Пути совершенствования конструкций быстроходных металлополимерных подшипников скольжениядля обеспечения их работоспособности Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.51, 621.89, 620.179

Н.А. Райковский, Э.А. Тушаев, В.С. Фортуна

Омский государственный технический университет, г. Омск

ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ БЫСТРОХОДНЫХ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИХ РАБОТОСПОСОБНОСТИ

Результаты современных трибологических исследований, связанных с разработкой не-смазываемых подшипников, отражают существенные достижения в этом направлении, преимущественно в области создания современных антифрикционных конструкционных материалов, как правило, композиционных. При этом отмечается, что температура трущихся поверхностей является одним из основных факторов, определяющих работоспособность и долговечность несмазываемого узла трения [1, 2 и др.]. Это обусловлено существенным влиянием теплового состояния на механические, теплофизические, триботехнические свойства полимерных материалов в сравнительно узком интервале температур, а также трудностью отвода теплоты из зоны трения, что обусловлено низкими значениями коэффициента теплопроводности таких материалов. Эта проблема особенно актуальна для изделий, узлы трения которых работают в условиях повышенных скоростей скольжения и непрерывной работы, в том числе для компрессорных и расширительных турбоагрегатов. Одним из методов обеспечения работоспособности в таких условиях является интенсификация рассеивания генерируемой мощности тепловыделений, в том числе за счет совершенствования конструктивных параметров элементов металлополимерного подшипника скольжения.

Для определения путей совершенствования конструкций, с целью эффективного рассеивания тепла из зоны трения был проведен численный параметрический анализ с использованием уточненной математической модели [3], реализованной в пакете ANSYS, с использованием разработанного метода определения триботехнических характеристик и теплового состояния [4], а также с применением эмпирических уравнений для определения коэффициента трения (fmp) от нормального контактного давления (Рк, МПа) и температуры в зоне трения (Ттр, К) (таблица 1), полученных на экспериментальном стенде, представленном в работе [5]. Также в ходе экспериментальных исследований было выявлено, что для принудительно охлаждаемых конструкций при больших значениях PV-фактора при которых эксплуатируется подшипник область допустимых режимов эксплуатации (в которых подшипник работоспособен) ограничивается температурами существенно меньшими, чем те которые соответствуют рабочему диапазону неохлаждаемых конструкций (рис. 1, 2). Исследования проведены при скорости скольжения, равной 10,5 м/с.

Эмпирические уравнения

Таблица 1

Мате- риал Диапазон применения Эмпирическое уравнение

Ф4К20 Ттр=323 - 423 К; Рк=0,17 - 1 МПа f = -1,07819+0,4677 • Р + 7,57 40-3 •Т -1,02 40-3 •Т • Р -110-5 •Т2 - 0,179 • Р2 тр к тр тр к тр к

Ф4РМ Ттр=323 - 403 К; Рк=0,17 - 0,447 МПа f = -1,00276 - 0,71667 ■ Р + 8,45 -10"3 ■Т + 2,08 -10"3 ■ Р ■Т -1,34 ■10-5 ■Т2 тр к тр к тр тр

98

Окончание табл. 1

Ттр=313 - 383 К; т = 0,744 - 0,716 • Рх - 0,001 • 'Ттр

7В-2А Рк=0,17 - 0,33

МПа

Ттр=313 - 383 К; Рк=0,33 - 0,447 МПа / = 2,2 - 0,475 • Р -10,17 • 10“3 • Т + 1,35 -10-5 • Т2 тр к тр тр

Коэффициенты регрессии имеют размерность равную отношению размерностей соответствующего отклика (/тр) к соответствующему фактору (Рк, Ттр и т.д.), что обеспечивает безразмерную величину коэффициента трения

РкЛ'ск, МПа -м/с

г Ііі лат ¥1

эксплуатации Ф41

Область допустимых режимов эксплуатации 7В-2^

350 370 390

Ттр, К

Рис. 1. Область допустимых режимов эксплуа- тации трибосопряжений, подшипник, которых выполнен из полимерных материалов 7В-2А, Ф4РМ при скорости скольжения 10,5 м/с

Рис. 2. Повреждение поверхности трения подшипника из полимерного материала 7В-2А при эксплуатации вне установленной области допустимых режимов эксплуатации

Рассматриваются три принципиальные схемы охлаждения подшипника (рис. 3), а именно: охлаждение поверхностей, образующих серповидное пространство (а=10 - 1000 Вт/(м2-К); охлаждающая среда - например, рабочий газ турбодетандера); охлаждение поверхности отверстия в валу и охлаждение внешней поверхности подшипника (а=10 - 10000 Вт/(м2-К); охлаждающая среда - жидкость из системы охлаждения агрегата). Расчеты проводились при следующих исходных данных: и = 10,5 м/с; Я2 = 0,05 м; =0,05005 м; Ь =0,05 м;

2 •%

= 600; материал ротора - Сталь 45. В качестве параметра, характеризующего режим

работы узла трения рассматривается величина контактного давления (для Ф4К20: 0,17 - 1 МПа; для Ф4РМ и 7В-2А: 0,17 - 0,44 МПа). В качестве параметров, характеризующих интенсивность охлаждения узла рассматриваются: коэффициент теплоотдачи (ау=10 - 10000 Вт/(м-К)) и температура охлаждающей среды (170 - 320 К). В качестве параметров, характеризующих конструктивное исполнение узла трения рассматриваются: полимерный композиционный материал (Ф4К20, Ф4РМ, 7В-2А), толщина стенки подшипника (0,1 - 4 мм), толщина стенки вала (1 - 40 мм), угол контакта (60 - 180 о), диаметр вала (50 - 125 мм) и длина подшипника (20 - 100 мм).

