автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Триболические характеристики и методы обеспечения работоспособности узлов трения в маловязких средах

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК 'ИНСТИТУТ МАШИНОВЕДЕНИЯ им.А.А.БЛАГОНРАВОВА

На правах рукописи УДК 621.891

СИЛАЕВ БОРИС МИХАЙЛОВИЧ

ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ УЗЛОВ ТРЕНИЯ В МАЛОВЯЗКИХ СРЕДАХ

Специальность - 05.02.04 - Трение и износ в машинах

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1992

Работа выполнена в Самарском государственном аэрокосмическом университете им.академика С.П.Королева.

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор В.Н.Лозовский доктор технических наук, профессор Ю.Я.Подольский доктор технических наук В.Г.Павлов

Ведущее предприятие - Самарское государственное научно-производственное предприятие "Труд"

Институте Машиноведения им. А.А.Благонравова РАН в помещении конференц-зала по адресу: 101830, Москва, центр, ул.Грибоедова,4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института Машиноведения РАН по адресу: Москва, ул.Бардина, 4. Тел „135-55-16,,

Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью, просим направить в адрес Института: 101830, Москва, центр, ул.ГрибоедО' ва, 4.

Защита диссертации состоится в часов на заседании Специализированного Совета Д034201 при

Автореферат разослан

Ученый секретарь Специализированного Совета I

д.т.н., проф.

Усков М.К.

' . ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В машиностроении широкое применение имеют узлы трения, функционирующие в среде маловязких рабочих жидкостей. Во многих изделиях таких современных отраслей, как авиационное и космическое двигателестроение, химическое и нефтегазодобывающее машиностроение, узлы трения работают со смазыванием и охлаждением рабочими маловязкими средами - низкомолекулярными углеводородными и криогенными жидкостями, водой, ее растворами и др.

Использование указанных жидкостей вмест обычно применяемых различных смазочных материалов имеет исключительно важное техническое, экономическое и экологическое значг \ При этом упрощаются конструктивные схемы машин и механизма., сокращаются их масса и габариты, исключается необходимость применения специальных смазочных сред и систем для их транспортирования и хранения, снижается при эксплуатации количество вредных выбросов в окружающую среду. Для трибосистем, работающих на масле, существует обширная научно-техническая и справочная литература по расчету', конструированию и эксплуатации. Для узлов трения, предназначенных для работы в маловязких смазочных средах, недостаточно научных разработок, посвященных исследованию их работоспособности и определению трибологических характеристик. Отсутствуют расчетные методы прогнозирования и проектирования указанных трибосистем на заданную долговечность. Зачастую далеко не сразу удается создать работоспособную конструкцию узла трения и подобрать благоприятное сочетание характеристик, при которых обеспечиваются требуемые долговечность и надежность. При этом экспериментальная отработка проводится с помощью весьма трудоемких и дорогостоящих стендовых испытаний натурных узлов, в том числе и в составе 'полноразмерных изделий. Статистические данные показывают, что в общей сумме.дефектов и неисправностей агрегатов двигателей летательных аппаратов, проявляющихся на различных стадиях жизненного цикла-изделий, до 60% принадлежит узлам трения. Поэтому основополагающим для решения научно-технических задач, связанных с применением в качестве смазочных материалов маловязких рабочих жидкостей, является создание теоретических предпосылок, методов расчета и обеспечения работоспособности узлов трения на уровне высоких рабочих

параметров машин и механизмов, предназначенных для работы в широком диапазоне высоких и низких температур; с повышенными скоростями, нагрузками, давлениями рабочих сред; зачастую в условиях, когда указанные среды являются химически активными.

Необходимость решения названных проблем указывает на высокую актуальность и народнохозяйственное значение исследований в этой области.

Цель работы - выявить и изучить особенности механизма взаимодействия и закономерностей изнашивания поверхностей трения при смазывании и охлаждении маловязкими рабочими жидкостями, обусловливающими на фрикционном контакте режим граничного трения; разработать модель трения и изнашивания, адекватно описывающую рассматриваемый класс явлений; адаптировать модель к различным видам трибосопряжений; разработать метода расчета трибологических и конструктивных характеристик узлов трения и обеспечения их работоспособности в указанных смазочных средах.

Основные задачи

1. Развить существующие представления (на базе теории энерго-массопереноса и баланса энтропии) об особенностях процессов трения и изнашивания в.условиях граничной смазки маловязкими средами; разработать математическую модель для указанных условий и адаптировать ее для трибосопряжений, функционирующих в условиях трения качения и скольжения.

2. Разработать основы метода расчета износостойкости деталей машин для условий смазки маловязкими средами.

3. Разработать метода и средства испытаний трибосопряжений в среде маловязких рабочих жидкостей.

4. Исследовать особенности механизма взаимодействия и закономерности изнашивания в присутствии маловязких жидкостей, определить трибологические характеристики узлов трения в указанных условиях. •

5. Разработать метода обеспечения работоспособности трибосопряжений в присутствии маловязких смазочных сред; апробировать и практически реализовать разработанные методы.

Научная новизна. Предложена модель внешнего трения и изнашивания в присутствии маловязких смазочных сред в виде концепции

трибореактора, стенки которого, являясь поверхностными слоями и микрообъемами контактируемых твердых тел, участвуют в механических, теплофизических, химических и других процессах, протекающих во фрикционной зоне. Для математического описания трибопроцессов использован математический аппарат энергомассопереноса в виде преобразованных применительно к трибосистеме дифференциальных уравнений переноса массы, энергии, количества движения и баланса энтропии.

Показана возможность адаптации обобщенной модели к трибосопря-жениям, работающим в условиях трения каче? * (с проскальзыванием) и трения скольжения. На базе полученных модельных представлений разработана концепция метода расчета износостойкости поверхностей трения в условиях граничной смазки маловязкими средами.

Сформулированы с учетом специфики функционирования узлов трения в маловязких смазочных средах (условия граничной смазки,большие объемы прокачиваемой смазочной среды, химическая активность и др.) основные принципы и подходы к конструированию испытательных средств, на их основе созданы новые испытательные средства и методическое обеспечение.

Комплексно исследованы особенности взаимодействия и механизм изнашивания поверхностей трения, а также трибологические характеристики натурных трибосистем при смазывании и охладдении маловязкими рабочими жидкостями (вода, жидкий кислород); установлены основные факторы и закономерности, определяющие процесс трения и изнашивания в указанных условиях. Показан комплексный механизм изнашивания, включающий в себя широкий спектр протекающих в поверхностных слоях и микрообьемах процессов механического, адгезионного и коррозионно-механического характера. Критической точкой перехода к коррозионно-механическому изнашиванию является температура насыщения паров маловязкой смазочной среды. Вьдвинутьвположения и полученные модельные представления с позиции концепции трибореактора подтвервдены экспериментально.

Выдвинутые теоретические положения и разработанные модельные представления о фрикционной зоне в виде концепции трибореактора использованы как единая методологическая база для разработки конкретных моделей контактирования, комплекса методов расчета, прогнозирования долговечности и обеспечения работоспособности трибосистем, функционирующих в условиях граничной смазки мало-

вязкими средами (подшипники качения и скольжения, а также номинально неподвижные, но подверженные вибросмещениям, соединения деталей типа вал-ступица, бандажные связи, заклепочные соединения и др.).

Достоверность научных положений подтверждена согласованностью теоретических, экспериментальных и практических результатов, а также их сопоставлениями с данными других исследователей.

Адекватность разработанных модельных представлений и эффективность полученных практических методов во многом обеспечена применением современных и специально разработанных новых испытательных средств и приборов с высокой точностью, чувствительностью и информативностью, а также впервые разработанных методов исследований, использованием статистической обработки результатов исследований на ЭВМ, большой группой исследованных объектов, широким объемом лабораторных, стендовых и натурных испытаний.

Практическая значимость и реализация результатов работы. В работе обосновано применение принципов, положений и математического аппарата теории энергомассопереноса и баланса энтропии , для описания и анализа изнашивания, а также прогнозирования износостойкости узлов трения изделий, функционирующих в маловязких смазочных средах. . . ,

Разработана методологическая база для указанных условий в виде обобщенной модели трения и изнашивания, связывающая основные параметры трибосистемы и трибодроцесса, позволяющая адаптировать ее к конкретным видам трибосопряжений, а также обеспечивающая возможность постановки оптимизационных задач и компьютеризации расчетов. , ' • ••'•

Предложена концепция метода расчета износостойкости деталей машин в условиях граничной смазки маловязкими средами, разработан комплекс методов расчета долговечности и обеспечения работоспособности трибосистем, основные из которых: метод расчета износостойкости подшипников качения; методы обеспечения оптимальных трибологических и конструктивных характеристик подшипниковых узлов; метод расчета системы смазки и охлавдения подшипников качения; метод расчета основные'конструктивных характеристик металлополкмерных подшипников скольжения, применяемых в экстремальных условиях; метод расчета толщины промежуточного полимер-

ного слоя в номинально неподвижных соединениях высоконапряженных элементов конструкций, подверженных вибросмещениям.

Внесен практический вклад в разработку и совершенствование средств и методов экспериментального исследования узлов трения при использовании маловязких смазочных сред, созданы новые испытательные устройства и способы для реализации испытаний трибо-систем на изнашивание и исследования трибологических характеристик.

Разработан ряд новых технических решений (устройств и способов), построенных на основании выдвинутых -"еоретьческих положений и обеспечивающих расчет и выбор оптимальных трибологических и конструктивных, характеристик трибосистем, функ^лонирующих в маловязких смазочных средах или без смазочного материала (подшипники качения и скольжения, уплотнения валов, бандажные связи, соединения вал-ступица и др.). Новизна и оригинальность решений подтверждена государственной патентной экспертизой - указанные решения защищены 17 авторскими свидетельствами и тремя положительными решениями.

Результаты исследований внедрены на ряде предприятий авиационной и космической техники, а также в нефтегазодобывающей промышленности с суммарным годовым экономическим эффектом более 6 млн.руб. Некоторые элементы разработанных модельных представлений и расчетных методов использованы в одном справочном и двух учебных изданиях по триботехнике. Основные положения разработанных модельных представлений, методы расчета трибологических и конструктивных характеристик узлов трения при смазывании и охлаждении маловязкими рабочими средами используются з учебном процессе на факультете повышения квалификации инженеров при Самарском авиационном институте.

Основные научные' положения, защищаемые автором.

Закономерности механизма изнашивания поверхностей трения при использовании химически активных маловязких смазочных жидкостей как комплексное явление, включающее широкий спектр протекающих в поверхностных слоях и микрообъемах процессов механического, адгезионного и коррозионно-механического характера, совокупность которых зависит от тепловых условий в контакте и от агрегатного состояния жидкости в зоне трения.

Совокупность модельных представлений для указанных условий: физическая модель в виде концепции трибореактора, описываемая дифференциальными уравнениями энергомассопереноса и баланса энтропии, а также обобщенная математическая модель, адаптируемая к частным видам трибосопряжений.

Научно обоснованные методы и методики исследований узлов трения в среде маловязких жидкостей, основные принципы и подходы к конструированию испытательных средств с учетом специфики функционирования в указанных условиях (условия граничной смазки, большие объемы прокачиваемой смазочной среды, химическая активность и др.).

