Введение к работе
Актуальность темы. Возрастающий грузооборот железнодорожного транспорта требует совершенствования технологии ремонта и текущего содержания пути, машинизации всех видов путевых работ. Для решения этой задачи в путевом хозяйстве используется большой парк путевых машин, насчитывающий несколько тысяч единиц и свыше 40 типов машин.
Как известно, наиболее нагруженными и быстроизнашивающимися узлами путевых машин типа ВПР и ВПРС являются подшипниковые узлы подбивочного блока, поставляемые австрийской фирмой «Плассер и Тойрер». Низкий ресурс работы этих узлов продолжает оставаться одной из основных причин преждевременной остановки машин, сокращения времени работы в «окно».
В этой связи в последнее время реализуется такой подход к выбору материалов для изготовления и ремонта деталей, когда механическая прочность обеспечивается применением одного материала, а сопротивление воздействию внешних факторов (износу, коррозии и др.) гарантируется формированием на ее поверхности слоев со специальными функциональными свойствами. Таким образом, обеспечивается надежность и долговечность детали.
Технологические приемы получения антифрикционных покрытий разнообразны, но в последнее время интенсивное развитие получила группа газотермических способов. Они основаны на едином принципе формирования наносимого защитного слоя дискретных частиц, нагретых и ускоренных струей высокотемпературного газа.
Однако диапазон их использования пока сравнительно невелик и не отвечает растущим требованиям производства. Одной из причин является отсутствие научно-обоснованных методов получения многослойных пористых подшипников путем нанесения рабочих слоев газотермическими способами с целью увеличения их несущей способности и проницаемости.
Кроме того, решение проблемы замены подшипников скольжения в подби-вочных блоках путевых машин затрудняется из-за отсутствия систематизированных данных о многослойных пористых антифрикционных материалах, надежно работающих в нагруженных до 28 МПа подшипниковых узлах при скоростях скольжения до 80 м/с. Кроме того, вследствие повышенных требований к эксплуатационной надежности узлов путевых машин требуется комплексный подход к решению данной проблемы с учетом мнения ведущих разработчиков и эксплуатационников отрасли. Поэтому усовершенствование многослойных пористых подшипников скольжения, созданных на основе всестороннего изучения гидродинамических и тепловых процессов, а также способов их получения с полным и точным учетом факторов, связанных с особенностями структуры этих материалов, является одной из актуальных задач машиностроения.
Цель и задачи исследования. Усовершенствование методов расчета многослойных пористых подшипников скольжения машин различного назначения, обеспечивающих их устойчивый режим работы, и разработка современных технологий их получения.
В соответствии с поставленной целью необходимо решить следующие задачи:
разработать метод гидродинамического расчета радиальных подшипников конечной и бесконечной длины с многослойными пористыми вкладышами неременной толщины и с шипом с пористым слоем на рабочей поверхности;
рассмотреть случай, когда нарушается условие гидродинамического режима и появляются контактные взаимодействия шипа и подшипника;
разработать аналитический метод прогнозирования напряженно-деформированного состояния двухслойного пористого вкладыша радиального подшипника под действием гидродинамического давления;
получить аналитические зависимости для основных рабочих характеристик подшипника. Дать оценку влияния числа слоев их толщин и проницаемости на основные рабочие характеристики подшипника;
установить закономерность изменения толщины многослойного пористого вкладыша, обеспечивающего повышенную несущую способность подшипника;
оценить влияние нелинейных факторов, а также коэффициента проницаемости пористого слоя па поверхности направляющей на несущую способность подшипника и на коэффициент трения упорного подшипника, работающего в ламинарном и турбулентном режимах трения;
разработать научные рекомендации по совершенствованию конструкций опорных подшипников подбивочных блоков путевых машин с целью повышения их эксплуатационных характеристик;
разработать современный способ получения слоистых пористых подпшгпшков с вкладышами переменной толщины и пористым слоем на рабочей поверхности шипа;
провести сравнительную экспериментальную оценку основных теоретических результатов и разработать рекомендации по созданию высокоэффективных узлов трения для их внедрения на предприятиях отрасли;
провести промышленную апробацию эксплуатационной надежности и долговечности слоистых пористых подшипников в узлах путевых машин при наиболее характерных условиях их работы.
Основные положения, выносимые на защиту по специальности 05.02.02 -Машиноведение, системы приводов и детали машин
Разработаны методы гидродинамического расчета радиальных пористых подшипников бесконечной и конечной длины с многослойными пористыми вкладышами. Установлены области изменения всех функциональных параметров, обеспечивающих при низком коэффициенте трения повышенную их несущую способность. Для проектно-конструкторских служб создана база данных для проектирования этих подшипников.
Разработаны методы гидродинамического расчета радиальных подшипников бесконечной и конечной длины с многослойными пористыми вкладышами постоянной и переменной толщины и шипом с пористым слоем на рабочей поверхности. Установлены закономерности изменения прошщаемостей пористых слоев и их толщин, обеспечивающих при аномально низком коэффициенте трения повышенную их несущую способность, необходимую жесткость подшипника конечной длины, обладающего уплотнительными свойствами.
