Исследование износостойкости подшипника скольжения c полимерным покрытием опорного кольца, имеющего канавку

Автор: Василенко В.В., Кирищиева В.И., Мукутадзе М.А., Шведова В.Е.

Журнал: Вестник Донского государственного технического университета @vestnik-donstu

Рубрика: Машиностроение и машиноведение

Статья в выпуске: 4 т.22, 2022 года.

Бесплатный доступ

Введение. В современных тяжелонагруженных узлах трения широко применяются металлополимерные подшипники с антифрикционными покрытиями, работающими в режиме граничного трения. Их успешное применение обеспечивается вязкоупругой деформацией этих покрытий под нагрузкой. Для перехода от граничного трения к жидкостному необходимо создать несущий гидродинамический клин. В настоящее время применение подшипников скольжения с полимерным покрытием опорного кольца, имеющего канавку, сдерживается отсутствием методики их расчета. Настоящая работа посвящена анализу модели движения микрополярного смазочного материала в рабочем зазоре радиального подшипника скольжения с нестандартным опорным профилем, имеющим на опорной поверхности фторопластсодержащее композиционное полимерное покрытие с канавкой. Цель исследования - установить зависимость устойчивого гидродинамического режима от ширины канавки на поверхности опорного профиля. Материалы и методы. Трибологические испытания радиальных подшипников с нестандартным опорным профилем, имеющим на поверхности полимерное покрытие с канавкой, выполнялись на образцах в виде частичных вкладышей (колодок). С помощью уравнения движения смазочного материала, обладающего микрополярными реологическими свойствами, а также уравнения неразрывности получены новые математические модели, учитывающие ширину канавки, полимерное покрытие и нестандартный опорный профиль. Результаты исследования. Достигнуто существенное расширение возможностей применения на практике расчетных моделей радиальных подшипников скольжения с конструктивными изменениями. Подшипники с полимерным покрытием с канавкой обеспечивают гидродинамический режим смазывания. Полученные результаты позволяют провести оценку эксплуатационных характеристик подшипника: величины гидродинамического давления, нагрузочной способности и коэффициента трения. Обсуждение и заключения. Конструкция радиального подшипника с полимерным покрытием и канавкой шириной 3 мм на поверхности втулки обеспечила стабильное всплытие вала на гидродинамическом клине, что подтверждается экспериментальными исследованиями. Эксперименты проводились для подшипников скольжения диаметром 40 мм с канавкой шириной 1-8 мм, при скорости скольжения 0,3-3 м/с и нагрузке 4,8-24 МПа.

Еще

Радиальный подшипник, повышение износостойкости, антифрикционное полимерное композиционное покрытие, канавка, гидродинамический режим, верификация, микрополярный смазочный материал, нестандартный опорный профиль

Короткий адрес: https://sciup.org/142236331

IDR: 142236331   |   DOI: 10.23947/2687-1653-2022-22-4-365-372

Текст научной статьи Исследование износостойкости подшипника скольжения c полимерным покрытием опорного кольца, имеющего канавку

Введение. Вопросы обеспечения надежности машин и механизмов являются одними из основных в современной промышленности. Для увеличения ресурса технических устройств разрабатываются новые и совершенствуются уже имеющиеся технологии и методы расчета, повышающие износостойкость, экономические и эксплуатационные характеристики.

Известно, что наиболее частой причиной отказов узлов трения являются износ и неисправность, причем доля отказов доходит до 80 %. Исследования, проводимые в области узлов трения, предлагают применение новых антифрикционных покрытий, современных разновидностей материалов, оригинальных конструктивных особенностей узлов трения.

Изначально при расчетах и проектировании закладываются качества узлов трения, при этом методологии моделирования постоянно развиваются и совершенствуются [1–5]. Параметры, влияющие на узлы трения, постоянно изменяются в соответствии с условиями их работы и материалами, используемыми для получения защитного покрытия на контактных поверхностях [6–10]. При этом возникает потребность в новых методах для адекватного моделирования и экспериментальной проверки полученных моделей.

