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

донской'тоед/йРствЕнныи технический университет

На правах рукописи ' УДК 623.42.621.822.5

Крдчинина Екатерина Владимировна

ГИДРОДЙНАИИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ И РАЗРАБОТКА ПОДШИПНИКОВ СШЬШИЯ. ОБЛАДАЮЩИХ ПОВЫШЕННОЙ НЕСУЩЕЯ СПОСОБНОСТЬЮ С УЧЕТОН ТЕПЛООБМЕНА И ЛЕООРКЙЦИИ их ОПОРНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ.

Специальность 05.02.04 - трение и износ з иавинах.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону -1995- •

Работа выполнена в Ростовском-иа-Дону ордена Трудового Красного-Знамени государственном университете путей сообщения.'

Научный руководитель : '. - доктор технических наук,

- член-корр* йкадеиии Транспорта РФ. профессор Ахвердиев К.С. ..

Официальные опонеити: - доктор технических наук.

почетный академик йкадемии Транспорта. РФ. профессор., Евдокимов >Я.А.

- кандида|; технических нар, : доценг йордвинкии ¿.¡О,

Ведущее предприятие 17 Управление Северо-Кавказской

; ; . .Еедезной дороги; л: '

* Защита диссертации состоится; "иарта^iЗЗЗГ'¿ :

иа заседании спецкмизир ованого совета К 053.27.03V Донском'государственно» техвическом ушщерситете: 344708. ^ / Ростов-на-Дону-,пя.рагари^Л. ацд.^-.^-.

С. диссертацией «аано ознакоиитьса. в библиотеке Донского государственного технического универте»а.\

Отзив в 2-х экземплярах Сверенный печатьв.просии васшшь в специализированный совет lio.; указанному адресу. , "

автореферат $азосданж-1Л.-"-Февраля,1995 г.

общая характеристика рлботи.

Актуальность теми.Первостепенное значение для технического

перевооруаения зсего народного^хозяйства имеет развитие наиино-строения.Работа мазня, их долговечность,экономичность и надежность зависят от конструкции и качества отдельных деталей.о частности, вращающихся узлов.В новик машшах и механизмах.как правило,проектируются: рост скоростей вращающихся деталей, увеличение их стойкости, а тайне нагрузок,действующих на опоры.

Поэтому актуальной задачей является создание подшипников, работающих с реаиие жидкостного трения,видервивавиях 'большие . динамические й температурные нагрузки.Эффективность применения и .расширение области применения подшипников сколькения зависят от точности расчетных методик,от.реншш к функциональных параметров и от Формы сечения внутренних границ узла трения.

Вышеперечисленные проблема определили цель диссертации:

исследование задач о теплообмене в подшипниках, скольяения, работающих на яидкой смазке, повышение надекности расчетных методик, для оптимального реиииа работы подшипников гидкостного трения.учет влияния температурного ранима на деформации.внутрен-них поверхностей узлов трения. Гидродинамический расчет подшипника, близкого к круговому и разработка конструкций подшипника, обладавшего повывенной несудей способностью. Йетодк^а исследования. Основный аппаратом при рёвении

вставленной задачи является метод малого параметра.- С поноеью этого метода системы нелинейных дифференциальных уравнений

приводятся к уравнению Бесселя с комплексными переменными.

1 Решение-отыскивается в виде рядов по степеням малого параметра и.для случая малого зазора менду 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 кидкости.уравнения теплопроводности в теле подшипнике! и температурных уравнений упругой среды Ламе с полным учетом сопрявения на границе раздела сред,решена задаче гидродинамического расчета подшипника, работавшего в условиях кидкостного трения,с учетом деформации его опорной поверхности.Найдено поле скоростей и давлений в смазочном слое.распределение температур как в сназачном слое.так и в корпусе подшипника,установлен вид деформируемой рабочей-поверхности подшипника.Установлена зависимость основных «рдккцианальных характеристик подшипника от деформационно-упругих свойств материала вкладыша.На основе полученных и подтвержденных экспериментально результатов даны рекомендации.по расчету и проектированию подмипников с деформируемыми опорными поверхностями.разработана конструкция подшипника обладающего повышенной несущей способностью и работающего в устойчивом гидродинамическом и тепловом ренине. . Практическая ценность работы состоит в том. что на основе полученных теоретических результатов предложен научно обоснованный метод прогнозирования устойчивого гидродинамического и теплового ревима работы подшипников -скольжения с деформируемыми опорными поверхностями. Полученные в работе аналитические зависимости для основных реаимних параметров, в том числе , для давления.температура и других основных функциональных параметров.допускают численный анализ и дают возможность установить -не только оптимальный резим роботы подшипника, но и область гидродинамической и тепловой устойчивости работы . подшипника.На основе предложенного о диссертации'нетода прогнозирования работы подшипника.близкого к круговому.разработана конструкция подшипника кардкоидальнсго сечения,обладающего повышенной несувей способностью. Этот подшипник внедрен ь Локомотивной Депо Батайск СК е.д.

