CC BY
264
УДК 621.822
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ СРАВНИТЕЛЬНЫХ МОДЕЛЬНЫХ ИСПЫТАНИЙ ШАРИКОПОДШИПНИКОВ ДЛЯ ОПОР ВЫСОКООБОРОТНЫХ РОТОРОВ ТНА ЖРД А.В. Иванов, А.В. Пупынин
В статье приведен анализ результатов сравнительных испытаний различных модификаций шарикоподшипников 206 типоразмера для опор высокооборотных роторов турбонасосных агрегатов (ТНА) жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) с коэффициентом быстроходности на среднем диаметре шарикоподшипника ~ 3-106 мм- об/мин
Ключевые слова: вязкость, износ, испытание, насос, ротор, шарикоподшипник
Введение
Подшипники опор высокооборотных ТНА ЖРД в значительной мере определяют работоспособность, надёжность и ресурс, как агрегата, так и двигателя в целом. Опоры качения турбонасосных агрегатов большинства жидкостных ракетных двигателей работают при частотах вращения, значительно превышающих предельно допустимые по каталогу, при этом функционируют в маловязкой рабочей среде, которую перекачивают насосы. Это криогенные жидкости - жидкий кислород, жидкий водород и другие маловязкие среды. Скоростной
параметр таких подшипников достигает ёт.п ~3,5-106 мм-об/мин, где ёт - диаметр окружности, проходящей через центры шариков, мм; п - скорость вращения внутреннего кольца шарикоподшипника, об/мин. Причем, как правило, имеет место сложное комбинированное нагружение. Работа в указанных условиях обуславливает повышенные износы шарикоподшипников.
Расчетных методов для анализа, прогнозирования и проектирования опорных узлов на заданную долговечность недостаточно. Зачастую далеко не сразу удается создать работоспособную конструкцию опорного узла и подобрать благоприятное сочетание характеристик, при которых обеспечивается требуемая долговечность и надежность. Техническая сложность решения этой проблемы определяют необходимость создания модельных условий испытания опорного узла и разработки методики его рас-
Особенности испытуемых подшипников и условий проведения автономных испытаний Задачей проведения испытаний явилась проверка работоспособности различных модификаций шарикоподшипников типоразмера 206 в разных модельных средах при частотах вращения ротора от 50000 до 65000 об/мин. Испытания проводились в имитаторе, в конструкции которого предусмотрен узел создания осевой нагрузки. Осевое усилие при проведении испытаний создавалось эквивалентно усилию, действующему от радиальной и осевой нагрузок при работе подшипников в составе ТНА.
Испытания проводились в два этапа. В первом из них испытания проводились в газовой среде с подачей воздуха. Второй этап - испытание с подачей в полость подшипника воды.
Использование данных сред в качестве рабочего тела для охлаждения и смазки подшипника обусловлено испытанием на модельном режиме, имитирующем работу опоры ротора в составе ТНА. Наличие газа в качестве рабочего тела шарикоподшипника имеет место в водородных насосах ЖРД. Испытание на воде имитирует работу шарикоподшипника в среде маловязкой жидкости, что характерно для кислородных насосов ЖРД, где подшипник работает в среде жидкого кислорода. Быстроходность подшипников является наиболее характерными для агрегатов подачи топлива ЖРД. Основные параметры проведения испытаний приведены в таблице 1.
чета.
Таблица 1
_____________________________________________Параметры испытаний__________________________________________________
Наименование параметра Значение параметра
воздух вода
Частота вращения ротора, об/мин 50000-65000 50000-65000
Давление в полости подшипника, МПа 2 0,7
Расход через подшипник, кг/с 0,1 0,6
Т емпература рабочего тела, К 300 300
Осевая нагрузка, даН 8 о •I- 2 О 8 О •I- 2 О
Иванов Андрей Владимирович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, КБХА, гл. конструктор, тел. (473) 234-64-76, e-mail: rd-vgtu@mail.ru
Пупынин Андрей Владимирович - ВГТУ, аспирант, КБХА, инженер-конструктор, тел. (473) 234-64-76, e-mail: Deep3nergy@mail.ru
Испытаниям подвергались шарикоподшипни- Они имеют стальные кольца, керамические
ки стандартной геометрии с двух и трёхточечным тела вращения, цельноточечный сепаратор из мате-
контактом. Основные различия испытуемых под- риала на основе фторопласта. У каждой модифика-
шипников заключаются в материале, из которого ции рассматриваемых шарикоподшипников имеют-
изготавливаются наружные и внутренние кольца ся специфические особенности в конструкции се-
подшипников, их покрытие, а так же материал тел паратора. Характеристики испытуемых подшипни-
качения. Часть испытуемых подшипников являют- ков приведены в таблице 2.