Разработана методика расчета упорного подшипника с пористым слоем на поверхности направляющей, работающего в турбулентном режиме трения с минимальной потерей мощности.
Разработана методика расчета напряженно-деформированного состояния двухслойного пористого вкладыша переменной толщины под действием гидродинамического давления. Найдены зависимости перемещений и цапряжений от толщины
5 и проницаемости слоев и условия, обеспечивающие необходимую жесткость подшипника, обладающего при низком коэффициенте трения повышенной несущей способностью.
Разработана технология получения многослойных пористых покрытий, обеспечивающая необходимую прочность сцепления покрытий с основой.
Внедрена промышленная технология получения многослойных пористых подшипников переменной толщины на оборудовании кузнечно-штамповочного производства и в тяжелонагружешшх узлах трения путевых машин.
Основные положення, выносимые на защиту по специальности 05.02.04 -Трение и износ в машинах
На базе комплексного исследования и научного обобщения полученных результатов:
Разработана математическая модель гидродинамической смазки радиальных подшипников бесконечной длины с многослойными пористыми вкладышами переменной толщины. Предложена методика получения аналитических зависимостей для основных рабочих характеристик этих подпшпников и прогнозирование рационального режима их работы.
Разработана математическая модель гидродинамической смазки радиальных подшипников бесконечной длины с многослойным однородным пористым вкладышем, а также радиальных подшипников конечной длины с неоднородным многослойным пористым вкладышем переменной толщины н с пористым шипом. Установлены значения всех функциональных параметров, обеспечивающих при достаточно низком коэффициенте трения повышенную несущую способность и уплотни-телыюе свойство для подшипника конечной длины.
Разработана математическая модель турбулентной смазки упорного подшипника, работающего с минимальной потерей мощности в турбулентном режиме трения.
Разработана методика расчета радиального подшипника с деформируемым двухслойным пористым вкладышем переменной толщины. Найдено напряженно-деформированное состояние вкладыша под действием гидродинамического давления. Дана оценка влияния толщины, проницаемости и свойства материалов пористых слоев на несущую способность и жесткость подшипника.
Разработана технология получения радиальных подшипников с многослойным пористым вкладышем переменной толщины и дана экспериментальная оценка оценка основным теоретическим результатам.
Научная новизна по специальности 05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и детали машин
Разработка математической модели гидродинамической смазки радиальных подшипников конечной длины с многослойными пористыми вкладышами премен-ной толщины. Расчет и аналитическое прогнозирование функциональных параметров радиальных подшипников, обеспечивающих при низком коэфифициенте трения их повышенную несущую способность.
Гвдродинамический расчет радиального подшипника бесконечной длины с однородным многослойным вкладышем переменной толщины, подшипника конечной длины с неоднородным многослойным пористым вкладышем перемятой толщины и с шипом с пористым слоем на рабочей поверхности. Разработка базы дан-
ных, необходимых для проектирования подшипников, обладающих одновременно уплотнительными свойствами и повышенной несущей способностью.
Разработка методики расчета и базы необходимых данных для проектирования упорного подшипника с пористым слоем на поверхности направляющей, работающего в турбулентном режиме трения с минимальной потерей мощности.
Метод расчета радиального подшипника при наличии контактного взаимодействия шипа с двухслойным пористым вкладышем переменной толщины под действием гидродинамического давления. Оценка влияния толщины, проницаемости и свойства материалов пористых слоев на несущую способность и жесткость подшипника.
Технология получения многослойных пористых покрытий, обеспечивающая необходимую прочность сцепления покрытий с основой. Оснащение подбивочных блоков путевых машин подшипниками с многослойными пористыми вкладышами переменной толщины, предупреждающими многократное увеличение ресурса их работы.
Внедрение промышленной технологии получения многослойных пористых подшипников переменной толщины в тяжелопагруженных узлах трения.
Научная новизна по специальности 05.02.04 - Трение и износ в машинах
Аналитическое прогнозирование параметров радиальных подшипников бесконечной и конечной длины с многослойными пористыми вкладышами переменной толщины, обеспечивающих оптимальный режим их работы.
Разработка математической модели течения смазки в зазоре радиального подшипника бесконечной длины с однородным пористым вкладышем переменной толщины, подшипника конечной длины с неоднородным вкладышем переменной толщины и методики прогнозирования их функциональных параметров, обеспечивающих подшипнику уплотнительные свойства, повышенную несущую способность, достаточно низкий коэффициент трения и необходимую жесткость.
Разработка математической модели турбулентной смазки упорного пористого подшигашка, работающего с минимальной потерей мощности в турбулентном режиме трения. Оценка влияния теплового параметра, обусловленного зависимостью вязкости от температуры, проницаемости пористого слоя па основные рабочие характеристики подшипника.