Идеология метода расчета износостойкости поверхностей трения в условиях граничной смазки маловязкими средами; комплекс методов расчета и обеспечения работоспособности трибосопряжений, позволяющих получать их оптимальные трибологические характеристики, конструктивные схемы и параметры для указанных уел эий функционирования; ряд новых технических решений (устройств и способов), позволяющих проводить расчет и конструирование узлов опор качения и скольжения, высоконапряженных соединений, подверженных . вибросмещениям типа бандажных связей, вал-ступица и др.

Совокупность основных положений, выносимых на защиту, свидетельствует о решении важной научно-технической проблемы в области трения, износа и смазки трибосистем, функционирующих в среде маловязких смазочных материалов, практическая реализация которой обеспечивает повышение их нагрузочно-скоростных характеристик,, долговечности по износостойкости и общей надежности, а также сокращение сроков и материальных затрат при выполнении проектировочных и доводочных работ.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались на 15 Всесоюзных научно-технических конференциях (1979-1991 гг.), а также на Всесоюзной школе-семинаре "Роль поверхности в прочности и износостойкости твердых тел" (1987 г., Куйбышев, руководитель академик К.В".Фролов) и на Международном научно-практическом семинаре-коллоквиуме "Триболог 7м" (1991 г., Ярославль-Рыбинск-Ростов, руководитель проф. В.Ф.Безъязычный).

В полном объеме работа докладывалась и получила одобрение на Международном научно-практическом семинаре-коллоквиуме "Трибо-лог-7м" (1991 г., Ярославль-Рыбинск-Ростов, руководитель проф.

В.3.Безъязычный), на У Всесоюзной научно-технической конференции "Контактная гидродинамика" (1991 г., Самара), на семинаре имени проф.М.М.Хрущова (1991 г., ИМАШ, Москва .руководитель проф.Р.М. Матвеевский), на заседании НТС ГНПП "Труд" (1992 г., Самара,руководитель академик Н.Д.Кузнецов) и на совместном семинаре кафедр конструкции и проектирования двигателей летательных аппаратов и основ конструирования машин Самарского авиационного института (1992 г.).

Публикации. Основное содержание работы отражено в 52 печатных работах, в том числе 17 авторских свидетельствах на изобретения, а также 3 положительных решениях (по заявкам на а.с. » 4779892/27, 4779892/27, 4794350/27).

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 394 страницах машинописного текста, включая 5 таблиц, 117 рисунков, и состоит из введения, семи глав, основных выводов, заключения, приложения и списка литературы из 303 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе показана актуальность темы, приведен обзор работ по рассматриваемой проблеме, обоснована цель и сформулированы задачи исследований.

Из анализа опубликованных научных работ следует, что как в нашей стране, так и за рубежом большое внимание уделяется исследованиям механизма взаимодействия и закономерностей изнашивания поверхностей трения в присутствии маловязких смазочных сред. Различными методами исследований показано, что режим трения на фрикционном контакте в присутствии маловязких жидкостей близок к режиму граничного трения или даже к трению без смазочного материала. Традиционные методы и подходы к обеспечению работоспособности систем в рабочих средах низкой вязкости малоприемлемы, так как возможности создания ими несущей гидродинамической пленки в контакте весьма ограничены. Это подтверждается сравнением по основной физической характеристики - вязкости, определяющей возникновение несущего смазочного слоя. Так, например, вязкость воды и низкомолекулярных углеводородных жидкостей типа топливных авиакеросинов ТС-1, Т-2 и Т-7 при температуре 20°С примерно в 20 раз меньше вязкости синтетического масла ИПМ-10, широко

применяемого в авиакосмических изделиях, а вязкость криогенного топливного компонента - жидкого кислорода уже в 50 раз меньше вязкости указанного масла. Соответственно этому уменьшается тол-дина смазочной пленки и гидродинамическая грузоподъемность в контакте. Так, например, согласно эластогидродинамичес-кой теории толщина смазочного слоя в современных скоростных авиаподшипниках качения находится в пределах 0,2...0,5 мкм. И если для данных условий работы вязкость смазочной среды снизить на порядок, то толщина несущей гидродинамической гиенки должна уменьшиться до величины порядка 0,03...О,06 мкм. Согласно данным Б.В.Дерягина и А.С.Ахматова это режим граничного трения, тем более, что микронеровности на дорожках качения авиаподшипников обычно составляют 0,1...О,16 мкм, т.е. вццерживается условие граничного трения hmi_n< + PZ2 .

В общем случае при граничном трении могут иметь место все возможные формы взаимодействия элементов фрикциог ого контакта -от жидкостного трения в микрополостях профиля до металлического контакта по вершинам микронеровностей из-за прорыва граничного слоя. Указанное взаимодействие микрорельефов, возникающее при трении твердых тел и приводящее к их изнашиванию, сопровождается целой гаммой производных механических, физических и химических процессов, протекающих на поверхностях и в приповерхностных микрообъемах, Это процессы окисления, тепловые и диффузионные явления, срез и скол микронеровностей, усталостное разрушение, поверхностные явления (адсорбция, хемосорбция) и др.

Значительный вклад в разработку модельных представлений о трении и изнашивании ' в условиях граничной смазки низкой вязкости внесли как отечественные, так и зарубежные исследователи. У нас в стране А.С.Ахматов, А.Ф.Аксенов, А.Я.Алябьев, Н.А.Буше, И.А.Буяновский, Г.В.Виноградов, Ю.А.Евдокимов, Д.Н.Гаркунов, Н.Л.Голего, Б.В.Дерягин, Ю.Н.Дроздов, И.В.Крагельский, В.Д.Кузнецов, Б.И.Костецкий, В.Н.Латышев, В.Н.Лозовский, Р.М.Матвеев-ский, И.Г.Носовский, В.Г.Павлов, С.В.Пинегин, Ю.Я.Подольский, М.В.Райко, А.П.Семенов, В.В.Шевеля и др. За рубежом в этом направлении многое сделали Ж.Арчард, Д.Боуден, В.Гарди, Т.Кеичл, Д.Мур, Ф.Тао, Р.Уотерхауз, М.Финк, В.Хирст, Т.Цзукизое, Х.Чихос, Н.Яшимото и др.

Имеющиеся результаты исследований приносят большую пользу в промышленности. Однако проблема обеспечения работоспособности узлов трения при смазывании и охлаждении маловязкими средами пока не имеет достаточно полного научного освещения, в практической реализации трибосистем используют в основном дорогостоящий эмпирический подход - на базе метода аналогий, при этом триботехни-ческий уровень узлов трения нередко не отвечает современным требованиям по надежности и ресурсу. В имеющихся источниках не получили достаточного отражения и необходимого развития как в теоретическом, так и в экспериментальном аспект-х основные проблемы, связанные:

с теоретическими исследованиями по разработке модельных представлений для условий трения и изнашивания в присутствии мало -вязких смазочных сред, которые бы отражали комплекс рабочих параметров процесса трения и изнашивания и характеристики контакткруе-мых твердых тел и среды;

с возможностью адаптирования модельных представлении к конкретным видам трибосопряжений;

с разработкой научно обоснованных методов исследований для указанных условий и в связи с этим недостаточным количеством данных по основным трибологическим характеристикам трибосистем;

с созданием расчетных методов прогнозирования износостойкости узлов трения и научно обоснованных методов обеспечения их работоспособности.

На основе обобщения литературных данных и анализа нерешенных вопросов в проблеме трения, износа и смазки трибосистем, функционирующих в среде тловязких смазочных материалов, сформулированы цель и задачи исследования, приведенные выше в разделе "Цель работы".

Во второй главе приведены результаты экспериментальных исследований особенностей взаимодействия и характера изнашивания в условиях граничной смазки малозязкими рабочими жидкостями и жидкими маслами. Исследовалось состояние рабочих поверхностей и приповерхностных зон натурных трибосистем, в которых в отличие от лабораторных испытаний образцов, наиболее полно воспроизводится вся сложная картина взаимодействия и взаимовлияния конструктивных элементов, их характеристик, свойств и количества подаваемой в зону трения материалов смазочной среды.

Трибологические процессы, возникающие на фрикционном контакте в присутствии маловязких жидкостей, изучены на рабочих поверхностях подшипников качения из коррозионностойкой стали 95Х18Ш после испытаний их в стендовых и натурных условиях в среде воды (ГОСТ 2874-82) и жидкого кислорода. Для сопоставления были исследованы состояния рабочих поверхностей подшипников качения из стали ЭИ-347Ш в присутствии синтетического масла ИПМ-Ю.и подшипников скольжения, выполненных из пористого порошкового материала на основе меди, олова и графита, работающих в паре со стальной хромированной цапфой в условиях граничной смазки маслом МС-20 при повышенных температурах узла (до +220°С). ;

Проведенные электронно-микроскопические исследования поверхностей трения и металлографический анализ приповерхностных зон трения показали, что механизм изнашивания в указанных условиях имеет сложную неоднозначную природу, включающую комплекс процессов, одновременно протекающих в поверхностных елои микрообье-мах. Совокупность процессов во фрикционной зоне существенно определяется физико-химическими свойствами смазочно-охлаждающей жидкости, температурой поверхностей трения и жидкости, а также ее агрегатным состоянием в зоне трения. .

Из анализа полученных результатов исследований следует, что при работе трибосопряжений в условиях граничной смазки химически малоактивными жидкостями (синтетическое и минеральное масла) изнашивание обусловлено преимущественно механическими процессами в контакте в сочетании с адгезионными явлениями: выглаживание и срез микронеровностей, отделение частиц износа в результате усталости, царапание, и пластическое оттеснение поверхностей в результате перемещения и диспергирования частиц, образований меязду поверхностями металлических связей-мостиков схватывания в результате тепловых процессов и явлений гетеродиффузии. При этом на каждом из элементов трибосистемы в зависимости от условий контактирования и теплонапряженности поверхности имеют место тенденция к выделению определенного - ведущего вида изнашива-" •■ ния. Так, на,наиболее напряженном внутреннем кольце подшипника качения в рассматриваемых условиях более выражен адгезионный характер повреждений, на наружном кольце и телах качения преобладают механические процессы изнашивания. В согласии с данными Г.Блока, Ф.П.Боудена, Р.М.Матвеевского, Ю.Н.Дроздова, И.А.Буянов- '

ского и др. получено, что критической точкой, характеризующей условия перехода от механических процессов изнашивания к адге -зионному с возникновением макропластических течений на пятнах фактического контакта, образованием и разрывом мостиков схватывания, является температура дезориентации молекулярных (граничных) слоев смазки.

При работе трибосопряжений в среде маловязких химически активных жидкостей, содержалдах кислород, имеет место в основном два ведущих вида изнашивания, один из которых определяется совокупностью механических процессов и явлениями ."дгезии (рис.1 ,а,г), другой - механизмом коррозионно-механического изнашивания, при котором на передний план выступают физико-химически процессы в сочетании с механическими. Основными из них являются тепловые и диффузионные явления, химические превращения, структурные и механические преобразования, обусловливающие непрерывное чередование процессов образования, , роста и разрушения вторичных структур-окисных плен на поверхностях трения (рис.1,6,в,д.е). Установлено, что критической точкой между указанными видами изнашиваний является температура насыщения паров смазочно-охлавдающей жидкости, одновременно характеризующая ее агрегатное состояние в зоне трения. При тепловом режиме на фрикционном контакте, когда температура жидкости, прокачиваемой через полость узла трения, не достигает температуры насыщения ее паров, коррозионно-механические явления на контакте выражены слабо, изнашивание определяется совокупностью механических процессов и адгезионных явлений (рис.1,а, г); при температуре жидкости в зоне трения, равной или превышающей температуру насыщения ее паров и обусловливающей появление активной паро-газовой фазы, процесс протекает по явно выраженному механизму коррозионно-механического изнашивания (рис.1,6,в,д, е).

