автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Обеспечение работоспособности несмазываемых охлаждаемых подшипников скольжения малорасходных турбоагрегатов на основе моделирования тепловых процессов и совершенствования конструкций

На правах рукописи

РАЙКОВСКИЙ Николай Анатольевич

ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ НЕСМАЗЫВАЕМЫХ ОХЛАЖДАЕМЫХ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯМАЛОРАСХОДНЫХ ТУРБОАГРЕГАТОВ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ II СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена на кафедре «Холодильная и компрессорная техника и технология» в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет».

Научный руководитель:

д.т.н., профессор В Л. Юша зав. кафедрой «Холодильная и компрессорная техника и технология» ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет»

Официальные оппоненты:

д.т.н., профессор Ю.К. Машков профессор ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет»

Ведущая организация:

д.т.н., доцент В.В. Сыркин зав. кафедрой «Прикладная механика» ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия»

ООО «НТК «Криогенная техника», г. Омск.

Защита диссертации состоится «17» мая 2012 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.178.10 по адресу: 644050, г. Омск, проспект Мира, д. 11, ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет»

Автореферат разослан « апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд. физ.-мат. наук, профессор

В.И. Суриков

Актуальность темы. Создание несмазываемых технологических и энергетических машин и агрегатов является одним из активно развивающихся направлений. Это обусловлено целым рядом их преимуществ по сравнению со смазываемыми агрегатами: высокой чистотой рабочего газа, возможностью применения агрессивных и взрывоопасных газов, отсутствием замасливания межступенчатых и концевых теплообменных аппаратов и коммуникаций, упрощением конструкции агрегатов и облегчением их обслуживания, повышением надёжности и т.п. Создание агрегатов на базе несмазываемых подшипников особенно актуально для мобильных технологических и энергетических комплексов, работающих в суровых климатических условиях.

Результаты современных трибологических исследований, связанных с разработкой несмазываемых подшипников, отражают существенные достижения в этом направлении, преимущественно в области создания современных антифрикционных конструкционных материалов, как правило, композиционных. При этом отмечается, что температура трущихся поверхностей наряду с нормальным контактным давлением и скоростью скольжения является одним из основных факторов, определяющих работоспособность и долговечность несмазываемого узла трения. Это обусловлено существенным влиянием теплового состояния композиционных материалов на их механические, теплофизические, триботехнические свойства и трудностью отвода теплоты из зоны трения в связи с низкими значениями коэффициента теплопроводности большинства таких материалов. Эта проблема особенно актуальна для изделий, узлы трения которых работают в условиях повышенных скоростей скольжения и непрерывной работы, в том числе для компрессорных и расширительных турбоагрегатов.

Очевидно, что создание работоспособных несмазываемых радиальных подшипниковых узлов трения скольжения для высокоскоростных турбоагрегатов требует проведения глубокого анализа теплового состояния трущихся поверхностей при различных режимах эксплуатации, режимах и схемах охлаждения и конструктивного исполнения; учёта влияния температуры трущихся поверхностей деталей на их триботехнические свойства; а также создания эффективной системы охлаждения, обеспечивающей требуемый температурный режим работы подшипника. В тоже время результаты проведенного аналитического обзора свидетельствуют о существенном дефиците опубликованных результатов исследований процессов охлаждения несмазываемых подшипников скольжения; об отсутствии методов расчёта, учитывающих взаимное влияние теплового состояния подшипника, величины коэффициента трения и скорости изнашивания. Известные технические решения, связанные с охлаждением несмазываемого подшипника, носят частный характер и их применение в конструкторских разработках затруднительно.

Актуальность данной работы состоит в необходимости создания работоспособных охлаждаемых несмазываемых радиальных металлополимерных подшипников скольжения для малорасходных турбоагрегатов, а также методов их расчета, учитывающих взаимное влияние теплового состояния подшипника и характеристик триботехнических свойств материала подшипника.

Связь темы диссертационного исследования с общенаучнымн. государственными программами. Работа выполнена в рамках госбюджетной фундаментальной НИР 4.11Ф «Разработка методов теоретического и экспериментального исследования процессов теплообмена и газодинамики в криволинейных пространственных потоках»; госбюджетной НИР «Поисковые

исследования путей создания комбинированного двигателя нового типа на основе использования роторно-поршневого газогенератора и газотурбинной расширительной машины» (государственный контракт № 1551 от 24.03.2008 г. на основании Постановления Правительства РФ № 771-35 от 10.11.2007 г.).

Цель и задачи исследования. Целью данной работы является обоснование метода обеспечения работоспособности несмазываемых радиальных металлополимерных подшипников скольжения малорасходных турбоагрегатов, основанного на их интенсивном охлаждении и совершенствовании конструкций.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Уточнить математическую модель теплового состояния охлаждаемого несмазываемого радиального металлополимерного подшипникового узла трения скольжения, введя в расчётную схему реальные условия охлаждения серповидного пространства и мгновенное распределение теплоты по поверхности вращающегося вала.

2. Разработать методику и стенд для экспериментального исследования влияния температурных режимов охлаждаемого несмазываемого радиального металлополимерного подшипника скольжения на его триботехнические свойства.

3. Провести экспериментальные исследования охлаждаемого несмазываемого радиального металлополимерного подшипника скольжения и выявить закономерности влияния температуры на триботехнические свойства полимерных композиционных материалов Ф4К20, Ф4РМ, 7В-2А.

4. Провести численный параметрический анализ влияния конструктивных и режимных параметров на тепловое состояние охлаждаемого несмазываемого радиального металлополимерного подшипника скольжения малорасходного турбоагрегата.

5. Разработать две методики: для определения триботехнических свойств и теплового состояния, а также для оценки ресурса охлаждаемого несмазываемого радиального металлополимерного подшипника скольжения малорасходного турбоагрегата.

6. Разработать рекомендации по проектированию охлаждаемых несмазываемых радиальных металлополимерных подшипников скольжения.

Научная новизна определяется следующими результатами:

1. Созданием уточненной математической модели теплового состояния охлаждаемого несмазываемого радиального металлополимерного подшипника скольжения;

2. Установленными закономерностями влияния температуры и нагружения трущихся поверхностей на триботехнические свойства охлаждаемого несмазываемого радиального металлополимерного подшипникового узла трения скольжения с антифрикционными полимерными композиционными материалами Ф4К20, Ф4РМ, 7В-2А;

3. Результатами теоретического и экспериментального исследования влияния режима охлаждения, режима эксплуатации и конструктивных параметров элементов несмазываемого радиального металлополимерного подшипника скольжения малорасходного турбоагрегата на его работоспособность.

Практическая ценность состоит в следующем:

1. Предложены две методики: для определения характеристик триботехнических свойств и теплового состояния охлаждаемого несмазываемого металлополимерного подшипника скольжения турбоагрегата, а также для оценки его ресурса; в том числе

получены эмпирические зависимости коэффициента трения и скорости изнашивания от контактного давления и температуры в зоне трения, а также установлены границы рабочей области для подшипников с полимерными композиционными материалами Ф4К20, Ф4РМ, 7В-2А в диапазоне контактных давлений и температур трущихся поверхностей соответственно 0.17 - 1 МПа и 1^=320 - 420 К при относительной скорости скольжения трущихся поверхностей 10,5 м/с.

2. Разработаны рекомендации по проектированию охлаждаемых несмазываемых радиальных металлополимерных подшипников скольжения малорасходных турбоагрегатов и их конструкции. Новизна одного из предложенных технических решений подтверждена патентом РФ на изобретение. Результаты проведенных исследований внедрены на ОАО «УКЗ» (г. Екатеринбург) и в учебный процесс кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология» ОмГТУ.

На защиту выносятся;

1. Уточненная математическая модель теплового состояния охлаждаемого несмазываемого радиального металлополимерного подшипника скольжения;

2. Эмпирические зависимости скорости изнашивания и коэффициента трения от температуры в зоне трения и контактного давления охлаждаемого несмазываемого металлополимерного узла трения с антифрикционными полимерными композиционными материалами Ф4К20, Ф4РМ, 7В-2А;

3. Две методики: для определения характеристик триботехнических свойств и теплового состояния охлаждаемого несмазываемого металлополимерного подшипника скольжения турбоагрегата, а также для оценки его ресурса;

4. Результаты теоретического исследования влияния режима охлаждения, условий эксплуатации и конструктивных параметров элементов несмазываемого металлополимерного подшипника скольжения малорасходного турбоагрегата на его работоспособность и рекомендации по его проектированию.

