Помощь студентам в учебе
Исследование влияния адсорбционного граничного слоя моторного масла на работоспособность подшипников скольжения
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 7
1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 10
1.1 Сведения о изменении значения вязкости масел, контактирующих с поверхностями твердых тел 10
1.2 Сведения касательно влияния на вязкость масла, контактирующего с
поверхностью твердого тела в реологии дисперсных систем 17
1.3 Теории и механизмы полимолекулярной адсорбции смазочных материалов,
находящихся на поверхностях твердых тел 21
1.4 Данные о взаимосвязи составом смазочного материала и его
трибофизическими свойствами 26
1.5 Программное обеспечение, которое используется при расчете
гидромеханических характеристик подшипников скольжения 29
2 МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ ГРАНИЧНЫХ СЛОЕВ И РЕОЛОГИЧЕСКАЯ
МОДЕЛЬ ДЛЯ ОПИСАНИЯ ВЯЗКОСТИ ТОНКИХ СЛОЕВ СМАЗОЧНОГО МАТЕРИАЛА 33
2.1 Закономерности адсорбции компонентов смазочных материалов на
металлических поверхностях 36
2.2 Механические свойства полимолекулярных адсорбционных слоев 42
2.3 Влияние давления на вязкость смазочного граничного слоя 44
2.4 Зависимость вязкости смазочного граничного слоя от скорости сдвига 44
3 ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА СМАЗКИ ПОДШИПНИКОВ
СКОЛЬЖЕНИЯ 46
3.1 Уравнение движения центра шипа 46
3.2 Уравнения для определения поля гидродинамических давлений 49
З.ЗОбобщенное уравнение Рейнольдса для гидродинамических давлений в смазочном слое неньютоновской жидкости 53
3.4 Обобщенное уравнение Рейнольдса для радиального подшипника 56
3.5 Определение вязкости смазки с учетом высоковязкого граничного слоя .... 62
3.6 Тепловое состояние подшипника 68
3.7 Интегральные гидромеханические характеристики 69
3.8 Алгоритм расчёта гидромеханических характеристик подшипников
скольжения 71
4 РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ, РАБОТАЮЩИХ В РЕЖИМЕ ГРАНИЧНОГО ТРЕНИЯ 75
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 105
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 107
ВВЕДЕНИЕ 7
1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 10
1.1 Сведения о изменении значения вязкости масел, контактирующих с поверхностями твердых тел 10
1.2 Сведения касательно влияния на вязкость масла, контактирующего с
поверхностью твердого тела в реологии дисперсных систем 17
1.3 Теории и механизмы полимолекулярной адсорбции смазочных материалов,
находящихся на поверхностях твердых тел 21
1.4 Данные о взаимосвязи составом смазочного материала и его
трибофизическими свойствами 26
1.5 Программное обеспечение, которое используется при расчете
гидромеханических характеристик подшипников скольжения 29
2 МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ ГРАНИЧНЫХ СЛОЕВ И РЕОЛОГИЧЕСКАЯ
МОДЕЛЬ ДЛЯ ОПИСАНИЯ ВЯЗКОСТИ ТОНКИХ СЛОЕВ СМАЗОЧНОГО МАТЕРИАЛА 33
2.1 Закономерности адсорбции компонентов смазочных материалов на
металлических поверхностях 36
2.2 Механические свойства полимолекулярных адсорбционных слоев 42
2.3 Влияние давления на вязкость смазочного граничного слоя 44
2.4 Зависимость вязкости смазочного граничного слоя от скорости сдвига 44
3 ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА СМАЗКИ ПОДШИПНИКОВ
СКОЛЬЖЕНИЯ 46
3.1 Уравнение движения центра шипа 46
3.2 Уравнения для определения поля гидродинамических давлений 49
З.ЗОбобщенное уравнение Рейнольдса для гидродинамических давлений в смазочном слое неньютоновской жидкости 53
3.4 Обобщенное уравнение Рейнольдса для радиального подшипника 56
3.5 Определение вязкости смазки с учетом высоковязкого граничного слоя .... 62
3.6 Тепловое состояние подшипника 68
3.7 Интегральные гидромеханические характеристики 69
3.8 Алгоритм расчёта гидромеханических характеристик подшипников
скольжения 71
4 РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ, РАБОТАЮЩИХ В РЕЖИМЕ ГРАНИЧНОГО ТРЕНИЯ 75
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 105
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 107
Трибологией в настоящий момент рассматривается множество вопросов, важнейшее место среди которых занимает разработка методов, для повышения надежности и ресурса узлов трения. Постоянно повышающиеся требования к абсолютной, а так же удельной мощностям двигателей внутреннего сгорания, а так же увеличение требований касающихся, как долговечности, так и топливной экономичности, ведут к повышению нагрузок, приходящихся на детали кривошипно-шатунного механизма ДВС.
