Содержание к диссертации
Введение
Принятые основные обозначения 19
1 Целесообразность регулирования трибопараметров подшипниковых узлов и зубчатых передач применением модифицированных сма зочных материалов 21
1.1 Условия работы подшипников скольжения в зависимости от смазочной среды, характера движения и состояния поверхнос тей 21
1.1.1 Гидродинамическая смазка и условия существования слоя смазочного материала в подшипниках скольжения 21
1.1.2 Нестационарное движение вала подшипников скольжения в смазочной среде 29
1.1.3 Зависимость трибопараметров от состояния поверхностей подшипников скольжения 32
1.2 Трибонадежность и ресурс работы подшипников качения с учетом влияния смазочного материала 36
1.2.1 Факторы работоспособности подшипников качения 36
1.2.2 Критерии работоспособности подшипников качения в зависимости от действия смазочного материала 40
1.3 Место смазочных материалов в процессах износа зубчатых передач 46
1.3.1 Износостойкость и выносливость зубчатых передач в смазочной среде 46
1.3.2 Основные подходы к расчету зубчатых передач с учетом влияния смазочного материала 51
1.4 Проблемы оптимизации триботехнических характеристик смазочных материалов для подшипниковых узлов и зубчатых передач 55
1.4.1 Триботехнические свойства смазочных материалов в узлах трения подшипников и зубчатых зацеплений 55
1.4.2. Пластичные смазочные композиции с улучшенными антифрикционными и противоизносными свойствами для подшипников и зубчатых зацеплений 62
1.4.3 Жидкие смазочные материалы с повышенными триботехническими свойствами для подшипников и зубчатых зацеплений 72
Выводы к разделу 1 76
2 Создание аналитико-численных методов расчета подшипников скольжения для разработки путей оптимизации их трибопараметров 80
2.1 Движение смазочного материала в подшипнике скольжения 81
2.2 Триботехнические параметры подшипников скольжения в зоне гидродинамического контакта упругих поверхностей 100
2.3 Оценка состояния смазочного слоя в условиях стационарного движения вала 106
2.4 Влияние нестационарных движений вала на условия смазки подшипников скольжения 112
2.4.1 Уравнение нестационарных движений вала подшипника скольжения 114
2.4.2 Вариации нестационарных движений вала подшипника скольжения в зависимости от свойств смазочного материала, упругих характеристик сопряженных поверхностей вала и вида нагружения 122
2.5 Влияние волнистости поверхности вала на характеристики смазочного слоя подшипника скольжения 139
2.6 Физическое моделирование процессов трения и изнашивания
в контактных зонах подшипников скольжения 145
Выводы к разделу 2 152
3 Управление ресурсом работы и трибопараметрами подшипников качения действием модифицированных смазочных материалов 154
3.1 Значение режимов смазки в оценке долговечности и трибо-параметров подшипников качения 154
3.2 Прогнозирование ресурса работы подшипников качения в присутствии модифицированных смазочных материалов Х59
3.3 Моделирование влияния смазочных композиций на трибопара-метры подшипников качения с целью создания новых смазоч ных материалов
Выводы к разделу 3 190
4 Влияние фрикционных процессов в зубчатых передачах на контакт ные характеристики 192
4.1 Напряжения в зонах контакта зубчатых передач при упруго-пластических деформациях в среде смазочных материалов 192
4.2 Распределение усилий по профилю зуба зубчатого зацепления 197
4.3 Аналитический прогноз износа зубчатых передач в присутствии смазочных материалов 201
4.4 Корректировка величины допускаемых контактных напряжений действием смазочных материалов 212
Выводы к разделу 4 214
5 Оптимизация трибопараметров подшипниковых узлов и зубчатых передач применением новых пластичных смазочных композицийс ультрадисперсными добавками 216
5.1 Выбор добавок, обеспечивающих улучшенные триботехнические свойства смазочных композиций 216
5.2 Создание новых смазочных композиций с оптимальными трибо-техническими характеристиками путем модифицирования порошками ультрадисперсных материалов 222
5.3 Эксплуатационные и триботехнические параметры новых пластичных смазочных композиций в подшипниковых узлах и зубчатых передачах 232
5.3.1 Оборудование и методики для оценки триботехнических характеристик смазочных композиций 233
5.3.2 Оценка триботехнических свойств смазочных материалов 242
5.3.3 Оптимизированные трибопараметры подшипниковых узлов 254
5.3.4 Механизм влияния добавок ультрадисперсных материалов на антифрикционные и противоизносные характеристики 260
Выводы к разделу 5 265
6 Создание жидких смазочных материалов для оптимизации трибо параметров подшипниковых узлов и зубчатых передач 267
6.1 Триботехнические характеристики жидких смазочных композиций с добавками ультрадисперсных материалов 268
6.2 Эксплуатационные и реологические характеристики модифицированных жидких смазочных материалов 274
6.2.1 Влияние давления на смазочную способность жидкого смазочного материала 274
6.2.2 Термоокислительная стабильность и температурная стойкость жидких смазочных композиций 278
6.2.3 Оценка сроков службы смазочных материалов 281
6.2.4 Влияние ультрадисперсных материалов на реологические характеристики смазочных композиций 285
6.3 Оптимизированные трибопараметры подшипниковых узлов в присутствии жидких смазочных композиций 288
6.4 Оптимизация трибопараметров зубчатых передач применением жидких смазочных материалов 293
6.5 Механизм действия жидких смазочных композиций в зонах фрикционного контакта 305
Выводы к разделу 6 310
7 Практическое применение результатов исследований для оптими зации рабочих параметров трансмиссионных передач и приводов машин и механизмов 312
Заключение 325
Список использованных источников
- Гидродинамическая смазка и условия существования слоя смазочного материала в подшипниках скольжения
- Триботехнические параметры подшипников скольжения в зоне гидродинамического контакта упругих поверхностей
- Прогнозирование ресурса работы подшипников качения в присутствии модифицированных смазочных материалов
- Аналитический прогноз износа зубчатых передач в присутствии смазочных материалов
Введение к работе
Надежность и работоспособность машин и агрегатов обеспечивается во многом безотказной работой передаточных механизмов и их опор, создающих конструктивное оформление технических устройств. Теории создания и практическому воплощению вращающихся опор и передаточных механизмов посвящено достаточно много работ. Они касаются выбора геометрии зацепления, расчетов и конструкторских решений по созданию зубчатых, червячных, винтовых, волновых и других видов передач. Не меньшее место в исследованиях отводится подшипниковым опорам скольжения и качения, успешная эксплуатация которых обеспечивается оптимальным выбором типа подшипника, научно обоснованными расчетами на прочность и долговечность. Объединяющим началом в этих двух группах деталей машин является выбор смазочного материала и режима смазки, особенно для устройств, работающих в запыленных условиях эксплуатации, и в машинах одноразовой смазки.
