Разработка расчетных моделей трибосистем с пористыми конструктивными элементами Мукутадзе Александр Мурманович

Введение к работе

Актуальность темы. Пористые материалы широко используются в современной триботехнике благодаря своей технологичности, маслоемкости и демпфирующей способности. Однако их пониженная прочность и жесткость требуют дополнительных исследований для рационального применения.

Любые детали машин изготавливаются с определенной точностью, т. е. с допустимыми отклонениями всех размеров. Это неизбежно вызывает неравномерное распределение массы и, как следствие, дисбаланс при вращении, который существенно снижает износостойкость фрикционного контакта и ресурс трибосистемы. Негативное влияние вибраций, вызванное дисбалансом, распространяется на любой тип подшипниковых опор – как скольжения, так и качения. Современная тенденция роста скоростных режимов практически всех механизмов дополнительно усиливает влияние возникающих вибраций.

Одним из путей компенсации или снижения влияния дисбаланса на работоспособность вращающихся узлов трения является применение подшипников скольжения с пористыми втулками или специальных демпферов для подшипников скольжения и качения, гасящих или существенно снижающих амплитуду возникших колебаний. К подобным устройствам относятся исследуемые в настоящей работе демпферы с пористыми элементами и сжимаемым слоем жидкого смазочного материала.

Конструкция подобных демпферов представляет собой аналог подшипника скольжения, опорная неподвижная втулка которого состоит из пористого материала, полученного методами порошковой металлургии или геотермическим напылением пористого покрытия на внутреннюю поверхность втулки.

Простота и экономичность исследуемой конструкции наряду с ее высокой эффективностью делают подобные демпферы востребованными практикой. Однако существующие методы предпроектных и проектных расчетов подобных трибосистем основаны на весьма приближенных моделях, не учитывающих целый ряд важных факторов, таких как влияние способа подачи смазочного материала, анизотропия проницаемости пористых втулок, стационарный и нестационарный режимы работы вала, что значительно затрудняет расчет и снижает его точность. Изложенное позволяет считать тему данной работы, направленную на исследование трибосистем с пористыми конструктивными элементами и формирование расчетных моделей, приближающих результаты расчета к нуждам практики, весьма важной и актуальной.

Степень разработанности темы. Пористые материалы давно и широко применяются в самых разных трибосистемах. Исследованиям в этой области посвящено значительное число статей и монографий К.С. Ахвердиева, Моргана, Типея, Б.И. Сиренко, В.А. Белого, А.И. Снопова, Н.В. Коровчинского, Л.А. Савина, Е.А. Задорожной, В.Н. Прокопьева, В.И. Колесникова, Ю.В. Рождественского и др. Однако работ, относящихся непосредственно к пористым демпферам, относительно мало. Кроме того, существенным недостатком имеющихся работ является значительное упрощение расчетных моделей. Так, проницаемость пористых слоев в них считается постоянной, не учитываются уро-3

вень стационарности движения вала, степень заполнения смазочным материалом рабочего зазора, анизотропия проницаемости пористых конструктивных элементов, слойность пористых покрытий, размер пористой вставки, переменность толщины пористого покрытия, а также направление и источник подачи смазочного материала. Таким образом, методика проектировочных расчетов отстает от современных потребностей практики.

Основные разделы диссертации выполнены при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы». Соглашение о предоставлении субсидии № 14.607.21.0040 от 22.07.2014, проект RFMEF160714X0040.

Цель и задачи работы. Настоящая работа выполнялась на стыке двух смежных специальностей.

Целью в области исследований по специальности 05.02.04 «Трение и износ в машинах» является совершенствование конструкций демпферов подшипниковых опор с пористыми конструктивными элементами. Частные задачи исследований, позволяющие достигнуть поставленной цели, включают:

1. установление влияния на работу радиальных подшипников и демпферов их характеристик при учете анизотропии проницаемости пористых конструктивных элементов, подачи смазочного материала в радиальном и осевом направлениях в условиях стационарного и нестационарного режима движения;

2. оценку устойчивости работы радиальных подшипников и демпферов с пористыми конструктивными элементами при учете анизотропии проницаемости пористых конструктивных элементов, а также подачи смазочного материала в осевом и радиальном направлениях при нестационарном движении вала;

3. установление основных закономерностей повышения несущей способности и снижения силы трения радиальных подшипников скольжения, а также коэффициента передачи демпферов с пористыми конструктивными элементами;

4. выявление особенностей гидродинамического смазывания радиальных подшипников скольжения и демпферов с различной конструкцией пористых элементов в условиях стационарного и нестационарного движения вала;

5. проверку теоретически установленных закономерностей работы подшипников и демпферов с пористыми конструктивными элементами в экспериментальных условиях гидродинамического смазывания;

6. оценку эффективности полученных результатов и формирование рекомендаций для применения сделанных разработок в промышленных условиях.

