Rostov-on-Don, Rostov-on-Don, Russian Federation
Rostov-on-Don, Rostov-on-Don, Russian Federation
Russian Federation
UDK 621.01 Теория машиностроения (машиноведение). Механика как теоретическая основа машиностроения
The effect of a true viscous lubricant in a radial sliding bearing coated by polymer having a specialized groove on the shaft surface is studied. The developed computational model based on the equations of fluid motion and the equation of continuity allows for a deeper understanding of the dynamics of the lubricating layer and its interaction with the working surfaces. Special attention is paid to the geometric features of the groove, which affect the pressure distribution inside the bearing. The integrated use of a polymer coating and a groove ensures uniform load distribution, which increases the load capacity of the system. Numerical calculations show that the use of a polymer coating reduces friction coefficient and contributes to the efficient operation of the lubricant in turbulent conditions. Experimental validation of the model was carried out under various load conditions and rotational speeds, which made it possible to compare theoretical calculations with experimental results in a high-quality way. The analysis showed a high degree of agreement between calculations and experiment, confirming the reliability of the proposed model. The results obtained prove the necessity of design solutions, such as a combination of polymer coatings and grooves for improved bearing performance.
radial bearing, wear resistance evaluation, antifriction polymer coating, groove, hydrodynamic mode, verification
Введение
Исследования, направленные на разработку новых конструкционных материалов для трибоузлов, основываются на многократных экспериментах и теоретических моделях. Важной задачей является нахождение оптимального сочетания материалов, которые способны выдерживать различные виды нагрузок и воздействия внешней среды, а также минимизировать износ и трение. Ученые и инженеры стремятся улучшить механические свойства материалов, увеличивая их твердость, прочность и износостойкость, а также снижая коэффициент трения [1 – 4].
В последние годы методы машинного обучения и искусственного интеллекта стали неотъемлемой частью процесса проектирования и исследования трибосопряжений [5 – 9]. Применение этих инновационных технологий позволяет системно анализировать большие объемы данных, выявлять скрытые закономерности и формировать предсказательные модели с высокой точностью.
Особое внимание уделяется междисциплинарному подходу, объединяющему знания из области материаловедения, механики деформируемого твердого тела, химии и физики поверхностей. Это сотрудничество способствует разработке новых, более эффективных материалов и покрытий, повышающих срок службы и надежность узлов трения.
Также следует уделить внимание разработке новых рецептур на основе предпочтительных материалов, таких как фторопласты, полиамиды и полиуретаны. Эффективная комбинация этих компонентов может привести к значительному снижению коэффициента трения и, следовательно, к уменьшению износа и повышению ресурсосберегающей эксплуатации оборудования [10 – 13].
Экспериментальные данные [14 – 20] свидетельствуют о том, что переменные величины, такие как концентрация наполнителя и температура отверждения, оказывают значительное влияние на эксплуатационные характеристики конечного материала. Авторы отмечают, что дальнейшие исследования металлоплакирования рабочих поверхностей трения «колесо – рельс» могут расширить возможности использования таких покрытий в системе «железнодорожный путь – подвижной состав» в тяжелонагруженых узлах трения.
Однако важно отметить, что для успешного применения этих материалов в трибосопряжениях технологических машин необходимо учитывать специфические особенности каждой трибосистемы. Игнорирование этих особенностей может привести к недостоверным результатам или снижению эффективности подходов, разработанных в исследованиях.
Таким образом, разработка и улучшение гидродинамических моделей трибосистем оказывают непосредственное влияние на промышленное производство и технику. Более точные модели позволяют создавать более оптимальные конструкции, продлевать срок службы агрегатов. Это, в свою очередь, снижает эксплуатационные издержки, улучшает энергоэффективность и повышает общую надежность
машин и механизмов.
Материалы и методы решения
Для оценки износостойкости по коэффициенту трения и нагрузочной способности рассматривается радиальный подшипник модифицированной конструкции. Подразумевается, что течение сжимаемой жидкости турбулентное, при этом скорость вращения втулки равна нулю, а вала Ω [21].
