CC BY
103
УДК 621.822.175
А.В. Куренский, Я.О. Бойко
КУРЕНСКИИ Алексей Владимирович - доцент кафедры судовой энергетики и автоматики Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: alex33_99@mail.ru; БОЙКО Ярослав Олегович - студент Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). © Куренский А.В., Бойко Я.В., 2012
Расчет характеристик смазочного слоя осевых подшипников с газовой смазкой
Рассмотрены результаты численного эксперимента по исследованию свойств смазочного слоя осевых подшипников с газовой смазкой. Эксперимент проводился при разграничении факторов, влияющих на характеристики подшипников, а также при их совместном действии. Проведено сравнение свойств газовых опор, работающих в различных режимах (газостатическом и гибридном).
Ключевые слова: газодинамический, газостатический, гибридный, лепесток, подшипник, математическая модель, несущая способность.
Calculation of the characteristics of the lubricating layer of axle bearings with gas lubrication
Alexey V. KURENSKY, Yaroslav O. Boyko - School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok).
Results of numerical experiment on research of properties of a lubricant layer of axial bearings with gas lubrication are considered. Experiment was spent at differentiation of factors of bearings influencing characteristics, and also at their joint action. Comparison of properties of gas support working in various modes (gas-static and hybrid) is lead.
Key words: gasodinamic, gas-static, hybrid, foil, bearing, mathematical model, bearing capacity.
Проблема газовой смазки теоретически сводится к изучению течения газа в тонком слое переменной величины между двумя движущимися поверхностями [4].
Одним из основных недостатков газовых подшипников является малая несущая способность. В направлении устранения этого недостатка работают различные организации, в том числе МАИ, КнАГТУ, СПбГТУ, Инженерная школа ДВФУ.
Для определения максимальной несущей способности необходимо рассчитать свойства смазочного слоя проектируемого подшипника с газовой смазкой.
Целью работы является разработка метода расчета давлений в смазочном слое и соответствующей деформации упругой рабочей поверхности подшипника.
Основное уравнение газовой смазки - уравнение Рейнольдса является нелинейным и трудно поддается интегрированию. Для повышения точности расчета рациональнее использовать численные методы интегрирования, которые при современном состоянии ЭВМ представляются наиболее перспективными. Существующие численные методы подобны, и отличия их определяются типом подшипника - осевой или радиальный [4].
Результаты эксперимента, представленные в настоящей работе, получены математическим моделированием работы осевого подшипника с газовой смазкой [2, 3].
Целью эксперимента являлось установление зависимостей давления в смазочном слое и интегральных характеристик подшипника (несущей способности и жесткости смазочного слоя, расхода газа подаваемого на смазку, мощности трения и др.) от конструктивных характеристик и режимных параметров опор и тур-бомашин.
В работе основное внимание уделялось лепестковым подшипникам, так как, по нашему мнению, они являются наиболее перспективными для устройств с газовой смазкой.
Расчет гибридного лепесткового подшипника наиболее сложен, поскольку необходимо одновременно учитывать влияние газостатического, газодинамического эффектов и деформацию податливой рабочей поверхности (лепестка). Газодинамический эффект в таком подшипнике возникает из-за клиновидных участков рабочей поверхности, т.е. обусловлен конструкцией подшипника.
При выполнении численного исследования для упрощения анализа целесообразно изучить влияние отдельных основных факторов на характеристики опоры, чем упрощается задача. В работе применялись следующие методы:
1. Расчет подшипника с жесткой рабочей поверхностью. На рис. 1 приведены варианты построения рабочей поверхности подшипника. Авторы рассматривали один сектор подшипника (на рис. 1 этот сектор условно развернут в прямоугольник).
В первом приближении можно принять математическую модель, в которой не учитывается деформация рабочей поверхности, т.е. поверхность абсолютно жесткая. При этом рабочая поверхность представляется плоскостью (рис. 1 а), расположенной под наклоном к плоскости пяты (участок I) или параллельно ей (участок II). Такой прием упрощает решение задачи, так как позволяет изучать отдельно влияние каждого из параметров, определяющих форму зазора, на несущую способность подшипника, исключив влияние деформации рабочей поверхности. Подобный метод рекомендуется применять и при проектировании осевых гибридных лепестковых подшипников [3].
Расчет с учетом податливости более сложен, так как рабочая поверхность имеет вогнутую форму (рис. 1 б).
Определив оптимальную форму зазора, рассчитывая в первом приближении подшипник с жесткой рабочей поверхностью, в последующем возможно будет подобрать распределение податливостей упругой подложки таким образом, чтобы получить требуемую форму поверхности и смазочного зазора.
Например, характеристики и конструкцию упругой подложки теоретически можно подобрать так, чтобы прогиб рабочей поверхности подшипника был одинаков в каждой точке. Тогда любая область рабочей поверхности прогнется под действием сил от давления смазочного газа на одну и ту же величину, а деформированная поверхность примет вид, представленный на рис. 1 а.