Показано, что тепловой режим на фрикционном контакте обусловливает образование разных толщин окисных пленок на поверхностях трения. Причем вполне определенному диапазону режимов работы, формирующих соответствующий тепловой режим в зоне трения, характерна вполне определенная толщина указанных вторичных структур и их состояние, т.е. непрерывно чередующиеся процессы образования и разрушения вторичных структур протекают при наличии динамического равновесия процессов активации и пассивации в условиях реали-

г\ светлый слаЗ камениа

сбеспло-серый слео качения

глвмныи слеЭ гсачения_

^микропоры аЗге-зии, питтин г а, царапаний,сре5а и

сгсола микронероб-настей

темная пленка о(сислоб

сёетло-серые „осгпробки"

6) е)

Рис Л. Состояние поверхностей трения подшипников качения из

стали 95X18111 после испытаний в среде жидкого кислорода: а,б,в - общий вид (х1); г,д,е - фрагменты поверхностей трения внутреннего кольца при увеличении соответственно х400, х400, х2000; а,г - при температуре жидкости Туе в 30не тРения ниже температуры насыщения ее. паров т ; б -приТ^^Тд ; в,д,е - при Т^ Т5 .

зации так называемого явления структурной приспосабливаемости материалов для заданных режимов трения (Б.И.Костецкий, И.Г.Носовский и др.). Так, при испытаниях в среде жидкого кислорода подшипников качения из стали 95Х18Ш при- температуре жидкости в зоне трения ниже температуры насыщения ее паров образуются плотные достаточно прочно сцепленные с подложкой пленки толщиной в пределах нескольких нанометров - 40 нм; при температуре жидкости, равной критической, возникают пленки толщиной 40...50 нм, и при температуре, превышающей критическую, образуются толстые, рыхлые, гетерогенные пленки толщиной свыше 500 нм (рис.1,д,е).

Полученные результаты углубляют научное знание о контактном взаимодействии при граничной смазке маловязкими средами элементов

трибосистем, позволяют раскрыть механизм изнашивания и природу повреждений поверхностей трения в указанных условиях.

В третьей главе теоретически рассмотрены вопросы контактного взаимодействия поверхностей в присутствии маловязких сред с позиций теории энергомассопереноса, показана разработка обобщенной (концептуальной) модели трения и изнашивания для рассматриваемого класса явлений и ее адаптация к конкретным видам трибо-сопряжений.

На основе анализа полученных в глазе 2 результатов исследований и на базе известных представлений по контактным процессам в указанных условиях (Б.И.Костецкий, Г.В.Виноградов, Ю.Я.Подольский, А.Ф.Аксенов, В.Н.Лозовский, И.А.Буяновский, Т.Квинн, Р.Хольм и др.) ввдвинуто положение о контактном взаимодействии твердых тел при их взаимном перемещении в присутствии маловязкой смазочной среды в виде концепции трибореактора.

Систему трения как открытую термодинамическую систему (И.При-гожин, К.П.Гуров, Л.И.Берладский, В.В.Федоров, Г.Фляйяер и др.), состоящую из контактируемых поверхностей твердых тел-1 и 2 и протекающей через зазор сплошной среды 3 (рис.2), предложено рассматривать как трибореактор, подвижные стенки которого, являясь поверхностными слоями и микрообъемами контактируемых твердых тел, участвуют в механических, теплофизических, химических и др. процессах, протекающих в рабочей (фрикционной) зоне. При скольжении поверхностей вследствие образования и разрушения фрикционных связей непрерывно - в течение всего времени существования контакта - между элементами твердых тел I и 2 и средой 3 (рис.2) происходят взаимные обменные процессы энергией, веществом и количеством-движения, обусловливающие изменение энтропии поверхностных слоев и приповерхностных микрообъемов контактирующих телСистема - трибореактор функционирует в условиях сложного режимного состояния, проходя последовательно-параллельно ряд стадий:

возбувдение ее путем воздействия через характеристики материала М , среды Ц , геометрии Э рабочих переменных - силовых

и скоростных V факторов, величины прокачки среды в течение времени, характеризуемого длиной пути трения /"и создание за счет этого движущих сил процесса трения и изнашивания -

*)

4

Рис.2. К физической модели трения и изнашивания:, а - схема контактирования твердых тел; б - блок-схема взаимодействия рабочих параметров, движущих сил процесса и выходных переменных при функционировании трибосистемы как трибореактора

■ ' t" - 15 -

градиентов полей давлений (напряжений')V Р^ , деформаций ^7<£. , температур \7 T-t , концентраций вещества VCn и химического потенциала UjUn , где L - номер подсистемы трения;

взаимное превращение и перенос энергии - механической, тепловой, химической, электрической, акустической и др. видов, характеризуемые выходными переменными - плотностью потоков энергии

V , и источников ее0 , ; <fu (U „

. преобразование и перенос массы вещества путем структурных и фазовых превращений, диффузии, образования и аннигиляции химических соединений, механических преобразований за счет разрушения микронеровностей и др., обусловливающих появление выходных переменных - плотностей потоков массыи источ-лков ее

Указанные внешние воздействия, взаимные превращения, преобразования и перенос массы, энергии и количества движения обусловливают в подвергаемом трибовоздействиям слое hg (рис.2) изменение энтропии, характеризуемое плотностью ее потока ^(¡j и производством Так как трение и изнашивание являются термодинамическим необратимым процессом, в слое h^ происходит постоянное увеличение энтропии в соответствии со вторым законом термодинамики, постулирующим неотрицательность производства энтропии, т.е.

s 0 • При достижении микрообьемами поверхностного слоя определенного критического уровня энтропии, характеризующего предельную меру необратимости процессов превращений, происходит разрушение указанных микрообьемов, формирующее на площади контакта интенсивность изнашивания , что в конечном счете приводит к износу поверхности трения на длине пути трения L^

Исходя из представлений о системе трения как трибореакторе для математического описания процесса трения и изнашивания применен математический аппарат энергомассопереноса (А.А.Ильюшин, A.B. Лыков, И.О.Протодьяконовs П.Г.Романков.И.Дъярмати, И.Пригожин и др.). При этом построение уравнений переноса массы, количества движения и энергии проведено, опираясь на один из основных принципов термодинамики необратимых процессов - принцип локального равновесия, постулирующий сохранение условий равновесия в элементарных объемах термодинамической системы при переходе ее во всем масштабе от равновесного состояния к неравновесному.

Полученная физическая модель процесса трения и изнашивания с системой уравнений переноса позволили составить основное урав-

ненке термодинамики необратимых процессов - дифференциальное уравнение баланса энтропии локальной области подсистемы трения, отражающее широкий комплекс явлений и параметров, определяющих процесс трения и изнашивания

р ЕГ=- тГ! Т*

где р - плотность среды; 3 - удельная (на единицу массы) энтропия; - плотность потока тепловой энергии ц, -го вида, определяемая на основании законов теплопроводности, конвекции и излучения;^- плотность потока переноса маем'вещества компонента л , определяемого законами диффузии;^- химический потенциал; Т - температура; £<« - касательное напряжение на контакте; - скорость скольжения; Ргпах- максимальная высота микронеровностей профиля;]^. , - тензор напряжений и скоростей деформации, соответственно; ^ ~ коэффициент потерь на упругий гистерезис; £ • 5 м ~ соответственно скорость X -ой химической реакции в .среде и скорость изменения массы за счет механического разрушения микронеровностей (срез, скол и т.п.); -, Дм . - химическое средство X -ой реакции и квазихимическое сродство; О^ - плотность источника^ -го рода (акустические, электромагнитные, световые и некоторые другие излучения);

\7 - оператор Гамильтона. • Выражение под оператором дивергенции в_уравнении (I) представляет собой плотность потока энтропии (поток через единицу площади), остальные члены в правой части характеризуют производство энтропии вд (возникновение ее в единице объема в единицу времени). .

Полученное уравнение (I) является эквивалентом объединенного уравнения первого и второго начал термодинамики относительно • удельной энтропии 3 . Анализ его показывает, что энтропия аккумулирует в себе все сведения об основных термодинамических свойствах локальной области и является функцией состояния, т.е.

термодинамической характеристикой процесса трения и изнашивания. В то же время уравнение по структуре соответствует общему дифференциальному уравнению баланса в неравновесной термодинамике

+ Эд I из которого следует, что энтропия является аддитивной функцией производства и потока . Очевидно, что соотношение этих двух конкурирующих величин в зоне фрикционного контакта будет контролировать протекание процесса трения и изнашивания.

В качестве геометрической характеристики фрикционного процесса принята толщина (ч. изношенного слоя на ялике пути трения

hr +

2 подсистемы трения, в котором протекают все те явления и процессы при трении и изнашивании, ко1-рые обусловливают возникновение термодинамической_ситуации, характеризуемой производством энтропии Э^ и потоком ^ д . Таким образом, в качестве параметров, определ_яющих явление в целом, получена система Ьр , /->.р , Ьд , . Зависимость между параметрами этой

системы в соответствии с методом анализа размерности выражена соотношением а

(2)

где З^-Ь^/й^- интенсивность изнашивания по ГОСТ 27674-33; К » О. ~ соответственно коэффициент пропорциональности и показатель степени, определяемые экспериментально.

Подстановка в уравнение (2) значений и £ ^ , выраженных из соотношения (I), и параметра Ь,- , принятого з первом приближении согласно И.В.Крагельскому и "Н.М.Михину равным Р^о.^, позволила полупить ^

^ = <(■р^* (3)

Полученная обобщенная модель (3) показывает, что интенсивность изнашивания ^ определяется комплексом факторов, обусловливающих источники и стоки массы с поверхностей трения, связанные с тангенциальным перемещением и деформированием тел; с явлениями диффузии из-за различия концентраций компонентов в различных точках движущейся среды; с наличием пространственной неоднородности в распределении температуры и переносом теплоты путем теплопроводности,

конвекции и излучения, а также с химическими реакциями в зоне трения, с механическим отделением частиц (срез, скол микронеровностей и т.п.) и с взаимодействием среды с энергией других видов, например, с электрическим током, с акустическими колебаниями и др.

При использовании математическую модель общего вида (3) необходимо преобразовать с учетом краевых условий для каждого конкретного случая контактирования твердых .тел в присутствии маловязких смазочных сред. В работе проведена адаптация модели (3) к высшим и низшим кинематическим парам, работающим в условиях трения качения с проскальзыванием и в условиях трения скольжения. '

Рассмотрим адаптацию модели (3) для пары трения качения(с проскальзыванием) на примере шар-кольцо подшипника (рис.3). В качестве материала контактируемых тел примем изотропную орднородную среду, а силовое взаимодействие ограничим упругими деформациями. Так как смазочно-охлавдающая жидкость маловязкая среда, то на контакте реализуются условия, близкие к режиму граничного или сухого трения. Полагаем, что течение неразрывно и жидкость при омы-вании тел сохраняет однофазное состояние. Геометрические характеристики контактирования: износ , путь трения Ь^ , дааметр орбиты вращения шара, радиус шара Г^ и кольца г^ > Г % > шероховатость поверхностей качения Я5,-^.^ Кинематические параметры: частота вращения п шара на орбите, объемный расход Оу. смазоч-но-охлаждающей жидкости. Физико-механические характеристики: нормальная нагрузка на контакт Р^ , твердость материала НВ контактируемых тел, модуль Юнга Ен и Е2 , коэффициент Пуассона^^ и^^ , плотность материала шара и кольца^ , , плотность и вязкость жидкости^р и ^ , коэффициент трения . Теплофизичес-кие параметры: коэффициент теплопроводности жидкости ,Д. и материала тел и , удельная теплоемкость жидкости Ср , температура поверхности контакта Т и жидкости на входе Т^ .

