Введение к работе
Актуальность темы. Создание несмазываемых технологических и
энергетических машин и агрегатов является одним из активно развивающихся
направлений. Это обусловлено целым рядом их преимуществ по сравнению со
смазываемыми агрегатами: высокой чистотой рабочего газа, возможностью
применения агрессивных и взрывоопасных газов, отсутствием замасливания
межступенчатых и концевых теплообменных аппаратов и коммуникаций, упрощением конструкции агрегатов и облегчением их обслуживания, повышением надёжности и т.п. Создание агрегатов на базе несмазываемых подшипников особенно актуально для мобильных технологических и энергетических комплексов, работающих в суровых климатических условиях.
Результаты современных трибологических исследований, связанных с разработкой несмазываемых подшипников, отражают существенные достижения в этом направлении, преимущественно в области создания современных антифрикционных конструкционных материалов, как правило, композиционных. При этом отмечается, что температура трущихся поверхностей наряду с нормальным контактным давлением и скоростью скольжения является одним из основных факторов, определяющих работоспособность и долговечность несмазываемого узла трения. Это обусловлено существенным влиянием теплового состояния композиционных материалов на их механические, теплофизические, триботехнические свойства и трудностью отвода теплоты из зоны трения в связи с низкими значениями коэффициента теплопроводности большинства таких материалов. Эта проблема особенно актуальна для изделий, узлы трения которых работают в условиях повышенных скоростей скольжения и непрерывной работы, в том числе для компрессорных и расширительных турбоагрегатов.
Очевидно, что создание работоспособных несмазываемых радиальных подшипниковых узлов трения скольжения для высокоскоростных турбоагрегатов требует проведения глубокого анализа теплового состояния трущихся поверхностей при различных режимах эксплуатации, режимах и схемах охлаждения и конструктивного исполнения; учёта влияния температуры трущихся поверхностей деталей на их триботехнические свойства; а также создания эффективной системы охлаждения, обеспечивающей требуемый температурный режим работы подшипника. В тоже время результаты проведенного аналитического обзора свидетельствуют о существенном дефиците опубликованных результатов исследований процессов охлаждения несмазываемых подшипников скольжения; об отсутствии методов расчёта, учитывающих взаимное влияние теплового состояния подшипника, величины коэффициента трения и скорости изнашивания. Известные технические решения, связанные с охлаждением несмазываемого подшипника, носят частный характер и их применение в конструкторских разработках затруднительно.
Актуальность данной работы состоит в необходимости создания работоспособных охлаждаемых несмазываемых радиальных металлополимерных подшипников скольжения для малорасходных турбоагрегатов, а также методов их расчета, учитывающих взаимное влияние теплового состояния подшипника и характеристик триботехнических свойств материала подшипника.
Связь темы диссертационного исследования с общенаучными, государственными программами. Работа выполнена в рамках госбюджетной фундаментальной НИР 4.11Ф «Разработка методов теоретического и экспериментального исследования процессов теплообмена и газодинамики в криволинейных пространственных потоках»; госбюджетной НИР «Поисковые
исследования путей создания комбинированного двигателя нового типа на основе использования роторно-поршневого газогенератора и газотурбинной расширительной машины» (государственный контракт № 1551 от 24.03.2008 г. на основании Постановления Правительства РФ № 771-35 от 10.11.2007 г.).
Цель и задачи исследования. Целью данной работы является обоснование метода обеспечения работоспособности несмазываемых радиальных металлополимерных подшипников скольжения малорасходных турбоагрегатов, основанного на их интенсивном охлаждении и совершенствовании конструкций.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Уточнить математическую модель теплового состояния охлаждаемого
несмазываемого радиального металлополимерного подшипникового узла трения
скольжения, введя в расчётную схему реальные условия охлаждения серповидного
пространства и мгновенное распределение теплоты по поверхности вращающегося
вала.
2. Разработать методику и стенд для экспериментального исследования влияния
температурных режимов охлаждаемого несмазываемого радиального
металлополимерного подшипника скольжения на его триботехнические свойства.
3. Провести экспериментальные исследования охлаждаемого несмазываемого
радиального металлополимерного подшипника скольжения и выявить
закономерности влияния температуры на триботехнические свойства полимерных
композиционных материалов Ф4К20, Ф4РМ, 7В-2А.
-
Провести численный параметрический анализ влияния конструктивных и режимных параметров на тепловое состояние охлаждаемого несмазываемого радиального металлополимерного подшипника скольжения малорасходного турбоагрегата.
