CC BY
37
КОРАБЛЕСТРОЕНИЕ. Проектирование, конструкция судов и технология судостроения
DOI.org/10.5281/zenodo.1196694 УДК 621.822.175
О.С. Портнова, М.В. Грибиниченко, Р.Г. Чижиков, А.В. Куренский
ПОРТНОВА ОЛЕСЯ СЕРГЕЕВНА - аспирант, e-mail: olesya.portnova@mail.ru ГРИБИНИЧЕНКО МАТВЕЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ - к.т.н., доцент, заведующий кафедрой, e-mail: gribinichenko.mv@dvfu.ru
ЧИЖИКОВ РОМАН ГЕННАДЬЕВИЧ - аспирант, e-mail: chizhikov@bk.ru КУРЕНСКИЙ АЛЕКСЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ - к.т.н., доцент, e-mail: alex33_99@mail.ru Кафедра судовой энергетики и автоматики Инженерной школы, e-mail: tre-festu@mail.ru Дальневосточный федеральный университет Суханова ул., 8, Владивосток, 690091
Апробация технологий нанесения защитных покрытий для газовых опор с помощью экспериментальной установки
Аннотация: Статья посвящена проблеме повышения работоспособности и долговечности газовых подшипников судовых турбомашин. Представлена авторская экспериментальная установка по изучению защитных покрытий рабочих поверхностей газовых подшипников, работающих в режиме сухого трения. При запуске машины до образования газового слоя подшипник работает в сложном режиме сухого трения, который приводит к искажению геометрических характеристик. Для решения этой проблемы необходимо применение защитных покрытий и материалов, обладающих определенными характеристиками. Приведено обоснование выбора защитных покрытий, материалов и перспективных технологий модификации поверхности с помощью плазменного электролитического оксидирования и лазерного напыления. На основе анализа методов исследования антифрикционных материалов и покрытий выбран имитационный метод. Приведены конструктивные и режимные особенности установки, описаны получаемые с ее помощью основные характеристики и зависимости изменения момента трения и частоты вращения от времени при постоянной нагрузке.
Ключевые слова: антифрикционное покрытие, газовая смазка, коэффициент трения, осевой подшипник, трибологическая характеристика, трибологическая экспериментальная установка.
Введение
Подшипники турбомашин - одни из наименее надежных узлов элементов, выход которых из строя приводит, как правило, к отказам всей энергоустановки.
Подшипники качения или масляные подшипники скольжения при всех своих положительных качествах не обеспечивают надежность работы механизмов на высоких частотах вращения их роторов, а необходимость использования в них смазочных материалов усложняет конструкцию и загрязняет рабочее тело турбомашины (например, в холодильных машинах это недопустимо), повышает пожароопасность установки и загрязняет окружающую среду.
Перечисленные недостатки можно исключить, применяя опоры с газовой смазкой. Такие опоры практически не ограничивают частоты вращения валов, работают с весьма малыми потерями и ничтожным нагревом, сохраняют точность положения вала благодаря высокой окружной скорости цапф и формы смазочного зазора. При этом устраняется масляная система,
© Портнова О.С., Грибиниченко М.В., Чижиков Р.Г., Куренский А.В., 2018 О статье: поступила: 05.02.2018; финансирование: бюджет ДВФУ.
снижается пожароопасность и возможность загрязнения окружающей среды. Подшипники с газовой смазкой позволяют многократно уменьшить потери на трение, так как вязкость газов примерно в тысячу раз меньше вязкости масел.
Благодаря сжимаемости газа колебания, генерируемые ротором, гасятся и передаются на опоры и корпус машины ослабленными, вследствие чего уменьшается ее виброактивность и значительно снижается виброшумовое воздействие техники на окружающую среду и человека. Поэтому санитарно-гигиенические характеристики роторных машин с газовыми опорами существенно лучше оборудования с традиционными подшипниками.
Однако узлы трения с газовой смазкой имеют существенный недостаток, ограничивающий область их применения: износ рабочих поверхностей - следствие «сухого» трения, которое возникает при запуске или остановке машины, а также при случайных касаниях поверхностей узла трения во время работы.
Для устранения этого недостатка нам необходимо с помощью экспериментальной установки апробировать технологию нанесения защитных покрытий и подобрать материалы антифрикционных покрытий для рабочих поверхностей, свойства которых будут определять эффективность и надежность работы турбомашины в целом, что и составляет цель данной работы.