Кроме перечисленных, как следует из анализа формулы (3), трение и изнашивание определяются также такими параметрами материалов, как коэффициенты диффузии, химические потенциалы и некоторые др., учесть которые пока не представляется возможным из-за недостатка экспериментальных данных. Влияние указанных факторов учтем через экспериментально определяемые коэффициент пропорциональности К и показатель степени 0. . С учетом краевых условий задачи и при-

Рис.3. К адаптации обобщенной модели при работе трибо-сопряжения в условиях трения качения

нятых ограничений уравнение (3) преобразовано к виду

где ра - нормальное давление в контакте, й^и - большая и малая полуоси эллипса пятна контакта, § - упругое сближение, С - коэффициент гидродинамического сопротивления, £ - характерный линейный размер, с( - коэффициент теплоотдачи.

Из анализа соотношения (4) можно видеть, что полученная математическая модель изнашивания для тел, работающих в условиях трения качения с проскальзыванием, содержит в явном и неявном виде всю систему исходных параметров. Преобразование указанной модели до расчетного вида проведено в главе 6.

Полученное теоретически выражение (4) совпадает с известными из литературных источников экспериментальными данными, обобщенными С.В.Пинегинкм, показавшим, что основную часть потерь при трении качения составляют потери, связанные с проскальзыванием поверхностей в пределах пятна контакта (учитываются первым членом числителя), с эффектом упругого гистерезиса (второй член) и с преодолением гидродинамического сопротивления при движении в смазочной среде (третий член). Кроме того, формула учитывает

(4) а

пространственную неоднородность в распределении температуры и рассеяние энергии с поверхностей контакта (четвертый член в числителе и знаменатель формулы).

На базе полученной модели трения и изнашивания общего вида (3) разработана концепция метода расчета износостойкости поверхностей трения в условиях граничной смазки маловязкими средами. Метод предусматривает адаптацию обобщенной модели (3) по рассмотренной выше схеме, т.е. получение конкретного вида интенсивности . изнашивания для деталей заданной формы й вида трения - качения или скольжения. При этом составляющие потока энтропиии ее производства , входящие в формулу (3),"в соответствии с краевыми условиями задачи выражаются через соответствующие механические, геометрические, кинематические, тегсюфизические и др. характеристики взаимодействующих при трении твердых тел и смазочной среды.

Расчетно-экспериментальным путем определяются ..оэффициент К и показатель степени О. функции в зависимости от материала деталей и смазочной среды. Через полученные таким образом эмпирические характеристики К и & учитывается влияние таких факторов, как диффузионные потоки, скорости химических реакций в контактной зоне и др. По мере накопления экспериментальных данных создается банк указанных коэффициентов аналогично, например, как для подшипников качения затабулированы динамическая С и статическая Сд грузоподъемности, используемые для расчета долговечности по усталости.

Далее, расчетным путем для каждого конкретного режима работы трибосопряжения определяется интенсивность изнашивания З^(^) • При этом износ или наработка ) для стационарного с-го

режима определяется по зависимости

При переменном режиме работы суммарный износ или наработка определяются из соотношения •

= Щ Ъс^ьмйъ , (6)

где 3, ,.. "Ь,,. . V; - соответственно интенсивность

ли,)» + и)' пи; ' ь изнашивания, путь трения, время и скорость скольжения при

¡- -ом режиме.

Из условий работы трибосопряжения на основании технического задания назначаются допустимый износ [Н^] или наработка ["С.^] , затем проверяется условие нормальной работы трибосистемы, т.е.

ь1го иш ^^М^ьа)^^,^!.

Реализация концепции показана в главе 6 при разработке метода расчета износостойкости подшипников качения, иллюстрация расчетов приведена в Приложении 2.

Четвертая глава посвящена разработке испытательных средств и методов исследований.

Для реализации испытаний пар трения в среде маловязких рабочих жидкостей стандартные машины трения не могут бк 3 использованы вследствие их неприспособленности к специфическим условиям: большие прокачки жидкости через узел, высокие перепады давления, агрессивность сред и др. Для указанной специфики условий обосновано применение в основном стендовых испытаний с последующей проверкой решений в натурных условиях. Сформулированы основные требования к конструкции стендовых машин трения, которые предусматривают применение герметизированных рабочих камер, позволяющих проводить испытания узлов трения в прокачиваемых под давлением маловязких средах; возможность варьирования в широком диапазоне величин прокачки смазочно-охлаждающей жидкости, а также скоростных и нагрузочных параметров; высокая степень автоматизации эксперимента измерения и регистрации основных режимных и трибологических параметров при обеспечении требуемой точности, стабильности показаний и воспроизводимости результатов экспериментов.

Разработана новая универсальная стендовая машина трения (а.с. № 1138682 и № 1186988), в которой в качестве базового агрегата принят несущий корпус установки с приводным валом и технологическими подшипниками, в качестве сменных агрегатов - узел привода (воздушно-пусковая турбина авиационного ГГД, либо электродвигатель с механической передачей) и узел испытываемого объекта. Машина позволяет проводить испытания подшипников качения, подшипников скольжения и уплотнений валов с использованием как обычных смазочных материалов, так и маловязких рабочих жидкостей. При испытаниях реализуются в широком диапазоне основные режимные параметры, в том числе и идентичные натурным: по прокачке маловязкой среда - от 0 до 2 дм^/с, по частоте вращения - от 0 до 30*10^

мин"*, по нагрузкам - возможно осуществление как в отдельности радиального нагружения от 0 до* 7 кН или осевого - от 0 до 10 кН, так и комбинированного в любом сочетании нагрузок в указанных интервалах.

Для автоматизации процесса измерений параметров, обработки и регистрации измерительной информации разработаны информационно-измерительная система стенда и программное обеспечение испытаний с использованием ЭВМ.

Методическое обеспечение испытаний разработано с учетом теоретических предпосылок, заложенных в обобщенной модели (3), и включает ряд новых методов, в основу которых положены новые способы (а.с. № 1180723 и № 1532830), учитывающие специфику работы исследуемых узлов трения:

метод измерения момента трения узла и определения его мощности трения, основанный на использовании функциональной зависимости, полученной на основе анализа размерности и выряжающей взаимосвязь рабочих характеристик с режимными параметрами приводной турбины;

метод определения составляющих мощности трения подшипника качения, основанный на разделении потерь на два основных вида, один из которых связан с силами трения во фрикционной зоне, другой обусловлен гидродинамическим сопротивлением при вращении сепаратора с комплектом тел качения как фасонного диска в жидкостной среде, математическое обоснование метода подробно изложено в главе 5;

метод ускоренных испытаний трибосистем на износостойкость, позволяющий существенно сокращать время и затраты на проведение исследований. В основе метода лежит предпосылка, что если изменять степень концентрации энергии трения на геометрически и физически подобных контактирующих поверхностях, например, за счет энергообмена со смазочно-охлаждающей средой путем варьирования ее прокачки или за счет изменения нагрузочно-скоростных параметров, то можно реализовать регулирование процесса изнашивания. Так, из совместного решения системы уравнений, составленных для подшипников качения и описывающих подобные установившиеся процессы изнашивания в эксплуатационных условиях и при эквивалентных (ускоренных) испытаниях получено соотношение для расчета

эквивалентного пути трения вди вРемени ускоренных испыта-

ний; метод предусматривает также для дальнейшего сокращения затрат использование модельных маловяэких сред вместо натурных.

В пятой главе представлены результаты экспериментальных исследований трибологических характеристик подшипников качения из сталей 95X18111 и ЭИ-347Ш со смазыванием и охлаждением путем прокачки под давлением воды (ГОСТ 2874-82), жидкого кислорода и модельной водно-глицериновой жидкости, имитирующей по кинематической вязкости топливные авиакеросины. Исследовалось влияние режимных параметров - частоты вращения, нагрузки и прокачки на основные трибологические характеристики подшипник. - мощность трения и ее составляющие, тепловой режим, коэффициент трения и износостойкость, а также определялось влияние конструктивной схемы подшипникового узла, формирующего движение жидкости, на указанные характеристики и закономерности изменения прокачки среды через вращающийся подшипник качения. Проведение указанных исследований на основе разработанных методов позволяет экспериментально подтвердить модельные представления и получить данные, необходимые для доведения обобщенной модели до расчетного вида, а также для проведения оптимизации конструктивных решений при расчете и проектировании опор качения (см.главу 6).

Полученные зависимости мощности трения подшипника качения и его теплового состояния от основных режимных параметров неоднозначны - они существенно определяются уровнем и сочетанием режимных параметров при испытаниях. В работе приведены графические зависимости, иллюстрирующие изменение в широком диапазоне исследуемых характеристик. Установлено существенное влияние на указанные характеристики конструктивной схемы опоры качения, определяющей способ подвода и слива.прокачиваемой маловязкой жидкости. Показано, что при расположении впускных отверстий во входной.камере подшипникового узла под углом относительно торца подшипника в сторону его вращения затраты мощности на его привод ниже в 1,5...2 раза по сравнению с расположением отверстий под 90°, т.е. параллельно оси вращения подшипника; снижение потерь на трение - не менее чем на 30% - обеспечивает также расположение отверстий для слива жидкости из полости узла на уровне не ниже зазора между наружным кольцом и сепаратором подшипника по сравнению со схемой узла, формирующей слив напрямую вдоль оси вала.

На основе разработанного метода определения составляющих мощности трения подшипника проведено исследование потерь, связанных с гидродинамическим сопротивлением при вращении сепаратора с комплектом тел качения, а также потерь, возникающих во фрикционной зоне.

Из анализа взаимодействия сепаратора с жидкостью получено соотношение для определения гидродинамического сопротивления, которое учитывает кинематические и геометрические параметры сепаратора, а также физические характеристики жидкости

= з )] , (8)

где Сц - коэффициент сопротивления, £ '- плотность жидкости,

и В^ - угловая скорость вращения сепаратора и его ширина, Р = 1,07РС , Рд = 0,87Рс , здесь Р£ и Гс - наружный и внутренний радиусы сепаратора.

На основе анализа методом констант подобия уравнений движения жидкости через вращающийся подшипник качения, уравнений неразрывности потока и энергии получено критериальное уравнение для определения коэффициента С?^ , входящего в формулу (8). Установлено, что этот коэффициент является функцией определяющих критериев подобия: Рейнольдса - Ре , Эйлера -Ей и Тейлора -Та . С помощью эксперимента на машине трения определен вид критериального уравнения

. ' О)

Значения эмпирических коэффициентов ц^ и в формуле (.9 ) найдены путем математической обработки результатов экспериментов, величина их существенно зависит от критического значения числа Та "-рСР6 ) » характеризующего устойчивость потока в зазорах между сепаратором и кольцами подоипника.