ся «гибридными» с разрезным внутренним кольцом.
Таблица 2
Характеристики испытуемых подшипников
№ образца Наружное кольцо Внутреннее кольцо Тела качения Сепаратор
1 Цельное, материал -сталь 95Х18, покрытие дорожек качения -свинец Цельное, материал -сталь 95Х18, покрытие дорожек качения - свинец Стальные, материал - сталь 95Х18 Клёпаный, материал -фторопласт-4, усилительные шайбы - стальные
2 Цельное, материал -сталь 95Х18, покрытие дорожек качения - серебро Цельное, материал -сталь 95Х18, покрытие дорожек качения - серебро Стальные, материал - сталь 95Х18 Клёпаный, материал- фторопласт-4, усилительные шайбы - латунные
3 Цельное, материал -сталь 95Х18, покрытие дорожек качения -свинец Разрезное из двух полуколец, материал - сталь 95Х18, покрытие дорожек качения - свинец Стальные, материал - сталь 95Х18 Цельноточечный, материал - аропласт
4 Цельное, материал -сталь 8Х4В9Ф2-Ш Разрезное из двух полуколец, материал - сталь 8Х4В9Ф2-Ш Керамические, материал -нитрид кремния Клёпаный, материал -фторопласт-4, усилительные шайбы - латунные. Штатный сепаратор Цельноточечный, материал -сталь.
5 Цельное, материал -сталь 95Х18, покрытие дорожек качения -свинец Разрезное из двух полуколец, материал - сталь 95Х18, покрытие дорожек качения - свинец Керамические, материал -карбид кремния Цельноточечный, материал - аропласт
Краткий обзор и анализ сравнительных испытаний различных шарикоподшипников 206-го типоразмера Результаты испытаний на воздухе показали, что при работе шарикоподшипника в данной среде при заданных условиях наблюдается крайне малый ресурс. После дефектации было выявлено удовлетворительное состояние подшипника №1, который был испытан при частоте вращения ротора 50000 об/мин. Наблюдался незначительный износ сепаратора и усилительных шайб. Этот же подшипник при частоте вращения ротора 65000 об/мин заклинил. Имел место выплеск металла с беговых дорожек от перегрева. Подшипник №2 имел большой износ по радиальному зазору - более 1000 мкм. Была выявлена закономерность износа сепаратора в зависимости от повышения числа оборотов (таблица 3).
Износ поверхностей качения подшипников, определяемый увеличением внутренних зазоров, в течение короткого времени возрос в несколько раз относительно исходного. В практике эксплуатации серийных изделий известны случаи, когда измене-
ние размеров колец подшипника, разрушение сепаратора при работе, схватывание и другие дефекты, связанные с износом шарикоподшипников, создавали аварийные ситуации, угрожающие безопасности полетов. Для выявления зависимости изменения радиального зазора в подшипнике от времени наработки при наличии множества модификаций испытуемых образцов, как при испытаниях на воздухе, так и на воде, была изображена гистограммы (рис. 1). Каждой модификации соответствует время наработки, указанное в таблице 3.
На рисунке 1 очевидно отражена резкая интенсификация увеличения радиального зазора. После анализа испытаний, проведенных на воздухе, были проведены сравнительные испытания подшипников при охлаждении и смазке водой. Испытания, результаты которых приведены в таблице 4, имели в целом удовлетворительные показатели. Наблюдался износ по радиальному зазору, а так же были видны следы качения по наружному диаметру сепаратора только у подшипника №3. При осмотре остальных подшипников дефектов не наблюдалось.
