автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Неоднородный пористый подшипник конечной длины, питаемый смазкой под давлением через поры вкладыша

?ОСТОВСКШ-НА-ДОНУ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

На правах рукописи УДК" 621.822.01.032

Прянишникова Любовь Ивановна

НЕОДНОРОДНОЙ ПОРИСТЫЙ ПОДШИПНИК КОНЕЧНОЙ ДЛИНЫ, ПИТАЕМЫЙ СМАЗКОЙ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ЧЕРЕЗ ПОРЫ ВКЛАДЫША

05.02.0^ - Трение и износ в машинах

Автореферат

диссертаций на соискание уыэной степени кандидата технических наук

Ростов- на-Дону

1991

Работа выполнена в Рос т о вс к ом- ш'»Де'ку ордена Трудового ' Красного Знамени институте инженеров Железнодорожного транопорта

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

К.С.АХБЕРДШ

Официальные оппоненты- доктор технических наук, профессор

А.И.СНОПОВ,

кандидат технических наук Ю.И.ПУСГОВОЙТ

Ведущее предприятие - Производственное объединение

"Тернопольский Комбайностроительный завод".

Защита состоится 26 ноября 1991 года в 10.00 часов на засег дании специализированного Совета Д.06Э.27.03 при Ростовском-на-- Дону ордена Трудового Красного Знамени институте сельскохозяйственного машиностроения; 344708, г.Ростов-на-Дону, ГСП -8, пл. Гагарина, I, РИСХМ, ауд.252.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ростовского--на-Дону ордена Трудового Красного Знамени института сельскохозяйственного машиностроения.

Автореферат разослан октября 1991 года.

Ученый секретарь специализированного Совета к.т.н., доцент

i,::, А11туал^Н£сть_те,ш. Подшипники скольжения, выдерживающие зысойиа силовые, моментные нагрузки, применяются в самых разнообразных-. конструкциях. Важную роль в работе таких конструкций играет треаие.

Улучшение работы узлов трения может быть достигнуто совер пенствованием методов расчета и применением новых подшипниковых материалов. Одним из наиболее эффективных и дешевых замени гелей дорогостоящих металлов.в подшипниках скольжения являются пористые материалы. Применение пористых материалов упрощает технологический процесс изготовления подшипниковых узлов, значительно снижает их стоимость и повышает долговечность. Подлиннику с пористыми вкладышами работают с меньшим шумом, луч-лим теплообменом, позволяют осуществить подачу смазки в зазор-под давлением через поры вкладыша, что обеспечивает устойчивый жидкостный режим трения.

Гидродинамическому расчету пористых подшипников посвящено большое количество исследований. Здесь следует отметить работы Моргана, Камерона, Руло, Родса, .«урти, Кьюээно, Коровчинско го J.B-., Никитина А.К., Ахвердиева K.'G., Савченковой O.G., Тол пинской Н.Б. и других. В этих работах либо рассматривается работа пористых подшипников без учета подачи смазки, либо учитывается подача смазки, но подшипник считается однородным. Однако , как известно,. если сделать вкладыш, обладающий переменной проницаемостью, то сохранив благоприятные условия для поддержания, смазочного слоя, можно достичь большей, грузоподъемности подшипника. Анализ опубликованных .работ позволяет сделать вывод, что неоднородные пористые подшипники изучены недостаточно В большинстве из них решатся задача для неоднородного пористо го подшипника бесконечной длины или-додщипника, запресованно-го'-в непроницаемый корпус (Красниченко JLB., Кривоносое В.К.,; Снопов А.И.). Для подшипника конечной длины с подачей смазки через тело пористого вкладыша под давлением решена задача для . случая, когда, вкладыш состоит из двух составных частей разной проницаемости (Ахвердиев K.G., Подрезов E.G.).

Таким образом, гидродинамический расчет неоднородного.-яо-ристого подшипника конечной длины, питаемого смазкой под-давлением через поры вкладыша, является актуальной задачей.

Дель__раб_отй состоит в теоретическом и экспериментальном исследовании неоднородного пористого подшипника конечной длины, питаемого смазкой под давлением через тело вкладыша и установление законов изменения коэффициента проницаемости в окружном, радиальном и осевом направлениях, обеспечиваниях надежный режим работы.

