автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Основы тепловой диагностики эксплуатационных параметров в опорах скольжения без смазки

м /

м

/

г ^

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ЯКУТСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР

материалов

Президиум са^россии

(решение от " _" № 19^2. г., № /у

присудил ученую степень

На правах рукописи

АИ ПАВЛОВИЧ

ОСНОВЫ ТЕПЛОВОЙ ДИАГНОСТИКИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ В ОПОРАХ СКОЛЬЖЕНИЯ БЕЗ СМАЗКИ

Специальность - 05.02.04 Трение и износ в машинах

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант доктор технических наук, профессор И.Н. Черский

Москва 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение........................................................................................................ 6

Глава I. Теоретическое обоснование тепловой диагностики трения в подвижных сопряжениях............................................... 19

1.1 Устройства для замера мощности трения в подвижных

сопряжениях................................................................................ 19

1.2. Анализ исследований энергетического баланса трения твердых тел.................................................................................. 22

1.3. Математическое моделирование нестационарных тепловых процессов в трибосопряжениях................................................ 30

1.4. Тепловая диагностика трения как обратная задача теплопроводности................................................................................ 36

1.5. Методы решения обратных задач теплопроводности............ 38

Выводы к главе I........................................................................................ 45

Глава II. Моделирование теплового режима в цилиндрических

сопряжениях.............................................................................. 46

2.1. Разработка квазитрехмерных тепловых моделей для подшипников скольжения.............................................................. 46

2.2. Разработка численных алгоритмов определения температурного поля с использованием разноразмерных тепловых моделей........................................................................................ 57

2.3. Обоснование применимости упрощенных тепловых

моделей........................................................................................ 63

2.4. Адаптация тепловых моделей реальным объектам................ 68

Выводы к главе II....................................................................................... 74

Глава III. Теоретические основы тепловой диагностики трения в

сопряжениях простой конфигурации................................ 75

3.1. Постановка задачи восстановления мощности трения и вывод сопряженной краевой задачи....................................... 76

3.2. Вывод формулы для градиента функционала........................ 84

3.3. Алгоритм восстановления мощности трения по температурным данным........................................................................ 87

3.4. Исследование устойчивости алгоритма решения обратной задачи......................................................................................... 89

3.5. Экспериментальная проверка метода тепловой диагностики трения................................................................................... 97

Выводы к главе III..................................................................................... 106

Глава IV. Тепловая диагностика трения в системе несмазывае-

мых подшипников................................................................. 107

4.1. Применение метода членения для восстановления моментов трения в системе подшипников....................................... 107

4.2. Квазитрехмерная тепловая модель для системы подшипников............................................................................ 116

4.3. Совместная идентификация моментов трения в системе подшипников........................................................................... 122

4.4. Экспериментальная оценка эффективности тепловой диагностики трения для систем подшипников......................... 134

Выводы к главе IV...................................................................................... 139

Глава V. Анализ нестационарного термоконтактного взаимодействия в цилиндрических опорах с тонкими покрытиями 140

5.1. Обобщение модели Фусса-Винклера для решения пространственных термоконтактных задач................................... 142

5.2. Определение контактного давления, угла контакта и радиального смещения вала.............................................................. 151

5.3. Совместное решение уравнений нестационарного термоконтактного взаимодействия..................................................... 156

Выводы к главе V....................................................................................... 167

Глава VI. Восстановление мощности трения в опорах скольжения

сложной конфигурации........................................................... 168

6.1. Решение температурной задачи для опор скольжения со сложной конфигурацией методом конечных элементов...... 168

6.2. Реализация МКЭ для расчета нестационарного теплового состояния трущихся тел............................................................. 172

6.3. Анализ температурного поля в направляющих

скольжения.................................................................................... 176

6.4. Идентификация мощности трения в направляющих скольжения по замерам температуры................................................ 180

Выводы к главе VI...................................................................................... 187

Глава VII. Перспективы практического применения метода тепловой диагностики трения в подвижных сопряжениях 188

7.1. Определение допустимых режимов обработки алмазным абразивным инструментом на органической основе 188

7.2. Повышение информативности стендовых и эксплуатационных испытаний радиальных уплотнений вала 204

7.3. Определение и моделирование эксплуатационной нагру-женности подшипникового узла трения....................................................................212

7.4. Перспективы контроля и диагностики технического состояния в опорах скольжения по мощности трения..............................220

Выводы к главе VII........................................................................................................................................................................227

Глава VIII. Практическая реализация тепловой диагностики

трения в опорах скольжения..........................................................................................228

8.1. Общие рекомендации к разработке программных средств

для тепловой диагностики трения........................................................................................228

8.2. Комплекс программ для анализа температурного режима..........232

8.3. Пример использования комплекса программ "ТЕМП-1.0".... 242

8.4. Комплекс программ для восстановления момента силы трения в подшипниках скольжения..................................................................................249