Таким образом, расчет подшипника можно разделить на ряд этапов. На первом этапе устанавливается оптимальная форма смазочного зазора [1, 2] при жестких рабочих поверхностях. Затем на основе численного исследования смазочного слоя подбирается соответствующее распределение податливостей упругой подложки.
Такой подход к решению задачи может быть полезен при исследованиях, но не всегда применим при решении практических задач. Упругая подложка во многих случаях имеет податливость, не полностью соответствующую характеристикам смазочного слоя, и расчет следует выполнять при одновременном действии факторов газовой динамики и деформации упругого тела.
2. Расчет подшипника в газодинамическом режиме. При таком варианте необходимо исследование газодинамического эффекта, т.е. рассмотреть газодинамический подшипник (лепестковый или с жесткой рабочей поверхностью), полностью исключая влияние газостатического эффекта. Влияние газодинамического эффекта зависит от конструктивных характеристик подшипника (формы смазочного зазора). Результаты численного эксперимента показали, что качественно зависимости интегральных характеристик гибридных и газодинамических опор от конструктивных параметров, практически одинаковы [3].
3. Расчет подшипника в газостатическом режиме. Исследуется опора с несущей способностью, возникающей только за счет подачи газа, сжатого от внешнего источника. При этом легко определить, является ли дополнительное влияние газодинамического эффекта положительным или отрицательным.
Отдельное изучение свойств подшипника, работающего на различных режимах, во многих случаях помогает установить совместимость газодинамических и газостатических свойств в гибридном подшипнике.
Рис. 1. Жесткая (а) и податливая (б) рабочие поверхности осевого подшипника
Рис. 2. Распределение давления в смазочном слое подшипника, работающего в газостатическом (а) и гибридном (б) режимах
Рассмотрим распределение давления в смазочном слое подшипника, работающего в газостатическом режиме, т.е. при отсутствии относительного движения рабочих поверхностей, и гибридном.
В общем случае увеличение толщины смазочного зазора в подшипнике снижает давление и, как следствие, - несущую способность.
На рис. 2 а показано, что при газостатическом режиме работы давление на максимальной глубине клиновидного участка значительно меньше, чем на участке с постоянным зазором, где значение зазора минимально. В таком случае клиновидные участки снижают несущую способность подшипника.
Установлено, что при газостатическом режиме явно выраженные максимумы значений давления находятся на линии наддува, на клиновидном участке по мере уменьшения зазора давление повышается, и на участке с постоянным зазором остается практически постоянным.
У подшипника, работающего в гибридном режиме, наблюдается совмещение полей давления в смазочном слое. Как и у газостатического подшипника, на линии наддува имеются максимумы значений, в то же время на границе клиновидного и равномерного участков (область А на рис. 2 б) наблюдается резкое повышение давления (явление, характерное для газодинамического подшипника [2]). При гибридном режиме давление в смазочном слое может превысить давление наддува, что заметно влияет на интегральные характеристики подшипника.
Анализируя данные, представленные на рис. 2, следует обратить внимание на следующее: наличие клиновидных участков на рабочей поверхности повышает газодинамическую составляющую несущей способности гибридного подшипника и снижает газостатическую составляющую. Таким образом, при определенных условиях, основным из которых является величина смазочного зазора и относительная скорость рабочих поверхностей, у гибридного подшипника несущая способность может быть меньше, чем у газостатического, не имеющего клиновидных участков на рабочей поверхности.
Итак, численный эксперимент позволил расширить диапазон исследований газовых подшипников, определить характер и степень влияния газостатического и газодинамического эффектов на интегральные характеристики опор и перейти к уточненному расчету более сложного типа подшипников, каким является гибридный лепестковый. Эксперимент показал, что при проектировании гибридных опор с газовой смазкой особое внимание следует уделить изучению влияния клиновидных участков на газостатическую составляющую несущей способности опоры, так как в некоторых случаях газостатические подшипники могут оказаться эффективнее, чем гибридные.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Грибиниченко М.В. Осевые гибридные подшипники с газовой смазкой для турбокомпрессоров наддува судовых ДВС: дис. ... канд. техн. наук. Владивосток: ДВГТУ, 2006. 146 с.
2. Грибиниченко М.В., Куренский А.В, Самсонов А.А. К вопросу расчета смазочного слоя осевых лепестковых газодинамических подшипников. Трение и смазка в машинах и механизмах. М.: Машиностроение. 2010. № 4. С. 45-47.
3. Грибиниченко М.В., Куренский А.В. Некоторые вопросы проектирования подшипников с газовой смазкой для турбокомпрессоров наддува судовых ДВС // Актуальные проблемы освоения биологических ресурсов Мирового океана: Материалы Междунар. науч.-техн. конф. Ч. 1. Владивосток: ДВГТРУ 2010. С. 312-314.
4. Самсонов А.И. Подшипники с газовой смазкой для турбомашин: учеб. пособие. Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2009. 292 с.
