Пути повышения несущей способности гидродинамических трибосопряжений текстурированием поверхностей трения

Введение. Современные тенденции развития отдельных отраслей транспортного и энергетического машиностроения предполагают разработку роторных машин с большей производительностью и повышенными требованиями по их ресурсу. Одним из основных узлов, во многом определяющим надежность и эксплуатационные характеристики данного класса машин, является упорный узел, состоящий из пяты и подпятника (подшипник, воспринимающий осевые нагрузки), к которому предъявляются следующие требования: высокая несущая способность (НС), минимальное трение и изнашивание рабочих поверхностей в течение заданного ресурса, высокая виброустойчивость на всех режимах работы, малый расход смазочного материала, технологичность и удобство в эксплуатации.

В настоящее время наибольшее распространение получили упорные подшипники скольжения (УП), работающие в режиме жидкостного трения. Для получения избыточных гидродинамических давлений смазочный слой (СС) должен иметь форму клина, толщина которого уменьшается в направлении движения [1]. Как правило, УП с неподвижными сегментами разделяют на две основные группы: ступенчатые плоскости (с одной ступенькой), которые являются развитием идеи Рэйлея, опубликованной им в 1918 г. [2], и подшипники, в которых неподвижные сегменты выполнены в виде наклонных плоскостей.

В то же время, начиная с 80-х годов XX века, развивается и другое направление, учитывающее не только макро-, но и микропрофиль поверхностей трения.

В работах [3, 4] авторы провели исследование влияния шероховатости поверхностей трения и формы СС на гидромеханические характеристики (ГМХ) трибосопряжения, используя модель «бесконечно длинного» подшипника с продольными канавками для изотермического случая. Для выполнения расчетов была применена стохастическая модель шероховатости. Используя THD (Total Harmonic Distortion) метод, авторы работы [5] исследовали влияние неровности поверхности трения на модели «бесконечно длинного» плоского подшипника скольжения и сделали вывод, аналогичный авторам работ [3, 4]: при вращении ротора смазочный материал (СМ) взаимодействует с микровыступами на поверхности УП и как следствие в СС образуются «микроклинья», которые и увеличивают НС.

С помощью программы «Navier – Stokes Computational Fluid Dynamics» авторы работы [6] смоделировали 3D-геометрию микроканалов, нанесенных на сегменты подпятника и рассчитали НС подшипника. Также были выполнены параметрические исследования влияния отклонений геометрии обработанной поверхности от допусков на НС и коэффициент трения для заданных размеров подшипника. Сделан вывод, что в большинстве случаев отклонения от заданного микропрофиля поверхности подпятника не ухудшают ГМХ упорных гидродинамических подшипников.

В статье [7] рассматриваются два типа УП (первый состоит из пяты и подпятника, второй – из пяты, подпятника и промежуточного диска) с нанесением винтовых канавок на его несущей поверхности. Проведено экспериментальное исследование влияния износа поверхностей трения подшипника на его НС; дан расчет предельной НС. По полученным данным сделаны следующие выводы: предельная НС определяется преимущественно винтовыми канавками, нанесенными на несущей поверхности подпятника, и толщиной СС; подшипник с промежуточным диском имеет более высокую НС; при конструировании УП с винтовыми канавками следует учитывать износ поверхностей.

На сегодняшний день в производстве и научных исследованиях кроме винтовых и продольных (поперечных) канавок широкое распространение получили и другие формы текстурированной поверхности: микроплощадки [8, 9] и микроямки [10].

Текстурирование поверхности можно выполнить различными способами. Коста и Хатчингс [11] использовали фотохимическое травление для текстурирования металлической поверхности. Для обработки УП из карбида кремния Ванг применял реактивное ионное травление [8, 9]. Хо-перман и Кордт в качестве высокопроизводительного способа обработки предлагают использовать Nd:YAG-лазер [12]. В работе указывается, что лазерное текстурирование поверхности можно эффективно использовать не только при жидкой (несжимаемой) смазке, но также и в сухих газовых уплотнениях.

