Методы и средства снижения момента трения в узле подвода окислителя рулевого агрегата ракетного двигателя

Рис. 1. Схема узла подвода окислителя рулевого агрегата:

1 –корпус;

2– подшипник 6-208Ю2;

3– подшипник 6-766907Ю;

4– торцевое уплотнение основной полости;

5 – место присоединения камеры;

6 – манжетное уплотнение;

7- основная полость узла;

8- дренажная полость узла.

Для решения поставленной задачи была составлена функциональная схема узла подвеса и выявлены пять основных трибосопряжений, влияющих на суммарный момент трения, а именно радиально-упорный подшипник 2, два подшипниковых узла 3, торцовое уплотнение 4 и манжетное уплотнение 6.

Была проведена теоретическая оценка вклада выбранных трибосопряжений в суммарный момент трения и построена иерархическая структура влияния. Показано, что наибольший вклад в суммарный момент трения оказывает подпятник в торцовом уплотнении основной полости узла подвода, где осуществляется смазываемый трибоконтакт фторопласт - 4 и сталь 12Х18Н9Л и 12Х18Н10Т. В качестве штатной смазки использу- ется ЦИАТИМ-205, которая согласно последним нормативным требованиям считается недостаточно взрывобезопасной в контакте с жидким кислородом, что требует отработки применения в составе узлов подвода окислителя консистентных смазок новых типов.

Основными методами снижения момента сопротивления в узлах трения являются:

трибологические; технологические; конструктивные и организационные.

Трибологические методы и средства это подбор новых типов смазочных материалов, выбор способа и оптимальных режимов смазки и т.д.

Технологические методы - применение новых материалов, наноструктурированных покрытий, снижение шероховатости поверхностей трения, уменьшение внешних нагрузок на узлы трения.

Конструктивные методы -разработка новых конструкций деталей узлов трения, а также применение перспективных подшипников.

К организационным методам можно отнести разработку, оптимизацию и соблюдение графиков монтажных, испытательных и пусковых работ.

Наибольший эффект при решении поставленной задачи может быть достигнут при комплексном подходе, когда будут использованы все или большинство методов и средств.

В качестве конструктивных методов снижения момента трения в торцовом уплотнении из фторопласта предлагается изменить площадь контактирующих поверхностей, так как момент трения в контакте кольцевых поверхностей зависит от площади поверхности и удельного давления в контакте М_ТР = n Pfd ( D² + d ²)/8 [1]. Важно отметить, что и коэффициент трения для фторопласта-4, зависит от удельного давления, поэтому данная задача не является однозначной [2]. Однако вследствие консерватизма заказчиков конструктивные изменения достаточно сложно внедрить в узлы и детали, поэтому необходимо определить наименее затратные методы и решать поставленную задачу поэтапно. Наиболее предпочтительными на наш взгляд являются трибологические и технологические методы и средства снижения трения. Первым этапом при решении поставленной задачи можно оптимизировать тип и режимы смазки. С этой целью была разработана программа исследования влияния типа и режима смазки на коэффициент трения в трибосопряжениии фторопласт-4 и нержавеющая сталь. Испытания проводятся на трибометре швейцарской фирмы CSM (рис. 2). Для обеспечения идентичности условий испытаний различных типов смазок необходимо использовать испытательные образцы из фторопласта-4 изготовленные из одной партии материала с одинаковой шероховатостью. Для этого из партии образцов необходимо выбрать те, у которых ра-

Рис. 2. Внешний вид трибометра с системой измерения шероховатости рабочей поверхности бочие поверхности отличаются по шероховатости не более чем на 0,1 Ra. Очень важно в процессе эксперимента обеспечить режимы, соответствующие рабочим условиям по удельному давлению, скорости скольжения, влажности и температуре. В частности имитировать работу трибосопряжения в среде сжиженного газа и при очень низких температурах. Для этого используется жидкий азот и специальная чаша для испытаний (рис. 3).

Вторым этапом необходимо оценить влияние шероховатости и технологических методов обработки поверхностей трения на силу трения. Известно, коэффициент трения поверхностей зависит от их шероховатости. Причём зависимость коэффициента трения от шероховатости неоднозначна[1], для несмазанных материалов. Для смазанных контактов, эта зависимость ещё более сложная.

