Файл: Огородников, В. Б. Подшипники скольжения судовых поршневых машин.pdf

пічны описанным выше. Различие заключается-в том, что отсут­

Рис. 20. Общий вид равномерной масляной пленки в нагруженной зоне под­ шипника (при вращательном движении).

В целом можно отметить, что при качательном движении вала

толщина слоя в подшипнике очень мала (видно, как налипшая

тонкая пленка следует за движением поверхности вала), поэтому истечения наблюдаются только из нерабочей зоны. Посторонние частицы будут скапливаться, вероятно, в зоне высоких давлений,

как и пузырьки воздуха, подгоняемые туда попеременно с обоих

направлений при качательном движении вала. Это явление может

способствовать активному износу вкладышей, особенно при высо­

ких нагрузках, когда пленка становится тоньше и когда даже ча­

стицы размерами порядка долей микрона могут быть источником

абразивного износа.

Проведенные исследования позволяют охарактеризовать ряд физических явлений, не имеющих до сих пор удовлетворительных

объяснений. Например, при осмотре состояния рабочих поверхно­

стей поршневых подшипников компрессоров, бывших в эксплуата­ ции, обнаружено, что наибольшие натиры появляются в зоне, не­

сколько смещенной от зоны предполагаемого действия максималь­ ной нагрузки. На основании результатов исследований процессов формирования смазочной пленки, проведенных па установке № 1,

43

было установлено следующее. В поршневом подшипнике относи­

тельное движение пальца и вкладыша складывается нз двух видов

поршневого пальца вправо, что и было обнаружено при анализе

результатов экспериментальных исследований толщины смазочно­ го слоя и гидравлических давлений в натурных подшипниках и моделях подшипников поршневых машин.

Желание получить более полное представление о действитель­

ных условиях работы смазочного слоя в поршневых подшипниках

привело к созданию еще одной дополнительной установки. Ее спи­ сание приведено в § 8. На рис. 14, б показан общий вид этой уста­ новки для исследования прозрачной модели подшипника при дина­ мическом нагружении и различных скоростях качательного дви­

жения, зависящих от частоты вращения шпинделя токарного стан­

ка, на котором смонтирована вся установка. Ниже приведены ре­

зультаты наблюдений за работой прозрачного поршневого под­

шипника.

Прежде всего следует отметить, что даже при сравнительно

малых зазорах в подшипниках (опытный подшипник при диаметре 100 мм имел диаметральный зазор 0,35 мм) масло достаточно

быстро заполняет пространство между поверхностями скольжения

вала и вкладышаВремя заполнения этого пространства маслом

марки 30 (турбинное УТ) при окружающей температуре 20oC и

избыточном давлении подачи около 0,1 кгс/см2 составило только

одну минуту.

При работе с динамической нагрузкой на прозрачной модели можно видеть появление гидродинамических давлений в рабочей зоне смазочного слоя; через отверстие, просверленное во вклады­

ше, выталкиваются в момент нагружения небольшие порции мас­ ла. Поверхность испытуемого прозрачного подшипника s рабочей

44

и нерабочей зонах — гладкаяВо время работы этого подшипника даже при динамических нагрузках наблюдается очень медленное

обновление смазки в рабочей зоне. По-видимому, это обстоятель­

ство и является одной из причин использования в настоящее время

конструкций подшипников с канавками в рабочей зоне (с целью

более активного охлаждения подшипника).

Особенно заметно слабое обновление смазки в рабочей зоне,

если в эту зону при заполнении ее маслом в начале опыта ввести

пузырьки воздуха. Они длительное время остаются в рабочей зо­

не, несмотря на достаточно большие динамические нагрузки на

вкладыш.

Заметное течение масла существует в районе смазочных кана­

вок, особенно в зонах грязевиковОтмечено также вытекание

смазки в нерабочей зоне смазочного слоя, наблюдавшееся и на

малых прозрачных моделях подшипника.

§ 11. Результаты модельных испытаний поршневого подшипника

На рис. 7 представлена схема установки для модельных испы­ таний поршневых подшипников. Описание этой установки приве­

дено в § 6. Размеры испытуемого подшипника: диаметр 100 мм,

абсолютный диаметральный зазор 0,35 мм, отношение длины к

диаметру 1,0.

Конструкция подшипника приведена на рис. 8. Для смазки под­ шипника использовано масло марки 30 (турбинное УТ). Опыты велись в два этапа. На первом этапе производилось исследование

расходов смазки через каждую из 40 зон по обоим торцам вкла­

дышей при постоянной нагрузке и постоянном направлении вра­

щения вала (р=15 кгс/см2, и= 1440 об/мин). Цель этих исследо­

ваний —сравнить условия работы обычного подшипника (с круго­

вым движением вала) с условиями работы поршневого подшип­

ника (с качательным движением) на одной и той же модели.

На рис22 представлены результаты расходов смазки черед торцы опытного подшипника в 40 зонах по его окружности (по

20 зон с каждого торца). Схема расположения зон показана на­ рис. 22 справа, а в центре представлены результаты измерения

расходов при постоянном направлении вращения (сплошные ли­

нии) и качательном движении вала (штриховые линии).

Следует отметить, что до последнего времени вопросу деталь­

ного измерения расходов смазки фактически не уделялось внима­

ния. Между тем уточнение расчетных схем, а также методик рас­ чета невозможно без проведения подобных исследованийПо на­ шим сведениям, до сих пор не были опубликованы подобные ре­ зультаты опытов не только для подшипников с качательным дви­ жением, но и для обычных подшипников с постоянным направле­ нием вращения.

Полученные опытные данные для детального распределения

45

«оставляющих расхода смазки по торцам подшипника позволяют

заметно углубить знания в этом вопросе и пересмотреть взгляды

на условия работы подшипника скольжения, а также на выбор

расчетных схем при проектировании подшипника, которые приме­ няются в обычных методиках их расчета.

Рис. 22. Экспериментальные данные о распределении расходов смазки по окружности опытного (модельного) подшипника.

Результаты первого этапа исследований (при постоянном нап­

равлении вращения) показали, что в отличие от общепринятых расчетных схем расходы в типовом опорном подшипнике скольже­

ния с двумя подводами смазки (см. рис. 8) распределяются весьма

своеобразно. Например, значительно большая роль в охлаждении

подшипника и снабжении его свежим маслом принадлежит нера­

бочему подводу смазки (зоны 30—32 и 10—12), где вытекает зна­

чительно меньше масла, чем в рабочем подводе, так как это зона,

расширения смазочного зазора. Здесь масло подсасывается из сма­

зочной канавки. Некоторый расход смазки в районе нерабочего подвода можно объяснить наличием грязевиков, однако с увели­

чением окружной скорости на шейке вала составляющая расхода резко уменьшается и при скоростях более 15—20 м/с может быть равна нулю.

Роль грязевиков в. охлаждении подшипников, а также в очист­

ке их от загрязнений достаточно велика. Их влияние заметно при

анализе расхода смазки в районе нерабочей масляной канавки

(зоны 21, 22, 40 и 1, .2, 20). В этих зонах особенно велики расходы смазки. Как показали ранее проведенные опыты, температура вы­

текающего масла в районе рабочей канавки заметно выше, чем в маслопроводе. Кроме отработавшего, вытекает и часть свежего

масла, поступившего через нерабочий подвод и нагревающегося за

счет контакта с поверхностью скольжения вала, несущей тепло из

рабочей зоны.

46

Подобную конструкцию, по-видимому, целесообразно исполь­

зовать в поршневых подшипниках компрессоров и других машин.;.

Кривые распределения расходов по торцам подшипника для по­

стоянного направления вращения фактически симметричны, т.

заметного перекоса подшипника нетЭти кривые также свидетель­

ствуют о том, что нет заметного вытекания смазки через торцы в-

нерабочей зоне вкладыша исследуемой конструкции, а расход,

смазки в рабочей зоне (по результатам ранее проведенных опы­ тов) значительно ниже теоретических величин, определяемых по

общепринятым методикам расчета (иногда эта разница достигает

100-120%) [9].

Таким образом, даже для обычных подшипников скольжения необходимо вводить существенные поправки в расчет или приме­ нять новые методы расчета, учитывающие в большей мере физиче­

ские особенности работы опор. Еще более сложные задачи стоят

перед исследователями при решении проблемы расчета поршневых подшипников, условия работы которых намного сложнее. В .этом,

плане весьма полезными являются исследования расходов смазки через торцы при качательном движении вала, результаты которых приведены также на рис. 22. Следует отметить, что по сравнению’

с расходами смазки в обычном подшипнике с постоянным направ­

лением вращения картина истечения масла при качательном дви­

жении существенно изменяется (штриховые линии).

Во-первых, нет истечения в рабочей зоне смазочного слоя (это,,

в частности, можно объяснить очень малыми толщинами масля­

ной пленки, полученными во время этих опытов), во-вторых, рас­ ходы смазки через грязевики практически одинаковы и достаточно*

велики, в-третьих, в нерабочей зоне появляется заметный расход смазки. Роль грязевиков также велика, они способствуют удале­

нию значительной доли' тепла и снижению температурного уров­ ня tí подшипнике.

Полученные кривые расхода смазки свидетельствуют о перспек­

тивности таких подшипников и целесообразности их применения для напряженно работающих опор с вращательным и качательным движением вала. Описанные выше сведения о детальных расходах,

смазки через торцы подшипника позволяют найти путь для выбо­ ра более совершенных расчетных схем и методов расчета опор

скольжения различных типов.