Подтверждением правильности соотношения (.9.) являются экспериментальные данные, приведенные на рис.4,а. -Кривые изображают вычисленные по формуле (8) с учетом (9 ) гидродинамические потери ф, точками показаны экспериментальные их значения. Наибольшее отклонение опытных точек от расчетных не превышает + 10%, кроме режимов течения, близких к переходным, характеризуемых Так • гАе расхождение достигает + 20%. Характер

Рис.4. Зависимость гидродинамических потерь в подшипнике - (а) и мощности трения подшипника фп - (б) от частоты вращения П : I -(3^= 0,5 л/с, 2 - 0ЛГ= = 0,7 л/с, 3 - 1,0 л/с

изменения общих потерьфп в подшипнике (рис.4,б), замеренных при испытании, идентичен в диапазоне частот вращения Л = 5*10 ...15'103 мин-1. При более высоких частотах корреляция менее заметна, что можно объяснить за счет изменения приведенного коэффициента трения -р (рис.5). Сравнение экспериментальных данных показало (рис.4,а и 4,6), что потери на гидродинамическое сопротивление ф^ могут достигать 30% от мощности трения подшипника Фп .

О характере изменения потерь ф_р , связанных с трением в местах контактирования тел качения с кольцами и сепаратором, можно судить по изменению коэффициента трения ■Рпр (рис.5), вычисленного на основе измерения общих потерь ф , т.е.

ФГФп-Фн-ГпрР^П (Ю)

л*/¿с

- 26 -

Рис.5. Характер изменения приведенного коэффициента трения в зависимости от частоты вращения при эквивалентной нагрузке на подшипник

/7'/27,

Р = 4,61 кН: 0^-0,5 л/с, (3^=0,7 л/с, 0^=1,0 л/с

Из анализа представленных данных (рис.5) можно видеть, что значения -р существенно определяются частотой вращения п и менее существенно величиной прокачки (^жидкости; с увеличением п до уровня, обусловливающего переходный режим обтекания (Та^^), коэффициент трения непрерывно возрастает, увеличиваясь в критической точке в 3...4 раза, при дальнейшем возрастании п величина его примерно с таким же темпом снижается до исходного значения.

Как показано в главе 2, критической точкой, характеризующей условия перехода от одного вида фрикционного взаимодействия к другому в присутствии маловязких сред, является температура на-• сыщения паров Т<у жидкости. Условия возникновения во фрикционной зоне указанной температуры определяются температурой поверхности трения Т . Характер изменения указанной температуры от нагрузоч-но-скоростных параметров при испытании подшиг'иков типа 207Ю приведен на рис.6. Приведенные данные хорошо согласуются с известными по изменению температуры поверхностей трения в условиях граничной смазки жидкими маслами. Показано, что температуру Т целесообразно определять расчетно-экспериментальньм путем с учетом замеренной температуры тга наружной поверхности наружного кольца подшипника. Из уравнения теплового баланса для фрикционной зоны подоипника в виде ф^ + Ф^ + получено

т--гфгфн-ф5 я, (11)

с

Рис.6. Зависимость температуры поверхностей

трения Т подшипника от частоты вращения Л и нагрузкиР при'испытаниях в среде воды: 1-Т =-РГп) ; 2 -Т. =

= -ргр)

где ф^ - величина энергообмена с прокачиваемой через подшипник смазочно-охлавдающей средой, - тепловые потоки с поверх-

ностей трения в прилегающие зоны тел. Указанные потоки энергии определяются из соотношений

Фs-JэQvCpfTг-Tн ), (12)

Ф^/^^В^ГГ-тп).

В формулах (II)...(13) Ср - теплоемкость жидкости при температуре Тд на выходе из подшипника; (§• , , , -толщина стенки, средний диаметр, ширина и коэффициент кривизны I. -го кольца соответственно. Экспериментально показано, что для обеспечения надежного функционирования грибосистем без заеданий, схватываний, зади-

ров и разрушений необходимо обеспечение равномерного теплосъема с поверхностей трения, что достигается заполнением всего объема подшипникового узла маловязкой средой и интенсивной ее прокачкой через узел.. Обработкой экспериментальных данных испытаний в среде пресной воды и жидкого кислорода при температуре на входе в узел!0) - 35°С и Т< ^ -183°С и давлении о) ^ 0,1 МПа и «1.0 МПа показано, что для исключения пов^иенного на-

грева общей массы прокачиваемой жидкости и связанных с этим_нежелательных явлен-"• (кавитация, схватывание и т.п.) температура указанных сред на выходе из узла и наружного кольца подшипника Тп , входящие в формулы (II)...(13), должны находиться в пределах (К) :

Тг-Т<+СО,5...Ю), (14)

К явлению повышенного нагрева жидкости и выходу подшипника из строя может приводить неправильно выбранная конструктивная схема подшипникового узла, обусловливающая прекращение прокачки через подшипник для заданного скоростного режима. Экспериментально установлено, что при конструктивной схеме подшипникового узла, формирующей истечение жидкости из зазоров подшипника напрямую вдоль оси вала, резко падает по мере возрастания оборотов перепад давления на подшипнике и прокачка через него. При достижении определенной частоты вращения прокачка через подшипник прекращается полностью. В то же время, истечение из зазоров вращающегося подшипника под углом к его оси в сторону периферии не приводило в исследованном диапазоне частот (П = 0...27*10^ мин-*) к прекращению подачи жидкости. Однако снижение ее до 25...40$ по мере возрастания частоты вращения имело место и в этом случае. Теоретический анализ и метод расчета прокачки ля этих случаев приведен в главе 6.

Таким образом, полученные результаты экспериментальных и расчетных исследований позволяют определять основные потоки и источники энергии, а также температуру поверхности трения (соотношения (8)... (14) ). Кроме того, зависимости (8) и (9) позволяют проводить расчеты, связанные с обеспечением работоспособности сепаратора.

С целью получения основной триб- оактеристики - износостойкости - и на базе этого определит:. ¡лирические параметры ^ и

й модели общего вида, проведено исследование закономерностей изнашивания подшипников качения из стали 95X1811 в среде воды и жидкого кислорода.

Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о широких возможностях управления процессом изнашивания поверхностей при смазывании и охлаждении маловязкими средами за счет варьирования нагрузочно-скоростных параметров и величины прокачки жидкости для заданных материала подшипника, его типоразмера и длины пути трения. Это хорошо подтверждается как изменением величины износа подшипника после испытаний в зависимости от изменения варьируемого параметра (рис.7.8), так и изменением соответственно окраски поверхностей трения (см.рис.1,а,б,в). Величина износа испытываемого подшипника оценивалась дифференцированно как увеличение его внутренних зазоров в радиальном и осевом направлениях. На рис.7 кривые 1,2 показывают зависимость Износа от нагрузки на подшипникр при прокачке пресной воды СЗу = 0,1 л/с и частоте вращения п = 20* Ю3 мин-*; 3,4 - от частоты вращения п при Р = 8,72 кН и (3^= 0,1 л/с; 5, 6 - от прокачки (З^при Р-= 8,72 кН и П = 20*103 мин-*. На рис.8,а изображена зависимость износа от нагрузки Р при прокачке жидкого кислорода 0^= 2,3 л/с и п = 20,5*103 мин-*; рис.8,б показывает зависимость износа от прокачки (3 при Р = 9,7 кН и Л = 20,5*Ю3 мин-1.

Анализ экспериментальных данных показал, что управление изнашиванием для исследуемых сред можно реализовать для случаев, когда температура среды в зоне трения ниже или не существенно превышает температуру насыщения ее паров. В этом случае изнашивание определяется рассмотренными выше закономерностями, т.е. либо механическими процессами и адгезионными явлениями (рис.1,а, г), либо коррозионно-механическим изнашиванием (рис.1,б,в,д,е). При этом существенное значение имеет равномерность теплосъема с поверхностей трения, что достигается при полном погружении подшипника в жидкость и прокачкой ее через полость узла под заданным перепадом дазления. В противном случае имеет место аномальное катастрофическое разрушение поверхностей трения и подшипникового узла (см. Приложение I диссертации).

В шестой главе проведено обобщение полученных экспериментальных данных по подтверждению модельных представлений, пока-

ЛД

¿>20 Я0

/2? £0 40

у

4 vе /Л

\ //

v ь /Ж

ьл о/ I к'

n

«у

4

/0 —I_

О

5

/0 _1_

¿Г _|_

¿0-

¿>05 £?/ ¿>/£ ¿>¿0 ¿2ЛГ

Рис.7. Зависимость износа потупипников качения

в радиальном (1,3,5) и.осевом (2,4,6) ь правлениях при испытании в среде воды (ГХТ 2874-82)

—

\ —

1

500 гО0

У,

/ \

< \ ' 1 \

/ и

Р

з.б

я)

Рис.8.

Зависимость износа подшипников качения от • нагрузки (а) и прокачки (б) в радиальном (I) и осевом (2) направлениях при испытании в среде жидкого кислорода

зана методология расчета и выбора оптимальных трибологических и конструктивных характеристик подшипниковых узлов.

Получение вполне определенного состояния поверхностей качения подшипников в зависимости от уровня внешних воздействий (рис.1,а,б,в; 7, 8) иллюстрирует, что во фрикционной зоне протекают термодинамические и термохимические процессы, а в поверхностном слое hg (рис.2)' происходит постоянное увеличение энтропии за счет положительного ее производства, т.е. Qg эQ . Сопутствующий этому поток энтропии J, g , вызванный переносом тепловой и др. видов энергии, препятствует увеличению энтропии в микрообъемах слоя hg • Приведенные выше экспериментальные данные свидетельствуют о том, что изменение нагрузки Р на подшипник и частоты вращения О приводило в основном к изменению производства энтропии Q^0[Ts,Vs х £m,VT =f(P, п)} во фрикционной зоне. Изменение же прокачки через подшипник обусловливало в основном изменение плотности потока энтропии ds~ ^tj-ai " Таким образом, экспериментально

подтверждено, что соотношение этих двух составляющих энтропии во фрикционной зоне является характеристикой процесса трения и • изнашивания, определяющей состояние поверхностей трения и величину их износа.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволили разработать метод расчета износостойкости подшипников качения при работе в маловязких средах, а также совокупность методов и рекомендаций по расчету и выбору основных трибологических и конструктивных характеристик подшипниковых узлов. 3 основе метода расчета износостойкости лежит концепция общего метода, адаптированного к подшипникам качения. При этом на основе анализа взаимодействия элементов подшипника и с учетом полученных соотношений (8)...(14) модель общего вида (4), полученная из-(3) для одной пары тел качения, доведена до расчетного вида для системы тел подшипника качения:

^кич^фб)/^)]* где

3 Г 5 5 ь L~I

(¡>d=j> Q v dp a vs Гл./<5 • } (idm(l) 8l ) Д Tn,

атп-т-тп , дтс-тг-тч .

При этом влияние химических и диффузионных явлений во фрикционной зоне учитывается эмпирическими параметрами формулы (15) КГ и & » определяемыми для каждой конкретной пары трения материал -смазочно-охлаждающая среда.

Математической обработкой экспериментальных данных по износу получены значения коэффициента ГС и показателя степени & для расчета интенсивности изнашивания подшипников качения в радиаяь-. ном направлении (в сторону увеличения радиального зазо-

ра) и в осевом направлении Э^Са.) СТОРОНУ увеличения осевого зазора) для двух сред - воды и жидкого кислорода.