Целью в области исследований по специальности 05.02.02 «Машиноведение, системы приводов и детали машин» является разработка уточненных расчетных моделей демпферов с пористыми конструктивными элементами для компенсации дисбаланса в опорах с подшипниками качения. Частные задачи включают:

1) разработку комплекса уточненных расчетных моделей радиальных подшипников скольжения и демпферов с учетом анизотропии проницаемости пористых конструктивных элементов, а также подачи смазочного материала в

радиальном и осевом направлениях при полном и неполном заполнении в условиях стационарного и нестационарного режима движения вала;

2. установление на основе математического моделирования и численного анализа влияния на рабочие характеристики радиальных подшипников и демпферов с учетом анизотропии проницаемости пористых слоев, подачи смазочного материала в осевом и радиальном направлениях, полного и неполного заполнения зазора в условиях стационарного и нестационарного движения вала;

3. исследование влияния гидродинамического давления на проницаемость пористого покрытия и вязкость жидкого смазочного материала при полном заполнении им рабочего зазора радиальных подшипников конечной длины и демпферов в условиях стационарного и нестационарного движения вала;

4. выполнение расчетной оценки коэффициента передачи демпфера с пористыми конструктивными элементами в различных условиях эксплуатации;

5. осуществление экспериментальной проверки применимости разработанного комплекса расчетных моделей радиальных подшипников скольжения и демпферов для проектировочных и проверочных расчетов трибосистем с пористыми конструктивными элементами при учете подачи смазочного материала в осевом и радиальном направлениях в условиях полного и неполного заполнения рабочего зазора.

Научная новизна результатов исследований заключается в следующем.

1. Сформирован уточненный комплекс моделей для выбора при проектировании и предпроектных расчетах требуемой конструкции демпфера по оценке его коэффициента передачи в различных условиях эксплуатации.

2. Установлено влияние анизотропии проницаемости пористых конструктивных элементов на коэффициент передачи, что позволяет, в определенных пределах, управлять степенью демпфирования, варьируя пористостью порошковых конструктивных элементов демпфера.

3. Сформирован уточненный комплекс расчетных моделей радиальных
подшипников скольжения конечной длины и демпферов с учетом анизотропии
проницаемости пористых конструктивных элементов, а также подачи смазочно
го материала в осевом и радиальном направлениях при полном и неполном за
полнении зазора в условиях нестационарного и стационарного движения вала.

4. Установлены для радиальных подшипников скольжения конечной дли
ны и демпферов основные закономерности зависимости несущей способности и
силы трения от типа конструктивных пористых элементов при полном и непол
ном заполнении зазора, а также учета направления его подачи, анизотропии
проницаемости пористых конструктивных элементов в радиальном и осевом
направлениях в условиях стационарного и нестационарного движения вала.

5. Установлено на основе разработки расчетных моделей радиальных
подшипников скольжения и демпферов влияние на несущую способность, силу
трения и коэффициент передачи оптимального соотношения толщины одно- и
двухслойных пористых покрытий, а также длины пористой вставки с учетом
анизотропии проницаемости пористых слоев, подачи смазочного материала в

осевом и радиальном направлениях при полном и неполном заполнении рабочего зазора в условиях стационарного и нестационарного движения вала.

6. Представлены результаты формирования расчетных моделей радиальных подшипников скольжения и демпферов с пористым покрытием, выполненных с учетом зависимости вязкости смазочного материала и проницаемости пористого слоя от давления при осевой подаче смазочного материала в условиях стационарного и нестационарного движения вала.

Практическая значимость работы заключается в следующем.

1. Полученные расчетные модели позволяют выполнять предпроектные и
проектировочные расчеты таких основных характеристик демпферов с пори
стыми конструктивными элементами, как коэффициент трения, нагрузочная
способность и коэффициент передачи.

2. Доказана повышенная эффективность радиальных подшипников ко
нечной длины и демпферов с пористыми конструктивными элементами при
принудительной подаче смазочного материала в радиальном направлении.

3. Получен комплекс расчетных моделей для радиальных подшипников и демпферов с пористыми конструктивными элементами, позволяющих определить величину несущей способности, силы трения и коэффициента передачи демпфера в условиях гидродинамического трения при полном и неполном заполнении рабочего зазора, с учетом анизотропии проницаемости пористых конструктивных элементов, подачи смазочного материала в осевом и радиальном направлениях при стационарном и нестационарном режимах движения

4. Доказано рациональное соотношение толщины пористых покрытий и оптимальной длины пористой вставки с учетом анизотропии проницаемости пористых слоев, подачи смазочного материала в осевом и радиальном направлениях при полном и неполном заполнении зазора вала для определения основных триботехнических параметров радиальных подшипников скольжения конечной длины и демпферов.

5. Выполнена экспериментальная оценка эффективности разработанных
расчетных моделей подшипников и демпферов для проектировочных расчетов
и определения основных триботехнических параметров (нагрузочной способ
ности, коэффициента трения, коэффициента передачи) в условиях полного и
неполного заполнения зазора смазочным материалом при учете типа его пода
чи, анизотропии проницаемости пористых конструктивных элементов.

Методы диссертационного исследования теоретического плана основаны на применении общепринятой классической теории гидродинамических расчетов, основой которых являются уравнения Рейнольдса, Навье – Стокса и Дарси. Численный анализ результатов теоретических исследований в виде расчетных моделей осуществлялся на компьютерах, оснащенных современным программным обеспечением.

