CC BY
117
УДК 629.5.035-233.1-233.21:621.893
А. П. Перекрёстов, В. А. Чанчиков
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ИЗНАШИВАНИЯ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ СУДОВОГО ВАЛОПРОВОДА
Судовые валопроводы содержат трибосопряжения - опоры скольжения, являющиеся главным источником их отказа и выхода из строя. Контактное взаимодействие деталей в этих сопряжениях имеет место при различных видах трения скольжения. Износ как результат контактного взаимодействия трущихся тел приводит к необратимому изменению их размеров, что существенным образом сказывается на долговечности и надежности работы судового валопровода.
В связи с этим оценка интенсивности изнашивания пары трения «шейка вала - вкладыш подшипника» (рис.) является весьма актуальной задачей, поскольку износостойкость именно этих узлов трения определяет ресурс работы всей системы валопровода.
Продольный разрез опоры скольжения
В соответствии с [1], под износостойкостью подшипников скольжения понимается свойство антифрикционного подшипникового материала в трибологической системе оказывать сопротивление изнашиванию, оцениваемое показателем износостойкости - величиной, обратной скорости изнашивания или интенсивности изнашивания.
При планировании экспериментальных исследований по выбору смазки, материалов и оценке износостойкости пары трения «шейка вала - вкладыш подшипника» целесообразно составлять карты внешних первичных и вторичных условий трения этой фрикционной пары, которые позволяют дать комплексное представление о некоторых важных параметрах работы подшипников.
Оценка возможного развития событий во фрикционном контакте начинается с установления соответствия условий трения предварительно заложенным функциональным и техническим требованиям в заданных параметрах [2]. Этот этап обозначается как внешние первичные условия трения. Здесь наблюдается начальный, первичный акт взаимодействия и образования фрикционных связей или, что то же самое, - реакций связи. Это ещё статика.
Далее идет собственно процесс трения. Второй этап требует учёта заданных параметров движения. Его можно воспринимать как внешние вторичные условия трения. На следующем этапе - третьем - появляются новые физико-химические эффекты, являющиеся уже следствием трения и создающие свои внутренние первичные условия трения. На четвёртом этапе возникают
изменения на поверхностях и в подповерхностных слоях как следствие внутренних вторичных процессов, формирующих новые условия работы пары трения. И наконец, наступает пятый этап - этап нарушения фрикционных связей - предвестник повреждений или разрушения поверхностей трения с потерей масс материала. Последний акт процесса трения является результатом синергетического накопления дефектов и ряда серьезных изменений и превращений в материалах. Это износ материалов и завершающий этап на соответствующей стадии работы узла трения.
Важно проследить взаимосвязи между этапами и учесть их совокупное влияние на виды нарушений фрикционных связей и вид износа.
К внешним первичным условиям трения следует отнести такие параметры, как величина и место приложения активных сил (моментов сил), характер их действия (монотонный, ударный, периодический), совокупность исходных физико-механических и химических свойств материалов тел и смазочных слоев, покрытий, свойства окружающей среды (включая внешнее давление и температуру), форма (макрогеометрия), состояние поверхностей взаимодействия (качество, микрогеометрия, наличие загрязнений), особенности конструкции деталей или узла трения (тип сопряжения, его жёсткость).
Важнейшую роль играют условия контактирования поверхностей. На трение оказывают влияние время неподвижного контакта, удельное давление на контакте, деформации, размеры площадей контакта. В результате взаимодействия поверхностей трения и наличия поверхностной энергии возникают механические фрикционные связи (упругие деформации и внедрение микронеровностей) и образуются устойчивые атомно-молекулярные связи (адгезия). При этом в контактируемых телах возникает объёмное сложнонапряжённое состояние и идет формирование присоединённых масс пограничного слоя [3-5].
