книги из ГПНТБ / Огородников, В. Б. Подшипники скольжения судовых поршневых машин
.pdfляется при помощи коромысла 5, соединенного с кривошипно-ша тунным механизмом, состоящим из шатуна 4 и кривошипа 3. Кри вошип установлен на главном валу 2, который приводится во вра щение электродвигателем 1 через клиноременную передачу 20-
Рис. 11. Схема стенда для натурных исследований шатунного подшип ника.
Динамическое нагружение опытного подшипника осуществляет
ся от гидравлического нагружающего устройства, выполненного
непроточным (с учетом более стабильного характера работы из-за отсутствия протечек). Нагружение производят следующим обра
зом: укрепленный на главном валу кулачок 19 при вращении вала
воздействует на толкатель 18, пружину 17 и плунжер 16, который
при своем погружении в полость силового цилиндра 15 через диа фрагму 14 обеспечивает создание в цилиндре давления, имитирую щего (благодаря соответствующему профилю кулачка 19) давле ние в цилиндре компрессора. Это давление через силовой пор
шень 13, сферическую вилку 12, палец И и прицепной шатун 10
передается на опытный подшипник, втулка 8 которого запрессова на в головку прицепного шатуна.
Смазка к опытному подшипнику подается от шестеренчатого
насоса (обеспечивающего также смазку всех узлов стенда), через буксу, установленную на валу коромысла 5. Подвод масла непо средственно к рабочим поверхностям осуществляется через цент ральное отверстие к валу коромысла, сообщающееся со сверле
нием в пальце 9, из которого масло поступает в круговую канавку на рабочей поверхности втулки 8.
Изменение числа двойных качаний пальца 9 обеспечивается приводным электродвигателем 1 постоянного тока, имеющим ши
рокий диапазон регулирования частоты вращения.
Изменение величины угла качания пальца осуществляется пу
тем регулирования радиуса кривошипа 3.
Для контроля за характером и величиной действующей на
опытный подшипник нагрузки, предусмотрен съем индикаторной
диаграммы давления в рабочем цилиндре стенда.
Программа исследований включает запись осциллограммы па
раметров смазочной пленки и распределения гидродинамических давлений в опытном подшипнике. C этой целью в палец и головку прицепного шатуна заделаны малогабаритные датчики специаль ной конструкции. Передачу сигналов от датчиков к измерительной
аппаратуре производят при помощи проволочного токосъема. На рис. 12 приведен общий вид пальца с заделанными в него
датчиками и токовыводящими проводами.
Рис. 12. Общий вид пальца с вмонтированным!! датчиками.
§ 8. Экспериментальные установки и методика исследования прозрачных моделей подшипников
Для изучения процессов формирования смазочной пленки пу
тем визуального наблюдения были сконструированы и изготовлены установка № і и стенд № 2 с прозрачными подшипниками.
Схема установки № 1 приведена на рис. 13Опытный подшип
ник /, выполненный из оргстекла, установлен на валу 2, опираю щемся па подшипники скольжения 5. Вал приводится в движение
вручную при помощи рукоятки 9 через зубчатую пару 10- Нагру
жение подшипника осуществляется вращением маховичка 8 по средством винтовой пары 7 и рычажно-пружинного механизма 6. Конструкция нагружающего устройства позволяет менять напра
вление нагрузки, благодаря чему возможно создание эффекта сда вливаемой пленки.
3 Зак. 2488
Смазку подшипника можно осуществлять циркуляционным способом или путем заполнения маслом всего объема подшипника
и полостей торцевых3 |
крышек через специальные отверстия в крыш |
|||||||||||||||||||||
ках. При циркуляционном способе смазка из бачка поступает че |
||||||||||||||||||||||
рез патрубок |
|
|
в |
замкнутую |
с мазочиую канавку, |
выполпеную |
в |
|||||||||||||||
незагруженной |
зоне |
|
подшип |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
ника. Вытекающая из подшип |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
ника |
смазка |
|
скапливается |
в |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
полостях |
торцевых |
крышек |
4, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
откуда периодически пли не |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
прерывно удаляется в слив. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
На установке выполнены на |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
блюдения |
за |
процессом |
|
фор |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
мирования |
смазочной |
пленки |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
и явлениями, |
|
происходящими |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
в пленке (и в подшипнике в |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
целом) при различных услови |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
ях работы и конструкциях под |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
шипника: вращательном и ка- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
чательном |
движениях |
вала, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
постоянной |
и |
|
переменной |
на |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
грузках в подшипниках с глад |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
кой рабочей поверхностью. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
Небольшие |
|
размеры |
|
уста |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
новки, обеспечивающие про |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
стоту сборки и разборки ее во |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
время опытов, позволяют в |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
сравнительно |
|
короткие |
сроки |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
изменять |
|
условия |
|
экспери |
Рис. 13. Схема установки |
№ |
с про |
|||||||||||||||
При совмещении данной ус |
процессов |
формирования |
масляной |
|
||||||||||||||||||
тановки |
с |
микроскопом |
воз |
|
|
|
|
пленки. |
наблюденияI |
|||||||||||||
мента. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
зрачным подшипником |
для |
||||||||
можны более углубленные на |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
блюдения |
за |
протекающими |
в |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
подшипнике |
в |
процессами. В этом случае для улучшения условий |
||||||||||||||||||||
наблюдения |
|
смазку |
полезно добавлять |
|
порошки, |
образующие |
||||||||||||||||
при перемешивании с |
2маслом суспензии. |
|
|
|
|
|
(рис. 14). |
|||||||||||||||
Стенд № 2 сконструирован на базе токарного станка |
||||||||||||||||||||||
Опытный подшипник |
|
|
(расточка подшипника аналогична приве |
|||||||||||||||||||
денной на |
рис. |
8), |
выполненный из оргстекла и |
усиленный |
|
|
||||||||||||||||
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5- |
|
метал |
||||||
лическими ребрами, |
установлен4, на стойке |
Экспериментальный |
||||||||||||||||||||
вал в средней части опирается на опытный подшипник, а конца |
||||||||||||||||||||||
ми жестко связан с обоймами |
имеющими в нижней части про |
|||||||||||||||||||||
филированные |
|
опорные |
поверхности.6. |
Благодаря |
этим |
поверхнос |
||||||||||||||||
тям подшипник при качаниях вала получает динамические нагру |
||||||||||||||||||||||
жения от пружинных нагружателей 1 |
Качательпое движение вал |
|||||||||||||||||||||
получает |
от |
электродвигателя |
станка |
8 |
через коробку |
передач |
7 |
|||||||||||||||
и кривошипно-шатунный |
механизм |
Использование коробки пе |
||||||||||||||||||||
редач |
позволяет |
изменять |
скорость скольжения |
в |
подшипнике |
в |
||||||||||||||||
34
широких пределах. Нагрузку на подшипник регулируют при по
мощи специальных установочных винтов, изменяющих величину поджатия пружин нагружателя. Характер изменения нагрузки за
висит от профиля опорных поверхностей обоим, являющихся смен-
б)
Рис. 14. Схема (а) и общий вид стенда № 2 (б) для исследования про зрачного подшипника при качательном движении и динамическом на гружении.
C целью облегчения анализа результатов наблюдения на об
зорной части опытного подшипника наносят сетку с пронумерован
ными делениями, а па валу, за пределами нагруженной зоны —
риски.
35
ГЛАВА ' Ul
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
§ 9. Результаты исследований натурных подшипников
На рис. і5 приведена конструкция исследуемого подшипника.
Рабочая поверхность подшипника покрыта тонким слоем освинцовки, чистота ее обработки соответствует 7—8 классам. Рабочая
поверхность стального каленого пальца обработана до 10— 11 класса чистоты. Осредненная высота микронеровностей состав ляет 0,06 мкм.
Расположение емкостных датчиков E для замера толщины мас
ляной пленки и датчиков давления Д для замера гидродинамиче ских давлений показано на рис. 16.
Рис. 15. Конструкция |
экспершмен- |
Рис. 16. Схема расположения датчи- |
||
талыюго натурного подшипника су- |
ков иа натурном подшипнике судо- |
|||
дового компрессора. |
вого компрессора: |
|||
Средняя удельная нагрузка |
/ — поршневой палец; 2 — вкладыш. |
|||
на подшипник во |
время первой |
|||
серии опытов былаа |
постоянной и составляла 45 кгс/см2. Тип смаз |
|||
ки — МК.22П, температура его на входе 20oC. |
v∏ зависимости |
|||
На рис17, |
показаны характерные кривые |
|||
окружных скоростей скольжения пальца от угла поворота φ кри
вошипа (отсчет от верхней мертвой точки) для различной частоты вращения главного вала установки (см. рис. 11), а также практи чески для той же частоты вращения даны кривые зависимости
толщины h масляной пленки от угла поворота φ∙ Следует отметить,
что толщина смазочной пленки в подшипнике является косвенной характеристикой его надежности.
