НАПРАВЛЕНИЕ III КОНСТРУКЦИИ, ПРОЧНОСТЬ И НАДЕЖНОСТЬ АВИАЦИОННЫХ И КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ

УДК 621.822.114

НОВЫЕ РЕШЕНИЯ В КОНСТРУКЦИИ ПОДШИПНИКА СКОЛЬЖЕНИЯ С УВЕЛИЧЕННЫМ РАБОЧИМ РЕСУРСОМ

1Ю.Н. Шалимов, д-р техн. наук; 1В.И. Корольков, д-р техн. наук; 2Б.М. Даринский, д-р физ.-мат. наук; 1А.П. Будник, канд. техн. наук; 1А.В. Руссу, магистрант

1Воронежский государственный технический университет

2Воронежский государственный университет

В материале статьи дан подробный обзор основных видов и конструкций подшипников. Показано, что производство основных агрегатов машиностроения осуществляется в странах наиболее промышленно развитых. В работе уделено внимание подшипникам скольжения, обеспечивающих эффективность систем силовых агрегатов. Рассмотрены особенности подшипников по типам смазок и взаимодействию в системе вал-подшипник. Предложено новое решение на основе материалов свинцовистых бронз и сплава Ni-B взамен гальванического хрома.

Ключевые слова: подшипник скольжения, трибология, смазочные материалы

Подшипниковый узел, широко применяемый в технике, выполняет функцию по удерживанию вращающейся оси (или вала) и основан на принципе вращательного типа движения. Вращательный тип движения, реализованный в паре трения, как физический принцип действия – один из самых распространенных в современных машинах и механизмах. Поскольку нагрузки и рабочие скорости в современных машинах принимают большие значения, кроме того эти величины продолжают свой рост, то параметры подшипника существенным образом влияют не только на массу и размер, но так же на безотказность, долговечность, ремонтопригодность и экономичность всего механизма в целом. Производство подшипников является высокотехнологичной отраслью, в которой присутствует острая

310

конкурентная борьба промышленно наиболее развитых держав: Германия, США, Франция, Швеция, Япония [1.2].

Изучение свойств подшипников для решения задачи увеличения их рабочего ресурса тесным образом связано с вопросами физики граничного трения [3]. По типу граничного трения подшипники подразделяются на скольжения (обыкновенные, контакт тел по конечной плоскости), роликовые (качение, контакт округлых тел вдоль линии), шариковые (верчение, контакт шарообразных тел в точке) [4]. В научно-технической литературе закрепилось общее название для роликовых и шариковых подшипников – это подшипники качения.

Подшипники качения широко применяются в технике. Они обладают малым трением при пуске, что особенно ценно при низких температурах, чаще всего требуют малое количество смазки, расход энергии во время работы меньше, чем у подшипников скольжения. Однако есть задачи для решения которых подшипники качения применять нецелесообразно или просто невозможно. В узлах гидравлических, паровых и газовых турбин, турбинных редукторов, двигателей внутреннего сгорания, прокатных станов металлургических комбинатов [5], железнодорожных вагонов и локомотивов [6], почвообрабатывающих и землеройных машин [7], металлообрабатывающих станков [8], надводного и подводного флота [9,10], вертолетов и самолетов [11,12] – применяются подшипники скольжения. Подшипники скольжения эффективно используются при больших скоростях, хорошо выдерживая большие динамические нагрузки. Кроме того, по таким показателям как габариты, удобство монтажа, долговечность, устойчивость к ударным и случайным нагрузкам, затухание механических колебаний (вызванных внешним источником), приспосабливаемость к перекосам, высокая коррозионная устойчивость, низкая производственная стоимость, большой срок службы – подшипники скольжения обладают явным преимуществом в сравнении с подшипниками качения [13].

В ГОСТе ИСО 4378-1-2001 [14] подшипники скольжения классифицируются по видам нагрузки, по направлениям нагрузки, по видам смазки, по конструкциям и материалам. Международная патентная классификация (МПК-2016.01) в разделе F16C (валы, ..., подшипники) содержит более 200 наименований групп и подгрупп

311

[15]. Большое поле выбора связано с тем, что в этой классификации подшипник скольжения встречается в разных подгруппах. Однако с точки зрения поиска новых эффективных решений, направленных на увеличение ресурса подшипников скольжения, подобных классификаций недостаточно. Необходимы такие инструменты, которые позволят при проектировании нового подшипникового узла искать новые решения более сфокусировано.

