Смазывание поверхностей сухого трения в условиях высокой температуры и запыленности Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА

УДК 621.867.019.3

М.П. Латышенко, С.В. Герасименко

СМАЗЫВАНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ СУХОГО ТРЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ И ЗАПЫЛЕННОСТИ

Смазывание поверхностей трения подшипниковых узлов в условиях высокой температуры и запыленности является трудно выполнимой задачей.

Двигатели автоматических формующих линий, формовочные полуавтоматы, вращающиеся печи с холодильной установкой, печные вагонетки, вентиляторы на тоннельных печах, противо-точные сушила и др. работают при повышенных температурах и запыленности. Температура колеблется от 80° до 200° - 300°С. Время эксплуатации подшипника в данных условиях составляет от одного до трех месяцев.

Низкая работоспособность в данных условиях объяснятся тем, что под действием температуры смазка на нефтяной основе разжижается и вытекает. Остатки смазки с абразивной пылью спекаются в твердое образование, приводящее к заклиниванию и выходу из строя сепаратора подшипника качения.

Подшипники качения горных машин и механизмов работают в высокозапыленной и влажной среде.

Характерные для данных условий мелкие фракции горной абразивной массы и влага разрушают манжетные уплотнения подшипникового узла, загрязняют смазочный материал и попадают на поверхности трения. Влага снижает смазочные свойства пластичных смазок, абразивные частицы способствуют интенсивному изнашиванию рабочих поверхностей подшипника и, как следствие, происходит разрушение подвижных элементов.

Использование для смазывания подшипников твердого антифрикционного материала на основе графита исключает разжижение и вымывание смазки, уменьшает возможность попадания абразивных частиц, снижает время технического обслуживания, обеспечивает хорошие условия смазывания.

В настоящее время известны конструктивные решения и опыт изменения твердой смазки в подшипниках качения [1]. Но отсутствует четкое физико-математическое моделирование процессов, происходящих в смазочном слое.

Рассмотрим плоское движение смазочного материала на основе графита в зазоре между шариком подшипника и наружным кольцом (рис. 1).

Считаем, что в данный бесконечно малый момент шарик неподвижен, а опорная поверхность наружного кольца прямолинейна, т.е. имеем радиус ЯН ^ ж, и движется с постоянной скоростью Уо вдоль оси 0Х.

С учетом этого, движение твердого графита между трущимися поверхностями можно считать установившимся.

В смазочном слое выделяют три характерных фазы (I, II, III) состояния графита. Первая фаза имеет слой толщиной И], который пополняется отделенными от сепаратора частичками графита различными по форме и размером от 1 до 500 мкм.

Во второй фазе толщина графитного слоя уменьшается от И до 5. Длина эллипса пятна контакта 0-1 зависит от конструктивных параметров подшипника и давления в смазочном слое.

В силу анизотропности графита частицы твердой смазки ориентируются по направлению движения трущихся поверхностей. По мере изменения координаты У отдельные частицы графита приходят во взаимное соприкосновение и проскальзывают друг по другу по плоскостям спайности.

В связи с этим, во второй фазе взаимодействие стальных поверхностей заменяется внутренним трением в графитном слое.

В третьей фазе трущиеся поверхности расходятся и давление в слое графита отсутствует. Частицы графита отделяются от смазываемых поверхностей.

слоя

Таким образом, смазывание поверхностей в подшипнике качения слоем графита можно представить как плоское стационарное течение жидкости, подчиняющиеся уравнениям Навье-Стокса

( дУх дУуЛ р Ух —х + Уу — дх у ду

д

( дКЛ

2ц-

дР — x------------+

дх

(

+

дх

д

дУ

дУу Л

x + у

дх

+

ду дх

(1)

/

(

р

V

дУх

Ух х +Уу

х дх у

дУу Л ду

—у

ду

дР

ду

+

(

2ц

+

дУу Л

ду

дУ

дУу Л

х + у

ду

+

ду дх

(2)

дх

где р - плотность; х, у - координаты;

Ух, Уу - относительные скорости вдоль координатных осей 0Х, 0У;

дР

- частная производная давления;

дх дУ„ дУ

у

- частные производные скорости

дх ду

по координатам;

ц - динамическая вязкость.

В теории смазочного слоя принимаются следующие допущения:

1. Движение смазочного графита происходит тонким слоем между наклонными поверхностями. Протяженность слоя по длине и радиусу кривизны граничных поверхностей достаточно велика по сравнению с толщиной слоя, то есть И(х)<<1.

2. Силы инерции и массы малы по сравнению с силами давления и вязкости.

3. Скорость течения смазочного слоя в направлении нормалей к граничным поверхностям мала по сравнению со скоростью в направлении касательных к ним, поэтому принимается соотношение Уу << Ух.

4. Изменением давления по толщине пленки (ось 0У) пренебрегаем.

