Научный журнал

Современные наукоемкие технологии

ISSN 1812-7320

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,940

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Кобзев Р.А. 1 Кудашева И.О. 1 Мамаев Д.С. 2

---

1 БИТИ НИЯУ «МИФИ Балаковский инженерно-технологический институт» – ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

2 ВВИМО «Вольский военный институт материального обеспечения (филиал)» Военной академии материально-технического обеспечения имени генерала армии А.В. Хрулёва

В статье рассмотрена математическая модель поведения масляного слоя в подшипнике скольжения с эффектом П.А. Ребиндера и решена задача повышения несущей способности и эксплуатационной надежности подшипника скольжения шатуна комбинированного форсированного дизеля снижением динамики ударного нагружения масляного слоя применением ПАВ, нанесённого на приработочное покрытие вкладыша с рабочей стороны. Установлено, что коэффициент динамичности, как критерий эффекта П.А. Ребиндера в масляном слое подшипника скольжения шатуна форсированного дизеля при сгорании топлива, зависит от приведённого коэффициента сопротивления, учитывающего потери энергии при перемещении сервовитной плёнки относительно приложенной массы колеблющейся системы, массы сервовитной плёнки и частоты собственных колебаний системы. Приведены расчётные значения эффекта П.А. Ребиндера через коэффициент динамичности, который показывает, что при использовании ПАВ в масляном слое подшипника скольжения при сгорании топлива колебательный процесс нейтрализуется за счёт демпфирующей способности сервовитной плёнки до значений, определяемых погрешностью измерительной аппаратуры.

Статья в формате PDF

0 KB

подшипник скольжения

гидродинамические колебания

поверхностно-активные вещества

масляная пленка

динамика нагружения

коэффициент динамичности

1. Захаров Р.С., Горбачевский Е.В., Яцковский Е.Н. Влияние свойства масла на работоспособность и надежность подшипников коленчатого вала дизеля 6ЧН 25/34. – М.: НИИИНФОРМТЯЖМАШ, 4-70-5. – С. 3–7.

2. Косырев С.П., Гребнев В.М. Гидродинамические колебания в масляном слое шатунного подшипника высокофорсированного дизеля // Двигателестроение. – 1989. – № 2. – С. 10–11.

3. Косырев С.П., Гребнев В.М. Математическая модель гидродинамических колебаний в масляном слое шатунных подшипников высокофорсированных дизелей в условиях динамического нагруженного кривошипно-шатунного механизма // Двигателестроение. – 1988. – № 11. – С. 14–18.

4. Левитский Н.И. Колебания в механизмах. – М.: Наука, 1988.

5. Носов С.С. Статическая и динамическая прочность элементов шатуна. – М.: ГОСИНТИ, 1958.

6. Патент 2028594 Россия, МКИ G 01 М 15/00. Косырев С.П., Гребнев В.М. Способ измерения толщины масляного слоя шатунного подшипника двигателя внутреннего сгорания // Патент Россия. № 4914621. 1995, Бюл. № 4. 4 с.

7. Фролов К.Ф. Вибрация в технике. Справочник. – М.: Машиностроение, 1981. – Т. 6.

Доказано [7], что природа гидродинамических колебаний в масляном слое подшипника скольжения заложена в механических колебаниях КШМ. Существующая в мировом дизелестроении тенденция применения в высокофорсированных дизелях шатунов и подшипников скольжения с относительно малым соотношением l/d (l – ширина подшипника, d – диаметр шейки коленчатого вала) способствует резкому торцовому истечению масла из подшипника, что, как это отмечено в работе [3], в сочетании с динамической нагрузкой может значительно снизить толщину смазочного слоя и несущую способность подшипника.

Как показали исследования [2, 3], к числу наиболее эффективных мер, позволяющих предотвратить полное выдавливание смазочного материала с рабочих поверхностей шейки вала и подшипника, следует отнести применение на трущихся поверхностях подшипников поверхностно-активных веществ (ПАВ) с использованием эффекта П.А. Ребиндера. Изложенное позволяет констатировать, что требуются новые подходы к оценке динамики нагружения с помощью использования эффекта П.А. Ребиндера, учитывающего изменение поведения окисных пленок-эпиламов вследствие адсорбции ПАВ.

Рис. 1. Динамическое нагружение масляного слоя в условиях использования ПАВ

Рис. 2. Максвеллова модель для оценки демпфирующей способности масляного слоя при применении ПАВ

Рассмотрим математическую модель поведения масляного слоя в подшипнике скольжения с эффектом П.А. Ребиндера, приняв допущения, рассмотренные в [1]. Приложенная масса колеблющейся системы 1 жестко опирается на пластину 2, покрытую сервовидной пленкой 3, взаимодействующей с масляным слоем 4 (рис. 1).

Физическую картину масляного слоя подшипника скольжения при применении ПАВ представим максвелловой моделью (рис. 2), состоящей из последовательно включенных идеально упругой цилиндрической пружины, эквивалентной масляному слою, и поршня, перемещающегося в квазисжиженной среде (сервовидная плёнка).