Приведенные выше кривые позволяют сделать достаточно важ
ные и интересные выводы. Прежде всего следует отметить, что наи
большая толщина масляной |
пленки в рабочей |
зоне подшипника |
в этом и в других опытах в |
целом очень мала |
(2—8 мкм) за весь |
36
оω |
Ii |
I |
⅛?- |
er |
JJ |
ю |
|
S |
≈? Il |
||
S |
K |
Il |
cχ. |
CC |
сс |
|
|
X |
|
к |
CC |
S X |
CC |
||
≈( |
|
X |
|
о O |
х |
X |
|
CX H |
X |
K |
|
|
CJ |
а |
о |
S O |
о |
ь |
|
U |
K S |
CJ |
|
37
период качания. Такой режим трения близок к предельным гидро
динамическим режимам, когда дальнейшее повышение нагрузки
приводит к нарушению сплошности масляной пленки и появлению
некоторого износа в условиях граничной смазки. Теоретической основой для определения несущей способности рассмотренных под
шипников должна стать контактно-гидродинамическая задача,
учитывающая также реальную жесткость верхней головки шатуна
и пальца. Эту задачу трудно решать без учета элементов крепле ния поршневого пальца и шатуна, поскольку даже небольшие их
перемещения в пространстве приводят к нарушению сплошности
'Смазочного слоя.
При постоянной нагрузке на поршень четко проявляется зави
симость толщины смазочного слоя от окружной скорости: с уве личением скорости качания шатуна растет толщина смазочной
пленки. Так, при увеличении скорости примерно в 1,5 раза толщи
на масляной пленки возрастает на 20—30% при нагрузке 45 кгс/см2 (см. рис. 17, а).
На рис. 17, б показаны кривые изменения толщины пленки для
того же подшипника почти при тех же условиях испытания, но при
.динамически меняющейся удельной нагрузке от 45 до 90 кгс/см2.
Характер изменения толщины смазочной пленки в зависимости от
угла поворота кривошипа в целом сохраняется; толщина смазоч
ной пленки оказывается зависящей, в основном, от окружной ско рости скольжения пальца по вкладышу. Однако здесь можно отме тить и ряд других особенностейУвеличение нагрузки в динамиче
ском режиме нагружения привело почти к обратно пропорциональ
ному уменьшению толщины масляной пленки. При изменении же
скорости скольжения за счет увеличения частоты вращения при мерно в 1,7 раза толщина масляной пленки возросла лишь па
.5-10%.
Таким образом, можно сделать вывод, что при динамическом
нагружении решающее влияние оказывает величина |
нагрузки, а |
не изменение скорости скольжения. Однако по мере |
увеличения |
нагрузки явления нарушения сплошной смазочной пленки обна руживаются, как правило, при пониженной частоте вращения кри
вошипа.
Это явление в общем совпадает с явлениями, происходящими в подшипниках двигателей внутреннего сгорания, для которых са
мыми опасными оказываются режимы с полными нагрузками и
малой частотой вращения коленчатых валов. В этих условиях тол
щина смазочной пленки резко уменьшается, в результате чего воз
можен износ вкладышей. Такой режим работы подшипников спа
сен, так как в течение короткого времени может произойти ава
рия машины.
До спх пор мы рассматривали результаты измерения толщины смазочной пленки центральным датчиком Ei (см. рис. 16). Однако
важно знать, как движется вкладыш по отношению к пальцу и в
поперечном направлении, |
поскольку шатунный подшипник даже |
при постоянном давлении |
напоршень находится под действием |
а« |
|
переменной силы, зависящей от угла между осью цилиндра и про
дольной осью шатуна.
На рис. 17, в показана зависимость толщины масляной пленки от угла поворота кривошипа для датчика E2 (см. рис. 16), из кото
рой видно, что для датчика E2 (как и для E1) наблюдается сни жение толщины смазочного слоя при φ = 90—120°, т. е. когда верх няя головка шатуна оказывается нагруженной наибольшей про
дольной составляющей силы, действующей на поршень, и когда-
под действием сил трения вкладыш смещается относительно паль
ца так, |
что зона максимального сближения рабочих поверхностей |
|
пальца |
и вкладыша оказывается в районе расположения датчи |
|
ка |
E2. |
По мере увеличения нагрузки эта зона оказывается (при |
|
|
|
пониженных скоростях скольжения) также небезопасной с точки
зрения нарушения сплошности смазочного слоя, |
появления износа |
|||||||||||
|
|
|
|
и последующего прогрессивно |
||||||||
|
|
|
|
го разрушения рабочей поверх |
||||||||
|
|
|
|
ности вкладыша |
и |
далее — |
||||||
|
|
|
) |
всего узла. Нередко в этой зо |
||||||||
|
|
|
|
не |
наблюдаются |
|
начальные |
|||||
|
|
|
|
повреждения |
вкладыша. |
Ис |
||||||
|
|
|
|
следования толщины масляной |
||||||||
|
|
|
|
пленки в натурных подшипни |
||||||||
|
|
|
|
ках |
дают вполне |
однозначный |
||||||
|
|
|
|
ответ на это. |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
Не менее интересными ока |