Материалы и методики
Исследования износостойких покрытий для газовых подшипников проводятся в основном за рубежом [10, 11, 16, 17, 19], специалистами таких организаций, как, например, Национальное управление по воздухоплаванию и исследованию космического пространства (NASA, США) [11, 19], Северо-Восточный университет (г. Бостон) [14], компания Mohawk Innovative Technology [14, 15, 17], Аргоннская национальная лаборатория [1, 3, 16, 18], Научно-исследовательская лаборатория армии США [11, 19] и Ренсселерский политехнический институт.
В нашей стране исследованиями в области защитных покрытий газовых подшипников широко занимались в 1960-1970-х годах, ученые Государственного научно-исследовательского института машиноведения [6, 9].
Различные условия работы узлов трения обусловили создание множества различных технологий защитных покрытий для подшипников с газовой смазкой [3, 5, 10-12, 14, 17-19].
К таким условиям относятся температурные режимы, скорость относительного движения рабочих поверхностей и нагруженность опоры, тип рабочей поверхности газовой опоры, на которую наносится покрытие (т.е. жесткие или податливые).
Кроме традиционных технологий, используемых для газовых подшипников, рассматривались и применяемые для нанесения защитных покрытий на рабочие поверхности трибопар. Например, метод создания композиционных покрытий посредством плазменного электролитического оксидирования, разработанный в Институте химии ДВО РАН [5, 7, 12, 13] (здесь в качестве материала основы используются вентильные металлы - титан, алюминий), а также метод лазерной наплавки, разработанный в Центре лазерных технологий Института автоматики и процессов управления ДВО РАН [1, 3, 11, 18, 19] (материал основы - углеродистые стали).
Именно эти методы были применены для формирования защитных покрытий для рабочих поверхностей газовых подшипников. В качестве исследуемых материалов мы выбрали графит, пропитанный баббитом, руководствуясь опытом его использования [6, 9].
Методы исследований защитных покрытий газовых подшипников можно условно разделить на три группы.
Первая - лабораторные эксперименты, проводимые на установках, которые измеряют какую-либо одну характеристику [17]: испытания на адгезионную прочность, определение шероховатости поверхности, исследование коэффициента трения.
Вторая - эксперименты, проводимые на установках, имитирующих работу узлов трения [8, 14, 17, 19]. Это дает более полное понимание процесса трения исследуемой пары, поскольку в таких установках моделируется процессы, происходящие при взаимодействии рабочих поверхностей реальных опор в условиях, близких к эксплуатационным.
Третья группа - натурные испытания на реальных машинах [2, 10, 15]. Это завершающий этап исследований, направленный на создание того или иного типа газовых опор.
В данной работе выбран имитационный метод, соответственно, исследования проводятся на экспериментальной установке, имитирующей работу осевого газового подшипника в условиях сухого трения (рис. 1). Конструктивно установка представляет собой вертикальный вал 5 с закрепленным на нем подпятником 4. В нижней части установки расположен электродвигатель 1, на валу 2 которого закреплена пята 3. Изменение нагрузки осуществляется путем приращения массы 8, закрепленной в верхней части вала подпятника.
Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки:
1 - электродвигатель, 2 - вал двигателя, 3 - пята, 4 - подпятник, 5 - направляющий вал, 6 - рычаг, 7 - тензометрический датчик, 8 - груз, 9 - анализатор.
Здесь и далее - иллюстрации авторов.
Мы исследовали пару трения, состоящую из вращающейся пяты 3 и неподвижного подпятника 4. В ходе эксперимента измеряется момент трения, возникающий при контакте пяты и подпятника, при различных режимных и конструктивных параметрах.
К режимным параметрам относятся относительная скорость рабочих поверхностей и нагрузка на опоры. К конструктивным - характеристики антифрикционных покрытий и геометрические параметры (наружный и внутренний диаметры подпятника).
При контакте вращающейся пяты с подпятником последний стремится повернуть вал 5 с рычагом 6. Поворачиваясь вокруг оси, рычаг воздействует свободным концом на тензометрический датчик 7, фиксирующий создаваемое усилие.
Сигнал с тензометра поступает на аналого-цифровой преобразователь и далее в анализатор 9, в котором происходит обработка полученных результатов. Измерительная аппаратура с помощью оптического датчика фиксирует начало вращения пяты, т.е. переход от трения покоя к трению скольжения (рисунки 2, 3).
Рис. 2. Экспериментальная установка по исследованию работы покрытий
в режиме «сухого» трения.
Рис. 3. Зависимость изменения момента трения от частоты вращения
при постоянной нагрузке.