Подшипники скольжения нашли широкое применение по ряду достоинств: простоте конструктивного исполнения, долговечности в работе, незначительным габаритам в радиальном направлении, малой удельной массе по отношению к воспринимаемым нагрузкам, стойкости к ударным и временным перегрузкам, высокой жесткости, потребной при точной центровке валов. Однако, при эксплуатации подшипников скольжения возникают проблемы, связанные с ускоренным износом деталей из-за нарушения условий смазки, обеспечивающих гидродинамический режим на всех периодах работы.
Основы гидродинамической теории смазки были заложены русским ученым Н. П. Петровым. Далее они были уточнены исследованиями Н. Е. Жуковского, С. А. Чаплыгина. Большой вклад в развитие теории гидродинамической смазки внес О. Рейнольде и его последователи. В последующем теоретические разработки по направлениям школ русских
ученых и направлению в духе уравнения и идей О. Рейнольдса, были развиты работами В. А. Воскресенского, В. И. Дьякова, М. А. Галахова, А. К. Дьячкова, Д. С. Коднира, М. В. Коровчинского, А. С. Лейбензона, А. К. Никитина, С. А. Чернавского и других авторов. Значительное место в исследованиях отводится проблеме устойчивости движения валов в подшипниках скольжения. Они, в частности, важны тем, что во многом могут ответить на вопрос о сохранении режима гидродинамической смазки в подшипнике скольжения, нарушение которого приводит к быстрой или катастрофической потере работоспособности. Здесь следует отметить работы К. С. Ахвердиева, А. Г. Бургвица, X. Гуммеля, М. В. Коровчинского, А. Стодолы, С. А. Чернавского.
В настоящее время назрела необходимость уточнения отдельных положений теории гидродинамической смазки с позиций применения в подшипниках скольжения новых смазочных материалов, имеющих улучшенные антифрикционные, противоизносные и эксплуатационные характеристики.
Подшипники качения предпочтительны тем, что они обладают малыми потерями на трение, особенно в период пуска, незначительными габаритами в осевом направлении, простотой ухода в эксплуатации, низкой стоимостью в условиях серийного производства, отлаженной технологией массового изготовления. Вместе с тем, они недостаточно долговечны и надежны при высоких скоростях и динамических нагрузках, не всегда могут обеспечить требуемую точность движения при применении в точных механизмах. Подшипники качения весьма чувствительны к условиям смазки и видам смазочного материала. Нарушение режимов смазки и неудачный подбор смазочного материала вызывает катастрофический выход подшипника из рабочего состояния. Оценка работоспособности и возможности увеличения сроков службы подшипников качения за счет обеспечения требуемых режимов смазки и смазочных материалов были исследованы
A. M. Бурмистровым, В. В. Вайнштоком, М. А. Галаховым, К. Г. Ганом, Д. Н. Гаркуновым, Ю. Н. Дроздовым, Д. С. Кодниром, Б. И. Костецким, С. В. Пинигиным, В. В. Синициным, О. Н. Черменским и другими авторами.
К узлам трения, находящихся в условиях эксплуатации, подобных подшипникам качения, относятся зубчатые передачи. Несмотря на весьма широкий аспект исследований по работоспособности зубчатых передач, проблемы улучшения показателей надежности и долговечности последних не потеряли своей актуальности. Важное место здесь отводится износостойкости зубчатых зацеплений которая во многом обеспечивается режимами смазки и видом смазочных материалов. Влияние различных факторов на показатели износостойкости и выносливости, на эксплуатационные характеристики зубчатых передач, рациональное применение смазочных материалов и их разработка отражены в работах Н. А. Буше, Д. Н. Гаркунова, Ю. А. Евдокимова, Ю. Н. Дроздова, Д. С. Коднира, В. И. Пинегина, Ю. А. Розенберга, Г. К. Трубина, Л. Д. Часовникова и др.
Как уже подчеркнуто, подшипниковые узлы и зубчатые передачи часто теряют работоспособность по причинам, связанным со смазкой и смазочным материалом, выражающимся в неудовлетворительном смазывании, неправильно подобранном смазочном материале, потере его смазочных свойств и других факторов. Превалирующая функция смазочных материалов заключается в обеспечении минимальных величин сил трения между контактирующими поверхностями, в уменьшении износа, предотвращении задира, заедания и сваривания, защите от коррозии. Поэтому основное внимание при разработке смазочных композиций уделяется их антифрикционным, противоизносным и противозадирным свойствам с соблюдением требований по всем другим параметрам, обеспечивающим их применимость. Проблемы надежности и долговечности работы подшипниковых узлов и зубчатых зацеплений за счет действия смазочного материала подробно исследованы в работах И. А. Буяновского, В. В. Вайн-
штока, М. А. Галахова, Д. Н. Гаркунова, Ю. Н. Дроздова, Д. С. Коднира, Р. М. Матвеевского, В. И. Пинегина, В. В. Синицына и ряда других.
