автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Гидродинамический расчет и разработка подшипников, обладающих повышенной несущей спосообностью с учетом деформации их опорных поверхностей

ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рдкописи • УДК 629.42.621.822.5

Крдчинина Екатерина Владимировна

ГЙДРОДКНАННЧЕСКИЙ РАСЧЕТ И РАЗРАБОТКА ПОДШИПНИК'' ОБЛйДйВДХ ПОВЫШЕННОЙ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТЬЮ С

й ДЕФОРЙЙЦИИ ИХ ОПОРНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Специальность 05.02,04 - трение и износ в тайнах.

ЯВТОРЕФЕР й Т . диссертации на соискание цченой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону -1995- •

Работа выполнена в Ростовском-на-Дону ордена Трудового Красного-Знамени государственном университете путей сообщения. -•>

НаучниА руководитель

Официальные опонеити:

Ведущее предприятие

доктор технических наук, член-корр. Академии Транспорта РФ. профессор йхвердиев К.С. ..

доктор технически!« иадк. почетный академик йкадемии Транспорта.РФ, профессор.. Евдокииов $.Й.. кандидат "технических нар,: доцент Мордвинкин fl.fi. Управление Северо-Кавказской нелеэной дороги. ... :"<>

" ■ • Зацита доссертации сосмится

на заседании спешшизированого совета К 063.27.03 в Донском государственной терицескои университете: 344708. Рос'тов-на-Дон^.пя.ГагарздаЛ; аяд.^.,.—.

С. диссертацией мшю ознарйитьр*вбиблиотеке Донского государственного технического университета.

Отзыв в 2-х экземплярах .заверенный печатью,просим высылать в специализированиий совет по. аказанноыа адресу. '

Автореферат разослан"_1^дП,'_Февраля_1995 г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАБОТУ.

Актуальность темы.Первостепенное значение для технического

перевооруяения acero народного"хозяйства имеет развитие машиностроения.Работа машин, их долговечность.экономичность и надежность зависят от конструкции и качества отдельных деталей,в частности, вращавшихся узлов.В новых машинах и механизмах.как правило.проектируются: рост скоростей вразаюаихся деталей, увеличение их стойкости, а такие нагрузок,действующих на опори.

Поэтому актуальной задачей является создание подшипников, работающих в реаиме жидкостного трения,видераиващих ЧЗольиис . динамические if температурные нагрузки.Эффективность применения и.расширение области применения подшипников_скольяения зависят от точности расчетных методик,от ренимиих и'функциональных параметров и от формы сечения внутренних границ узла трения.

Вышеперечисленные проблемы определили цель диссертации:

исследование задач о теплообмене в подшипниках скольяения. работакщих на йидкой смазке, повышение надеаности расчетных методик для оптимального реяима работы подшипников йидкостного трения.учет влияния температурного ргкика на деформаций знутрем-иих поверхностей узлов трения. Гидродинамический расчет подшипника, близкого к круговому и разработка конструкции подиипника. обладающего повыаенной несуцей способностей. Методика исследования. Основным аппаратом при реиении

лсставленной задачи является метод малого параметра,- С помощью этого метода системы нелинейных дифференциальных уравнений

приводятся к уравнению Бесселя с комплексными переменными.

Решение .отпивается в виде рядов по степеням малого параметра и,для случая малого зазора между шипом и подшипником, этот метод позволяет получить асимптотическое решение. Научная новизна и .практическая значимость.

Впервые,в строгой математической постановке, на основе полных нелинейных уравнений Навье-Стокса.уравнения притока тепла в нидкости.уравнения теплопроводности в теле подиипника и температурных уравнений упругой среды Ламе с полным учетом сопрявения на границе раздела сред.реиека задаче гидродинамического расчета подшипника,, работающего в условиях еидкостного трения,с учетом деформации его опорной поверхности.Найдено пад.е скоростей и давлений в смазочном слое.распределение температур как в смазачном слое,так и в корпусе подаипника.установлен вид деформируемой рабочей поверхности подшипника.Установлена зависимость основных фуккцианальных характеристик подшипника от деформационно-упругих свойств материала вкладыша.На основе полученных и подтвервденных экспериментально результатов даны рекомендации.по расчету и проектировании подшипников с деформируемыми опорными поверхностями.разработана конструкция подшипника обладающего повыиенной несуцей способностью "и работающего в устойчивом гидродинамическом и тепловом ренине. . Практическая ценность работы состоит в том, что на основе полученных теоретических результатов предлокен научно обоснованный метод прогнозирования устойчивого гидродинамического и теплового ре&ина работы подшипников -сксльаения с деформируемыми опорными поверхностями. Полученные в работе аналитические зависимости для основных рекимных параметрое, в том числе , для давления.температуры и других основных функциональных параметров.допуска»т численный анализ и дают возможность установить .не только оптимальный реаим работы подшипника, но и область гидродинамической и тепловой устойчивости работы подлинника.На основе предложенного в диссертации'.'метода прогнозирования работы подшипника,близкого к круговому.разработана конструкция подшипника кардиоидалышго сечения.обладающего повышенной несущей способностью. Этот подшипник внедрен ъ Локомотивном Депо Батайск СК а.д.