Результаты и обсуждение
При изучении пары трения хромированная сталь (Ст45, Хр15тв.) и бронза (О5Ц5С5) на стадии наладки и калибровки установки были получены зависимости изменения момента трения от частоты вращения при постоянной нагрузке (рис. 3).
Разброс значений момента трения обусловлен высоким уровнем вибраций. Такие колебания являются следствием неточности механической обработки деталей и необходимостью притирки образцов к пяте, а также более точным позиционированием поверхностей пяты и подпятника. На данном этапе мы получили зависимости момента трения от различных режимных и конструктивных параметров.
В настоящее время производятся измерения крутящего момента, воспринимаемого тензометром, необходимого для страгивания пяты относительно подпятника (так называемый момент трогания), а также скорости вращения двигателя.
На стадии наладки эти недостатки устранены, и дальнейшие опыты, по нашему мнению, позволят получить более достоверные данные процессов сухого трения в экспериментальных образцах.
В дальнейшем, при многократном проведении эксперимента мы получим зависимость момента трогания от количества запусков. Такая зависимость, по нашему мнению, будет характеризовать износостойкость исследуемого антифрикционного покрытия на одном из наиболее сложных режимов работы узлов трения.
Заключение
Итак, мы определили наиболее перспективные технологии нанесения и выбор материалов покрытия рабочих поверхностей подшипников с газовой смазкой. Выбран метод исследования защитных покрытий и материалов. Разработана и изготовлена экспериментальная установка.
Получены первые экспериментальные данные: зависимость изменения момента трения в исследуемой паре (бронза и хромированная сталь) от частоты вращения при постоянной нагрузке. Результаты данной работы могут повысить износостойкость и надежность узлов трения турбо-машин.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Андреев А.В., Коротаев А.Д., Литовченко И.Ю., Тюменцев А.Н., Борисов Д.П. Микроструктура и трибологические свойства нанокомпозитных покрытий на основе аморфного углерода // Физическая мезомеханика. 2015. Т. 18, вып. 1. С. 73-83.
2. Бесчастных В.Н., Равикович Ю.А. Газовый подшипник тяжелого ротора газотурбинных двигателей. Опыт разработки и перспективы внедрения // Вестник МАИ. 2010. Т. 17, № 3. С. 91-98.
3. Браун Э.Д., Буяновский И.А., Воронин Н.А. и др. Современная трибология: итоги и перспективы / отв. ред. К.В. Фролов. М.: Изд-во ЛКИ, 2008. 480 с.
4. Васильев М.В. Фрикционное взаимодействие тел c твёрдосмазочными покрытиями в упругопла-стической области: дис. ... канд. техн. наук. Тверь, 2013. URL: http://www.tstu.tver.ru (дата обращения: 18.01.2018).
5. Гнеденков С.В., Синебрюхов С.Л., Машталяр Д.В., Егоркин В.С., Цветников А.К., Минаев А.Н. Композиционные полимерсодержащие защитные слои на титане // Коррозия: материалы, защита. 2007. № 7. С. 37-42.
6. Пинегин С.В. Материалы опор с газовой смазкой. М., 1972. 181 с.
7. Руднев В.С., Яровая Т.П., Егоркин В.С., Синебрюхов С.Л., Гнеденков С.В. Свойства покрытий, сформированных на титане плазменно-электролитическим оксидированием в фос-фатно-боратном электролите // ЖПХ. 2010. Т. 83, вып. 4. С. 611-617.
8. Флек Б.М. Повышение трибологических характеристик подшипников скольжения сухого трения с тонкостенными двухслойными втулками: дис. .канд. техн. наук. Р. н/Д, 2006. URL: http://www.rgups.ru. (дата обращения: 10.01.2018).
9. Фролов К.В. Современная трибология: Итоги и перспективы. М.: Изд-во ЛКИ, 2008. 480 с.
10. Ajayi O., Woodford J., Ali Erdemir, Fenske G. Performance of Amorphous Carbon Coating in Turbocom-pressor Air Bearings, Energy Technology Division, Argonne National Laboratory, 2001. URL: http://www.ipd.anl.gov/anlpubs/2001/12/41387.pdf - 12.01.2018.
11. DellaCorte C., Malcolm K., Thomas F., Brian J. The Effect of Composition on the Surface Finish of PS400: A New High Temperature Solid Lubricant Coating: Prepared for the 65th Annual Meeting and Exhibition sponsored by the Society of Tribologists and Lubrication Engineers. Las Vegas, Nevada, May 16-20, 2010,18 p.