Анализ литературных источников свидетельствует, что применение различного рода добавок для улучшения эксплуатационных свойств смазочных материалов стало одним из главных направлений при их разработке. Подбор и применение добавок к смазочным материалам -довольно сложная проблема, и для ее успешного решения необходимы исследования по оценке влияния добавок на реологические свойства смазочных материалов, на механо-химические свойства материалов контактирующих поверхностей, по технологии получения добавок и методов введения их в смазочные материалы. Значительные результаты в области применения твердых добавок к смазочным материалам получены такими учеными, как Н. А. Буше, Ю. Л. Ищук, А. А. Поляков, В. В. Синицын, И. Г. Фукс. После открытия Д. Н. Гаркуновым и И. В. Крагельским явления избирательного переноса, большое внимание стало уделяться добавкам, способным образовывать на поверхностях трения металлоплакирующую пленку. Механизм влияния таких добавок на свойства смазочных материалов представлен в работах Д. Н. Гаркунова, И. В. Крагельского, А. А. Полякова, В. Д. Евдокимова, С. И. Дякина, В. М. Кремешного.
В настоящее время широкое распространение стали находить смазочные композиции (жидкие и пластичные) в состав которых вводятся ультрадисперсные, или нанодисперсные, порошки металлов, оксидов, полимеров, углерода, алмазографита и др. По оценкам теоретических и экспериментальных исследований, выполненных П. А. Витязем, Б. М. Гинзбургом, М. И. Люты, Г. В. Саковичем, Д. Г. Точильниковым, эти добавки могут создавать в зоне контакта разделительный слой между контактирующими поверхностями. Кроме того, твердые и сверхтвердые частицы способны изменить микрорельеф контактной зоны, заполняя микронеровности и сглаживая микровыступы, что уменьшает контактные
давления. Ультрадисперсные добавки заметно улучшают триботехнические характеристики смазочного материала, они обладают специфическими способностями, повышая нагрузочно-скоростные диапазоны работы, снижая интенсивность коррозионно-механического изнашивания.
Среди ультрадисперсных материалов следует особо отметить углеродо-содержащие ультрадисперсные добавки. Так, проведенные исследования смазочных композиций (П. А. Витязь, Г. В. Сакович, А. М. Ставер, В. Е. Редькин) с добавками порошка ультрадисперсного алмазографита подтвердили их положительное влияние на эксплуатационные свойства, часто превосходящие другие наполнители на основе ультрадисперсных частиц.
Вместе с тем, практически отсутствуют исследования, содержащие рекомендации по теории и практике использования ультрадисперсных добавок в смазочных материалах для опор вращения и передаточных механизмов на базе подшипниковых узлов и зубчатых передач. В связи с чем, вопросы методики расчета, методологии получения, создания и применения модифицированных смазочных композиций в указанных узлах механизмов являются новыми и актуальными.
Актуальность диссертационной работы определяется тем, что показатели надежности и долговечности работы подшипниковых узлов и зубчатых передач могут быть улучшены на стадии проектирования оптимизацией их трибопараметров (моментов и сил трения, коэффициентов трения, износостойкости и интенсивности изнашивания) путем создания и применения новых смазочных материалов, модифицированных ультрадисперсными добавками.
Цель диссертационной работы. Повышение функциональных и эксплуатационных характеристик узлов, механизмов и машин, содержащих подшипники качения и скольжения, а также зубчатые передачи, применением новых смазочных материалов, модифицированных ультрадисперсными добавками.
Задачи исследований.
Разработать аналитико-численные методы расчета подшипников скольжения в стационарном и нестационарном режимах, которые позволят на стадии проектирования и последующей эксплуатации оценить влияние условий смазки и создать смазочные материалы, улучшающие функциональные параметры машин, особенно в опасных режимах работы.
Получить аналитико-эмпирические уравнения долговечности и момента трения подшипников качения с учетом влияния смазочного материала, модифицированного добавками ультрадисперсных наполнителей.
Оценить влияние добавок ультрадисперсных материалов в смазочные композиции на трибопараметры подшипниковых узлов (моменты и силы трения, коэффициенты трения, износ и интенсивность изнашивания).
Выполнить исследования по сравнительной оценке процесса усталостного разрушения поверхностных слоев профилей зубьев зубчатых передач с применением новых смазочных композиций с улучшенными антифрикционными и эксплуатационными свойствами на основе добавок ультрадисперсных порошков модифицированной технической сажи.
Создать новые жидкие и пластичные смазочные композиции с углеродосодержащими ультрадисперсными добавками для подшипниковых узлов и выполнить комплекс испытаний по оценке их эксплуатационных свойств в модельных, стендовых и реальных условиях работы.
Исследовать механизм качественного и количественного влияния добавок на основе порошков ультрадисперсных материалов на трибо-процессы, протекающие в зонах контакта поверхностей деталей подшипниковых узлов и зубчатых передач в условиях граничной и смешанной смазки.
