ОЦЕНКА ИЗНОСОСТОЙКОСТИ МОДИФИЦИРОВАННОЙ КОНСТРУКЦИИ РАДИАЛЬНОГО ПОДШИПНИКА ПРИ УЧЕТЕ СЖИМАЕМОСТИ И ЗАВИСИМОСТИ ВЯЗКОСТИ ОТ ДАВЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ
ОЦЕНКА ИЗНОСОСТОЙКОСТИ МОДИФИЦИРОВАННОЙ КОНСТРУКЦИИ РАДИАЛЬНОГО ПОДШИПНИКА ПРИ УЧЕТЕ СЖИМАЕМОСТИ И ЗАВИСИМОСТИ ВЯЗКОСТИ ОТ ДАВЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ
Аннотация
Антифрикционное полимерное покрытие на поверхности трибосистемы с канавкой выполняет несколько ключевых функций. Во-первых, канавка способствует более равномерному распределению смазочного вещества по поверхности подшипника, что минимизирует риск образования сухого трения. Во-вторых, наличие канавки способствует более эффективному отводу тепла, что предотвращает перегрев рабочей зоны и уменьшает износ подшипника.
Рассматривая сжимаемость смазочного материала, учитывают влияние высокого давления на вязкость и плотность смазочного вещества. В условиях типичных для радиальных подшипников значительные нагрузки могут вызывать изменения в свойствах смазочного материала. Поэтому введение параметра сжимаемости в модель позволяет более точно предсказать поведение смазочного вещества и эффективность смазки в различных режимах работы подшипника.
Результаты исследования показали, что модифицированная конструкция подшипника с нанесенным полимерным покрытием и канавкой значительно улучшает его эксплуатационные характеристики. Было отмечено уменьшение коэффициента трения и увеличение несущей способности подшипника в сравнении с традиционными конструкциями. В результате удалось добиться увеличения срока службы подшипника, что имеет большое значение для его промышленного применения.
1. Введение
Негативное влияние сжимаемости смазочного материала на энергетические и динамические характеристики трибоузлов требует особого внимания, так как игнорирование этого фактора может привести к серьезным последствиям, таким как снижение подачи масла, уменьшение коэффициента полезного действия, ухудшение быстродействия двигателя и возникновение нестабильности в работе механизмов.
С учетом возрастания требований к производительности и надежности машин, проведение таких исследований становится особенно актуальным. Теоретическое и экспериментальное изучение сжимаемости смазочных материалов позволит разработать более точные модели и методы расчета, что, в свою очередь, поспособствует созданию более устойчивых и эффективных трибоузлов.
Исследования , , , , посвященные подшипникам скольжения с полимерным покрытием, представляют собой важный вклад в машиностроительную и авиакосмическую индустрию. Высокая несущая способность таких покрытий позволяет им надежно функционировать при значительных нагрузках и относительно низких скоростях скольжения. Это делает их незаменимыми в условиях граничного трения при запуске и гидродинамическом режиме смазывания во время работы. Применение полимерных покрытий на опорных поверхностях подшипников значительно улучшает их эксплуатационные характеристики и продлевает срок службы
Использование надежной техники в промышленности, с высокой производительностью, требует создания новых и совершенствование действующих узлов и механизмов, в том числе подшипников скольжения , , , .
Анализ работ , , , , , посвященных гидродинамическому режиму движения вязкого смазочного материала, показывает, что для расширения и конкретизации исследований применительно к трибоузлам машин и механизмов, работающим в разных условиях, необходимо проводить исследования новых моделей течения, позволяющих раскрыть закономерности сложных тепловых и гидродинамических процессов, протекающих в смазываемых парах трения радиальных подшипников скольжения.
Эффективность использования металлоплакирования в железнодорожной инфраструктуре подтверждается многочисленными исследованиями , , , и , , . Покрытия, созданные с использованием металлоплакирования, обладают высокой стойкостью к абразивному износу, что позволяет значительно продлить срок их службы. Уменьшение трения не только снижает износ, но и способствует более плавному и стабильному движению, что существенно сокращает вибрационные нагрузки.
