РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ РАДИАЛЬНОГО ПОДШИПНИКА C НЕСТАНДАРТНЫМ ОПОРНЫМ ПРОФИЛЕМ И ПОЛИМЕРНЫМ ПОКРЫТИЕМ НА ПОВЕРХНОСТИ ВАЛА ПРИ УЧЕТЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СМАЗОЧНОГО МАТЕРИАЛА
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ РАДИАЛЬНОГО ПОДШИПНИКА C НЕСТАНДАРТНЫМ ОПОРНЫМ ПРОФИЛЕМ И ПОЛИМЕРНЫМ ПОКРЫТИЕМ НА ПОВЕРХНОСТИ ВАЛА ПРИ УЧЕТЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СМАЗОЧНОГО МАТЕРИАЛА
Аннотация
Статья посвящена анализу модели движения микрополярного смазочного материала в рабочем зазоре радиального подшипника скольжения с нестандартным опорным профилем, имеющим на поверхности вала фторопластсодержащее композиционное полимерное покрытие с канавкой.
Методы исследования: предложены новые модели, описывающие движение смазочного материала в рабочем зазоре радиального подшипника с нестандартным опорным профилем и полимерным покрытием с канавкой на поверхности вала, обладающего при ламинарном режиме движения микрополярными реологическими свойствами, в приближении для «тонкого слоя» и на основе уравнения неразрывности с учетом зависимости вязкости от давления. Выполнен сравнительный анализ полученных результатов теоретического экспериментального исследования радиального подшипника скольжения с нестандартным опорным профилем, имеющим полимерное покрытие с канавкой, без канавки на поверхности вала, и уже имеющихся, подтверждающий приближенность полученной модели к практике.
Новизна работы заключается в разработке методики инженерных расчетов конструкции радиального подшипника скольжения с полимерным покрытием при наличии канавки, позволяющих определить величину основных триботехнических параметров.
В результате исследования достигнуто существенное расширение возможностей, позволяющее провести оценку эксплуатационных характеристик подшипника: величины гидродинамического давления, нагрузочной способности и коэффициента трения.
Выводы: конструкция радиального подшипника с фторопластсодержащим антифрикционным композиционным полимерным покрытием и канавкой шириной 3 мм на поверхности вала обеспечила стабильное всплытие вала на гидродинамическом клине, что экспериментально подтвердило правильность результатов теоретических исследований.
1. Введение
Цель исследования – установление закономерностей устойчивого гидродинамического режима за счет нанесения на поверхность вала фторопластсодержащего композиционного полимерного материала.
Успешное развитие промышленности невозможно без использования надежной и высокопроизводительной техники. Для устранения этой проблемы необходимо создание машин и механизмов, обладающих высокой износостойкостью и другими эксплуатационными параметрами. Поэтому исследования в данном направлении являются актуальными и востребованными. Известно, что фторопластсодержащие антифрикционные композиционные покрытия обладают высокой несущей способностью и широко применяются в авиакосмической технике при относительно низких скоростях скольжения и значительных нагрузках. Фторопластсодержащее покрытие эффективно работает в условиях граничного трения при самосмазывании полимерным антифрикционным покрытием. Скоростные ограничения связаны с предельной теплостойкостью антифрикционного полимерного композита.
В настоящее время в современной технике появляются и развиваются новые направления, обеспечивающие повышение эксплуатационных параметров подшипников скольжения. К ним относится и смазывание фторопластсодержащим антифрикционным полимерным покрытием контрастных поверхностей. Применение подобных подшипников требует для их проектирования специальных расчетов, для выполнения которых разрабатываются расчетные модели [1].
Для подшипников скольжения, смазываемых антифрикционными полимерными покрытиями в гидродинамическом режиме смазывания, имеется значительное число работ [2], [4], [7], [9], однако для расширения и конкретизации исследований применительно к трибосопряжениям технологических машин, работающих в условиях действия ударных и вибрационных нагрузок, повышенных эксплуатационных и низких климатических температур, абразивного и коррозионно-механического воздействия, наличия химически агрессивных сред, возникает необходимость учета целого ряда особенностей подобных трибосистем [10], [12], [15], [17].
Данное исследование посвящено разработке математической модели подшипников скольжения, учитывающей изложенные выше особенности.
2. Постановка задачи
Рассматривается установившееся течение несжимаемой жидкости в рабочем зазоре, обладающей микрополярными реологическими свойствами. Подшипник с некруговым опорным профилем опорной поверхности неподвижен, а вал при наличии полимерного покрытия на его поверхности вращается со скоростью Ω [18].
В полярной системе координат (см. рисунок) с полюсом в центре вала уравнение контуров вала с полимерным покрытием С1, вала без покрытия (с канавкой) С0, подшипниковой втулки с некруговым профилем опорной поверхности С2 запишутся в виде
где ,
,
– радиус вала с полимерным покрытием;
– радиус подшипниковой втулки;
– эксцентриситет;
– относительный эксцентриситет;
– высота канавки;
и
– амплитуда возмущения и параметр адаптированного профиля втулки соответственно.
