковыми механическими и химическими свойствами и увеличить срок службы звеньев, замков и звёздочек.

Геометрическая форма звеньев

Увеличение ресурса цепи можно достичь также путем улучшения геометрии звена. Примером этого является комбинированная цепь J.D.T. 42(146 мм (рис. 8), состоящая из кованого вертикального и сварного горизонтального звеньев. Использование такой конструкции вертикального звена позволяет усилить самую слабую область – переход «полка – закругление». При этом могут быть улучшены и контактные свойства полки, что приводит к снижению давления на поверхность, уменьшению износа и сокращению вытяжки в процессе отпуска.

Преимущества комбинированных цепей:

•    лучшее соприкосновение с элементами звездочки;

•    при одинаковых размерах улучшенные показатели контакта звеньев и звездочки;

•    низкая нагрузка на поверхности контакта звеньев;

•    уменьшение износа звеньев;

•    оптимальные условия сочленения;

•    возможность с использованием ковки выбирать оптимальные размеры критических контактных зон.

Сварное горизонтальное звено имеет оптимальную форму с уменьшенными нагрузками в закруглениях, что позволяет наилучшим образом передавать усилия от звездочки.

Кованое вертикальное звено имеет меньшую высоту и увеличенный ресурс. При его использовании уменьшается растяжение цепи при набегании на звездочку, а также снижаются нагрузки на цепь.

Комбинированные цепи J.D.T. могут изготавливаться различных типоразмеров и материалов.

Антикоррозионная обработка поверхности звеньев

По нашему мнению, горячее оцинкование является самой действенной защитой от воздействия шахтных вод, так как только в этом случае обеспечивается создание молекулярных соединений стали и слоя цинка. Цинк в качестве отрицательного электрода (катода) вступает в реакцию с коррозийной средой и, таким образом, защищает структуру металла (рис. 9).

Все другие существующие виды антикоррозийной защиты предполагают нанесение органических или неорганических слоев, которые очень чувствительны к механическим воздействиям и легче разрушаются. Горячее оцинкование и связанные с этим химические процессы гарантируют сохранение антикоррозионных свойств даже после механического воздействия на поверхность.

Следует отметить, что этот процесс не влияет на прочностные свойства ни стандартных цепей, ни цепей из материала HO, хотя разрушающая нагрузка при этом немного снижается – при удалении цинкового слоя механическим способом этот параметр почти соответствует разрушающей нагрузке цепи в её исходном состоянии. Объясняется это изменением трибологических условий (условий трения и смазки) в зонах сочленения цепи вследствие нанесения на их поверхность цинкового или любого другого защитного слоя. Как известно, трибологические условия в сочленениях оказывают влияние на показатель разрушающей нагрузки и могут явиться причиной ее снижения максимум на 10 %.

Выводы

Повышение ресурса конвейерных цепей не обязательно должно быть связано с увеличением размеров цепи. Благодаря созданию нового особопрочного материала HO, фирма J.D.Theile GmbH & Co.KG получила возможность предложить потребителям долговечные цепи, использование которых приводит к значительному снижению стоимости работ по добыче полезного ископаемого, позволяет за счет снижения числа отказов повысить производительность конвейера и снизить энергоемкость транспортирования. Цепи из нового материала HO имеют значительно больший ресурс, в то время как их цена не намного выше цены стандартных цепей.

Улучшение геометрии звена цепи и (или) применение горячего оцинкования, как средства антикоррозийной защиты, также способствуют увеличению долговечности конвейерных цепей, производимых фирмой J.D.T.


Перевод Н.П.Кабановой,
зам. руководителя Представительства
J.D.Theile GmbH & Co. KG

Журнал "Горная Промышленность" №6 2003