Энергетические характеристики подшипников жидкостного трения с учетом микроотклонений поверхностей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Энергетические характеристики подшипников жидкостного трения с учетом микроотклонений поверхностей

Кольцов А.Ю.,

Просекова А.В.,

Родичев А.Ю.

Аннотация

Рассмотрена совокупность факторов, влияющих на потери мощности на трение в смазочном слое. Сформированы количественные предпосылки расчета полей давлений и моментов трения в радиальном гидростатодинамиеском подшипнике с щелевым дросселированием. Представлены результаты вычислительного эксперимента по влиянию факторов на энергетические характеристики учетом шероховатости поверхности.

Ключевые слова: потери мощности на трение и прокачку, коэффициент полезного действия, поле давлений, гидростатодинамический подшипник с щелевым дросселированием

Гидростатодинамические подшипники представляют собой комбинацию гидродинамического и гидростатического подшипников. В них несущая способность формируется как на основе создания гидродинамических реакций смазочного слоя, так и посредством внешнего давления. Для работы гидростатодинамического подшипника с щелевым дросселированием обеспечивается подача смазочного материала под давлением с торцовой стороны подшипника, что обеспечивает сдвигово- напорные течения в канале. В зависимости от назначение машины, опоры скольжения используемые в ней, могут работать в трех основных режимах трения в зависимости от величины смазочного слоя: жидкостном, полужидкостном и граничном трении [1,2]. При жидкостном режиме трения опорные поверхности полностью разделены смазочным материалом, при полужидкостном - неровности опорных поверхностей перекрыт тонким слоем смазки, граничном режиме трения наблюдается прорывы смазочного слоя и контакт неровностей опорных поверхностей. При дальнейшем уменьшении количества смазки происходит контакт неровностей опорных поверхностей, что приводит к резкому увеличению коэффициента трения и ускоренному износу. Трение в механических узлах является ключевым фактором влияющим на энергетические затраты необходимые для нормального функционирования машины. Общие энергетические потери в подшипниках скольжения складываются из потерь на вязкое трение и из затрат необходимых на перекачивание смазочного материала через подшипник, определяется по формуле[3]:

, (1)

где - потери мощности на вязкое трение в подшипнике скольжения, который определяется по формуле:

, (2)

где - угловая скорость вращения цапфы;

L, D - геометрические параметры подшипника скольжения, длина и диаметр соответственно;

h - функция радиального зазора

U - скорость движения центра цапфы ротора;

- вязкость смазочного материала;

- скорость изменения давления в смазочном слое

- потери мощности на прокачку смазочного материала через подшипник.

Исходя из сказанного ранее, можно сделать вывод, что существенное влияние на работу подшипника скольжения оказывает радиальный зазор между цапфой ротора и втулкой подшипника. Математически функцию радиального можно записать в следующем виде (рис. 1)[4] :

(3)

где - величина радиального зазора идеального опорного узла;

- поправка, учитывающая перекос оси цапфы в подшипнике;

- поправка, учитывающая микронеровности (шероховатость) опорных поверхностей

Учет микронеровностей опорной поверхности, основан на анализе вида поверхности после обработки. Основу микронеровностей составляют риски, оставленные в результате прохода режущего инструмента по поверхности. Для описания микронеровностей, модель которых в достаточной степени отражает форму микронеровностей реальных опорных поверхностей ПС, используем следующую функцию:

(4)

Давление в смазочном слое гидростатодинамического подшипника с щелевым дросселированием (рис. 1) определяется на основании математической модели процессов, происходящих внутри опорного узла, и работы самого подшипника. Для математического описания данного вида подшипника, работающего в режиме жидкостного трения, используется модифицированное уравнение Рейнольдса в изотермической постановке, которое имеет вид [5]:

, (5)

где U и V - скорости движения центра и поверхности цапфы ротора соответсвенно, которые определяются из соотношений:

(6)

Рисунок 1 - Расчетная схема ГСДП подшипника с щелевым дросселированием

Численное значение давления в смазочном слое и его распределение находим путем совместного решения уравнений (2-4) методом конечных разностей. Характерное решение для подшипника с щелевым дросселированием приведено на рисунке 2. Из графика видно, что максимум и минимум давлений достигаются в диаметрально противоположных направления поперечного сечения ГСДП с щелевым дросселированием. Причем максимальное давление соответствует минимальной величине радиального зазора, минимальная величина давления соответствует расширяющееся части зазора. Значительное понижение давления в щели препятствует смазке вытекать из подшипника и постоянно вовлекает ее в зону низкого давления. При недостаточной подаче смазки смазочном слое могут наблюдаться эффекты кавитации, что объясняет появление отрицательных значений при расчете полей давлений.