В работах [8, 9] Ванг, Като и др. представили результаты выполненных экспериментов на УП, смазываемые водой. Исследовано влияние микроплощадок на критическую нагрузку при переходе от гидродинамического к смешанному типу смазки. Текстурирование несущей поверхности позволяет эффективно повышать НС упорного подшипника из карбида кремния, если использовать в качестве СМ воду, в данном случае в СС образуется трибохимическая реакция. Авторы сделали следующие выводы: существует оптимальная геометрия ямки и площадь распределения ямок (отношение площади обработанной поверхности к необработанной). При оптимальных значениях данных параметров критическую нагрузку, при которой происходит повреждение поверхности (задир), можно увеличить как минимум в два раза по сравнению с необработанной поверхностью.

Из анализа работ [1–12], следует, что геометрия поверхности оказывает значительное влияние на НС упорного сегментного подшипника скольжения, а определение оптимальных параметров макро- и микропрофиля поверхности позволяет улучшить ГМХ. С развитием техники появилась возможность обрабатывать и исследовать микропрофиль несущей поверхности с высокой точностью, в связи с чем многие авторы поставили задачу исследовать микротекстурирование поверхности УП. Одним из наиболее перспективных направлений является лазерное текстурирование поверхности. Поэтому для выявления преимуществ и недостатков данной технологии были проведены анализ и оценка основных параметров лазерного текстурирования на основе выполненного обзора литературных источников.

Лазерное текстурирование поверхности. Процесс лазерного текстурирования можно описать как вскрытие поверхностного слоя подшипника пульсирующим лазерным лучом, в зависимости от силы луча и скорости обработки на поверхности появляется множество микроямок с заданным диаметром и глубиной.

Хотя лазерное текстурирование имеет много преимуществ: быстрая, легкая и очень эффективная технология [12], также есть и недостатки [13]: в результате лазерного плавления материала соседние области могут быть обрызганы, из-за чего появляются выступы и неровности. Таким образом после текстурирования необходимо выполнять полировку образцов. В некоторых случаях мощность излучения лазера может быть настолько сильной, что при обработке появляются трещины в соседних областях, из-за этого прочность образца сильно снижается. Однако на сегодняшний момент развитие промышленного оборудования позволяет обеспечить высокую точность обработки и не допустить повреждение поверхности.

Необходимо отметить некоторые особенности текстурированной поверхности, которые позволяют улучшить ГМХ подшипников скольжения. Выступы или микроямки на гладкой поверхности подшипника работают по принципу «ступеньки Рэйлея». Когда поток смазки приближается к выступу, давление увеличивается, а с противоположной стороны – снижается, но уже на меньшую величину [12]. В результате перепада давлений в СС появляется НС.

Текстурирование поверхностей трения подшипника скольжения позволяет уменьшить их износ, когда СМ попадает в микроуглубления поверхности и удерживается в них, то есть действует как «второй источник смазки» [14]. Перемещение СМ из этих областей на соседние позволяет уменьшить потери на трение и замедлить гидроабразивный износ, особенно при смешанном и граничном трении. Во время эксплуатации двигателя внутреннего сгорания в СМ появляются частицы износа, которые попадают в микроямки и удерживаются в них, что позволяет снизить повреждение рабочих поверхностей УП.

Фундаментальные работы по изучению лазерного текстурирования поверхности опубликованы Этсионом и его учениками [15–17]. Авторами выполнены исследования влияния текстурирования несущей поверхности различных трибосопряжений: механических и газовых уплотнений, упорных гидродинамических подшипников, а также узлов, совершающих возвратно– поступательное движение (компрессионные кольца).

