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.
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 .
2ц + 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 ,О ) ; u =-д^+ Ui(r ,О ) ; v ( r ,О ) = ф (^-) ; ^ 2 = ^j при О 1 <О<° 2 ;
V ( r ,О ) = v c ^ i ) ; Ui(r ,e ) = - ui ( ^ i ) . h '( О ) ;
^ 1.3 = 1 ^ ^П2 при0<О<О 1 и О 2 <О< 2П,
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 5О 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
2П ) 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 ) -П 2 ) 2 ( h ( о ) -П 2 ) ) d 0 j l h 2( о ) h ( о ) ) d 0
2 n
+j
f y; (о) + V 3 (о) '
i ( h ( о ) -П 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