На рис. 23 показаны результаты определения минимальной

толщины смазочного слоя в опытном модельном подшипнике при

частоте качания 120 цикл/мин (окружная скорость скольжения

при этом составляет 0,63 м/с, что соответствует скорости скольже­

ния в натурном поршневом подшипнике)-

Значения минимальной толщины смазочной пленки оказались весьма близкими к полученным во время исследований натурных

подшипников. Таким образом, выводы и обобщения,, сделанные при анализе толщины смазочной пленки в натурных шатунных подшипниках, по-видимому, справедливы и для более крупного

подшипника. В частности, режим работы подшипника является

47'

весьма напряженным из-за мал-ой толщины масляного слоя, так

как возможно повреждение рабочей поверхности посторонними

•частицами. Правда, в подшипниках с грязевиками, способствую­ щими удалению посторонних частиц, условия работы в этом отно­ шении несколько легче, чем в подшипниках с закрытыми канав­ ками.

Рис. 23. Зависимость толщины масляного слоя от на­ грузки для модельного подшипника.

При анализе минимальной толщины масляной пленки в испы­

танных подшипниках следует также отметить, что при троекратном

увеличении удельной нагрузки (с 5 до 15 кгс/см2) толщина пленки

уменьшилась только на 20%■ При этом обнаруживается тенденция к дальнейшему увеличению разницы в соотношениях между удель-

'ной нагрузкой и толщиной смазочного слоя. Вероятно, режим тре­

ния в подшипниках весьма близок к граничному, поэтому и удает­

ся получить при высокой точности изготовления вала и вкладыша достаточно стабильную, хотя и очень тонкую масляную пленку с

высокой несущей способностью.

§ 12. Рекомендации по проектированию и повышению надежности опор поршневых судовых машин

Ниже приведены основные результаты выполненных впервые

по подобной методике экспериментальных исследований подшип­

ников поршневых машин и разработанные на их основе рекомен­

дации по созданию работоспособных опор скольжения.

В опытах с использованием емкостных датчиков специальной конструкции было установлено, что толщина смазочной, пленки в

рабочей зоне поршневых подшипников очень невелика, в среднем она колеблется в пределах от долей микрона до 10—15 мкм. Опы­

ты по определению минимальной толщины масляной пленки в

крупных моделях поршневых подшипников подтвердили резуль­ таты натурных испытаний. В моделях толщина масляных пленок

оказалась очень небольшой (порядка нескольких микрон).

Натурные испытания подшипников показали, что минимальная толщина масляной пленки находится обычно в зоне под углом 90—

-4«

120° к продольной оси шатуна. На практике именно в этом месте

обнаруживаются первые следы износа, а затем и значительные натиры, грозящие аварией подшипника или машины в целом. По­

явление зоны с минимальной толщиной масляной пленки в указан­ ном месте подшипника объясняется смещением равнодействующей

газовых сил на поршень, сил трения и инерционных усилий, дей­

полученных с помощью специально разработанных датчиков в на­

турных подшипниках, показал, что в весьма тонких масляных плен­

ках рабочей зоны возникают большие давления, которые и несут рабочую нагрузку в подшипникеПрименение открытых смазочных канавок, хотя и снижает теплонапряженность подшипника за счет

повышенной циркуляции смазки в рабочей зоне смазочного слоя, однако приводит к делению общей зоны гидродинамических дав­

лений на отдельные участки с высокими давлениями, превышаю­ щими давления в подшипнике с гладкой рабочей поверхностью.

Необходимо вести поиск рациональных конструкций поршне­

вых подшипников. Опираясь на более широкие испытания натур­ ных подшипников и их моделей на специальных стендах, следует

наряду с уточнением и расширением опытов по определению тол­

щины смазочной пленки в различных типах подшипников прово­

дить испытания с детальным анализом эпюр гидродинамических давлений при различных условиях работы опытных подшипников разнообразных конструкций.

Результаты исследований показали, что наиболее опасным ре­ жимом работы поршневой машины является значительное сниже­ ние частоты вращения вала при сохранении прежнего уровня ра­ бочих нагрузок. В этом случае наиболее вероятно разрушение мас­

ляной пленки и появление металлического контакта между валом и вкладышемПоследствия металлического контакта могут быть различными в зависимости от вида повреждений на рабочих по­

верхностях вала и вкладыша. В процессе эксплуатации вид повре­ ждений можно определить только с помощью особо чувствитель­

ных методов оценки изменения состояния машины. Следовательно,

только специально созданная система прогнозирования может предотвратить серьезные нарушения в работе машины. Для этого необходимо на основе опытов на стендах и натурных образцах ма­

шин разработать систему критериев оценки состояния машины, а также датчики и исполнительные механизмы к ним. Для решения

сложных вопросов, связанных с анализом набора критериев, мож­ но использовать ЭВМ.

При обычных скоростях скольжения на рабочих поверхностях

поршневых подшипников (0,5—1,5 м/с) изменение скорости влияет

на толщину смазочной пленки значительно слабее (в 1,5—2 раза),

чем динамически изменяющаяся удельная нагрузка, поэтому при

испытании и эксплуатации машин повышение нагрузки необходи­

мо производить более плавно, чем изменение скорости.