Выводы к главе VIII....................................................................................................................................................................254

Общие выводы к работе........................................................................................................................................................255

Литература......................................................................................................................................................................................................257

Приложение....................................................................................................................................................................................................281

ВВЕДЕНИЕ

Строительство железной дороги в северо-восточном регионе России, в частности Амуро-Якутской магистрали, ее обслуживание, ремонт и другие виды работ требуют привлечения большого количества различных видов техники, условия эксплуатации которых связаны с длительным воздействием низких климатических температур и температурных перепадов. Практика эксплуатации машин и механизмов показала, что их работоспособность в условиях холодного климата Крайнего Севера резко снижается. Значительная часть неисправностей техники связана с низкой надежностью триботех-нических систем, в том числе опор скольжения.

Анализ надежности трибосопряжений показывает , что основной причиной в данном случае является резкое повышение вязкости, а зачастую и застывание применяемых смазочных масел и спецжидкостей, в результате чего значительно повышается мощность трения, износ сопрягаемых деталей, и происходит преждевременный выход из строя машин и механизмов.

В Институте неметаллических материалов СО РАН ведутся работы по реализации комплексного подхода по созданию триботехнических систем, работоспособных в условиях холодного климата, включающего такие наиболее важные аспекты как материаловедческий, конструкторский, технологический, расчетный и испытательный [193]. В данной работе решаются проблемы, возникающие на этапе проектирования, а также проведения стендовых и эксплуатационных испытаний.

Проектирование узлов трения, обеспечивающее их работоспособность и надежность, во многом определяется научно обоснованным выбором триботехнических параметров. Обоснованный выбор триботехнических параметров и достоверное прогнозирование их изменения при различных эксплуатационных режимах наиболее эффективно реализуются при рациональ-

ном сочетании теоретических и экспериментальных работ. Математическое моделирование процессов трения позволяет решить круг задач, связанных с выбором наиболее работоспособного материала, с прогнозированием долговечности узлов трения, с изучением механизмов и причин возникновения критических состояний, с выбором рациональных конструктивных решений и параметров, обеспечивающих работоспособность в широком диапазоне режимов. Значительный вклад в этой области внесли отечественные ученые Крагельский И.В. [105], Чичинадзе A.B. [204], Буше Н.А.[57], Белый В.А.[43], Алексеев Н.М. [10], Матвеевский P.M. [116], Ворович И.И. [62], Александров В.М. [9], Гинзбург А.Г. [67], Браун Э.Д. [205], Евдокимов Ю.А. [78], Коровчинский М.В.[96], Гаркунов Д.Н. [64], Коваленко Е.В. [8], Горячева И.Г.[71], Захаров С.М. [82], Балакин В.А. [40], Михин Н.М.[121], Кос-тецкий Б .И. [101], Черский H.H. [48], Богатин О.Б. [48], Рвачев В.Л.[140], Свириденок А.И., Петроковец М.И. [146] и другие.

В настоящее время прикладная математика предоставляет широкий спектр методов решения задач, доведенных до инженерных приложений. Многие методы, которые до недавнего времени были доступны только узкому кругу специалистов по вычислительной математике, становятся основным средством при исследовании технических систем, их проектировании, отработке вариантов конструктивного исполнения, обработке данных эксперимента и ряде других случаев. Широкому использованию современных математических методов в инженерной практике способствует также развитие вычислительной техники. Любая деятельность инженера не представляется без использования ПЭВМ.

Стендовые и эксплуатационные трибологические испытания сопряжены с большими материальными затратами и зачастую имеют единичный характер. Поэтому при таких испытаниях особую актуальность приобретает проблема повышения их информативности и разработки новых методов об-

работки и анализа данных для определения эксплуатационных параметров ответственных узлов трения.

Повышение информативности триботехнических испытаний может быть достигнуто применением современных методов обработки экспериментальных данных. Такие методы предоставляет теория некорректно поставленных задач, основы которой были заложены в 60-х годах текущего столетия в трудах А.Н. Тихонова [179], В.К. Иванова [86], М.М. Лаврентьева [108]. Методы решения некорректных задач наиболее широко применяются при решении обратных задач, в которых по измерениям параметров состояния объекта в некоторых точках определяются причинные характеристики.

Большинство используемых в настоящее время расчетных методов исследования сводятся к решению задач, относящихся к классу прямых, в которых по известным причинным характеристикам определяется следствие. Например, по заданной плотности теплового источника (причине), используя математическую тепловую модель, определяется температурное поле (следствие). В обратных задачах по известной следственной информации (температуре) необходимо определить причинную характеристику (плотность теплового источника). Особенностью обратных задач является их некорректность, т.е. неустойчивость к малым погрешностям в исходных данных, что требует привлечения специальных методов решения.