Ввиду необходимости, обеспечения работы трибосопряжения в жидкостном режиме трения, при разработке основных узлов трения ДВС, главной задачей при выполнении математического моделирования процессов, происходящих в узле трения, является определение значений для параметров, таких как - частоты вращения коленчатого вала, рабочей температуры, нагрузок действующих на узел трения, при которых происходит или становится наиболее вероятным переход от гидродинамического режима трения, при котором происходит полное разделение поверхностей трения смазочным материалом, к режиму с непосредственным контактированием поверхностей («граничный» режим трения).
Граничное трение и смазка в настоящий момент является наименее изученными областями науки, до сих пор не разработаны корректные инженерные методики расчёта деталей машин, в том числе и подшипников скольжения, работающих при граничной смазке [1]. Для того, чтобы достичь соответствие с экспериментальными данными, которые позволят полноценно использовать математическое моделирование в проектировании подшипников скольжения, работающих в режиме жидкостного трения, разработать методики расчета, которые позволят решать ряд сопряженных задач, включающих, наряду с расчетом тепломассообмена, гидродинамических и эластогидродинамических факторов, моделирование сложного реологического поведения реальных смазочных материалов. Среди этих задач центральное место отводится моделированию влияния на гидромеханические характеристики подшипников противоизносных присадок. Вопреки известности о фактах влияния
поверхностно-активных веществ (ПАВ) на вязкость смазочных материалов в слое, который непосредственно прилегает к поверхности твердого тела [2 - 9], а также на диапазон рабочих температур, контактных давлений в трибосопряжении, скоростей смещения поверхностей трибосопряжений, при котором реализуется режим жидкостного трения, соответствующие реологические модели для смазочных масел в данный момент практически неизвестны. Существующая сегодня теория о гидродинамической смазке не содержит никаких внутренних критериев, которые бы отличали смазочные материалы от любых других жидкостей, и таким образом не дает объяснить разницу в гидромеханических характеристиках трибосопряжений, которые смазываются маслами с равной вязкостью, но содержащими в своем составе разнообразные противоизносные присадки или разную их концентрацию или количество.
Поэтому, появляется необходимость определить степень влияния противоизносных присадок на реология смазочных материалов.
Большую роль в развитие методологии расчета сложнонагруженных узлов трения, с учетом реологических характеристик смазочного материала, сыграла научная деятельность таких ученых: А.К. Дьячков, С.М. Захаров, М.В. Коровчинский, В.Н. Прокопьев, Ю.В. Рождественский, Л.А. Савин, В.И. Суркин, И.А. Тодер, Н.Н. Типей, T.W. Bates, J.F. Booker, P.K. Goenka, B.A. Gecim, S.D. Gulwadi, D.R. Chen, R.S. Paranjpe, H.K. Hirani и др.
Цель исследования: заключается в исследовании влияния высоковязкого граничного слоя на гидромеханические характеристики и работоспособность подшипников скольжения.
Задачи исследования. Цель работы достигается при решении следующих задач:
1. Выполнить обзор литературных источников в области граничного трения.
2. Описать механизма образования граничных слоев и реологической модели для тонких смазочных слоев.
3. Разработать алгоритм решения гидродинамической задачи смазки с учетом высоковязкого граничного слоя на поверхностях трения.
4. Провести расчёты гидромеханических характеристик подшипников,
работающих в режиме граничного трения.
5. Оценить влияние различных реологических характеристик, на работу подшипников скольжения.
Объект исследования. Гидромеханические характеристики и
работоспособность подшипников скольжения.
Предмет исследования. Влияние изменения различных трибологических характеристик смазочных материалов, на условия работы подшипников скольжения в режиме граничного трения.
Гипотеза: При увеличении относительного эксцентриситета подшипника скольжения изменяется режим трения с гидродинамического в граничный, и в этом случае большое влияние оказывает параметр характеризующий толщину граничного слоя при сдвиге.