Третьим этапом можно исследовать влияние различных физических воздействий на фторопласт-4 с целью снижения трения. Известно, что радиоактивное облучение фторопласта-4 существенно уменьшает коэффициент трения и многократно снижает интенсивность износа рабочей поверхности [3]. В связи с этим предлага-

Рис. 3. Внешний вид установки для испытания в жидком азоте ется заменить материал торцового уплотнения на радиационно –модифицированный фторопласт Ф4-РМ20[4].

Однако необходимо провести дополнительные экспериментальные исследования с целью определить трибологические свойства данного материала при условиях работы, соответствующих функционированию узла качания подвода окислителя.

Важным на наш взгляд условием работы трибосопряжений в ЖРД является их функционирование в вакууме, что необходимо исследовать. Для этого на кафедре ОКМ СГАУ смонтирован вакуумный трибометр швейцарской фирмы CSM (рис. 4).

Исследования на данном стенде позволят оценить, как изменится коэффициент трения, а, следовательно, и момент трения во время работы двигателя с набором высоты ракеты. Это необходимо, чтобы оценить достоверность границы допускаемых значений момента трения в узле качания при наземных сдаточных испытаниях.

Существенное влияние на момент трения в опоре узла подвески оказывает трение в радиально-упорных подшипниках. Потери на трение в смазочном слое определяются сопротивлением сдвигу смазки при скольжении и верчении в контактах. Силу и момент трения в эластогидро-динамическом смазочном слое эллиптического контакта определим по формулам работы [5].

Силу трения скольжения в контакте шарика с внутренним кольцом определяют по формуле:

F fcc = ⁿ a H b H M o njVJh 0 , (1) здесь а Н = f ( v ) и Ь _Н = f ( v ) — полуоси эллипса пятна контакта шарика, где v ■ угол пе-рекоса колец подшипника; μ_о – вязкость смазки; V_S – скорость скольжения в контакте шарика с дорожкой; h₀ –толщина слоя смазки ; n f = ^((a P m ^{- 1} ) exP V^aP m ) + ¹^ ^(a P m ) 2 ^- пьезокоэффициент трения скольжения,

Рис. 4. Внешний вид вакуумного трибометра фирмы CSM при этом: pm = oH при cH < pa и Pm Pa при aH > pa, где pa = 7,914 • 11;518 - давление «затвердевания» смазки, здесь tм – температура смазки, nf = ((apm -X^exp^apm)+^(«Pm)2 -пъезокоэффициент смазки.

Момент трения верчения в эллиптическом контакте определяют по формуле:

^Тfcc = ^{n (} a H^bH ⁺ a H b H К n m ® в/ h 0 .

Здесь n_m – пьезокоэффициент трения верчения, определяемый по зависимости:

n = [2exp( g p_m ) + 1 — 6 exp⁽ a p m Жф_т ) 2 .

m     («Pm ) + 6(exP (aPm ) — 1)K«Pm )2 ’

to _B - угловая скорость вращения шарика относительно внутреннего кольца.

Согласно данным работы [5], полное значение момента трения верчения получим интегрированием по площадке контакта:

Tfk = 3П^ fFnaH (Чк А )• ^/(16 (1 + m )), (2)

где f – коэффициент трения в контакте, F_n – нормальное усилие в контакте; q и q _k – полная и единичная нагрузка в контакте; m = ( a_H - b_H )/( a_H + b_H ) ; 5 - значение ряда, вычисляемого по формуле:

m² m ⁴ 4² m ⁶ 4² • 3² m ⁸ 4² • 3² • 5²

=1 + 22? + 22Г42 + 22 • 42 • 62 + 22 • 42 • 62 • 82 + ^

Анализ уравнений (1) и (2) показывает, что для снижения момента трения в подшипнике качения необходимо уменьшать коэффициент трения в контакте и угол перекоса колец подшипника. В связи с этим необходимо провести исследования по влиянию несоосности подшипников в конструкции с целью оценки её влияния на момент трения в опоре.

Предложенные направления исследований не являются полными и всеобъемлющими, поэтому в дальнейшем могут быть рассмотрены и другие пути снижения момента трения в узлах качания подвода окислителя и горючего жидкостного ракетного двигателя.