йпробааия работы и публикации.

Основные результата работи докладывались и обсундались на конференциях: '.IV Всесоюзная научно-техническая конференция "Контактная гидродинамика" г.Куйбышев;1986 г.2.Ненвузовская научно-практическая конференция с мендународныы участием г.Са-нара;1993 г.З.Мезвузовская научная конференция СГТУ г.Ставрополь;-1394 г.Я также на научних семинарах кафедрц "Путевые и строительные машины" РГУ ПС г.Ростов-на-Дону:1985-1994 г.

По теме диссертации в центральной печати опубликовано 5 печатных работ.

Объем работа.Диссертация состоит из введения. .

пятиглав . списка литературы из 34 наименований и приловения, занимающих 134 стр. машинописного текста.й такае из 28 иллюстраций. и 5 та'блиц.

Содеряание работы.Во введении обоснована цель и

актуальность проведенной работы,отмечены некоторые особенности, гидродинамического расчета-подшипников скольаения с учетом теплообмена.Задачи гидродинамического расчета подшипника с учетом теплообмена на основании уравнения Рейнольдса решалась в работ-ах Александрова В.Н.,Бабеико В.й..Белононь Й.В..Ковальчук В.Е..Дья-чкова Й.К..Евдокимова Ю.ft.,Колесникова В.И..Подрезова С.й..Зино И.Е.,Тропп З.Й..Коднир Л.С..Иедвединского И.Д.,Зантер Э.Ф.и др.

Более точная математическая постановка задач гидродинамического расчета подшипника на основании-полной, системы уравнений Навье-Стокса содержится в работе Яхвердиева К.С..Евдокимова Ю.А., Головко Т.С..но здесь не учитывается теплообмен.

В первой главе_диссертаиии приведены основные обозначения,принятые в работе: V¡Vt,Va/ -вектор скорости жидкой частицы смазки: 7"¡1, д) . -температура жидкой частицы смазочного слоя; -температура материала корпуса подиипника:

U/Ut,Ue} -вектор перемещения: Л? -коэффициент тепло- • проводности смазки: Лг -коэффициент теплопроводности материала корпуса подшипника; сI -коэффициент температуропроводности материала корпуса подшипника;. J) -плотность-смазки; £р -теплоемкость смазки при постоянном давлении: Г/ -температура воздуха: л -вектор нормаль к поверхности подшипника; U

-4л

-механический эквивалент тепла; а, г ' г

-постоянная Мусхелишвили; 6 -коэффициент Пуассона; : уЗ -коэффициент линейного тепло-

вого расширения.Здесь ке приведены основные положения.уравнения тг граничные условия теории подшипников, сколькения,работающих на жидкостной смазке,используемые в работе,В тон числе: уравнение, притока тепла в иидкостной смазке - • ■

уравнение теплопроводности-в теле подиипника-

. ^ аИ-^Жу-'¿2 :

г* двг ? дг дгг уравнения теории упругости Ламе в полярной системе координат.. я ет '■:'- " ■ "' ¿1

Ве второй главе рассмотрен плоский круговой подшипник, работающий в стационарном реяиме.Подиипник находится в покое, а ир враца&.тся с постоянной угловой скоростью СО против

часовой стрелки;При этом приняты обозначения: 7о -радиус шипа: ' Ло -внутренний радиус подшипника: А -внешний радиус подшипника и?»/^'/ -эксценриситет .Центр иипа принимается за центр полярной системы координат ( 2 .в 1С Рис. 1).

В выбранной системе координат

. уравнения границ имеют вид:

7*?о -граница шипа:

-внутренняя

граница подвипника: Ъ*к({*н) .

-внешняя граница подвипника.где г.

Рис.! .

Ко

готносительний эксцентриситет

В'этой главе на основе полных нелинейных уравнений Навье- , Стокса.уравнения притока тепла в жидкой смазке и уравнения теплопроводности в корпусе подшипника решается задача об определении поля скоростей.давлений и температур в смазочном слое и поля температур в корпусе подшипника.При этом иип предполагается не-: теплопроводным.Принимается следущие граничные условия:условие прилипания жидких частиц смазки.равенства температур и тепловых потоков на внутренней границе подшипника.условие Ньятона теплообмена с внешней средой на внешней границе.

