Содержание к диссертации
Введение
1.Состояние вопроса 5
1.1 Антифрикционные спечённые композиты 5
1.2 Технология производства порошковых изделий 13
1.3 Полимерпорошковые подшипники скольжения 18
1.4 Выводы 26
1.5 Цель и задачи исследований 27
2. Распределение тепловых потоков в подшипнике 29
2.1 Рабочая поверхность полимерпорошкового упорного подшипника.. 29
2.2 Теплофизические параметры элементов конструкции составного полимерпорошкового подшипника 36
2.3 Нестационарное температурное поле в полимерном стержне 47
2.4 Распространение тепла в полимерпорошковом подшипнике с пористой матрицей, пропитанной жидкой смазкой 60
2.5 Циркуляция жидкой смазки в пористой матрице 74
2.6 Выводы 77
3. Методика исследований 79
3.1 Основные этапы исследований 79
3.2 Оборудование и инструмент 82
3.3 Материалы и образцы 85
3.4 Планирование и обработка экспериментальных результатов 89
4. Результаты экспериментальных исследований 92
4.1 Формирование рабочей поверхности подшипника 92
4.2 Технология обработки несущей поверхности 105
4.3 Триботехнические параметры подшипника 109
4.4 Выводы 117
5. Промышленные испытания 118
6. Общие выводы 124
7. Библиографический список 126
Приложения 138
- Технология производства порошковых изделий
- Теплофизические параметры элементов конструкции составного полимерпорошкового подшипника
- Распространение тепла в полимерпорошковом подшипнике с пористой матрицей, пропитанной жидкой смазкой
- Планирование и обработка экспериментальных результатов
Введение к работе
Современные упорные подшипники скольжения из пористых порошковых материалов, пропитанных жидкой смазкой, работают в режиме самосмазывания. Тепло, генерируемое в процессе трения, нагревает смазку, которая в результате терморасширения выделяется из пор и смазывает зону трибоконтакта. Так наступает режим самосмазывания, длящийся до тех пор пока запасенного смазочного материала в порах подшипника будет достаточно для его выделения на поверхность трения.
Следовательно, в пусковой период трения до разогрева, смазка отсутствует в зоне контакта или, в лучшем случае, имеется «голодная смазка». В этот период происходит контакт металлических поверхностей (вал - порошковая матрица), что резко увеличивает силу трения, способствует интенсификации изнашивания и может вызвать даже локальное схватывание первого рода. Кроме того, давление вала на пористую поверхность подшипника закрывает целый ряд пор в контактной области и затрудняет выделение смазки.
Итогом комплекса рассматриваемых процессов является замедление выхода трибосопряжения на стационарный режим и повышенный износ контактных поверхностей.
Для устранения отмеченных недостатков предложен и запатентован составной полимерпорошковый подшипник. Он имеет на поверхности металлической порошковой матрицы полимерные вставки, выступающие над рабочей опорной поверхностью на 5 - 7 мкм.
В этом случае при пуске имеет место трибоконтакт металл - полимер, что существенно уменьшает силу трения и полностью исключает схватывание. Кроме того, опирающийся на полимерные вставки вал не перекрывает поры порошковой матрицы и не препятствует выделению смазки.
Наконец, полимерные вставки, выступающие над пористой рабочей поверхностью (определённый аналог правила Шарпи) образует под собой дополнительную свободную ёмкость для избытка смазки и своевременной подачи её в зону трения.
Следует отметить также, что заливка запаса смазки в центральное отверстие подшипника (дополнительный резервуар), фильтруясь через поры, пополняет запасы смазки и увеличивает ресурс подшипника.
Таким образом, исследования и применение разработанной конструкции упорных подшипников представляются весьма актуальными и перспективными.
Цель работы - повышение ресурса металлокерамических упорных подшипников скольжения модификацией их рабочих поверхностей полимерными вставками.
Поставленная в работе цель решается на основе теоретических и экспериментальных натурных и численных (метод конечных элементов) исследований. По их итогам автором выносятся на защиту нижеследующие положения.
Математическая модель зависимости оптимальной величины коэффициента относительной площади полимерных вставок от нагрузочно-скоростных режимов работы подшипника.
Механизм циркуляционного движения жидкой смазки в пористой среде, обеспечивающий непрерывное обновление смазки при её поступлении в зону трения.
3. Результаты анализа диаграммы Герси-Штрибека, доказывающие наличие полужидкостного трения в режиме самосмазывания полимерпорошкового подшипника.