Результаты экспериментальных исследований по износу подшипников качения в среде ог>ды и жидкого кислорода приведены в виде обобщенных графиков-«а рис.9, где точками показаны экспериментальные значения интенсивностей, полученные как средние значения ин-тенсивностей изнашивания подшипников испытанных партий,.от безразмерного энтропийного параметра » выражающего отношение величин в квадратных скобках формулы (15). Кривые 1,2,3 изображают вычисленные по (15) интенсивности» кривые 4,5,6 -•^ЬСа.) ' ^Ричем кРивые I и 4 Получены для условий, когда температура. жидкости в зоне трения не превышала температу ч насыщения ее паров, т.е. Т^^Т^ ; кривые 2 и 5 отражают условия, когда Т^^Тд , и кривые 3 и 6 при . Наибольшее отклонение

опытных точек от расчетных не превышает + 40%. Таким образом, проведенное обобщение экспериментальных данных показало хорошее согласие полученной расчетной модели трения и изнашивания с экспериментом. Иллюстрация расчетов по формуле (15) и по разработанному методу в целом приведена в Приложении 2 диссертации.

1 Из рассмотрения закономерностей движения ж.-^кости, прокачиваемой под перепадом давления через полость подшипникового узла, разработаны новые расчетный и экспериментальный методы определения минимально необходимого давления маловязкой среды в рабочей (фрикционной) зоне, которое позволяет обеспечить работу подшипника при температуре в зоне трения, не превышающей температуру насыщения паров смазочной среды, и избежать опасных явлений кавитации в полостях узла (а.с. !? 1323893 и № 1439438). Это пре- . дотвращает работу подшипников В диапазоне нежелательного характера фрикционного взаимодействия рабочих поверхностей подшипника

/У - 33 -

/2 е! 4

ч о / 3

/'

/

**

\ / о\ \ о 1—"Г®

/.2 ¿3 ¿4 £

а)

У'/гЗ/Ь)*^

а ¿2

4 0

о

/ / У

о

4 \ •У

2»--^

¿6 V 6)

Рис.9. Зависимость интенсивности изнапивания подшипников качения от энтропийного параметра <? : а - при испытании в среде воды, б - при испытании в среде жидкого кислорода; 1,2,3 и 4,5,6 - интен-сивностиЗ^Сг) и в направлении увеличения

радиального и осевого зазоров соответственно

(рис.1,в,д,е; 9). Метод пригоден как для опор качения, так и для опор скольжения, функционирующих в среде меловязких жидкостей,

• На основе уравнения теплового баланса и с учетом полученных соотношений для расчета потоков и источников энергии во фрикционной зоне (8)...(14) разработана расчетная методика определения величины прокачки через подшипник маловязкой смазочно-охлаж-дающей-жидкости. Как показано в главе 5 (рис.7,8), величина прокачки маловязкор среды является одним из основных факторов,^определяющих температурный уровень в зоне трения и характер фрикционного взаимодействия рабочих поверхностей подшипника, следовательно вид процесса изнашивания и долговечность по износостойкости. Поэтому ее соответствие действующим нагрузочно-скоростным параметрам опоры являетч одним из необходимых условий надежного функционирования на заданный ресурс. Обеспечение указанного.со-' ответствия представляет определенные трудности в связи с показанным выше падением осевого расхода жидкости по мере возрастания оборотов подшипника. Для учета указанного явления разработан расчетный метод выбора оптимальной.конструктивной схемы подшипникового узла, обеспечивающей минимальное падение прокачки жидкости через вращающийся подшипник качения для заданных его кинематических и геометрических параметров и физических г тйств жидкости.

Большие объемы прокачиваемой среды через опору качения требуют создания таких условий при. прокачке заданного количества жид-<кости, чтобы потери мощности на трение, например за счет гидродинамического сопротивления, были минимальны и исключали бы перегрузки, повышенный износ и повреждение сепаратора. Исходя из этих предпосылок получен расчетный метод выбора конструктивной схемы узла, предусматривающий определение оптимальных угловой и радиальной координат'расположения осей смазо-.;»ых каналов относительно оси вращения подшипника. Указанное расположение каналов обеспечивает снижение мощности трения подшипника в 1,5...2 раза за счет'сложения кинетической энергии предварительно закрученного потока прокачиваемой-жидкости с кинетической энергией вращения сепаратора, а также за счет улучшения теплоотвода из зоны трения вследствие усиленной закрутки потока при движении по за--зораи подшипника-(а.с. № 16845513.

- 35 -

Результаты проведенных исследований показывают существенное значение системы смазки и охлаждения в вопросе обеспечения работоспособности подиипников качения, т.к. от степени совершенства последней зависят такие важные трибологические характеристики как температура поверхности трения, коэффициент трения и потери мощности на привод подлинника, т.е. те характеристики, которые формируют во фрикционной зоне поток энтропии ^ и ее производство

что в конечном счете определяет долговечность по износостойкости. Поэтому система смазки и охлавдения должна быть согласована с нагрузочно-скоростными и геометрическими пара рами опоры качения и соответствовать расходным характеристикам потока прокачиваемой жидкости.

На основе обобщения результатов исследований в этом аспекте разработан алгоритм расчета системы смазки и охлаждения опор качения со смазыванием и охлаждением маловязкими жидкостями, который позволяет еще на стадии проектирования рассчитать и выбрать для подшипников, режимных параметров и рода жидкости оптимальные трибологические и конструктивные характеристики - величину прокачки, обеспечивающую необходимый тепловой режим подшипника; минимально необходимое давление среды в полости опоры, предотвращающее развитие опасных явлений кавитации, и конструктивную схему опоры, обеспечивающую минимальное снижение осевого расхода через вращающийся подшипник и минимальные потери мощности на трение. Указанное позволяет обеспечить заданную долговечность по износостойкости подшипников качения и существенно повысить в целом их надежность при эксплуатации.

В седьмой главе рассмотрены аспекты практической реализации основных положений модели общего вида (3) для условий граничной смазки на вращательных парах трения типа подшипники скольжения, уплотнения валов, а также на номинально неподвижных, но подверженных вибросмещениям, сопряжениях деталей типа вал-ступица,бандажные связи лопаток компрессора ГТД, заклепочные соединения. Все выполненные разработки опираются на единую методологическую основу - рассмотрение процесса взаимодействия поверхностей трения с позиций трибореактора и описание их функционирования разработанной моделью (3).

Проведенный анализ состояния поверхностей высоконапряженных элементов конструкций двигателей летательных аппаратов после ис-

пытаний в условиях интенсивных вибраций свидетельствует о всех тех процессах, которые описывает модель .общего вида (3). В зоне указанных сопряжений имеют место фреттинг-процессы, сопровождающиеся сложным комплексом механических (вибросмещение, срез микронеровностей, диспергирование и др.) и физико-химических явлений (окисление, структурные и фазовые превращения, тепловые процессы и др.). Для устранения указанных явлений предложено относительные вибросмещения поверхностей в местах сопряжений заменить сдвиговой деформацией в слоях эластомера определенной (расчетной) толщины, размещенном между сопряжёнными деталями.. Следовательно, в соотношении (3) величины ¿п(0.)-> £ х-^м-З-"" О.

Решение уравнения (3) с учетом наложенных ограничений позволило получить расчетную зависимость по определению эффективной толщины эластомера ~ сопряжении, обеспечивающей максимальную демпфирующую способность с одновременным устранением фреттинг-кор-розии. Полученная расчетная модель представляет .собой основанное на физических представлениях решение задач о выборе оптимальной толщины демпфирующего слоя, эффективно рассеивающего энергию колебаний. Она устанавливает связь между параметрами процесса -частотой деформации СО^и амплитудой, сдвига 0Со , вязкоуцруги-ми свойствами полимера - модулем сдвига б и тангенсом угла потерь (коэффициентом демпфирования) •¿д 6 , конструктивной характеристикой -'площадью сдвига й^ , теплофизическкми и некоторыми другими характеристиками'полимера через потоки^ и источ-• ники , т.е. полученная расчетная-модель отражает весь комплекс-явлений и параметров, определяющих процесс внутреннего трения и рассеяния энергии. •

Показано использование.полученного решения на примере новой конструкции трубчатого бандажа рабочих лопате - компрессора ГТД (а. с. № 1075778) и в сопряжении вал-ступица. Применение бандажа с полимерным слоем расчетной толщины, размещенным мевду трубчатой связью и рабочими лопатками, снижает в 8...10' раз их виброна-пряткенность, а применение полимерного слоя расчетной толщины в сопряжении вал-ступица кислородного насоса двигателя полностью устраняет фриттинг-коррозию и схватывание.

Аналогичный анализ модели общего вида (3) применительно к металлополимерным подшипникам скольжения, содержащим металли-

ческуга оболочку и полимерную втулку, позволил установить зависимость по определению эффективной толщины эластомера. Разработан метод расчета и конструирования указанных подшипников, предложены новые технические решения по их конструктивному исполнению, позволяющие расширить эксплуатационный диапазон применения традиционных антифрикционных полимеров по нагрузочной способности и температуре в 2...4 раза, повысить долговечность подшипников для этих условий в 6...8 раз при одновременном повышении демпфирующей способности и надежности опоры скольжения (положительные решения по заявкам 4779892/27, 4779893/27, 4794350/27).

Показаны пути повышения износостойкости и выносливости высоконапряженных соединений деталей за счет изменения характера взаимодействия контактируемых поверхностей. Так, предложенное двустороннее формирование головок заклепок несущего каркаса фторопластовых сепараторов подшипников качения обеспечивает беззазорное соединение силовых,элементов, устраняет микросмещения сопряженных поверхностей при работе и связанное с этим их повреждение фреттинг-коррозией, повышает сопротивление усталости заклепочного соединения в 4,8...5,3 раза. Это хорошо согласуется с моделью (3), в которой одним из основных факторов., инициирующих изнашивание (повреждение) контактирующих поверхностей, является их взаимное тангенциальное перемещение в условиях воздействия контактных нагрузок и сопутствующие им механо-химические явления. И если ослабить воздействие указанных факторов, т.е.{ U^ ^ ¿fлfd.)' t, fc Vmi.ni то можно существенно снизить или устранить интенсив-

JJC1JMJ

ность повреждений Ji_"*pncn, т.е. снизить ми устранить явление фреттинг-коррозии и его влияние на усталостные характеристики сопряженных деталей. Реализацию этого положения хорошо иллюстрируют данные испытаний на выносливость заклепочного соединения.

Другое решение по повышению надежности и износостойкости за счет изменения характера взаимодействия поверхностей показано на примере подшипника качения, в котором сепаратор заменен на . сепарирующие ролики, устраняющие скольжение и обеспечивающие условия обката (а.с. I? II29433). Это снижает момент сопротивления вращениюiB 1,3...1,5 раза и обеспечивает также снижение износа поверхности трения, что вполне соответствует модели (3), в которой Факторы[и^)^Г1(.{1),^Л,^м}-т1побусловливают

Анализ модели общего вида (3) показывает, что снижая контактное давление на поверхностях тренияратп1п > обусловливающее снижение касательного напряжения Тд • мЗжно обеспечитьтСп На этом принципе предложено новое решение конструкции лабиринтного уплотнения, используемого для создания эффективных уплотни-тельных устройств высокооборотных валов испытательных средств и для герметизации элементов нефтегазодобывающего оборудования,работающего при повышенных давлениях среда и температурах (а,.с. К' 1182224). В от:, .чие от известных конструкций лабиринтных уплотнений с бесконтактным расположением уплотнительных гребней, в предложенной конструкции реализовано сопряжение уплотнительных гребней с минимальным давлением в контакте и с самокомпенсацией . износа за счет постепенного деформирования на величину износа эластомерных вставо -- находящихся постоянно в напряженном состоянии. Данное решение расширяет эксплуатационный диапазон применения традиционных антифрикционных полимеров в уплотнительных устройствах по скоростному и температурному факторам более чем в 2 раза. . , .'■ .