Внешние вторичные условия, которые оказывают существенное влияние на трение, характеризуются совокупностью факторов. Во-первых, это кинематика движений (виды трения по кинематике движений), собственно кинематические параметры движений. К ним следует отнести закон (уравнения) движения тела (механизма), наличие (отсутствие) реверсивности движения тела; необходимо также принять во внимание траекторию движения, путь трения, скорость и ускорение движения тела. Во-вторых, это характеристики, условия и параметры динамических воздействий. На механическое поведение системы оказывают влияние динамические факторы: законы изменения движущих сил в функции времени, наличие и характер колебаний, вибраций, удар, количество циклов нагружения, кинетическая энергия тела или системы тел, работа (мощность) трения, сопротивление движению (сила трения). Учитывается и фактор времени протекания процесса (время непрерывной работы, продолжительность процесса в режиме приработки узла трения и в эксплуатационном режиме).
К внутренним первичным условиям трения относятся те новые явления и факторы, которые возникают на фрикционном контакте и в самих телах под влиянием самого процесса трения и воздействия окружающей среды. Главное и существенное при этом состоит в нагреве тел, росте температуры трения и возникновении температурного градиента как в самих телах, так и в тонком поверхностном слое, приводящих к изменению физико-механических свойств материалов.
Для оценки интенсивности изнашивания пары трения «шейка вала - вкладыш подшипника» используются и другие научные подходы. Может применяться совместное решение базовых уравнений энергетической теории трения и изнашивания Г. Фляйшера [6] и молекулярномеханической теории изнашивания И. В. Крагельского [7].
В соответствии с [8], наилучшей детерминистской основой интенсивности изнашивания является мультипликативная зависимость от безразмерных обобщенных критериев системы. Применительно к подшипникам скольжения, смазочные жидкости которых могут содержать и определенное количество механических примесей, такая зависимость имеет вид
( \а1 ( 1* \°2 ( Е - ^3
I = а,
НВ1,2
И
1,2
V °0
(1 + аК )ь
1 +
НВ
\Ь2
а
НВ
1,2
/
1 + у
V
где р/НВ12 - безразмерный комплекс, характеризующий напряженное состояние в контакте (пр) (р - удельная нагрузка, МПа; НВ^2 - твердость рабочих поверхностей вала и подшипника, МПа); X /И - комплекс, определяющий механизм контактирования (псм) (при отсутствии меха-
ь
* / 2 2 ^/2
нических примесей в смазочной жидкости 1 + Ка2) , здесь Яа^ - среднее квадратичное
отклонение шероховатости поверхностей, мкм; при наличии механических примесей X* = ёа,
если ёа у (Я2 + Я2аг }'2,и 1 = (Я2 + < }/2 , если ёа р ^ )'^ '; здесь ёа - приведенный диа-
метр частиц, мкм; И - толщина смазочной пленки, мкм); £ 2 /О 12 - комплекс, учитывающий
пластичность и усталостную прочность материалов (л„) (£1,2 - модуль упругости I рода, МПа;
о0,1,2 - предел усталости материалов, МПа); 1 + аК - критерий концентрации механических примесей (пк) (а - коэффициент, учитывающий степень влияния концентрации частиц на износ; К - концентрация, кг абразива/кг жидкости); 1 + рНВа/НВ12 - критерий твердости примесей (пт) (в - коэффициент, учитывающий степень влияния коэффициента твердости частиц на износ; НВа - твердость механических примесей, МПа); 1 + уБёа^ - критерий формы частиц (пф) (у - коэффициент, учитывающий степень влияния геометрии частицы на износ сопряжения; у5Уа^ = Кф - коэффициент формы; Б, ёа, V - соответственно поверхность, приведенный диаметр и объем частиц); а0 - коэффициент, учитывающий физико-химические свойства контакта; а1, ь1 - показатели степени, определяемые на базе имеющейся информации об изнашивании материалов или при испытаниях аналогичных образцов.
