Введение к работе
Актуальность темы. Ведущей тенденцией развития современного машиностроения является повышение его эффективности и надежности в связи с постоянным ростом нагрузочно-скоростных и температурных режимов эксплуатации машин. Одним из основных конструктивных элементов, наиболее распространенных и ответственных за безотказность эксплуатируемых агрегатов, являются подшипники скольжения, а их износостойкость напрямую зависит от механизма смазывания и применяемых смазочных материалов. Причем наиболее эффективным режимом смазывания является гидродинамический.
Типичные жидкие смазочные материалы состоят из базового масла и присадок, определяющих конкретные эксплуатационные свойства подшипников. В последнее время широкое применение гидродинамического смазывания трибо-систем потребовало разработки новых высокоэффективных жидких смазочных материалов. К ним можно отнести большинство неньютоновских смазочных жидкостей, обладающих одновременно вязкоупругопластичными и микрополярными свойствами. Инженерная практика применения этих смазочных материалов опережает разработку теоретических расчетных моделей, что затрудняет их широкое внедрение в машиностроение.
Следует отметить, что только многопараметрические зависимости обеспечивают универсальность и адаптивность моделей. Это прежде всего реология смазочной среды: вязкоупругость, вязкопластичность, вязкоупругопластичность и микрополярность с комплексом вязкоупругопластичных свойств. Кроме того, существенную роль играют параметры контактных поверхностей (профиль, податливость); конструктивные типы подшипников (радиальные, упорные); характер течения смазочного материала (ламинарное и турбулентное); режим движения вала (стационарный и нестационарный).
Настоящая диссертационная работа посвящена расширению и углублению задач гидродинамической теории смазывания, в результате решения которых получены расчетные модели, учитывающие взаимодействие вышеуказанных параметров. Совокупность рассматриваемых в диссертации задач позволяет развить целый класс расчетных моделей для описания трибологических процессов.
Таким образом, тематика настоящей работы, посвященной исследованию гидродинамического смазывания подшипников эффективными неньютоновскими смазочными материалами со сложными реологическими свойствами (одновременно вязкоупругопластичными и микрополярными свойствами), представляется важной и актуальной. Возможность численного анализа полученных моделей, способствующая выработке реальных рекомендаций, может служить дополнительным фактором актуальности темы исследования.
Степень разработанности темы. В последнее время разрабатываются математические методы, и получен ряд моделей, позволяющих учитывать отдельные реологические особенности смазочных материалов. К таким работам относятся труды К.С. Ахвердиева, А.К. Дьячкова, Е.А. Задорожной, С.М. Захарова, В.И. Колесникова, М.В. Коровчинского, В.Н. Прокопьева, Ю.В. Рождественского, Л.А. Савина.
Однако анализ существующих работ показывает, что в этих исследованиях отсутствует многофакторность, одновременно раскрывающая влияние комплекса параметров, описывающих процессы, параллельно протекающие в смазочных материалах.
Данная диссертация выполнена на стыке двух смежных специальностей: 05.02.04 «Трение и износ в машинах» и 05.02.02 «Машиноведение, системы приводов и детали машин».
Цель и задачи работы. Целью исследований является повышение эффективности работы подшипников скольжения в гидродинамическом режиме смазывания, обеспеченном неньютоновскими смазочными материалами, а также увеличение точности расчетов при проектировании трибосистем, работающих в условиях неклассической гидродинамики.
В области исследований специальности 05.02.04 «Трение и износ в машинах» поставленная цель достигается путем выполнения нижеследующих основных задач.
-
Установление влияния на работу подшипников скольжения их характеристик (типа конструкции и вида опорного профиля) в условиях применения смазочных материалов со сложными реологическими свойствами (вязкоупруго-пластичными и микрополярными, обладающими одновременно вязкоупругопла-стичными свойствами).
-
Выявление особенностей эксплуатации подшипников скольжения при их использовании для создания гидродинамического режима неньютоновских смазочных материалов (вязкоупругопластичных, микрополярных и обладающих одновременно вязкоупругопластичными свойствами).
-
Оценка влияния разработанных математических расчетных моделей радиальных и упорных подшипников скольжения на основе нелинейного уравнения Максвелла, с учетом реологических свойств вязкоупругопластичного смазочного материала, в условиях стационарного и нестационарного режимов трения на несущую способность и силу трения.
-
Экспериментальная проверка теоретически установленных закономерностей работы подшипников скольжения в условиях гидродинамического режима смазывания неньютоновскими жидкостями.
В области исследований специальности 05.02.02 «Машиноведение, системы приводов и детали машин» основные частные задачи представлены ниже.
-
Разработать комплекс уточненных расчетных моделей подшипников скольжения с учетом реологических свойств вязкоупругопластичного смазочного материала на основе нелинейного уравнения Максвелла при стационарном и нестационарном режимах трения.