Существенный резерв повышения долговечности опор качения и др. элементов газотурбинных двигателей, особенно наземного применения, позволила использовать новая разработка, обеспечивающая устранение загрязнений воздушно-газового тракта в. процессе эксплуатации без "остановки двигателя. Работа двигателей с отложением загрязняющих веществ на деталях проточной части вызывает ухудае-. ние его энергетических характеристик и приводит к дополнительному нагружению опор качения ротора и элементов воздушно-газового тракта. " ,

Разработан метод расчета и проектирования-устройств для промывки, а также методика ее проведения (а.сЛЯ'-14994 и И598535), применение которых в эксплуатации устраняет нерасчетные режимы работы ГТД и дополнительное нагружение его опор и др.элементов. Так, например, применение'способа и устройства для промывки на газотурбинном двигателе НК-12СТ, используемом в качестве привода нагнетателя газа в магистральных газопроводах страны и. за рубежом, обеспечивает повьиение среднестатистического ресурса более 10% (4300 часов) и экономию топливного газа около 6% (130 кг/час) на один двигатель.

Результаты выполненных научных исследований, научно-технических решений и опытно-конструкторских разработок, новизна и оригинальность которых подтверждена 17 авторскими свидетельствами об изобретениях и тремя положительными решениями на выдачу а.с. (по заявкам » 4779892/27, 4779893/27, 4794350/27), нашли практическую реализацию на следующих предприятиях и в организациях: метод расчета прокачки через подшипник качения, метод выбора оптимальной конструктивной схемы подшипниковых узлов и метод прогнозирования долговечности по износостойкости при проектировании и доводке на ресурс и надежность опор качения высоконапряженных агрегатов двигателей летательных аппаратов в НПО "Труд" (г.Самара), СКБМ (г.Самара), НПО "Энергомаш" (г.Москва), КБ "Хим-автоматика" (г.Воронеж); рекомендации по проектированию высокооборотных испытательных устройств и конструктивная схема стендовой' машины трения, метод .расчета и проектирования устройства для промывки воздушно-газового' тракта ГТД и методика проведения промывки, метод расчета и конструирования металлополимерных подшипников скольжения для эксплуатации в диапазоне температур -55... +220°С без смазки в запыленной воздушной среде, конструктивная ■ схема металлополимерного подшипника скольжения, конструктивная схема бандажных связей с полимерным промежуточным слоем для рабочих лопаток компрессора ГТД и некоторые др. в СКБМ (г.Самара); конструктивная схема, рекомендации по технологии изготовления и эксплуатации металлополимерных подаипников скольжения для условий эксплуатации при температуре -55...+220°С без смазки в запыленной воздушной среде в ПО "Моторостроительный завод" М.В.Зрунзе (г.Самара), ГО "Волготрансгаз" (г.Нижний Новгород), ПО "Узбектрансгаз" (г.Ташкент); рекомендации по проектированию лабиринтных уплотнений с минимальным контактным давлением и конструктивная схема уплотнения в СКБМ (г.Самара) и в машиностроительном НПО им.М.В.Фрунзе (р.Сумы). ;

Основные положения разработанных модельных представлений, методы расчета трибологических и конструктивных характеристик узлов трения при смазывании и охлаждении маловязкими средами используются в учебном процессе на факультете повышения квалификации инженеров при Самарском авиационном институте им.С.П.Королева.

- 40 -

Некоторые элементы разработанных модельных представлений и расчетных методов использованы в ряде справочных и учебных изданиях по триботехнике: I. Теоретические осйовы химмотологии. -Под ред.А.А.Браткова. - М.: Химия, 1985. - С.249-250; 2. Трение и износ в экстремальных условиях: Справочник / Дроздов Ю.Н..Павлов В.Г., Пучков В.Н. - М.: Машиностроение, 1986. - С.Ш-П2; 3. Когаев В.П., Дроздов Ю.Н. Прочность и износостойкость деталей машин: Учебн.пособие для малшностр. спец.вузов. - М.: Высшая школа, 1991. - С. 297 -

Суммарный годовой экономический эффект от внедрения результатов исследований составил более 6 млн.рублей. Акты внедрения научных разработок, технических решений и авторских свидетельств на изобретения представлены в Приложении 3.

ОСН^НЫЕ вывода И РЕЗУЛЬТАТЫ

Результаты проведенных теоретических обобщений, экспериментальных исследований, расчетного анализа и опытно-конструкторских разработок позволяют резюмировать, что выполнено решение важной научно-технической проблемы, заключающейся в разработке научных обоснований, модельных представлений, методов расчета и выбора оптимальных трибологических и конструктивных характеристик, обеспечивающих повышение нагрузочно-скоростных характеристик, износостойкости и надежности узлов трения, функционирующих в маловязких рабочих средах типа низкомолекулярных углеводородных жидкостей, криогенных сред, воды и др. Использование разработанного комплекса методов обеспечивает снижение объема опытно-конструкторских и доводочных работ, что сокращает сроки и материальные затраты как при создании новых, так и при модернизации существующих трибосистем. В работе получены следующие осно^чые результаты.

I. Исследованы особенности взаимодействия.на фрикционном контакте и закономерности изнашивания поверхностей трения при граничной смазке химически активными маловязкими жидкостями. Показано, что изнашивание в ©тих условиях явление комплексное, включающее широкий спектр протекаютйх в поверхностных слоях и .микрообъемах процессов механического, адгезионного и коррозионно-механического характера, совокупность которых зависит во многом от тепловых условий контакта и агрегатного состояния жидкости в зоне • трения.

2. Разработаны модельные представления для рассматриваемых условий: физическая модель в виде концепции трибореактора, подвижные стенки которого, являясь поверхностными слоями и микрообъемами контактируемых твердых тал, участвуют в механических, теплофизических, химических и др. процессах, описываемых дифференциальными уравнениями энергомассопереноса и баланса энтропии, и обобщенная математическая модель трения и изнашивания, структура которой включает широкий комплекс параметров и явлений, имеющих место при этом.

3. Показана возможность адаптации модели общего вида к высшим и низшим кинематическим парам, функционирующим в условиях трения качения с проскальзыванием на примере шар-кольцо подшипника и в условиях трения скольжения на примере контактируемых торцев цилиндров.

4. Разработано методическое обеспечение исследований узлов трения в маловязких средах, включающее ряд новых методов,'основные из которых: метод измерения момента трения исследуемого узла и определения мощности трения, метод определения составляющих мощности трения подшипника качения и метод ускоренных испытаний трибосистем; сформулированы основные принципы и подходы к кон-ст', рованию испытательных средств с учетом специфики санкционирования трибосистем в указанных условиях, т.е. условия граничной смазки, большие объемы прокачиваемой смазочной среды, химическая активность и др.; созданы испытательные средства с учетом сформулированных принципов и подходов.

5. На базе полученных модельных представлений и результатов экспериментальных исследований разработан комплекс методов расчета и обеспечения работоспособности трибосистем, основные из которых: метод расчета износостойкости подшипников качения; совокупность методов расчета и обеспечения оптимальных трибологи-ческих и конструктивных характеристик подшипниковых узлов; алгоритм расчета системы смазки и охлаждения подшипников качения; метод расчета основных конструктивных характеристик металлопо-лимерных подшипников скольжения, применяемых в экстремальных условиях; метод расчета толщины промежуточного полимерного слоя в номинально неподвижных соединениях высоконапряженных элементов конструкций, подверженных вибросмещениям.

6. Модельные представления использованы как методологическая база для разработки ряда новых технических решений (устройств

и способов), позволяющих проводить расчёт и выбор оптимальных конструктивных схем опор качения и скольжения, уплотнительных устройств валов, а также высоконапряженных соединений, подверженных вибросмещениям и поврелщениям фреттинг-коррозией типа вал-ступица, бандажные связи, заклепочные соединения и т.п.

7. Реализация полученных результатов исследований позв_олила сократить срою разработки и доводки опор качения агрегатов двигателей летательных аппаратов не менее чем в 1,5 раза; расширить эксплуатационный диапазон применения традиционных антифрикционных полимеров металлополимерных подшипников скольжения и в уплотнениях валов по нагрузочной способности, скорости и температуре в 2...4 раза повысить долговечность металлополимерных подшипников скольжения при эксплуатации в условиях повышенных температур (до +220°С) более,чем в б раз; снизить вибронапряженность рабочих лопаток компрессора ГТД в 8...10 .раз; устранить полностью явления фреттинг-коррозии и схватывания в высоконапряженных, подверженных вибросмещениям, соединениях деталей и повысить их выносливость более, чем в 4 раза. Отдельные элементы научных разработок нашли отражение в справочных и учебных изданиях- по триботехнике, основные положения разрабо анных модельных представлений и методы расчета и проектирования опор применяются в учебном процессе. •

Новизна и оригинальность разработок подтверждена государственной патентной экспертизой при выдаче 17 а.с. на изобретения и положительных решений по 3 заявкам на изобретения, суммарный годовой экономический эффект от применения результатов исследований составил более б млн.рублей.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Силаев Б.М., Костин В.И., Раткин И.Я. Статистическая оценка вибрационной прочности элементов фторопластовых сепараторов // Тез.докл. науч.-техн.конф. / КуАИ. - Куйбьззев, 1972.- С.245-246. ■

2. Силаев Б.М., Ермаков A.A.-, Рождественский С.Н. Особен- • ности посадок подшипников качения при их работе в высоконапря-

женных узлах в протоке криогенных жидкостей // Авиационная промышленность. - 1975. - № II. - С.36-38.

3. Силаев Б.М., Ермаков А.А., Ровдественский С.Н. Повышение работоспособности шарикоподшипников в условиях перекоса // Авиационная промышленность.- 1977.- № 7.- С.33-34.

4. Силаев Б.М. К расчетной оценке износа при трении качения в активных средах // Тез.докл. науч.-техн. конф. "Теория и производство двигателей летательных аппаратов" / КуАИ.- Куйбышев, 1977. - С.22.

5. Силаев Б. ¡4. К расчетной оценке прокачки смазки через опору качения с учетом вращения // Тез. докл. науч.-техн.конф. "Теория и производство двигателей летательных аппаратов" / КуАИ. - Куйбышев, 1977.- С.21.

6. Силаев Б.М. Исследование процесса изнашивания при трении качения в активных средах // Тез. докл. IX Всес.конф. "Физика прочности и пластичности металлов и сплавов" / КПтИ,- Куйбышев, 1979.- С.137-138.

7. Силаев Б.М. О структуре расчетной модели изнашивания при трении качения в активных средах // Машиноведение.- 1981.- № I. ■ - С.89-97.

