Влияние принудительного охлаждения на триботехнические характеристики и тепловое состояние несмазываемых полимерных подшипников малорасходных турбоагрегатов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Asumptotic Analysis. II/Ed. Verhulst, F.B. — Heidelberg, N.Y., Tokyo: Springer-Verlag, 1983. — P. 38 — 75.

6. Линда, П. С. Автоколебания в системах с конечным числом степеней свободы / П. С. Линда // Автоколебания в распределенных системах. — М. : Наука, 1983. — С. 312.

7. Сбитнев, В. И. Стохастичность в системе связанных вибраторов / В. И. Сбитнев // Нелинейные волны, стохастичность и турбулентность. — Горький : ИПФ АН СССР, 1980. — С. 46-56.

8. Gaponov-Grekhov, A.V., Rabinovich, M.I. Nonstationares structures — Chaos and Order // Synergetics of the Brain / Ed. Haken H. - B., Heidelber, N.Y., Tokyo: Springer-Verlag, 1983.

9. Лихарев, К. К. Введение в динамику джозефсоновских переходов / К. К. Лихарев. — М. : Наука, 1984. — 184 с.

ФЁДОРОВ Владимир Кузьмич, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры электроснабжения промышленных предприятий Омского государственного технического университета (ОмГТУ).

РЫСЕВ Дмитрий Валерьевич, ассистент кафедры электроснабжения промышленных предприятий, секция «Промышленная электроника» ОмГТУ. ФЕДЯНИН Виктор Викторович, студент 3-го курса ПЭ-319 кафедры электроснабжения промышленных предприятий, секция «Промышленная электроника» ОмГТУ.

ФЁДОРОВ Игорь Владимирович, старший преподаватель кафедры «Прикладная математика и информационные системы» ОмГТУ.

ПОЛЫНЦЕВ Леонид Геннадиевич, инженер ООО «Сандимакс», г. Москва.

ФЁДОРОВ Дмитрий Владимирович, студент 4 курса ПЭ-418 кафедры электроснабжения промышленных предприятий», секция «Промышленная электроника» ОмГТУ.

ШЕЛЕСТ Сергей Николаевич, главный инженер ОАО «Энергосбыт».

Адрес для переписки: e-mail: rysev_dmitry@list.ru

Статья поступила в редакцию 06.06.2012 г.

© В. К. Фёдоров, Д. В. Рысев, В. В. Федянин, И. В. Фёдоров, Л. Г. Полынцев, Д. В. Фёдоров, С. Н. Шелест

УДК 621.5+621.89+621.179 В. Л. ЮША

Н. А. РАЙКОВСКИЙ Г. И. ЧЕРНОВ

Омский государственный технический университет

ВЛИЯНИЕ

ПРИНУДИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ НА ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ТЕПЛОВОЕ СОСТОЯНИЕ НЕСМАЗЫВАЕМЫХ ПОЛИМЕРНЫХ ПОДШИПНИКОВ

МАЛОРАСХОДНЫХ ТУРБОАГРЕГАТОВ

В статье представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований, позволяющие проектировать принудительно охлаждаемые конструкции не-смазываемых подшипников малорасходных турбоагрегатов.

Ключевые слова: несмазываемый подшипник, охлаждаемая конструкция, малорасходный турбоагрегат, полимерный материал, тепловое состояние, триботехнические характеристики.

Качество и эффективность машин и агрегатов непосредственно связаны с увеличением сроков службы и надежности разрабатываемого оборудования. Одним из основных факторов, влияющих на безотказность, долговечность, ремонтопригодность оборудования, является работоспособность подшипников, работающих в тяжелых условиях без смазки [1]. Показательным примером таких условий эксплуатации несмазываемых конструкций

полимерных подшипников являются компрессорные и расширительные турбоагрегаты, подшипники которых действуют в условиях высоких скоростей и непрерывной работы. Сегодня, подшипники без смазки получили широкое распространение во всех без исключения отраслях техники. Разработаны и эксплуатируются несмазываемые подшипники из различных материалов, появилось большое количество авторских свидетельств и патентов на кон-