Анализ проведенных исследований подчеркивает важность разработки расчетных моделей подшипников – одного из самых распространенных типов трибосопряжений.
Условные обозначения
r0 – радиус вала;
r1 – радиус подшипниковой втулки;
h͂ – высота канавки;
е – эксцентриситет;
e – относительный эксцентриситет;
μ0 – характерная вязкость;
μ′ – коэффициент динамической вязкости смазочного материала;
p′ – гидродинамическое давление в смазочном слое;
α′, β′ – постоянная экспериментальная величина;
T′ – температура;
где – конструктивный параметр;
– конструктивный параметр, характеризующий канавку;
θ1 и θ2 – соответственно угловые координаты канавки;
u*(θ) и v*(θ) – известные функции, обусловленные наличием полимерного покрытия на поверхности подшипниковой втулки;
Q – расход смазочного материала в единицу времени;
Cp – теплоемкость при постоянном давлении;
h(θ) – толщина масляной пленки.
2. Постановка задачи
Проводится оценка износостойкости модифицированной конструкции радиального подшипника при турбулентном режиме течения.
Скорость движения подшипниковой втулки равна нулю, а скорость движения вала задается параметром Ω .
Решение задачи, как и в задаче , проведено в полярной системе координат r′, θ с началом в центре подшипниковой втулки и углом θ (рис. 1). Уравнения контура вала, подшипниковой втулки, осевой канавки записано так же, как в
Рисунок 1 - Расчетная схема
Для разработки расчетной модели используем следующие исходные уравнения. Первым уравнением является уравнение, которое описывает движение смазочной жидкости. Эта жидкость обладает вязкостью и сжимаемостью и находится в условиях «тонкого слоя». В дополнение к этому используется уравнение неразрывности, как в источнике , а также уравнение состояния:
где
Автомодельное решение задачи (3) ищем по известному методу :
;
;
;
Выполнив подстановку (5) в (3), получим:
.
Гидродинамическое давление можно определить из аналитических уравнений:
С учетом закономерности изменений скорости диссипации механической энергии из (7) определяется функция μ(θ):
Аналитическое выражение для давления:
Для гидродинамического давления pi, были произведены вычисления с использованием различных численных значений рассматриваемых параметров. В результате вычисления построены графики, демонстрирующие зависимость давления от ряда факторов. На рис. 2 и 3 приведены эти графики, иллюстрирующие изменения в давлении при изменении входных параметров.
На рис. 2 показано, как вертикальная составляющая давления изменяется в зависимости от нагрузки, скоростных режимов и параметра сжимаемости.
Рисунок 2 - Изменение вертикальной составляющей
Однако температура радиального подшипника скольжения существенно влияет на работу трибосистемы. Влияние температуры подшипника подтверждает важность контроля и поддержания оптимальных тепловых условий для обеспечения стабильной и эффективной работы системы.
Анализ числовых данных, полученных из теоретических исследований, позволил определить несущую способность и коэффициент трения. Табл. 1 иллюстрирует, как нагрузка и сжимаемость влияют на коэффициент трения, которым определяется эффективность работы системы.
Таблица 1 - Зависимость коэффициента трения
Коэффициент трения | Нагрузка σ, МПа | Сжимаемость Λ | ||||
0,5 | 0,4 | 0,3 | 0,2 | 0,1 | ||
f | 0,2 | 0,01412 | 0,01495 | 0,01398 | 0,01391 | 0,01385 |
4,7 | 0,000696 | 0,000694 | 0,000991 | 0,000588 | 0,00595 | |
14,1 | 0,0002987 | 0,0002979 | 0,0002969 | 0,0002959 | 0,000295 | |
Зависимость коэффициента трения от нагрузки в исследуемом диапазоне остается в пределах характерных для гидродинамического режима работы. Этот важный вывод указывает на то, что трибоконтакт функционирует в условиях полноценной масляной пленки, обеспечивающей надежное смазывание и минимизирующей износ рабочих поверхностей.