Достоверность полученных в работе результатов подтверждается:

- использованием в математической модели фундаментальных законов физики, трибологии и термодинамики; обоснованным выбором численного метода и расчётной схемы;

- применением современных измерительных приборов, оборудования и компьютерной техники при проведении экспериментальных исследований;

- удовлетворительным соответствием полученных и известных теоретических и экспериментальных данных.

Апробация работы. Основные положения, диссертации докладывались на XII международной научно - технической конференции "Hermetic sealing, vibration reliability and ecological safety of pump and compressor machinery", (Kielce, 2008); II Всероссийской студенческой научно - практической конференции "Вакуумная, компрессорная техника и пневмоагрегаты", (Москва, 2009); VII Международной научно - технической конференции "Динамика систем, механизмов и машин ", (Омск, 2009); на VII Международной научно - технической конференции молодых специалистов "Исследование, конструирование и технология изготовления компрессорных машин", (Казань, 2009); на Международной конференции с элементами научной школы для молодежи "Инновационные разработки в области техники и физики низких температур", (Москва, 2010); на XV Международной научно - технической конференции по компрессорной технике, (Казань, 2011); XIII Международной научно - технической конференции "Герметичность,

вибронадежность и экологическая безопасность насосного и компрессорного оборудования" - "ГЕРВИКОН - 2011", (Сумы, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликована 21 научная печатная работа, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, получен 1 патент на изобретение.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, приложений; содержит 215 страниц текста, 103 рисунка, 22 таблицы, 3 приложения. Список литературы включает 141 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражены актуальность, научная и практическая значимость работы, представлено краткое содержание всех глав, сформулированы цель и задачи исследования.

В первой главе рассмотрен современный уровень научных исследований и разработок в области несмазываемых радиальных подшипников скольжения компрессорных и расширительных машин и агрегатов, представлен аналитический обзор теоретических и экспериментальных методов исследования триботехнических свойств трущихся поверхностей на основе анализа работ таких исследователей, как Чернавский С.А., Максимов В.А., Хадиев М.Б., Захаренко В.П., Баткис Г.С., Марцинковский В.А., Кузнецов Л.Г., Новиков И.И., Степанов В.А., Семенов А.П. и анализа работ в области трибологии и материаловедения таких исследователей, как Крагельский И.В., Чичинадзе A.B., Буше H.A., Белый В.А., Машков Ю.К., Хрущов М.М., Гаркунов Д.Н., Буяновский И.А., Дроздов Ю.Н., Комбалов B.C., Грязнов Б.Т. и др.

Выявлены основные преимущества и недостатки несмазываемых узлов трения, а также факторы, определяющие работоспособность и долговечность металлополимерных узлов трения в условиях эксплуатации малорасходных турбоагрегатов. Представлены основные альтернативные пути создания несмазываемых узлов трения машин, и преимущества несмазываемых радиальных подшипниковых узлов трения в сравнении со смазываемыми подшипниками, подшипниками на газовом и магнитном подвесах. Преимущества обусловлены рядом причин, среди которых можно отметить: малые габариты и массу, простоту конструкции, технологичность. Рассмотрены различные конструкции несмазываемых радиальных подшипников скольжения, направленные на решение отдельных задач. В ходе расчетно-параметрического анализа выявлены рациональные конструкции с точки зрения обеспечения требуемого теплового режима работы металлополимерного подшипника скольжения.

Проведенный анализ показал наличие большого количества, применяемых в узлах трения, полимерных композиционных материалов с различными триботехническими, теплофизическими, механическими и другими свойствами. В компрессорных и расширительных агрегатах широкое распространение получили композиции на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ). Это обусловлено его уникальными физико-механическими свойствами и специфическими условиями эксплуатации компрессорных и расширительных машин и агрегатов: широкий диапазон скоростей скольжения и нагрузок, работа в химически активных средах, в различных температурных условиях и т.д.

Отмечены основные достоинства и недостатки реализуемых в настоящее время методик расчета и моделирования триботехнических характеристик несмазываемого радиального подшипника скольжения. Обзорный анализ показал немногочисленность

и недостаточную достоверность имеющихся методик и моделей расчета узлов трения в компрессорной и низкотемпературной технике. Имеющиеся в трибологии теоретические методики громоздки и слабо отражают влияние режимов эксплуатации агрегата на работу отдельного узла трения. В связи с этим наибольшее распространение получили так называемые эмпирические модели. В ходе анализа показано, что известная модель расчета теплового состояния несмазываемых металлополимерных подшипников скольжения по схеме "вал - втулка" имеет ряд существенных недостатков, таких как некорректное распределение мощности тепловыделений в металлополимерном подшипнике скольжения, ограниченность реализуемых схем охлаждения узла трения, модель не учитывает конструктивные особенности всего многообразия трибосопряжений и др. Для проектирования, анализа теплового состояния и эффективности систем охлаждения различных охлаждаемых конструкций несмазываемых металлополимерных подшипников малорасходных турбоагрегатов требуется уточнение данной модели, что позволит увеличить точность расчетов и широту охвата исследуемых конструктивных решений.

Представлен анализ методик экспериментального определения триботехнических характеристик и теплового состояния несмазываемых узлов трения, исследуемых по схеме "вал - частичная втулка". Проведён анализ известных результатов, касающихся оценки влияния теплового состояния несмазываемых подшипниковых узлов трения на их эксплуатационные показатели. Обоснована актуальность задачи совершенствования конструкций несмазываемых металлополимерных подшипников скольжения для обеспечения их работоспособности в условиях возрастания мощности внешнего трения, в частности, в быстроходных турбоагрегатах.

Во второй главе представлена уточненная математическая модель теплового состояния охлаждаемого несмазываемого металлополимерного радиального подшипникового узла трения скольжения, позволяющая производить расчет температурного поля и тепловых потоков в системе "вращающийся вал -неподвижный подшипник", а также текущих значений характеристик триботехнических свойств при заданных геометрических, физических, начальных и граничных условиях.

В результате анализа известной модели расчета теплового состояния металлополимерных подшипниковых узлов трения скольжения предложена уточненная математическая модель теплового состояния охлаждаемого радиального несмазываемого узла трения скольжения малорасходного турбоагрегата, расчетная схема которого представлена на рис. 1. Уточненная математическая модель реализована в пакете ANSYS (рис. 2), в модуле Steady-State Thermal. В отличие от известной расчетной схемы помимо общепринятых элементов (ротор 1, подшипник 4) дополнительно введены следующие (рис. 1): имитационный слой 2 и серповидное пространство 3. Введение имитационного слоя 2 по окружности ротора 1 в пределах опорной длины подшипника 4 в осевом направлении (искусственно заданный коэффициент теплопроводности существенно выше коэффициентов теплопроводности других элементов, входящих в схему) позволило имитировать быстро вращающийся вал, т.е. генерируемая мощность тепловыделений практически мгновенно распределяется по трущейся поверхности ротора 1, ограниченной осевым размером подшипника 4 (рис. 1). Введение серповидного пространства между трущейся поверхностью ротора и внутренней поверхностью подшипника позволяет

учитывать влияние охлаждения данных поверхностей газом. Реализация такой расчетной схемы в конечноэлементном пакете ANSYS позволяет производить тепловой анализ на установившемся режиме работы узла трения для различных конструкций, материалов, схем охлаждения и режимов эксплуатации несмазываемого радиального металлополимерного подшипника скольжения малорасходного турбоагрегата, существенно повысив точность и скорость обработки данных. Основные этапы подготовки математической модели в пакете стандартны.