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012

*

Ггр 0,2

1 +

1 < ► 1 ♦

1 ♦

2 ■ г ш ? ■ ■ 1 ♦ і ♦ і ♦ 1 ♦

2 ■ ї ■

3 А ш 2 ■

з А

5 # 4 з А з ^ А

5 # 5 • 4 — 4 6 А з А

5 • %

300 320 340 360 380

ТтР’к Ттр, К

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 — Р = 0,17 МПа; 2 — Р = 0,26 МПа; 3 — Р = 0,33 МПа; 4 — Р = 0,392 МПа; 5 — Р = 0,44 МПа

0,4

035

0,3

лр

0,15

2 2 2 — ¥и У1 ЗА

• • 4

5 • • 5 5

5

360 380

Ттр, К

35

30

I. мг/ча с 25

20

15

10

5 4з

0

и

Ш

• і

*

~М

♦і

♦і

360 380

Ттр, К

Рис. 2. Результаты экспериментального исследования зависимости коэффициента трения (а) и скорости изнашивания (б) от температуры в зоне трения для пары трения Ф4К20-Сталь 45:

а

б

а

1 — Р = 0,17 МПа; 2 — Р = 0,33 МПа; 3 — Р = 0,44 МПа; 4 — Р = 0,75 МПа; 5 — Р = 1 МПа

к1 ’ к 1 ’ к 1 ’ к 1 ’ к

струкции таких подшипников и материалы [1, 2, 3 и др.], однако, несмотря на большие достижения в данном техническом направлении, вопросы организации системы охлаждения такого подшипника, совершенствования его конструктивных параметров для эффективного рассеивания генерируемой мощности механического трения для обеспечения требуемого теплового состояния, на сегодняшней день являются весьма актуальными, особенно для высокоскоростных подшипников компрессорных и расширительных турбоагрегатов.

В данной работе сделана попытка проанализировать возможные пути совершенствования конструкций и системы охлаждения несмазываемых полимерных подшипников, а также предложены рекомендации по их проектированию с позиции теплового состояния.

Ранее в работах [4, 5] были рассмотрены уточненная математическая модель и методика, позволяющие моделировать тепловое состояние несмазываемых, принудительно охлаждаемых конструкций подшипника скольжения малорасходного турбоагрегата с использованием современного конечно-элементного пакета ANSYS. Разработанный инструмент позволяет определять следующие характеристики: температурное поле и тепловые потоки, а также фрикционно-износные характеристики металлополимерной пары трения. В качестве исходных данных закладываются следующие характеристики: режимы эксплуатации подшипника, условия его охлаждения, конструктивные параметры, свойства материалов трибосопряжения, а также экспериментально полученные зависимости триботехнических характеристик от режимных параметров.

Зависимости триботехнических характеристик пары трения от режимов эксплуатации принятые в данном исследовании были получены в ходе испытаний на вновь разработанном экспериментальном стенде. Методика экспериментального исследования и стенд представлены в работах [6, 7]. В результате экспериментальных исследований для пар трения Ф4К20 — Сталь 45, Ф4РМ — Сталь 45, 7В-2А— Сталь 45 при скорости скольжения ротора 10,5 м/с получены эмпирические зависимости для определения коэффициента трения и скорости изнашивания от температуры трения и контактного давления в диапазоне параметров исследования: Рк = 0,17 — 1МПа; Ттр = 313 — 423К. Общий вид уравнений представлен ниже, коэффициенты регрессии в табл. 1, графическая иллюстрация выявленных закономерностей для полимерных материалов 7В-2А и Ф4К20 на рис. 1, 2 соответственно. Результаты эксперимента на примере исследуемых пар трения подтвердили существенное влияние теплового состояния на фрикционно-износные характеристики трибосо-пряжения и, соответственно, важность правильной организации принудительного охлаждения, а также совершенствования конструкций для обеспечения высокой работоспособности несмазываемого охлаждаемого полимерного подшипника.