Из основных результатов работ [11–15] следует, что при образовании вторичных структур фрикционного переноса трибологических процессов в системе «железнодорожный путь — подвижной состав» при реализации технологий металлоплакирования снижается коэффициент трения, износ и улучшаются вибропоглощающие свойства. Установлено, что поперечная деформация твердого тела снижается на 1,5 % и позволяет снизить износ колесных пар и рельсов на непрямых участках, а также повысить тяговую мощность локомотива. При этом продольная деформация твердого тела увеличивается на 60,6 %.

Результаты исследований [16, 17] посвящены разработке математической модели радиальных подшипников скольжения конечной длины и демпферов с пористыми конструктивными элементами на поверхности подшипниковой втулки. Полученные результаты исследования позволяют увеличить несущую способность на 20–22 % и снизить коэффициент передачи демпфера на 15–17 %, а коэффициент трения на 13–15 %.

В работе1 показано, что использование легкоплавкого покрытия на поверхности подшипниковой втулки в качестве дополнительного смазочного материала с учетом его реологических свойств и расплава покрытия, обладающих истинновязкими реологическими свойствами, увеличивает время работы подшипников в гидродинамическом режиме трения на 10–12 % и предотвращает аварийный недостаток смазочного материала [18].

Для установления рационального сочетания состава металлических сплавов для покрытий подвижных и неподвижных контактных поверхностей трибоузлов и типа смазочного материала в работах [19–21] разработаны расчетные модели, которые обеспечивают наиболее эффективный режим гидродинамического смазывания как в штатном, так и в аварийном режиме при «голодном смазывании». В результате установлено, что степень улучшения для нагрузочной способности составляет 26,2 %, для коэффициента трения — 12,8 %.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о необходимости разработки новых расчетных моделей подшипников, либо повышении точности уже имеющихся. Особенностью полученных авторами расчетных моделей подшипников скольжения является обобщение в едином блоке целого комплекса дополнительных факторов, рассматриваемых ранее только индивидуально.

Цель исследования — установление закономерностей устойчивого гидродинамического режима за счет ширины канавки на поверхности опорного профиля путем нанесения полимерного покрытия.

Постановка задачи. Изучается ламинарное течение микрополярной жидкости в зазоре радиального подшипника между цапфой и нестандартным опорным профилем, на котором находится полимерное покрытие с канавкой. При этом скорость вращения цапфы равняется Ω, а скорость втулки равняется нулю в условиях адиабатического процесса.

Движение микрополярной смазки задается общеизвестным уравнением в приближении «для тонкого слоя» и уравнением неразрывности:

5 2 v g     1 5 v g )    1 dp'     , S'v r,

+=- к дr'2    r’ dr’     r’ d0

V7

52 u'   1 5u')           Svg

—i +--L I = ки+к —L ,

dr'2    r' dr' J              dr'

dV.   vr'

—- +—— дr ’    r ’

+1 dvgL r' 50

= 0.

В полярной системе координат (рис. 1) с полюсом в центре подшипниковой втулки уравнение контура цапфы, подшипниковой втулки с некруговым профилем опорной поверхности и подшипниковой втулки с нестандартным опорным профилем, на котором находится полимерное покрытие, зададим в виде:

r ’ = r 0 ( 1 + H ) ; r ’ = r - af sin « 0 ; r ' = r - h - a ’ sinw 0 . (2)

Машиностроение и машиноведение

Рис. 1. Радиальный подшипник, имеющий на опорной поверхности полимерное покрытие с канавкой (рисунок авторов)

Общепринятые граничные условия с точностью до членов O ( £ 2 ) :

v = 0;   vr = 0 при r' = r - a ’ sin гоО; О1<О<О2;

v = 0, vr = 0    при r ' = r - h - a ’ sin гоО; 0 <О<О1 и О2<О< 2п;

v 6 = r Q; v , = -Q e sin О  при r ‘ = r + e cos О;

P ( 0 ) = P ( О ) = Pg .                                                 (3)

Для того, чтобы сделать решение более простым, перейдем к безразмерным величинам: r ' = r -5 r ;  5 = r - r 0;   r ' = ( r - h ) -5 r ;

5 = ( r -h ) - r 0;   v 6 =Q rov z;   vr =Q5 u ;

**

P = P P ; P

( 2p + K ) Q r 02

"---—2---;  0=0; ц=ц; K = K; у = у;

N 2

; N1 = M_ ; 1 2 = 2L .

