Расчетная оценка возможности применения подшипников скольжения из пористого стеклопластика в составе опорного катка гусеничного движителя
Автор: Безмельницын Александр Викторович
Рубрика: Численные методы моделирования
Статья в выпуске: 1 т.18, 2018 года.
Бесплатный доступ
В настоящее время в опорных катках тихоходных гусеничных движителей применяются подшипники скольжения с антифрикционными втулками из дорогостоящих сплавов цветных металлов. Возможной альтернативой могут стать более дешевые композитные втулки на основе пористого стеклопластика, полученные радиальной намоткой. Они выдерживают высокие нагрузки и могут работать в условиях ограниченной маслоподачи, используя смазочный материал, содержащийся в открытых порах втулки. Из-за пористой структуры втулки имеют низкую жесткость в радиальном направлении, что способствует образованию развитой площадки контакта со стальным валом. Низкие контактные нормальные и касательные напряжения приводят к снижению износа вала. Фактором, ограничивающим применение композитной втулки, является ее низкая межслойная прочность. По этой причине актуальной становится задача определения максимальных радиальных и сдвиговых напряжений, возникающих в процессе эксплуатации узла трения для расчетной оценки его работоспособности. В экспериментальной части работы для композитной втулки из пористого стеклопластика были найдены коэффициенты трения покоя и скольжения. Используя расчетно-экспериментальный метод, найдено критическое межслойное сдвиговое напряжение, приводящее к разрушению стеклопластика. В расчетной части представлена разработанная численная модель, позволяющая определить напряженно-деформированное состояние антифрикционных втулок в составе опорного катка трубоукладчика ТР-20. Используя численное моделирование в пакете ANSYS Workbench, для втулок из стеклопластика и бронзы были найдены картины распределения нормальных напряжений по поверхности контакта с валом. Получены зависимости значения максимального нормального напряжения от величины радиального зазора между валом и втулкой. Установлено, что на величину локальных нормальных напряжений существенное влияние оказывают сама кососимметричность нагружения подшипникового узла, зазоры, обусловленные его сборкой, и зазоры, образующиеся в процессе эксплуатации. Определена максимально допустимая величина радиального зазора между валом и втулками из бронзы и стеклопластика. Расчетным путем установлено, что применение антифрикционных композитных втулок в катках тихоходных гусеничных движителей не только возможно, но и позволяет увеличить значение максимального допускаемого зазора в узле трения.
Стеклопластик, намотка, прочность на сдвиг, мкэ, самосмазывающиеся подшипники скольжения, опорный каток
Короткий адрес: https://sciup.org/147151776
IDR: 147151776 | УДК: 629.3.033, | DOI: 10.14529/engin180108
Numerical estimation of using possibility of porous GFRP sliding bearing as part of a caterpillar mover bottom track roller
Currently, antifriction bushings for sliding bearings made of expensive non-ferrous metal alloys are used in low-speed caterpillar track rollers. Composite bushings based on porous GFRP obtained by radial winding is a cheap alternative for metal ones. They can withstand high radial compressive loads and successfully work without lubrication supply system using only self-lubricating modifiers in their open porosity. The bushings have a low stiffness in the radial direction due to the porous structure. Low stiffness contributes to the formation of a significant contact area between interacting surfaces. Low contact normal and tangential stresses lead to a shaft wear reduction. Low interlaminar strength is the main factor limiting the use of composite bushings. Determination of the maximum radial and shear stresses emerging in the operational process of a friction unit is a very important problem. First part of the work is devoted to determination of the static and sliding friction coefficients for composite bushing. Combination of static tests up to fracture and numerical analysis was used to determine the critical interlayer shear stress. In the second part of the work, numerical model of a support roller with antifriction bushing was developed. This model was used to determine the stress-strain state of antifriction bushings of the support roller of pipe-laying machine TR-20. Distribution of normal stresses on the contact surface with the shaft for GFRP and bronze bushings were found. The relations between the maximum normal stress value and the radial clearance in pair “shaft-bushings” were obtained for both types of bushings. It was shown, that the value of the local normal stresses is significantly affected by the skew-symmetry of the roller support, clearance in pair “shaft-bushings” after assembly and after exploitation. The maximum reasonable value of the radial clearance between the shaft and the bronze and GFRP bushings were 0.25 mm and 1 mm respectively. The use of antifriction composite bushings allows increasing the value of the maximum permissible clearance of friction unit more than two times in comparison with metal one. The paper shows the possibility of replacing antifriction bronze bushings on porous GFRP bushings.
Список литературы Расчетная оценка возможности применения подшипников скольжения из пористого стеклопластика в составе опорного катка гусеничного движителя
- Платонов, В.Ф. Динамика и надежность гусеничного движителя/В.Ф. Платонов. -М.: Машиностроение, 1973. -232 с.