А-А

Охлаждение проточки болп

^ \ п м ХШ ШЛАШМ

ОхлажЭение & зазоре

- Охлаждение подшипника

Рис. 3. Расчетная схема вариантов системы охлаждения несмазываемого охлаждаемого

подшипника скольжения

Рис. 4. Пример результата расчета теплового состояния металлополимерного охлаждае- мого

подшипника в пакете АЫБУБ

Охлаждение поверхностей, образующих серповидное пространство (рис. 3) целесообразно применять, в тех случаях, когда рабочий газ имеет температуру ниже 293 К. При конструировании несмазываемого металлополимерного подшипника скольжения с системой охлаждения поверхностей, образующих серповидное пространство, необходимо учитывать следующее влияние конструктивных факторов: с увеличением угла контакта эффективность такой системы охлаждения снижается (рис. 5); величина диаметра трущейся поверхности вала (рис. 6) и длина подшипника - не оказывают влияние.

2чр0.0 _

Рис. 5 Влияние величины угла контакта на температуру в зоне трения при Рк=0,17 МПа, То.с=170 К, 1;в=1 мм, гп=100 мкм, Бв=0,1 м, Ь=0,05 м, для материала 7В-2А: 1 - охлажде- ние поверхности отверстия в валу (а=800 Вт/(м2К)); 2 - охлаждение серповидного про- странства (а=500 Вт/(м2К)); 3 - охлаждение внешней поверхности подшипника (а=3500 Вт/(м2К))

Рис. 6 Влияние величины диаметра вала на температуру в зоне трения при Рк=0,17 МПа, Т0.с=170 К, гв=10 мм, 1;п=4 мм, 290=600, Ь=0,05 м, для материала 7В-2А: 1 - охлаждение поверхности отверстия в валу (а=800 Вт/(м2К)); 2 - охлаждение серповидного пространства (а=500 Вт/(м2К)); 3 - охлажде- ние внешней поверхности подшипника (а=10000

Вт/(м2К))

Учитывая, диапазон коэффициентов теплоотдачи, который можно реализовать за счет жидкостной среды наиболее эффективно, в сравнимых условиях, применять охлаждение не-смазываемого подшипника путем прокачки жидкости через отверстие в валу. При этом необходимо учитывать следующее: с увеличением величины угла контакта (рис. 5) и толщины стенки вала эффективность такой системы охлаждения снижается; с увеличением диаметра трущейся поверхности вала - возрастает (рис. 6); длина подшипника - не оказывает влияние. При жидкостном охлаждении, в большинстве случаев, охлаждение полимерного композици-

100

онного подшипника менее эффективно. Однако в тех случаях, когда подшипник выполнен из материала, который имеет более высокий коэффициент теплопроводности (например, для 7В-2А: Х=8,7 Вт/(м-К)) эффективность такой схемы охлаждения существенно возрастает. При этом необходимо учитывать следующее: с увеличением диаметра трущейся поверхности вала (рис. 6) и толщины стенки подшипника эффективность такой системы охлаждения снижается; длина подшипника и угол контакта (рис. 5) - не оказывают влияние. Значения коэффициента теплоотдачи и температуры охлаждающей среды, необходимые для обеспечения работоспособности несмазываемого подшипника, в каждом конкретном случае определяются схемой охлаждения, свойствами конструкционных материалов, режимом эксплуатации и конструктивным исполнением узла трения.

Таким образом, в данной работе выявлены пути совершенствования конструктивных параметров элементов металлополимерного охлаждаемого подшипника для обеспечения его работоспособности при различных схемах и режимах охлаждения.

Библиографический список

1. Основы трибологии (трение, износ, смазка) : учеб. для техн. вузов / Э. Д. Браун [и др.] ; под ред. А. В. Чичинадзе. - М. : Центр —Наука и техника||, 1995. - 778 с.

2. Композиционные материалы на основе политетрафторэтилена. Структурная модификация / Ю. К. Машков [и др.]. - М. : Машиностроение, 2005. - 240 с. : ил.

3. Юша, В. Л. Методика определения трибологических характеристик и температурного состояния бессмазочных подшипников центробежных компрессорных машин /

В. Л. Юша, Н. А. Райковский // Омский научный вестник. - 2010. - № 2 (90). - С. 101-104.

4. Юша, В. Л. Методика бесконтактного измерения температуры поверхности вращающегося вала бессмазочного подшипника / В. Л. Юша, Н. А. Райковский, В. А. Захаренко // Вестник машиностроения. - 2012. - № 3. - С. 50 - 51.

5. 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).