4. Данные аналитического, конечноэлементного и экспериментального определения температуры в зоне трения, обосновывающие выбор полимерных материалов по их теплостойкости и смазочных масел по их вязкостным характеристикам.
Разработанный упорный полимерпорошковый подшипник скольжения удовлетворительно прошёл промышленные испытания на ОАО «Роствертол», где использовался в качестве опоры смесителя для приготовления полимерного компаунда. При этом ресурс подшипника в режиме самосмазывания составил 580 ± 32 часа.
Диссертация выполнялась в лаборатории трения кафедры ТКМ Донского государственного технического университета и лаборатории машиностроения и высоких технологий Южного научного центра РАН РФ.
Технология производства порошковых изделий
Технология изготовления порошковых изделий отработана и описана достаточно подробно [4, 16, 54, 67, 127] (рис. 1.3). Остановимся на отдельных характерных для подшипниковых втулок особенностях.
Так, приготовление шихты смешиванием должно обеспечить ее однородность несмотря на существенное различие в плотности порошков неметаллов (графита, сульфидов, фторидов) и металлов. Сухое, увлажненное или мокрое смешивание выбирается в зависимости от типа компонентов, а его продолжительность определяет качество шихты.
Пористость подшипниковых материалов регулируется давлением прессования. Для снижения трения порошка о стенки пресс — формы и уменьшения давления прессования необходимо смазывать пресс — форму маслом, мылом или специальными порошкообразными смазками (стеаратами, парафином). Добавка этих технологических смазок в шихту в количестве 0,5 - 2 % [48, 111] также эффективна.
Особенностью спекания порошковых самосмазывающихся изделий является недопустимость деструкции или взаимодействия твердых смазок вводимых в шихту (дисульфида молибдена M0S2, фтористого кальция CaF2 и др.), с металлическим порошком основы. В качестве дополнительной обработки применяют термическую и хими-котермическую обработки (сульфидирование, борирование и др.). Особенностью пористых порошковых материалов является более низкая, чем у компактных металлов тепло- и температуропроводность, что необходимо учитывать при их нагреве в процессе трения.
Механическая обработка антифрикционных пористых материалов применяется для снятия припусков и исправления дефектов в виде усадки или коробления. При этом следует иметь в виду, что наличие пор снижает стойкость режущего инструмента. Режимы обработки приводятся в литературе [13, 112].
Методы введения твердых смазочных веществ должны обеспечить их присутствие в оптимальном количестве в поверхностных рабочих слоях подшипниковой втулки. Графит, который кроме смазочной, выполняет еще прочностную функцию, насыщая углеродом металлическую основу, должен быть распределен по всему объему материала.
Введение жидких минеральных масел в пористые антифрикционные изделия осуществляется пропиткой. При этом подшипниковые втулки погружаются на 2-4 часа в нагретую до 100-120 С масляную ванну. При пористости материала 25-30 % количество впитываемого масла составляет 3,0-3,5 % по массе. Если для пропитки используются вакуумные камеры (разряжение 600x10" - 10" мм рт. ст.), то процесс пропитывания продолжается всего 20-30 минут и происходит более полное заполнение пор [67, 111]. Пропитка эмульсиями твердых смазок [24] или полимеров производится аналогично, но при иных температурах и экспозициях. Составы пропиточных композиций для порошковых пористых подшипников существенным образом влияют на их ресурс [45, 47, 107]. Так, в работе [8] предлагается состав из минерального масла и метилпирролидона. Последний, гидролизуясь и претерпев цепь химических превращений образует на контактной поверхности трения трибополимеры, увеличивающие продолжительность режима самосмазывания до 170 часов.
Кроме пропитки пор в рабочую поверхность подшипника могут быть помещены цельные полимерные вкладыши [7]. Их получают,, например, заполнением радиальных пазов на рабочей поверхности подшипника антифрикционным составом на основе фенольной смолы. Причем рабочую полость пресс-формы образует поверхность подшипниковой втулки. Ресурс работы в режиме самосмазывания подшипников, выполненных таким способом, достигает 250 часов.
Операцией, выполняемой перед пропиткой является калибровка [86]. Она осуществляется путем дорнования, в обойме или редуцированием в матрице на штыре (рис. 1.4). Оба этих процесса могут выполняться одновременно.
Деформация наружных диаметров втулок обеспечивает более точную их посадку в корпус подшипника, упрочняет поверхностные слои в результате наклепа и закрывает устья пор, предотвращая утечки масла.