А-А

шЩЩВ&ш

Л 1 и ІІ1ІШНІШНН я

ТШІ £

Рис. 1 - Расчетная схема математической модели

охлаждаемого несмазываемого радиального металлополимерного подшипникового узла трения скольжения: 1- ротор; 2 - имитационный слой; 3 -серповидное пространство; 4 - несмазываемый подшипник

Рис. 2 -Результат расчета теплового состояния радиального несмазываемого охлаждаемого подшипникового узла трения скольжения в пакете А^УБ: 1 - ротор; 2 - имитационный слой; 3 - несмазываемый подшипник

Условия однозначности:

- геометрические условия определяются диаметральными, осевыми и угловыми размерами, а так как рассматриваются цилиндрические тела, то замкнутая система дифференциальных уравнений теплопроводности будет представлена в цилиндрических координатах (размеры могут принимать различные значения).

- физические условия: при проведении теплового расчета для стационарного состояния определялись коэффициенты теплопроводности и коэффициенты линейного термического расширения материалов в металлополимерной паре трения.

- начальные условия не рассматриваются, так как необходимы при рассмотрении нестационарных процессов. В математической модели рассматривается условно стационарный режим работы трибосопряжения на локальном временном участке.

- граничными условиями в математической модели являются режимные параметры (скорость относительного скольжения; сила, нагружающая подшипник), а также условия теплового взаимодействия тел металлополимерного подшипника скольжения как между собой, так и с окружающей средой, а именно:

- в пределах опорной поверхности подшипника ("п"): гдТ \ „ (дТ

дп

дп

(1)

ЮпМ=(.Т,ш,)по. (2)

- устанавливающие тепловое взаимодействие поверхностей вала ("в.") и имитационного слоя ("им.с."):

'агЛ . (дт

л-

дп

= А„.

дп

(^в)лОв ш.с

(3)

(4)

*ШВМ«Х '

80,55 .^

;и,4«2

60,414

50.347

40,219

30,211

20,144 і

10.0?«

0ДО81Э66 Міп

- на прочих поверхностях металлополимерного подшипника скольжения (вала ("в"), имитационного слоя ("им.с."), подшипника ("п")) охлаждаемых окружающей их средой ("o.e.") (при естественном и принудительном ее движении):

с > ' (Т1га4,.е(им.с,п) ~~ Тс с ) — "Л^гш.с.л) '

где X - коэффициент теплопроводности; Т - температура: qmr - мощность механического трения; а - коэффициент теплоотдачи; п - нормаль к поверхности тела; индекс "пов." указывает на то, что температура и градиент относятся к поверхности тела.

Допущения, принятые при разработке математической модели: тепловое взаимодействие трущихся деталей рассматривается по всей трущейся поверхности подшипника, а тепловой поток равномерный и стационарный; материалы тел однородны и изотропны; вся мощность, затрачиваемая на преодоление сил трения, переходит в тепловую энергию; рассматривается установившийся конвективный теплообмен с окружающей средой; теплопроводность композиционных материалов считается постоянной величиной; рассматривается область упругих деформаций материалов; рассматривается идеальная форма тел; отсутствуют тепловые потоки вследствие трибохимических реакций и трибоэлектрических эффектов при трении; пренебрегаем изменением угла контакта металлополимерного подшипника скольжения, за счет температурного расширения материалов.

В основе математической модели несмазываемого охлаждаемого радиального металлополимерного подшипникового узла трения скольжения лежат следующие известные уравнения: дифференциальное уравнение теплопроводности для стационарной трехмерной задачи (6); уравнение для определения текущего значения мощности механического трения (7); вновь полученные эмпирические зависимости для определения коэффициента трения (8) при фиксированной скорости скольжения ротора, равной 10,5 м/с; уравнения для определения нормального контактного давления (9) и площади трущейся поверхности подшипника (10); вновь полученные эмпирические зависимости для определения текущей величины скорости изнашивания полимерного подшипника (11) при фиксированной скорости скольжения ротора, равной 10,5 м/с.

г дг{ дг) г2 SH dp) 5z I, dz)

где г, <p,z- радиальная, угловая и осевая координаты соответственно; Я, - коэффициент теплопроводности; Т, - температура; / - индекс, соответствующий элементам расчетной схемы.

Nmp=fmp-PK-o-SK, (7)

LP=f(P.J„P), (8)

f. "Г- (9)

s.

SK=2-<p0-R-L, (10)

1 = "(Г.,Ттр), (Л)

где и - скорость относительного скольжения; Т„р - температура в зоне трения; Р - нормальная сила; 2-tp0 - угол контакта; R - радиус трущейся поверхности ротора; L - длина подшипника.

дп

(5)

Также во второй главе представлена, разработанная на базе уточненной математической модели, методика расчета характеристик триботехнических свойств и теплового состояния несмазываемого охлаждаемого радиального

металлополимерного подшипникового узла - трения скольжения, позволяющая устранить имеющуюся в математической модели

Рис.3-Графическая интерпретация неопределенность, вызванную ВЗЭИМНЫМ метода энергетических балансов влиянием температуры трущИХСЯ Поверхностей

и коэффициента трения. Данная методика основана на балансе мощностей (рис. 3): генерируемой (кривая 1) в подшипниковом узле трения, за счет мощности механического трения и рассеиваемой (кривая 2) в окружающую среду через элементы подшипникового узла трения, причем величина каждой из которых зависит от температуры трущихся поверхностей трибосопряжения. Проекция точки А на оси координат (рис. 3) позволяет определить мощность трения (Л'„|;м) и температуру в зоне трения (ТтрА) в данных условиях эксплуатации, охлаждения и конструктивного исполнения подшипникового узла трения. Затем, учитывая конструктивное исполнение и условия эксплуатации трибосопряжения, определяем коэффициент трения /„,гЛ (см. уравнение 7) и скорость изнашивания 1А (см. уравнение 11). Область применения методики ограничивается областью применения используемых при расчете эмпирических зависимостей триботехнических характеристик пары трения от условий эксплуатации узла трения (например, вида 8, 11).

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям триботехнических свойств несмазываемых охлаждаемых радиальных металлополимерных подшипников скольжения. Для этого была разработана методика проведения эксперимента и стенд для ее реализации. Целью разработки методики и стенда явилась проверка на адекватность уточненной математической модели и экспериментальное определение эмпирических уравнений триботехнических свойств металлополимерной пары трения от температуры в зоне трения и контактного давления при фиксированной скорости скольжения, равной 10,5 м/с. Диапазон температур в зоне трения и контактных давлений следующий: Ттр= 313 - 423 К; Р,=0,17 - 1 МПа. Исследуемые образцы композиционных материалов: Ф4К20, Ф4РМ, 7В-2А; материал ротора - Сталь 45. Перед началом испытания, после приработки и после каждого испытания исследуемый подшипник протирается салфеткой, смоченной в этиловом спирте и сушится. Для каждого образца определялась массовая скорость изнашивания после каждого испытания по формуле:

J = (12)

г

где /я/ и Ш2~ масса подшипника до и после испытания, соответственно;

г - продолжительность испытания.

Прекращение режима приработки определяется стабилизацией коэффициента трения и температуры в зоне трения, а также по характерному приработанному следу на трущейся поверхности подшипника. Для определения коэффициента трения в ходе каждого исследования фиксируются усилие, воспринимаемое тензодатчиком (Гтси^ и нормальная нагрузка (Я). Значение коэффициента трения в каждом исследовании определялось по уравнению (схема измерения показана на рис. 4):

где Ьтст, /-„,,, - плечо действия силы реакции тензодатчика и силы трения соответственно.

Температура трущейся поверхности вала контролируется пирометром Ор1пз ОРТСТ1ЛТ5. Для этого в корпусе 1 (рис. 4) выполнено круглое отверстие, через которое осуществляется контроль температуры трения. Датчик пирометра 1 термостатирован и расположен в полированном стальном канале (рис. 5), в непосредственной близости к трущейся поверхности цапфы вала 2 (рис. 4), что позволило обеспечить стабильность и достоверность показаний температуры. Требуемое усилие нагружения и, соответственно, нормальное контактное давление обеспечивается набором устанавливаемых грузов (рис. 4). Конструкция корпуса 1 подшипника 3, снабженная подшипниками качения 6, обеспечивает точное позиционирование подшипника 3 на валу 2, его самоустановку и измерение момента трения (рис. 4). Полимерный композиционный подшипник 3 (рис. 4) выполнен в форме вкладыша, крепится в крышке, которая устанавливается в корпусе 1 при помощи шпилек. Такая установка подшипника проста, а его извлечение не предполагает демонтаж других узлов стенда.