+ k       52 к       4ц

При учете (4), уравнения (1) и (3) преобразуются в систему безразмерных уравнений с соответствующими граничными условиями, но следует учитывать условие постоянства расхода смазочного материала:

d 2 u + ^2 d4 =e-oP dp..    d 2 и = 2l+ 1 d^.    dui_+ dvL=o- dr2      dr       d О ’     dr2   N N dr '     d0   dr’ v = 1; u = -n sin О; u = 0 при r = 1 -n cos О;

v = 0; u = 0; u = 0 при r = nsinшО; О1<О<О2;

v = v * ( О ) ; u = u * ( О ) ; u = 0 при r = n2+nsinшО;  0<О<О1 и О2<О<2п;

P (0 )= P (О1 ) = P (О2 ) = P (2П) = pT, e         a ’h гдеn = -; ni=—; n = -.

Решение задачи (5) с учетом граничных условий (6) ищем по известному методу [20, 21] в виде:

v =1^+ v ( r ) ; u =-д^+ Ui(r ) ; v ( r ,О ) = ф (^-) ;  ^ 2 = ^j при О 1 <О 2 ;

V ( r ) = v c ^ i ) ;   Ui(r ,e ) = - ui ( ^ i ) . h '( О ) ;

^ 1.3 = 1 ^ ^П2   при0<О<О 1 и О 2 <О< ,

h ( О ) -П 2

где h ( О ) = 1 - n cos О - n sin шО .

Для гидродинамического давления и поля скоростей получим следующие аналитические выражения:

£_                  £2

V t ( ^ , ■) = a1 у ( ^ 1 - 1 ) ,   ui ( ^ ) = b 1 у -

N 2 f ^ 3   ^ 2 ) f N2

--—

2 N ( 3  2 J (12 N

b 1   , к

+ у+ 11^ 1 ;

Pg  rli    Pg  a2 f Pg) If - • л П|/     л п  П.О/„

P =— г + 6 1 + аЧг--1*1 I-nsinО + — ( cosшО-1 ) + —— ( cos2яш-1 ) 1;

P I     p 2 ^P J lv         ш            2пшJ

2   2322

V 2 ( 6 = ) = а 21 ( Е , -1 ) u 2 ( 6 2 ) = b 2 1 2 - N- 11 2 -S^I-I n- + b2 +11^ 2 +1;

-^                                      ^     Z^ N V J \ ^ Z^ J \ 1 NIN ।     Z^ J

pg          pg

P 2 = -4 + 6 1 + a — *

P       P

a?

( О-О 1 )|Z 1 2 l 4П

fl 1 If n 1

1 -^- I l 2nJl2пш

( cos 2пш - cos шО1 ) +

+ — sin0! | + 1-- 1- I ( costo0-cosoO, ) + n ( sin0-sin0! ) 1 ;

12      1     1

     ) J l    4n Jl to                                          )

Ф 3 ( | 3 ) = a 3 у( | 3 - 1 ) ,   u 3 ( | 3 ) = b 3 у - NT fi r

2                              2    2 ^ N J l 3

-

-

i 3 +1;

pg          pg p3 = -+ + 6 1 + a -*• -P (   P

a2

( 0-0 2 )

I 14n2

-

.  50. If n

1 -   2      — (cos2nto-cos to0. ) -

2n )l 2ntov                  7

—П sin 02

2n     2

L   30 2 Ifn z                   x .   . .    . . XI

+ 1-- 2-   — ( cos to0-cos to0. ) + n ( sin 0-sin 09 )   .

l     4n 2      to (                        2 )    ,(                 2 ) )

Определяя несущую способность и силу трения используем следующие формулы:

R x =

6 ( ^ + K ) to r 3

0 1                         0 2

j px cos 0d 0+ j

0                         0 1

2 n p2 cos 0d 0+ j p3 cos 0d 0

R y

6 ( ^ + K ) to r 3 28 2

01                      02                      2n j pj sin 0d 0+ j p2 sin 0 d 0+ j p3 sin 0d 0