Координатная система с полюсом в центре вала уравнения контуров вала с полимерным покрытием, вала с канавкой, подшипниковой втулки запишутся
Для разработки расчетной модели с учетом (2) используем следующие исходные уравнения. Первым уравнением является уравнение, которое описывает турбулентное движение жидкости, в дополнение к этому используем уравнение неразрывности и уравнение состояния:
При постоянной температуре сжимаемость минимально влияет на режим эксплуатации показывает рис. 2. Влияние температуры подчеркивает важность контроля для стабильной и эффективной работы системы.
Проведенные проверки подтвердили надежность предложенной теоретической модели в указанных диапазонах параметров. В частности, значения параметра сжимаемости
Λ = 0,1…0,5, напряжения σ в диапазоне 5,9…29,5 МПа были тщательно протестированы, чтобы убедиться в точности и применимости модели в широком диапазоне сценариев (табл. 1).
На основе полученных данных был
проведен анализ, позволяющий оценить точность расчетной модели. Результаты экспериментов показали, что расчетная модель демонстрирует высокую точность в поведении конструкции (табл. 1). Все выявленные отклонения находятся в допустимых пределах, что подтверждает надежность и работоспособность модели в различных рабочих условиях.
Заключение
В соответствии с ранее заданными параметрами канавок, была разработана модель для расчета, которая подробно описывает поведение подшипника в условиях гидродинамического режима. Особое внимание было уделено сжимаемости истинно-вязкого смазочного материала, чей коэффициент вязкости варьируется в зависимости от давления и температуры, а также течению в турбулентном режиме.
В результате проведенного исследования появилась возможность определять основные эксплуатационные характеристики подшипника еще на стадии проектирования. Это значительно улучшает его надежность и срок службы, что является важным шагом в области технологий подшипников и смазочных материалов.
Исследования радиальных подшипников скольжения, проводимые с учетом изменения вязкости при различных давлениях и температурах, а также сжимаемости, привели к уточнению их рабочих характеристик.
1. Khasyanova D.U., Mukutadze M.A. Increasing the wear resistance of a radial sliding bearing lubricated with micropolar lubricants and metal coating melts// Problems of mechanical engineering and machine reliability, 2022, no. 4. pp. 46–53. DOIhttps://doi.org/10.31857/S0235711922040101.
2. Khasyanova D.U., Mukutadze M.A. A study on the wear resistance of a radial bearing with a non-standard support profile, taking into account the dependence of viscosity on pressure and temperature// Problems of mechanical engineering and automation, 2023, no. 3, pp. 42–49.
3. Vasilenko V.V., Kirishieva V.I., Mukutadze M.A., Shvedova V.E. Investigation of the wear resistance of a journal bearing with polymer-coated grooved support ring // Advanced Engineering Research (Rostov-on-Don), 2022, vol. 22, no. 4, pp. 365–372.
4. Abdulrahman Kh.N., Kirishieva V.I., Mukutadze M.A., Shvedova V.E. Increasing the wear resistance of a radial bearing with a non-standard support profile and a polymer coating on the shaft surface, taking into account the dependence of viscosity on pressure // Frontier Materials & Technologies, 2022, no. 4, pp. 9–17.
5. Polyakov R., Savin L.The method of long-life calculation for a friction couple «rotor-hybrid bearing» // Proceeedings of the 7th International Conference on Coupled Problems in Science and Engineering, COUPLED PROBLEMS 2017, Rhodes Island, June 12-14, 2017. P. 433–440.
6. Polyakov R., Majorov S., Kudryavcev I., Krupenin N. Predictive analysis of rotor machines fluid-film bearings operability // Vibroengineering Procedia : 44, Vibration and Acoustics in Civil Engineering and Fault Diagnostics, Dubai, 2020. P. 61–67. https://doi.org/10.21595/vp.2020.21379.
7. Kornaeva E.P., Kornaev A.V., Kazakov Yu.N., Polyakov R.N. Application of Artificial Neural Networks to Diagnostics of Fluid-Film Bearing Lubrication // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 734. P. 012154. https://doi.org/10.1088/1757-899X/734/1/012154
8. Shutin D.V., Polyakov R.N. Active hybrid bearings as mean for improving stability and diagnostics of heavy rotors of power generating machinery. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2020, vol. 862, no. 032098.
9. Polyakov R.N., Savin L.A., Vnukov A.V. Mathematical model of the inflammatory pullic seal with active management of the clearance// Fundamental and Applied Problems of Engineering and Technology, 2018, no. 1(327), pp. 66–71.