Т аблица 3
Параметры и результаты испытаний шарикоподшипников в среде воздуха__________________
Параметр
№ образца Частота вращения ротора, об/мин Давление в полости подшипника, МПа Наработка на оборотах более 65000 об/мин, с Наработка на оборотах 65000 об/мин, с ч « ои п н в ат о зп ас з и м « а | н е ^ ё ч к ан иа нп Э я а рц а Радиальный зазор в подшипнике после испытания, мкм Осевой зазор в подшипниках до испытания -и мк пн км и, и ,я ши дн оа п ат в ы К & о ои з и ае з л ой со ов п и ^ о £ О «
1 50000 0,5 900 2 пуска - 23-24 23-30 165-170 155-160
1 65000 0,5 46 1 пуск 46 22-24 - 120-1245 -
2 50000- 65000 1,3 1306 1 пуск 106 24-26 Более 1000 мкм 150-160 -
1 65000 1,3 120 1 пуск 120 20-24 - 150-160 -
Из результатов испытаний всех типов подшипников для ТНА можно сделать вывод о том, что при охлаждении воздухом, подшипники не прошли испытания из-за неблагоприятных свойств рабочей среды. Максимальная наработка на воде подшипника со стальными телами качения составила до 1200 с при 6 пусках ввиду её большей вязкости и теплопроводности. При этом выработка по радиальному зазору после испытаний превысила допустимую.
На гистограмме каждой модификации подшипников соответствует время наработки, указанное в таблице 4. Из рисунка 2 видно, что наименьшему износу подверглись образцы подшипника №5. На гистограмме для них характерно наименьшее отношение радиального зазора после испытания к начальному радиальному зазору.
Как известно, процессы трения в зоне контакта твердых тел при их относительном перемещении существенно зависят от вида смазки - гидродинамической, смешанной или граничной. Область соответствующего режима смазки определяется по известной диаграмме Герси-Штрибека (рис. 3) [2], выражающей зависимость коэффициента f от безразмерного комплекса q.
q = п^/Р, (1)
где п - коэффициент динамической вязкости среды:
Пвозд. = 18-10"6,
Пвод. = 8,545-10-4;
V - скорость скольжения шариков.
Примем допущение, что скорость скольжения шариков равна скорости скольжения внутреннего кольца, тогда:
у = аокр = ■ п, (2)
Рис. 1. Зависимость изменения радиального зазора модификаций подшипников от времени наработки
После испытаний подшипников на воде, как и на воздухе, был проведен анализ изменения геометрических параметров подшипника. В частности, результаты изменения радиального зазора приведены на гистограмме (рис. 2). Наибольшему износу подверглись подшипники со стальными телами качения. Удовлетворительные результат показали подшипники с трехточечным контактом и керамическими телами качения. Для них характерна максимальная наработка, которая составила 1440 с при отсутствии явных дефектов.
Т аблица 4
Параметры и результаты испытаний шарикоподшипников на воде
Параметр
№ образца Частота вращения ротора, об/мин - п и ш д о п и а ст П о % п , о ,а п ак в ин е н и н е л в а « Наработка на оборотах более 65000 об/мин, с 0 0 0 5 6 х а т а ° о ,н ю й 21 ан /б на бо к т о б а ра Н Радиальный зазор в подшипнике до испытаний, мкм Радиальный зазор в подшипнике после испытания, мкм х а к и н пишд яин дн оа пт и и рс ои з ао з д й о в е с О Осевой зазор в подшипниках после испытания, мкм
2 65000 0,8 260 1 пуск 260 1пуск 26-28 28-34 170-180 180-185
5 65000 0,7- 0,87 160 2 пуска 160 2 пуска - - - -
5 65000 0,8 120 1 пуск 120 1 пуск 29-31 32-34 110-125 120-125
3 65000 0,7- 0,75 1240 6 пусков 220 1 пуск 36-40 68-78 195-200 240-270
5 60000 0,7 250 1 пуск 250 1 пуск - 46-48 - 240-250
5 60000 0,75 1440 4 пуска - 44-46 52-54 195-200 225-230
Рис. 2. Зависимость изменения радиального зазора модификаций подшипников от времени наработки
где ёвн = 0,035 м
Испытания проводились при различных частотах вращения ротора:
П = 5000 рад/с;
Пі = 5500 рад/с.
