Панова И.М., Синицына Ю.В.
АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА РЕСУРС КЕРАМИЧЕСКИХ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ *
Аннотация:
в статье рассмотрены основные факторы, влияющие на долговечность керамических подшипников скольжения. При этом, основным критерием работоспособности подшипников является износостойкость поверхностного слоя керамической втулки. Определяющее значение имеет реальная площадь контакта вала и подшипниковой втулки под нагрузкой. Точное определение площади контакта затруднено, однако, это можно сделать приближенно, что и предложено в статье. Установлено, что значительную роль играет величина максимального контактного давления, которое, в свою очередь, определяет величину контактных напряжений сдвига, - влияние которых нарастает с ростом высоты и количества микронеровностей. Совместное влияние этих напряжений и определяет ресурс работы подшипника, что учитывается расчетом по эквивалентному напряжению.
Ключевые слова:
подшипник скольжения, площадь контакта, ресурс, трение, давление в подшипнике скольжения, контактные напряжения, чистота обработки поверхности
В современном машиностроении все больше находит применение техническая керамика, это материалы, получаемые из порошков на основе кремниевых нитридов, карбидов, тугоплавких металлов, оксидов циркония, алюминия, и др. Уникальные свойства этих материалов делают их применение в качестве конструкционных материалов весьма заманчивым. Среди основных преимуществ керамических конструкционных материалов следует отметить высокие значения твердости и жесткости, низкий коэффициент трения, в сочетании с хорошей износостойкостью, низкую плотность, неспособность проводить электрический ток и намагничиваться, а также возможность эксплуатации в ряде коррозионных сред. Такое сочетание свойств делает их привлекательными для использования в качестве подшипниковых материалов, особенно в сложных условиях эксплуатации, [Л.1]. Однако, проблемой на пути к широкому использованию керамических подшипников является низкая прочность керамики при воздействии растягивающих напряжений, что является причиной хрупкого разрушения, а также износа поверхности. Решением вопроса может быть применение керамики в виде наноструктурных керамических покрытий. Например, покрытие из наноструктурного карбида кремния, (SiC), позволяет получить в подшипниках скольжения коэффициент трения в пределах 0,011–0,015, модуль упругости до 400 Гпа, твердость до 90–92 HRC, при прочности 1800 Мпа. Причем, стабильность свойств сохраняется в диапазоне рабочих температур от -50С до +1300С. Однако, при нанесении покрытий возникают дефекты, связанные, в первую очередь, с разными величинами коэффициентов термического расширения покрытия и подложки,- решение находят в нанесении ряда промежуточных слоев, что делает подшипник относительно дорогим. Следует также учесть, что при значительных нагрузках и термоциклировании неизбежны релаксационные процессы в материале покрытия, а это пока не может учитываться в оценке эксплуатационного ресурса подшипника. Также значительную трудность представляет оценка служебных характеристик поверхности трения подшипника, а именно, его трибологических, физических и механических свойств, [Л.2]. Вместе с тем, известно об успешном применении подшипников скольжения, выполненных полностью из керамики. Так, согласно [Л.3], подшипники скольжения из оксида циркония и карбида кремния, рис.1 успешно используются при небольших нагрузках в устройствах, связанных с потребностями биотехнологий.Рис.1 Подшипник из карбида кремния, (Star Ceram), и скользящий валик из оксида циркония.При этом отмечается, что керамические материалы обладают уникальными характеристиками механических свойств по сравнению с нержавеющей сталью, табл.1:Табл.1.Такие высокие показатели свойств достигнуты благодаря следующим факторам:Высокое качество и стабильность свойств исходного сырья.Применение высокоточного шлифования рабочей поверхности, Ra0,5.Использование метода точного формования, (F-формование), с термоусадкой. Известно также, о применении керамики, в частности на основе диоксида циркония, в узлах сухого трения при высоких скоростях скольжения, до 34 м/с, и высоких температурах, как указано в [4]. Здесь же говорится о перспективности применения трибологических пар керамика-металл,(сталь). На основе карбида кремния разработан материал SILCAR- SiSiC, который с успехом применяется в подшипниках скольжения производства ecarbid, [5].