Научная новизна работы заключается в том, что разработан научно-обоснованный метод решения одной из основных задач гидродинамической теории смазки, состоящей в создании с учетом нелинейных факторов новых методов расчета пористых подшипников неоднородных в осевом, радиальном и окружном направлениях. Для этого:

.- впервые решена нелинейная задача об установившемся течении вязкой несжимаемой жидкости в неоднородном по окружности пористом подшипнике конечной длины, работающем под давлением литания;

- аналитически найдены основные характеристики подшипника, установлены области изменения режимных и конструктивных параметров, в том числе коэффициента проницаемости материала,'

• вкладыша, обеспечивающих оптимальный гидродинамический режим работы подшипника;

- решена нелинейная задача гидродинамического расчета под шипника бесконечной длины переменной пористости.в радиальном

и окружном направлениях. Установлена закономерность изменения проницаемости, обеспечивающая надежный кидкостный режим работы подшипника;

- разработан метод расчета подшипника неоднородного в осе вом направлении. Установлена закономерность распределения коаф фициента проницаемости'*вкладыша вдоль оси, при котором отсутсг вует утечка смазки из торцов вкладыша.

Практиче£кая_ценноеть^ В результате теоретического исследования и проведенных экспериментов разработана математическая модель прогнозирования надежной работы пористых подшипников неоднородных в окружном, радиальном и осевом направлениях, рабо тающих под давлением питания. Установлены режимные и конструктивные параметры, а также коэффициент проницаемости, обеспечивающие кидкостный режим работы подшипников.

Реал^З£Цкя_ряз2Льтат£в_ра^боты. Разработанные рекомендации нашли применение и могут быть широко использованы при про~ ектировании неоднородных пористых подшипников, применяющихся в турбина^, мощных электромашинах, металлообрабатывающих шлифовальных станках, кузнечно-прессовоч и литейном производстве, а также в подъемно-транспортом' оборудовании.

Апдобация ¿аботьи Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на:

Всесоюзной научно-технической конференции "Надежность роторных систем с опорами на газовой смазке" (Новороссийск, 1990 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Износостойкость машин" (Брянск, 1991 г.); на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава РИИКГа (1989, 1990 г.).

Работа в полном объеме доложена на совместном заседании кафедр высшей математики и путевых и строительных машин Ростов-ского-на-Дону института инженеров железнодорожного транспорта и на заседании кафедры технологии конструкционных материалов Ростовского-на-Дону института сельскохозяйственного машиностроения, .

Публикации^ По результатам выполненных «селедовании опубликовано 12 статей. -

Объем зэабитьи Диссертация состоит иг введения, трех глав, общих выводов, списка использованной литератур и приложений. Она содержит 207 страниц, включающих в себя 50 рисунков, 26 таблиц, библиографию из 69 наименований.

Со^е^жание_работы.

Во_в£едении кратко излагается современнее состояние вопроса и обосновывается актуальность рассматриваемой -гены.

В це£вой_главе рассмотрена нелинейная задача »6 установившемся течении вязкой несжимаемой жидкости в неаднвредном пористом подшипнике конечной длины, питаемом смазкой под давлением через вкладыш . Предлагается, что смазка заполняет все пространство между шипом, вращающимся с постоянной углоеол скоростью, и неподвижным подшипником (рис. I). Температуру смазки и ее вязкость считаем постоянной.

Течение жидквсти в смазочном слое удовлетворяет полной системе нелинейных уравнений Навье-Стокса и уравнению неразрывности

О) (*)

Рис. I. Схема пористого подшипника

Рассмотрим случай, когда пористый подшипник имеет проницаемость изменяющеюся по окружности. В теле пористого вкладыпш течение смазки подчиняется закону Дарси. С учетом уравнения неразрывности, получаем, что давление в порах вкладыша удовлет воряет уравнению:,

При записи граничных условий предполагалось, что

1) на поверхности вала выполняется условие прилипания;

2) на внутренней поверхности вкладыша скорость жидкости подчиняется закону Дарси;

3) давление на торцах подшипника равно давлению окружающей среды;

. 4)'при переходе через пористую границу давление непрерывно;

5) на внешней поверхности пористого вкладыша давление равно давлению подачи смазки.