-3-

йпробация работа и публикации.

Основные результаты работы докладывались и обсуадались на конференциях: ' ЛУ Всесоюзная научно-техническая конференция "Контактная гидродинамика" г.Куйбыиев;1986 г.2.НеЕвузовская научно-практическая конференция с меядународнны участиек г.Са-мара;1993 г.З.Неявузовская научная конференция СГТУ г.Ставрополь:■ 1994 г. А также на научных семинарах кафедрн "Путевые и строительные матш" РГУ ПС г.Ростов-на-Лонц: 1985-1394 г.

По теме диссертации в центральной печати опубликовано 5 печатных работ.

Объем работы.Диссертация состоит из введения,

пяти глав . списка литератури из 34 наименований и прилояения. занимающих 134 стр. машинописного текста.й такзе из 28 ялли-страций, и 5 таблиц.

Содераание 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 Рейнольдсз решалась в работ-ах Александрова 8.Н.,Бабенко В.й..Белокань Д.В.,Ковальчук В.Е.,Дья-чкова А.К..Евдокимова 8.А..Колесникова В.И..Подрезова С.А..Зино И.Е.Лропп З.Й..Коднир Д.С..Медвединского М.Д..Зантер 3.<3.и др.

Более точная математическая постановка задач гидродинамического расчета подшипника на основании полной систеаы уравнений Навье-Стокса'содержится в работе йхвердиева К.С..Евдокимова Й.А.. Головко Т.С..но здесь не учитывается теплообмен.

В первой главе_диссертации приведен« основние обозначения.при-нятие в работе: "У/Яг, Ьо) -вектор скорости хидкой частицы смазки;/"/7,^/ _ -температура хидкой частицы смазочного сл_оя; Т(1% &} -температура материала корпуса подшипника; и ¡¿¿7, ¿¡в) -вектор перемещения: Л* -коэффициент тепло- • проводности смазки: Лй -коэффициент теплопроводности материала корпуса подшипника: е1 - коэффициент температуропроводности материала корпуса подшипника; -плотность-смазки: Ср

-теплоемкость смазки при постоянном давлении; 7£ -температура воздуха; л -вектор нормаль к поверхности.подшипника; 7

л

-механический эквивалент тепла; а * ; .

-постоянная Иусхаливвили; <?. -коэффициент Пуассона; 3*ß (?• , \ ß -коэффициент линейного теплового расширения.Здесь не приведены основные полоиения,уравнения тг граничные условия теории подшипников сколькениз,работающих на еидкостной смазке.используемые в работе,Б тон число: уравнение, притока тепла в кндкостной смазкс - 1 '

sa ц А. Л, Ж!,, v sil_ j■ 7 cW а (z dz Г dz/ одг /

, AL ifmf +u 'т л/2, '-иш +;

т ¿ри¡1 äzj, j 7 дв г/ (г ¿Т

4 т.'

+ ж -—//

уравнение теплопроводности -в теле подиипника-

/ дгГ.:, / ST /дгГ -л' '

гй двг ? dz dz1 ■ ...

уравнения теории упругости Ламе в полярной системе координат-

■-я

г! ;

Во второй главе рассмотрен плоский круговой подшипник, работающий в стационарно« рааиме.Подшипник находится в покое, а'а#л вращав,тся с постоянной угловой скоростью Ь) против

часовой стрелки.При этой принята обозначения: Чо -радиус иипа; Л» -внутренний радиус подшипника: Я -внешний радиус, подшипника\е*(00^ -эксценриситет .Центр випа принимается за центр полярной системы координат ( 2 . д КРис.П.