10. Negmatov S.S., Obed N.S., Saidakhmedov R.H., Ulmasov T.U., Grigoriev A.Ya., Sergienko V.P., Negmatova K.S. et al. Research of viscoelastic and adhesion-strength property and development of eff ective vibration absorbing composite polymeric materials and coatings of mechanical engineering purpose// Plastic Masses, 2020, no. 7-8, pp. 32–36. DOIhttps://doi.org/10.35164/0554-2901-2020-7-8-32-36.
11. Saifullayeva G.I., Negmatov S., Abed N.S., Kamalova D.I. Research of electrically conductive composite thermoreactive polymer materials and coatings on their basis for tribotechnical purpose // Universum: technical sciences. Electronic scientific journal, 2020, no. 12(81). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/11102
12. Yerofeev V.T., Smirnov I.V., Voronov P.V., Afonin V.V., Kablov E.N., Startsev O.V. Investigation of the resistance of polymer coatings under the influence of climatic factors of the Black Sea coast // Fundamental Research, 2016, no. 11-5, pp. 911–924. URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=41277 (08/20/2024).
13. Kocheshkov I. V. Analysis of definition and principles of composite materials development. // Science-intensive technologies in mechanical engineering, 2016, no. 2 (56), pp. 3–11.
14. Zinoviev V.E., Kharlamov P.V., Zinoviev N.V., Kornienko R.A. Analysis of Factors Affecting the Strength of Fixed Bonds Assembled Using Metal-Polymer Compositions // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 900. P. 012009. https://doi.org/10.1088/1757-899X/900/1/012009
15. Kharlamov P.V. Monitoring measurements in elastic-dissipative characteristics for solving tasks on studying tribological processes in the «Railway - rolling stock» system// Bulletin of the Rostov State University of Railway Communications, 2021, no. 1, pp. 122–129. DOIhttps://doi.org/10.46973/0201-727X_2021_1_122.
16. Kharlamov P.V. Application of the physico-chemical approach to study the mechanism of formation of secondary frictional transfer structures on the control surface // Bulletin of the Rostov State University of Railway Transport, 2021, no. 3, pp. 37–45. DOIhttps://doi.org/10.46973/0201-727X_2021_3_37.
17. Kharlamov P.V. Investigation of the formation of secondary frictional transfer structures on the surface of steel samples during the implementation of metal plating technology // Assembly in mechanical engineering, instrument engineering, 2021, no. 12, pp. 556–560. DOIhttps://doi.org/10.36652/02-3350-2021-22-12-556-560.
18. Shapovalov V.V., Shcherbak P.N., Bogdanov V.M., Feizov E.E., Kharlamov P.V., Feizova V.A. Improving the efficiency of the wheel–rail friction system // Bulletin of the Scientific Research Institute of Railway Transport, 2019, vol. 78, no. 3. pp. 177–182. https://doi.org/10.21780/2223-9731-2019-78-3-177-182 . EDN ZZGAOL.
19. Shapovalov V.V., Kolesnikov V.I., Kharlamov P.V., Kornienko R.A, Petrik A.M. Improving the efficiency of the path – rolling stock system based on the implementation of anisotropicfrictional bonds // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020, vol. 900 (1). P. 012011. https://doi.org/10.1088/1757-899X/900/1/012011
20. Shapovalov V.V., Migal Yu.F., Ozyabkin A.L., Kolesnikov I.V., Kornienko R.A., Novikov Ye.S. Metal plating of the friction working surfaces of the wheel–rail pair // Friction and wear, 2020, vol. 41, no. 4, pp. 464–474. https://doi.org/10.32864/0202-4977-2020-41-4-464-474 . EDN WPTWDK.
21. Mukutadze M.A., Abdulrahman Kh.N., Shvedova V.E., Badakhov G.A., Zinoviev N.V. Studies on wear resistance of the radial bearing design taking into account rheological properties of micropolar lubricant // Omsk Scientific Bulletin, 2023, no. 3 (187), pp. 5–14.
22. Khasyanova D.U., Mukutadze M.A. Improved wear resistance of a metal-coated radial slider bearing // Journal of Machinery Manufacture and Reliability. 2022. V. 51. № 2. P. 128–133.
