Экспериментальное исследование влияниярежимов эксплуатации на триботехнические характеристики быстроходных охлаждаемых металлополимерных подшипников скольжения Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.51, 621.89, 620.179

Н.А. Райковский, А.В. Третьяков

Омский государственный технический университет, г. Омск

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БЫСТРОХОДНЫХ ОХЛАЖДАЕМЫХ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ

Развитие новых химических производств, появление новых и усовершенствование старых технологических процессов, широкое внедрение механизации и автоматизации во многих отраслях народного хозяйства требует от машиностроителей создания и освоения новых типов компрессоров, в том числе компрессоров, работающих без смазки. Создание надежных и достаточно долговечных конструкций безмасляных трибосопряжений является основной проблемой при разработке компрессоров без смазки [1]. Специфика работы компрессорных машин, в частности высокоскоростных турбоагрегатов, требует проведения специальных исследований по определению влияния режимов эксплуатации на функциональные характеристики трибосопряжения, по определению интенсивности охлаждения и конструктивного совершенствования сопряжений для достижения приемлемых для работоспособности температур и т.д. Однако, как правило, имеющиеся в литературе результаты исследований триботехнических характеристик принадлежат сравнительно малым скоростям скольжения, не превышающим 5 м/с. Для быстроходных несмазываемых металлополимерных подшипников скольжения, например малорасходных турбоагрегатов, такие данные отсутствуют. Учитывая, постоянное расширение области допустимых режимов эксплуатации таких узлов трения, в том числе за счет создания новых материалов и интенсивного рассеивания генерируемой мощности тепловыделений, актуальными вопросами являются исследование характера и уровня влияния режимных факторов на триботехнические характеристики для быстроходных подшипников таких агрегатов, а также накопление информации о влиянии режимов эксплуатации подшипника на его триботехнические характеристики в виде эмпирических уравнений для различных самосмазывающихся материалов, которые можно использовать в инженерных расчетах при проектировании несмазываемых узлов трения и агрегатов на их основе.

В работах [2, 3] представлены методика экспериментального исследования, стенд для ее реализации, а также проверена адекватность, полученных результатов исследования.

В результате экспериментальных исследований были определены значения коэффициента трения (например, рис. 1а, 2а) и скорости изнашивания (например, рис. 1б, 2б) металло-

94

полимерных трибосопряжений (Сталь 45 - Ф4К20, Сталь 45 - Ф4РМ, Сталь 45 - 7В-2А) при различных контактном давлении (Рк) и температуре в зоне трения (Ттр) для скорости скольжения, равной 10,5 м/с. Границы экспериментальных исследований следующие: Ттр=310 -420 К, Рк=0,17 - 1 МПа.

I, мг/час 6

1

5

^ 5 Ф _

-А

5 5

5 • • ▲ - А 3

5 • , - 1

• ▲ А 3 ■ - Ш 2

■ 1 ■ 2 ■ 2 ж

■ 2 " ! ♦ ♦

♦ 9

>0 3 20 24 б 0 Ттр, К 3( >0 3£ 0

а

Рис. 1. Результаты экспериментального исследования зависимости коэффициента трения (а) и скорости изнашивания (б) от температуры в зоне трения для пары трения 7В-2А - Сталь 45: 1 - Рк=0,17 МПа; 2 - Рк=0,26 МПа; 3 - Рк=0,33 МПа; 4 - Рк=0,392 МПа; 5 - Рк=0,44 МПа

+

2Ш

▲ 1

« І

5 А 1

• ♦

±

зА м 1

А -ш

5 зА

4 г

1 0 2 0 Рк,? 3 Ша 0 4 0

а б

Рис. 2. Результаты экспериментального исследования зависимости коэффициента трения (а) и скорости изнашивания (б) от контактного давления для пары трения 7В-2А - Сталь 45: 1 -Ттр=310 К; 2 - Ттр=320 К; 3 - Ттр=340 К; 4 - Ттр=360 К; 5 - Ттр=380 К

Полученные экспериментальные данные указывают на существенное влияние как контактного давления, так и температуры в зоне трения на триботехнические характеристики исследуемых сопряжений в диапазоне параметров экспериментальных исследований. При этом для материалов Ф4К20 и 7В-2А с ростом температуры в зоне трения и нормального контактного давления наблюдается снижение коэффициента трения и существенное возрастание скорости изнашивания. Для материала Ф4РМ влияние температуры трения на скорость изнашивания менее существенно. Сравнительный анализ указывает на тот факт, что наиболее низкими значениями коэффициента трения обладает трибосопряжение, подшипник, которого выполнен из материала 7В-2А (в диапазоне исследования равен: 0,285 - 0,075), а наиболее высокими - из Ф4К20 (в диапазоне исследования равен: 0,387 - 0,26). Причем большие значения соответствуют нижнему диапазону исследований (Рк, Ттр - минимальные) и меньшие - верхнему. В исследуемом диапазоне наименьшая скорость изнашивания соответствует полимерному материалу Ф4РМ.

