Многослойный пористый подшипник конечной длины с подачей смазки через поры вкладыша

Перед машиностроительным комплексом стоит задача — постоянно повышать технико-экономический уровень и качество машин, оборудования и приборов. Работоспособность машин, их долговечность, экономичность и надежность, качество их работы в значительной степени зависят от конструкции подшипниковых узлов.

В новых машинах и механизмах, как правило, проектируются рост скоростей вращающихся деталей, увеличение статических и ударных нагрузок, действующих на опоры, увеличение точности работы вращающихся узлов.

При высоких скоростях и динамических нагрузках подшипники качения недостаточно долговечны. Они непригодны в тех случаях, где нужны разъемные опоры, и там, где требуется большая точность механизмов. Подшипники качения не дают также бесшумности в работе, химической и тепловой стойкости опорных узлов. Во многих механизмах подшипники скольжения оказываются более предпочтительными, нежели подшипники качения. Они более просты по конструкции, более долговечны, имеют меньшие габариты в радиальном направлении, имеют меньший вес, особенно при высоких нагрузках, мало чувствительны к ударным и временным перегрузкам, обладают большей жесткостью, чем подшипники качения, что делает их единственно пригодными для точной центровки валов.

Улучшение работы подшипников скольжения может достигаться применением вкладышей из спеченных пористых металлокерамических сплавов с антифрикционными свойствами, которые работают с меньшим шумом, чем изготовленные из цветных металлов, позволяют создать режим жидкостного трения за счет запаса масла в порах. Также пористые вкладыши значительно дешевле и проще в изготовлении.

Более надежной и современной является конструкция подшипника, позволяющая подавать смазку в зазор через тело вкладыша. 5.

Исследованию работы пористых подшипников посвящено значительное количество работ. Одним из самых первых теоретических исследований пористых подшипников было исследование Моргана и Камерона /56/, которые видоизменили уравнение Рейнольдса с учетом течения смазки в стенке подшипника. Авторы решили задачу о распределении давлений в однородном коротком пористом подшипнике. Предположив, что градиент давления в пористом вкладыше линейно зависит от расстояния до наружной маслонепроницаемой поверхности и что толщина пористого вкладыша мала по сравнению с его радиусом, они нашли решение для несущей способности в случае, когда смазка полностью заполняет зазор. Эта работа была продолжена и развита Камероном, Морганом и Стейнсби /82/, показавшими, что при подаче достаточного количества смазочной жидкости пористые подшипники будут работать в режиме полностью гидродинамической смазки при нагрузках, меньших некоторой критической величины. Когда нагрузка становится выше критической, то вал касается внутренней поверхности подшипника и, следовательно, режим гидродинамической смазки нарушается.

В дальнейшем многие авторы уделяли внимание изучению теории смазки пористых подшипников. Однако решалась задача либо для бесконечного подшипника /3, 4/, либо для очень короткого пористого подшипника, запрессованного в непроницаемый корпус /5/. В большинстве работ задачи решались на основе уравнения Рейнольдса.

Теоретическое исследование пористых металлических подшипников было продолжено далее Руло, Радсом, Снеком, Мурти, Кьюзано. Руло /41/ исключил из своего анализа предположение Моргана и Камерона о линейной зависимости градиента давления от расстояния до наружной маслонепроницаемой поверхности вкладыша и получил решение, которое удовлетворяло условию равенства давления нулю на открытых осевых торцевых поверхностях подшипника.

Роде и Руло /42, 84/ определили увеличение несущей способ6 ности в результате уплотнения торцевых поверхностей узкого пористого подшипника и представили аналитическое решение для подшипников конечной длины в случае неполного заполнения смазкой зазора. Задача сводится к уравнению Лапласа для давления смазки в пористом теле и уравнению Рейнольдса для давления смазки в зазоре. При решении уравнения Лапласа авторы используют декартовы координаты, что возможно только в том случае, когда толщина стенки пористого вкладыша значительно меньше радиуса расточки подшипника. Снек /68/, исходя из уравнений Лапласа и Рейнольдса, сравнивает характеристики пористых и сплошных подшипников при средних значениях относительного эксцентриситета.

В дальнейшем Шер и Джозеф /47/ представили более подробное аналитическое решение для бесконечного подшипника, а Кьюзано /20/ дал анализ пористого радиального подшипника конечной длины в случае полного заполнения смазкой зазора при допущении о наличии масла, восполняющего потери смазки. В работе /20/ решены совместно уравнения Лапласа, описывающие распределение давления в пористом вкладыше, и уравнение Рейнольдса, полученное в работе /40/, для давления в масляной пленке между валом и подшипником. Получены зависимости относительного эксцентриситета и коэффициента трения от безразмерной нагрузки при различных значениях обобщенного параметра конструкции подшипников Ф= = (г — где г — внутренний радиус подшипника, к — проницаемость, С радиальный зазор.