Одним из способов повышения работоспособности пары трения «шейка вала - вкладыш подшипника» и управления процессами трения и изнашивания является применение специальных присадок-добавок в смазочные масла, генерирующие на поверхностях трения разнообразные смазочные плёнки, которые предохраняют от схватывания и заедания. Современные масла должны отвечать целому ряду требований, которые различаются в зависимости от условий применения. Для получения масел с высокими эксплуатационными показателями требуются в первую очередь подбор высококачественного сырья и усовершенствование технологии. Однако коренное решение проблемы немыслимо без применения добавок - это наиболее прогрессивный и экономически выгодный способ получения высококачественных масел. Во всех передовых промышленных странах с каждым годом все более растет интерес к научным достижениям в области применения различных добавок в смазочные материалы. В Англии очень серьёзное внимание обращают на существенное значение для национального машиностроения развития науки о трении, износе и смазке поверхностей, находящихся в относительном скольжении [9].
Добавки помогают образованию на поверхностях трения самовосстанавливающейся плёнки мягкого металла, которая обеспечивает низкий коэффициент трения. Это позволяет повысить в 2-3 раза долговечность узлов трения (реализовать эффект безызносности), снизить потери на трение на 30-200 %, уменьшить расход материалов в 2-3 раза и во столько же увеличить период между смазочными работами [10].
Для реализации вышеуказанных эффектов была разработана присадка в масло с находящимися в ней мицеллами на основе молекул твердой пластичной смазки оксида железа (Рез04) с окружающими ее молекулами олеиновой кислоты (С18Н34О2) [11], применение которой приводит к повышению смазочной способности масел.
Присадка представляет собой жидкость с добавленными в нее мицеллами, включающими в себя оксид железа и олеиновую кислоту. Молекулы олеиновой кислоты адсорбируются на поверхности магнетита в результате процесса хемосорбции. Оксид железа, входящий в мицеллу, характеризуется низким сопротивлением сдвигу и является пластической смазкой, уменьшающей коэффициент трения и интенсивность изнашивания поверхностей в местах их соприкосновения. Молекулы олеиновой кислоты, входящие в состав мицелл, предотвращают их слипание и обеспечивают возможность их нахождения в жидкости во взвешенном состоянии. Оксид железа Бе304 (магнетит) имеет следующие характеристики: молекулярная масса - 231,54; цвет -темно-красный; плотность - 5,11 г/см3. Олеиновая кислота СН3(СН2)7СН = СН(СН2)7СООН представляет собой бесцветную жидкость с температурой кипения 286 °С, плотностью 0,9 г/см3. Длина молекулы олеиновой кислоты 2 нм. Средняя величина мицеллы составляет 10 нм. Намагниченность насыщения порядка 10 кА/м. Присадка предназначена для работы в слабых магнитных полях £«1, где £ - функция Ланжевена £(£), с напряженностью магнитного поля 20-40 кА/м. Основа мицеллы представляет собой молекулы твердой пластичной смазки оксида
железа, а окружающие молекулы являются олеиновой кислотой с содержанием веществ в присадке, мас. %: Fe 3О4 - 0,00001, Ci8H3402 - 0,0001, дизельное топливо - до 100.
Для совершенствования присадок данного типа и создания новых были разработаны и запатентованы устройства [12-14], оценивающие смазочную способность углеводородных жидкостей с учетом влияния физических параметров магнитного поля на эффективность работы применяемых присадок: трибометры с постоянным магнитом и трибометр с переменным электромагнитным полем.
Выводы
1. Одним из наиболее удобных и перспективных способов оценки интенсивности изнашивания подшипников скольжения является составление уравнений мультипликативной зависимости от безразмерных переменных трибосистемы, позволяющей прогнозировать ресурс этого сопряжения.
2. Разработка максимально эффективной и экономически оптимальной смазочной среды является в настоящее время весьма актуальной задачей.