Решение поставленной задачи найдено в виде рядов по степеням малого параметра - относительного эксцентриситета б .При этом температура в смазке и в корпусе подшипника найдена соответственно в виде ,■'■ ^ • ^ "»Г-' V" •

Г' I. 7л6 .

Причем

м

т»&

Г, -- &

Для определения Ф[ъ)

Ж

ф)

7,

получена система уравнений:

* я*

<Р% ± ф' + и* - -к )ф : _-Д г/

г*

*Н

2*

Щл);

т?

Выведены формулы,позволяющие в заданном реаиме.расчитать распределение; текператар в смазке и в корпусе подшипника. Разработана программа на языке РОШАЙ.позволявщая прогнозировать наиболее устойчивый тепловой.реаим работы подвипника в зависимости от свойств материала его корпуса и свойств смазки.

На основе проведенного численного анализа установлена область максимальных и минимальных температур.

В.третьей главе задача об определении поля скоростей, давлений и тёмператар реиается для подшипника.близкого к круговому.Б этом случае уравнения границ имеют вид:

-граница випа: %*Ао({+Й1) -внутренняя граница подаипника.:' ?«А//*№} - внешняя граница подшипиника, :

где

и* , е .

• /

"Ж

Решение найдено в виде:

" о

вгбк'О

ЛФ ' л. м

Г>?14лЛ*?*А

Причем рассмотрен случай кардиоидального сечения внутренней поверхности подшипника (при ff$f*£aàÔ\ ) . В этой случае ■ ; ' ■ •' ; ; :: '..- /.'.

V; Гс* ке л-■ :

. где: - :'î4' \

i î-■ Ш^ШФШШ'Ш ■;;

Го, < f

. На основании проведенного численного- аналйза' показано, что в случае.когда внутренняя граница представляет собой кардиоидаль- . ное сеч'зние.подиипник обладает повыоенной несуией способностью и работает, в более цстой1жвом .гадродииамическом и тепловом реяиме.

В четвертой главе на основе полных уравнений Навье-Стокса. уравнения притока.тепла в зидкости.уравнения. теплопроводности : и температурных уравнений. Ламе,' реиается задача о гидродинамическом расчете радиального подшипника'бесконечной длина с учётом деформации его рабочих поверхностей и с учетом теплообмена. К граничным условиям,принятым во второй главе присоединены: условие недефор.мируемости внешней граница подшипника.условия равенства нормальных и касательных напряхений в сиазке ^ теле под«зипника на его. внутренней границе: . ■ "

Л/1 M + Ш- M*}- 1/1 ш * ш -Ш °{г дд Эг ?/"//? ââ дг г/.

Система полярных координат выбрана тении образом,чтоба центр ее совпаидл с.центром поднипника,а'полярная Ось была направлена в сторону наименьшей толщины смазочного слоя (Рис.2).В этой системе, координат уравнения границ имевт вид: -граница "'*

випа: • 2*Ло +£ Л*

-внутренняя граница подшипника;

Ш

-внеиияя граница подвипника, ; где: • / • •"

Рис.2 - £ г *

6-ТО' ч

Л . ЯЛ . ¿а - 0,1.... ^-находятся из ревеиия задачи теории упругости.. ■/ •'. .

После замены Хг£ температурныеуравнения Ламе приво-

дятся к уравненияке постоянными коэффициентами:

1хфи'2хУ-г1 Г-2x1 г*щ /х^У-гх Г+гг у+2ЫУ

ЛгО тО

Решение этой систеии имеет вид

" ( Л "

Здесь:

Л»

' ^.л то-

г/*т * я/

Найдено поле скоростей.давлений и температур в'смазочном слое, поле температур и вид деформированной опорной поверхности. Получены соотношения,описывавчие зависимость основных функциональных параметров подшипника от толщины слоя заливки.Анализ полученных резуль7атов показывает.что в период пуска.остановки, резкого изменения режима работы узла трения меняется толщина антифрикционного слоя.меняется форма опорной поверхности (причем она меняется значительно при учете теплообмена) и.как-результат.происходит изменение напряжения и величины поддер-нивавщей силы.Область.где изменяется направление поддервивавщей силы,можно определить по графикам составляющих: X» -действующей вцоль линии центров (риё.З).ИУ -действующей перпендикулярно линии центров (рис.4). - . принимает только .половительные значения. может принимать как. половитёльныв:,

так.и отрицательные значения.Область, отрицательных значений расширяется при учете теплообмена.В процентном отновеняи в случае учета теплообмена максимальное значение поддераиваюцей силы почти в два раза меньае по сравнению с результатами, полученными без учета теплообмена. •'*

Область.где величина минимального зазора имеет отрицательные значения, намного аире в случае учета теплообмена.Это указывает на возмовность нарувения целостности смазочной пленки (рис.5)

;Рис.4

б/т&г

0.436

0.435

ъй/Ж

Рис.5 .