Брицмер и Этсион в качестве объекта исследования использовали УП с нанесением на его несущую поверхность лазерного текстурирования в виде микроямок [15]. В результате выполненных расчетов получен размер ямки и площадь обрабатываемой поверхности, при которых возникает максимальная НС. Представлено два механизма образования поля гидродинамических давлений в СС подшипника:

• 1.    «Индивидуальный эффект» микроямок (обрабатывается вся поверхность сегментов УП) – каждая ямка работает как гидродинамический подшипник, связей между ямками нет, поэтому НС увеличивается незначительно.

• 2.    «Коллективный эффект» микроямок (обрабатывается часть поверхности сегментов УП) существенно увеличивает НС упорного гидродинамического подшипника и, если использовать оптимальные размеры ямок, площадь обрабатываемой поверхности и максимальную плотность распределения ямок, можно получить НС, значения которой сопоставимы с НС подшипника с сегментами в виде ступеньки Рэйлея.

В работе [16] авторы провели теоретическое исследование влияния микроямок, нанесенных на поршневых кольцах. Основные выводы, сделанные авторами: текстурирование позволяет повысить НС; наибольшее влияние на коэффициент трения и толщину СМ оказывают количество ямок в одном ряду и соотношение глубины к радиусу ямки, при этом изменение плотности распределения ямок позволяет снизить силу трения не более чем на 7 %. Однако по полученным результатам авторы считают очевидным снижение силы трения на 30 % при текстурировании несущей поверхности по сравнению с необработанной. Рык, Клигерман и Этсион провели серию экспериментов на компрессионных кольцах, подтверждающих теоретические предположения, сделанные в работе [16], в экспериментах в зону контакта пары трения подавалось моторное масло, соответствующее классу вязкости SAE–40 [17]. По сравнению с необработанными кольцами при использовании текстурированных образцов сила трения снизилась на 40 %. Сравнение расчетных и экспериментальных данных показало хорошее согласование полученных результатов. Отмечается, что сила трения ниже при использовании масла с более низкой вязкостью и с оптимальной глубиной ямки.

Текстурированную поверхность можно использовать для устранения «залипания» и адгезии в точных устройствах [18]. Сегодня данное свойство текстурированной поверхности исследуется на коммерческой основе у всех производителей жестких дисков [19, 20]. В таких устройствах максимальная толщина слоя составляет всего несколько нанометров и поддержание постоянной толщины слоя необходимо для их нормальной работы.

Выводы. В ЮУрГУ и в частности в вузовско-академической лаборатории «Триботехника» ведутся работы по исследованию макро и микропрофиля поверхностей трения.

Так, в работах [23–25] авторы исследуют влияние свойств СМ и шероховатости поверхности на ГМХ трибосопряжения поршень-цилиндр и делают акцент на том, что контактное взаимодействие элементов пары трения происходит на площадках фактического контактирования, что, в частности, экспериментально подтверждается образованием «натиров» на юбке поршня дизельного двигателя после определенной наработки [21]. Поэтому расчетные характеристики трибосопряжений предлагают дополнять относительными значениями суммарных за цикл нагружения величин протяженности областей, где значения толщины СС меньше допустимых (продолжительность контактного взаимодействия) [22, 23].

В работе [24] рассматриваются газодинамические опоры четырех макрогеометрических форм со спиральными и винтовыми микроканавками, которые наносятся на несущей поверхности подшипников скольжения, воспринимающих радиальных и осевые нагрузки. Динамика свобод- ного движения ротора изучается с использованием матрицы передаточных функций подшипника. Можно отметить несколько выводов, сделанных автором: при уменьшении установочных зазоров в УП до 2 мкм система ротор – поплавок становится устойчивой; для каждой комбинации зазоров СС существует оптимальное значение глубин канавок в УП.

Проведена экспериментальная работа по определению влияния лазерного текстурирования на НС и потери на трение УП, смазываемых водой [25]. Разработано программное обеспечение, позволяющее рассчитывать ГМХ упорных сегментных подшипников скольжения с различным профилем несущей поверхности [26, 27].

Текстурирование поверхностей трения является одним из приоритетных научных направлений исследований лаборатории «Триботехника».