Мурти /48, 84/ и Кьюзано /20/ показали, что задачу о распределении давления в пористых подшипниках можно решить в цилиндрических координатах и ослабили допущение о малой толщине стенки пористого вкладыша подшипника. Мурти рассматривает задачу о гидродинамической смазке пористого подшипника конечной длины /48, 84/, запрессованного в непроницаемую обойму. Для решения уравнения Лапласа используются модифицированные функции Бесселя. Уравнение Рейнольдса решается методом Галеркина. 7.

Теоретическое решение задачи для пористого подшипника бесконечной длины дали Джозеф Д. Д., Tao JI.H. /60/. Авторы использовали линейные уравнения для определения давления в зазоре при малых числах Рейнольдса, а при определении давления в пористом вкладыше — уравнение Лапласа. Толстый пористый вкладыш заменен пористым пространством с круглым отверстием. Задача решается в биполярных координатах. Решение получено в виде рядов Фурье.

Гидродинамическую смазку пористой цапфы и пористых подшипников скольжения конечной длины при условии малой толщины стенки вкладыша рассматривает Типей Н. /44, 45/. Решение пишется, исходя из уравнения Лапласа для распределения давления в пористом теле и обобщенного уравнения Рейнольдса для давления в смазочном слое. В случае плоской задачи решение доведено до конца и проиллюстрировано графически.

М.В. Коровчинским /16/ решена плоская задача о смазке пористого подшипника с постоянным коэффициентом фильтрации, исходя из уравнений Дарси и Рейнольдса. Решение ищется приближенным методом Глауэрта.

Каноне /85/ рассматривает плоскую задачу о распределении давления в пористом подшипнике. Бялый Б. И., Сиренко В. А., Дьяченко С. К. решают задачу о гидродинамической смазке однородного пористого подшипника бесконечной /б/ и конечной длины /7/. Исходя из уравнений Лапласа и Рейнольдса авторы получают интегродифференциальные уравнения, которые решаются методом Галеркина, обеспечивающим лучшую сходимость рядов по сравнению с методом, изложенным Коровчинским М. В. в работе /16/. Отмечается, что с ростом проницаемости и толщины стенки вкладыша снижается несущая способность подшипника и увеличивается потеря на трение. В работе 111 предложен метод расчета подшипника конечной длины, однако не учитывается истечение из торцов.

Во всех предыдущих работах рассматриваются подшипники однородной проницаемости. Впервые от этого предположения отказались Крас8 ниченко Л.В., Кривоносов В. К., Снопов А. И. /37, 38, 39/. Ими рассмотрена плоская задача о смазке пористого подшипника неоднородной проницаемости. Используются уравнения Лапласа и Рейнольдса, решение которых проводится методом итераций. Показано, что неоднородность пористости существенно влияет на распределение давления в смазочном слое. Кривоносов В. К. /18/ решает плоскую задачу о гидродинамической смазке неоднородного пористого подшипника, применяя уравнение Рейнольдса. Делается предположение, что пористый вкладыш имеет тонкую стенку по сравнению с радиусом расточки.

Таратин В.М. /53/ провел теоретическое и экспериментальное исследование обращенной подшипниковой пары с металлизационным пористым покрытием на валу. Задача решается в рамках уравнения Рейнольдса. Разработаны рекомендации по расчету обращенной подшипниковой пары по изготовлению и восстановлению валов с пористым покрытием.

Экспериментальные исследования гидравлической смазки пористых подшипников встречают ряд технических трудностей. Такие исследования начались лишь в 50-х годах. Среди работ по экспериментальному исследованию пористых подшипников в первую очередь следует отметить работы Снеговского Ф. П. /30, 31, 32/, в которых разработаны наиболее совершенные методы измерения параметров пористого подшипника. Подобные работы проводили Морган и Камерон /14, 40/, Мошков А. Д., Бершадский С. М. /5, 25/, Кьюзано, Феяан /21/,.