Ввиду необходимости, обеспечения работы трибосопряжения в жидкостном режиме трения, при разработке основных узлов трения ДВС, главной задачей при выполнении математического моделирования процессов, происходящих в узле трения, является определение значений для параметров, таких как - частоты вращения коленчатого вала, рабочей температуры, нагрузок действующих на узел трения, при которых происходит или становится наиболее вероятным переход от гидродинамического режима трения, при котором происходит полное разделение поверхностей трения смазочным материалом, к режиму с непосредственным контактированием поверхностей («граничный» режим трения).
Граничное трение и смазка в настоящий момент является наименее изученными областями науки, до сих пор не разработаны корректные инженерные методики расчёта деталей машин, в том числе и подшипников скольжения, работающих при граничной смазке [1]. Для того, чтобы достичь соответствие с экспериментальными данными, которые позволят полноценно использовать математическое моделирование в проектировании подшипников скольжения, работающих в режиме жидкостного трения, разработать методики расчета, которые позволят решать ряд сопряженных задач, включающих, наряду с расчетом тепломассообмена, гидродинамических и эластогидродинамических факторов, моделирование сложного реологического поведения реальных смазочных материалов. Среди этих задач центральное место отводится моделированию влияния на гидромеханические характеристики подшипников противоизносных присадок. Вопреки известности о фактах влияния
поверхностно-активных веществ (ПАВ) на вязкость смазочных материалов в слое, который непосредственно прилегает к поверхности твердого тела [2 - 9], а также на диапазон рабочих температур, контактных давлений в трибосопряжении, скоростей смещения поверхностей трибосопряжений, при котором реализуется режим жидкостного трения, соответствующие реологические модели для смазочных масел в данный момент практически неизвестны. Существующая сегодня теория о гидродинамической смазке не содержит никаких внутренних критериев, которые бы отличали смазочные материалы от любых других жидкостей, и таким образом не дает объяснить разницу в гидромеханических характеристиках трибосопряжений, которые смазываются маслами с равной вязкостью, но содержащими в своем составе разнообразные противоизносные присадки или разную их концентрацию или количество.
Поэтому, появляется необходимость определить степень влияния противоизносных присадок на реология смазочных материалов.
Большую роль в развитие методологии расчета сложнонагруженных узлов трения, с учетом реологических характеристик смазочного материала, сыграла научная деятельность таких ученых: А.К. Дьячков, С.М. Захаров, М.В. Коровчинский, В.Н. Прокопьев, Ю.В. Рождественский, Л.А. Савин, В.И. Суркин, И.А. Тодер, Н.Н. Типей, T.W. Bates, J.F. Booker, P.K. Goenka, B.A. Gecim, S.D. Gulwadi, D.R. Chen, R.S. Paranjpe, H.K. Hirani и др.
Цель исследования: заключается в исследовании влияния высоковязкого граничного слоя на гидромеханические характеристики и работоспособность подшипников скольжения.
Задачи исследования. Цель работы достигается при решении следующих задач:
1. Выполнить обзор литературных источников в области граничного трения.
2. Описать механизма образования граничных слоев и реологической модели для тонких смазочных слоев.
3. Разработать алгоритм решения гидродинамической задачи смазки с учетом высоковязкого граничного слоя на поверхностях трения.
4. Провести расчёты гидромеханических характеристик подшипников,
работающих в режиме граничного трения.
5. Оценить влияние различных реологических характеристик, на работу подшипников скольжения.
Объект исследования. Гидромеханические характеристики и
работоспособность подшипников скольжения.
Предмет исследования. Влияние изменения различных трибологических характеристик смазочных материалов, на условия работы подшипников скольжения в режиме граничного трения.
Гипотеза: При увеличении относительного эксцентриситета подшипника скольжения изменяется режим трения с гидродинамического в граничный, и в этом случае большое влияние оказывает параметр характеризующий толщину граничного слоя при сдвиге.
В ходе данной работы был выполнен обзор литературных источников в области граничного трения, как отечественных, так и зарубежных авторов, в которых были рассмотрены такие вопросы, как изменения вязкости жидкостей при контакте с поверхностью твердых тел: влияния на вязкость контакта с поверхностью твердых тел в реологии дисперсных систем, существующих теорий и механизмов полимолекулярной адсорбции жидкости на поверхности твердого тела.