Научная новизна работы состоит в том, что:
- разработан аналитико-численный метод анализа работы подшипников скольжения, учитывающий реологические свойства смазочного
материала, упругие деформации и топографию поверхностей деталей подшипника, конструктивное исполнение и характер нагружения, что позволило получить уравнения движения смазочного материала, численным решением которых найдены характеристики смазочного слоя, и уравнения стационарного и нестационарного движений вала подшипника, численным моделированием которых установлены траектории движения и смещения оси вала в зависимости от времени;
предложен метод аналитико-эмпирической оценки долговечности и трибопараметров подшипников качения в зависимости от свойств смазочных материалов, модифицированных ультрадисперсными добавками, позволивший прогнозировать изменение трибопараметров и рабочих характеристик подшипников качения;
разработана методика расчета напряжений и давлений в зонах контакта зубчатых передач, учитывающая упруго-пластические деформации поверхностей, покрытых слоем смазочного материала;
- сформулированы концептуальные подходы к созданию новых
смазочных материалов, модифицированных ультрадисперсными добавками,
включающие в себя рекомендации по материалу ультрадисперсных добавок,
размерному диапазону частиц, оптимальной концентрации, технологии
изготовления и областям применения;
созданы новые жидкие и пластичные смазочные материалы с повышенными антифрикционными, противоизносными и противозадирными свойствами для применения в подшипниковых узлах и зубчатых передачах в качестве средства, способного улучшить триботехнические и эксплуатационные характеристики;
получены функциональные и графические зависимости эксплуатационных характеристик созданных смазочных композиций, дающие возможность осуществлять оценку рабочих параметров подшипниковых узлов и зубчатых передач при вариациях скоростных и нагрузочных факторов;
- исследован механизм действия ультрадисперсных добавок в базовых смазочных материалах, что позволило предложить рекомендации по обеспечению повышенных антифрикционных, противоизносных и противозадир-ных показателей узлов трения.
Практическая значимость работы. Разработаны методы математического и численного моделирования динамики работы подшипников скольжения и оценки долговечности подшипников качения, которые позволяют на стадии конструкторских решений выработать обоснованные рекомендации по выбору смазочных материалов, обеспечивающих повышенную трибо-надежность подшипниковых узлов и зубчатых передач. Созданы пластичные смазочные композиции, содержащие добавки на основе порошков ультрадисперсных материалов, прошедшие широкий спектр испытаний по оценке эксплуатационных, антифрикционных и противоизносных свойств и апробированные в производственных условиях. Получены жидкие смазочные материалы с добавками из порошков ультрадисперсных материалов, показавшие высокие триботехнические и эксплуатационные свойства в ходе лабораторных, модельных и натурных испытаний. Разработаны оригинальные методики и оборудование по исследованию эксплуатационных и триботехничес-ких свойств смазочных материалов, а также оценке работы подшипниковых узлов и зубчатых передач. Результаты работы внедрены на ряде промышленных предприятий.
На защиту выносятся:
Методы аналитико-численного анализа поведения слоя смазочного материала, стационарного и нестационарного движений вала подшипника скольжения, позволяющие учесть конструктивные особенности подшипниковых узлов, характер нагружения, свойства смазочного материала, упругие характеристики и состояние контактирующих поверхностей.
Методики расчета и прогнозирования долговечности работы подшипников качения в присутствии смазочных материалов, модифицированных ультрадисперсными добавками, а также алгоритмы оценки изменения важнейшей трибохарактеристики подшипников качения -момента трения - в зависимости от свойств модифицированных ультрадисперсными добавками смазочных материалов.
Результаты комплексных исследований по оценке эксплуатационных и триботехнических параметров цилиндрических зубчатых передач посредством применения разработанных смазочных материалов с ультрадисперсными добавками.
Рекомендации по созданию жидких и пластичных смазочных материалов, модифицированных ультрадисперсными добавками, а также результаты исследований по установлению их реологических, эксплуатационных и триботехнических свойств.
Результаты экспериментальных оценок трибопараметров подшипниковых узлов и зубчатых передач, работающих в смазочных материалах, модифицированных ультрадисперсными добавками, в условиях модельных стендовых и эксплуатационных испытании.
Данные исследований механизма количественно-качественного действия добавок на основе порошков ультрадисперсных материалов по улучшению триботехнических свойств смазочных композиций, применяемых в подшипниковых узлах и зубчатых передачах общего назначения.
Достоверность результатов исследований по оценке трибопараметров подшипников качения, динамике движения вала подшипников скольжения, рабочих характеристик зубчатых передач, коэффициентов трения, сил и моментов трения, износостойкости материалов достигается за счет использования испытательного и регистрирующего оборудования, позволяющего с достаточной точностью осуществлять измерения требуемых параметров в процессе испытаний, а также обработки полученных
результатов с применением современных средств вычислительной техники и программного обеспечения.
Методы исследований. Были использованы положения теории гидродинамической смазки, теории и методов расчета долговечности подшипников качения, теории износостойкости и выносливости зубчатых зацеплений, теории трения, износа и смазки, методов экспериментальной механики, теории экспериментов, теории дифференциальных уравнений, методов и средств аналитико-численного моделирования.
Апробация работы. Основные положения работы рассматривались на XI Международном симпозиуме по механохимии и механоэмиссии твердых тел (Чернигов, 1990 г.), 6-й международной конференции - выставке «Технология ремонта, восстановления, упрочнения и обновления машин, механизмов, оборудования и металлоконструкций (Санкт-Петербург, 2004 г.)», международной научно-технической конференции «Проблемы обеспечения качества изделий в машиностроении» (Красноярск, 1994 г.), второй международной конференции «Износостойкость машин» (Брянск, 1996 г.), межрегиональной конференции с международным участием «Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы» (Красноярск, 1999 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Перспективные материалы, технологии и конструкции» (Красноярск, 1999 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы» (Красноярск, 2003 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Инновации в машиностроении» (Пенза, 2003 г.), научно-технических семинарах по машиноведению и триботехнике в Красноярском государственном техническом университете (1998-2003 гг.).
Работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 гг.», проект № Б 0017/850 «Развитие интеграции академической и вузовской науки в рамках Красноярского научно-образовательного центра высоких техноло-
гий»; комплексной межвузовской программы «Алмазные нанотехнологии» (1992-1994 гг.); региональной научно-технической программы «Экология, новые технологии и материалы Красноярского края» (1993-1994 гг.); межвузовской программы «Университеты России», раздел «Фундаментальные исследования в технических университетах», подраздел 2.6 «Проблемы создания спецтехники» (1994-1995 гг.).
Результаты исследований внедрены во ФГУП «Красноярский машиностроительный завод», ОАО «Красноярский завод лесного машиностроения», ОНО «Красноярский опытный завод ГОСНИТИ», ФГУП «Красноярская железная дорога», ОАО «Красноярская ГРЭС-2», ОАО «РОЛТОМ», ЗАО «Томские трансмиссионные системы», ОАО «Верхневолжские магистральные нефтепроводы», ОАО «Хакасэнерго», ОАО «Березовский угольный разрез» и др.
Научные разработки используются в учебном процессе при подготовке специалистов специальностей «Триботехника», «Оборудование и технология повышения износостойкости деталей машин и аппаратов», а также при преподавании дисциплин, связанных с конструкторской подготовкой студентов механического профиля. По результатам научных исследований под руководством соискателя защищено 3 диссертации на соискание ученой степени кандидатов технических наук по тематике, совпадающей с научными исследованиями, представленными в данной работе.
Личный вклад автора. Автору принадлежит постановка проблемы и задач данного исследования, обоснование, формулировка и разработка всех положений, определяющих научную значимость работы, формулировка задач теоретических и экспериментальных исследований, участие в экспериментальных исследованиях, анализ и обобщение результатов, формулировка выводов и заключений для принятия решений.
При решении отдельных задач принимали участие работающие под научным руководством автора С. Г. Докшанин, А. Е. Митяев (защищены кандидатские диссертации). Автор выражает признательность за помощь и поддержку, оказанную при выполнении диссертационной работы, сотрудникам кафедры «Теоретическая механика и триботехника» Красноярского государственного технического университета; лично д-ру физ.-мат. наук, проф. Н. В. Еркаеву, доц., канд. техн. наук С. И. Щелканову, проф., канд. техн. наук В. Е. Редькину, проф., канд. техн. наук Б. И. Ковальскому.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 50 научных работ, в том числе 2 монографии, 1 справочное пособие, 1 патент и 1 авторское свидетельство.
Объем и структура диссертации. Материалы диссертационных исследований представлены на 402 страницах основного текста, включающих 104 рисунка и 28 таблиц. Работа состоит из введения, 7 разделов, основных выводов, библиографического списка из 386 наименований, 17 приложений.
Гидродинамическая смазка и условия существования слоя смазочного материала в подшипниках скольжения
Непременным условием успешной работы подшипников скольжения является обеспечение режима гидродинамической смазки, теоретическое обоснование и объяснение которого продолжается до настоящего времени. Основы гидродинамической теории смазки были заложены трудами Н. П. Петрова, в которых он впервые /217/ доказал возможность применения уравнение Навье-Стокса к задаче о движении смазочного материала в подшипнике и дал ее решение для соосных шипа и подшипника бесконечной длины. Допуская возможность скольжения вязкой жидкости по твердым стенкам, Н. П. Петров, наряду с внутренним трением, рассматривал и внешнее трение жидкости о стенки, получив зависимости для сил трения на поверхности шипа и момента сил трения относительно оси шипа. Полученные формулы гидродинамической теории смазки могли служить основой рационального проектирования подшипников.
Недостатком теории Н. П. Петрова была гипотеза о соосности шипа и подшипника. В таких условиях шип не может нести нагрузку. На это было указано Н. Е. Жуковским в работах /128, 129, 130/, в которых выдвигается положение о том, что шип может нести нагрузку только при эксцентричном положении по отношению к подшипнику. Следует отметить, что в уравнениях движения смазочного слоя Н. Е. Жуковский учитывает кривизну слоя и часть сил инерции. Далее решается линейная задача о движении вязкой жидкости между поверхностями двух эксцентрических круглых цилиндров, вращающихся вокруг своих осей, удается получить частное решение и применить его для случаев, когда шип и подшипник вращаются с равными угловыми скоростями в противоположные стороны и когда тяжелый горизонтальный цилиндр вращается перед вертикальной пластинкой, бегущей снизу вверх. Был намечен подход к полному решению плоской линейной задачи.
Практически одновременно О. Рейнольдсом /183/ рассматривается задача о движении жидкости в тонком смазочном слое между двумя равномерно вращающимися цилиндрическими поверхностями. О. Рейнольде упрощает уравнения движения жидкости, отбрасывая все инерционные члены и пренебрегая кривизной поверхности. Кроме того, он не учитывает в уравнениях движения значительную часть членов, связанных с силами вязкости. В результате задача сводится к интегрированию одного дифференциального уравнения для давления в смазочном слое, которое называют уравнением Рейнольдса ( з Ър\ д (1Ъ др\ „ t . \ дк дх У дх j + dz /г V dzJ = 6-ІІ(Щ +и2) + 12-u-v2 дх где х, z - координаты; h - толщина смазочного слоя; р - давление; ц - коэффициент вязкости смазочной жидкости; щ - скорость точек контура первой поверхности, направленной по касательной; и2 и V2 - скорости точек второй поверхности, направленных соответственно по касательной и нормали.
В этом уравнении граничные условия для скорости жидкости удовлетворены и требуют уточнения граничные условия для давления.