Деформация внутренней поверхности втулки выполняется с меньшими натягами для того, чтобы снижая шероховатость и уплотняя металл, не закупоривать выходы пор.
Относительная пористость спеченного металлокерамического материала, в зависимости от технологии изготовления изделий, может иметь значения от 15 до 35 % [67, 111]. Эти величины являются средними, так как обычно относительная объемная пористость распределяется по длине изделия неравномерно [62].
Теплофизические параметры элементов конструкции составного полимерпорошкового подшипника
Обоснованный выбор теплофизических параметров материала конструктивных элементов рассматриваемого подшипника осложнён тем, что порошковая матрица имеет микронеоднородную структуру, представляющую собой конгломерат сцепленных адгезионными силами металлических микрочастиц близкой к сферической или нерегулярной форме (твердая фаза), где пустоты заполнены частично воздухом (газообразная фаза) и частично смазочным материалом (жидкая фаза). Два примера таких структур даны на рис.2.6. Относительный объем жидкой фазы зависит от пористости, величина которой определяется размером, формой частиц твердой фазы, технологическими параметрами процесса прессования металлопорошкового изделия, определяющими пористость готового изделия и параметрами пропитки.
В работах по теплофизике дискретных материалов принято обозначать эффективный коэффициент теплопроводности пористого композита Яе, материала твердой фазы Xs, материала пор (жидкая фаза) Xf и газообразная фаза Ag, объемную долю твердой фазы (величина обратная пористости) ф.
Гранулометрический состав прессуемых порошков принято описывать формулой ( 10- 5о 9о) мкм, что обозначает 10% частиц имеют размеры меньше dw, 50% частиц имеют размеры меньше d50, и аналогично 90%.
В реальных конструкциях подшипников состав порошков и пористость могут изменяться в довольно широких пределах, поэтому необходимо иметь зависимости, позволяющие адекватно прогнозировать теплофизические параметры порошковых материалов. Это относится также к вставкам, которые могут выполняться из различных марок полимеров.
На основе результатов поиска в базах данных отечественных и зарубежных производителей полимеров, а также разработчиков специализированного оборудования для прецизионного измерения теплофизических свойств, в табл. 2.1 приведены данные по основным группам порошковых материалов, полимеров и жидких смазок, позволяющие обоснованно задать диапазон возможного изменения свойств для использования в температурных расчетах.
Проблема определения теплопроводности прессованных порошковых материалов является классической, ее первое решение было дано еще Максвеллом в монографии "Electricity and Magnetism", Clarendon Press, Oxford, 1873,p.365. 1. Данные взяты из [135, 136], и паспортных данных на полимерные, металлопорошковые материалы и масла, предоставленных предприятиями -производителями, а также из документации на оборудование для термического анализа, изготавливаемое фирмами Netszch (Германия) и ТА Instruments (США). 2. Единицы вязкости SAE (Society of Automotive Engineers), принятые в настоящее время большинством производителей моторных масел. Если смазка предназначена для летнего и зимнего использования, обозначение по SAE имеет вид, например, SAE-15W40, где первое число характеризует вязкость в зимнее время (winter), а второе - в летнее. Приведенным в таблице данным для масел соответствуют следующие значения кинематической вязкости в сантиСтоксах: SAE-20 (5,6...9,3) и SAE-50 (16,3...21,9) .
Согласно современным концепциям эффективная теплопроводность Ле системы различным образом упакованных твердых микрочастиц может быть представлена универсальной безразмерной функцией / двух безразмерных параметров зависящей от характера упаковки микрочастиц.
В формуле (2.8) Лс обозначает эквивалентную теплопроводность материала пор. Известные модели эквивалентной теплопроводности [135] различаются видом функции / и дают зависимость коэффициента теплопроводности в разных диапазонах параметра ф, величина которого в современных технологических процессах прессования металлических порошков может доходить до 85 %, и области изменения отношения Л3 /Лс, которое может достигать 700-1000.
