Расчётно-экспериментальная методика определения предотказного состояния сложнонагруженных подшипников скольжения
Автор: Никитин Денис Николаевич, Задорожная Елена Анатольевна, Леванов Игорь Геннадьевич
Рубрика: Расчет и конструирование
Статья в выпуске: 1 т.22, 2022 года.
Бесплатный доступ
В статье рассмотрены виды изнашивания и отказы подшипников скольжения. Основываясь на физике отказов, предложена методика определения предотказного состояния подшипников скольжения включающая в себя: определение предельного зазора в подшипнике; определение предельного значения вязкости масла; определение предельного значения овальности шейки вала и вкладышей; определение предельной площади выкрашивания поверхности вкладышей; определение предельного значения концентрации активных абразивных частиц в смазочном материале. Решение этих задач базируется на расчётном определении гидромеханических характеристик (ГМХ) подшипников с помощью гидродинамической теории смазки, определении зон контактного взаимодействия элементов ПС, продолжительности граничного режима смазки, величинах износа поверхностей втулки и шейки вала. Расчётные исследования выполнены на примере расчета динамики шатунного подшипника коленчатого вала теплового двигателя. В частности показано, что при величине диаметрального зазора в шатунном подшипнике в 90-120 мкм продолжительность граничного режима смазки составляет более 25 %, что является предельным значением. Снижение вязкости масла (измеренной при 100 С) ниже 9,5 мПа∙с недопустимо, поскольку приводит к повышению продолжительности граничного режима смазки до 42 %. По тем же причинам эллиптичность вкладышей более 5 мкм недопустима. Массовая концентрация активных абразивных частиц в масле более 0,1 % приводит к резкому повышению максимальной скорости изнашивания подшипника, и данную концентрацию следует считать предельной с точки зрения его предотказного состояния. Методика позволяет на ранних стадиях проектирования машин, в состав которых входят гидродинамические подшипники скольжения, определять критерии их предотказного состояния.
Подшипники скольжения, отказы, предотказное состояние, скорость изнашивания, зазор
Короткий адрес: https://sciup.org/147237467
IDR: 147237467 | УДК: 532.5:532.135,
Calculation-experimental method for determining the pre-failure state of complexly loaded journal bearings
The article deals with the types of wear and failures of journal bearings. Based on the physics of failures, a method for determining the pre-failure state of plain bearings is proposed, including: determination of the limiting clearance in the bearing; determination of the limit value of oil viscosity; determination of the limiting value of the ovality of the shaft neck and liners; determination of the maximum area of chipping of the surface of the liners; determination of the limit value of the concentration of active abrasive particles in the lubricant. The solution of these problems is based on the calculation of the determination of the hydromechanical characteristics (HMC) of bearings using the hydrodynamic theory of lubrication, the determination of the zones of contact interaction between the elements of the rolling stock, the duration of the boundary lubrication regime, the amount of wear on the surfaces of the sleeve and the shaft neck. Calculation studies were carried out on the example of calculating the dynamics of the connecting rod bearing of the crankshaft of a heat engine. In particular, it is shown that with a diametrical clearance in the connecting rod bearing of 90-120 μm, the duration of the boundary regime of lubrication is more than 25%, which is the limiting value. Reducing the oil viscosity (measured at 100 C) below 9.5 mPa∙s is unacceptable, as it leads to an increase in the duration of the boundary lubrication regime by up to 42%. For the same reasons, the ellipticity of the liners more than 5 microns is unacceptable. A mass concentration of active abrasive particles in the oil of more than 0.1% leads to a sharp increase in the maximum wear rate of the bearing, and this concentration should be considered the limit in terms of its pre-failure state. The technique allows at the early stages of designing machines, which include hydrodynamic plain bearings, to determine the criteria for their pre-failure state.
Список литературы Расчётно-экспериментальная методика определения предотказного состояния сложнонагруженных подшипников скольжения
- Гриб, В.В. Решение триботехнических задач численными методами / В.В. Гриб. - М.: Наука, 1982. - 112 с.
- ГОСТ 27.002-2015 Надежность в технике (ССНТ). Термины и определения.