^тр ~ ’ Рк ^2 ' Ттр (1)

+ а3 ' Ттр ■ Рк + £¡4 ' ГШр +а$-Рк,

1 = Ь0 +&! -Рк +Ь2 Ттр + Ь3 -Ттр -Рк +Ь4 -Р^, (2)

Коэффициенты регрессии

Диапазон применения а0 а1 а2 а3 а4 а5

Ф4К20

Т^ = 323-423 К; Рк = 0,17-1 МПа - 1,07819 0,4677 7,5710-3 — 1,02' 10-3 -М0-5 -0,179

Ф4РМ

Т^ = 323-403 К; Рк = 0,17-0,447 МПа - 1,00276 -0,71667 8,45'10-3 2,0810-3 -1,34'Ю-5 0

7В-2А

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

Т^ = 313-383 К; Рк = 0,33-0,447 МПа 2,2 -0,475 -10,17'10-3 0 1,35' 10-5 0

- Ь0 Ь1 Ь2 ь3 Ь4 -

Ф4К20

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

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

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

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

Ф4РМ

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

7В-2А

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

Рис. 3. Расчетная схема вариантов системы охлаждения несмазываемого охлаждаемого подшипника скольжения

где I — скорость изнашивания, мг/час; / — коэф-

фициент трения; Рк — нормальное контактное давление, МПа; Ттр — температура в зоне трения, К; а, Ь. — коэффициенты регрессии. Коэффициенты регрессии а., Ь. имеют размерность равную отношению размерностей соответствующего отклика (/, Г) к соответствующему фактору (Рк, Ттр и т.д.), что обеспечивает безразмерную величину коэффициента трения и, соответственно, размерность [мг/час] для скорости изнашивания.

Средняя ошибка аппроксимации экспериментальных данных для всех эмпирических уравнений вида т = f(Р , Тт ) не превышает 6,8%, для Г=f(Рк, Т ) — 4,8%. к тР

тр

При моделировании теплового состояния металлополимерного трибосопряжения величина коэффициента трения (/) вне температурного диапазона, рассмотренного в экспериментальном исследовании (табл. 1) для соответствующих материалов, принята равной значениям коэффициентов трения в граничных точках данного интервала. Диапазоны конструктивных и режимных параметров

принятые в исследовании следующие: величина контактного давления для Ф4К20: 0,17—1 МПа; для Ф4РМ и 7В-2А: 0,17 — 0,44 МПа); температура в зоне трения для 7В-2А: 73 К-523 К; для Ф4РМ: 83 К-523 К; для Ф4К20: 23 К-523 К; коэффициент теплоотдачи: 10-10000 Вт/(м.К); температура охлаждающей среды: 170-320 К; толщина стенки подшипника: 0,1-4 мм; толщина стенки вала: 1-40 мм; угол контакта: 60-180°; диаметр вала: 50-125 мм; длина подшипника: 20-100 мм. Рассматриваются три принципиальные схемы охлаждения опорного узла, а именно (рис. 3): охлаждение поверхностей, образующих серповидное пространство (а =10-1000 Вт/(м2К); охлаждающая среда — например, рабочий газ турбодетандера); охлаждение поверхности отверстия в валу и охлаждение внешней поверхности подшипника (а =10-10000 Вт/(м2К); охлаждающая среда — жидкость из системы охлаждения агрегата). В расчетном исследовании принято, что тепло отводится только через те поверхности, которые соответствуют схеме охлаждения, т.е. либо через внешнюю поверхность подшипника, либо через поверхность

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012

*

500 400 500 600 700 800 900 1000

а, Вт/(м?Ю

Рис. 4. Влияние режима охлаждения поверхностей серповидного пространства на температуру в зоне трения при Рк= 0,17 МПа; П= 0,1 м; Ь= 0,05 м; 2ф= 600: 1-7В-2А; 2-Ф4К20; д-170 К; е-220 К; ж-270 К; з-320 К

