Размещено на http://www.allbest.ru/

Изнашивание нестационарно нагруженных радиальных подшипников скольжения

С.П. Шец

Рассмотрен процесс изнашивания нестационарно нагруженных радиальных подшипников скольжения в режимах пуска, установившегося движения и останова. Выявлены закономерности изменения основных параметров работоспособности подшипников, которые позволяют давать им качественную оценку и научно обоснованно подходить к выбору методов повышения износостойкости.

Точного расчета величины износа контактирующих шероховатых поверхностей деталей реального ННРПС практически не существует: такой расчет не возможен из-за действия множества внешних и внутренних факторов и ограничений. Однако существуют способы приближенных расчетов для качественной сравнительной оценки линейных износов этих соединений в виде опытных образцов. Так величину линейного износа, соответствующую первому этапу контактирования, предлагается определять по формуле [1]

,

где Р - номинальная нагрузка; m - число контактирующих выступов исходной шероховатости; H_µ - микротвердость; t_m и t_mnp - относительная длина опорной линии профиля шероховатости на уровне средней линии до и после взаимодействия; S_m и S_mпр - средний шаг неровностей профиля шероховатости до и после взаимодействия; R_p и R_pnp - высота сглаживания профиля шероховатости до и после взаимодействия.

Процессы контактных взаимодействий шероховатых поверхностей в ННРПС периодически повторяются на протяжении всей работы.

Существующие методики расчета ННРПС в своем большинстве основаны на определении первого критерия работоспособности - коэффициента запаса надежности, или запаса по несущей способности, n_h.

,

где h - расчетная толщина масляного слоя; h_кр - критическое значение толщины масляного слоя.

,

где - зазор в подшипнике; - относительный эксцентриситет, который определяется по эмпирическим зависимостям или по табличным данным [3].

,

где R_Z1 и R_Z2 - средняя высота неровностей по десяти точкам для двух сопрягаемых поверхностей.

Поправка (1,5…2,0) для критического значения толщины масляного слоя учитывает шероховатость, волнистость и другие отклонения формы деталей.

Расчет ННРПС, устанавливаемых на коленчатых валах ДВС и компрессорах, основан на том условии, что сила гидродинамического давления в сумме с давлением масла, создаваемым масляным насосом, должна превышать максимальное значение равнодействующей силы от кривошипно-шатунного механизма. Причем это превышение должно иметь некоторый запас. Только в этом случае возможна гидродинамика процесса трения.

Так для обеспечения гидродинамического трения в подшипниках ДВС А.С. Денисовым [2] предложено расчетное значение диаметрального зазора:

, (1)

где d - диаметр шейки вала; - динамическая вязкость масла; n - частота вращения коленчатого вала; - коэффициент расхода масла; r - радиус шейки вала; P¹ - нагрузка на площадь поверхности подшипника; с - поправка Гюмбеля; Q - расход масла; P - давление масла в системе смазки двигателя при одном и том же количестве масла, подаваемом к шатунным подшипникам масляным насосом; g - ускорение силы тяжести; - плотность масла.

В установившемся режиме вращения коленчатого вала ННРПС работает при гидродинамическом трении. Однако резкие изменения частоты вращения вала и нагрузки на вал, особенно при пусковых периодах и периодах останова, приводят к возникновению граничной смазки и контактным взаимодействиям микронеровностей на поверхностях трения деталей подшипника.

С точки зрения долговечности и износостойкости ННРПС интерес представляет закономерность изменения скорости изнашивания во времени в зависимости от частоты вращения вала, действия равнодействующей радиальной нагрузки и изменения давления масла в масляной магистрали. Наиболее характерные закономерности изменения перечисленных параметров представлены на рис.2.

Работу ННРПС в течение всего периода эксплуатации можно представить в виде многочисленных циклов, характеризуемых пусками и остановами. Каждый из циклов имеет три периода времени действия (рис. 2 г): первый - период пуска (граничное и полужидкостное трение) t₁; второй - период установившегося движения (гидродинамическое трение) t₂; третий - период останова (полужидкостное трение) t₃. Период времени одного цикла определяется как

t_ц = t₁+ t₂+ t₃.

Проведенный трибоанализ показал, что максимальный износ подшипника происходит в период t₁ с преимущественным действием первого этапа контактирования, рассмотренного выше (рис.1, область 1, зона а). Очевидно, что максимальная скорость изнашивания ННРПС находится в периоде t₁, который соответствует: давлению масла в системе смазки ниже рабочего значения р_м1 (рис. 2 а); пику действия равнодействующей сил инерции поступательно движущихся и вращающихся частей кривошипно-шатунного механизма, определяемого давлением в цилиндрах (рис. 2 б); частоте вращения коленчатого вала ниже значения n₁ (рис. 2 в). Горизонтальные прямые р_м1 и n₁ ограничивают период начала гидродинамической смазки.