В выбранной системе координат уравнения границ имеют вид: : -граница иипа:

Х*Яо(1*н) -внутренняя граница подшипника;2*к{(*Н)

-внешняя граница подшипника.где

Рис.1 .

-относительный эксцентриситет

В'зтой. главе на основе полных нелинейных уравнений Навье-Стокса,уравнения притока тепла в хидкой смазке и уравнения теплопроводности в корпусе подшипника решается задача об определении поля скоростей.давлений и температур в сказочном слое и поля температур в корпусе подшипника.При этой вшГпредполагается не-теплопроводкым. Принимаются следующие граничные условия ¡.условие прилипания «идких частиц смазки.равенства температур и тепловых потоков на внутренней границе цодвнпника,условие Ньютона теплообмена с внеаней средой на внешней границе.

Ревение поставленной задачи найдено в виде рядов по степеням малого параметра - относительного эксцентриситета £ .При этом температура в смазке и в корпусе подвипника найдена соответственно в виде •"... со • ^

7"' 2- 7л й ' л*г

Г' £ ;

Причем

Г,

!ля определения Р/г) и /у?^

получена система уравнений:

г' /А. , ) 1} 1.

' /г* а/л$ '/Г

ли

Г+^Г'-^Г-О

Выведена формулы,позволяющие в заданном реаиме расчитать распределение: температур в сиаэке и в корпусе подшипника. Разработана програииа на языке ШТШ.позволявшая прогнозировать наиболее устойчивый тепловой реаий работы подшипника в зависимости от свойств материала его корпуса и свойств смазки.

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

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

2*2о -граница випа: ? *$¡¡¿+>¿1) -внутренняя граница подшипника,-: * - внешняя граница подвшшика,

где ' ■ - " ' 1

■Ю * +Л//3/-£б24и>гд + ... •

Ревенйе найдено в виде:

— я 1 ' е* гт , _

% - I 2 6 Л*и**; П I I б'Л'Япк;

• ¿е е*' . ^

Г<?14*Л>7*А

I й'А Тпк :

Прнчеы рассмотрен случай кардиоидаяьного сечения внутренней поверхности подшипника"'(при ^б/'Сазв В этой случае - •"

, Та,

; где:' ■ ' ' ' .

го

Ре, -- Л?-£

На основании проведенного численного - гншизаГ показано, что в случае,когда внутренняя граница представляет собой кардиоидаль- . ное селение.подиипник обладает повышенной.несудей способностью и работает в более устойчивом гидродинамическом и тепловом рекиме.

• В четвертой главе на основе полных уравнений Навье-Стокеа. уравнения притока.тепла в зидко'сти.уравнения. теплопроводности и температурных уравнений Ламе, решается задача о гидродинамическом расчете радиальногоподоипника'бесконечноЯ длина с учетом дефорнации его рабочих поверхностей и с учетом теплообмена. К граничным условиям.принятии во второй главе присоединена: уело-> вие недефор.мируемос'ти внешней границы подшипника.условия равенства нормальных и касательных напраяений в смазке и теяе подаипника на его внутренней границе: .

¡7 дв зг 7/ /I? дд Г дг г/

Система полярных координат выбрана таки* образом,чтобы центр ее совпадал с.центром подшипника.а"полярная бсь была направлена в сторона наименьшей толщина смазочного слоя (Рис.2).В этой системе координат уравнения границ имеют вид: 2*Ъо((+Н) -граница ''

шипа: ,, >

-вйутрй{няя граница подшипника:

г

-внешняя граница подшипника, где: ,.