1000 3000 5000 7000 9000

а, Вт/(маК)

Рис. 5. Влияние режима охлаждения внешней поверхности подшипника на температуру в зоне трения при Рк= 0,17 МПа; ^= 0,1 мм; Ов= 0,1 м; Ь= 0,05 м; 2ф0= 600: 1-7Вк-2А; 2-Ф4К20п д-170 К; е-220 К; ж-270 К; з-320 К

Рис. 6. Влияние режима охлаждения поверхности отверстия вала на температуру в зоне трения при Рк= 0,17 МПа; *в= 1 мм; П = 0,1 м; Ь= 0,05 м; 2ф0= 600: 1-7В-2А; 2-Ф4К20; Ед-170 К; е-220 К; ж-270 К; з-320 К

260 -I---------------1------------------------1-------I----►

0,17 0.21 0,25 0.29 0.33 0.37 0,41

Рк,МПа

Рис. 7. Влияние конткатного давления на температуру в зоне трения

при Тас= 170 К; Ь = 40 мм; ^= 4 мм; П= 0,1 м; Ь= 0,05 м; 2ф0= 600: 1-с.п. (а=1000 вВт/(м2К))п 2-о.в. (а=10000 Вт/(м2К)); 3-п.п. (а=10000 Вт/(м2К)); д-7В-2А; е-ф4РМ; ж-ф4К20

320 ^-----------------------------------------------------------1----------------------

50 60 70 30 90 100 110 120

Г)Е. №1

Рис. 8. Влияние величины угла контакта на температуру в зоне трения при Рк= 0,17 МПа, Тос= 170 К, ¿в= 1 мм, ¿п= 100 мкм, П= 0,1 м, 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 — охлаждение внешней поверхности подшипника (а=3500 Вт/(м2К))

Рис. 9. Влияние величины диаметра вала на температуру в зоне трения при Рк= 0,17 МПа, Тос= 170 К, *в= 10 мм, ^= 4 мм, 2ф0= 600, 1= 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 — охлаждение внешней поверхности подшипника (а=10000 Вт/(м2К))

отверстия в валу, либо через поверхности, образующие серповидное пространство. Расчёты проводились при следующих исходных данных (рис. 3): и=10,5 м/с; R2=0,05 м; R3 = 0,05005 м; L=0,05 м; 2-ф0=600; материал ротора — Сталь 45.

В результате численного исследования установлено, что для обеспечения температуры в зоне трения, при которой несмазываемый полимерный подшипник малорасходного турбоагрегата работоспособен необходимо обеспечить интенсивное охлаждение такого узла трения (рис. 4-6). При этом

с ростом нормального контактного давления (рис. 7) необходимость интенсификации охлаждения, путем увеличения коэффициента теплоотдачи и снижения температуры охлаждающей среды, существенно возрастает.

Охлаждение поверхностей, образующих серповидное пространство (рис. 4) целесообразно применять, в тех случаях, когда рабочий газ имеет температуру ниже 293 К. При проектировании не-смазываемого радиального полимерного подшипника с системой охлаждения поверхностей, обра-

200 700 1200 1700 2200 2700 3200 3700

а. В1 (М* К)

зующих серповидное пространство, необходимо учитывать следующее влияние конструктивных факторов: с увеличением угла контакта эффективность такой системы охлаждения снижается (рис. 8); величина диаметра трущейся поверхности вала (рис. 9) и длина подшипника — не оказывают влияние.