|||||||
|
|
|
|
зались |
результаты |
измерения |
||||||
Рис. 18. Распределение гидроди |
распределения давления по ок |
|||||||||||
намических |
давлений |
по длине |
ружности |
вкладыша |
датчика |
|||||||
подшипника в |
зависимости от |
ми, |
установленными |
в порш |
||||||||
1 — p=300 . кгс/см2; |
2 —P = |
невом |
пальце. |
Расположение |
||||||||
= 200 кгс/см2; |
3—p=100 кгс/см2. |
датчиков |
давления |
показано |
||||||||
среднего |
удельного |
давления. |
на |
рис. |
|
12 |
и |
16. |
Результаты |
|||
|
|
|
|
записи |
показаний |
датчика |
на |
|||||
нагрузки |
|
|
|
осциллографе для постояннойг. |
||||||||
(р = 45 кгс/см2 при вертикальном |
положении шатуна) и |
|||||||||||
различной частоте вращения представлены на рис. 17, |
Прежде |
|||||||||||
всего четко видно, что в подшипнике с |
канавками |
(см. рис. 15) |
не |
|||||||||
образуется сплошной эпюры гидродинамических давлений- В мес те расположения смазочных канавок наблюдается резкое падение
давления в слое, что приводит, по-видимому, к падению несущей способности подшипника и уменьшению толщины смазочной плен
ки. Вероятнее всего, что канавки играют положительную роль с
точки зрения активизации теплообмена во вкладыше и снижения
его рабочей температуры. Из рис. 17, г видно, что увеличение час тоты вращения кривошипа примерно вдвое привело к увеличению максимальных гидродинамических давлений примерно на 40—60%
и смещению пики максимальных давлений на рабочей поверхности
вкладыша в сторону, противоположную направлению вращения
кривошипа установки.
Возможности улучшения конструкции вкладыша еще не исчер
паны. Так, использование специальных закрытых канавок не при
ведет к заметному снижению гидродинамических давлений, но в го же время будет способствовать активной циркуляции масла в подшипнике. Конструкции подшипников с гладкой рабочей поверх ностью, но специальной формой расточки, обеспечат достаточно
активную циркуляцию масла и исключат разрывы в эпюре гидро
динамических давлений.
На рис. 18 приведены кривые распределения гидродинамичес
ких давлений по длине подшипникаЭти кривые характерны для
высоких нагрузок на подшипник или для особых конструкций
подшипников, имеющих нежесткие кромки. Из анализа этих.крщ
вых вытекает важный вывод о необходимости учета деформаций яри расчете поршневых подшипников.
§ Í0. Результаты исследований подшипников на прозрачных моделях
На установке № 1 для наблюдения процессов формирования масляной пленки в прозрачном подшипнике (см. рис. 13) были проведены наблюдения за явлениями, протекающими в пленке (в ‘.нагруженной и ненагруженной зонах) при различных условиях
работы подшипника. В период испытаний вал имел поступатель ное, качательное или вращательное движение в зависимости от
программы опыта. Смазка в подшипник подавалась двумя раз
личными способами:
—путем заполнения всего объема подшипника и боковых
крышек;
—в канавку, выполненную в ненагруженной зоне подшип
ника.
Рабочая поверхность подшипника, выполненного из органиче
ского стекла, была гладкой (смазочные канавки в нагруженной
зоне отсутствовали). Внутренний диаметр подшипника и отноше
ние его длины к диаметру равнялись, соответственно, 30 мм и
Ijd= 1,5.
Наблюдения показали, что процессы формирования смазочной
пленки и все |
явления, |
происходящие в |
ней, находят |
ся в непрерывном |
движении: |
форма, границы, |
параметры плен |
ки постоянно видоизменяются. В связи с этим возникали опреде
ленные сложности при фотографировании того или иного момента
в процессе образования пленки и других явлений (например, мо мента формирования пленки путем перетекания масла из одной
зоны подшипника в другую или образования в подшипнике области
разрежения, вскипания масла). Поэтому результаты исследова
ний представлены, главным образом, в виде эскизов наблюдаемых
явлений и их описаний.
На рис. 19 представлены эскизы процессов формирования сма
зочной пленки при двух способах подачи смазки в подшипник? смазка поступает из торцевых крышек (рис19, а); смазка посту пает из канавки, выполненной в ненагруженной зоне подшипника
■40
(рис. 19, 6). Цифрами / и II обозначены нагруженная и ненагру женная зоны подшипника соответственно, а цифрами 1, 2 и 3— процессы образования пленки при возвратно-поступательном, качательном и вращательном движениях вала соответственноСтрел
ками показаны основные направления потоков смазки. Интенсив
ность течения масла характеризуется количеством стрелок (боль
ше стрелок — интенсивнее поток).
J
$
3
Z
J
Ряс. 19. Процессы формирования смазочной пленки ∏pπ падаче смазки в подшипник из торцевых крышек (а) и из смазочной канавки (б).
41