- Крагельский, И.В. Основы расчетов на трение и износ /И.В. Крагельский, М.Н. Добычин, В.С. Комбалов. -М.: Машиностроение, 1977. - 526 с.
- Типей, Н.Н. Подшипники скольжения. Расчёт, проектирование, смазка / Н. Типей, В.Н. Константинеску, А. Ника и др. - Бухарест, 1964. - 457 с.
- Когаев, В.П. Прочность и износостойкость деталей машин / В.П. Когаев, Ю.Н. Дроздов. - М. : Высшая школа, 1991. - 319 с.
- Сафонов, П.Б. Инженерная трибология: оценка износостойкости и ресурса трибосоп-ряжений. Учебное пособие для студентов специальности 170515 / П.Б. Сафонов, А.В. Бегова. -РХТУ им. Д.И. Менделеева, Новомосковский институт, 2004. - 65 с.
- Adaptive finite element simulation of wear evolution in radial sliding bearings / Ali Rezaei, Wim Van Paepegem, Patrick De Baets, Wouter Ost, Joris Degrieck // Wear. - 2012. - Vol. 296. -P. 660-671.
- Analysis of planar multibody systems with revolute joint wear / SaadMukras, Nam H. Kim *, Nathan A. Mauntler, Tony L. Schmitz,W. Gregory Sawyer // Wear. - 2010. - Vol. 268. - P. 643-652.
- Bartel, D. Simulating transient wear characteristics ofjournal bearings subjected to mixed friction / D. Bartel, L. Bobach, T. Illner et al. // Journal of Engineering Tribology. - 2012. - P. 1-14.
- Bonneau, D. Mixed Lubrication in Hydrodinamic Bearings // D. Bonneau, A. Fatu, D. Souchet. - ISTE Ltd, London. - 2014. - 172 p.
- Fillon, M. and Bouyer, J. (2004), "Thermo Hydrodynamic Analysis of a Worn Plain Journal Bearing" Tribol. Int., 37, P. 129-136.
- Harnoy, A. Bearing Design in Machinery: Engineering Tribology and Lubrication / A. Harnoy. - New York: Marcel Dekker, 2003. - 440 p.
- Hydrodynamic Friction of Viscosity-Modified Oils in a Journal Bearing Machine / Sorin-Cristian Vladescu,• Nigel Marx, • Luis Fernández, • Francisco Barceló, • Hugh Spikes // Tribology Letters (2018) 66:127https://doi.org/10.1007/s11249-018-1080-4.
- Nikolic, N. A procedure for constructing a theoretical wear diagram of IC engine crankshaft main bearings / N. Nikolic, T. Torovic, Z. Antonic // Mechanism and Machine Theory. - 2012. -Vol. 58. - P. 120-136.
- Nikolic, N. An Algorithm for Obtaining Conditional Wear Diagram of IC Engine Crankshaft Main Journals/ N. Nikolic, T. Torovic, Z. Antonic, J. Doric // FME Transactions. - 2011. - Vol. 39. -P. 157-164.
- Чернавский, С.А. Подшипники скольжения / С.А. Чернавский. - М.: Машгиз, 1963. -243 с.
- Захаров, С.М. Гидродинамическая теория смазки //В кн. «Современная трибология: итоги и перспективы» /Под ред. К.В. Фролова. - М. : Изд-во ЛКИ. - 2008. - C. 95-157.
- Черепанов, Д.А. Расчётно-экспериментальная модель изнашивания опор скольжения коленчатых валов поршневых ДВС: Автореф. дисс...к-та.техн.наук / Д.А. Черепанов. - Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2004. - 16 с.
- ГОСТ 27674-88 Трение, изнашивание и смазка. Термины и определения [Текст]. Введ. 1989-01-01. - М.: Издательство стандартов, 1992. - 19 с.
- Прокопьев, В.Н. Динамика и смазка трибосопряжений поршневых и роторных машин: монография. / В.Н. Прокопьев, Ю.В. Рождественский и др. // Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2011. - ч. 2. - 221 с.
- Vencl, A. Diesel engine crankshaft journal bearings failures: Case study / A. Vencl, A. Rac // Engineering Failure Analysis. - 2014. - Vol. 44. - P. 217-228.