Следовательно: у1 = 175 м/с , у2 = 227,5 м/с. Нормальное давление в контакте шарика с внутренним кольцом определяется по формуле:
_ Га Гг
Р =------;----+ q-----------
(3)
Первое слагаемое определяет давление от осевой составляющей нагрузки, второе от радиальной.
В нашем случае при проведении эксперимента в имитаторе был предусмотрен узел создания осевой нагрузки. Чтобы учесть радиальную составляющую, осевая нагрузка была увеличена.
Отсюда следует то, что при расчете нормального давления в контакте, слагаемое, определяющее давление от радиальной нагрузки принимается равным нулю.
Формула примет вид:
P =
Fa
(4)
z • sin a
Выбираем среднюю величину осевой нагрузки из диапазона, приведенного в таблице 1:
Fa = 1000 Н;
число шариков в подшипнике 206-го типоразмера z = 9 шт.;
угол контакта шариков а = 18°.
Далее определяем P = 359,58 Н Все величины известны, можно произвести расчет комплекса q для разных частот вращения ротора при проведении испытаний в различных
средах: газовой (воздух) и жидкостной (вода):
,-6.
максимальную долговечность его функционирования.
qu
= 8,76-10
q2возд. = 1,14‘ 10 '
qu
= 4,15-10-4;
^2вод. = 5,41-10
По результатам проведенного расчета на диаграмме (рис. 3) видно, что при испытании на воде подшипники работали в режиме стабильной гидродинамической смазки. При работе в данной среде смазка и охлаждение подшипников обеспечивались должным образом, что подтвердилось результатами испытаний, показавшими удовлетворительное состояние испытуемых образцов.
При испытании на воздухе имело место вырождение гидродинамической смазки в смешанную, что вызвано снижением вязкости среды при заданных скорости скольжения и давлении в контакте. При этом резко падает смазочная способность прокачиваемого рабочего тела через подшипник. Таким образом, смазочная среда и ее физические свойства, характеризуемые вязкостью, а также смазывающей способностью в процессе функционирования шарикоподшипника при испытании на воздухе не обеспечила параметры охлаждения и смазки, необходимые для работы подшипников 206-го типоразмера в данных условиях.
Основным явлением, ограничивающим работоспособность подшипника при работе на воздухе, газообразном азоте, водороде, является выработка дорожек качения и интенсивный износ сепаратора с его дальнейшим разрушением. При охлаждении и смазывании подшипников рабочим телом должны обеспечиваться оптимальные параметры вещества, протекающего через подшипник. Это обеспечивает
- жидкостное трение \ - полужидкостное трение
[ВД1 - полусухое трение Ь - сухое трение
Рис. 3. Диаграмма Герси-Штрибека
Выявлена существенная зависимость ресурса подшипника от вида смазки. Подшипники, функционирующие при условии жидкостного трения показали удовлетворительное состояние после испытаний, проведенных при параметрах, характерных для ТНА ЖРД. Ресурс работы шарикоподшипников резко снижался, когда наблюдался режим полужидкостного трения.
Литература
1. Гахун Г.Г., Баулин В.И., Володин В. А. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей // Гахун Г.Г., Баулин В.И., Володин В.А. и др.; под общ. ред. Гахуна Г.Г. - М: Машиностроение. - 1989.
- С. 246-248.
2. Нарышкин В.Н. Некоторые вопросы работоспособности подшипников в протоке маловязких жидкостей // Подшипниковая промышленность. - 1971. - №2.
- С. 19-24.
3. Силаев Б.М. Трибология деталей машин в маловязких смазочных средах // Б.М. Силаев. - Самара: Самарский Государственный аэрокосмический университет. - 2010. - С. 264 с.
Воронежский государственный технический университет ОАО «Конструкторское бюро химавтоматики», г. Воронеж
COMPARATIVE ANALISIS OF THE HIGH-SPEED BALL BEARINGS FOR ROCKET ENGINE TURBOPUMP ROTORS MODEL TESTS RESULTS A.V. Ivanov, A.V. Pupynin
The paper presents an analysis of the 206-sizes ball bearings different versions comparative tests results with a ball bearing specific speed at mean diameter ~ 3-106 mm rpm for supports high-speed for liquid rocket engines (LRE) turbopump assembly (TPA) rotors
Key words: denacity, deterioration, test, pump, rotor, ball bearings