Был описан механизм образования граничных слоев и реологической модели для тонких смазочных слоев, с помощью : рассмотрения закономерности адсорбции компонентов смазочных материалов на металлической поверхности, описаны механические свойства адсорбционных слоев, влияние давления и скорости сдвига на вязкость граничных слоев.
В ходе работы было проведено усовершенствование методики для расчета трибосопряжений, работающих в режиме жидкостного трения, путем разработки реологической модели для граничного смазочного слоя, которая учитывает эффекты, обусловленые содержанием противоизносных присадок в смазочном материале, а так же дают возможность учитывать разницу в характеристиках смазочных материалов при равных объемных вязкостях и различной эффективностью противоизносных присадок.
Так были установлены взаимосвязи между трибологическими характеристиками углеводородных смазочных масел и их реологическими характеристиками, которые объясняются содержанием противоизносных поверхностно-активных веществ, а так же закономерностями происходящими при протекании адсорбции компонентов ПАВ на поверхностях металлов трибосопряжений (микрореологическими параметрами); была выведена математическая модель, связывающая зависимостью усредненную вязкость тонкого смазочного слоя от толщины слоя и размерности зазора в узле трения.
Проведены расчеты гидродинамических характеристик подшипников скольжения работающих в режиме граничного трения, и были сделаны выводы:
При увеличении относительного безразмерного эксцентриситета основные
гидродинамические характеристики (кроме коэффициента трения) увеличиваются, в особенности при значениях эксцентриситета более 0,9;
- При увеличении показателя степени для срезаемого слоя (Sn_shear) , увеличиваются большая часть характеристик, за исключением гидродинамического давления (P) при относительных эксцентриситетах 0.5-0.85 и энергии диссипации на трение (N), а так же момента трения (M) при относительных эксцентриситетов 0,5-0,95, где возрастание не значительно или его и вовсе нет, а так же коэффициента трения который напротив уменьшается;
- При увеличении параметра характеризующего толщину граничного слоя при сдвиге 1с-1, все гидродинамические характеристики значительно увеличиваются, за исключением коэффициента трения который напротив уменьшается.
Был описан механизм образования граничных слоев и реологической модели для тонких смазочных слоев, с помощью : рассмотрения закономерности адсорбции компонентов смазочных материалов на металлической поверхности, описаны механические свойства адсорбционных слоев, влияние давления и скорости сдвига на вязкость граничных слоев.
В ходе работы было проведено усовершенствование методики для расчета трибосопряжений, работающих в режиме жидкостного трения, путем разработки реологической модели для граничного смазочного слоя, которая учитывает эффекты, обусловленые содержанием противоизносных присадок в смазочном материале, а так же дают возможность учитывать разницу в характеристиках смазочных материалов при равных объемных вязкостях и различной эффективностью противоизносных присадок.
Так были установлены взаимосвязи между трибологическими характеристиками углеводородных смазочных масел и их реологическими характеристиками, которые объясняются содержанием противоизносных поверхностно-активных веществ, а так же закономерностями происходящими при протекании адсорбции компонентов ПАВ на поверхностях металлов трибосопряжений (микрореологическими параметрами); была выведена математическая модель, связывающая зависимостью усредненную вязкость тонкого смазочного слоя от толщины слоя и размерности зазора в узле трения.
Проведены расчеты гидродинамических характеристик подшипников скольжения работающих в режиме граничного трения, и были сделаны выводы:
При увеличении относительного безразмерного эксцентриситета основные
гидродинамические характеристики (кроме коэффициента трения) увеличиваются, в особенности при значениях эксцентриситета более 0,9;
- При увеличении показателя степени для срезаемого слоя (Sn_shear) , увеличиваются большая часть характеристик, за исключением гидродинамического давления (P) при относительных эксцентриситетах 0.5-0.85 и энергии диссипации на трение (N), а так же момента трения (M) при относительных эксцентриситетов 0,5-0,95, где возрастание не значительно или его и вовсе нет, а так же коэффициента трения который напротив уменьшается;
- При увеличении параметра характеризующего толщину граничного слоя при сдвиге 1с-1, все гидродинамические характеристики значительно увеличиваются, за исключением коэффициента трения который напротив уменьшается.