Современная модификация модели Максвелла для эквивалентного коэффициента теплопроводности прессованного порошка, содержащего поры, учитывающая хаотический характер распределения, и рассеяние размеров частиц твердой фазы, имеет вид: где Лс - математическое ожидание (среднее значение) коэффициента теплопроводности материала, содержащегося в порах. Разработанные значительно позже модели, такие, например, как модель Брюггемана
Распространение тепла в полимерпорошковом подшипнике с пористой матрицей, пропитанной жидкой смазкой
В рамках осесимметричного рассмотрения будем полагать полимерные стержни распределенными регулярно в вершинах правильных треугольников, а пористый материал - цилиндрами, соосными с полимерными вставками (см. рис.2.17). Симметрия задачи позволяет в этом случае считать наружные поверхности пористых цилиндров термически изолированными. Отметим, что такое упрощение позволяет, рассматривая одну пару коаксиальных цилиндров, выявить в чистом виде эффекты передачи тепла от полимера пористому материалу и смазке, а также определить параметры ее температурного расширения. Конечно, даже такое упрощение не позволяет получить решение задачи в аналитическом виде. Поэтому решение будет получено методом конечных элементов.
Полная формулировка задачи включает в себя: задачу о распространении тепла, источник которого мощностью q расположен на торце полимерной вставки, в композитном цилиндрическом теле; задачу о расширении жидкой смазки, заполняющей сквозные поры металлической матрицы, и о выходе этой смазки на рабочую поверхность; вызванное присутствием смазки уменьшение коэффициента трения и, следовательно, уменьшение мощности источника тепла.
Переменным, относящимся к области, занятой полимером, будем приписывать индекс "р", области, занятой матрицей - индекс "т", жидкой смазке - индекс "f . Эффективным значениям теплопроводности, теплоемкости, плотности пористой матрицы, как и в п.2.2, будет отвечать индекс "е".
Тогда задача о распространении тепла будет сформулирована в следующем виде: В первой серии численных экспериментах, выполненных с использованием модуля Heat Transfer системы конечноэлементного моделирования Comsol Multiphysics 3.5 варьировали параметр / - длину полимерного стержня, равную толщине подшипника. Остальные размеры принимались равными dp = 3 мм, dm = 6 мм. С учетом того, что система была принята полностью осесимметричной, т.е. отсутствовала зависимость от полярного угла ср, трехмерная задача фактически была сведена к двумерной, рассматриваемой для одного сечения, образованного плоскостью, проходящей через ось симметрии. Во всех случаях использовалось конечноэлементное разбиение на квадратные элементы размерами 0,1x0,1 мм (см. рис. 2.18).
Нестационарная задача решалась со следующими временными шагами 0:5:60,80:20:600,650:50:3600 секунд с использованием решателя BDF (backward differentiation formula). Количество степеней свободы для размера /=5; 7,5; 10 мм составляло 6161, 9211, 12261 соответственно. В первой серии численных экспериментов исследовался случай неизменного коэффициента трения, -принималось, что пористый материал нагревается, но расширения и выхода смазки на поверхность не происходит. Отдельные результаты этих расчетов представлены нарис. 2.19-2.21.
Представленное на рис.2.19 распределение температуры в теле полимера и пористой матрицы, частично заполненной маслом, показывает, что при неизмен-ной интенсивности генерации тепла процессом трения температуры на нижней торцевой поверхности практически не отличаются (разность температур не превосходит 1,6 градуса).
Планирование и обработка экспериментальных результатов
Конечный технический результат экспериментальных исследований, вид и свойства математической модели информационных свойств объекта исследований, графическая интерпретация выхода модели и её наглядность целиком определяются рациональностью выбранного плана экспериментов [3, 41]. Кроме того, естественные вариации входной информации о свойствах реальных технических объектов приводят к существенному разбросу значений выхода экспериментов, достигающего 20 - 40 % [21, 115]. Последнее доказывает необходимость статистической обработки экспериментальных данных для надёжного установления величин результатов выхода и правильного понимания тенденций исследуемых процессов.
В связи с изложенным в каждый блок экспериментальных исследований по возможности введены многофакторные эксперименты по схеме ПФЭ 2К [59,102].
Практика показывает [18, 48, 61, 73, 111], что модели антифрикционных характеристик порошковых и полимерных опор скольжения в ограниченном нагрузочно - скоростном диапазоне близки линейным, то есть поверхности отклика имеют малую кривизну. Это обстоятельство позволяет существенно сократить объём экспериментальных исследований, перейдя от планов второго порядка к более простым линейным. Причём, линеаризация выхода осуществляется логарифмированием, что позволяет сохранить у поверхности отклика определённую кривизну. В этом случае модель имеет мультипликативную структуру с сомножителями степенного или показательного типа [59, 102].
Дополнительное преимущество подобного подхода заключается в том, что полнофакторные двухуровневые экспериментальные планы (в отличие от квадратичных) удовлетворяют практически всем критериям оптимальности. Они ортогональны; рототабельны; обладают свойством нормировки; A, D,G и Е оптимальны [3].