Решение задачи ищется в виде

где V , V, Р - решение плоской нелинейной задачи для сплошного подшипника, и, , V , иГ , рг - добавочные слагаемые, учитывагацие конечность длины подшипника и подачу смазки через поры вкладыша. Решение задачи для этих слагаемых найдено в виде рядов до степеням малого параметра В -относительного эксцентриситета. Построенное решение выражено через модифицированные функции Бесселя.-Найдено воздействие смазки на шип и подшипник.

Предполагая, что безразмерный коэффициент проницаемости изменяется по такому же закону, что и зазор определены основные характеристики неоднородного пористого подшипника скольжения.

В случае малого зазора,исследовано влйяние "параметров неоднородного по окружности пористого подшипника на характеристики смазочного слоя: коэффициент нагруженности, коэффициент сопротивления вращению и коэффициент трения,■•

Расчеты были проведены на ЭМ в.широком диапазоне значений параметров, охватывающих практически возможные .случаи, встречающиеся в эксплуатации.

Отдельные результаты расчета представлена на графиках;

напряженности и коэффициентом.проницаемости :

Ríe. 3 Зависимость коэффициента.трения от проницаемости ;

В заключение первой главы рассмотрена задача об установившемся .течении несжимаемой вязкой жидкости между шипом и пористым подшипником бесконечной длины с непроницаемой внешней стенкой. Подшипник н&ходится в покое, а шип вращается в постоянной угловой скоростью. Пористый вкладыш неоднороден как по толщине, так и по окружности. Смазка заполняет все пространство между шипом и пористым вкладышем.

Задача сводится к интегрированию полной системы нелинейных уравнений Навье-Стокса, уравнения неразрывности"и уравнения,

описывающего точение смаэки в теле пористого подшипника и подчиняющегося закону Дареи.

Гидродинамическое давление, возникающее в зазоре неоднородного по,толщине и окружности пористого подшипника мало отличается- от гидродинамического давления в смазочном слое подшипника, если вкладыш состоит из трех составных частей различной проницаемости,

Во_вто£ой главе, рассматривается установившееся течение вязкой несжимаемой жидкости неоднородном в осевом направлении пористом подшипнике конечной длины. Предполагалось, что жидкость заполняет все пространство между шипом, вращающимся с постоянной угловой скоростью и неподвижным пористым вкладышем (рис. I). Температуру смазки и ее вязкость считали постоянной. Смазка подается под давление« через поры вкладыша.

Течение жидкости в смазочном слое удовлетворяет нашей системе нелинейных уравнений Навье-Стокса (I) и уравнению неразрывности (2), В теле пористого вкладыша давление подчиняется закону Дарси,- Граничные условия имеют тот же вид, что и в задаче, рассматриваемой в первой главе диссертации.

Была поставлена следующая задача: установить такой закон распределения проницаемости вдоль оси, чтобы утечка смазки из торцов пористого вкладыша отсутствовала, т.е. пористый вкладыш работал как уплотнитель.

Была установлена такая закономерность изменения коэффициента проницаемости вдоль оси, когда выше поставленная цель достигается. При атом удается найти точное решение задачи,

С помощью метода конечных разностей ■ от системы дифференциальных уравнений с граничными условиями совершен переход к системе нелинейных алгебраических уравнений. Полученная система была решена численными методами.

Найдено воздействие смазки н& шип и подшипник и определены основные характеристики подшипника. Исследовано.влияние па-, раметров неоднородного в осевом направлении пористого подлипни- . ка на характеристики смазочного слоя: коэффициент нагруженности, коэффициент сопротивления вращению и коэффициент трения,- рассмотренные параметры, охватывают практически возможные случаи,

встречающиеся"8 эксплуатации. Расчеты проведай'на"ЭВМ. Отдельные, результаты расчетов представлены на трафиках Л рис. 6, ;

Рис. .6. Зависимости между коэффициентом нагру-ненности и коэффициентом, проницаемости :

o¿= otees i jf= a, frñ = o,s¡ V-

Третья_глава посвящена экспериментальным.исследованиям неоднородного пористого подшипника конечной -дЗТины, питаемого смазкой под давлением через поры вкладыша, проведенным для проверки справедливости полученных теоретических результатов.