-
Разработать две методики: для определения триботехнических свойств и теплового состояния, а также для оценки ресурса охлаждаемого несмазываемого радиального металлополимерного подшипника скольжения малорасходного турбоагрегата.
-
Разработать рекомендации по проектированию охлаждаемых несмазываемых радиальных металлополимерных подшипников скольжения.
Научная новизна определяется следующими результатами:
1. Созданием уточненной математической модели теплового состояния
охлаждаемого несмазываемого радиального металлополимерного подшипника
скольжения;
-
Установленными закономерностями влияния температуры и нагружения трущихся поверхностей на триботехнические свойства охлаждаемого несмазываемого радиального металлополимерного подшипникового узла трения скольжения с антифрикционными полимерными композиционными материалами Ф4К20, Ф4РМ, 7В-2А;
-
Результатами теоретического и экспериментального исследования влияния режима охлаждения, режима эксплуатации и конструктивных параметров элементов несмазываемого радиального металлополимерного подшипника скольжения малорасходного турбоагрегата на его работоспособность.
Практическая ценность состоит в следующем:
1. Предложены две методики: для определения характеристик триботехнических свойств и теплового состояния охлаждаемого несмазываемого металлополимерного подшипника скольжения турбоагрегата, а также для оценки его ресурса; в том числе
получены эмпирические зависимости коэффициента трения и скорости изнашивания от контактного давления и температуры в зоне трения, а также установлены границы рабочей области для подшипников с полимерными композиционными материалами Ф4К20, Ф4РМ, 7В-2А в диапазоне контактных давлений и температур трущихся поверхностей соответственно 0,17 - 1 МПа и Ттр=320 - 420 К при относительной скорости скольжения трущихся поверхностей 10,5 м/с.
2. Разработаны рекомендации по проектированию охлаждаемых несмазываемых радиальных металлополимерных подшипников скольжения малорасходных турбоагрегатов и их конструкции. Новизна одного из предложенных технических решений подтверждена патентом РФ на изобретение. Результаты проведенных исследований внедрены на ОАО «УКЗ» (г. Екатеринбург) и в учебный процесс кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология» ОмГТУ.
На защиту выносятся:
1. Уточненная математическая модель теплового состояния охлаждаемого
несмазываемого радиального металлополимерного подшипника скольжения;
-
Эмпирические зависимости скорости изнашивания и коэффициента трения от температуры в зоне трения и контактного давления охлаждаемого несмазываемого металлополимерного узла трения с антифрикционными полимерными композиционными материалами Ф4К20, Ф4РМ, 7В-2А;
-
Две методики: для определения характеристик триботехнических свойств и теплового состояния охлаждаемого несмазываемого металлополимерного подшипника скольжения турбоагрегата, а также для оценки его ресурса;
4. Результаты теоретического исследования влияния режима охлаждения,
условий эксплуатации и конструктивных параметров элементов несмазываемого
металлополимерного подшипника скольжения малорасходного турбоагрегата на его
работоспособность и рекомендации по его проектированию.
Достоверность полученных в работе результатов подтверждается:
- использованием в математической модели фундаментальных законов физики,
трибологии и термодинамики; обоснованным выбором численного метода и
расчётной схемы;
- применением современных измерительных приборов, оборудования и
компьютерной техники при проведении экспериментальных исследований;
- удовлетворительным соответствием полученных и известных теоретических и
экспериментальных данных.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на XII международной научно - технической конференции "Hermetic sealing, vibration reliability and ecological safety of pump and compressor machinery", (Kielce, 2008); II Всероссийской студенческой научно - практической конференции "Вакуумная, компрессорная техника и пневмоагрегаты", (Москва, 2009); VII Международной научно - технической конференции "Динамика систем, механизмов и машин ", (Омск, 2009); на VII Международной научно - технической конференции молодых специалистов "Исследование, конструирование и технология изготовления компрессорных машин", (Казань, 2009); на Международной конференции с элементами научной школы для молодежи "Инновационные разработки в области техники и физики низких температур", (Москва, 2010); на XV Международной научно - технической конференции по компрессорной технике, (Казань, 2011); XIII Международной научно - технической конференции "Герметичность,
вибронадежность и экологическая безопасность насосного и компрессорного оборудования" - "ГЕРВИКОН - 2011", (Сумы, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликована 21 научная печатная работа, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, получен 1 патент на изобретение.
Объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, приложений; содержит 215 страниц текста, 103 рисунка, 22 таблицы, 3 приложения. Список литературы включает 141 наименование.