0                         0 !                         0 2

L тр = ( ^+K ) n r0

I f    Vf( о )          v f ( о )    |      0 2 ГФК0 )   v 2 ( о ) I

1 f ( h ( 0 ) 2 ) 2    ( h ( о ) 2 ) ) d 0  j l h 2( о ) h ( о ) ) d 0

2 n

+j

f y; (о)    +     V 3 (о)   '

i ( h ( о ) 2 ) 2    ( h ( о ) -n 2 ) )

d 0

Численный анализ (9) был проведен при следующих диапазонах значений: ( 0 2 - 0 1 ) = 5,74-22,92 (ширина канавки), d = 40 мм; V = 0,3–3 м/с; σ = 4,8–24 МПа; μ 0 = 0,0707–0,0076 Н∙с/м2 (масло МС-20).

Проведение эксперимента. Экспериментальное исследование состоит из:

Результаты исследования. В результате теоретического исследования установлено, что несущая способность подшипника скольжения с полимерным покрытием поверхности подшипниковой втулки, содержащим канавку, а также адаптированным к условиям трения профилем опорной поверхности, была повышена на 8–9 %, а коэффициент трения снижен на 7–8 % (таблица 1).

Таблица 1

Результаты теоретического исследования поверхности опорного кольца с фторопластсодержащим композиционным полимерным покрытием

σ, МПа

Коэффициент трения

1

2

3

4

5

1

4,8

0,00815

0,01982

0,01781

0,01056

0,00363

2

9,6

0,00614

0,01493

0,01342

0,007958

0,0027354

3

14,4

0,00413

0,01005

0,00903

0,005356

0,0018408

4

19,2

0,00212

0,00516

0,00464

0,002754

0,0009462

5

24

0,00011

0,000281

0,000253

0,0001497

0,0000516

Машиностроение и машиноведение

В результате экспериментального исследования после двухминутной переработки был получен устойчивый гидродинамический режим. Нагрузка увеличивалась в пять раз с одинаковым интервалом (таблица 2).

Таблица 2

Результаты экспериментального исследования поверхности опорного кольца с фторопластсодержащим композиционным полимерным покрытием

№ п/п

Режим

Результаты теоретического исследования

Результаты экспериментального исследования

Погрешность, %

σ, МПа

V , м/c

Покрытие из полимера

Покрытие, содержащее канавку

Покрытие из полимера

Покрытие, содержащее канавку

1

4,8

0,3

0,0160

0,0142

0,0184

0,0159

5–12

6–13

2

9,6

0,3

0,0105

0,0088

0,0119

0,0064

3

14,4

0,3

0,0085

0,0066

0,0098

0,0078

4

19,2

0,3

0,00100

0,0076

0,0122

0,0097

5

24

0,3

0,0140

0,0109

0,0152

0,0123

Результаты исследования подтверждают эффективность разработанных теоретических моделей и доказывают преимущество исследованных подшипников скольжения перед существующими за счет повышения нагрузочной способности и снижения коэффициента трения.

Обсуждение и заключения. Теоретическим исследованием определено необходимое сечение маслоподдерживающих канавок для выхода в режим гидродинамического смазывания при заданной нагрузке. Затем, после установления параметров канавок, разработана расчетная модель, описывающая работу подшипника в гидродинамическом режиме для микрополярного смазочного материала, учитывающая адаптированный к условиям трения опорный профиль.

В исследуемой конструкции при вращении вала в канавке возникает циркуляционное движение смазочного материала. Возникающая при этом сила приподнимает вал и в появившемся зазоре образуется гидродинамический клин.

В соответствии с поставленной целью обоснована общая методика экспериментальных исследований как по классическим однофакторным, так и по полнофакторным планам.

Выводы.

  • 1.    В результате исследования достигнуто существенное расширение возможностей применения на практике расчетных моделей радиального подшипника скольжения с полимерным покрытием, имеющим канавку, позволяющих провести оценку эксплуатационных характеристик: величины гидродинамического давления, нагрузочной способности и коэффициента трения.