Целью эксперимента явилось:

1) разработать методику проведения лабораторных испытаний и провести, измерения ¡гоэффиценга нагруженносп», коэффицента трения, толщины смазочного слоя, распределения давления;

2) разработать рекомендации для практического внедрения в различные области народного хозяйства;

Рис. 7 Зависимость коэффициента трения от ' проницаемости - 998 ', £*=(?,

3^=',*.

3) провести натурные исследования пористых подшипников неоднородных в ссевегмц окружном направлениях.

Опыты проведены на универсальном стенде о использованием устройства Для определения формы-смазочной плецви, а.также коэффициента прения (стенд и указанные устройства конструкции ф.П. Снеговсйого),

Пористые вкладыши изготавливались из порошковых материалов, применяемых серийно в производственных условиях ПО "Ростсель-мвш".

Были подготовлены к испытаниям образцы с кольцевыми секциями различной проницаемости (неоднородный в осевом направлении Подшипника) и образцы с сегментными секциями различной проницаемости (подшипник неоднородный в окружном направлении). .

Проводились измерения давления по окружности, момента сил тренйЯ, толщины смазочной пленки.

По экспериментальным данным были определены основные характеристики.неоднородного пористого подшипника; коэффициент нагруженности, коэффициент сопротивления вращению и коэффициент трения. Построены графики зависимостей этих величин от относительного эксцентриситета для неоднородных вкладышей с различной проницаемость!. -

Сравнение результатов полученных теоретически и экспериментально, показывают их хорошее согласив (рис. 8, 9).

Рис. 8. Зависимость коэффициента нагруженности от относительного эксцентриситета;

</•= 0,999- ^./СГ*;

теоретическая, экспериментальная.

эксцентриситету р, <3$& \ ф - ^ £ •

- Д - теоретическая,-2 - 'экспеодментальняя

В приложения выведена программы. составленные для рещания систем нелинейных алгебраических уравнений, полученных в "гидродинамическом расчете неоднородного, в осевой направления пористого подшипника. Кроме того,в приложении приводятся материалы внедрения. ' -

СЩЙБ-ЙШОДЫ

На основе результатов научных исследований, выполненных в диссертации ыокно сделать следующие выводы:

I. Решена нелинейная задача движения смазки для неоднородно го по окружности пористого подшипника скольжения, питаемого сыазкой под давлением через поры вкладыша, Решение найдено в виде суммы решения плоской нелинейной задачи для подшипника из с сплошного материала и добавочных слагаемых, учитывающих конеч-

ность длины подшипника и подачу смазки через'Пористый вкладыш, Решение задачи получено в виде рядов по степеным малого параметра 8 - относительнргъ эксцентриситета и выражено через модифицированные функций Бесселя.

2. Найдено"Воздействие смазки на шил и подшипник. Для случая малого зазора и распределения проницаемости по Окружности по тому же закону,что й зазор определены основные характеристики пористого подшипника скольжения,

3. "Установлена зависимость коэффициента нагруженности и коэффициента трения от коэффициента проницаемости и относительного эксцентриситета. При изменении значения безразмерного коэффициента проницаемости в интервале (Ю-4, Ю-2) достигается оптимальный режим работы подшипника.

4. Решена плоская. Нелинейная задача об установившемся течении смазки в подшипнике с непроницаемой внешней стенкой, пористый вкладыш которого неоднороден как по толщине, так,и

по окружности. Установлено, что оптимальный режим работы такого подшипника достигается в случае, когда пористый вкладыш состоит из трех составных частей различной проницаемости.

5. Решена нелинейная задача об установившемся течении вязкой несжимаемой жидкости в неоднородном пористом подшипнике конечной длины, питаемом смазкой под давлением через тело вкладыша, Проницаемость вкладыша меняется вдоль оси подшипника. Задача решена численными методами.

6. Найдено воздействие смазки на шил и подшипник. Установлена зависимость коэффициента нагруженности и коэффициента трения от коэффициента'проницаемости и относительного эксцентриситета. При изменении наименьшего значения коэффициента про-ницаемостй в области'(10"^, 10"^) коэффициент нагруженности имеет ярко выраженный минимум, я коэффициент трения - максимум.

