Совершенствование метода расчета подшипников жидкостного трения учетом межфазных взаимодействий смазочных и конструкционных материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.02, кандидат технических наук Мухортов, Игорь Васильевич

• Мухортов, Игорь Васильевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мухортов, Игорь Васильевич

ВВЕДЕНИЕ.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Данные об изменении вязкости жидкостей при контакте с поверхностями твердых тел.

1.2 Данные о влиянии на вязкость жидкости контакта с поверхностями твердых тел в реологии дисперсных систем.

1.3 Теории и механизмы полимолекулярной адсорбции жидкостей на поверхности твердых тел.

1.4 Экспериментальные исследования связи состава моторных масел с трибофизическими свойствами.

1.5 Программное обеспечение для расчёта подшипников скольжения.

1.6 Выводы по главе 1 и постановка задачи исследования.

2.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СЛОЯ

СМАЗОЧНОГО МАСЛА С АНОМАЛЬНОЙ ВЯЗКОСТЬЮ (ГРАНИЧНОГО СЛОЯ).

2.1 Выбор и обоснование метода измерения.

2.2.Методика измерений.

2.3 Выбор марок моторных масел для измерения параметров адсорбционного (граничного) слоя.

2.4.Методика измерений.

2.5 Результаты измерений.

2.6.0бсуждение результатов и выводы.

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ СВЯЗИ ТРИБОЛО-ГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СМАЗОЧНЫХ МАСЕЛ С ПАРАМЕТРАМИ АДСОРБЦИОННОГО (ГРАНИЧНОГО) СЛОЯ.

3.1 Ожидаемое влияние параметров граничного слоя на измеряемые параметры процесса трения скольжения.

3.2 Определение режима трения и условий проведения испытаний.

3.3 Связь зависимостей от температуры коэффициента трения и эффективной толщины адсорбционного слоя.

3.4 Связь трибологических характеристик узла трения с измеренными параметрами адсорбционного слоя моторных масел.

3.5 Выводы по главе 3.

4 МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ ГРАНИЧНЫХ СЛОЕВ И РЕОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ ОПИСАНИЯ ВЯЗКОСТИ ТОНКИХ СЛОЕВ СМАЗОЧНОГО МАСЛА.

4.1 .Закономерности адсорбции компонентов смазочных материалов на металлических поверхностях.

4.2 Механические свойства полимолекулярных адсорбционных слоев.

4.3 Выводы по главе 4.

5 ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА СМАЗКИ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ.

5.1 Уравнение движения центра шипа.

5.2 Уравнения для определения поля гидродинамических давлений.

5.3 Обобщенное уравнение Рейнольдса для гидродинамических давлений в смазочном слое неньютоновской жидкости.

5.4 Обобщенное уравнение Рейнольдса для радиального подшипника

5.5 Определение вязкости смазки с учетом высоковязкого граничного слоя.

5.6 Тепловое состояние подшипника.

5.7 Интегральные гидромеханические характеристики.

5.8 Алгоритм расчёта гидромеханических характеристик подшипников скольжения.

5.9 Результаты расчёта гидромеханических характеристик подшипников коленчатого вала.

5.10 Выводы по главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование метода расчета подшипников жидкостного трения учетом межфазных взаимодействий смазочных и конструкционных материалов»

Среди вопросов, рассматриваемых современной трибологией, центральное место занимают методы повышения надежности и долговечности узлов трения двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Возрастание требований к абсолютной и удельной мощности поршневых ДВС, одновременно с возрастанием требований к долговечности и топливной экономичности, приводит, в частности, к повышению нагруженности деталей кривошипно-шатунного механизма.

Необходимым условием обеспечения ресурса современных двигателей наземной мобильной техники, составляющего до 1 ООО ООО км по пробегу или до 20000 моточасов, является обеспечение минимальной скорости изнашивания узлов двигателей. Для таких ресурсоопределяющих узлов, как шатунные и опорные подшипники коленчатого вала, максимально допустимая интегральная линейная интенсивность изнашивания составляет 10"13.10'12, что возможно только при полном разделении трущихся поверхностей слоем смазки (жидкостном трении) практически во всех режимах работы двигателей. Обеспечение жидкостного трения достигается как усовершенствованием конструкции, точности изготовления и сборки узлов ДВС, так и применением более совершенных смазочных материалов. К последним относятся, прежде всего, моторные масла с высокими противоизносными свойствами.