Разработка методики расчета радиального подшипника с деформируемым двухслойным пористым вкладышем переменной толщины под действием гидродинамического давления. Оценка влияния проницаемости, толщины слоев и свойств материала пористых слоев на несущую способность и жесткость подшипника.
Разработка эффективной технологии получениярадиалышх подшипников с многослойными пористыми неоднородными вкладышами переменной толщины и их промышленное внедрение.
Методы исследования и достоверность полученных результатов.
Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, и полученных результатов обеспечивается:
использованием концептуальных положений гидродинамической теории смазки;
- достоверностью численных результатов, подтвержденных сравнением с данными экспериментальных исследований, а также использованием методов математической статистики, метода планирования эксперимента;
-практическим обсуждением результатов работы с экспертами и учеными на республиканских и международных конференциях.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования послужили научной основой для создания новой конструкции и технологии получения пористых подшипников с вкладышами перемепного сечения и с пористым слоем на рабочей поверхности. Использование конструкции и технологии пористых подшипников позволило:
многократно повысить их ресурс работы;
обеспечить жидкостный режим работы слоистых пористых подшипников;
- упростить ремонт подшипников подбивочных блоков путевых машин
типа ВПР.
Исследования завершены созданием новой конструкции подшипников в рабочих узлах подбивочных блоков путевых машин типа ВПР-1200, ВПРС-500 фирмы «Доуматик». За период с 1999 по 2001 гг. рычажные системы подбивочных блоков перечисленных машин, а также подшипниковые узлы кузнечно-штамповочного производства были оснащены многослойными пористыми подшипниками переменного сечения с пористым шипом, изготовленными па участке газотермических технологий путевой машинизированной дистанции пути ПЧМ-2 станции Тихорецкая.
Конструкция и технология пористых подшипников с вкладышами переменного сечения прігаята к внедрению на путевой машинизированной дистанции пути ПЧМ-1 ст. Новочеркасск, а также на ОАО «Роствертол» и ЗАО «Донкузлитмаш» г. Азов.
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в виде содержательной части лекций, учебных пособий, раскрывающих теоретические и технологические особенности применения многослойных пористых подшипников, при чтении курсов «Новые технологии при изготовлении и ремонте машин», «Новые эксплуатационные материалы», «Методы повышения надежности триботехни-ческих систем».
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и получили положительную оценку на Всесоюзной научно-технической конференции «Новые процессы сварки, наплавки и газотермических покрытий в машиностроении», г. Таганрог, 1986 г.; Всесоюзной научно-технической конференции «Теория и практика газотермического нанесения покрытий», г. Дмитров, 1989 г.; 4-й Украинской республиканской научно-технической конференции «Современные методы наплавки, упрочнения, защитные покрытия и используемые материалы», ИЭС, Киев, 1990 г.; Международной конференции «Газотермическое напыление в промышленности», С.-Петербург, 1993 г.; Российской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии», Москва, МАТИ, 1994 г.; Межгосударственном научно-техническом семинаре «Проблемы физики процессов припека-ния, наплавки защитных порошковых покрытий и теплофизики в производстве», Таганрог, 1995 г.; Международной конференции «Напыления и покрытия - 95», С.-Петербург, 1995 г.; Международной конференции «Пленки и покрытия», С.Петербург, 1998 г., 2001 г.; Отраслевой конференции «Актуальные проблемы железнодорожного транспорта и роль ученых в их решении», РГУПС, Ростов-на-Дону, 1998 г.; Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы железнодорожного транспорта», РГУПС, Ростов-на-Дону, 1999 г.; Междуна-
8 родном экологическом конгрессе «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности», С.-Петербург, 2000 г.; Всероссийской научно-технической конференции «Транспорт 2001», РГУПС, Ростов-на-Дону, 2001 г., Международный конгрессе «Механика и трибология транспортных систем — 2003», Ростов-на-Дону, РГУПС, Всероссийской научно-технической конференции «Транспорт — 2004», Р1*УПС, Ростов-на-Дону, 2004 г.
Работа доложена и обсуждена на совместном заседании кафедр ПСМ, ЭРМ, ОПМ и НИХ Ростовского государственного университета путей сообщения, на докторском совете РГУПСа, на заседании кафедры «Износостойкости машин и оборудования» Российского государственного университета нефти и газа им. И.М. Губкина, на заседании научно-технического семинара «Проблемы транспортного материаловедения» Комплексного отделения «Транспортное металловедение» ВНИИЖТа, на научно-техническом совете главных инженеров служб СКЖД, на научно-техническом совете ПЧМ-1 ст. Новочеркасск и ПЧМ-2 ст. Тихорецк службы пути СКЖД.
Публикации. По теме диссертации имеется 42 публикации, в том числе 2 монографии, 15 работ, опубликованных в журналах, рекомендованных ВАК, 6 авторских свидетельств и патентов, 19 публикаций в трудах конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 343 страницах основного текста, состоит из введения, шести глав, заключения и 6 приложений. Список литературы содержит 313 наименований.