Никитиным А. К. и Савченковой С. С. /35, 36, 69, 70/ проведено теоретическое и экспериментальное исследование пористого подшипника конечной длины с подачей смазки через поры вкладыша под давлением. Впервые применяются линейные уравнения Навье-Стокса для описания движения смазки в зазоре. Исходя из этих уравнений и закона Дарси для течения смазки в пористом вкладыше, решается линейная задача для пористого подшипника конечной длины в предположении, что скорость смазки на торцах, открытых в атмосферу, равна скорости смазки в сплошном под9 шипнике бесконечной длины. Получены зависимости несущей способности, сопротивления вращению, потерь на трение и угла Ф между линией центров и нагрузкой от безразмерных параметров подшипника. Полученные автором теоретические и экспериментальные результаты находятся в хорошем согласии. Однако для угла Ф между линией действия нагрузки и линией центров не получено совпадение. Поэтому возникает вопрос о справедливости предположения о граничных условиях на торцах подшипника и необходимость решения нелинейной задачи для пористого подшипника конечной длины.

В предыдущих теоретических исследованиях предполагалось, что скольжение на границе между смазочной пленкой и пористым подшипником отсутствует. Биверс и Джозеф /86/ предложили модель скольжения смазки относительно поверхности пористой стенки. Мурти /62/, Пракаш и Видж /88/ получили модифицированные уравнения Рейнольдса с учетом этих условий. Другие авторы /19, 43, 47, 88, 89/ внесли ценный вклад в решение этого вопроса, однако рассматривали стационарные задачи. Мурти /90/, Чандра, Малик и другие /91/ определили жесткостные и демпфирующие свойства пористых радиальных подшипников с учетом скольжения. Решение задач для гидрои аэродинамических пористых радиальных подшипников с учетом условий Биверса-Джозефа дают в работах /55, 56, 57, 92/ Чатгорадьян, Маджимцар, РАО, Сингх. Однако условие Биверса-Джозефа экспериментально подтверждается только для плоскопараллельного течения. Поэтому нет веских обоснований справедливости этого условия для трехмерного сечения. Впервые в нелинейной постановке гидродинамический расчет однородного пористого подшипника конечной длины был рассмотрен Толпинской Н. М. в работах /61, 82/. Решена нелинейная задача о гидродинамическом расчете пористого подшипника конечной длины с подачей смазки под давлением через поры вкладыша. Расчету неоднородных пористых подшипников конечной длины посвящены работы К.С. Ахвердиева/34,71,73/. Задача о гидродинамическом расчете пористых.

10 подшипников решается на основе нелинейных уравнений Навье-Стокса и уравнения Дарси. В этих работах пористый вкладыш считается однослойным.

Для обеспечения соответственной прочности пористого вкладыша возникает необходимость использования в подшипниках, работающих под давлением питания, многослойных вкладышей. Варьируя толщинами слоев, а также их проницаемостями, можно обеспечить не только устойчивый гидродинамический и тепловой режим работы подшипника, но и обеспечить необходимую прочность самого вкладыша.

Многослойный пористый вкладыш обычно изготавливают плазменным напылением сормайта с использованием агрегата УМП-5−68. Неоднородная пористость подшипника достигается за счет использования различного гранулометрического состава напыляемого порошка.

До настоящего времени в известной нам литературе не отражены вопросы теоретического исследования работы многослойного пористого подшипника, в частности, когда внутренний слой представляет собой микропористый полимерный материал, а внешний слой есть пористый материал переменной проницаемости. В таком подшипнике внутренний (микропористый) слой не только способствует удерживанию смазки, но и создает эффект дополнительного смазывания рабочей поверхности, а внешний (пористый) слой служит для подачи смазки.

Размер пор составляет 1−10 мкм, что обеспечивает удержание смазки. Микропористые смазочные материалы являются губчатой структурой, заполненной маслами. Соотношение между маслом и полимером может доходить до 80%.

Проблема гидродинамического расчета и разработка многослойных пористых подшипников, работающих в устойчивом тепловом и гидродинамическом режиме, является весьма актуальной. Решению этой проблемы посвящена данная диссертационная работа.

Общей целью этой работы является: — разработка методики определения оптимальных параметров многослойного пористого подшипника с подачей смазки под давлениемразработка конструкции многослойного пористого подшипника, обладающего повышенной несущей способностью и соответствующей жесткостью, работающего в надежном жидкостном режиме трения.

Для реализации общей цели необходимо решить частные задачи:

1. Разработать метод гидродинамического расчета многослойных пористых подшипников, работающих под давлением питания с учетом нелинейных факторов.

2. Определить основные рабочие характеристики подшипника и оценить влияние нелинейных факторов на эти характеристики.

3. Установить оптимальные значения механических, геометрических и других функциональных характеристик подшипника с многослойным вкладышем.

4. Дать оценку влияния числа слоев, их толщин и проницаемостей на основные рабочие характеристики подшипника.