Вместе с тем, О. Рейнольдсу не удалось проинтегрировать точно упрощенное уравнение, что заставило воспользоваться разложением решения по синусам и косинусам кратных дуг. В работе не учитывается возможность полного охвата шипа подшипника смазочным слоем, но вводится гипотеза о том, что нагрузка делит пополам смачиваемую дугу охвата шипа подшипника.
Дальнейшее развитие гидродинамическая теория смазки получила в работах А. Зоммерфельда, в которых он решает плоские задачи в приближенной постановке, близкой к постановке О. Рейнольдса. А. Зоммерфельд установил принцип гидродинамической теории смазки и показал, что здесь основную роль играет безразмерный параметр, называемый числом Зоммерфельда.
Основным допущением в исследованиях А. Зоммерфельда является предположение, что смазочный слой полностью охватывает шип, и давление в нагруженной и ненагруженной области подшипника распределяется симметрично. Однако, анализ, проведенный впоследствии Л. С. Лейбензоном /183/ и подтвержденный С. М. Таргом /278/, показали, что все пространство между шипом и подшипником будет полностью заполнено смазочным материалом при числах Зоммерфельда -So 0,153 и относительных эксцентриситетах є 0,3, т. е. вблизи центрального положения шипа в подшипнике. Тем не менее, аналитическое решение А. Зоммерфельда составляет основу математических методов в теории смазки.
Плоская линейная задача об установившемся движении смазочного материала между эксцентрично расположенными шипом и подшипником, когда жидкость заполняет все пространство между ними, получила строгое решение в работах Н. Е. Жуковского и С. А. Чаплыгина /130/. В уравнениях
Навье-Стокса Н. Е. Жуковский и С. А. Чаплыгин отбрасывают только нелинейные инерционные члены. Затем вводят функцию тока и получившееся бигармоническое уравнение решают точно, используя биполярную систему координат. Полученные результаты были представлены в виде, позволяющем с равнить их с результатами экспериментов и выявить, таким образом, достоинства и недостатки предлагаемых теоретических положений. С другой стороны, стало возможным дать оценку приближенной теории О. Рейнольдса и А. Зоммерфельда для плоской задачи. Было показано, что приближенные формулы А. Зоммерфельда получаются из решения Н. Е. Жуковского - С. А. Чаплыгина при очень тонком слое.
В целом, в гидродинамической теории смазки сложилось два подхода. Первый подход базируется на уравнении Рейнольдса, в котором отбрасываются не только все нелинейные инерционные члены, но и часть линейных членов, порожденных кривизной смазочного слоя. Здесь характерно решение задачи с использованием приближенных графических и численных методов интегрирования.
Триботехнические параметры подшипников скольжения в зоне гидродинамического контакта упругих поверхностей
Из условий работы подшипников скольжения следует, что, благодаря быстрому вращению вала, температура поверхности выравнивается в направлении вращения вала. Конкретное значение температуры вала зависит от мощности тепловыделения в слое, а также от коэффициента теплообмена вала с окружающей средой. Равенство (2.30) и закон теплопроводности (2.17) позволяют оценить поток тепла на единицу поверхности вала: 2 = «- о)// = цГ 2/й, (2.31) где h - расстояние между поверхностями цилиндров.
Интегрируя выражение (2.31) по поверхности вала Е, можно получить полный поток подводимого тепла, который должен быть равен оттоку тепла через торцы: \\QdSdL = \\\iV 21 h dSdL = у (Г, - Т ), где у - коэффициент теплообмена, ТІ - температура окружающего пространства.
Следует отметить, что отношение A/R - малый параметр задачи. Уравнения существенно упрощаются, если пренебречь всеми членами, пропорциональными степеням малого параметра. При этом наибольшая погрешность может быть связана с исчезновением из уравнений движения нелинейных инерционных членов, малость которых не вполне очевидна, так как они умножаются на большое число Рейнольдса. Поэтому следует разграничить два случая: 1) Re А2//?2« 1, инерционные члены пренебрежимо малы; 2) Re A2/R2 1, инерционные члены нужно учитывать. Аналогичная проблема возникает с уравнением баланса тепла, в котором конвективные члены умножаются на параметр Пекле Ре A2/i?2. Поэтому здесь также возможны два варианта: 1) Ре A /R « 1, конвективный перенос тепла пренебрежимо мал; 2) Ре A IR 1, конвективный перенос тепла следует учитывать.
Из уравнения для нормальной компоненты скорости видно, что производная безразмерного давления вдоль нормали к слою очень мала. Эта произ-водная имеет порядок Re (А/і?) . Пренебрежение малыми членами приводит к асимптотическому уравнению дП дп = 0, (2.32) из которого следует вывод, что давление не меняется поперек слоя и зависит только от поверхностных координат (L, S). Предполагая выполненным условие (2.32), приближенные уравнения Стокса примут вид дП д f dv ds дп\ дп \ дП д („диЛ dl — ц— дп\ дп (2.33) Они выражают условие баланса сил, согласно которому сила вязкостного сопротивления уравновешена градиентом давления. Однако в общем случае нужно учитывать зависимость вязкости от температуры и решать уравнения (2.33) совместно с уравнениями баланса тепла (2.29). Если пренебречь конвективными членами в уравнении (2.29), то упрощенное уравнение баланса тепла выглядит следующим образом:
Для уравнения (2.34) следует сформулировать граничные условия, которые на внешней границе должны подчиняться условиям непрерывности температур и потоков тепла: ц Vі дп ц V2 дп (2.35) Здесь индексом «О» отмечены параметры внешнего цилиндра. Аналогичные условия должны быть выполнены на поверхности вращающегося вала: в = я,е = % f = -2L L. (2.36) i Vі дп \х Vі дп v } Здесь индексом «1» отмечены параметры, относящиеся к валу, Н- безразмерная толщина слоя.