Примеры используемых в работе исходных данных для подобных экспериментальных планов (ПФЭ 2К) приведены в таблице 3.6. Ряд экспериментов первого блока исследований повторялся при одних и тех же нагрузочно - скоростных режимах для полимерных вставок из разных материалов, разного размера и масел с различной кинематической вязкостью в условиях граничной и жидкостной смазки.
Экспериментальные исследования второго блока выполняются для режимов, обеспечивающих только граничные условия трения для масел с различной кинематической вязкостью. Статистическая обработка результатов многофакторных исследований включает следующие основные этапы: - оценку однородности дисперсий, - определение коэффициентов регрессионной модели, - оценку значимости коэффициентов, - оценку адекватности модели. Значимость статистик оценивалась критериями Кохрена, Стьюдента, Фишера, выбранными с достоверностью 95 % [21, 68]. Графическая интерпретация поверхностей отклика осуществлялась в виде трех координатных графиков или методом двумерных сечений [59]. Технологический блок и ряд экспериментов эксплуатационного блока выполнялись по классической однофакторной схеме и их результаты обрабатывались методом наименьших квадратов по стандартной методике.
Таким образом, обоснована последовательность и структура экспериментальных исследований, включающая три блока и обеспечивающая решение поставленных в работе задач.
Экспериментальная часть исследований посвящена определению конструктивных характеристик составного полимерного упорного подшипника и условий его работы: типу процесса смазывания, времени выхода на стационарный режим, температурным и другим триботехническим параметрам.
На первом этапе экспериментальных исследований осуществлялся выбор полимерного материала для формирования рабочей поверхности подшипника.
Для изготовления полимерных вставок использовалось два полимерных материала: полиамид марки П-6 (поликапролактам) и фторопласт марки Ф-4 (политетрафторэтилен).
Оба эти полимера относятся к типу термопластичных. Вставки из полиамида получают все одновременно путём заливки расплава в прессформу. Фторопласт имеет температуру плавления выше, чем температура термоокислительной деструкции и поэтому для изготовления из него технических изделий используют порошковую технологию. Фторопластовые вставки изготавливали из прутка токарной обработкой.
Таким образом, сравнительные исследования полимерных материалов для вставок позволяют одновременно оценить и технологию установки и фиксации их в порошковой матрице.
Сравнение эффективности рассматриваемых полимерных материалов и технологий изготовления вставок выполнялось при пропитке пористой порошковой матрицы маслом, в течение 30-минутных фрикционных испытаний образцов на машине трения. Число параллельных опытов равнялось трём. Результаты экспериментальных исследований представлены в таблице 4.1.
Анализ табличных данных свидетельствует об отсутствии значимых изменений силы или коэффициента трения от типа применяемого для изготовления вставок полимерного материала, а также и от типа технологии закрепления этих вставок в подшипнике.
Для выбора технологии остаются лишь организационно-экономические критерии. Так, при индивидуальном изготовлении составных металлополимерных подшипников следует изготавливать вставки путём механической обработки из фторопласта, а при серийном выпуске подобных подшипников экономичнее применять полиамид и заливать его расплав в пресс-форму на термопластавтомате или ином оборудовании.
К конструктивным элементам рассматриваемых подшипников (см. рис. 22) в первую очередь следует отнести коэффициент относительной площади полимера, определяемый как отношение площади полимерных вставок ко всей рабочей площади подшипника.
Теоретический анализ, проведённый с позиций прочностных свойств порошковых материалов и технологии изготовления и фиксации полимерных вставок, позволил установить их. рациональное размещение и разработать алгоритм расчёта их предельного количества для подшипников любых размеров. Однако окончательный ответ о площади полимерных вставок, то есть о рациональной величине коэффициента относительной площади может быть получен только экспериментально. В качестве критериев оценки этого параметра была выбрана наибольшая толщина смазочной плёнки (включая вылет полимерных ставок) и наименьшая величина силы трения (коэффициента трения),что соответствует наилучшему режиму смазывания.
Предварительные эксперименты показали наличие экстремальной зависимости выхода от выбранных переменных факторов: коэффициента относительной площади «К» и параметра нагружения «PV». Поэтому при проведении экспериментальных исследований был применён метод перевала [3] и два смежных двухуровневых полнофакторных плана типа ПФЭ 22. Исходные данные приведены в разделе 3.4.