5. Дать экспериментальную оценку основным теоретическим результатам и разработать практические рекомендации для их внедрения в народное хозяйство.

Работа состоит из введения и трех глав. Во введении дается современное состояние вопроса и задачи исследования. В первой главе приводится разработка метода гидродинамического расчета пористого подшипника конечной длины с двухслойным вкладышем.

Решается линейная задача об установившемся движении смазки в двухслойном пористом подшипнике конечной длины, внутренний слой которого представляет собой микропористый полимерный смазочный материал, а внешний слой имеет переменную проницаемость в осевом и окружном направлениях. Шип вращается с постоянной угловой скоростью, а подшипник неподвижен. Смазка подастся под давлением питания через поры.

12 вкладыша. Поля скоростей и давлений в смазочном слое находятся на основе линейных уравнений Навье-Стокса, а в теле пористого вкладыша на основе уравнения Дарси.

Во второй главе приводится разработка метода гидродинамического расчета двухслойного пористого подшипника конечной длины, с учетом нелинейных факторов. Задача сводится к совместному решению системы нелинейных уравнений Навье-Стокса, уравнения неразрывности и уравнений фильтраций для слоев двухслойного пористого вкладыша.

В этой же главе приводится решение задачи гидродинамического расчета пористого подшипника с многослойным вкладышем. Дается оценка влияния числа пористых слоев и их механических и геометрических параметров на основные рабочие характеристики подшипника.

На основе анализа полученных решений для основных характеристик подшипника разработана конструкция двухслойного пористого подшипника, работающего в надежном жидкостном режиме трения и обладающего повышенной несущей способностью.

В третьей главе дается экспериментальная оценка полученных теоретических результатов. Излагаются методика и результаты исследований, дается рекомендация для практического внедрения в народное хозяйство. В этой же главе даются общие выводы. В приложении приводятся материалы по внедрению.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. В линейной и нелинейной постановках решена задача о гидродинамическом расчете пористого подшипника конечной длины с двухслойным и многослойным вкладышами.

2. Найдены поля скоростей и давлений в смазочном слое, а также в теле двухслойного и многослойного пористых вкладышей с учетом и без учета нелинейных факторов.

3. Теоретически определено влияние нелинейных факторов на несущую способность двухслойного и многослойного пористых подшипников. Установлено, что учет нелинейных факторов даст не только количественную поправку, но и качественно меняет характер изменения некоторых функциональных параметров подшипника.

4. С использованием предложенной математической модели течения смазочной композиции в зазоре подшипника с многослойным пористым вкладышем получены аналитические выражения для основных рабочих характеристик подшипника. Это позволило дать качественную картину течения смазки в смазочном слое и в слоях вкладыша и установить закономерности изменения проницаемости слоев и давления питания по оси, когда многослойный вкладыш обладает уплотнительными свойствами, то есть отсутствует утечка смазки на торцах вкладыша.

5. Разработан аналитический подход к оптимизации режимных, конструктивных и других функциональных параметров подшипника с многослойным пористым вкладышем.

6. Найдены значения безразмерного параметра у/я других безразмерных функциональных параметров, определяющих толщину внутреннего и.

119 внешнего. слоев вкладыша, длину подшипника, давление питания и отношения проницаемостей слоев, при которых коэффициент нагруженности имеет ярко выраженный максимум и минимум.

7. Установлено, что увеличение толщины внешнего слоя и давления питания при постоянном значении коэффициента проницаемости приводит к уменьшению угла образованной между линией действия нагрузки и линией, соединяющей центры шипа и подшипника.

8. Показано, что если число слоев п пористого вкладыша не больше трех, то с увеличением п коэффициент нагруженности незначительно уменьшаетсяпри п>3 несущая способность подшипника резко уменьшается, а коэффициент трения стабилизируется.

9. Наиболее оптимальный режим работы многослойного подшипника обеспечивается, если п=3 и толщины первого, второго и третьего слоев меняются по закону возрастающей арифметической прогрессии, а их проницаемости — по убывающей арифметической прогрессии.

10. Осциллограммы изменения толщины смазочного слоя дня однослойного и двухслойного подшипников показывают, что минимальная толщина смазочного слоя в двухслойном подшипнике в 1,5 — 2 раза больше, чем в однослойном пористом подшипнике, что достаточно хорошо согласуется с результатами теории.

11. Дана экспериментальная оценка зависимости деформации от пористости, позволяющая варьируя толщинами пористых слоев вкладыша, а также их проницаемостями, обеспечить не только устойчивый гидродинамический и тепловой режим работы подшипника, но и обеспечить необходимую прочность слоистого пористого вкладыша.