8. Силаев Б.М., Громаковский С.Д., Земсков Г.В. Экспериментальная оценка влияния фреттинг-процесса на циклическую прочность лопаток компрессоров ГТД из титанового сплава ВТ-9 //Тез. докл. Всес. конф. "Повышение долговечности и надежности машин и приборов" / КПтИ. - Куйбышев. 1981.- С.337-338.

9. Силаев Б.М., Моисеев В.Г., Степанов Н.И. Работоспособность подшипников качения в химически активных маловязких средах // Тез.докл. Всес. конф. "Повышение долговечности и надежности машин и приборов" / КПтИ. - Куйбышев, 1981.- С.254-255.

10. Силаев Б.М. О расчете прокачки жидкости для смазки и охлаждения подшипника // Вестник машиностроения.- 1981.- № 9.-С. 27-30.

11. Коросташевский Р.В., Силаев Б.М. Влияние конструктивных параметров на работу подшипников в жидких средах // ВНИПП.-М., 1981.- № 2(108).- С.73-87.

12. Силаев Б.М. Влияние режимных факторов на износ в условиях трения качения с граничной смазкой // Проблемы трения и изнашивания.- Киев, 1982.- № 21.- С.99-103.

13. Степанов Н.И., Маринин В.Б., Силаев Б.М. К оценке оптимальных сроков службы смазочных материалов // Тез.докл.Всес.конф. "Проектирование, изготовление, эксплуатация и диагностика узлов трения в машиностроении" / МФТИ, РАТИ.- М..Рыбинск,1983.-C.II-I2.

14. Степанов Н.И., Силаев Б.М., Фрейдин Э.И. Повышение фрет- ■ тингостойкости деталей ГТД // Тез.докл. IX Всес. конф. "Конструкционная прочность двигателей" / КуАИ,- Куйбышев, 1983.- С.147--148.

15. A.c. 10757 3 СССР, МКИР01Д5/22,Р04Д29/32. Кольцевой'бан-дак рабочих лопаток компрессора / Силаев Б.М., Рыжинский И.Н., Дороднов С.Н., Максимова С.А. (СССР).- № 2659880/24; заявлено 28.08.78; зарегистрировано 22.10.83.- 2 с.

16. Силаев Б.М. К оценке затрат мощности на трение при работе в маловязких средах I Тез.докл. II Всес. конф. "Надежность и долговечность машин и приборов" / КПтИ,- Куйбышев, 1984.- С.205--206.

17. Силаев Б.М., Моисеев В.Г. Разработка средств испытаний узлов трения в среде маловязких жидкостей // Тез.докл. II Всес. конф. "Надежность и долговечность машин и приборов" / КПтИ.-Куйбышев, 1984.- С.207-208.

18. A.c. II244I48 СССР, МКИ FI6JI5/34. Торцовое уплотнение

/ Силаев Б.М., Моисеев-В.Г., Маринин В.П. (СССР).- № 3431065/25; заявлено 23.04.82; опубл! 15.II.84. Бюл. № 42.- 4 с.

19. A.c. II29433 СССР, Ш1• 16 19/24. Подшипник качения

. / Силаев Б.М. (СССР).' - * 3396167/25; заявлено 08.01.82; опубл. 15.12.84. Бюл. J? 46. - 2 с. ■

20. A.c. II38682 СССР, МКИб0ШЗ/04. Установка для испытания подшипников / Силаев Б.М., Моисеев В.Г.,-Маринин В.П.(СССР).-№ 3447013/25; заявлено 26.05.82; опубл.07.02.Н. Бюл. № 5.- 3 с.

21. A.c. 1180723 СССР, MKHG0IMI3/ö4. Устройство для измерения момента сопротивления вращению подшипников / Силаев Б.М., Моисеев В.Г., Михеенков EU., Маринин В.П. (СССР).- № 372704/25; заявлено 05.04.84; опубл.23:09.85. Бюл. № 35.- 3 с.

22. A.c. 1182224 СССР, МКЙРI6JI5/447. Лабиринтное уплотнение вала / Силаев Б.М., Моисеев В.Г., Бобков В.Ф. и др. (СССР). -

№ 3751517/25; заявлено 05.04.84; опубл. 30.09.85. Бюл.№ 36.- 2с.

23. A.c. 1186988 СССР, ЫКИб0ШЗ/04. Установка для испытания подшипников качения / Силаев Б.М., Моисеев В.Г., Бобков В.Ф. и др.

(СССР).- № 3729107/25; заявлено 21.04.84; опубл.,23.10.85. Бюл. № 39. - 3 с.

24. Силаев Б.М. Метод ускоренных испытаний подшипников качения на износостойкость // Машиноведение. - 1985.- № 4.- С.110--112.

25.Силаев Б.М., Моисеев В.Г., Овчинников A.A. Некоторые пути снижения уровня вибраций'опор трения качения // Тез.докл.Всес. конф. "Контактная гидродинамика" / КуАИ.- Куйбышев,1986.- С.73.

26. Силаев Б.М., Моисеев В.Г., Яфясов P.A. Метод определения энергетических затрат в опорах качения // Тез.докл. Всес.конф. "Контактная гидродинамика" / КуАИ. - Куйбышев,-1986. -. C.I02.

27. A.c. 1244994 СССР, МКИР02С7/00. Устройство для промывки воздушно-газового тракта газотурбинного двигателя / Заров Г.З., Степанов Н.И., Силаев Б.М. и др. (СССР). - № 3745626/25; заявлено 25.05.84; зарегистрировано 15.05.86,- 2с.

28. A.c. I3I0667 СССР, МКИ601М13/04, 6 0М9/02. Устройство 'для измерения момента сопротивления вращению подшипника / Силаев Б.М., Моисеев В.Г., Маринин В.П. (СССР). - № 3960976/25; заявлено 04.10.85; опубл. 15.05.87. Бюл. № 18. - 4 с.

29. A.c. 1323893 СССР, МКИБ0ШЗ/04. .Способ определения режима гидродинамического трения подшипников качения / Силаев Б.М., Овчинников A.A., Моисеев В.Г. (СССР).- № 3985376/25; заявлено 03.12.85; опубл.15.07.87. Бюл. № 26. - 4 с.

30. A.c. 1439438 СССР, МКИб01М13/04. Способ обеспечения работоспособности подшипников / Силаев Б.М. (СССР). -№4233429/31; заявлено 20.04.87; опубл. 23.11.88. Бюл. № 43. -5 с.

31. Силаев Б.М., Яфясов P.A. Универсальная стендовая машина трения // Тез.докл. Всес. конф. "Современные проблемы триботех-нологии" / НКИ.- Николаев, 1988. - С. 291-292.

32. Силаев Б.М. Прогнозирование износостойкости подшипников качения на ресурс работы при ускоренных стендовых испытаниях // Тез. докл. Всес. конф. "Триботехнические испытания в проблеме контроля качества материалов и конструкций" / РА1И.- Рыбинск, 1989. - С.47-48.

33. Силаев Б.М. Обобщенная модель процесса внешнего трения и изнашивания // Машиноведение.- 1989.- № 2,- С.56-65.

34. Силаев Б.М. Исследование работоспособности роликоподшипников с моделированием реальных условий работы // Тез.докл.

Всес. конф. "Повшение качества и надежности продукции, программного обеспечения ЭВМ и технических средств обучения" / КПтИ.-Куйбшев.1989.- С.239-240. 4

35. Силаев Б.М. Исследование мощности трения в подшипниках качения в зависимости от режимных параметров / КуАИ.- Куйбышев, 1989. - 8 е.- Деп. в ВНИИТЭМР 03.07.89, № 196.

36. Силаев Б.М. Методы и средства испытания узлов трения в среде маловязких рабочих жидкостей / КуАИ,- Куйбышев,1989.^34 с. - Деп. в ВНШТЭк. 24.07.89, № 210.

37. A.c. I5I7442 СССР, МКИРОЗВЗ/18. Лопатка направляющего аппарата компрессора / Силаев Б.М., Ермаков A.A., Рыжинский И.Н. и др. (СССР). - № 4320648;.заявлено 26.10.87; зарегистрировано 22.06.89. - 3 е..

38. A.c. 153283 СССР, IMG0IMI3/04. Способ измерения момента трения подшипников / Силаев Б.М., Моисеев В.Г., Яфясов P.A., Лакеев В.В. (СССР). - № 4179785/25; заявлено 12.01.87; опубл. 30.12.89. Бгал. № 48. - 2 с.

39. A.c. 1598535 СССР, МКИ F02C7/00. Способ промывки воздушно-газового тракта газотурбинного двигателя / Силаев Б.М..Ермаков A.A., Степанов H.H. и др. (СССР).- № 4469895; заявлено 02.08.88; зарегистрировано 09.06.90.' -2с..

40. A.c. I596I60 СССР, МКИ F 16715/34. Торцовой уплотнение / Маринин В^П., Силаев Б.М. (СССР). - № 4610497; заявлено 30.11.88; опубл. 30.09.90. Бюл. № 36. - 2 с.

■ 41. Силаев Б.М. Анализ взаимодействия потока смазочно-охлаж-дающей жидкости с элементами подшипникового узла // Тез.докл. Всес. конф. "Математическое моделирование в машиностроении" (секция "Аэрогидромеханика") / КуАИ.- Куйбышев, 1990,- С.26.

42. Силаев Б.М. Обобщенный метод расчета прогнозирования износостойкости деталей машин // Тез.докл.Всес. конф. "Математическое моделирование в машиностроении" (секция "Проектирование -и конструкции") / КуАИ.-'Куйбышев, 1990. - С.45-46.

43. Силаев Б.М., Мельников A.A. Особенности взаимодействия и изнашивания на фрикционном контакте при граничном трении в присутствии маловязких смазочных сред // Тез.докл.мевдународ-ного научно-практического семинара-коллоквиума "Триболог-7М" "Направления и результаты работы триботехнических центров, пред-

т

приятий, фирм" / РАТИ,- Ярославль-Рыбинск-Ростов,' 1991.- С. 71-72.

44. Силаев Б.М. Тепловой режим подшипников при работе 'в среде маловязких смазочных жидкостей // Тез.докл. Всес. конф. "Контактная гидродинамика" / КуАИ.- Самара, 1991. - С.34.

45. Силаев Б.М. Концепция метода расчета износостойкости деталей машин // Тез.докл.У Всес.конф. "Контактная гидродинамика" / КуАИ.- Самара, 1991. - С. 35.

46. Силаев Б.М. Метод определения составляющих мощности трения подшипников качения // Проблемы машиностроения и надежности машин.- 1991.- № 4.- C.I03-II0.

47. Силаев Б.М. Металлополимерные подшипники скольжения для работы в экстремальных условиях // Вестник машиностроения. -1991.- № 10,- С.31-33.

48. A.c. 1626032 СССР, МКИFI6JI5/02, F02F5/0Ö. Уплотнитель-ное кольцо для узла трения типа поршень-цилиндр / Силаев Б.М., .(СССР). - № 4395858/06; заявлено 21.03.88; опубл. 07.02.91. Бюл. № 5. - 2 с.

49. A.c. I684551 СССР, МКИ F I6C33/66. Подшипниковый узел

/ Силаев Б.М., Ермаков A.A., Лакеев В.В. .(СССР). - № 4664008/27; заявлено 20.03.89; опубл. 15.10.91. Бюл. № 38. - 3 с.

ШАШ РАН.Зак. 102.Тирап IIC экз.