3. Наиболее современным и дешевым способом увеличения ресурса работы подшипников является замена смазывающей среды на магнитную смазку с противоизносной мицеллярной присадкой.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТИСО 4378-1-2001. Подшипники скольжения. Термины, определения и классификация. Часть 1. Конструкция, подшипниковые материалы и их свойства.
2. Гура Г. С. Карты условий трения в трибологии // Мир транспорта. - 2010. - № 2. - С. 34-43.
3. Гура Г. С. Метод испытания материалов на абразивное изнашивание при высоких скоростях скольжения с применением упруго-абразивного полотна // Трение и износ. - 1986. - Т. 7, № 4. - С. 35-42.
4. Гура Г. С. Несвободное движение с учетом деформируемости фрикционного контакта // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2001. - № 5. - С. 15-21.
5. Гура Г. С. Второй закон механики в современной постановке // Мир транспорта. - 2003. - № 2. -С. 24-33.
6. Fleischer G. Energetische methode der Bestimmung des Verschleihes // Schmierungstechnik. - 1973. - B. 4. -P. 9-12.
7. Расчет трения, износа и долговечности с позиций молекулярно-механической, усталостной и энергетической теорий / И. В. Крагельский, Г. Фляйшер, В. С. Комбалов, Х. Тум // Проблемы машиностроения и автоматизации. - 1986. - № 12. - С. 13-24.
8. Дроздов Ю. Н., Юдин Е. Г., Белов А. И. Прикладная трибология (трение, износ, смазка) / под. ред. Ю. Н. Дроздова. - М.: Эко-Пресс, 2010. - 604 с.
9. Пружанский Л. Ю. Истирающая способность обработанной поверхности. - М.: Наука, 1975. - 640 с.
10. Площадь фактического контакта сопряженных поверхностей / П. Е. Дьяченко, Н. Н. Толкачева, Г. А. Андреев, Т. М. Карпова. - М.: Изд-во АН СССР, 1963. - 95 с.
11. Пат. № 2276681 РФ, МПК C10L 1/18. Противоизносная присадка / Перекрестов А. П., Сычева А. А. № 2004132806/04; заявл. 10.11.2004; опубл. 20.05.2006, Бюл. № 14.
12. Пат. РФ № 72069, МПК G01N 3/56 (2006.01). Трибометр / Перекрестов А. П. № 2007140301; заявл. 30.10.2007; опубл. 27.03.2008, Бюл. 9.
13. Пат. № 70579 МПК G01N 3/56 (2006.01). Трибометр / Перекрестов А. П., Чанчиков В. А. -№ 2007130186; заявл. 06.08.2007; опубл. 27.01.2008, Бюл. № 3.
14. Пат. РФ № 2348025, МПК G01N 3/56 (2006/01). Устройство для определения эффективности проти-воизносных магнитных присадок / Перекрестов А. П., Чанчиков В. А. № 2007130137/28; заявл. 06.08.2007; опубл. 27.02.2009, Бюл. № 6.
Статья поступила в редакцию 28.01.2011
DETERIORATION PREDICTION OF SLIDER BEARINGS OF SHIP SHAFTING
A. P. Perekrestov, V. A. Chanchikov
Some ways to assess the wear of the friction pair "shaft neck - bearing liner" of sliding support of ship shafting are considered in the paper. These include drawing frictional maps of friction conditions coupling; solution of basic equations of energy and molecular-mechanical friction theories, and conclusion of the multiplicative dependence of wear intensity of the friction pair on dimensionless generalized system criteria. The application of metal- cladding antiwear additives is regarded as one of the most promising methods to reduce wear and tear of friction couplings, including the work of the propeller shaft of the vessel. The patented metal- cladding antiwear additive on the magnetic base is firstly added into the lubricant. Tribometers are special devices, which were developed and patented in order to improve the additives of this type and create some new ones.
Key words: shaft, slider bearing, wear resistance, operability, reliability, anti-wear additive.