Подшипник скольжения состоит из корпуса с цилиндрическим отверстием. В этом корпусе размещают вкладыш или втулку из антифрикционного материала (из цветных металлов) и смазку. На рисунке 1а приведена схема опоры с подшипником. Рассмотрим модель взаимодействия подшипника скольжения (рисунок 1б).

Рисунок 1а - Схема опоры с подшипником скольжения [16]

312

Рисунок 1б – Модель взаимодействия компонентов подшипника скольжения

На модели черными сплошными стрелками отмечено полезное взаимодействие, а пунктирными – нежелательное (вредное). Следует отметить, что при взаимодействии всех компонентов подшипникового узла возникает широкий спектр механических, акустических, тепловых, химических, электростатических и магнитных явлений:

где ∆EΣ – суммарная энергия физико-химических процессов, EM – энергетический вклад механических эффектов,

EA – энергетический вклад акустических эффектов,

ET – энергетический вклад тепловых эффектов,

EC – энергетический вклад химических эффектов,

Ee – энергетический вклад электрических и электростатических эффектов,

Em – энергетический вклад магнитных эффектов.

Эти явления также сопровождаются фазовыми превращениями и изменениями агрегатных состояний вещества элементов конструкции. Многие физико-химические процессы являются причинами

313

нежелательных эффектов, которые приводят к следующим недостаткам в работе подшипникового узла:

1.Вредные поля адгезии, вибрации, давления, теплового и химического взаимодействия.

2.Большое потребление энергии при пуске системы.

3.Есть расходные материалы (смазка, вкладыш, вал).

4.Необходимость убирать отработанные продукты.

5.При работе выделяются вредные вещества.

6.Требует наличия дополнительных систем, в том числе контроля работы [17].

Помимо выявления недостатков представляется полезным обозначить хотя бы некоторые направления развития (тренды) всего семейства подшипниковых систем. В этом случае техническое развитие пар трения может дать показательный пример [18,19]:

1.Подшипник скольжения.

2.Подшипник качения (шариковые, роликовые).

3.Гидростатический подшипник (вал парит в масле, которое нагнетается под давлением – бесконтактная гидростатическая опора).

4.Гидродинамический подшипник (для быстроходных валов давление жидкости нагнетается под действием центробежных сил).

5.Газостатическая опора (через опоры – пористые втулки газ подается под давлением).

6.Газодинамическая опора (для быстроходных валов давление

газа нагнетается действием центробежных сил).

7. Магнитная опора (поле обеспечивает удерживающую функцию).

Таким образом, в развитии подшипников можно заметить четкую тенденцию: область контакта последовательно видоизменяется посредством фазовых превращений от состояния твердого тела до состояния жидкости, газа и, наконец, поля. Безусловно, представляют большой интерес решения, направленные на уменьшение давления вала на подшипниковый узел, либо способы, компенсирующие это давление. Но данного типа решения несколько выходят за рамки нашей статьи. Рассмотрим подробнее схему решений по совершенствованию подшипника скольжения.

Во-первых, большой класс решений связан с преобразованием состава и свойств смазочных материалов. Исследователи предлагают

314

широкую гамму решений: использование твердосмазочных покрытий [20], применение воды в качестве смазки [21], применение двухслойной смазки [22]. Есть решения, направленные как на снижение вязкости смазки [23], так и, наоборот, на ее увеличение [24]. Аналогично есть решения направленные как на снижение температуры смазки (так называемая криогенная) [25], так и на ее увеличение – парожидкостная [26]. Так же есть большое семейство решений, связанное с добавками в смазку: масло смазки с порошковыми присадками [27], смазка с расплавом [28], ферросмазка [29]. Еще одно оригинальное решение – использовать в качестве смазки материал вкладыша [30]. Представляет также интерес решение, суть которого заключается в электростатической обработке масла, применяемого в качестве смазки [31]. Эти решения, очевидно, не устраняют конфликта в паре трения, приводящего к износу. Их можно отнести к разряду поддерживающих инноваций.

Во-вторых, класс решений, связанных как с изменениями геометрии подшипников скольжения [32], то есть попытками оптимизировать работу узла за счет пространственного ресурса, так и с идеями скомбинировать полезные свойства альтернативных по своей сути подшипников скольжения с подшипниками качения [33]. Такие решения обычно усложняют конструкцию и, обеспечивая выигрыш в каком-то качестве, как правило, в длительной перспективе становятся причинами больших затруднений при ремонте и эксплуатации.