Рис.2 • р ,А_

Я . а* . ¿д = 0.1,...^находятся из реиения задачи

теории упругости. ^

После замены температурные уравнения Ламе лриао-

дятся к уравнениям е постоянными коэффициентами:

/яф'-зхУ-гг г-гза /х^у-г* г+21

Здесь: иг'11 6*5?; Ой 11

ЛгО />га 7 к.0 П'О

Решение этой системы имеет вид: '

У' 2 Спс*"*

2 Стс^г*"*- * МгМ\

тг/ '

т" г/Ьт+г}

Найдено поле скоростей,давлений и температур в смазочном слое, поле температур и вид деформированной опорной поверхности. Получены соотношения.описывающие зависимость основных функциональных параметров подшипника от толщины слоя заливки.Анализ полученных результатов показывает.что в период пуска.остановки, резкого изменения резина работа узла трения меняется толщина антифрикционного слоя,меняется форма опорной поверхности ("причем она меняется значительно.при учете теплообмена) и,как-результат.происходит изменение напряаения и величины поддерживающей силы.Область.где изменяется направление поддервивавщей силы;мо»но определить по графикам составлявших: Я* -действующей вдоль линии центров (рие.З),<Р/ -действующей перпендикулярно линии центров (рис.4). Яу • . принимает только .полояительные значения. ' модет принимать как. полонитёльныв,

так.и отрицательные значения.Область отрицательных значений расширяется при учете теплообмена.В процентном отношении в случае учета теплообмена максимальное значение поддернивавчей силы почти 0 два раза меньве по сравнению с результатами, полученными без учета теплойбиена.

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

Рис.5

В пятой главе приводятся результаты проведенных автором дис-ертацин экспериментальных исследований по определении основных арактеристик подийпникаграспределения давления и температур по круашости подоипника:определении Формы смазочной пленки. оэФФЙциента трения.а такке деформировании опорной поверхности, а рисунке б приведен график зависимости температуры от следуга-их режимов работы подшипника:

Реяим работы'. . I' . 2 3 ' 4 5 '

' 5 ■ Ю Па 1.6 3 ' 4.5 4.5 1.6 ,

■ .м/с • 0.3 0.9 4.5 ' г ' 2.9

ггс

120

80

40

// уг ✓ ~---.

// // у ///■ ' ' ' ■

V

2 3

Рис.е:

4.

На рисунке ? приведены кривые.описывающие еид деформированной поверхности.

Р^Ч ■ \ Ч /

/ ч Х\ х \ X ч - " | У? /

\ л X \ ---—

X

т

я

Рис.7

гЯ

4

2

-:-— -'теоретическая кривая,- .

— — —'--:—экспериментальная кривая, ;

I ,Г'ГГ=20 СО. 2,2'(Т=60 СУ . ' • - . ..

' Па рисунке 3 приведена осциллограмма изменения.толюты смазочного слоя и дазления по. окрцйности. :; -

' ; Рис. V

3 прилояении.приведена программа мя ЭЦВМ, позволяющая вычислять температуру в лвбой точке смазочного слоя и корпуса подшипника для сличая' тонкого слоя смазки.

Основные' выводи:

• 1. Б работе в строгой математической постановке на основе полных нелинейных уравнений Навье-Стокса и уравнений Ламе с ' полным учетом сопряжения на границе раздела сред.а-такае с учетом теплообмена и Формы сечения внутренней границы подшипника-, решается задача гидродинамического расчета подаипника, работающего в условиях жидкостного трения с учёток'теплообнена и деформации опорной поверхности.

2. Найдено лоле скоростей и давлений в смазочном слое.распределение температур в смазочной слое и'э теле подвипника 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 деформации опорной поверхности подкипника.Прогнозированы

•возможные области устойчивого теплового и гидродинамического режима работы подшипника.

5. Получены соотношения,описывающие характер зависимости основных Функциональных параметров подшипника от толщины слоя заливки, а также 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.протекавших 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. 1384 г. ВИНИТИ.N 165-85 Деп.23 стр..

Ъ. Задача о теплообмене в плоском круговом подшипнике. Ростов н/Д.1985 г.Вопр.механики в с/х маииностр.Менвуз.сб.РИСХМ. с.127-140. . . _

3. Теплообмен в подиипнике скольяения с учетом деформации его, рабочих поверхностей.Ростов н/Д.1386 г.Тезиса докладов

1и Всесоюзной конференции "Контактная гидродинамика",Куйбывев. йвиац.ин-т.

4. Теплообмен при установившемся движении смазки в подшипнике, близком к круговому.Ростов н/Л.1987 г.Механика деформир.тел. Межвуз.сб.РИСН 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.Межвуз.сб.РИИЖТ.с.15-18.