ASSESSMENT OF WEAR RESISTANCE OF MODIFIED DESIGN OF RADIAL THRUST BEARING TAKING INTO ACCOUNT COMPRESSIBILITY AND VISCOSITY DEPENDENCE ON PRESSURE AND TEMPERATURE
ASSESSMENT OF WEAR RESISTANCE OF MODIFIED DESIGN OF RADIAL THRUST BEARING TAKING INTO ACCOUNT COMPRESSIBILITY AND VISCOSITY DEPENDENCE ON PRESSURE AND TEMPERATURE
Abstract
The antifriction polymer coating on the grooved tribosystem surface fulfils several key functions. Firstly, the groove facilitates a more even distribution of lubricant over the bearing surface, minimizing the risk of dry friction. Secondly, the groove helps to dissipate heat more efficiently, which prevents overheating of the working area and reduces bearing wear.
When examining the compressibility of a lubricant, the effect of high pressure on the viscosity and density of the lubricant is taken into account. Under conditions typical of radial thrust bearings, significant loads can cause changes in lubricant properties. Therefore, the inclusion of a compressibility parameter in the model allows a more accurate prediction of lubricant behaviour and its efficiency in different bearing operating conditions.
The results of the study showed that the modified design of the bearing with polymer coating and groove significantly improves its performance characteristics. A reduction in the coefficient of friction and an increase in the bearing's load carrying capacity were observed compared to conventional designs. As a result, an increase in bearing service life has been achieved, which is of great importance for industrial application.
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%.