  • 2.    Применение исследованных радиальных подшипников скольжения с канавкой шириной 3 мм значительно повышает их нагрузочную способность (на 8–9 %) и снижает коэффициент трения (на 7–8 %).

  • 3.    Конструкция радиального подшипника с полимерным покрытием и канавкой шириной 3 мм обеспечивает стабильное всплытие вала на гидродинамическом клине.

Условные обозначения

  • v    ′ , v — компоненты вектора скорости смазочной среды; υ — скорость частиц в микрополярной среде;

H = ε cos θ - ε2 sin2 θ + ...,  ε = e , r — радиус вала; r — радиус подшипниковой втулки; h — высота

2                          r 0      0                            1

канавки; е — эксцентриситет; ε — относительный эксцентриситет; η= e — конструктивный параметр δ

a′ подшипника со стандартным опорным профилем; η= — конструктивный параметр подшипника с адаптированным профилем; η= — конструктивный параметр, характеризующий канавку; p — давление на 2δ                                                                          g торцах интервала; θ1 и θ2 — соответственно угловые координаты канавки; u*(θ) и v*(θ) — известные функции, обусловленные наличием полимерного покрытия на поверхности подшипниковой втулки.

Список литературы Исследование износостойкости подшипника скольжения c полимерным покрытием опорного кольца, имеющего канавку