Исходя из этих допущений, общие уравнения Навье-Стокса для плоского стационарного течения графитного слоя будут иметь следующий вид:

( дУх Л

д

ду

(3)

дР_

дх ду

Распределение давления в фазе II в начале и в конце слоя одинаково и, следовательно, уравнение (3) необходимо решать при следующих условиях:

Ух — У0

при у — 0 У — 0 при у — И

Р — Р

0

при х — 0

(4)

(5)

Р — 0 при х — I

Решая уравнение Навье-Стокса при данных условиях, определим результирующие максимального давления и касательных напряжений в слое, а также коэффициент трения, как:

(А +1)

_ II /II ll-.ll „II !\ -

тах

Ртах — 0,26 М1и0ЪЯ

(6)

^тах — 0,37

1,4

1+2А

___5

1 + А

\

-1

5\ 1 +

ЗА

(7)

где и - скорость движение графитного слоя;

I и Ь - длина и ширина пятна контакта смазочной пленки;

Яш - радиус шарика подшипника;

5 - толщина смазочной пленки;

- начальная динамическая вязкость графитного слоя;

А - коэффициент изменения вязкости.

Изменение вязкости графитного слоя в процессе эксплуатации подшипника моделируется зависимостью:

(1 + А)

М0 —Ц1 (-------,-----> <8)

1 + А Г 2^ -1 Л

V Г И ' J где Ц0 - текущая динамическая вязкость графитного слоя;

у - координата;

И - высота;

А - коэффициент изменения вязкости.

Коэффициент А находится в пределах -1< А <0 при изменении вязкости от краев слоя к его середине, а при А > 0 вязкость растет в серединных слоях смазки.

Из уравнений (6) и (7) определим коэффициент трения:

( ( 2АЛ Л

/тах —10751-

1,4

1+5

1Ц

-1

Я

(9)

Зависимости (6) и (7) исследованы для радиальных однорядных подшипников средней серии, применяемых в узлах горных машин и механизмов при максимальной скорости скольжения 10

д

д

5

м/с. Они позволяют определить расчетные параметры в подшипниках с учетом вязкости графитного слоя.

Значения коэффициента трения /, рассчитанные по уравнению (9), полученные авторами в лабораторных условиях, согласуются в пределах

от 0,01 до 0,3.

На основании теоретических исследований в КузГТУ разработаны конструкции подшипников сухого трения [2], применение которых снижает интенсивность изнашивания в 1,9...2,2 раза

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Расширение области применения антифрикционных подшипников качения / С. В. Герасименко [и др.] - М.: Передовой производственный опыт, 1991. - № 1. - С. 15-16.

2. Патент 2016278 РФ, МКи2Р16С19/00. Подшипник качения / КузГТУ, М. П. Латышенко [и др.]. -Опубл. в Б.И., 1994. - № 13.

□ Авторы статьи:

Латышенко Михаил .Павлович

- канд.техн.наук, доц. каф прикладной механики КузГТУ. Тел. 8-3842- 316702

Герасименко Сергей.Владимирович.

■ канд.техн.наук, доц. каф прикладной механики КузГТУ. Тел. 8-3842- 580390

УДК 621.822

С.В. Герасименко, М.П. Латышенко ОПРЕДЕЛЕНИЕ НОМИНАЛЬНОГО СРОКА СЛУЖБЫ ПОДШИПНИКОВ СУХОГО ТРЕНИЯ

Номинальный ресурс подшипника качения (ПК) согласно ШО 281:1990 составляет:

Г,

с

1,0—Г р/

где Ью - номинальный ресурс (при надежности 90%), млн. об.;

С - динамическая грузоподъемность подшипника, кН;

Р - эквивалентная нагрузка на подшипник,

кН.

Уравнение (1) используется для расчета долговечности обычных ПК, работающих при применении жидких или пластических смазок.

Известна оригинальная конструкция ПК сухого трения с антифрикционным заполнителем (АФЗ) [1].

Подшипник с АЗФ представляет - радиальный шариковый однорядный ПК, свободное пространство между кольцами которого заполнено твердой смазкой на основе графита. Подшипники с АЗФ хорошо зарекомендовали себя при работе в условиях повышенных температур и запыленности (горношахтное и химическое оборудование, металлургическое производство и т.д.) [2].

Для правильной работы ПК после его сборки должны быть обеспечены радиальные qr и осевые qa зазоры между телами качения и кольцами, а также тангенциальные qт зазоры между телами качения и сепаратором.

Антифрикционный заполнитель в подшипни-

ке сухого трения, располагаясь на змейковом сепараторе, изменяет геометрию (зазоры) в ПК. Это вызывает перераспределение нагрузки между составными частями ПК (телами качения, сепаратором и кольцами), что изменяет силовые соотношения в уравнении (1), то есть (СІР/, а, следовательно, оказывает влияние на долговечность подшипника сухого трения.

С целью учета указанных факторов на кафедре прикладной механики КузГТУ были разработаны на уровне изобретений способы определения долговечности подшипников с АФЗ.

Способ первый (Авторское свидетельство № 1306303).

