Ростов-на-Дону, Ростовская область, Россия
Ростов-на-Дону, Ростовская область, Россия
Россия
УДК 621.01 Теория машиностроения (машиноведение). Механика как теоретическая основа машиностроения
Исследовано влияние истинно-вязкого смазочного материала в радиальном подшипнике скольжения, оборудованного полимерным покрытием и специализированной канавкой на поверхности вала. Разработанная расчетная модель, основанная на уравнениях движения жидкости и уравнении неразрывности, позволяет глубже понять динамику смазочного слоя и его взаимодействие с рабочими поверхностями. Особое внимание уделяется геометрическим особенностям канавки, которые влияют на распределение давления внутри подшипника. Комплексное использование полимерного покрытия и канавки обеспечивает равномерное распределение нагрузок, что повышает нагрузочную способность системы. Численные расчеты показывают, что применение полимерного покрытия снижает коэффициент трения и способствует эффективной работе смазочного материала в условиях турбулентного режима. Экспериментальная валидация модели проводилась при различных условиях нагрузки и скоростей вращения, что позволило достоверно сопоставить теоретические расчеты с экспериментальными результатами. Анализ показал высокую степень согласия между расчетами и экспериментом, подтверждая надежность предложенной модели. Полученные результаты подчеркивают значимость конструктивных решений, таких как сочетание полимерных покрытий и канавок, для повышения эксплуатационных характеристик подшипников.
радиальный подшипник, оценка износостойкости, антифрикционное полимерное покрытие, канавка, гидродинамический режим, верификация
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. Хасьянова Д.У., Мукутадзе М.А. Повышение износостойкости радиального подшипника скольжения, смазываемого микрополярными смазочными материалами и расплавами металлического покрытия// Проблемы машиностроения и надежности машин. 2022. № 4. С. 46–53. DOIhttps://doi.org/10.31857/S0235711922040101.
2. Хасьянова Д.У., Мукутадзе М.А. Исследование на износостойкость радиального подшипника с нестандартным опорным профилем с учетом зависимости вязкости от давления и температуры // Проблемы машиностроения и автоматизации. 2023. № 3. С. 42–49.
3. Василенко В.В., Кирищиева В.И.,Мукутадзе М.А., Шведова В.Е. Исследование износостойкости подшипника скольжения c полимерным покрытием опорного кольца, имеющего канавку // Advanced Engineering Research (Rostov-on-Don). 2022. Т. 22, № 4. С. 365–372.
4. Абдулрахман Х.Н., Кирищиева В.И., Мукутадзе М.А., Шведова В.Е. Повышение износостойкости радиального подшипника с нестандартным опорным профилем и полимерным покрытием на поверхности вала с учетом зависимости вязкости от давления // Frontier Materials & Technologies. 2022. № 4. С. 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. Поляков Р.Н., Савин Л.А., Внуков А.В. Математическая модель бесконтактного пальчикового уплотнения с активным управлением зазором // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии, 2018, № 1(327), С. 66–71.
10. Негматов С.С., Абед Н.С., Саидахмедов Р.Х, Ульмасов Т.У., Григорьев А.Я., Сергиенко В.П., Негматова К.С. и др. Исследование вязкоупругих и адгезионно-прочностных свойств и разработка эффективных вибропоглощающих композиционных полимерных материалов и покрытий машиностроительного назначения // Пластические массы. 2020. № 7–8. С. 32–36. DOIhttps://doi.org/10.35164/0554-2901-2020-7-8-32-36.
11. Сайфуллаева Г.И., Негматов СС., Абед Н.С., Камалова Д.И. Исследование электропроводящих композиционных термореактивных полимерных материалов и покрытий на их основе для триботехнического назначения // Universum: технические науки. Электронный научный журнал. 2020. № 12(81). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/11102
12. Ерофеев В.Т. Смирнов И.В., Воронов П.В., Афонин В.В., Каблов Е.Н., Старцев О.В. Исследование стойкости полимерных покрытий в условиях воздействия климатических факторов черноморского побережья // Фундаментальные исследования. 2016. № 11-5. С. 911–924. URL: https://fundamental-research.ru/ru/artcle/view?id=41277 (20.08.2024).
13. Кочешков И. В. Анализ понятия и принципов создания композиционных материалов // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2016. № 2 (56). С. 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. Харламов П.В. Мониторинг изменений упруго-диссипативных характеристик для решения задач по исследованию трибологических процессов в системе «железнодорожный путь – подвижной состав» // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. 2021. №. 1. С. 122–129. DOIhttps://doi.org/10.46973/0201-727X_2021_1_122.
16. Харламов П.В. Применение физико-химического подхода для изучения механизма образования вторичных структур фрикционного переноса на поверхности контртела // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. 2021. №. 3. С. 37–45. DOIhttps://doi.org/10.46973/0201-727X_2021_3_37.
17. Харламов П.В. Исследование образования вторичных структур фрикционного переноса на поверхности стальных образцов при реализации технологии металлоплакирования // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2021. № 12. С. 556–560. DOIhttps://doi.org/10.36652/0202-3350-2021-22-12-556-560.
18. Шаповалов В.В., Щербак П.Н., Богданов В.М. Фейзов Э.Э., Харламов П.В., Фейзова В.А. Повышение эффективности фрикционной системы «колесо – рельс» // Вестник научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. 2019. Т. 78, № 3. С. 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. Шаповалов В.В., Мигаль Ю.Ф., Озябкин А.Л., Колесников И.В., Корниенко Р.А., Новиков Е.С. Металлоплакирование рабочих поверхностей трения пары «колесо – рельс» // Трение и износ. 2020. Т. 41, № 4. С. 464–474. https://doi.org/10.32864/0202-4977-2020-41-4-464-474. EDN WPTWDK.
21. Мукутадзе М.А., Абдулрахман Х.Н., Шведова В.Е. Бадахов Г.А., Зиновьев Н.В. Исследования на износостойкость конструкции радиального подшипника с учетом реологических свойств микрополярного смазочного материала // Омский научный вестник. 2023. № 3 (187). С. 5–14. https://doi.org/10.25206/1813-8225-2023-187-5-14. EDN IKFMSX
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.