Обозначив силу внешнего воздействия через P(t), реакцию масляного слоя на внешнее воздействие в условиях ПАВ с учётом реакции защитной плёнки на внешнее воздействие можно представить в виде системы уравнений с двумя степенями свободы:

, (1)

где М – приложенная масса колеблющейся системы;

m – масса сервовитной плёнки;

– ускорение приложенной массы М системы относительно статического равновесия z – z;

хГ – ускорение массы антифрикционной плёнки относительно статического равновесия z1 – z1;

FД – диссипативная составляющая масляного слоя;

FY – упругая составляющая масляного слоя.

Систему (1) приводим к виду, приняв

,

. (2)

Здесь b – приведённый коэффициент сопротивления, учитывающий потери энергии при перемещении сервовитной плёнки относительно приложенной массы колеблющейся системы;

с – приведённый коэффициент жесткости упругой системы (цилиндрической пружины).

Для решения системы (2) по операторному методу выполняем преобразование Лапласа [1] при нулевых начальных условиях, обозначая изображение переменных функций х, хГ и P(t) через Y, YГ и Z.

(3)

или

. (4)

Отсюда

. (5)

Из системы (5) динамические передаточные функции имеют вид

. (6)

Периодическая возмущающая сила P(t) от давления газов на поршень ДВС изменяется по гармоническому закону, и интенсивность её распределения в радиальном сечении кривошипной головки шатуна определяется зависимостью [4]:

. (7)

При гармоническом возбуждении (7) комплексные амплитуды гармонических колебаний приложенной массы М колеблющейся системы и массы износостойкой плёнки m можно определить через частотные передаточные функции и комплексные амплитуды вынуждающей системы [1]:

, . (8)

Полагая, что частотные передаточные функции получаются из динамических заменой S на iω, получаем

. (9)

Раскрывая скобки, имеем:

. (10)

Здесь , – определители системы (9). Отделяя мнимую часть от действительной, получаем

. (11)

Из системы (11) выражения амплитуд А и АГ имеют вид:

. (12)

Коэффициент динамичности как критерий П.А. Ребиндера в масляном слое подшипника скольжения в условиях применения ПАВ при сгорании топлива

. (13)

Приведённый коэффициент сопротивления b, который входит в формулу (13), можно определить из зависимости [5]:

,

где р – частота собственных колебаний упругой системы без трения, вызванных квазистатическим колебанием КШМ от крутильных колебаний коленчатого вала;

.

Рассчитанный в качестве примера по приведённому методу для масляного слоя подшипника скольжения с ПАВ высокофорсированного дизеля ЧН21/21 (при M = 27,49 кг, m = 1,925·10^-4 кг, ω = 6089 с^-1, b = 0,1106 кг·с^-1, р = 574,536 с^-1 [7]) коэффициент динамичности К_Д = 1,094. Если же учесть, что в процессе применения ПАВ антифрикционная плёнка образуется не только на рабочей поверхности подшипника, но и на шейке коленчатого вала, то демпфирующая способность масляного слоя увеличивается вдвое и, следовательно, коэффициент динамичности снижается в два раза, т.е. в рассматриваемом примере К_Д = 1,047. Принимая во внимание, что для указанного дизеля PMAX = 13,5 МПа минимальная толщина масляного слоя hmin = 15 мкм [3], а толщина сервовитной плёнки в условиях применения ПАВ h’min = 1 мкм [6], коэффициент динамичности в масляном слое шатунного подшипника К_Д = 1 + 1/15 = 1,066. Приведённое значение КД отличается от расчётного ≈ на 2 %, что находится в допустимой для практики точности.

В результате решения системы динамических уравнений движения пластины в масляном слое в условиях использования ПАВ установлено, что коэффициент динамичности КД как критерий эффекта П.А. Ребиндера в масляном слое подшипника скольжения форсированного дизеля при сгорании топлива зависит от приведённого коэффициента сопротивления, учитывающего потери энергии при перемещении сервовитной плёнки относительно приложенной массы колеблющейся системы, массы сервовитной плёнки и частоты собственных колебаний системы.

В динамической постановке аналитическим методом решена задача определения КД как критерия эффективности П.А. Ребиндера в условиях применения ПАВ в системе смазки подшипника скольжения. Приведённые расчёты по изложенной методике для форсированного дизеля ЧН21/21 показывают, что при PMAX = 13,5МПа К_Д = 1,047, что корреспондируется с КД = 1,066, найденным другим методом, и находится в пределах погрешности измерений (10 %).

Приведённые расчёты значений эффекта П.А. Ребиндера через критерий КД показывают, что при использовании ПАВ в масляном слое подшипника скольжения при сгорании топлива колебательный процесс нейтрализуется за счёт демпфирующей способности сервовитной плёнки до значений, определяемых погрешностью измерительной аппаратуры. В этом случае не требуется уточнение ОСТ 24.040.53 – 80 «Шатуны дизелей и газовых двигателей в части учёта динамических процессов в КШМ при расчёте на прочность и, следовательно, на надёжность».

Библиографическая ссылка