Учитывает изменение радиального зазора в подшипнике с АФЗ.

Для заданного типоразмера подшипника определяют допуск на радиальный зазор Tqr (рис. 1), динамическую грузоподъемность С и эквивалент-

ную нагрузку Р. Измеряют радиальный зазор ql! у подшипника.

Затем подшипник заполняют антифрикционным твердосмазочным заполнителем, запрессовывают по наружному кольцу в корпус, а по внутреннему кольцу - на вал. Прикладывают по собранному подшипниковому узлу эквивалентную нагрузку Р и измеряют радиальный зазор. Определяют изменение радиального зазора Aqr = qr"-qr' (рис. 2) и рассчитывают долговечность Ь подшипникового узла по следующей зависимости:

\т1

дг

(2)

М J

где С - динамическая грузоподъемность подшипника;

Р - эквивалентная нагрузка, прикладываемая к подшипнику;

Т^ - допуск на радиальный зазор подшипника;

Aqr - изменение радиального зазора подшипника с антифрикционным заполнителем после установки его в подшипниковый узел;

т1 - показатель степени.

Использование предлагаемого способа обеспечивает более высокую точность определения долговечности за счет учета изменения радиального зазора подшипника в результате сборки с корпусом и валом.

Благодаря этому может быть существенно повышена точность прогнозирования работоспособности подшипниковых узлов с радиальными шариковыми подшипниками, например, в конвейерах.

Способ второй (Авторское свидетельство № 1626844)

Учитывает изменение тангенциального зазора в подшипнике с АФЗ.

Изобретение относится к подшипниковой промышленности, является усовершенствованием авторского свидетельства № 1306303 и может быть использовано преимущественно для определения долговечности подшипниковых узлов с

АФЗ.

Цель изобретения - повышение точности определения долговечности подшипникового узла с АФЗ.

На рис. 3 изображен подшипник качения с составным сепаратором; на рис. 4 - тело качения и сепаратор до наполнения подшипника; на рис. 5 -разрез А-А на рис. 4; на рис. 6 - тело качения и сепаратор после наполнения подшипника антифрикционным твердосмазочным заполнителем; на рис. 7 - разрез Б-Б на рис. 6.

Подшипник качения содержит наружное 1 и внутреннее 2 кольца, сепаратор 3 и тела качения 4.

Сепаратор 3 состоит из штампованного сепаратора (арматуры) 5 и антифрикционного твердосмазочного заполнителя 6.

А - А

Способ осуществляют следующим образом.

Для заданного типа размера подшипника определяют допуски на радиальный Тчг и тангенциальный Тчт зазоры, динамическую грузоподъемность С и эквивалентную нагрузку Р.

Измеряют радиальный ql! зазор подшипника и тангенциальный qx' зазор между телами качения и сепаратором (т.е. штампованной арматурой) подшипника.

Затем подшипник заполняют антифрикционным твердосмазочным заполнителем, запрессовывают по наружному кольцу в корпус, а по внутреннему - на вал.

Рис. 6.

Прикладывают к собранному подшипниковому узлу эквивалентную нагрузку и изменяют радиальный д/' зазор подшипника и тангенциальный дт '' зазор между телами качения и сепаратором (т.е. заполнителем). Определяют изменение радиального зазора Адг = дг"-дг' и тангенциального зазора Адт = дт"-дт' и рассчитывают долговечность Ь подшипникового узла по следующей зависимости:

Г Т \т1

Чг

АЧг

Г Т Лт2 Чт

Ад

(3)

т )

где Тдт - допуск на тангенциальный зазор между телами качения и сепаратором подшипника;

Адт - изменение тангенциального зазора между телами качения и сепаратором подшипника антифрикционным заполнителем после установки его в подшипниковый узел и нагружения; т2 - показатель степени.

Б - Б

Рис. 7.

Способ позволяет разработать конкретные мероприятия по повышению долговечности подшипникового узла с подшипником с АФЗ на основе оценки влияния тангенциального зазора на его долговечность.

Дополнительный учет тангенциального зазора позволит повысить точность прогнозирования долговечности подшипниковых узлов с подшипниками с АФЗ, например, в редукторах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Герасименко С. В. Расширение области применения подшипников качения с антифрикционным заполнителем / С. В. Герасименко, И. А. Паначев // Вестн. Кузбасского гос. тех.. унив., 2000, № 5. С. 68-69.

2. Сафохин М.С. О применении подшипников с твердой смазкой в горных машинах / М. С. Сафохин, М. П. Латышенко, В. С. Короткевич. - М.: Уголь, 1992. - №6. - С. 26-27.

□ Авторы статьи:

Латышенко Герасименко

Михаил .Павлович Сергей.Владимирович.

■ канд.техн.наук, доц. каф - канд.техн.наук, доц. каф

прикладной механики прикладной механики

КузГТУ. КузГТУ.

Тел. 8-3842- 316702 Тел. 8-3842- 580390