- Чернавский, С.А. Подшипники скольжения/С.А. Чернавский. -М.: Машгиз, 1963. -244 с.
- Neale, M.J. The tribology handbook/M.J. Neale. -2nd ed. -Butterworth-Heinemann, Oxford, 2001. -582 p.
- Полимеры в узлах трения машин и приборов: справ./Е.В. Зиновьев, A.Л. Левин, М.М. Бородулин. -М.: Машиностроение, 1980. -203 с.
- McKeen, L.W. Fatigue and tribological properties of plastics and elastomers/L.W. McKeen. -2nd ed. -Butterworth-Heinemann, Oxford, 2010. -312 p.
- Влияние технологических условий намотки на свойства полимерных композиционных материалов/С.П. Захарычев, В.А. Иванов, Д.В. Отмахов и др.//Вестник ТОГУ. Технические науки. -2010. -№ 1 (16). -С. 55-64.
- Analysis and control of the compaction force in the composite prepreg tape winding process for rocket motor nozzles/X. He, Y. Shi, C. Kang, T. Yu//Chinese Journal of Aeronautics. -2017. -Vol. 30. -P. 836-845 DOI: 10.1016/j.cja.2016.07.004
- Справочник по композитным материалам в двух книгах/под ред. Дж. Любина. -М.: Машиностроение, 1988. -Кн. 1. -447 с.
- Vasiliev, V.V. Advanced Mechanics of Composite Materials and Structural Elements/V.V. Vasiliev, E.V. Morozov. -3rd ed. -Elsevier, 2013. -816 p.
- Основы трибологии (трение, износ, смазка)/А.В. Чичинадзе, Э.Д. Браун, Н.А. Буше и др. -2-е изд. перераб., и доп. -М.: Машиностроение, 2001. -664 с.
- Когаев, В.П. Прочность и износостойкость деталей машин/В.П. Когаев, Ю.Н. Дроздов. -М.: Высш. шк., 1991. -319 с.
- Litwin, W. Influence of local bush wear on water lubricated sliding bearing load carrying capacity/W. Litwin//Tribology International. -2016. -Vol. 103. -P. 352-358 DOI: 10.1016/j.triboint.2016.06.044
- Abdelbary, A. Wear of polymers and composites/A. Abdelbary. -Elsevier, Cambridge: Woodhead Publishing Limited, 2014. -223 p.
- Исследование характеристик армированных реактопластов при изготовлении подшипников скольжения методом послойной намотки/Р.С. Зиновьев, В.Я. Савицкий, Ю.А. Мережко, В.С. Ивановский//Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. Машиностроение и машиноведение.-2013. -№ 4 (28). -С. 140-155.
- Delamination analysis of multi-angle composite curved beams using an out-of-autoclave material/K.-H. Nguyen, H.-W. Ju, V.-H. Truong, J.-H. Kweon//Composite Structures. -2018. -Vol. 183. -P. 320-330 DOI: 10.1016/j.compstruct.2017.03.078
- Experimental research into interlaminar tensile strength of carbon/epoxy laminated curved beams/D. Ranza, J. Cuarterob, A. Miravetec, R. Miralbesa//Composite Structures. -2017. -Vol. 164. -P. 189-197 DOI: 10.1016/j.compstruct.2016.12.010
- Аношкин, А.Н. Теория и технология намотки конструкций из полимерных композиционных материалов/А.Н. Аношкин. -Пермь: Перм. гос. техн. ун-т, 2003. -118 с.
- Тарнопольский, Ю.М. Методы статических испытаний армированных пластиков/Ю.М. Тарнопольский, Т.Я. Кинцис. -М.: Химия, 1981. -272 с.
- Зиновьев, Р.С. Оценка прочности и жесткости вкладышей подшипников скольжения из стеклопластика/Р.С. Зиновьев, С.Б. Сапожников, А.В. Безмельницын//Композиты и наноструктуры. -2012. -№ 3. -С. 10-18.
- Безмельницын, А.В. Многомасштабное моделирование и анализ механизма возникновения технологических межслойных напряжений в толстостенных кольцах из стеклопластика/А.В. Безмельницын, С.Б. Сапожников//Вестник ПНИПУ. Механика. -2017. -№ 2. -С. 5-22.
- Машиностроение: энцикл. в сорока томах. Т. II-3: Цветные металлы и сплавы. Композитные металлические материалы/К.В. Фролов . -М.: Машиностроение, 2001.-780 с.
- Сорокин, В.Г. Стали и сплавы. Марочник/В.Г. Сорокин, М.А. Гервасьев. -М.: Интермет Инжиниринг, 2001. -608 с.