Рисунок 1 - Схема трибоконтакта в радиальном подшипнике скольжения с полимерным композиционным фторопластсодержащим покрытием
где – коэффициент динамической вязкости смазочного материала;
,
– коэффициенты вязкости микрополярного смазочного материала;
– характерная вязкость неньютоновского смазочного материала;
– гидродинамическое давление в смазочном слое;
– экспериментальная постоянная величина;
,
– характерная вязкость микрополярного смазочного материала.
Исходными базовыми уравнениями являются уравнение движения несжимаемой микрополярной жидкости для «тонкого слоя» и уравнение неразрывности
где ,
– компоненты вектора скорости смазочной среды;
– скорость частиц в микрополярной среде.
Система уравнений (3) решается при следующих граничных условиях:
С учетом того, что зазор мал и , о средним второе уравнение системы (6) по толщине смазочного слоя, в результате уравнение примет вид:
где – конструктивный параметр;
– конструктивный параметр с учетом адаптированного профиля.
Введем обозначения , подставим его в уравнение (8), в результате имеем следующую систему уравнений:
с соответствующими граничными условиями
где 1 и
– соответственно угловые координаты канавки. К граничным условиям (10) также добавим условие постоянства расхода смазочного материала в любом сечении, т. е. Q = const, и условие непрерывности гидродинамического давления в окрестности канавки.
Автомодельное решение задачи (8) с учетом (9) и дополнительного граничного условия ищем по известному методу [20], [21]. В результате для поля скоростей и давления получим
Зная выражения гидродинамического давления и скорости, найдем аналитические выражения для несущей способности и силы трения:
Проверочные расчеты полученной теоретической модели проведены с использованием параметров в следующих диапазонах их численных значений: () (ширина канавки),
= 20 мм;
= 0,3–3 м/с;
= 14–70 МПа;
= 0,0707–0,0076 Н∙с/м2. В результате исследований установлено, что несущая способность повышается примерно на 12–14 %, а коэффициент трения снижается на 11–12 % в диапазоне исследованных режимов в гидродинамическом режиме смазывания.
Для подтверждения эффективности теоретических моделей нами проведено экспериментальное исследование для подшипников с полимерным покрытием на поверхности вала с канавкой и без канавки (табл. 1).
Исследуемые антифрикционные покрытия представляют собой гибридный композиционный материал, состоящий из трех типов полимеров различной физической породы. Это тканый каркас из фторопластовых нитей «полифен» (ТУ 6-06-9-7-81) и полиимидных нитей «аримид Т» (ТУ 6-06-9-11-80), пропитанный матричным связующим на основе фенольной смолы, модифицированной термостойким каучуком.
Применяемые микрополярные смазочные материалы получены путем добавления масла МС-20 8-ми процентов порошка меди МП00.
Исследование радиальных подшипников скольжения проводились на модернизированной машине трения модели ИИ5018 на образцах в виде частичных вкладышей. Образцы представляют собой колодку из стали 45 с.
Таблица 1 - Сравнительный анализ результатов исследования поверхности вала с фторопластсодержащим композиционным полимерным покрытием
№ п/п | Режим | Теоретический результат | Экспериментальное исследование | Погрешность, % | ||||
σ, МПа | V, м/c | Покрытие полимерное | Покрытие и канавка | Покрытие | Покрытие с канавкой | |||
1 | 14 | 0,3 | 0,0130 | 0,0112 | 0,0154 | 0,0129 | 5–12 | 6–13 |
2 | 28 | 0,3 | 0,0075 | 0,0058 | 0,0089 | 0,0057 | ||
3 | 42 | 0,3 | 0,0055 | 0,0036 | 0,0068 | 0,0048 | ||
4 | 56 | 0,3 | 0,0070 | 0,0046 | 0,0092 | 0,0067 | ||
5 | 70 | 0,3 | 0,0110 | 0,0079 | 0,0122 | 0,0093 | ||
3. Основные результаты
По результатам экспериментального исследования получен устойчивый гидродинамический режим трения после 3-минутной приработки с колебаниями коэффициента трения, при этом нагрузка увеличивалась ступенчато в 5 раз до 70 МПа.
Анализ полученных результатов подтверждает эффективность теоретических расчетных моделей и доказывает преимущество исследованных подшипников скольжения, обеспечивающих повышение несущей способности и снижение коэффициента трения.
4. Заключение
1. В результате исследований получены новые математические модели для инженерных расчетов, позволяющих определить величину основных триботехнических параметров (сила трения, нагрузочная способность, гидродинамическое давление).
2. Расчетные модели учитывают применение дополнительного смазывания полимерным покрытием и канавку на поверхности вала.
3. Применение исследованных радиальных подшипников скольжения значительно повышает несущую способность (12–14 %), а коэффициент трения снижается на 11–12 %.
4. Таким образом, конструкция радикального подшипника с фторопластсодержащим антифрикционным композиционным полимерным покрытием и канавкой шириной 3 мм обеспечила стабильное всплытие вала на гидродинамическом клине, что экспериментально подтвердило правильность результатов теоретических исследований.