12. Gnedenkov S.V., Sinebryukhov S.L., Mashtalyar D.V, Nadaraia K.V., Kiryukhin D.P., Buznik V.M., Kichigina G.A., Kushch P.P. Composite coatings formed using telomeric tetrafluoroethylene solutions through plasma electrolytic oxidation. Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2015(60); 8:975-986.
13. Gnedenkov S.V., Sinebryukhov S.L., Mashtalyar D.V., Tsvetnikov A.K., Minaev A.N. Effect of Conditions of Treatment with Ultrafine Polytetrafluoroethylene on Properties of Composite Coatings. Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces. 2010(46); 7:823-827.
14. Heshmat H., Hryniewicz P., Walton J., DellaCorte C. Low-friction wear-resistant coatings for high-temperature foil bearings. Tribology International. 2006(38); 11—12:1059—1075.
15. Heshmat H., Jahanmir S., Walton J. Coatings for High Temperature Foil Bearings. ASME Paper GT2007-27975. Proceedings of the ASME Turbo Expo. Power for Land, Sea & Air. Montreal, Canada, May 2007, vol. 5, p. 971-976.
16. Jacob S. Application of Tribology in Foil Bearing Technology: Northeastern Univ., Dept. of Mechanical and Industrial Engineering. ME5656 - Mechanics of Contact and Lubrication, 2011.
URL: http://www1.coe.neu.edu/~smuftu/docs/2011/ME5656_Term_Project_Foil_Bearing_Technology.pdf - 10.01.2018.
17. Jahanmir S., Heshmat H., Heshmat C. Assessment of Tribological Coatings for Foil Bearing. Mohawk Innovative Technology Inc - Tribology Transactions. 2009. URL: http://www1.coe.-neu.edu/~smuftu/docs/2011/ME5656_Term_Project_Foil_Bearing_Technology.pdf - 16.01.2018.
18. Jahanmir S., Heshmat H., Heshmat C., Eryilmaz O., Erdemir A. Evaluation of DLC Coatings for Foil Bearing Applications. Proceedings of International Joint Tribology Conference, San Diego, CA, Paper No. IJTC20076-44035, ASME, New York, 2007, p. 5-7.
19. Radil K., DellaCorte C. The Performance of PS400 Subjected to Sliding Contact at Temperatures from 260 to 927 °C. Tribology Transactions. 2017(60);6:957-964.
THIS ARTICLE IN ENGLISH SEE NEXT PAGE
Ship Design, Construction of Vessels, and Shipbuilding Technology
D0l.org/10.5281/zenodo.1196694
Portnova O., Gribinichenko M., Chizhikov R., Kurenskiy A.
OLESYA PORTNOVA, Postgraduate, e-mail: olesya.portnova@mail.ru;
MATVEI GRIBINICHENKO, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor,
Head of Department, e-mail: gribinichenko.mv@dvfu.ru;
ROMAN CHIZHIKOV, Graduate Student, chizhikov@bk.ru;
ALEXEY KURENSKIY, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor
Department of the Ship's Power and Automation Department, School of Engineering
Far Eastern Federal University
8 Sukhanova St., Vladivostok, Russia, 690091
Testing of techniques for applying protective coatings on gas bearings of turbomachines with the help of an experimental plant
Abstract: The article deals with improving the efficiency and increasing the service life of gas bearings of ship turbomachines. It presents the results of the authors' work which is an experimental plant for studying the protective coatings of the working surfaces of gas bearings operating in dry friction mode. When the machine starts up before the formation of the gas layer, the bearing operates in the dry friction regime, which results in distorting the geometric characteristics. To address this problem, it is necessary to use protective coatings and materials having certain characteristics. The article outlines the reasoning of the choice of protective coatings, materials and promising technologies of surface modification with the help of plasma electrolytic oxidation and laser-assisted deposition. Basing on the method of examining antfric-tional materials and coatings, there has been chosen the simulation method. The article contains design characteristics and operational features of the plant as well as basic characteristics and dependences of changes of the friction torque and rotation frequency on time under the invariable loading. Key words: antifriction coating, gas-film lubrication, frictional coefficient, thrust bearing, tribological properties, friction torque, tribological experimental setup.
REFERENCES
1. Andreev A.V., Korotaev A.D., Litovchenko I.Yu., Tyumentsev A.N., Borisov D.P. Microstructure and Tribological Properties of Nanocomposite Coatings Based on Amorphous Carbon. Physical mesomechan-ics. 2015;18(1):78-83.
2. Beschastnykh V.N., Ravikovich Yu.A. Gas bearing of heavy rotor of gas turbine engines. Experience of development and prospects of implementation. Vestnik MAI. 2010;17(3): 91-98.