В-третьих, с позиции сбора информации и управления технологическим процессом, для обеспечения которого применяют подшипниковые узлы, представляют интерес решения направленные на повышение управляемости. В частности, речь идет об идеях применения принципа отрицательной обратной связи [34], сигнализирующей об износе, автокомпенсации износа с применением устройств регулировки зазора [35], и внедрения вычислительной техники для корректировки работы подшипника [36].

В-четвертых, подходы, реализующие определенные физические эффекты: эффект Ребиндера, позволяющий резко сократить время приработки подшипникового узла [37], эффект безызносности или самосмазывания (1956г.) на основе динамического равновесия атомов меди в зазоре и на поверхности контакта, которое компенсирует

315

схватывание [38, 39], явление аномального низкого трения в вакууме (1969г.) – применение облучения поверхности контакта для повышения эффективности твердых смазок [40]

В-пятых, варианты решений связанные со структурой вещества компонентов подшипника. Для этого используют монокристалл [41], напыление и армирование [42], двухслойность материала [43], биметаллы [44], материалы с пористой структурой [45], полимеры [46], эпиламы и металл-фторопласты [47] для создания защитной мономолекулярной пленки (нанотрибология), полимерпорошковые материалы [48], композиты [49], древесина [50], пьезоэлектрики для уменьшения трения покоя [51].

Исходя из вышеизложенного, считаем, что наиболее оптимальное решение, увеличивающее рабочий ресурс и надежность подшипника скольжения, основано на перспективных технологиях использования свинцовистых бронз для вкладыша подшипника и упрочнения вала сплавом Ni-B вместо хрома [52,53]. Такая перспектива просматривается в рамках получения подшипников, позволяющих решить наиболее напряженные задачи машиностроения. Учет технологических особенностей получения сплавов с ограниченно растворимыми компонентами, к которым относятся упомянутые составы, позволяет получить структуру с максимальной степенью дисперсности компонентов и с равномерным распределением по всему объему вкладыша. А это до настоящего времени является большой технической проблемой. Однако предлагаемые нами методы обеспечивают ее решение при использовании современных технологий магнетохимии, импульсного электролиза и индукционной плавки в сочетании с послойной стабилизации состава вещества изделия.

Работ а выполнена в рамках реализации Государст венного задания №9.11295.2018/10.11 по т еме «Разработ ка т ехнологии высокоизносост ойких покрыт ий подшипников скольж ения со сверхмалым коэффициент ом т рения на основе соединений никельбор»

Литература 1. Производители подшипников – Электрон. дан. – Режим

доступа: http://www.importrus.ru/producer/

316

2.Иностранные производители подшипников – Электрон. дан. – Режим доступа: http://podshipnik-servis.ru/taxonomy/term/808

3.Ахматов А.С. Молекулярная физика граничного трения. М.:

Физматгиз, 1963. - 472 с.

4.Каплан М.И. Справочник инженера. Одесса: Одессполиграф, 1928. – 475 с., 67, 316-327

5.Опоры скольжения/ И. Я. Альшиц, Н. Ф. Вержбицкий, Э. Ф. Зоммер. - Киев ; Москва : Машгиз. Юж. отд-ние, 1958. - 196 с., 3

6.Патент RUS 2224674, Российская Федерация, Вагонозамедлитель/ Скляров Н.Ф., Дубровин В.А., Терентьев Б.Н.

7.Применение марганцовистого чугуна в подшипниках скольжения почвообрабатывающих и землеройных машин/ Д. И. Станчев; Воронежский гос. ун-т. - Воронеж: ВГУ, 1978. - 128 c.

8.Металлорежущие станки: Учебник / В. Э. Пуш, Москва: Машиностроение, 1986.- 564 с

9.Михеев В.А. Повышение надежности бронзовых облицовок гребных валов, работающих в паре трения скольжения с капролоновыми дейдвудными подшипниками. Диссертация на

соискание ученой степени кандидата технических наук / Мурманск, 1984

10.Ветохин В.И. Опорно-упорные металлокерамические подшипники скольжения для глубоководных подводных аппаратов// Судостроение. 1999. № 1 (722). С. 31.

11.Патент 2410287, Российская Федерация, Несущий винт винтокрылого летательного аппарата с системой складывания

лопастей/ Вагин А.Ю., Михеев С.В., Плущевский А.М., Осмоловский Р.Ф.

12. Паровай Е.Ф., Гордеев В.Б., Фалалеев С.В. Проектирование гидродинамического подшипника опоры авиационного двигателя// Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П. Королёва (национального исследовательского университета). 2012. № 3-2 (34). С. 107-111.