Для определения температур Г0 и Т\ необходимо решать уравнения теплопроводности в твердых телах.
Таким образом, задачи о переносе тепла в смазочном материале и в твердых телах связаны между собой граничными условиями. В общем случае, с учетом зависимости вязкости от температуры, невозможно определить профили скорости и температуры в отдельно взятом сечении слоя и определить расход жидкости в функции градиента давления в данном сечении. Задачу можно существенно упростить, если считать температуры твердых поверхностей заданными либо вводить коэффициенты теплоотдачи для граничных поверхностей. В первом случае температуры поверхностей можно уточнять методом итераций, во втором - граничные условия принимают следующий вид: ,, = 0, e—jLfaf) =ЛА(Го-г;) (2.37) [iV OH X V В = Я,Є = ?Ц = -7?) (2.38) где уо, Yi - коэффициенты теплоотдачи, отнесенные к единице площади поверхности. Эти коэффициенты зависят от материала и конструкции подшипника.
Исключая разности температур из граничных условий, можно преобразовать выражения (2.37), (2.38) к следующему виду: п = 0, Є = - - , п = Н,в = -\ . (2.39) у0Адп ух1\дп
В итоге распределение температуры смазочного материала поперек слоя определяется из решения краевой задачи для дифференциального уравнения второго порядка относительно параметра 0 (2.34) с граничными условиями (2.39).
Используя оценку для разности температур (2.30), можно получить условие малости изменения вязкости смазочного материала поперек слоя:
При выполнении условия (2.40) коэффициент вязкости становится не зависящим от параметра п. Однако в силу зависимости коэффициента вязкости от давления, он может существенно изменяться вдоль слоя смазочного материала. Поскольку левые части равенств (2.33) не зависят от параметра п, можно проинтегрировать эти уравнения и определить зависимости компонент скоростей и, v от нормальной координаты п: і , тая 1. и = —п(п-Н)-— + — (и1-и0)п + и0, (2.41) 2\а о1 Н 1 . __Ч0Я 1 . v = — n(n-H)— + —r(v1-v0)« + v0. (2.42) 2ц os Я Уравнения движения необходимо дополнить уравнением неразрывности, которое записывается известным образом: du(sj,n,t) dv(s, /,n,t) dw(sj,n,t) Л Г - + - - + а - (2-43 5/ 55 5«
В результате интегрирования равенств (2.41), (2.42) по толщине пленки можно получить выражения расхода смазочного материала Q s через единицу ширины пленки в направлениях L и S:
Прогнозирование ресурса работы подшипников качения в присутствии модифицированных смазочных материалов
В работе подшипников скольжения можно выделить три характерных состояния. Первое отвечает периоду пуска машинного агрегата. В этом состоянии поверхности вала и подшипника находятся в непосредственном контакте и начало движения будет сопровождаться либо режимом граничной смазки, либо, что наиболее опасно, сухим трением. Здесь важнейшая роль в защите контактирующих поверхностей вала и подшипника от разрушения отводится присадкам к смазочным материалам, которые, с одной стороны, сами несут защитные функции, с другой - с участием смазочного материала образуют на поверхностях трения модифицированные слои на основе материала контактирующих деталей подшипника скольжения.
Второе рабочее состояние подшипника скольжения отвечает периоду установившегося движения. В этом режиме реализуется гидродинамическая смазка, в которой предполагается отсутствие непосредственного контакта сопряженных поверхностей. Имеющиеся силы сопротивления обусловлены силами вязкого трения в смазочном слое. Трение и изнашивание сопряженных поверхностей предполагается пренебрежимо малыми. Однако, как показано выше, в режиме установившегося движения ось вала подшипника совершает колебательное движение, перемещаясь по траекториям, подобным эллипсам, спиралям, а также имеющим серповидную форму. При этом давление в смазочном слое носит переменный характер, достигая критических величин, превышающих несущую способность смазочного слоя. Одновременно наблюдается в критических точках утонение толщины смазочного слоя. Все это может привести к состоянию, при котором режим гидродинамической смазки может не выдерживаться. На определенном этапе сближения сопряженных поверхностей подшипника скольжения он может перейти в режим эласто-гидродинамической смазки, а в предельном состоянии процесс перерастет в состояние непосредственного контактирования поверхностей деталей подшипника скольжения. Понятно, что время и площади непосредственного контакта весьма малы. Однако, и в таких условиях без принятия мер по защите контактирующих поверхностей легированием смазочных материалов соответствующими функциональными добавками последствия могут быть катастрофическими (задиры, заедания и, наконец, разрушение подшипникового узла) потому, что указанный процесс сближения и разрыва смазочного слоя будет периодически повторяться за время работы подшипникового узла в установившемся режиме.
Не менее опасно третье состояние работы подшипникового узла во время остановки машинного агрегата, характеризующегося изменением скоростей вращения, переменностью нагрузки, выходу из гидродинамического режима работы, значительными инерционными силами и их моментами. Можно предполагать, что в этот период устойчивость движения вала подшипника скольжения будет еще более возмущена, вызывая дополнительные колебания его, пульсацию нагрузки и давлений в смазочном слое и, как следствие, возрастание роли факторов, переводящих режим жидкостного трения в смешанное с возрастанием вероятности непосредственного контакта поверхностей деталей подшипника скольжения.
Таким образом, обобщая высказанное, можно утверждать, что в подшипнике скольжения не исключен фрикционный контакт сопряженных поверхностей его деталей. Качественную оценку процессов, происходящих в зонах фрикционного контакта в зависимости от нагрузки, скорости скольжения, температуры смазочного материала с целью оптимального выбора смазочного материала, а также функциональных добавок, можно оценить методом электропроводности в зоне контакта.