В пятой главе приводятся результаты проведенных автором дис-:ертации экспериментальных исследований по определению основных :арактеристик подийпника;распределения давления и температур по жрукности. подшипника ¡определению формы смазочной пле!(ки. юзОФнциента трения.а такяе деформировании-опорной поверхности, 1а рисунке б приведен график зависимости температуры от следуга-|их режимов работы подшипника:

Решим работы'- 1 2 3 ' "4 ' 5 '

5 . " Ю На 1.6 3*. 4.5., 4.5 1,6 .

^ м/с 0,9 , о.9 ; °-9 \ 4.5 2.9

■г.'с

120

80

40

- // II

А > /У/ 0

- 1 у У о •

I .".■■'. 2 \ - 3 ■■■■••■■ ' - 4. Рис.6

На рисунке ? приведены кривые.описывающие вид деформированной поверхности.

6

\ \ • ' ■. /

^ \ V \ \ ■ " — У? / /А

X ^ \\ --. -—■—

Я

Рис.?

¿Г

—.——__ - теоретическая кривая, .

— — —'--.—-экспериментальная кривая, 1

1Л'Х'Г=20,-С2,2'СТ=60 С 3 .

На рисунке"-8-приведена осциллограмма изменения толпшш смазочного слоя и;'давления;по. окружности. .' .'..•;.

р1 с 6

В прнлояении приведена программа для.ЗЦЁН.' позволяющая., вычислять температуру в любой точке смазочного слоя и корпуса подшипника.для случая тонкого слоя смазки.

Основное' выводы:

• 1. О работе в строгой математической постановке на осйове полных нелинейных уравнений Навье-Стокса и уравнений Ламе с полным учетом сопряжения на границе раздела сред.атакае с учетом теплообмена и формы сечения внутренней границы подшипника,решается задача гидродинамического расчета подиипника, работавшего в условиях аидкостного трения с учетои'теплообмена и деформации опорной поверхности.

2. Найдено поле скоростей и давлений э смазочной слое,распределение температур в смазочном слое и'в теле ""одиипника и

установлен вид деформируемой поверхности.

3. Установлена зависимость основных функциональных характеристик подшипника от деформационно-упругих свойств материала втулки.

4. Установлено влияние теплообмена на основные характеристики и деформацию опорной поверхности подиипника.Прогнозированы

•возможные области устойчивого теплового и гидродинамического рекима работы подшипника.

5. Получены соотношения,описывающие характер зависимости основных функциональных параметров подшипника от толщины слоя заливки, а такие от параметра,характеризующего степень отклонения подшипника от,кругового.

6. Показано,что при наличии теплообмена.учет нелинейных факторов дает не только значительную поправку к известным результатам, но и существенно меняет качественную картину процессов.протекающих в узле трения.

7. Дана экспериментальная оценка полученным основным теоретическим результатам ( результаты теории и эксперимента удовлетворительно согласуются ). .

Основное содеряание диссертации опубликовано в следующих работах: ,

1.Теплообмен в плоском круговом подшипнике.Ростов-на-Дону. 1984 г. ВИНИТИ.Н 165-85 Деп.23 стр.

2. Задача о теплообмене в плоском круговом подинпнике. Ростов н/Д.1985 г.Вопр.механики в с/х мавиностр.Меввуз.сб.РИСХМ. с.127-140.

3. Теплообмен в подшипнике скольяения с учетом деформации его рабочих поверхностей.Ростов н/Д.1986 г.Тезиса докладов

1У Всесоюзной конференции "Контактная гидродинамика",Нуйбышев. Авиац.ин-т.

4. Теплообмен при установившемся движении смазки в подшипнике, близком к круговому.Ростов н/Д.1987 г.Механика деформир.тел. . Межвуз.сб.РИСХМ г.37-43.

5. Задача о теплообмене в плоском подшипнике скольжения с деформируемой внутренней границей.Ростов н/Д.1989.Трение, износ и смазка в узлах машин.Кеявуз.сб.РИИВТ.е.15-18.