7. Установлен такой закон изменения коэффициента проницаемости в осевом направлении, при котором отсутствует утечка смазки из торцов вкладыша, а утечка из торцов смазочного слоя минимальна.

8. Сравнение зависимостей основных характеристик неоднородного пористого вкладыша от относительного эксцентриситета при различных значениях проницаемости, полученных теоретически

¡г 'эксперкмзнтаяььс v г. с е- чо кх х2р<мео согласие,

9, Результаты.проведенного исследования дают возможность определить условия рационального использования неоднородных пористых материалов для изготовления подшипников и поставить вопрос об их шир ком внедрении в народное хозяйство как полноценный заменитель доросгоящих подшипниковых материалов.

.Основные результаты диссертации.опубликованы в следующих работах:

1. Прянишникова Л.И. Определение давления в нелинейной задаче об установившемся движении вязкой несжимаемой жидкости в "неоднородном пористом подшипнике коненной длины // Трение, износ и смазка в узлах машин. - Ростов н/Д: РИИЖГ, 1939. -

С, 7-12.

2. Ахвердиев К.С., Прянишникова Л.И. Неоднородный пористый подшипник скольжения. - Ростов н/Д, 1989, - 21 с. - Деп. в ЦНИИГЭИ; автопром 18.05.89, № 1687. - ап. 89.

Ахвердиев К.С., Прянишникова Л.И, Об одном точном решении задачи гидродинамического расчета соосного пористого, подшипника конечной длины //Механика деформируемых тел. - Ростов н/Д: РИШ, 1990. - G, 77-80.

4. Прянишникова Л.И. Гидродинамический расчет неоднородного пористого подшипника // Механику деформируемых тел, - Ростов нЗд: ШШ, 1990. - С, 67-73.

5. ПрянишнчкоЕЙ , 'Го;.овко И.В. Квазистационарное течение смазки б пористом подшипнике конечной длины,питаемом смазкой под давлением через тело вкладыша. - ростов н/Д, 1990, - 15 с. - Деп. в ВИНИТИ 11.05.90, № .2535- В90..

6. Ахвердиев K.G., Прянишникова Л.И. Нелинейная задача об установившемся течении .смазки в, неоднородном пористом подшипнике бесконечной длины."- Ростов н/Д, 1990, - 10 с. - Деп, в ВИНИТИ II.05.90, № 2534-590. ^

7. Прянишникова Л,И, Гидродинамический расчет пористого подшипника конечной длины с учетом нелинейных факторов. - Рос»-тов н/Д, 1990. - 26 с. Деп.в ВИНИТИ 18.01.90, Jf» 388-В90,

8. Шевченко А.И., Ахвердиев H..G., Головко И.В., Прянишникова Л.И. Радиальное вытеснение газом несжимаемой жидкости из кольцевой пористой области при кваэистационарном режиме фильт-?

рации газа //.Надежность роторных систем с'..ог!6рами на газовой смазке: Тезисы докладов. - Новороссийск, С.28.

9. Ахвердиев К.С., Прянишникова Л.И. Об одном точном решении задачи о радиальном пористом подшипнике конечной длины// Трение и износ.'- 1991. - Т. 12. - № I. С. 24-29.

Ю. Ахвердиев К.С., Прянишникова Л.И.1 Прянишников В.И. Напряженное состояние неоднородного пористого цилиндра под действием гидродинамического давления. - Ростов н/Д» 1991. -- 12 е.- Деп.- в ВИНИТИ 3.01.91, № 54 - В91.

11. Ахвердиев К.С., Прянишникова Л.И. Неоднородный пористый подшипник конечной длины // Износостойкость машин: Тезисы докладов. - Брянск, 1991.

12. Прянишникова Л.И., Прянишников В.И. Расчет напряженного состояния пористого Цилиндра под действием гидродинамического цилиндра под действием гидродинамического расчета // Численны' и аналитические методы решения задач строительной механики и теории упругости. - Ростов н/Д: РИШ, 1991. - С. 23-3:3'.