На рисунке 6 представлена функциональная схема системы охлаждения экспериментального стенда, которая обеспечивает жидкостное охлаждение стального ротора, поддержание параметров охлаждающей среды на требуемом уровне и контроль текущих параметров охлаждающей среды. Составная конструкция ротора (рис. 6), позволяет организовать движения охлаждающей среды через него. Варьирование температурным режимом в зоне трения осуществляется при помощи регулирования расхода и температуры охлаждающей жидкости, за счет системы вентилей 6, 9 и нагревателя 10 (рис. 6). Также в ходе экспериментального исследования фиксируются следующие параметры (рис. 4, 5, 6): температура в полимерном композиционном подшипнике (позиция 3, рис. 5), температура около поверхности вала 6 (рис. 5) и температура охлаждающей среды (на входе 4 и выходе 5 из ротора, рис. 5) фиксируются при помощи термопар типа ТХА; масса грузов - при

Рис. 4 - Схема подшипникового узла трения экспериментального стенда: 1 - корпус; 2 - цапфа ротора; 3 - радиальный подшипник; 4 - балка; 5 - направляющая; 6 - подшипник качения; 7 - крышка подложки подшипникового узла трения

Рис. 5 - Опытная конструкция экспериментального стенда для определения триботехнических свойств несмазываемого радиального металлополимерного подшипника скольжения: 1 -датчик пирометра Орте; 2 - тензодатчик; 3, 4, 5, 6 -датчики температуры

помощи технических весов; момент трения фиксируется при помощи тензодатчика 2 (рис. 5) балочного типа ВIX (сигнал датчика усиливается и оцифровывается); скорость изнашивания определяется массовым методом при помощи аналитических весов ЛВ-210А; скорость скольжения ротора определяется тахометром часового типа ТЧ10-Р; для определения расхода охлаждающей среды используется счетчик воды СВ-15. После установки исследуемого подшипника 3 и сборки корпуса подшипника 1, к нему через подшипники качения 6 крепятся грузы необходимой по условиям исследования массы (рис. 4), затем за счет насоса 4, нагревателя 10 и системы вентилей 6, 9 задается и поддерживается необходимый режим охлаждения (рис. 6). Далее осуществляется пуск двигателя и вывод элементов 2, 3 трущегося сопряжения (рис. 4) на требуемый режим по температуре в зоне трения, которая контролируется пирометром. Контроль всех рассмотренных выше параметров осуществляется в течение всего эксперимента, длительность которого определяется износостойкостью исследуемого материала.

/ла»/Я сЬга /ттп

Рис. 6 - Схема системы охлаждения ротора: 1 - ротор в сборе; 2 - термопара; 3 - бак; 4 - насос; 5 -манометр; 6 - запорный кран, 7 - расходомер; 8 - теплообменный аппарат; 9 - регулировочный вентиль;

10 - нагреватель охлаждающей жидкости

Экспериментальные исследования для каждого материала проводились на пяти уровнях контактного давления, на каждом уровне которого исследовались не мене пяти значений температур в зоне трения в диапазоне исследования. Результатом таких исследований была выборка (не менее 25) значений для коэффициента трения и скорости изнашивания в исследуемом диапазоне режимов эксплуатации подшипника, величина каждого из которых соответствует определенным значениям Рк и Тщ„ которые для каждого отдельного эксперимента фиксированы. Затем с помощью метода наименьших квадратов получены уравнения регрессии вида 14, 15 и проведен их статистический анализ.

Таким образом, в результате экспериментальных исследований для материалов Ф4К20, Ф4РМ, 7В-2А при скорости скольжения 10,5 м/с получены зависимости коэффициента трения и скорости изнашивания от температуры в зоне трения (например, рис. 7), а также установлена область допустимых режимов работы каждой пары трения в диапазоне параметров исследования: РА.=0,17 - 1 МПа; Ттр=313 -423 К. Для каждого материала получены эмпирические зависимости для определения коэффициента трения и скорости изнашивания, общий вид которых (уравнения 14, 15) и соответствующие коэффициенты (табл. 1) представлены ниже. Средняя ошибка аппроксимации экспериментальных данных для всех эмпирических уравнениями вида /ф=/Р„ Ттр) не превышает 6,8%, для /= и(1\:. Ттр) - 4,8%.

/„„ = а0 + я, • Л + а2 • Ттр + я3 • Ттр ■ Р, + а, ■ Т2тр+а,-Р2К, (14)

/ = 60 + Ь, • + Ьг ■ Ттр + ¿з ■ Ттр ■ Рк + 64 • Л2, (15)

где / -скорость изнашивания, мг/час;/,,,,- коэффициент трения; />,- нормальное контактное давление, МПа; Ттр - температура в зоне трения, К; я,, Ь, - коэффициенты регрессии.

Коэффициенты регрессии а„ Ь, имеют размерность равную отношению размерностей соответствующего отклика (/„,,/) к соответствующему фактору (, Т и т.д.). что обеспечивает безразмерную величину коэффициента трения и, соответственно, размерность [мг/час ] для скорости изнашивания.

Таблица I - Коэффициенты регрессии

Диапазон применения ао а, О? a, 0J «3

Ф4К20

Ттг=323 - 423 К; Рк=0.Г7- 1 МПа -1,07819 0,4677 7,57 10 -1,02 10'3 -M0 -0.179

Ф4РМ

Тго=323 - 403 К; Pfc=0,17 - 0,447 МПа -1,00276 -0,71667 8,45 10' 2,08 lO'3 -1,34 I0! 0

7В-2А

Т„=313- 383 К; РК=0,17 - 0,33 МПа 0,744 -0,716 -0,001 0 0 0

Т„=313- 383 К; Р,=0,33 - 0,447 МПа 2,2 -0,475 -10,17 10 ' 0 1,35 10'5 0

Ьо_ bj b, h ¿V -

Ф4К20

Т„,=323 - 423 К;Р„=0,17-0,ЗЗМПа 35,6528 -228,5805 -0,1125 0,7396 0 -

Т™=323 - 423 К; Рк=0,33 - 0,6! МПа 1,609 -134,513 0 0,425 0 -

*Гп)~323 - 423 К; Рк=0,61 -0,81 МПа -79,334 0 0,154 0,168 0 -

Т„=323 ~ 423 К; Р.=0,81 - 1 МПа 20,92 -113,42 0 0,33 0 -

Ф4РМ

Ттр=323 - 403 К; Рк=0,17-0,447 МПа 1,19406 0 0 о 2,487048 -

7В-2А

Т„=313- 383 К; Р,<=0,17 - 0,447 МПа 3,0691 -55,5098 -0,0129 0,2198 « -

0,35 VI > 5 •

0,3 -0,55 • 10

1 ♦ 1 ♦ >■. ■ ♦ i4 зА ' ■ - » .............. s' -A • -4

♦ 5 5 ^ . А з

rip 0Л ■ 1. Ш е ..... L. 5 • •-Л 4 if Л '

2 ■ ^ 5 • ■ 2 ♦ :

0.15 ' А ' •* ~ ~ зА >Аз1 5* ; • -4 ■V is ■ ,a i

0,1 5 • 5 • « - : 4 -5* 5« ' 2

300 320 340 360 380 300 320 340 36Й .180

Tip. К Tip. к

а б

Рис. 7 - Результаты экспериментального исследования зависимости коэффициента трения (а) и скорости изнашивания (б) от температуры в зоне трения для пары трения 7В-2А - Сталь 45: 1 - Рк=0,17 МПа;

2 - Р«=0,26 МПа; 3 - Рк=0,33 МПа; 4 - Р„=0,392 МПа; 5 - Р«=0,44 МПа

За пределами установленной области допустимых режимов работы наблюдалось резкое возрастание коэффициента трения, температуры трения и последующее повреждение поверхности трения. Ограничения работоспособности исследуемых композиционных подшипников определяются величиной /кофактора и температурой трущихся поверхностей сопряжения. Результаты эксперимента показали, что наиболее низкие значения коэффициента трения соответствуют паре трения Сталь 45 - 7В-2А (в диапазоне исследования он составил (рис. 7): 0,075 - 0,285), затем паре трения Сталь

45 - Ф4РМ (в диапазоне исследования равен: 0,26 - 0,32) и наиболее высокие для пары трения Сталь 45 - Ф4К20 (в диапазоне исследования равен: 0,26 - 0,387). Установлено существенное влияние температуры в зоне трения на характеристики триботехнических свойств полимерных композиционных материалов Ф4К20, Ф4РМ и 7В-2А, а также существенное влияние температуры в зоне трения на работоспособность несмазываемых металлополимерных подшипниковых узлов трения скольжения в рассмотренном диапазоне режимных параметров.