Исследования экспериментального плана выполнялись на прецизионном современном оборудовании: машине трения модели ИИ5018 и специальной установке, собранной на базе прецизионного токарно-винторезного станка мо-

дели 1И611П, при планировании полнофакторных экспериментов и статистической обработке результатов.

Положения, выносимые автором на защиту, включают:

1. Сформированный комплекс уточненных расчетных моделей радиальных подшипников конечной длины и демпферов с пористым покрытием, учитывающий зависимость проницаемости пористого покрытия и вязкости жидкого смазочного материала от гидродинамического давления.

2. Определенные в результате исследований закономерности влияния на работу рассматриваемых радиальных подшипников конечной длины и демпферов особенностей конструкции их пористых элементов (числа слоев пористых покрытий, размеров вставки).

3. Выявленное влияние на эффективность демпфирования условий эксплуатации исследованных демпферов в виде способа подачи жидкого смазочного материала, полноты заполнения им рабочего зазора и стационарности и нестационарности вращения вала.

4. Установленную возможность осуществлять, в определенных пределах, управление коэффициентом передачи исследуемых демпферов путем изменения пористости порошковых конструктивных элементов и направления подачи смазочного материала.

5. Сформированный комплекс расчетных моделей гидродинамического
смазывания радиальных подшипников скольжения конечной длины и демпфе
ров при наличии пористых покрытий опорной поверхности подшипниковой
втулки или пористой вставки, для определения несущей способности, силы
трения и коэффициента передачи демпфера при разных способах подачи сма
зочного материала и учете анизотропии проницаемости пористых слоев при
полном и неполном заполнении рабочего зазора в условиях стационарного и
нестационарного режимов движения вала.

6. Экспериментальное подтверждение теоретически разработанных моде
лей и результатов их численного анализа для радиальных подшипников сколь
жения и демпферов с пористыми конструктивными элементами.

Достоверность полученных результатов достигается корректной постановкой задач исследований, применением уравнений классической гидродинамики и программ современных численных расчетов. Экспериментальные исследования проводились при 3–5 параллельных опытах на своевременно поверенном оборудовании, по полнофакторным планам типа 2^К с последующей статистической обработкой результатов.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности

Диссертационная работа соответствует паспорту научной специальности 05.02.04 в следующих областях исследований:

– пункту 4 «Смазочное действие: гидродинамическая смазка...» – исследован комплекс условий гидродинамического смазывания жидкими смазочными материалами;

– пункту 8 «Триботехнические свойства смазочных материалов» – рассмотрена зависимость вязкости смазочного материала и проницаемости пористого покрытия от давления;

– пункту 10 «Физическое и математическое моделирование...» – получены регрессионные модели параметров трения,

и паспорту научной специальности 05.02.02 в следующих областях исследований: – пункту 1 «Теория и методы исследования процессов, влияющих на техническое состояние объектов...» – рассмотрены различные условия реализации гидродинамического трения в подшипниках и демпферах;

– пункту 5 «Повышение точности и достоверности расчетов...» – получены уточненные расчетные модели трибосистем с пористыми элементами.

Таким образом, диссертация отвечает паспорту специальностей 05.02.04 «Трение и износ в машинах» и 05.02.02 «Машиноведение, системы приводов и детали машин».

Личный вклад соискателя заключается в самостоятельном получении комплекса уточненных расчетных моделей для радиальных подшипников скольжения и демпферов с пористыми конструктивными элементами, работающих в условиях гидродинамического смазывания; в планировании, проведении и обработке результатов экспериментальных исследований, проведенных на машине трения и специальном стенде; в непосредственном участии в промышленных испытаниях, а также в самостоятельном написании и непосредственном участии в написании ряда научных статей.

Апробация и реализация результатов исследований осуществлялись публикациями статей в научных журналах и тематических сборниках в количестве 25 работ, 18 из которых опубликованы в рецензируемых научных журналах и изданиях, в том числе 5 – в изданиях, включенных в международную реферативную базу данных Scopus, и 1 патент РФ.

Результаты исследований докладывались на 7 международных научно-технических конференциях, в том числе «Новые материалы и технологии в машиностроении» (г. Брянск, 2014 г., 2016 г.); «Пром-Инжиниринг – 2016» (г. Челябинск), «Гидродинамическая теория смазки – ХХI» (г. Орел, 2016 г.), «Транспорт-2016» (г. Ростов-на-Дону), «Engineering, TechnologyandInnovations» (Сан-Франциско, США, 28 марта 2016 г.); «Полимерные композиты и трибология» (г. Гомель, Беларусь, 2017 г.).

Кроме того, выполненные разработки удовлетворительно прошли промышленные испытания в опорах редуктора испытательного стенда в ПАО «Ро-ствертол», на буксовых узлах Сервисного ремонтного депо Тимашевск-Кавказский и внедрены на узлах фрезерных станков ЗАО «Донкузлитмаш».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 197 наименований и 3 приложений. Общий объем работы составляет 218 страниц, 98 иллюстраций и 12 таблиц.