Нами /280, 281/ были выполнены такие эксперименты на стандартных машинах трения со схемой колодка - цилиндр. При этом через контакт пропускался постоянный ток силой 100 мкА. Измеряемая сила тока менялась в зависимости от электропроводности фрикционного контакта, по которой можно было судить о процессах трения и изнашивания, в нем происходящих. Для исключения влияния электропроводности присадок эксперименты проводились в среде масла ТМ-5-18, чистота которого контролировалась в ходе испытаний фотометрическим методом /280/.
В ходе экспериментов было оценено влияние нагрузки на состояние контактирующих поверхностей. Результаты исследований представлены на рисунке 2.26.
Нагрузка по-разному влияет на образование модифицированных слоев в период приработки. Более интенсивно процесс протекает при нагрузке 30 Я. Однако отклонение от оптимума нагрузки в ту или другую сторону увеличивает период приработки. Но протекающие при этом процессы, определяющие приработку, различны. Так, при уменьшении нагрузки тепловой энергии недостаточно для быстрого роста модифицированных слоев, а с увеличением ее динамическое равновесие между образованием и разрушением слоев смещается в сторону разрушения.
Было промоделировано влияние температуры на процессы трения и изнашивания. Отмечено, что при температурах масла (в объеме) 20-60 С скорость образования модифицированных слоев низкая (рисунок 2.27), они медленно покрывают поверхность контакта. При температурах масла 80-100 С резко увеличивается скорость их образования из-за возрастания объемной температуры металла в контакте. На основании полученных данных установлено, что температура интенсивного образования модифицированных слоев находится в пределах 80-100 С, что важно учитывать в процессе эксплуатации узлов трения.
Аналитический прогноз износа зубчатых передач в присутствии смазочных материалов
Комплексный анализ рассматриваемой функции показал, что снижение коэффициентов а и с приводит к снижению момента трения при сохранении оптимальной концентрации порошка (кривая 2, рисунок 3.14), Однако, при снижении коэффициента а и увеличении коэффициента с происходит значительное повышение момента трения при малой концентрации, а при высоких содержаниях концентрации порошка он повышается незначительно (кривая 3, рисунок 3.14).
Установлено значительное влияние коэффициентов а и Ъ на характер зависимости момента трения. Возрастание значения коэффициента а сказывается на повышение момента трения при малых концентрациях порошка ультрадисперсного алмазографита в смазочном материале, и, наоборот, даже при росте коэффициента Ь, он заметно снижает величину момента трения.
Вариации коэффициентов а, Ъ и с позволяют подобрать оптимальную концентрацию порошка ультрадисперсного алмазографита, при которой удается добиться минимального момента трения в подшипнике качения.
Основываясь на результатах экспериментов и математической оценке зависимости (3.6), ее можно охарактеризовать следующим образом, считая изменения коэффициентов параметрами работы подшипникового узла. Для этого надо полагать, что коэффициент а определяет зависимость смазочного материала от его вязкости fly), коэффициент Ъ - зависимость от температуры flT), коэффициент с - зависимость от контактной нагрузки До) в зоне контакта тел качения.
Анализ зависимости в таком представлении выглядит следующим образом. Поскольку увеличение коэффициента а повышает значения момента трения во всех случаях, то с повышением вязкости смазочного материала растет сопротивление перемещению тел качения, что соответствует имеющимся экспериментальным и теоретическим результатам.
Температура смазочного материала изменяет его вязкость: с повышением температуры вязкость снижается и наоборот, что вполне подтверждается известными исследованиями, в частности общепринятой формулой: где v - кинематическая вязкость смазочного материала; С - постоянная; п - степенной коэффициент, (п = 1-3). Изменение коэффициента с, в качестве параметра контактной нагрузки /( з), также оказывает влияние на изменение момента трения. Повышение давления приводит к повышению вязкости смазочного материала, что определяется формулой Баруса /219/: где \i - динамическая вязкость смазочного материала при заданных давлении и температуре; Цо - динамическая вязкость смазочного материала при атмосферном давлении и температуре; а - пьезокоэффициент вязкости смазочного материала при заданной температуре; р - заданное давление.
Хотя в данной формуле рассматривается вязкость жидких смазочных материалов, она вполне может быть применима к оценке пластичных смазочных материалов. Это подтверждается тем, что в теоретических расчетах ресурса работы подшипников качения /16, 74/, толщины смазочной пленки и установившегося в подшипнике качения режима трения /159/, употребляется вязкость жидкого смазочного материала, служащего дисперсионной средой пластичного смазочного материала.
Можно в целом отметить, что основное влияние на изменение рабочих параметров подшипников отражается на моменте трения для смазочных композиций с содержанием в пределах 0,5-2,5 % порошка ультрадисперсного алмазографита. Влияние концентрации порошка, составляющего более 3 %, на увеличение момента трения в подшипнике качения могут быть незначительными или вообще отсутствуют.
Исходя из представленных объяснений о влиянии смазочного материала на момент трения в подшипнике качения, уравнения (3.6, 3.9) могут быть представлены в виде м {кп)=Mv) - К 4 +k3 №, (зло) где Кц - концентрация порошка ультрадисперсного алмазографита в пластичном смазочном материале; k\, к2, h - коэффициенты пропорциональности; Av) функция вязкости смазочного материала; Д7) - функция изменения температуры; Да) - функция нагрузки в зоне контакта.
Наличие коэффициентов пропорциональности обусловлено выполнением условий существования кривой, описывающей рассматриваемую зависимость Мтр = М Кц). Анализ эмпирических зависимостей показал, что существование кривой, подобной полученной в результате экспериментальных исследований, возможно при условиях, когда величины коэффициентов Ь и с не выходят за границы области значений, которые определяются в результате экспериментальных исследований.