Приложения обратных задач достаточно широки. Особое распространение методы обратных задач получили в таких областях техники как авиационная и ракетно-космическая, в энергетике, металлургии, материаловедении и т.д. Существенный вклад в их практическое применение внесли отечественные ученые Мишин В.П. [123], Алифанов О.М.[13], Морозов В.А.[126], Прилепко А.И. [136], Коздоба JI.A.[91], Васильев Ф.П. [59], Темкин А.Г. [171], Мацевитый Ю.М. [117], Симбирский Д.Ф.[149], Полежаев Ю.В. [134],

Вабищевич П.Н. [145], Артюхин Е.А.[23], Ненарокомов A.B. [221], Керов Н.В. [90] и др.

Применение обратных задач в трибологии весьма ограничено. Имеются единицы работ по трибологии, в которых применяются методы обратных задач. Например, в работе [47] функция интенсивности линейного изнашивания в подшипниках скольжения идентифицируется по замерам смещения вала.

В условиях эксплуатации и при проведении стендовых испытаний не всегда удается получить данные о потерях на трение, что существенно затрудняет определение основных триботехнических параметров, необходимых для прогнозирования работоспособности узлов трения и оценки их технического состояния. Существующие методы непосредственного замера мощности трения предусматривают использование специальных упругих элементов. Размещение их даже в стендовых установках крайне затруднено. Замер мощности трения еще более затрудняется в случае системы узлов и в сопряжениях эксплуатирующейся техники.

Это приводит к необходимости определять работу, затраченную на трение, по замерам других величин, достаточно хорошо коррелирующих с искомым. Вообще, о характере изменения работы трения можно судить по многим параметрам, например, по величине излучения фотонов, характеризующего триболюминесценцию, или электронов - экзоэлектронную эмиссию. Однако, при выборе подходящего параметра в первую очередь руководствуются доступностью для замеров.

С точки зрения доступности измерений наиболее выгодным является температурная информация, не требующая для измерения сложного и громоздкого оборудования. Температура более доступна для непосредственного измерения, включая самые неблагоприятные случаи.

Регистрация температуры в окрестности зоны трения, построение математической тепловой модели, достаточно адекватно описывающей процесс теплообмена в сопряжении, и решение соответствующей граничной обратной задачи позволит восстановить теплоту, выделившуюся в результате трения. И, если известна часть энергии трения, которая трансформируется в теплоту, появляется принципиальная возможность количественной оценки работы, затраченной на трение.

Замеры температуры в том или ином объеме традиционно проводятся практически при любых испытаниях машин и механизмов. Поэтому восстановление потерь на трение по значениям температур, измеряемых в различных точках одного из элементов сопряжения - один из наиболее логических путей повышения информативности испытаний, повышения достоверности технического контроля и диагностики состояния узлов трения.

Традиционной трудностью прогнозирования работоспособности узлов трения является отсутствие достоверной информации о действующей нагрузке. Точный расчет нагрузки даже в простейших механизмах не представляется возможным. Погрешности результатов расчета реакций опор по перемещениям могут в несколько раз превышать искомые реальные нагрузки. Поэтому достоверность оценки работоспособности узла трения, использующего расчетную нагрузку является крайне низкой. Наличие количественной информации о мощности трения в отдельных случаях позволит определить эксплуатационную нагруженность узлов трения, что открывает новые перспективы для решения проблемы прогнозирования работоспособности путем расчета триботехнических параметров (температуры, контактного давления, размера зоны контакта, величины зазора) с учетом термоупругих напряжений и деформаций, вызванных температурным расширением. Особую актуальность эти задачи приобретают в трибосопряжениях, в которых взаимосвязь параметров теплового режима и напряженно-деформированного со-

стояния (НДС) наиболее выражена. Характерным типом трибосистем, работоспособность которых в значительной степени зависит от термоупругих явлений, являются подшипники скольжения.

Замена традиционных элементов узлов трения полимерными твердо-смазочными происходит в настоящее время во многих отраслях и является одним из перспективных путей совершенствования новой техники, предназначенной для работы при низких и высоких температурах, в вакууме, в агрессивных средах и т.д. Присущие полимерным и композиционным материалам антифрикционные свойства позволяют сохранять работоспособность узлов в условиях ограниченной смазки или при ее отсутствии. Исключение необходимости в системе маслообеспечения значительно упрощает конструктивное исполнение узла трения, уменьшает габариты, вес и т.д.

Общеизвестно, что в области отрицательных температур резко повышается вязкость большинства масел и смазок, некоторые смазки при температурах ниже -50 °С застывают. В связи с этим в условиях холодного климата перспективно применение самосмазывающих пластмасс, сочетающих функции конструкционного материала и смазки.

В то же время полимерные узлы трения недостаточно широко применяются из-за частых отказов, малых ресурсов, невысоких предельно допустимых режимов работы, а также недостаточной изученности их поведения при экстремальных условиях. В узлах трения машин и механизмов, эксплуатирующихся в