Оценка износостойкости модифицированной конструкции радиального подшипника при учете сжимаемости и вязкости смазочного материала

Введение. Во всех отраслях экономики эффективное функционирование механизмов предполагает работу с качественными смазочными материалами. Актуальность этого вопроса стимулирует научные изыскания, которые касаются эксплуатационных свойств смазок. В частности, авторов публикаций интересует взаимодействие двух элементов, которые присутствуют во многих видах машин и оборудования. Речь идет о подшипнике и смазке. В фокусе внимания исследователей часто оказывается такой параметр смазочного материала, как сжимаемость. Строятся математические модели для определения потенциальной эффективность смазки в различных режимах работы подшипника.

При изучении смазочных материалов рабочие масла считаются несжимаемыми, однако их объем все же немного меняется. Коэффициент сжимаемости зависит от химического состава масла, его температуры, уровня давления, а также от загрязнения воздушной пеной, которая может вызвать кавитацию, снижение эффективности, падение масляного давления, образование шума и эрозии.

Современные смазочные материалы играют значительную роль в повышении ресурса опор скольжения. Достижения в области химии и материаловедения позволили создать новые виды смазок, которые существенно уменьшают трение и износ рабочих поверхностей опор подшипников, а значит, повышают работоспособность механизма. Эффект обеспечивают углеводороды и дисульфид молибдена в составе смазки. Использование таких смазочных материалов не только увеличивает надежность и долговечность опор, но и сокращает затраты на обслуживание и текущий ремонт.

Среди современных разработок в области полимерных покрытий — модификации базовых материалов для улучшения их трибологических характеристик. С этой целью в полимеры вводят наполнители [1], в том числе такие твердые смазки, как графит, дисульфид молибдена или углеродные нанотрубки [2]. Эти композиты обладают значительно более высокой износостойкостью и могут противостоять воздействиям, характерным для промышленных трибосистем [3]. Такие покрытия могут функционировать без специального смазочного материала, что значительно упрощает эксплуатацию механизмов и снижает эксплуатационные расходы.

На этапе проектирования критически важно учитывать взаимодействие различных материалов и покрытий [4], анализировать их работу под воздействием высоких температур и скоростей. При этом точность расчета параметров износа и взаимодействия поверхностей позволяет существенно повысить надежность и долговечность узлов трения [5]. В статье [6] описывается композиционная структура, особенности трения и изнашивания антифрикционного полимерного фторопластсодержащего покрытия.

Исследование [7] подтверждает, что использование резинового порошка в качестве наполнителя для эпоксидных полимеров открывает новые возможности для создания высокоэффективных вибропоглощающих композитов. Гибкость процесса позволяет менять тип, содержание и сочетание органоминеральных ингредиентов и эпоксидных компаундов. Так можно адаптировать свойства материала под конкретные требования и условия эксплуатации, что, в свою очередь, способствует улучшению производительности и долговечности оборудования.

В [8] рассматривается задача определения природы дефектов в стеклопластике. Решение [9] основывается на анализе Фурье-спектров акустоэмиссионных сигналов. Установлено, что межслоевые повреждения матриц появляются и развиваются в диапазоне частот 160–240 кГц. Это позволяет проводить раннюю диагностику и оперативно устранять такие дефекты.

Увеличение модуля Юнга в четыре раза подтверждает значимость применения мягкого шаблона с модифицированным полидопамином и дисперсионным покрытием [10]. Более высокая механическая прочность в сочетании с улучшенной теплопроводностью открывает новые перспективы для создания материалов, способных выдерживать экстремальные условия эксплуатации.

В [11] описаны возможности растворов полиэтиленоксида (ПЭО) в хлороформе. Многократное увеличение времени релаксации и растяжения указывает на качественное изменение в поведении ПЭО и открывает новые перспективы для его промышленного применения. Такие изменения могут улучшить механическую стабильность полимерных изделий, расширить диапазон их использования и повысить эффективность производственных процессов.

Как показал эксперимент [12], металлические порошки в составе покрытия улучшают адгезию с базовым материалом. Это помогает избежать отслаивания и растрескивания покрытия, что критично для долговечности и надежности тормозной передачи. В [13] установлено, что комбинированные покрытия могут стать машиностроительным стандартом — именно их будут применять в высоконагруженных и ответственных узлах.

По итогам исследований [14] можно сделать вывод, что внедрение антифрикционных полимерных композиционных покрытий с холодноотверждаемой матрицей перспективно в плане повышения надежности и эффективности промышленного оборудования.