-
Разработать комплекс уточненных расчетных моделей подшипников скольжения, учитывающий особенности реологии микрополярных жидких смазочных материалов, обладающих одновременно вязкоупругопластичными свойствами (зависимость вязкости и модуля сдвига от давления и температуры, а также предельного напряжения сдвига).
-
Установить на основе математического моделирования и численного анализа основные закономерности повышения несущей способности подшипников скольжения, работающих на смазочных материалах, обладающих сложными реологическими свойствами, в условиях стационарного и нестационарного режимов трения, а также ламинарного и турбулентного течения смазочной жидкости.
-
Осуществить экспериментальную оценку применимости разработанного комплекса расчетных моделей для проектировочных и проверочных расчетов трибосистем, смазываемых неньютоновскими жидкостями.
Научная новизна результатов исследований заключается в следующем.
-
При разработке комплекса расчетных моделей для условий смазывания жидкими смазочными материалами, обладающими сложными реологическими свойствами, оригинальной методологической особенностью их формирования являлось введение автомодельной переменной, которая для радиальных подшипников представляет собой отношение радиуса, а для упорных – отношение ординаты контура опорной поверхности к толщине смазочного слоя.
-
Разработанные расчетные модели позволили установить величину основных триботехнических параметров упорных и радиальных подшипников скольжения при их смазывании вязкоупругопластичными смазочными материалами, а также микрополярным смазочным материалом, обладающим вязкоупру-гопластичными свойствами.
-
Впервые при формировании расчетных моделей радиальных и упорных подшипников учитывалось параллельно несколько особенностей применяемых смазочных материалов, таких как вязкоупругопластичные, а также одновременно микрополярные и вязкоупругопластичные.
-
При получении расчетных моделей подшипников скольжения, работающих на смазочных материалах, обладающих сложными реологическими свойствами, впервые учитывалось ламинарное и турбулентное течение жидкого смазочного материала при нестационарном и стационарном режимах трения.
-
Впервые при получении расчетных моделей радиальных и упорных подшипников скольжения, работающих на вязкоупругопластичном смазочном материале, при стационарном режиме трения, а также при нестационарном режиме для упорного подшипника скольжения с учетом реологических свойств вязко-упругопластичного смазочного материала использовано нелинейное уравнение Максвелла, позволяющее оценить влияние нелинейных факторов на устойчивость режима работы.
-
Сформирован уточненный комплекс расчетных моделей для выбора при проектировании и предпроектных расчетах требуемой конструкции подшипников с адаптированным профилем опорной поверхности.
Практическая значимость работы состоит в следующем.
1. На основе общего методологического подхода сформирован комплекс уточненных расчетных моделей подшипников скольжения разной конструкции, работающих в условиях гидродинамического трения на ряде неньютоновских
жидких смазочных материалов, позволяющий оценить основные эксплуатационные характеристики трибосистем: величину гидродинамического давления, несущую способность и силу трения.
-
Полученный комплекс расчетных моделей для упорных и радиальных подшипников скольжения, работающих на смазочных материалах, обладающих сложными реологическими свойствами, позволяет в условиях гидродинамического трения при стационарном и нестационарном режимах трения и учете ламинарного и турбулентного течения смазочного материала определить величину основных триботехнических параметров подшипников скольжения.
-
Впервые на основе нелинейного уравнения Максвелла разработан комплекс расчетных моделей радиальных и упорных подшипников скольжения с учетом реологических свойств вязкоупругопластичного смазочного материала при стационарном и нестационарном режимах трения, позволяющий оценить основные эксплуатационные характеристики трибосистем: величину гидродинамического давления, несущую способность и силу трения.
-
Экспериментальная оценка эффективности разработанных расчетных моделей подшипников скольжения в широкой области конструкционных и эксплуатационных параметров позволяет выполнять с достаточной для инженерных предпроектных и проектировочных расчетов точностью определение основных рабочих характеристик подшипников скольжения.
Методы диссертационного исследования поставленных задач базируются на решении основополагающих уравнений гидромеханики жидкости, адаптированных к свойствам ряда применяемых смазочных материалов с неньютоновскими свойствами (линейное и нелинейное уравнения Максвелла, диссипации энергии, Навье – Стокса), а также к конструктивным и эксплуатационным параметрам исследуемых подшипников скольжения.
Численный анализ результатов теоретических исследований в виде расчетных моделей осуществлялся на компьютере, оснащенном современным программным обеспечением.
Исследования экспериментального плана выполнялись на прецизионном современном оборудовании: машине трения моделей Т-11 и ИИ 5018 при планировании экспериментов и статистической обработке результатов.
Положения, выносимые автором на защиту
-
Комплекс уточненных расчетных моделей радиальных и упорных подшипников скольжения, эксплуатируемых в условиях гидродинамики, при учете специфики таких физико-механических свойств применяемых смазочных материалов, как вязкоупругопластичность, а также микрополярность, обладающая вязкоупругопластичными свойствами.