В четвёртой главе представлены результаты расчетного параметрического анализа, проведенного с использованием уточненной математической модели, методики определения триботехнических свойств и зависимостей для определения коэффициента трения при различных режимах эксплуатации, полученных в ходе экспериментальных исследований. Изменялись следующие режимные и конструктивные параметры: контактное давление (/>„.=0,17 - ! МПа; обусловлено диапазоном экспериментальных исследований); условный коэффициент теплоотдачи (а;,=Ю - 10000 Вт/(м2К); например, при коэффициенте теплоотдачи для гладкой поверхности, равном 2000 Вт/(м К) и коэффициенте оребрения, равном к=5 a_,,=/ta=10000 Вт/(м2К)); температура охлаждающей среды (7"О6.=170 - 320 К; например, для жидкой охлаждающей среды "Экофрост 100" возможно обеспечить нижний диапазон температур); материалы: Ф4К20, Ф4РМ, 7В-2А; толщина стенки подшипника (/„=0,1 - 4 мм): толщина стенки вала (/„=1 - 40 мм); угол контакта, в том числе для вкладыша (2-if„=60° - 180°); наружный диаметр вала (А =50 - 125 мм) при фиксированной скорости скольжения, равной 10,5 м/с. Рассматривались три принципиальные схемы охлаждения радиального подшипникового узла трения скольжения (рис. 1), а именно: охлаждение поверхностей, образующих серповидное пространство ("с.п."; а=10 - 1000 Вт/(м2К); охлаждающая среда - например, рабочий газ турбодетандера); охлаждение поверхности отверстия в валу и охлаждение внешней поверхности подшипника ("о.в." и "п.п." соответственно; а=10 - 10000 Вт/(м2К); охлаждающая среда - жидкость из системы охлаждения агрегата). Установлено, что для обеспечения работоспособности несмазываемых охлаждаемых радиальных металлополимерных подшипниковых узлов трения скольжения малорасходных турбоагрегатов необходимо обеспечить интенсивное охлаждение таких узлов трения (рис. 8, 9, 10), при этом с ростом нормального контактного давления (рис. 11) необходимость интенсификации охлаждения, путем увеличения коэффициента теплоотдачи и снижения температуры охлаждающей среды, существенно возрастает.

Рис. 8 - Влияние режима охлаждения поверхностей Рис. 9 - Влияние режима охлаждения внешней

серповидного пространства на температуру в зоне поверхности подшипника на температуру в зоне трения

трения при Р«=0,17 МПа; Б,=0,1 м; Ь=0,05 м; 2 ^=60°: при Р„=0,17 МПа; („=0,1 мм; 0,=0,1 м; Ь=0,05 м;

1 - 7В-2 А- 2 - Ф4К20 д - ] 70 К; е - 220 К; ж - 270 К; 2 ф0=60°: 1 - 7В-2А; 2 - Ф4К20; д - 170 К;

з - 320 К е - 220 К; ж - 270 К; з - 320 К

Охлаждение поверхностей, образующих серповидное пространство (рис. 8), целесообразно применять, в тех случаях, когда рабочий газ имеет температуру ниже 293 К. При проектировании несмазываемого радиального металлополимерного подшипникового узла трения скольжения с системой охлаждения поверхностей, образующих серповидное пространство, необходимо учитывать следующее влияние конструктивных факторов: с увеличением угла контакта эффективность такой системы охлаждения снижается; величина диаметра трущейся поверхности вала и длина подшипника - не оказывают влияние.

Учитывая, диапазон коэффициентов теплоотдачи, который можно реализовать за счет жидкостной среды наиболее эффективно, в сравнимых условиях, применять охлаждение несмазываемого подшипника скольжения путем прокачки жидкости через отверстие в валу (рис. 9, 10). При этом необходимо учитывать следующее: с увеличением величины угла контакта и толщины стенки вала эффективность такой системы охлаждения снижается; с увеличением диаметра трущейся поверхности вала - возрастает; длина подшипника - не оказывает влияние.

Тту к

Ттр,К ко

1700 2200 2700

а,Вт<(м"-К)

Рис. 10 - Влияние режима охлаждения поверхности отверстия в валу на температуру в зоне трения при Рк=0,17 МПа; 1,=1 мм; 0,=0,1 м; Ь=0,05 м; 2фо=60°: 1 - 7В-2А; 2 - Ф4К20; д— 170 К; е - 220 К; ж - 270 К; з - 320 К

Рис. 11 - Влияние конткатного давления на температуру в зоне трения при Тос=170 К; („=40 мм; |„=4 мм. 0„=0,1 м; Ь=0,05 м; 2 ф,,=60": 1 -с.п. (а=1000 Вт/(м2 К)); 2 - о.в. (а=10000 Вт/(м2 К)); 3 - п.п. (а=10000 Вт/(м2К)); д - 7В-2А; е - Ф4РМ; ж - Ф4К20

При жидкостном охлаждении, в большинстве случаев, охлаждение внешней поверхности полимерного композиционного подшипника менее эффективно (рис. 9, 10). Однако в тех случаях, когда подшипник выполнен из материала, который имеет более высокий коэффициент теплопроводности (например, для 7В-2А >.=8,7 Вт/(м-К)) эффективность такой системы охлаждения существенно возрастает (рис. 9). При этом необходимо учитывать следующее: с увеличением диаметра трущейся поверхности вала и толщины стенки подшипника эффективность такой системы охлаждения снижается; длина подшипника и угол контакта - не оказывают влияние.

В пятой главе представлена методика оценки ресурса охлаждаемого несмазываемого радиального металлополимерного подшипникового узла трения скольжения, основанная на уточненной математической модели теплового состояния такого узла трения, методике расчета характеристик триботехнических свойств и теплового состояния, с применением эмпирических уравнений для определения характеристик триботехнических свойств при различных режимах эксплуатации трибосопряжения. Предложенная методика позволяет итерационно уточнять условия функционирования трибосопряжения на каждом из рассматриваемых интервалов времени работы узла трения, суммарная величина которых ограничена максимально допустимым зазором для данного трибосопряжения. Область применения данной

методики ограничивается областью применения используемых при расчете эмпирических зависимостей триботехнических характеристик пары трения от условий эксплуатации трибосопряжения, а также теми материалами пары трения, для которых установлены такие эмпирические уравнения.

Также в данной главе представлены технические решения, позволяющие реализовать систему охлаждения несмазываемого узла трения при помощи жидкости или газа, и результаты опытной апробация такого узла трения на лабораторном стенде. Данный стенд собран на базе опытного образца турбоагрегата 1HI Turbo RHF4. В стенде контролируются следующие параметры: температура охлаждающей среды на входе/выходе из радиального подшипника скольжения, температура и давление газа на входе в рабочее колесо турбины, расход охлаждающей среды, температура в радиальном подшипнике (0,5 мм от поверхности трения), масса и частота вращения ротора. Конструкция несмазываемого охлаждаемого радиального металлополимерного подшипникового узла трения скольжения и опытный образец стенда представлены на рис. 12, 13.

Рис. 12 - Опытный образец стенда: 1,2, 3 - термопары типа TX А

Рис. 13 - Конструкция стенда на базе несмазываемого охлаждаемого радиального металлополимерного подшипника скольжения: 1 - ротор; 2 - корпус; 3 опорный элемент; 4 - теплопроводящий элемент; 5 - водяная рубашка

Результаты лабораторных стендовых испытаний подтвердили, полученные в главах 3, 4 выводы о существенном влиянии режима охлаждения на работоспособность несмазываемого охлаждаемого радиального металлополимерного подшипникового узла трения скольжения.

Основные выводы и результаты.

