Технические науки /2. Механика
К.т.н. Кубич В.И., Мануйлов Э.В.
Запорожский национальный технический университет, Украина
Повышение
надежности работы подшипникового узла
агрегата
турбонаддува ДВС
В современном
автомобильном двигателестроении важным направлением является повышение
надежности и долговечности подшипниковых узлов агрегатов турбонаддува. Наибольшее
распространение среди опорных подшипников получили подшипники скольжения,
которые работают в смазочной среде. Частота вращения ротора турбокомпрессора
может достигать 300000 мин-1. В случае срыва масляного клина может
образоваться граничное трение без смазочной среды. В этом случае будет
происходить аварийное изнашивание материала подшипника. Современные материалы,
которые могут быть использованы для изготовления подшипников турбокомпрессоров,
с точки зрения возможности проявления
их трибологических свойств исследованы не в полной мере.
Формулируемое
научно-техническое задание заключается в разработке рекомендаций для
триботехнического обоснования оптимального подбора материалов контртел
трибосопряжения «вал ротора – опорный подшипник вала». Это позволит повысить
несущие свойства подшипника и стойкость масляной пленки в случае ее срыва при
работе турбокомпрессора в переходных режимах смазки. При этом специфичность и
некоторую сложность представляет моделирование нагружения контактных
поверхностей подшипников при проведении триботехнических испытаний,
индивидуальность подхода в определении сил давления на опорный (опорные)
подшипники для типов турбокомпрессоров. Результаты расчетов напряженно-деформированного
состояния подшипникового узла указывают, что для анализа работоспособности
подшипникового узла следует учитывать конструктивные особенности, которые
приводят к прогибу вала, так как оси вала и втулки подшипника скольжения
расположены под некоторыми углами [1].
Подтверждением
широкого спектра материалов опорного подшипника автомобильных турбокомпрессоров
являются следующие применяемые материалы.
1. Сплав фосфорной
бронзы с высоким содержанием свинца. Высокое содержание свинца преодолевает
сухое затирание, связанное с холодным запуском двигателя и ингибирует
истирание.
2. Кованый
кремниево-латунный сплав используют из-за высоких скоростей турбин и более
высоких температур выхлопных газов двигателей, работающих на бедных
топливовоздушных смесях. Как полагают, латунь более устойчива к истиранию.
Подшипники из этого сплава способны выдержать высокие скорости трения, и в то
же время более устойчивы к воздействию кислот деградированных масел [2].
3. Алюминиево-кремниевый
сплав, содержащий 11% кремния и 1% меди, обладает наилучшими показателями прочности, взаимозаменяемости и
превосходной стойкостью к коррозии. Износоустойчивость такого сплава выше, чем
у баббитов со свинцовой основой, благодаря неметаллической природе кремния,
который не имеет твердой фазы, которая сваривается с валом в условиях износа
[3].
Предварительно
проведенные испытания модельных трибосопряжений «неподвижная колодка – подвижный
ролик» с различными материалами колодки (сплавы AlSi12Cu1(Fe), вторичный Al25, БрОФ4-0,25, БрОЦС 5-5-5, Л65, модифицированные
графитизированные стали) с роликом (сталь 45ХН2МФА) в моторном масле 15W40 Lukoil-Super SAE SG/СD показали:
- специфичность
проявления трибологических свойств рассматриваемых трибосопряжений;
- неоднозначность
характера формирования в них функциональности свойств граничных смазочных слоев.
Оценено влияние
силы контактного взаимодействия (на данном этапе исследований в диапазоне 165 Н
- 450Н) поверхностей образцов модельных трибосопряжений на: коэффициент трения в смазочной среде и
без нее, т.е. после образования вторичных масляных структур; характер
разрушения поверхностей при их взаимодействии без подачи масла; время
устойчивости к разрушению масляной пленки при работе трибосопряжения без подачи
масла [4].
Для
триботехнических испытаний использовалась машина трения СМЦ-2. Испытания проводились
в два этапа: с приработкой масла к поверхностям антифрикционного материала; без
подачи масла с наличием предварительно сформированных смазочных слоев на
контактных поверхностях материалов
образцов.
Алюминиевые сплавы
показали очаги схватывания до (10-15) % всей площади трения. При испытании
сплава AlSi12Cu1(Fe) (нагрузка на колодку 350 Н, частота вращения ролика 300 мин-1)
наблюдалось схватывание материала колодки. При этом происходило разрушение
масляной пленки из вторичных масляных субструктур, и массоперенос компонентов
сплава на цилиндрическую поверхность ролика [4]. На колодке визуализировалось
пропахивание поверхности. Полученные результаты свидетельствуют о том, что
алюминиевые сплавы обуславливают низкое качество формирования вторичных
масляных субструктур на своей поверхности после процесса приработки, и слабую
устойчивость масляной пленки на их контактных поверхностях.
Графитизированная
сталь (С 1,95%; Si 1,66%; Cu 1,94 %; Al 0,22%; Mn 0,5%; Ni 0,12%; Cr 0,14% ; S 0,03%; P 0,03%) показала недостаточную способность
удерживать масляную пленку на поверхности [5]. В начале испытания без подачи
масла при нагрузке P = 165 H на первой минуте начала формироваться полоса
темно-коричневого цвета, являющаяся скоплением деструктивных частиц масла.
Сплав AlSi12Cu1(Fe) и графитизированная сталь менее
всех склонны к формированию со сталью 45ХН2МФА устойчивых смазочных слоев, и удержанию
масляной пленки на поверхности. Наименьшими значениями коэффициентов трения
обладают сплавы: вторичный АЛ25, БрОФ4-0,25, БрОЦС5-5-5. Способность бронз к
омеднению поверхностей сталей возлагает на них надежды по использованию их, как
основных антифрикционных материалов для опорных подшипников автомобильных
турбокомпрессоров. Бронзы «держали» масляную пленку на протяжении всего времени
проведения эксперимента без подачи масла и не имели следов патологического изнашивания.
Полученные
результаты обосновывают целесообразность проведения дальнейших триботехнических
испытаний с моделированием эксплуатационных режимов нагружения рабочих
поверхностей подшипников скольжения для обеспечения их работоспособности в аварийных режимах.
Литература
1. Диха О.В., Строкатий Р.В.
«Комп’ютерне моделювання контактних навантажень в підшипниковому вузлі
турбоагрегата» /О.В. Диха, Р.В. Сорокатий // Проблеми трибології №2. – 2014.
- C. 95 – 98
2. Cost-Effective Manufacturing: Copper Alloy Bearings // Copper Development Association, CDA Publication TN45, 1971 – 44 p.
3. Convay-Jones, J.M. and Pratt,
G.C. // Recent experience and developments in bearings for diesel engines, 12th
CIMAC Conference, Tokyo, 1977
4. Кубич В.И. Коэффициент трения триад «45ХН2МФА - Lukoil-Super - АО20-1», «12Х2Н4 - Lukoil-Super - АО20-1» в условиях ступенчатого нагружения /В.И. Кубич// Проблемы тертя та зношування №61. - 2013. - С. 37-45
5. Акимов И.В. Оценка
фрикционности модифицированных графитизированных сталей на малогабаритных
образцах / И.В. Акимов, В.И. Кубич / Проблеми трибології. - ХНУ. - №72. - 2014. -
С.38-44