95

Экспериментальные исследования для каждого материала проводились на пяти уров-

нях контактного давления, на каждом уровне которого исследовались не мене пяти значении температур в зоне трения в диапазоне исследования. Результатом таких исследовании была выборка (не менее 25) значении для коэффициента трения и скорости изнашивания в исследуемом диапазоне режимов эксплуатации подшипника, величина каждого из которых соответствует определенным значениям Рк и Ттр, которые для каждого отдельного эксперимента фиксированы. Затем для каждого материала получены эмпирические зависимости для определения коэффициента трения и скорости изнашивания, общий вид которых (уравнения 1, 2) и соответствующие коэффициенты (табл. 1) представлены ниже. Средняя ошибка аппроксимации экспериментальных данных для всех эмпирических уравнениями вида /тр= /Рк, Ттр) не превышает 6,8%, для 1= и(Рк, Ттр) - 4,8%.

/

^ тр

= а0 + а1 ■ Рк + а2 ■ Ттр + аз • Ттр ' Рк + а4 ' Ттр + а5 ' Рк (1)

0 1 к 2 тр 3 тр к 4 к

1 = ь + Ь ■ Р + Ь ■ Т + Ь ■Т ■ Р + Ь ■ Р2,

(2)

где I - скорость изнашивания, мг/час; /тр - коэффициент трения; Рк - нормальное контактное давление, МПа; Ттр - температура в зоне трения, К; аг-, Ьг- - коэффициенты регрессии.

Коэффициенты регрессии аг-, Ьг- имеют размерность равную отношению размерностей

соответствующего отклика ( /тр , I ) к соответствующему фактору ( Рк , Ттр и т.д.), что обеспечивает безразмерную величину коэффициента трения и, соответственно, размерность [мг/час ] для скорости изнашивания.

Коэффициенты регрессии Таблица 1

2

2

Диапазон применения а0 а1 а2 а3 а4 а5

Ф4К20

Ттр=323 - 423 К; Рк=0,17 - 1 МПа -1,07819 0,4677 7,5710"3 -1,0210-3 -110-5 -0,179

Ф4РМ

Ттр=323 - 403 К; Рк=0,17 - 0,447 МПа -1,00276 -0,71667 8,4510-3 2,0810-3 -1,3410-5 0

7В-2А

Ттр=313 - 383 К; Рк=0,17 - 0,33 МПа 0,744 -0,716 -0,001 0 0 0

Ттр=313 - 383 К; Рк=0,33 - 0,447 МПа 2,2 -0,475 -10,1710"3 0 1,3510-5 0

Продолжение таблицы 1

Диапазон применения Ьо Ьі Ь2 Ьз Ь4 -

Ф4К20

Ттр=323 - 423 К; Рк=0,17 - 0,33 МПа 35,6528 -228,5805 -0,1125 0,7396 0 “

Ттр=323 - 423 К; Рк=0,33 - 0,61 МПа 1,609 -134,513 0 0,425 0

Ттр=323 - 423 К; Рк=0,61 - 0,81 МПа -79,334 0 0,154 0,168 0 -

Ттр=323 - 423 К; Рк=0,81 - 1 МПа 20,92 -113,42 0 0,33 0 -

Ф4РМ

Ттр=323 - 403 К; Рк=0,17-0,447 МПа 1,19406 0 0 0 2,487048 -

7В-2А

Ттр=313 - 383 К; Рк=0,17 - 0,447 МПа 3,0691 -55,5098 -0,0129 0,2198 0

Таким образом, в результате экспериментальных исследований для быстроходного охлаждаемого полимерного подшипника скольжения, выполненного из материалов Ф4К20, Ф4РМ и 7В-2А установлено влияние режимов эксплуатации на триботехнические характеристики, а также получены эмпирические уравнения для определения коэффициента трения и скорости изнашивания от нормального контактного давления и температуры в зоне трения при скорости относительного скольжения 10,5 м/с. Полученные результаты можно использовать при проектировании несмазываемых трибосопряжений малорасходных турбоагрегатов.

Библиографический список

1. Новиков, И. И. Компрессоры без смазки: обзор конструкций и исследовательских работ / И. И. Новиков. - М. : ЦИНТИМАШ, 1962. - 47 с.

2. Вибронадежность и герметичность центробежных машин : монография (коллективная) / под ред. В. А. Марцинковского, А. В. Загорулько. - Сумы : СумГУ, 2011. - 351 с. (Исследование теплового состояния и трибологических характеристик полимерных охлаждаемых опор —сухого|| трения / В. Л. Юша, Н. А. Райковский. - С. 306 - 314).

3. Юша, В. Л. Методика экспериментального исследования теплового состояния и фрикционно - износных характеристик самосмазывающегося быстроходного подшипника скольжения / В. Л. Юша, Н. А. Райковский, В. Л. Третьяков // Труды XV Междунар. науч. -техн. конф. по компрессорной технике. - Казань, 2011. - Т. 2. - С. 132 - 138.