Учитывая диапазон коэффициентов теплоотдачи, который можно реализовать за счет жидкостной среды наиболее эффективно, в сравнимых условиях, применять охлаждение несмазываемого подшипника путем прокачки жидкости через отверстие в валу (рис. 5, 6). При этом необходимо учитывать следующее: с увеличением угла контакта (рис. 8) и толщины стенки вала эффективность такой системы охлаждения снижается; с увеличением диаметра трущейся поверхности вала — возрастает (рис. 9); длина подшипника не оказывает влияние. При жидкостном охлаждении, в большинстве случаев, охлаждение полимерного композиционного подшипника менее эффективно (рис. 5, 6). Однако в тех случаях, когда подшипник выполнен из материала, который имеет более высокий коэффициент теплопроводности (например, для 7В-2А: ^ = 8,7 Вт/ (мК)) эффективность такой схемы охлаждения существенно возрастает (рис. 5). При этом необходимо учитывать следующее: с увеличением диаметра трущейся поверхности вала (рис. 9) и толщины стенки подшипника эффективность такой системы охлаждения снижается; длина подшипника и угол контакта (рис. 8) не оказывают влияние. Значения коэффициента теплоотдачи и температуры охлаждающей среды, необходимые для обеспечения работоспособности несмазываемого подшипника, в каждом конкретном случае (рис. 4 — 9) определяются схемой охлаждения, свойствами конструкционных материалов, режимом эксплуатации и конструктивным исполнением трибосопряжения.

Таким образом, в работе проведено комплексное расчетно-параметрическое исследование, направленное на поиск путей совершенствования конструктивного исполнения несмазываемого подшипника и системы его охлаждения, в результате которого установлены закономерности влияние различных режимных и конструктивных параметров на тепловое состояние, а также представлен сравнительный анализ влияния различных схем принудительного охлаждения на эффективность рассеивания мощности тепловыделений. Установлено, что эффективные режимы принудительного охлаждения индивидуальны и зависят от свойств композиционного материала, режима эксплуатации и конструктивного исполнения трибосопряжения. Разработаны рекомендации по проектированию таких трибосопряжений, в том числе:

—для компрессорных и расширительных машин и агрегатов, в которых газ имеет температуру ниже 293 К, целесообразно реализовывать систему охлаждения серповидного пространства путем продувки газом;

—для компрессорных и расширительных машин и агрегатов, содержащих жидкостную систему

охлаждения, целесообразно реализовывать охлаждение несмазываемого опорного подшипникового узла путем прокачки жидкости через отверстие в валу;

—охлаждение полимерного композиционного подшипника скольжения целесообразно реализовывать в случае, когда другие варианты выполнить невозможно.

Библиографический список

1. Воронков, Б. Д. Подшипники сухого трения / Б. Д. Воронков. — 2-е изд., перераб. и доп. — Л. : Машиностроение, 1979. — 224 с.

2. Трение и модифицирование материалов трибосистем : учеб. пособие для вузов по специальности «Триботехника» / Ю. К. Машков [и др.] ; под. ред. Ю. К. Машкова ; РАН Сиб. отд-ние, Ин-т сенсор. микроэлектроники. — М. : Наука, 2000. — 280 с.

3. 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.

4. 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.

5. Юша, В. Л. Моделирование температурных полей в охлаждаемых несмазываемых подшипниках малорасходных турбоагрегатов / В. Л. Юша, Н. А. Райковский // Омский научный вестник. - 2012. - № 1(107). - С. 171-174.

6. 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 : Слово, 2011. - Т. 2. - С. 132- 138.

7. Юша, В. Л. Исследование теплового состояния и трибологических характеристик полимерных охлаждаемых опор «сухого» трения / В. Л. Юша, Н. А. Райковский // Вибронадежность и герметичность центробежных машин : моногр. (коллективная) / под ред. В. А. Марцинковского, А. В. Загорулько. -Сумы : СумГУ, 2011. - С. 306-314.

ЮША Владимир Леонидович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Холодильная и компрессорная техника и технология».

РАЙКОВСКИЙ Николай Анатольевич, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология».

ЧЕРНОВ Герман Игоревич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология».

Адрес для переписки: e-mail: yusha@omgtu.ru

Статья поступила в редакцию 19.07.2012 г.

© В. Л. Юша, Н. А. Райковский, Г. И. Чернов

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА