THE DEVELOPMENT OF METHODS TO IMPROVE THE DURABILITY OF A RADIAL BEARING WITH A NON-STANDARD SUPPORT PROFILE AND POLYMER COATING ON THE SHAFT SURFACE TAKING INTO ACCOUNT THE RHEOLOGICAL PROPERTIES OF THE LUBRICANT
THE DEVELOPMENT OF METHODS TO IMPROVE THE DURABILITY OF A RADIAL BEARING WITH A NON-STANDARD SUPPORT PROFILE AND POLYMER COATING ON THE SHAFT SURFACE TAKING INTO ACCOUNT THE RHEOLOGICAL PROPERTIES OF THE LUBRICANT
Abstract
The article is dedicated to the analysis of the model of micropolar lubricant movement in the working gap of a radial sliding bearing with a non-standard support profile with a fluoroplastic composite polymer coating with a groove on the shaft surface.
Research methods: new models describing the motion of the lubricant in the working gap of the radial sliding bearing with a non-standard support profile and polymer coating with a groove on the shaft surface, with micropolar rheological properties in laminar mode of motion, in the "thin layer" approximation and based on the continuity equation with the viscosity dependence on pressure are presented. The comparative analysis of the received results of theoretical experimental research of the radial sliding bearing with a non-standard support profile, with a polymeric coating with a groove, without a groove on a shaft surface, and already available, confirming approximation of the obtained model to practice is carried out.
The novelty of the work lies in the development of the methodology for engineering calculations of the design of a radial sliding bearing with polymer coating with a groove, allowing to determine the magnitude of the main tribotechnical parameters.
As a result of the research, a significant enhancement of the capabilities has been achieved, allowing to evaluate the bearing operating characteristics: hydrodynamic pressure value, load capacity and friction coefficient.
Conclusions: The design of the radial bearing with fluoroplastic antifriction composite polymer coating and a 3 mm wide groove on the shaft surface provided stable shaft surfacing on the hydrodynamic wedge, which experimentally confirmed the correctness of the results of the theoretical studies.
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.