В связи с необходимостью обеспечения жидкостного трения, при проектировании основных трибосопряжений ДВС основной задачей математического моделирования является определение для данной конструкции значений параметров (температуры, нагрузки, скорости вращения коленчатого вала), при которых происходит или становится вероятным переход от гидродинамического режима с полным разделением поверхностей смазочным материалом, к режиму с непосредственным контактированием поверхностей (т.н., «граничному» режиму трения). Для достижения соответствия с экспериментальными данными, позволяющего полноценно использовать математическое моделирование в проектировании подшипников жидкостного трения, методики расчета должны решать ряд сопряженных задач, включающих, наряду с расчетом тепломассообмена, гидродинамических и эластогидродинамических факторов, моделирование сложного реологического поведения реальных смазочных материалов. В ряду этих задач особое положение занимает моделирование влияния на параметры трения противоизносных присадок. Несмотря на известность факта влияния поверхностно-активных веществ (ПАВ) на вязкость смазочного масла в слое, непосредственно прилегающем к твердой поверхности [1 - 7], а также на диапазон температур, контактных давлений и скоростей смещения поверхностей трибосопряжений, в котором реализуется режим жидкостного трения, соответствующие реологические модели смазочных масел практически неизвестны. Существующая гидродинамическая теория смазки не содержит внутренних критериев, отличающих смазочные материалы от любых других жидкостей и не позволяет объяснить различие гидромеханических характеристик трибосопряжений, смазываемых маслами равной вязкости, но содержащими различные противоизносные присадки или различное их количество. Слабая изученность данного вопроса обусловлена тем, что физико-химические механизмы взаимодействия жидкостей с поверхностью твердых тел, процессы moho- и полимолекулярной адсорбции, термодинамическое и молекулярно-статистическое описание состояния жидкости, рассматриваются в рамках различных научных дисциплин, имеющих высокую степень автономности.

В связи с этим возникает необходимость выяснения механизма влияния противоизностных присадок на реологические параметры смазочного масла, их формализованного описания и включения соответствующих математических моделей в методы гидродинамических расчетов узлов трения.

Значительный вклад в разработку методов расчёта подшипников скольжения, учитывающих сложное реологическое поведение смазывающей жидкости, внесли многие отечественные и зарубежные исследователи: А.К. Дьячков, С.М. Захаров, М.В. Коровчинский, В.Н. Прокопьев, Ю.В. Рождественский, JI.A. Савин, В.И. Суркин, И.А. Тодер, H.H. 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 совершенствовании метода гидродинамического расчета трибосопряжений жидкостного трения поршневых и роторных машин путем разработки реологической модели смазочного слоя, включающей эффекты, обусловленные противоизносными присадками.

Задачи исследования. Цель работы достигается при решении следующих задач:

1. Описать механизм влияния контакта углеводородной жидкости, содержащей противоизносные присадки (смазочного масла), с металлической поверхностью на структуру и механические характеристики разделяющего поверхности трения слоя масла, согласующийся с известными физико-химическими закономерностями и экспериментальными данными.

2. Разработать реологическую модель смазочного слоя, разделяющего металлические поверхности ТЖТ (граничного слоя).

3. Разработать методики и провести экспериментальные измерения параметров, входящих в реологическую модель смазочного слоя, а также исследования влияния параметров граничного слоя (микрореологических параметров) на трибологические характеристики узла трения скольжения.

4. Разработать методическое и программное обеспечение расчетов трибо-сопряжений жидкостного трения поршневых и роторных машин и выполнить верификацию разработанной реологической модели путем сопоставления результатов независимых реологических и трибологических измерений с результатами гидродинамических расчетов.

5. Оценить влияние противоизносных свойств различных моторных масел на динамику и гидромеханические характеристики шатунных и коренных подшипников коленчатого вала на примере двигателя внутреннего сгорания типа ЧН 13/15.

Объект исследования. Процессы, происходящие в смазочном слое, разделяющем поверхности трибосопряжений жидкостного трения.

Предмет исследования. Влияние микрореологических характеристик смазочных масел, обусловленных их контактом с поверхностью конструкционных материалов на трибологические характеристики ТЖТ.

Гипотеза: основной механизм противоизносного действия большинства поверхностно-активных веществ (таких, например, как диалкилдитиофосфаты цинка), заключается в инициировании полимолекулярной адсорбции углеводородных компонентов смазочного масла, что приводит в режиме жидкостного трения к повышению вязкости смазочного слоя в зазорах трибосопряжений и, как следствие, к расширению диапазонов температур, контактных давлений и скоростей относительного перемещения поверхностей трения сопряжений.

Методы проведения исследований. Методы гидродинамической теории смазки, численные методы решения дифференциальных уравнений в частных производных, экспериментальные методы исследования реологических параметров СМ, экспериментальные и расчетные методы исследования гидромеханических характеристик ТЖТ.

Научная новизна

1. Усовершенствован метод гидродинамического расчета трибосопряжений жидкостного трения поршневых и роторных машин путем разработки реологической модели смазочного слоя, включающей эффекты, обусловленные проти-воизносными присадками и позволяющей учитывать характеристики смазочного масла с равной объемной вязкостью и различной эффективностью противо-износных присадок.

2. Установлена зависимость между трибологическими параметрами углеводородных смазочных масел и их реологическими параметрами, обусловленными содержанием противоизносных поверхностно-активных веществ и закономерностями адсорбции их компонентов на металлических поверхностях трибо-сопряжений; предложена математическая модель зависимости усредненной вязкости смазочного слоя от его толщины и величины зазора в трибосопряже-нии.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректной постановкой задач, обоснованностью используемых теоретических зависимостей и принятых допущений, применением апробированных методик расчетов; подтверждается качественным и количественным совпадением результатов, полученных независимыми методами.