13. Типей Н., Константинеску В.Н., Ника А. и др. Подшипники скольжения: Расчет, проектирование, смазка. Перевод с румынского. Бухарест. Изд-во Академия Румынской Народной Республики. 1964г. 458с.

317

14. Подшипники скольжения. Термины, определения и классификация = Ч. 1. Конструкция, подшипниковые материалы и их свойства: Plain bearings. Terms, definitions and classification. Part 1. Design, bearing materials and their properties: межгосударственный стандарт ГОСТ ИСО 4378-1-2001: взамен ГОСТ 18282-88 : введено 2002-07-01 / Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации. - Минск: ИПК Изд-во стандартов, 2002. - II, 17 с.

15.Международная патентная классификация (МПК) – Электрон. дан. – Режим доступа: http://www.wipo.int/classifications/ipc/ru

16.Что такое подшипники и их основные разновидности – Электрон. дан. – Режим доступа: http://www.snr.com.ru/e/about_bearings/about_bearing.htm

17.Повреждения подшипников скольжения – Электрон. дан. – Режим доступа: https://www.ms-motorservice.com/ fileadmin/ media/

MAM/PDF_Assets/Повреждения-подшипников- скольжения_870265.pdf

18.Хебда М., Чичинадзе А.В. Справочник по триботехнике. В 3-х томах. Том 1: Теоретические основы. — М.: Машиностроение, 1989. – 400 с.

19.Журавлёв Ю.Н. Активные магнитные подшипники. Теория, расчет, применение. — СПб.: Политехника, 2003. – 206с.

20.Демкин Н.Б., Сутягин О.В., Ярош В.М. Расчетно-

экспериментальная методика прогнозирования работоспособности подшипника скольжения с твердосмазочным покрытием / В книге: Современные проблемы триботехнологии Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции. 1988. С. 280-281.

21.Вахрамов Н.А., Митенков Ф.М., Новинский Э.Г. Исследование осевых подшипников скольжения на водяном смазочном материале // Тяжелое машиностроение. 1990. № 7. С. 7-10.

22.Айзинбуд А.К. Формирование точного автомодельного решения задачи гидродинамического расчета упорного подшипника,

работающего на двуслойной смазке в нестационарном режиме времени / В сборнике: Транспорт-2013 Труды международной научнопрактической конференции. ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный университет путей сообщения». 2013. С. 205-207.

318

23.Патент 2186266, Российская Федерация, Опорно-упорный подшипник скольжения, работающий на маловязкой жидкости/ Ульянов А.Г., Шишкин Ю.П., Волошин Ю.П., Крукович А.Р.

24.Леонов О.А., Андрющенко Л.Ю. Увеличение долговечности подшипника гидродинамического скольжения методом увеличения

вязкости масла / В сборнике: Совершенствование хозрасчетных отношений, повышение качества ремонта и использования техники в сельском хозяйстве Сборник научных трудов. Москва, 1991. С. 87-90.

25. Савин Л.А., Соломин О.В. Динамика жесткого ротора на подшипниках скольжения, смазываемых криогенной жидкостью// Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2004. № 4. С. 27-38.

26. Савин Л.А. Теоретические основы расчета и динамика подшипников скольжения с парожидкостной смазкой автореферат дис. ... доктора технических наук/ Орловский гос. техн. ун-т. Орел, 1998

27. Прокопьев В.Н., Задорожная Е.А., Караваев В.Г. Гидромеханические характеристики сложнонагруженных подшипников скольжения, смазываемых микрополярными жидкостями// Двигателестроение. 2009. № 1 (235). С. 39-44.

28.Уилсон. Р. Смазка с расплавом // Проблемы трения и смазки: Труды американского общества инженеров-механиков. - 1998, №1, 1924

29.Мищак А. Трибологические свойства феррожидкости // Трение и износ. 2006. Т. 27. № 3. С. 330-336.

30.Авторское свидетельство 234800, СССР, Способ смазывания охлаждаемого подшипника скольжения/ А.А.Левин.

31.Ткач В.В. Влияние электростатической обработки моторных масел на срок службы подшипников скольжения ДВС// Потенциал современной науки. 2015. № 2 (10). С. 39-41.

32.Чебаков М.И., Газзаев Д.А., Колосова Е.М., Иваночкин П.Г. Моделирование контактного взаимодействия в цилиндрическом

подшипнике скольжения с продольными протекторными вставками в виде спиралей// Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. 2011. № 4 (44). С. 91-100.

33. Поляков Р.Н., Попиков А.А. Повышение работоспособности опорных узлов насосов для перекачки нефти за счет совмещения

319

подшипников качения и скольжения// Нефтегазовое дело. 2013. Т. 11.