- Икрамов, У.А. Расчётные методы оценки абразивного износа. - М. : Машиностроение, 1987. - 288 с.
- Rozeanu, L. Wear of hydrodynamic journal bearings, In Tribology Research: From Model Experiment to Industrial Problem / G. Dalmaz et al. (Editors), 2001. - P.161-166.
- Ажиппо, Н.А. Прогнозирование долговечности подшипников скольжения тракторных двигателей на стадии их проектирования / Н.А. Ажиппо, Б.К. Балюк // Двигателестроение. -1985. - № 8. - С. 17-20.
- Морозов, Е.М. Контактные задачи механики разрушения / Е.М. Морозов, М.В. Зернин. -М. : Машиностроение, 1999. - 544 с.
- Рождественский, Ю.В. Связные задачи динамики и смазки сложнонагруженных опор скольжения //Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. д.т.н. - Челябинск, 1999. - 36 с.
- К вопросу о долговечности подшипников коленчатого вала двигателей ЗИЛ-130 / В.Н. Прокопьев, В.В. Иванов, Э.Р. Рунг, Г.Н. Волченко // Автомобильная промышленность. -1974. - № 6. - С. 6-8.
- Goodwin, M.J. Reciprocating machinery bearing analysis: theory and practice / M.J. Goodwin, J.L. Nikolajsen, P.J. Ogrodnik //Proc. Instn Mech. Engrs Vol. 217, Part J: Journal Engineering Tribol-ogy. - 2003. - P. 409-426.
- Refined simulation of friction power loss in crank shaft slider bearings considering wear in the mixed lubrication regime / C. Priestner, H. Allmaier, H.H. Priebsch, C. Forstner // Tribology International. - 2012. - Vol. 46. - P. 200-207.
- Predicting friction reliably and accurately in journal bearings - The importance of extensive oil-models / H. Allmaier, C. Priestner, F.M. Reich et al. // Tribology International. - 2012. -Vol. 48. -P. 93-101.
- Gulwadi, S.D. Journal Bearing Analysis in Engines Using Simulation Techiques / S.D. Gulwadi, G. Shrimpling //SAE 2003-01-0245.
- Bartel, D. Simulating transient wear characteristics of journal bearings subjected to mixed friction / D. Bartel, L. Bobach, T. Illner and L. Deters // Journal of Engineering Tribology. - 2012. -P. 1-14. - URL: https://doi.org/10.1177/1350650112454510.
- Sander, D.E. Simulation of journal friction in severe mixed lubrication - Validation and effect of surface smoothing due to running-in / D.E. Sander , H. Allmaier , H.H. Priebsch et al. // Tribology international. - 2015. - Vol. 96. - P. 173-183. - URL: https://doi.org/10.1016/j-.triboint.2015.12.024
- Bergmann, P. Modeling Wear of Journal Bearings / P. Bergmann, F. Grün // MontanuniversitätLeoben, Department Product Engineering. - Vol. 6. - No. 27. - 2018. doi:10.3390/lubricants6010027.
- Bergmann, P. Evaluation of Wear Phenomena of Journal Bearings by Close to Component Testing and Application of a Numerical Wear Assessment / P. Bergmann, F. Grun, F. Summer et al. // Lubricants. - 2018. - № 6. - Vol. 65. - 25 p. doi:10.3390/lubricants6030065.
- Knauder, C. Sander and Theodor Sams. Investigations of the Friction Losses of Different Engine Concepts. Part 1: A Combined Approach for Applying Subassembly-Resolved Friction Loss Analysis on a Modern Passenger-Car Diesel Engine / C. Knauder, H. Allmaier, E. David // Lubricants. -2019. - № 7. - Vol. 39. - URL: https://doi.org/10.3390/lubricants7050039.
- Прокопьев, В.Н. Гидромеханические характеристики сложнонагруженных подшипников скольжения с учетом некруглостей цапфы и втулки / В.Н. Прокопьев, А.К. Бояршинова, К.В. Гаврилов //Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2009. - № 4. - С. 98-104.