Практическая значимость

1. Создано программное обеспечение, позволяющее при проектировании трибосопряжений жидкостного трения поршневых и роторных машин оценить влияние на их гидромеханические характеристики конструктивных, режимных и эксплуатационных факторов, обосновать рекомендации по подбору смазочного масла. В Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам (РОСПАТЕНТ) зарегистрированы разработанные при участии автора комплексы программ, предназначенные для анализа гидромеханических характеристик подшипников скольжения.

2. Предложен и обоснован, согласующийся с известными физико-химическими закономерностями и экспериментальными данными, механизм влияния противоизносных присадок на реологические параметры смазочных масел, что позволило объяснить различия противоизносных свойств наиболее распространенных смазочных материалов и описать механизм жидкостного трения в наиболее нагруженных трибосопряжениях поршневых машин. Предложенный механизм полимолекулярной адсорбции смазочных масел может быть использован для тестирования противоизносных присадок и сравнительного тестирования смазочных материалов при их разработке.

3. Разработанные методики измерения микрореологических параметров граничного слоя могут быть использованы в ряде областей техники для управления реологическими параметрами суспензий.

Реализация. Разработанное методическое и программное обеспечение используется для проектирования подшипников скольжения ДВС в ГСКБ «Трансдизель», г. Челябинск, а также в учебном курсе "Эксплуатационные материалы" при подготовке специалистов на автотракторном факультете ЮжноУральского государственного университета (ЮУрГУ).

Апробация. Содержание основных результатов работы докладывалось и обсуждалось на ежегодных научно-технических конференциях, проводимых в ЮУрГУ (Челябинск, 2010-2012 гг.); на научно-технической конференции с международным участием «Трибология-машиностроению» (Москва, ИМАШ, 2010, 2012 гг.); на Международной научной конференции «Трибология и надежность» (Санкт-Петербург, 2011 г.); научно-технических конференциях Челябинской государственной агроинженерной академии «Достижения науки -агропромышленному производству» (ЧГАА, Челябинск, 2010,2011 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, включая 4 статьи в научных сборниках, рекомендованных ВАК РФ, 5 тезисов докладов, 2 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и 6 приложений, изложена на 119 страницах машинописного текста, включая 30 иллюстраций, 12 таблиц, 104 формулы и библиографический список, содержащий 94 наименования.

Заключение диссертации по теме «Машиноведение, системы приводов и детали машин», Мухортов, Игорь Васильевич

5.10 Выводы по главе 5

1. Сопоставление результатов расчетов гидромеханических характеристик стационарно- и сложнонагруженных подшипников с результатами реологических измерений (гл.2) и трибологических испытаний модельных узлов трения (гл. 3) показывают, что зависимости расчетных ГМХ от параметров граничного слоя соответствуют экспериментальным. А именно: с увеличением условной толщины граничного слоя (Дг или закономерно снижается измеренный коэффициент жидкостного трения, рассчитанные максимальное давление и мощность, затрачиваемая на трение. Поскольку при этом вязкость смазочного масла, усредненная по толщине слоя, значительно возрастает, полученное соответствие характера зависимостей свидетельствует об адекватности предложенной реологической модели. Возрастание температуры смазочного слоя (рис. 5.9) обусловлено препятствием граничных слоев конвективному теплообмену.

2. В гидродинамическом режиме трения наличие граничных слоев в наибольшей степени влияет на экстремальные значения минимальной толщины смазочного слоя и в значительно меньшей степени - на другие ГМХ, в т.ч., на значения усредненной минимальной толщины смазочного слоя. Это объясняет недостаточную надежность таких критериев противоизносных свойств, как коэффициент трения и толщина смазочного слоя при сравнительных испытаниях смазочных масел.

3. Для наиболее достоверного моделирования работы подшипников жидкостного трения с учётом свойств высоковязких смазочных слоев, адсорбированных на поверхностях трения, необходимо учитывать в расчетных моделях реологическое поведение используемого масла, в частности, определить параметры ¡л$ и 4, входящих в модель, и использовать при расчётах ГМХ.

4. Разработанный алгоритм расчёта динамики сложнонагруженных гидродинамических подшипников скольжения с учётом реологических свойств смазочных жидкостей реализован в комплексе программ исследования характеристик динамически нагруженных трибосопряжений с учетом процессов тепломассообмена в смазочных слоях и граничных режимов трения и в пакете программ «Микрореология».

5. Выполнена оценка влияния реологических свойств масел на гидромеханические характеристики шатунного подшипника коленчатого вала двигателя 4ЧН13/15. В частности, показано, что учёт зависимости вязкости масел по толщине смазочного слоя позволяет получать более достоверные значения критерия работоспособности подшипника Ьт|-П, индивидуальные для смазочных масел различных марок.

Таким образом, установлена связь между параметрами адсорбированного (граничного) слоя и противоизносными свойствами смазочного материала.

Ill