-
Новая универсальная методология формирования расчетных моделей на основе введения в расчет автомодельных переменных для упорных и радиальных подшипников, работающих в условиях гидродинамики с применением смазочных материалов, обладающих сложными реологическими свойствами.
-
Результаты решения комплекса разработанных расчетных моделей радиальных и упорных подшипников скольжения на основе нелинейного уравнения Максвелла с учетом реологических свойств вязкоупругопластичного смазочного материала при стационарном и нестационарном режимах трения.
-
Результаты решения поставленной задачи о работе радиального и упорного подшипников скольжения в условиях ламинарного и турбулентного течения жидкого смазочного материала, обладающего неньютоновскими свойствами, в условиях стационарного и нестационарного движения вала.
-
Возможность осуществлять в определенных пределах на основе полученных расчетных моделей проектную оценку основных инженерных триботех-нических параметров в виде коэффициентов трения и несущей способности подшипников скольжения в условиях применения новых смазочных материалов, обладающих сложными реологическими свойствами.
Достоверность полученных результатов достигалась корректной постановкой задач исследований, применением уравнений классической гидродинамики и программ современных численных расчетов. Экспериментальные исследования проводились при 3–5 параллельных опытах на своевременно поверенном оборудовании, по полнофакторным планам с последующей статистической обработкой результатов.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности
Диссертационная работа соответствует паспорту научной специальности 05.02.04 в следующих областях исследований:
– пункту 4 «Смазочное действие: гидродинамическая смазка ...» – исследован комплекс условий гидродинамического смазывания жидкими смазочными материалами, обладающими сложными реологическими свойствами;
– пункту 8 «Триботехнические свойства смазочных материалов» – рассмотрена зависимость вязкости смазочных материалов и модуля сдвига от давления и температуры, а также предельного напряжения сдвига;
– пункту 10 «Физическое и математическое моделирование ...» – получены регрессионные модели параметров трения,
и паспорту научной специальности 05.02.02 в следующих областях исследований: – пункту 1 «Теория и методы исследования процессов, влияющих на техническое состояние объектов ...» – рассмотрены различные условия реализации гидродинамического трения в радиальных, упорных подшипниках скольжения;
– пункту 5 «Повышение точности и достоверности расчетов ...» – получены уточненные расчетные модели трибосистем в условиях применения смазочных материалов, обладающих сложными реологическими свойствами (вязкоупруго-пластичными и микрополярными, обладающими одновременно вязкоупругопла-стичными свойствами).
Таким образом, диссертация отвечает паспорту специальностей 05.02.04 «Трение и износ в машинах» и 05.02.02 «Машиноведение, системы приводов и детали машин».
Личный вклад соискателя заключается: в самостоятельном получении комплекса уточненных расчетных моделей радиальных и упорных подшипников скольжения с учетом особенности реологических свойств вязкоупругопластич-ного смазочного материала на основе нелинейного уравнения Максвелла при стационарном и нестационарном режимах трения, а также микрополярных жидких смазочных материалов, обладающих одновременно вязкоупругопластич-ными свойствами (зависимость вязкости и модуля сдвига от давления и температуры, а также предельного напряжения сдвига); в планировании, проведении и обработке результатов экспериментальных исследований, проведенных на машине трения и специальном стенде; в непосредственном участии в промышленных испытаниях, а также в самостоятельном написании и непосредственном участии в написании ряда научных статей. В статьях с соавторами вклад соискателя состоит в выполнении расчетов, лабораторных исследований или их обработке.
Апробация и реализация результатов исследований осуществлялись публикациями статей в научных журналах и тематических сборниках в количестве 28 работ, 12 из которых опубликованы в рецензируемых научных журналах и изданиях, в т. ч. 2 – в изданиях, включенных в международную реферативную базу данных Scopus.
Основные результаты работы доложены на 9 международных научно-технических и научно-практических конференциях: «Новые материалы и технологии в машиностроении» (Брянская государственная инженерно-технологическая академия, г. Брянск, 2013 г., 2014 г.); «Транспорт-2013», «Транспорт-2016», «Транспорт-2017» (РГУПС, г. Ростов-на-Дону, 2013 г., 2016 г., 2017 г.); «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути их развития» (г. Одесса, 2013 г); «Инновационные процессы в научной среде» (г. Уфа, 2014 г.); «Наука и образование в XXI веке» (г. Тамбов, 2017 г.); «Полимерные композиты и трибология» (г. Гомель, Беларусь, 2017 г.).
Кроме того, выполненные разработки прошли удовлетворительные промышленные испытания в шпиндельных узлах фрезерных станков ЗАО «Донкуз-литмаш».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 153 наименований и 1 приложения. Общий объем работы составляет 191 страниц, 60 иллюстраций и 7 таблиц.