1. Уточнена математическая модель теплового состояния охлаждаемого несмазываемого радиального металлополимерного подшипника скольжения, что позволяет учитывать реальные условия охлаждения серповидного пространства и мгновенное распределение теплоты по трущейся поверхности вращающегося вала;

2. Разработана методика экспериментального исследования влияния температурных режимов охлаждаемого несмазываемого радиального металлополимерного подшипника скольжения на его триботехнические свойства и создан стенд для её реализации;

3. В результате экспериментальных исследований для материалов Ф4К20, Ф4РМ и 7В-2А в диапазоне изменяемых параметров нагружения установлены закономерности влияния температуры в зоне трения на коэффициент трения и скорость изнашивания, а также установлена область допустимых режимов работы каждой пары трения в диапазоне параметров исследования: Рк= 0,17 - 1 МПа; Тт,,=310 - 420 К; «=10,5 м/с. Для каждой пары трения получены эмпирические зависимости

для определения коэффициента трения и скорости изнашивания вида f^-ß,PK. Тт1!) и 1=и(РкТтрУ,

4. Разработаны две методики: для расчета характеристик триботехнических свойств и теплового состояния охлаждаемого несмазываемого радиального металлополимерного подшипника скольжения малорасходного турбоагрегата, а также для оценки его ресурса;

5. Разработаны новые конструкции охлаждаемых несмазываемых металлополимерных радиальных подшипников скольжения и малорасходного турбоагрегата на базе таких подшипников, позволяющие обеспечить требуемый температурный уровень трущихся поверхностей сопряжения. Новизна одного из предложенных технических решений подтверждена патентом РФ на изобретение;

6. В результате численного параметрического анализа установлено, что эффективные режимы принудительного охлаждения индивидуальны и зависят от свойств композиционного материала, режима эксплуатации и конструктивного исполнения узла трения, при этом:

- с увеличением толщины стенки вала и подшипника снижается эффективность охлаждения;

- с увеличением угла контакта снижается эффективность охлаждения через отверстие в валу и серповидное пространство, на эффективность охлаждения внешней поверхности подшипника данный параметр не влияет;

- величина опорной длины подшипника не оказывает влияния на эффективность охлаждения через отверстие в валу, серповидного пространства, а также внешней поверхности подшипника;

- с увеличением диаметра трущейся поверхности вала при прокачивании охлаждающей среды через отверстие в валу эффективность системы охлаждения увеличивается; при охлаждении внешней поверхности подшипника - снижается; при охлаждении поверхностей серповидного пространства - неизменна;

7. IIa основании результатов параметрического анализа влияния режимных и конструктивных параметров на тепловое состояние несмазываемых охлаждаемых металлополимерных подшипников скольжения малорасходного турбоагрегата разработаны рекомендации по их проектированию, в том числе:

- для компрессорных и расширительных машин и агрегатов, в которых газ имеет температуру ниже 293 К, целесообразно реализовывать систему охлаждения серповидного пространства путем продувки газом;

- для компрессорных и расширительных машин и агрегатов, содержащих жидкостную систему охлаждения, целесообразно реализовывать охлаждение несмазываемого радиального подшипникового узла трения скольжения путем прокачки жидкости через отверстие в валу;

- охлаждение полимерного композиционного подшипника скольжения целесообразно реализовывать в случае, когда другие варианты выполнить невозможно.

Основные публикации по теме диссертации. Статьи в журналах Перечня ВАК

1. Юша, В.Л. Методика определения трибологических характеристик и температурного состояния бессмазочных подшипников центробежных компрессорных машин / В.Л. Юша, H.A. Райковский // Омский научный вестник. -2010.-№2(90).-С. 101-104.

2. Юша, B.Jl. Методика бесконтактного измерения температуры поверхности вращающегося вала бессмазочного подшипника / В.Л. Юша, H.A. Райковский, В.А. Захаренко // Вестник машиностроения. - 2012. - №3. - С. 50-51.

3. Юша, В.Л. Моделирование температурных полей в охлаждаемых несмазываемых подшипниках малорасходных турбоагрегатов / В.Л. Юша, H.A. Райковский//Омский научный вестник.-2012.-№ 1 (107). — С. 171-174.

Статьи в научных изданиях

4. Юша, В.Л. Трибологическая оценка конструктивных схем объемных компрессоров / В.Л. Юша, H.A. Райковский, С.Г. Мельников // Hermetic sealing, vibration reliability and ecological safety of pump and compressor machinery : матер. XII Междунар. науч. - техн. конф. - Kielce : 2008. - Кн.2. - С. 411-418.

5. Райковский, H.A. Анализ теплонапряженного состояния элементов конструкции ступени поршневого компрессора/ H.A. Райковский, А.Ю. Заикин // Россия молодая: передовые технологии - в промышленность : матер. Всерос. науч. -техн. конф. - Омск : ОмГТУ, 2008. - Кн. 1. - С. 102-106.

6. Райковский, H.A. Анализ теплового состояния узлов трения бессмазочных поршневых компрессоров / H.A. Райковский, A.B. Третьяков, B.C. Фортуна // Исследование, конструирование и технология изготовления компрессорных машин : тез. докл. VII Междунар. науч. - техн. конф. - Казань : Слово, 2009. - С. 62-64.

7. Зарипов, В.А. Поршневой компрессор для передвижных и транспортных установок / В.А. Зарипов, H.A. Райковский и [др.] // Вакуумная, компрессорная техника и пневмоагрегаты : сб. тр. I Всерос. науч. - практ. конф.; под ред. К.Е. Демихова.-М. : МГТУ, 2008. -С. 19-24.

8. Райковский, H.A. Анализ работы бессмазочных узлов трения поршневых компрессоров / H.A. Райковский и [др.] // Вакуумная, компрессорная техника и пневмоагрегаты : сб. тр. II Всерос. науч. - практ. конф.; под ред. К.Е. Демихова. - М. : МГТУ, 2009.-С. 40-46.

9. Райковский, H.A. Определение триботехнических параметров и температурных полей бессмазочных подшипников скольжения компрессорных машин / H.A. Райковский, В.Л. Юша // Динамика систем, механизмов и машин : матер. VII Междунар. науч. - техн. конф. - Омск : ОмГТУ, 2009. - Кн.2. - С. 138-142.

10. Райковский, H.A. Повышение эффективности узлов трения для бессмазочных компрессорных машин / H.A. Райковский // Динамика систем, механизмов и машин : матер. VII Междунар. науч. - техн. конф. - Омск : ОмГТУ, 2009. - Кн.2. - С. 142-146.

11. Райковский, H.A. Повышение долговечности подшипниковых узлов энергетических машин / H.A. Райковский // Омское время - взгляд в будущее : матер, регион, молодеж. науч. - техн. конф. - Омск : ОмГТУ, 2010. - Кн. 1. - С. 82-85.

12. Райковский, H.A. Факторный анализ влияния конструктивного исполнения бессмазочного подшипника скольжения и способов его охлаждения на температуру в зоне трения / H.A. Райковский, B.C. Фортуна, A.B. Третьяков // Омское время -взгляд в будущее : матер, регион, молодеж. науч. - техн. конф. - Омск : ОмГТУ, 2010. — Кн.1.-С. 85-88.

13. Райковский, H.A. Экспериментальный стенд для исследования теплового состояния и трибологических характеристик бессмазочных опор скольжения быстроходных валов / H.A. Райковский, A.B. Третьяков // Техника и технология современного нефтехимического и нефтегазового производства : матер. I науч. - техн. конф. аспирантов, магистрантов, студентов Нефтехимического института ОмГТУ и

учащихся старших классов, посвященной 10-летию Нефтехимического института ОмГТУ. - Омск : ОмГТУ, 2011.-С. 308-314.

14. Райковский, H.A. Разработка трибологической модели холодильного компрессора с "сухим" картером / H.A. Райковский, B.C. Фортуна // Инновационные разработки в области техники и физики низких температур : тез. докл. Междунар. конф. с элементами науч. шк. для молодежи. - М.: МГУИЭ, 2010. - С. 56-58.