  • Polyakov, R. The Method of Long-Life Calculation for a Friction Couple "Rotor - Hybrid Bearing" / R. Polyakov, L. Savin // Proc. 7th Int. Conf. on Coupled Problems in Science and Engineering, Coupled Problems. — Rhodes Island : International Center for Numerical Methods in Engineering. — 2017. — P. 433-440.
  • Поляков, Р. Н. Математическая модель бесконтактного пальчикового уплотнения с активным управлением зазором / Р. Н. Поляков, Л. А. Савин, А. В. Внуков // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. — 2018. — № 1 (327). — С. 66-71.
  • Predictive Analysis of Rotor Machines Fluid-Film Bearings Operability / R. Polyakov, S. Majorov, I. Kudryavcev, N. Krupenin // Vibroengineering PROCEDIA. — 2020. — Vol. 30. — P. 61-67. http://dx.doi.org/10.21595/vp.2020.21379
  • Исследование вязкоупругих и адгезионно-прочностных свойств и разработка эффективных вибропоглощающих композиционных полимерных материалов и покрытий машиностроительного назначения / С. С. Негматов, Н. С. Абед, Р. Х. Саидахмедов [и др.] // Пластические массы. — 2020. — № 7-8. — С. 32-36. https://doi.org/10.35164/0554-2901-2020-7-8-32-36
  • Application of Artificial Neural Networks to Diagnostics of Fluid-Film Bearing Lubrication / E. P. Kornaeva, A. V. Kornaev, Yu. N. Kazakov, R. N. Polyakov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. — 2020. — Vol. 734. — Art. 012154. http://dx.doi.org/10.1088/1757-899X/734/1/012154
  • Shutin, D. V. Active Hybrid Bearings as Mean for Improving Stability and Diagnostics of Heavy Rotors of Power Generating Machinery / D. V. Shutin, R. N. Polyakov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. — 2020. — Vol. 862. — Art. 032098. 10.1088/1757-899X/862/3/032098
  • Analysis of Factors Affecting the Strength of Fixed Bonds Assembled Using Metal-Polymer Compositions / V. E. Zinoviev, P. V. Kharlamov, N. V. Zinoviev, R. A. Kornienko // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. — 2020. — Vol. 900. — Art. 012009. 10.1088/1757-899X/900/1/012009
  • Харламов, П. В. Мониторинг изменений упруго-диссипативных характеристик для решения задач по исследованию трибологических процессов в системе «железнодорожный путь - подвижной состав» / П. В. Харламов // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. — 2021. — № 1 (81). — С. 122-129. https://doi.org/10.46973/0201-727X 2021 1 122
  • Глушко, С. П. Исследование технологии электроискрового нанесения покрытий, легирования и упрочнения / С. П. Глушко // Advanced Engineering Research. — 2021. — Т. 21, № 3. — С. 253-59. — https://doi.org/10.23947/2687-1653-2021-21-3-253-259
  • Формирование качества поверхностного слоя при абразивной обработке полимеркомпозитных материалов / М. А. Тамаркин, Э. Э. Тищенко, А. В. Верченко, В. М. Троицкий // Advanced Engineering Research. — 2020. — Т. 20, № 3. — С. 235-242. https://doi.org/10.23947/2687-1653-2020-20-3-235-242
  • Харламов, П. В. Применение физико-химического подхода для изучения механизма образования вторичных структур фрикционного переноса на поверхности контртела / П. В. Харламов // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. — 2021. — № 3 (83). — С. 37-45. https://doi.org/10.46973/0201-727X 2021 3 37
  • Харламов, П. В. Исследование образования вторичных структур фрикционного переноса на поверхности стальных образцов при реализации технологии металлоплакирования / П. В. Харламов // Сборка в и машиностроении, приборостроении. — 2021. — № 12. — С. 556-560. https://doi.org/10.36652/0202-3350-2021-22-12-556-560
  • Металлоплакирование рабочих поверхностей трения пары «колесо - рельс» / В. В. Шаповалов, 9 Ю. Ф. Мигаль, А. Л. Озябкин [и др.] // Трение и износ. — 2020. — Т. 41, № 4. — С. 464-474. https://doi.org/10.32864/0202-4977-2020-41-4-464-474
  • Повышение эффективности фрикционной системы «колесо - рельс» / В. В. Шаповалов, П. Н. Щербак, B. М. Богданов [и др.] // Вестник научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. — о 2019. — Т. 78, № 3. — С. 177-182. https://doi.org/10.21780/2223-9731-2019-78-3-177-182 £
  • Improving the Efficiency of the Path-Rolling Stock System Based on the Implementation of Anisotropic § Frictional Bonds / V. V. Shapovalov, V. I. Kolesnikov, P. V. Kharlamov [et al.] // IOP Conference Series : Materials | Science and Engineering. — 2020. — Vol. 900. — Art. 012011. 10.1088/1757-899X/900/1/012011
  • Kolesnikov, I. V. Ways of Increasing Wear Resistance and Damping Properties of Radial Bearings with Forced Lubricant Supply: ICIE 2018 / I. V. Kolesnikov, A. M. Mukutadze, V. V. Avilov // In: Proc. 4th Int. Conf. on Industrial Engineering. — 2019. — P. 1049-1062. http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-95630-5 110
  • Демпфер с пористым элементом для подшипниковых опор / К. С. Ахвердиев, А. М. Мукутадзе, Н. С. Задорожная, Б. М. Флек // Трение и износ. — 2016. — Т. 37, № 4. — С. 502-509.
  • Гидродинамический расчет радиального подшипника, смазываемого расплавом легкоплавкого покрытия при наличии смазочного материала / К. С. Ахвердиев, М. А. Мукутадзе, Е. О. Лагунова, В. В. Василенко // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. — 2017. — № 2 (66). — С. 129-135.
  • Mathematical Model for a Lubricant in a Sliding Bearing with a Fusible Coating in Terms of Viscosity Depending on Pressure under an Incomplete Filling of a Working Gap / D. U. Khasyanova, M. A. Mukutadze, A. M. Mukutadze, N. S. Zadorozhnaya // Journal of Machinery Manufacture and Reliability. — 2021. — Vol. 50. — P. 405-411. 10.3103/S1052618821050083
  • Mukutadze, M. A. Mathematical Model of a Lubricant in a Bearing with a Fusible Coating on the Pilot and Irregular Slider Profile / M. A. Mukutadze, E. O. Lagunova // In: Proc. 7th Int. Conf. on Industrial Engineering (ICIE 2021). — 2022. — P. 834-840. https://doi.org/10.1007/978-3-030-85233-7 97
  • Хасьянова, Д. У. Повышение износостойкости радиального подшипника скольжения, смазываемого микрополярными смазочными материалами и расплавами металлического покрытия / Д. У. Хасьянова, М. А. Мукутадзе // Проблемы машиностроения и надежности машин. — 2022. — № 4. — С. 46-53. https://doi.org/10.31857/S0235711922040101
Еще
Статья научная