Продолжительность пускового периода является вторым критерием работоспособности ННРПС. Период t₁ характеризуется обрывом смазочного слоя, задирами на поверхности трения и соответствует процессам микрорезания и пластической деформации, а также повышению температуры, которое приводит к образованию сварочных мостиков, свойственных критическим температурным точкам перехода, установленным Б.И. Костецким. Если в период t₁ произошел задир или схватывание, то потребуется время на действие латентного периода, определенного У.В. Харди (период, связанный со временем образования на поверхностях трения ориентированного слоя адсорбционных молекул).

Возникновение периода t₁ в ННРПС заложено конструктивно, так как давление масла в масляной магистрали (например, в процессе запуска автомобильных ДВС или компрессоров) достигает рабочих величин с запаздыванием (режим масляного голодания) из-за жесткой связи привода масляного насоса с коленчатым валом, причем частота вращения коленчатого вала начинается с нулевой отметки. Особенностью периода t₁ является его увеличение с каждым последующим циклом, так как ННРПС вступает в работу с измененными показателями качества по физико-механическим свойствам контактирующих поверхностей и формам поверхностей деталей. Изменение форм поверхностей деталей ННРПС при прохождении нескольких эксплуатационных циклов представлено на рис. 3, причем неравномерность износа (рис. 3 в) сопровождается циклическим направленным действием силы Р во времени.

При рассмотрении пускового режима работы ННРПС (рис. 3 а, б) прослеживается четкая закономерность изменения амплитуды контактных напряжений: у_1.> у₂ . Это происходит с каждым последующим пусковым периодом t₁, что объясняется увеличением площади контактирования, так как угол контакта ц₁ < ц₂. Очевидно, что с увеличением площади контактирования поверхностей трения из-за уменьшения удельной нагрузки доля износа от пластических деформаций и микрорезания уменьшается, а доля от упругой деформации увеличивается, следовательно, должен уменьшаться пусковой износ. Однако в реальных условиях эксплуатации ННРПС, как показали исследования, уменьшения пускового износа с каждым последующим циклом не происходит, что объясняется гидродинамикой ННРПС.

Решающее значение в процессе перехода к гидродинамической смазке имеет подъемная сила, которая прямо пропорциональна частоте вращения и вязкости масла, но обратно пропорциональна углу клина .

В процессе износа (рис.3 а, б) угол клина увеличивается (б₂ > б₁) , а подъемная сила уменьшается, и как следствие гидродинамическое трение возникает при больших частотах вращения вала, давлении масла в системе смазки. В результате период t₁ с каждым последующим циклом увеличивается с характерным повышением пускового износа.

Изнашивание подшипника в период t₂ в основном, наиболее продолжительном, гидродинамическом режиме работы определяется поверхностно-усталостным и кавитационным изнашиванием или жидкостной эрозией [3]. При правильном расчете подшипника, подборе смазочного материала, изготовлении и эксплуатации скорость изнашивания в любой точке периода t₂ несоизмеримо мала в сравнении со скоростью изнашивания периода t₁. Даже если считать, что при работе подшипника в период t₂ возможны контактные взаимодействия из-за значительного влияния равнодействующей силы от кривошипно-шатунного механизма (КШМ), то в крайнем случае при взаимодействии поверхностей могут возникнуть упругие деформации на гребнях шероховатости с незначительной величиной износа, так как гидродинамическое давление будет противодействовать пиковой нагрузке от КШМ и не позволит перейти к пластической деформации, а тем более к процессам микрорезания. Поэтому период t₂ можно считать «периодом безызносности».

Процессы изнашивания, характерные для периода t₃, аналогичны изнашиванию в период t₁. Однако величина максимальной скорости изнашивания значительно меньше, так как в этот период возникают контактные напряжения, вызванные упругой деформацией микронеровностей поверхностей трения и в крайнем случае незначительной пластической деформацией. Это объясняется тем, что давление масла в системе смазки падает не мгновенно, а с некоторым запаздыванием (рис. 2 а).

Третьим критерием работоспособности ННРПС является критерий девитации, характеризующий разницу в минимальной толщине смазочного слоя в среднем сечении и на краях. При значительной величине этой разницы выполняют гиперболическую расточку на одной из деталей подшипника [4].

Для определения величины линейного износа реального ННРПС важно знать функциональную зависимость скорости изнашивания от времени (рис. 2 г). Скорость изнашивания ННРПС удобно определять при стендовых испытаниях ДВС или компрессоров, создавая определенное число различных по времени периодов работы t₁, t₂, t₃ ННРПС, соответствующих определенному диапазону частоты вращения, нагрузки и давления смазочного материала.

При проведении таких экспериментов по истечении каждого периода работы необходимо взятие пробы смазочного материала для спектрографического анализа, который может быть выполнен с использованием установки типа МФС-8, или проведение микрометража. По изменению концентрации продуктов износа во времени можно определять закономерности для продолжительности периодов t₁, t₂, t₃ и скорости изнашивания таких трибосопряжений, как ННРПС.

Зная закономерности изменения скорости изнашивания и продолжительности периодов t₁, t₂, t₃ за средний цикл работы ННРПС, можно определять величину линейного износа подшипника за заданную наработку, а если известна предельная величина износа, то и за период эксплуатации.