15. Пономарев, Д.Б. Бесконтактное измерение температуры при трибоисследованиях / Д.Б. Пономарев, H.A. Райковский и [др.] // Измерение, контроль, информатизация : матер. XII Междунар. науч. - техн. конф.; под ред. Л.И. Сучкова. - Барнаул : АлтГТУ, 2011. - С. 112-115.

16. Юша, В.Л. Методика расчета трибологических параметров и теплового состояния бессмазочных узлов трения поршневых компрессоров / В.Л. Юша, H.A. Райковский, B.C. Фортуна // Труды XV Междунар. науч. - техн. конф. по компрессорной технике. - Казань : Слово, 2011.-Т.2. - С. 126-132.

17. Юша, В.Л. Методика экспериментального исследования теплового состояния и фрикционно - износных характеристик самосмазывающегося быстроходного подшипника скольжения / В.Л. Юша, H.A. Райковский, В.Л. Третьяков // Труды XV Междунар. науч. - техн. конф. по компрессорной технике. - Казань : Слово, 2011. -Т.2.-С. 132-138.

18. Райковский, H.A. Сравнительный анализ эффективности систем охлаждения бессмазочных подшипников скольжения / H.A. Райковский и [др.] // Труды XV Междунар. науч. - техн. конф. по компрессорной технике. - Казань : Слово, 2011. -Т.2.-С. 138-143.

19. Вибронадежность и герметичность центробежных машин : монография (коллективная) / под ред. В.А. Марцинковского, A.B. Загорулько. - Сумы : СумГУ, 2011. -351 с (Исследование теплового состояния и трибологических характеристик полимерных охлаждаемых опор "сухого" трения / В.Л. Юша, H.A. Райковский. - С. 306 -314).

20. Райковский, H.A. Исследование модели зазора опорного полимерного подшипника скольжения турбомашины в условиях сухого трения / H.A. Райковский, Э.А. Тушаев, С.С. Рамазанова // Россия молодая: передовые технологии в промышленность : матер. IV Всерос. науч. - техн. конф. с междунар. участием. -Омск : ОмГТУ, 2011. - Кн.1. - С. 112-115.

21. Устройство разгрузки подшипников в энергетических машинах: пат. № 2423628 Российская Федерация: МПК F16C39/04, F16C32/06 / Юша В.Л., Райковский H.A.; заявитель и патентообладатель: ОмГТУ. - 2010115016/11; заявл. 14.04.2010; опубл. 10.07.2011.

Подписано в печать 09.04.2012. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме». У сл.п. л. 1,25. Уч.-издл. 1,09. Тираж 100 экз. Тип.зак. 34 Заказное

Отпечатано на дупликаторе в полиграфической лаборатории кафедры «Дизайн и технологии медиаиндустрии» Омского государственного технического университета 644050, 0мск-50, пр. Мира, 11

ел п-ъгдъ/г

ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

РАЙКОВСКИЙ НИКОЛАЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ НЕСМАЗЫВАЕМЫХ ОХЛАЖДАЕМЫХ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ МАЛОРАСХОДНЫХ ТУРБОАГРЕГАТОВ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (промышленность)

На правах рукописи

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Юша В.Л.

Омск-2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................................................................4

1. Анализ современного уровня разработок и исследований несмазываемых узлов трения компрессорных и расширительных машин и агрегатов...............................................................12

1.1 Анализ современного состояния конструкций, материалов и условий работы радиальных подшипников скольжения......................................................................................12

1.1.1 Обзорный анализ конструкций несмазываемых радиальных подшипников скольжения................................................................................................................................12

1.1.2 Материалы, применяемые при создании несмазываемых радиальных подшипников скольжения................................................................................................................................21

1.1.3 Триботехнические характеристики несмазываемых металлополимерных радиальных подшипников скольжения..................................................................................26

1.2 Анализ теоретических методов исследования узлов трения скольжения в компрессорных и расширительных машинах и агрегатах.......................................................31

1.3 Обзорный анализ экспериментальных методик исследования несмазываемых узлов

трения скольжения.......................................................................................................................42

1.4. Цель и задачи исследования.................................................................................................49

2. Методика расчета триботехнических характеристик и теплового состояния охлаждаемого несмазываемого металлополимерного подшипника скольжения при установившемся режиме работы................................................................................................................................................52

2.1 Математическая модель теплового состояния охлаждаемого несмазываемого радиального металлополимерного подшипника скольжения при установившемся режиме работы............................................................................................................................................52

2.1.1 Объект исследования......................................................................................................52

2.1.2 Основные допущения.....................................................................................................54

2.1.3 Условия однозначности..................................................................................................61

2.1.4 Система основных расчетных уравнений.....................................................................65

2.2 Методика расчета триботехнических характеристик и теплового состояния охлаждаемого несмазываемого радиального металлополимерного подшипника скольжения для установившегося режима работы методом энергетических балансов.............................70

2.3 Проверка математической модели на адекватность...........................................................75

3. Экспериментальное исследование теплового состояния и триботехнических характеристик несмазываемого радиального металлополимерного подшипника скольжения.........................89

3.1 Методика экспериментального определения коэффициента трения и скорости изнашивания.................................................................................................................................89

3.2 Разработка экспериментального стенда для определения триботехнических характеристик и теплового состояния несмазываемого металлополимерного радиального подшипника скольжения.............................................................................................................93

3.3 Методика измерения..............................................................................................................99

3.4 Результаты эксперимента и их анализ...............................................................................128

3.4.1 Результаты эксперимента для полимерного композиционного материала Ф4К20128

3.4.2 Результаты эксперимента для полимерного композиционного материала Ф4РМ (радиационно модифицированный фторопласт).................................................................133

3.4.3 Результаты эксперимента для полимерного композиционного материала 7В-2А.138

3.4.4 Результаты сравнительного анализа триботехнических характеристик для исследуемых полимерных материалов................................................................................144

4. Параметрический анализ влияния конструктивных и режимных параметров несмазываемого охлаждаемого металлополимерного подшипника скольжения на его температуру в зоне трения............................................................................................................147

4.1 Результаты численных исследований влияния охлаждения поверхностей, образующих серповидное пространство металлополимерного подшипника скольжения на температуру

его трущихся поверхностей......................................................................................................149

4.2 Результаты численных исследований влияния охлаждения внешней поверхности несмазываемого металлополимерного подшипника скольжения на его температуру в зоне трения..........................................................................................................................................157

4.3 Результаты численных исследований влияния охлаждения поверхности отверстия в валу на температуру в зоне трения несмазываемого металлополимерного подшипника скольжения..................................................................................................................................166

4.4 Анализ влияния диаметра наружной поверхности вала, угла контакта и длины подшипника на эффективность систем охлаждения несмазываемого металлополимерного подшипника скольжения...........................................................................................................175

4.5 Сравнительный анализ эффективности исследуемых систем охлаждения несмазываемого металлополимерного подшипника скольжения.........................................179

5. Практическая реализация результатов моделирования и исследования тепловых полей и

триботехнических характеристик несмазываемых охлаждаемых радиальных

металлополимерных подшипников скольжения.........................................................................184

5.1 Методика оценки ресурса несмазываемого охлаждаемого радиального металлополимерного подшипника скольжения и затрат мощности на механическое трение за период эксплуатации.............................................................................................................184

5.1.1. Режим приработки.......................................................................................................184

5.1.2. Установившийся режим работы узла.........................................................................188

5.1.3 Алгоритм методики оценки ресурса и затрат мощности за период эксплуатации несмазываемого охлаждаемого металлополимерного подшипника скольжения малорасходного турбоагрегата.............................................................................................190

5.2 Разработка конструкций несмазываемых охлаждаемых радиальных металлополимерных подшипников скольжения для малорасходных турбоагрегатов.......195

5.3 Экспериментальная оценка работоспособности конструкции несмазываемого охлаждаемого радиального металлополимерного подшипника скольжения на базе малорасходного турбоагрегата.................................................................................................201

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ.......................................................................................................213

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК...........................................................................................216

Приложение А................................................................................................................................231

Приложение Б.................................................................................................................................235

Приложение В.................................................................................................................................236

ВВЕДЕНИЕ

Создание технологических и энергетических компрессорных и расширительных машин и агрегатов без подачи смазки к узлам трения является одним из активно развивающихся направлений в современной технике [8, 38, 64, 71, 88, 89, 103, 106, 111, 117 и др.]. Это связано, во-первых, с ужесточением требований к чистоте рабочего газа, а во-вторых, с тем, что для многих агрессивных и взрывоопасных газов попадание в них масла вообще недопустимо. Уместно заметить, что даже небольшое содержание масла в газе вызывает замасливание теплообменных аппаратов и существенно снижет их тепловую эффективность [31, 72]. Другим важным достоинством несмазываемых машин и агрегатов является то, что в значительной мере упрощается их конструкция, облегчается обслуживание и сокращается число аварийных остановок в целом [31]. Применение несмазываемых машин и агрегатов особенно актуально для мобильных установок, а также для технологических и энергетических объектов, эксплуатируемых в условиях районов Крайнего Севера, где существенную часть времени в течение года температура находится на отметке значительно ниже нуля градусов Цельсия.