3. Brown E.D., Buyanovsky I.A., Voronin N.A. et al. Modern Tribology: Results and Perspectives. Ans. Ed. K.W. Frolov. M., Publishing house LCI, 2008, 480 p.
4. Vasiliev M.V. Frictional interaction of solids with solid lubricating coatings in the elastoplastic region: dis. ... Cand. Tech. Sciences. Tver, 2013. URL: http://www.tstu.tver.ru. - January 18, 2018.
5. Gnedenkov S.V., Sinebryukhov S.L., Mashtalyar D.V., Egorkin V.S., Tsvetnikov A.K., Minaev A.N. Composite polymer-containing protective layers on titanium. Corrosion: materials, protection. 2007; 7:37-42.
6. Pinegin S.V. Materials of supports with gas smear. M., 1972, 181 p.
7. Rudnev V.S., Yarovaya T.P., Egorkin V.S., Sinebryukhov S.L., Gnedenkov S.V. Properties of coatings formed on titanium by plasma-electrolytic oxidation in a phosphate-borate electrolyte. J. of Applied Chemistry. 2010(83);4:611-617.
8. Fleck B.M. Increasing the tribological characteristics of dry friction bearings with thin-walled bilayer sleeves: dis. ... Cand. Tech. Sciences. Rostov-on-Don, 2006. URL: http://www.rgups.ru. - January 10, 2018.
9. Frolov K.V. Modern tribology: Results and prospects. M., Publishing house LCI, 2008, 480 p.
10. Ajayi O., Woodford J., Ali Erdemir, Fenske G. Performance of Amorphous Carbon Coating in Turbocom-pressor Air Bearings, Energy Technology Division, Argonne National Laboratory, 2001. URL: http://www.ipd.anl.gov/anlpubs/2001/12/41387.pdf - 12.01.2018.
11. DellaCorte C., Malcolm K., Thomas F., Brian J. The Effect of Composition on the Surface Finish of PS400: A New High Temperature Solid Lubricant Coating, 65th Annual Meeting and Exhibition sponsored by the Society of Tribologists and Lubrication Engineers. Las Vegas, Nevada, May 16-20, 2010, 18 p.
12. Gnedenkov S.V., Sinebryukhov S.L., Mashtalyar D.V, Nadaraia K.V., Kiryukhin D.P., Buznik V.M., Kichigina G.A., Kushch P.P. Composite coatings formed using telomeric tetrafluoroethylene solutions through plasma electrolytic oxidation. Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2015(60);8:975-986.
13. Gnedenkov S.V., Sinebryukhov S.L., Mashtalyar D.V., Tsvetnikov A.K., Minaev A.N. Effect of Conditions of Treatment with Ultrafine Polytetrafluoroethylene on Properties of Composite Coatings. Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces. 2010(46);7:823-827.
14. Heshmat H., Hryniewicz P., Walton J., DellaCorte C. Low-friction wear-resistant coatings for high-temperature foil bearings. Tribology International. 2006(38);11-12:1059-1075.
15. Heshmat H., Jahanmir S., Walton J. Coatings for High Temperature Foil Bearings. ASME Paper GT2007-27975. Proceedings of the ASME Turbo Expo. Power for Land, Sea & Air. Montreal, Canada, May 2007, vol. 5, p. 971-976.
16. Jacob S. Application of Tribology in Foil Bearing Technology: Northeastern Univ., Dept. of Mechanical and Industrial Engineering. ME5656 - Mechanics of Contact and Lubrication, 2011. URL: http://www1.coe.neu.edu/~smuftu/docs/2011/ME5656_Term_Project_Foil_Bearing_Technology.pdf -10.01.2018.
17. Jahanmir S., Heshmat H., Heshmat C. Assessment of Tribological Coatings for Foil Bearing. Mohawk Innovative Technology Inc - Tribology Transactions. 2009. URL: http://www1.coe.neu. edu/~smu-ftu/docs/2011/ME5656_Term_Project_Foil_Bearing_Technology.pdf - 16.01.2018.
18. Jahanmir S., Heshmat H., Heshmat C., Eryilmaz O., Erdemir A. Evaluation of DLC Coatings for Foil Bearing Applications. Proceedings of International Joint Tribology Conference, San Diego, CA, Paper N. IJTC20076-44035, ASME, New York, 2007, p. 5-7.
19. Radil K., DellaCorte C. The Performance of PS400 Subjected to Sliding Contact at Temperatures from 260 to 927 °C. Tribology Transactions. 2017(60);6:957-964.