№4. С. 83-85

34.Патент 2398142, Российская Федерация, Мехатронный

подшипник скольжения патент на изобретение/ Савин Л.А., Поляков Р.Н.

35. Макушкин, Сергей Анатольевич. Разработка и исследование радиально-упорных подшипников скольжения в автокомпенсацией износа : автореферат дис. ... кандидата технических наук : 05.02.04. - Москва, 1993. - 21c.

36. Бабин А.Ю., Савин Л.А., Шутин Д.В. Повышение энергетических характеристик роторных машин путем применения подшипниковых узлов с активным управлением / В сборнике: Энерго- и ресурсосбережение - XXI век. Материалы XII международной научно-практической интернет-конференции. 2016. С. 266-271.

37.Косырев С.П. Эффект П.А. Ребиндера в подшипниках скольжения комбинированных форсированных дизелей // Двигателестроение. 2010. № 1 (239). С. 20-22.

38.Шахназаров Т.А., Тахтарова Ю.А. Реализация эффекта

безызносности трения в сплавах алюминий-олово, алюминий-свинец// Письма в ЖТФ. 2002, т.28, в.4, с.7-11.

39. Научное открытие - Эффект безызносности – Электрон. дан. – Режим доступа: https://rvsmaster.ru/nauchnoe-otkritie-jeffekt- beziznosnosti

40. Авторское свидетельство 290131, СССР, Подшипник скольжения/ Е.А. Духовской, А.А. Силин, А.Н. Пономарев, В.Л.Тальрозе

41.Патент 2042866, Российская Федерация, Узел трения скольжения Пикин С.А., Федоров Е.А., Семенов В.Б., Абрамов В.М., Копашов С.В.

42.Зернин М.В. Экспериментальная оценка долговечности

напыленных и армированных сеткой баббитовых слоев подшипников скольжения// Трение и износ. 1987. Т. 8. № 4. С. 506-514.

43. Колесников В.И., Шаповалов В.В., Авдеев В.К. Исследование демпфирующих свойств двухслойных подшипников скольжения/ В сборнике: Повышение надежности и износостойкости путевых и строительных машин технологическими и конструктивными методами межвузовский сборник научных трудов. редактор Ю.А.

320

Евдокимов; МПС СССР, Ростовский институт инженеров железнодорожного транспорта. Ростов-на-Дону, 1978. С. 100-103.

44. Денисенко С.Г., Глушко С.П. Оптимизация технологии производства подшипников скольжения из биметалла сталь-бронза / В книге: Современные методы наплавки, упрочняющие покрытия и используемые материалы. IV украинская республиканская научнотехническая конференция. Тез. док. 1990. С. 70-71.

45. Двадненко В.И. Технологическое обеспечение повышения качества подшипников скольжения из пористых антифрикционных материалов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Белорусский политехнический институт. Минск, 1983

46.Патент 2044178, Российская Федерация, Подшипник скольжения, не требующий обслуживания/ Фридрих Х., Доминик П.

47.Семенов А.П. О роли эпиламов в трибологии // Трение и

износ. 2010. Т. 31. № 6. С. 612-62 48. Шучев К.Г., Зориев И.А., Овечкин И.В., Шевцова М.С.,

Иванов С.И. оптимизация условий контактирования полимерпорошковых подшипников скольжения // Вестник Донского государственного технического университета. 2010. Т. 10. № 4 (47). С. 480-486.

49. Николаев Г.И., Бахарева В.Е., Власов В.А., Лобынцева И.В., Анисимов А.В., Петрова Л.В., Симина В.Н. Применение антифрикционных углепластиков в подшипниках скольжения// Вопросы материаловедения. 2006. № 2 (46). С. 7-21.

50. Патент 2041810, Российская Федерация, Способ получения подшипников скольжения с вкладышами из древесины и устройство для его осуществления/ Самодуров И.С.

51.Патент 3239283, US, Low friction bearing/ John E Broeze,William J Laubendorfer.

52.Богданович Е.Н., Звягинцева А.В., Шалимов Ю.Н. Технология восстановления системы сопpяжения вал-подшипник// Технология

машиностроения. 2010. № 4. С. 32-38.

53. Кудряш В.И., Шалимов Ю.Н., Руссу А.В. Получение вкладышей для ДВС на основе компонентов с ограниченной степенью растворимости (свинцовистые бронзы) и восстановление стальных коленчатых валов на основе сплава NiB/ Новые функциональные

321