Основная трудность в создании несмазываемых машин и агрегатов состоит в разработке надежных уплотнений и опор, что обусловлено высокой теплонапряженностью деталей, трудностью отвода теплоты от узлов трения [89].

Объектом нашего исследования являются охлаждаемые несмазываемые радиальные подшипниковые узлы трения скольжения малорасходных компрессорных и расширительных турбоагрегатов.

Предметом исследования является система охлаждения радиальных подшипниковых узлов трения скольжения малорасходных компрессорных и расширительных турбоагрегатов.

Выбор объекта и предмета исследования обусловлен тем, что условия работы таких подшипниковых узлов характеризуются постоянными по

величине и направлению радиальными нагрузками и высокими линейными скоростями скольжения на поверхностях трения. При этом конструкция подшипникового узла трения и агрегата сравнительно проста с точки зрения реализации различных систем охлаждения.

Развитие современного компрессоростроения предъявляет новые требования к узлам трения, это обусловлено, в том числе, увеличением быстроходности машин. Создание несмазываемых трибосопряжений, сопровождалось активным развитием материаловедения, что позволяло конструктору, подбирая более совершенные материалы, создавать эффективные узлы трения. Сегодня, также уделяется большое внимание созданию новых материалов, для металлополимерных узлов трения. Так в России и странах ближнего зарубежья активно данным вопросом занимается ряд предприятий, среди которых можно отметить: ФГУП НИФХИ им. Л .Я. Карпова, ОАО "ГрафитЭл - Московский электродный завод", Государственное научное учреждение «Институт механики металлополимерных систем им. В. А. Белого HAH Беларуси», ЗАО "ХК "Композит", GAMBIT Lubawka Sp. z o.o. (Польша), ООО "Завод полимеров КЧХК", ООО "ДЕВЯТЫЙ элемент" и др.

Однако, учитывая, экстремальные условия, в которых зачастую приходится работать материалам, решить вопрос создания работоспособных и долговечных несмазываемых узлов трения можно только совместно с такими конструкциями, которые позволят полимерному материалу проявить свои лучшие показатели. Как отмечает ряд авторов (В.А. Белый, A.B. Чичинадзе, Ю.К. Машков и др.), большие резервы обеспечения работоспособности заложены в совершенствовании конструктивных решений трибосопряжений. Так как свойства полимерных композиционных материалов сильно зависят от температуры в зоне трения, что подтверждается большим количеством проведенных исследований [25, 79, 88, 121, 129 и т.д.], особенно актуальной является задача создания таких конструкций, которые создадут комфортные условия для работы пары трения с точки зрения теплового состояния. Следует

отметить, что в настоящее время недостаточно проработан вопрос организации охлаждения в металлополимерных подшипниковых узлах трения, конструктивного исполнения охлаждаемых элементов трибосопряжения и т.д. При этом методики расчёта триботехнических характеристик металлополимерных узлов трения с учётом процессов их охлаждения практически отсутствуют.

Целью данной работы является обоснование метода обеспечения работоспособности несмазываемых радиальных металлополимерных подшипников скольжения малорасходных турбоагрегатов, основанного на их интенсивном охлаждении и совершенствовании конструкций.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Уточнить математическую модель теплового состояния охлаждаемого несмазываемого радиального металлополимерного подшипникового узла трения скольжения, введя в расчётную схему реальные условия охлаждения серповидного пространства и мгновенное распределение теплоты по поверхности вращающегося вала;

2. Разработать методику и стенд для экспериментального исследования влияния температурных режимов охлаждаемого несмазываемого радиального металлополимерного подшипника скольжения на его триботехнические свойства;

3. Провести экспериментальные исследования охлаждаемого несмазываемого радиального металлополимерного подшипника скольжения и выявить закономерности влияния температуры на триботехнические свойства полимерных композиционных материалов Ф4К20, Ф4РМ, 7В-2А;

4. Провести численный параметрический анализ влияния конструктивных и режимных факторов на тепловое состояние охлаждаемого несмазываемого радиального металлополимерного подшипника скольжения малорасходного турбоагрегата;

5. Разработать две методики: для определения триботехнических свойств и теплового состояния, а также оценки ресурса охлаждаемого несмазываемого радиального металлополимерного подшипника скольжения малорасходного турбоагрегата;

6. Разработать рекомендации по проектированию охлаждаемых несмазываемых радиальных металлополимерных подшипников скольжения.

Работа состоит из введения, 5-и глав, заключения, списка литературы, приложений; содержит 215 страниц текста, 103 рисунка, 22 таблицы, 3 приложения. Список литературы включает 141 наименование.

В первой главе рассмотрен современный уровень научных исследований и разработок в области создания несмазываемых радиальных подшипников скольжения компрессорных и расширительных машин и агрегатов, представлен аналитический обзор теоретических и экспериментальных методов исследования триботехнических и температурных характеристик несмазываемых металлополимерных узлов трения на основе анализа работ таких исследователей, как Максимов В.А., Хадиев М.Б., Захаренко В.П., Баткис Г.С., Марцинковский В.А., Кузнецов Л.Г., Новиков И.И., Степанов В.А., Семенов А.П. и анализа работ в области трибологии и материаловедения таких исследователей, как Крагельский И.В., Чичинадзе A.B., Буше H.A., Белый В.А., Машков Ю.К., Хрущов М.М., Гаркунов Д.Н., Буяновский И.А., Комбалов B.C., Суриков В.И., Грязнов Б.Т., и др.

Во второй главе представлена уточненная математическая модель теплового состояния охлаждаемого несмазываемого радиального металлополимерного подшипникового узла трения скольжения, позволяющая производить расчет температурного поля и тепловых потоков в трибосопряжении "вращающийся вал - неподвижный подшипник", а также текущие значения триботехнических характеристик при заданных геометрических, физических, начальных и граничных условиях. Математической модель реализована в пакете ANS YS. Также во второй главе

представлена разработанная методика расчета триботехнических характеристик и теплового состояния несмазываемого охлаждаемого радиального подшипникового узла трения скольжения, позволяющая устранить, имеющуюся в математической модели неопределенность, вызванную взаимным влиянием температуры в зоне трения и коэффициента трения. Данная методика основана на балансе мощностей: генерируемой в подшипниковом узле трения скольжения, за счет мощности механического трения и рассеиваемой окружающей средой через элементы металлополимерного подшипника скольжения, причем величина каждой из которых зависит от температуры в зоне трения. Сопоставление теоретических и экспериментальных данных подтвердило адекватность математической модели.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям триботехнических характеристик несмазываемых охлаждаемых металлополимерных радиальных подшипников скольжения. Для этого были разработаны методика и экспериментальный стенд. Целью разработки методики и стенда явилась проверка на адекватность уточненной математической модели и экспериментальное определение эмпирических уравнений характеристик триботехнических свойств металлополимерной пары трения от температуры в зоне трения и нормального контактного давления при фиксированной скорости скольжения, равной 10,5 м/с. В результате экспериментальных исследований для материалов Ф4К20, Ф4РМ, 7В-2А при скорости скольжения 10,5 м/с установлены зависимости коэффициента трения и скорости изнашивания от температуры в зоне трения, а также установлена область допустимых режимов работы каждой пары трения в диапазоне параметров исследования: Рк=0,17 - 1 МПа; Ттр=313 - 423 К. Индивидуально для каждой пары трения установлены эмпирические зависимости для определения коэффициента трения и с