СМАЗЫВАНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ СУХОГО ТРЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ И ЗАПЫЛЕННОСТИ

 

Латышенко М.П., Герасименко С.В. (КузГТУ, г. Кемерово, РФ)

 

The results of using bearings with antifriction material, adduced the new constructions of bearings.

 

         Смазывание поверхностей трения подшипниковых узлов в условиях высокой температуры и запыленности является трудно выполнимой задачей.

         Двигатели автоматических формующих линий, формовочные полуавтоматы, вращающиеся печи с холодильной установкой, печные вагонетки, вентиляторы на тоннельных печах, противоточные сушила и др. работают при повышенных температурах и запыленности. Температура колеблется от 80º до 200º - 300º С. Время эксплуатации подшипника в данных условиях составляет от одного до трех месяцев.

         Низкая работоспособность в данных условиях объясняется тем, что под действием температуры смазка на нефтяной основе разжижается и вытекает. Остатки смазки с абразивной пылью спекаются в твердое образование, приводящее к заклиниванию и выходу из строя сепаратора подшипника качения.

         Подшипники качения горных машин и механизмов работают в высокозапыленной и влажной среде.

         Характерные для этих условий мелкие фракции горной абразивной массы и влага разрушают манжетные уплотнения подшипникового узла, загрязняют смазочный материал и попадают на поверхности трения. Влага снижает смазочные свойства пластичных смазок, абразивные частицы способствуют интенсивному изнашиванию рабочих поверхностей подшипника и, как следствие, происходит разрушение подвижных элементов.

         Использование для смазывания подшипников твердого антифрикционного материала на основе графита исключает разжижение и вымывание смазки, уменьшает возможность попадания абразивных частиц, снижает время технического обслуживания, обеспечивает хорошие условия смазывания.

         В настоящее время известны конструктивные решения и опыт применения твердой смазки в подшипниках качения [1], но отсутствует четкое физико – математическое моделирование процессов, происходящих в смазочном слое.

         Рассмотрим плоское движение смазочного материала на основе графита в зазоре между шариком подшипника и наружным кольцом.(рис.1).

         Считаем, что в данный бесконечно малый момент шарик неподвижен, а опорная поверхность наружного кольца прямолинейна, т.е. имеем радиус R_H → ∞, и движется с постоянной скоростью V_o вдоль оси ОХ.

Рисунок 1-Схема движения смазочного графитного слоя

 

С учетом этого, движение твердого графита между трущимися поверхностями можно считать установившимся.

В смазочном слое выделяют три характерных фазы (I, II. III) состояния графита. Первая фаза имеет слой толщиной h₁, который пополняется отделенными от сепаратора частичками графита различными по форме и размером от 1 до 500 мкм.

Во второй фазе толщина графитного слоя уменьшается от h₁ до δ. Длина эллипса пятна контакта O-l зависит от конструктивных параметров подшипника и давления в смазочном слое.

В силу анизотрочности графита частицы твердой смазки ориентируются по направлению движения трущихся поверхностей. По мере изменения координаты Y отдельные частицы графита приходят во взаимное соприкосновение и проскальзывают друг по другу по плоскостям спайности.

В связи с этим, во второй фазе взаимодействие стальных поверхностей заменяется внутренним трением в графитном слое.

В третьей фазе трущиеся поверхности расходятся и давление в слое графита отсутствует. Частицы графита отделяются от смазываемых поверхностей.

Таким образом, смазывание поверхностей в подшипнике качения слоем графита можно представить как плоское стационарное течения жидкости, подчиняющиеся уравнениям Навье – Стокса.