Кроме того, численный анализ выявил, что величина коэффициента трения зависит от параметра сжимаемости. Высокая сжимаемость может приводить к изменению толщины масляной пленки и, соответственно, к вариациям в коэффициенте трения. Для обеспечения долговечности и стабильности работы трибоконтакта необходимо регулирование параметра сжимаемости.
Результаты численного анализа, представленные в графиках на рис. 3, иллюстрируют эти зависимости.
Рисунок 3 - Влияние на коэффициент трения:
а – параметра вязкости и температуры; б – параметра сжимаемости и вязкости
Теоретические выводы были подтверждены с помощью ряда экспериментальных проверок. Основной акцент был сделан на триботехнические свойства нового типа.
3. Результаты исследований
Исследования показали увеличение вертикальной составляющей на 8–9%, и снижение коэффициента трения на 6–7%. (табл. 2), что является значительным показателем для улучшения качества.
Таблица 2 - Теоретические исследования
№ | σ, МПа | Параметр сжимаемости Λ | ||||
0,5 | 0,4 | 0,3 | 0,2 | 0,1 | ||
Коэффициент трения | ||||||
1 | 5,9 | 0,008990 | 0,0113130 | 0,009800 | 0,0061000 | 0,0034300 |
2 | 11,8 | 0,005790 | 0,0056910 | 0,005853 | 0,0041850 | 0,0027965 |
3 | 17,7 | 0,002493 | 0,0024920 | 0,002406 | 0,0022705 | 0,0021570 |
4 | 23,6 | 0,002395 | 0,0023613 | 0,002304 | 0,0021136 | 0,0021379 |
5 | 29,5 | 0,002197 | 0,0021307 | 0,002202 | 0,0021570 | 0,0021188 |
Проведение сравнения результатов теоретического и практического исследований, представленных в табл. 3, дают возможность для следующих выводов:
- учет сжимаемости смазочного материала влияет на точность моделей, увеличивая их соответствие реальным условиям эксплуатации;
- результаты анализа указали на области эффективного использования созданных моделей, теоретические расчетные модели трибокантакта, учитывающие сжимаемость, продемонстрировали высокую надежность в прогнозировании поведения смазочного материала при различных нагрузках и температурах;
- практические исследования подтвердили, что модели, не учитывающие сжимаемость, хотя и проще в реализации, однако не обладают достаточной точностью.
Таблица 3 - Сравнительный анализ результатов исследования
№ п/п | Режим | Теоретический результат | Экспериментальное исследование | |||
σ, МПа | V, м/c | с учетом сжимаемости | без учета сжимаемости | с учетом сжимаемости | без учета сжимаемости | |
1 | 5,9 | 0,3 | 0,0125 | 0,0091 | 0,0132 | 0,0111 |
2 | 11,8 | 0,3 | 0,0070 | 0,0039 | 0,0071 | 0,0038 |
3 | 17,7 | 0,3 | 0,0050 | 0,0018 | 0,0048 | 0,0029 |
4 | 23,6 | 0,3 | 0,0065 | 0,0029 | 0,0071 | 0,0042 |
5 | 29,5 | 0,3 | 0,0098 | 0,0054 | 0,0104 | 0,0068 |
4. Заключение
1. В результате исследований, учитывающих реологические свойства, сжимаемость, а также изменение вязкости в зависимости от давления и температуры в турбулентном трении, были разработаны новые методы прогнозирования работы трибоконтакта, обеспечивающие их гидродинамическую стабильность.
2. Разработанные гидродинамические модели учитывают сжимаемость и одновременно связь реологических свойств с давлением и температурой, а также канавку за счет покрытия на опорной поверхности втулки в качестве дополнительных факторов смазки.
3. В процессе исследования установлено увеличение вертикальной составляющей давления на 8–9% и снижение коэффициента трения на 6–7%.