Рисунок 2 - Распределение давлений в смазочном слое ГСДП с щелевым дросселированием.

В результате интегрирования полученных полей давлений для ГСДП с щелевым дросселированием были получены следующие графики зависимостей потерь мощности на вязкое трение от относительного эксцентриситета при различных параметрах высоты и шага микронеровностей опорных поверхностей (рис. 3)

Рисунок 3 - Влияние параметров шероховатости на потери мощности на трение

Из графиков видно, что с увеличением эксцентриситета потери мощности на трение увеличиваются, что объясняется сближением трущихся шероховатых поверхностей. С увеличением высоты микроненровностей потери мощности на трение возрастают. Увеличение шага микронеровностей не всегда приводит к увеличению потерь мощности на трение, так как увеличение шага микронеровностей приводит к увеличению площади смазочных микрованночек на поверхности подшипника, в результате чего смазка из них может быть использована в процессе работы подшипника как источник дополнительной смазки и восстанавливать истонченную пленку смазочного слоя в зоне минимального зазора.

Потери мощности на прокачку смазочного материала через подшипник определяются по формуле:

(6)

где - расход смазочного материала, определяемый следующим интегральным соотношением:

(7)

В результате расчетов получен следующий график рис. 4. Расчеты показали, что потери мощности на трение имеют значительно меньше значения по сравнению с потерями мощности на трение. Это может быть объяснено тем, что при работе ГСДП с щелевым дросселированием происходит частичное перекрытие зазора микронеровностями, а также наличием перекоса цапфы ротора в подшипнике. Это создает значительное сопротивление течению смазочного материала в подшипнике.

Рисунок 4 - Влияние параметров шероховатости опорных поверхностей на потери мощности на прокачку.

Для оценки эффективности применения гидростатодинамических подшипников с щелевым дросселированием с различными параметрами шероховатости опорной поверхности используем КПД, который определим по формуле:

(8)

где - мощность привода, примем ее равной мощности электродвигателя, так как рассматриваем вращение вала без рабочих органов в подшипниках скольжения, получаем следующие результаты (рис. 5)

Рисунок 5 - Исследование влияние параметров микронеровностей опорных поверхностей на КПД ГСДП с щелевым дросселированием.

С увеличением эксцентриситета КПД ГСДП с щелевым дросселированием уменьшается, что объясняется увеличением потерь мощности на трение, вследствие сближения трущихся шероховатых поверхностей. С увеличением высоты микроненровностей КПД снижается. Увеличение шага микронеровностей не дает однозначного вклинения на КПД подшипникового узла.

По результатам исследования энергетических параметров ГСДП с щелевым дросселированием с учетом микронеровностей опорных поверхностей работающие в жидкостном режиме трения обладают высоким КПД. Для минимизации энергетических потерь в подшипниковом узле рекомендуется использовать подшипники с наименьшей высотой микронеровностей. трение смазочный мощность

Работа выполнена в рамках проекта РНФ №16-19-00186 "Планирование оптимальных по расходу энергии траекторий движения роторов в мехатронных модулей в средах сложной реологии"

Список литературы

1. Савин Л.А. Моделирование роторных систем с опорами жидкостного трения: монография / Л.А. Савин, О.В. Соломин. - М.: Машиностроение-1, 2006. - 444с.

2. Коровчинский М.В. Теоретические основы работы подшипников скольжения, М. Машиностроение, 1959, 186 с.

3. Проектирование механических передач: Учебно-справочное пособие для втузов / С.А. Чернавский, Г.А. Снесарев, Б.С. Козинцов и др.. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1984. - 560 с., ил.

4. Просекова А.В., Кольцов А.Ю. Моделирование рабочих поверхностей роторно-опорных узлов с учетом макро- и микронеровностей // А.В. Просекова, А.Ю. Кольцов // Известия Госуниверситет-УНПК. Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - №5 (307). - Орел: Госуниверситет-УНПК, 2014. - С.39-43

5. Просекова А.В., Родичев А.Ю., Савин Л.А. Технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик биметаллических подшипников скольжения // Научно-методический электронный журнал "Концепт". - 2016. - Т. 11. - С. 3426-3430. - URL: http://e-koncept.ru/2016/86722.htm

Размещено на Allbest.ru