В [15] предложена математическая модель для оценки электрофоретической подвижности, предполагающая, что наличие масштабируемой структуры адсорбированного проницаемого полимерного слоя не влияет на распределение ионов по Пуассону-Больцману в двойном электрическом слое.

Один из ключевых подходов — введение в полимеры различных наполнителей, в том числе твердых смазок. Значительно повышают износостойкость полимерных материалов такие наполнители, как графит [16], дисульфид молибдена [17] и углеродные нанотрубки [18].

В [19] исследовалось старение покрытий из плазменно-полимеризованного гексаметилдисилоксана. Их подвергли активации плазмой гелия или сухого воздуха и сравнили со старением плазменно-активированного силиконового эластомера.

Экспериментальные данные [20] свидетельствуют о том, что эксплуатационные свойства материала определяются характером акустической эмиссии. А этот показатель зависит от таких переменных, как концентрация наполнителя и температура отверждения.

Теоретические расчетные модели [21] визуализированы. Оценена их точность. С этой целью сравнивались триботехнические параметры:

• определенные по результатам численного анализа;
• рассчитанные по адекватным регрессионным моделям, полученным экспериментально.

Сопоставление доказало высокую точность моделей — в пределах 9–13 %.

Для успешного применения названных выше методов необходимо учитывать специфику каждой трибосистемы. Игнорирование этих особенностей может привести к недостоверным результатам или снижению эффективности предложенных подходов.

В литературе отмечено, что движущийся в рабочем зазоре жидкий смазочный материал содержит атмосферные газы, от которых зависит сжимаемость. Значит, ее введение в модель позволяет точнее предсказать поведение смазочного вещества и эффективность смазки в различных режимах работы подшипника. Данный вопрос недостаточно детально описан в доступных источниках, и представленная научная работа призвана восполнить этот пробел. Авторы создали и проанализировали математическую модель вязкого смазочного материала в подшипнике. Причем на опорной поверхности подшипниковой втулки было композиционное покрытие с фторопластом. Модифицированная конструкция подшипника предусматривает наличие полимерного покрытия с канавкой для лучшего распределения смазочного материала, что, в свою очередь, повышает долговечность системы. Таким образом, впервые разработана методика инженерных расчетов конструкции радиального подшипника скольжения с канавкой в полимерном покрытии. Новое решение учитывает сжимаемость смазки и позволяет определить основные триботехнические параметры. Цель работы — оценка износостойкости модифицированной конструкции радиального подшипника скольжения при учете сжимаемости истинно вязкого смазочного материала. Истинно вязкий смазочный материал — это среда, которая подчиняется закону Ньютона. Данная зависимость достаточно хорошо описывает течение многих масел при температурах, далеких от температур застывания.

Материалы и методы. Оценивается износостойкость модифицированной конструкции радиального подшипника. Параметром Ω задает скорость движения вала. При этом поверхность модифицированной втулки остается неподвижной.

Для решения задачи принята полярная система координат. Ее полюс — центр втулки (рис. 1).

При этом контуры вала, втулки и модифицированной втулки описаны в виде:

(1)

где r₀ — радиус вала с полимерным покрытием; r₁ — радиус подшипниковой втулки;  — высота канавки; H — толщина смазочного слоя.

Вязкость смазочного материала зависит от давления:

(2)

Здесь μ′ — коэффициент динамической вязкости смазочного материала; μ₀ — характерная вязкость; α′ — постоянная; ρ′ — гидродинамическое давление в смазочном слое; е — эксцентриситет.

Решение данной задачи базируется на уравнении движения жидкого смазочного материала, уравнении неразрывности и уравнении состояния:

(3)

где q — угловая координата; ,  — компоненты вектора скорости смазочной среды; ρ′ — плотность (безразмерная величина).

Граничные условия для системы (3):

(4)

здесь p_g — давление подачи смазки; Ω — угловая скорость вала.

Используем формулу (5) для перехода к безразмерным переменным:

(5)

здесь u — горизонтальная компонента скорости; ν — вертикальная компонента скорости.

В результате преобразований (5) с учетом (3) и (4) получим:

(6)

,

(7)

здесь η = e / δ — конструктивный параметр подшипника со стандартным опорным профилем; η₁ = a′ / δ — конструктивный параметр подшипника с адаптированным опорным профилем;  — параметр сжимаемости.

Введем z = e^–ap. После ряда преобразований получим:

(8)

Граничные условия для (8):

(9)

По методике [22] нашли автомодельное решение задачи (8) с учетом параметров (9):

(10)

здесь ψ — функция, зависящая от автомодельной переменной ξ; V; U — составляющие поля скоростей; θ₂ — конструктивный параметр, характеризующий глубину канавки.