Линейный износ ННРПС за период пуска t₁ можно определить по формуле

,

где F(J₁₃) - функция кривой 3 за время пускового периода t₁ (рис. 2 г).

Аналогично можно рассчитать линейный износ за период установившегося движения t₂ и период останова t₃:

,

,

где F(J₂₃) - функция кривой 3 за время периода установившегося движения t₂; F(J₃₃) - функция кривой 3 за время периода останова t₃ (рис. 2 г).

Линейный износ за весь цикл «пуск-останов»

.

Величину линейного износа за заданный период эксплуатации приближенно можно определить как

,

где k_н3 - коэффициент, учитывающий изменение величины пускового износа для конкретного трибосопряжения; t_ЭКС - заданный период времени; t_{Ц 3} - период времени одного цикла.

При прочих равных условиях характер кривой функции износа может изменяться при воздействии технологического фактора по амплитуде максимального значения скорости изнашивания (рис. 2 г, кривая 1). Такая закономерность свойственна поверхностям трения деталей ННРПС при изменении (улучшении) параметров качества поверхностного слоя путем [5]:

- снижения или регуляризации высотных параметров шероховатости, увеличения опорной длины профиля поверхности механическими и электрофизическими методами: алмазно-абразивной обработкой и ее разновидностями; электрохимическим полированием; выглаживанием и обкатыванием; сатинированием в процессе обработки вращающимися металлическими щетками;

- формирования пленки или слоя из высокопрочного, износо- или коррозионностойкого материала на подложке из материала-основы;

- изменения химического состава поверхностного слоя основного материала вследствие его насыщения атомами материала-упрочнителя (поверхностное легирование);

- деформационного упрочнения поверхностного слоя основного материала воздействием концентрированных потоков энергии или обработкой поверхностным пластическим деформированием (ППД);

- термического упрочнения в результате локального термического воздействия на поверхностный слой основного материала;

- комбинирования перечисленных методов.

Представленные технологические методы не оказывают влияния на общие закономерности рассмотренных процессов контактирования, а лишь позволяют перевести их на более совершенный уровень.

Изменение кривой функции износа (рис. 2 г, кривая 2) может происходить не только по амплитуде максимального значения мгновенного износа, но и по величине пускового периода t₁. Такая закономерность свойственна поверхностям трения деталей ННРПС при изменении (улучшении) гидродинамики подшипника (уменьшении времени образования гидродинамического трения) путем:

- применения смазочных материалов, обладающих тиксотропными свойствами;

- подачи смазочного материала под давлением до начала работы ННРПС;

- оптимизации формы поверхностей трения ННРПС.

Согласно представленной методике расчета линейного износа можно рассчитать линейный износ аналогичного подшипника (одинаковая форма) для функций, описываемых кривыми 1 и 3 (рис. 2 г), за заданный период эксплуатации, а также сравнить величины изменения долговечности ННРПС при воздействии технологического фактора, фактора изменения гидродинамики или совместном их действии.

Таким образом, величину повышения долговечности путем применения одного из технологических методов улучшения параметров качества поверхностного слоя или гидродинамического фактора ННРПС при заданном значении периода эксплуатации можно определить как

или ,

где I_Э1 - линейный износ за заданный период эксплуатации при воздействии технологического фактора; I_Э2 - линейный износ за заданный период эксплуатации при воздействии гидродинамического фактора.

В заключение следует отметить, что, несмотря на сложность процессов трения и изнашивания в нестационарно нагруженных радиальных подшипниках скольжения, возможно получать экспериментальные или расчетные закономерности изменения основных параметров, которые позволяют давать качественную оценку подшипников и научно обоснованно подходить к выбору методов повышения износостойкости и долговечности деталей. Представленная методика позволяет определять изменение долговечности по расчетному линейному износу ННРПС и давать сравнительную оценку применению технологического метода изменения износостойкости, метода улучшения гидродинамики или их комбинаций.

Список литературы

1. Суслов, А.Г. К вопросу трения и изнашивания деталей машин/ А.Г. Суслов // Трение и износ. - 1990. - №5. - С. 801 - 807.

2. Денисов, А.С. Оценка условий смазки подшипников скольжения новых двигателей КамАЗ / А.С. Денисов, И.К. Данилов // Грузовое и пассажирское автохозяйство. - 2005. - №1. - С. 70 - 71.

3. Денисов, А.С. Условия смазки шатунных подшипников дизеля КамАЗ-740.11/ А.С. Денисов, И.К. Данилов //Автомобильная промышленность. - 2005. - №11. - С. 13 - 15.

4. Основы трибологии (трение, износ, смазка): учеб. для техн. вузов / А.В. Чичинадзе, Э.Д.Браун, Н.А. Буше [и др.]; под общ. ред. А.В. Чичинадзе. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 2001. - 664 с.

5. Киричек, А.В. Технологические основы обеспечения работоспособности элементов триботехнических систем / А.В. Киричек. // Гидродинамическая теория смазки - 120 лет: труды междунар. науч. симп.: в 2 т.- М.: Машиностроение - 1; Орел: ОрелГТУ, 2006. - Т. 1. - С.107 - 116.

Размещено на Allbest.ru