 

ρ(VxdVx/dX+Vy*dVx/dy)= X-dp/dx+d(2μ*dVx/dx)/dx+d[μ(dVx/dy+dVy/dx)]/dy                       (1)

 

ρ(Vx*dVy/dX+Vy*dVy/dy)=  y-dp/dy+d(2μ*dVy/dy)/dy+d[μ(dVx/dy+dVy/dx)]/dy                         (2)

где ρ – плотность; х, у – координаты; Vx, Vy- относительные скорости вдоль координатных осей ОХ, ОУ; dp/dx – частная производная давления;

dVx/dx, dVy/dy – частные производные скорости по координатам; μ – динамическая вязкость.

 

В теории смазочного слоя принимаются следующие допущения:

1. Движение смазочного графита происходит тонким слоем между наклонными поверхностями. Протяженность слоя по длине и радиусу кривизны граничных поверхностей достаточно велика по сравнению с толщиной слоя, то есть h(x)<<l.

2. Силы инерции и массы малы по сравнению с силами давления и вязкости.

3. Скорость течения смазочного слоя в направлении нормалей к граничным поверхностям мала по сравнению со скоростью в направлении касательных к ним, поэтому принимается соотношение Vy<<Vx.

4. Изменением давления по толщине пленки (ось OY) пренебрегаем.

Исходя из этих допущений общее уравнения Навье – Стокса для плоского стационарного течения графитного слоя будут иметь следующий вид:

dp/dx = d*(μ*dVx/dy)/dy                                                               (3)

Распределение давления в фазе II в начале и в конце слоя одинаково и, следовательно, уравнение (3) необходимо решать при следующих условиях:

 

Vx = Vо               при У=0,

                                                                                                           (4)

Vx = 0                 при y=h

 

P = Po                 при Х=0,

                                                                                                           (5)

Р = 0                   при X=l

Решая уравнение Навье – Стокса при данных условиях, определим результирующие максимального давления и касательных напряжений в слое, а также коэффициент трения, как:

Pмах = 0,26μ₁ * Uo*b* Rш*(A+1)/δ(1+3A/5)                                  (6)

 

Fмах = 0,37μ₁ * Uo*b*l*[1.4*(1+2A/5)/(1+A/3)-1]*δ*(1+3A/5)   (7)

 

где Uо – скорость движения графитного слоя; l и b длина и ширина пятна контакта смазочной пленки; Rш – радиус шарика подшипника; δ – толщина смазочной пленк;. μ1 – начальная динамическая вязкость графитного слоя.

Изменение вязкости графитного слоя в процессе эксплуатации подшипника моделируется зависимостью:

μ₀ = μ₁*(1+A)/[1+A(2Y/h-1)²]                                                           (8)

где μ₀ – текущая динамическая вязкость слоя; у – координата; h – высота;

А – коэффициент изменения вязкости.

 

Коэффициент А находится в пределах -1< А < 0 при изменении вязкости от краев слоя к его середине, а при А>0 вязкость растет в серединных слоях смазки.

Из уравнений (6) и (7) определим коэффициент трения:

fмах = 10,75*l*[1.4*(1+2A/5)/1+A/3)-1]/ Rш                                         (9)

Зависимости (6) и (7) исследованы для радиальных однорядных подшипников средней серии, применяемых в узлах горных машин и механизмов при максимальной скорости скольжения 10м/с. Они позволяют определить расчетные параметры в подшипниках с учетом вязкости графитного слоя.

Значение коэффициента трения f, рассчитанные по уравнению (9), полученные авторами в лабораторных условиях, согласуются в пределах от 0,01 до 0,3.

На основании теоретических исследований в КузГТУ разработаны конструкции подшипников сухого трения [2], применение которых снижают интенсивность изнашивания в 1,9…2,2 раза.

 

Литература

1. Герасименко С.В., Латышенко М.П., Короткевич В.С. и др. Расширение области применения антифрикционных подшипников качения. Передовой производственный опыт, 1991, №1.с.15-16.

2. Латышенко М.П., Герасименко С.В., Короткевич В.С. и др. Подшипники качения. Патент РФ №2016278. Опубл. В БИ №13 от 15.07.93г.