C учетом (10) уравнения (8) и граничные условия (9) примут вид:

(11)

(12)

С учетом (12) и (13) получим системы уравнений.

Для поля скоростей:

(13)

Для гидродинамического давления:

(14)

Решим уравнение (14) методом последовательных приближений, ограничиваясь при этом двумя приближениями:

(15)

Для определения несущей способности и силы трения используем формулу (15):

,

,

(16)

Данные исследования установили эффективность предложенной теоретической модели в указанных диапазонах параметров. Значения параметра сжимаемости Λ = 0,1–0,9 и напряжения σ в диапазоне 9–45 МПа тщательно протестировали, чтобы убедиться в точности модели и возможности ее широкого применения.

Условия экспериментов. Исследование началось с верификации разработанной расчетной модели. Для этого проводились численные расчеты, которые позволили оценить основные параметры функционирования подшипника. Верификация включала сопоставление этих расчетных данных с результатами лабораторных испытаний. Анализ показал, что расчетная модель с высокой степенью точности предсказывает поведение конструкции. При этом выявленные отклонения находятся в пределах допустимой погрешности.

Эксперименты для подшипника с контуром маслоподдерживающей канавки проводились при различных режимах работы. В частности, менялись скорость вращения, нагрузки и температурные условия. Верный выбор режима обеспечивает уменьшение износа и усиление тепловыделения. Такой подход позволяет повысить надежность и сократить простои в работе механизмов.

В испытаниях задействовали традиционные методы измерения трения и износа, а также современные инструментальные подходы. Это обусловило высокую точность измерений и помогло более глубоко понять механизмы трения и износа в новой конструкции.

Результаты исследования. Исследование позволило более точно представить рабочие характеристики подшипников с полимерным покрытием (таблица 1). Это имеет большое значение для их эффективного применения в различных инженерных системах. Благодаря новой модели прогнозирование данных о несущей способности оказалось точнее на 8–10 %, о коэффициенте трения — на 7–9 %.

Эксперимент показал наличие колебаний коэффициента трения. Это связано с динамическими изменениями в условиях контакта поверхностей и воздействиями внешних параметров. Такое поведение коэффициента трения при росте нагрузки указывает на сложность взаимодействий в системе, особенно с учетом максимального зафиксированного показателя нагрузки. Он достигал 45 МПа, что эквивалентно ступенчатому увеличению нагрузки в 5 раз (таблица 2).

Результаты научных изысканий подтверждают эффективность разработанных теоретических моделей. Их внедрение открывает возможность значительно усилить нагрузочную способность деталей и существенно снизить коэффициент трения. Итоги работы можно представить в двух пунктах.

1. Исследования радиальных подшипников скольжения с учетом сжимаемости жидкого смазочного материала, во-первых, показали значительное улучшение их эксплуатационных характеристик. Во-вторых, точность инженерных расчетов для несущей способности увеличилась на 8–10 %, а для коэффициента трения — на 7–9 %.
2. Значительно расширены возможности практического использования расчетных моделей радиального подшипника скольжения. Оценены на практике его критически важные эксплуатационные характеристики.

Обсуждение и заключение. Результаты научной работы, описанной в данной статье, позволяют устанавливать основные эксплуатационные характеристики подшипника на этапе проектирования. Возможность повышать надежность и долговечность исследованной детали — важный шаг в развитии технологий подшипников и смазочных материалов.

Новая методика базируется на теоретической основе и получила экспериментальное подтверждение. Она предназначена для разработки расчетных моделей радиальных подшипников скольжения. Важная характеристика детали — антифрикционное полимерное покрытие с канавкой для сохранения смазочной жидкости. Принимаются во внимание сжимаемость и реологические свойства смазочного материала. С учетом ранее установленных параметров таких канавок создана расчетная модель, детально описывающая поведение подшипника в гидродинамическом режиме. Особое внимание уделено сжимаемости истинно вязкого смазочного материала, параметры вязкости которого зависят от давления и условий трения. Сформулированы рекомендации по использованию подшипников с оптимальными канавками.

Сфера применения результатов работы — инженерные проектировочные и проверочные расчеты при необходимости поддерживать гидродинамический режим смазки. Методика потенциально востребована в машиностроении, авиастроении, приборостроении и других отраслях.

В дальнейших исследованиях представляется целесообразным изучить такие факторы, как температурные условия, динамические нагрузки и взаимодействие с различными смазочными материалами. Это позволит совершенствовать конструкции подшипников и расширять области их применения.