Рис.2 Керамические подшипники скольжения ecarbid. Перейдем к рассмотрению основных факторов, определяющих ресурс работы керамических подшипников. Главными, по нашему мнению, являются: закон распределения контактного давления в подшипнике, напряженно-деформированное состояние в поверхностном слое керамического вкладыша, скорость скольжения, точность геометрической формы и чистота обработки поверхности. Полагаем, что подшипник работает в условиях сухого трения, что соответствует применению подшипников в специальных устройствах, где невозможно использовать смазку, а также работе подшипника в период пуска и останова в условиях граничной смазки. Для анализа напряженно-деформированного состояния керамической втулки представим, что жесткий вал воздействует на поверхность подшипника радиальной силой. Наиболее часто применяемое решение контактной задачи Герца в данном случае не может быть использовано, так как область зоны контакта намного больше, чем принимается в задаче Герца. Решение контактной задачи Штаермана И.Я., [7] в большей мере соответствует нашему случаю, поскольку площадь контакта соизмерима с размерами тел, и рассматривается не только сближение, но и относительное вращение, однако, в окончательных выражениях не учитываются разные характеристики упругих свойств материалов, контактирующих тел. Отметим, что контакт втулки и вала всегда происходит по дуге менее 180, поэтому фактическая площадь контакта меньше, чем площадь проекции подшипника по внутреннему диаметру. Определение реальной площади контакта расчетным путем не только затруднительно, но и не дает возможности достаточно корректно связать эту расчетную площадь с практически наблюдаемым износом, поскольку керамика обладает нестабильностью свойств в изделиях и сильной зависимостью от пористости. В данной работе предложено произвести упрощенную оценку реальной площади контакта стального вала с керамической втулкой, которая, однако, на практике дает весьма точный результат. Предположим, рис.3, что под действием упомянутой радиальной силы R вал, радиусом r1 при длине втулки l смещается в радиальном направлении, а его ось смещается на расстояние ОО1. При этом справедливо выражение:=plr1 +cos, (1)Если предположить, что угол известен, то можно определить контактное давление p. Угол также можно определить экспериментально методом нанесения на поверхность вала мелкодисперсной краски.Рис.3. Взаимодействие вала с керамической втулкой под нагрузкой. С другой стороны, можно также оценить площадь контакта расчетным путем, при этом рассчитывается условная ширина зоны контакта b, как это показано в [8], причем результат этого расчета удовлетворительно совпадает с экспериментом, в котором ширина b определяется по отпечатку мелкодисперсной краски. Согласно инженерному решению, в основе которого лежит закон Гука, ширина площадки контакта может быть определена по формуле (2):=hl11+2, (2)где h-величина суммы деформаций вала и втулки после приложения нагрузки R, что условно соответствует глубине смещения вала, с радиусом r1 во втулку, толщиной t. Здесь учтено, что вал и втулка имеют разные модули упругости.Отметим, что данная зависимость удовлетворительно подтверждается экспериментом и дает меньшую погрешность, чем расчет по формуле Герца. Следует отметить, что контактное давление неравномерно по ширине b. Вид эпюры и величина максимального контактного давления, а также и ширина площадки b, зависят от величины зазора в подшипнике, от скорости скольжения и температуры, от микрогеометрии и твердости поверхностей контакта. На рис.4 показана наиболее вероятная серповидная форма эпюры контактного давления, соответствующая контактным напряжениям. В этом случае оценить приближенно величину максимального контактного давления можно по выражению (3), где среднее давление p=R/bl.Рис.4 Серповидная эпюра контактных напряжений.max=4, (3) Это говорит о том, что максимальное контактное давление в 1,27–1,3 раза больше, чем, если бы оно было учтено как равномерное, согласно рис.5: Рис. 5. Традиционная эпюра контактных напряжений с равномерным распределением. Отметим, что основной причиной износа подшипника являются напряжения сдвига, =fmax, где f-коэффициент трения. Практически признаки износа начинают появляться при значении max=5080МПа. Такой разброс связан с различием параметров шероховатости. Потеря прочности поверхностного слоя произойдет при некотором неблагоприятном сочетании контактных напряжений и напряжений сдвига:экв=12+1+22+42 [], (4)где, =(изг.)/(сж.).Рассчитать допустимое напряжение сдвига затруднительно, однако, возможно это сделать по косвенным оценкам, принимая приближенно: []=(сж.)/2,9 Разрушение поверхностных слоев контактирующих материалов и отделение частиц износа, являются основными факторами усталостного износа втулки, а причиной является значительная величина напряжений сдвига, которые, в свою очередь, зависят от величины контактного давления и условий трения. Необходимо также учитывать, что шероховатость существенно влияет на величину контактного давления. Из работ А. И. Петрусевича известно, что благодаря наличию микронеровностей напряженное состояние в зоне контакта меняется в сторону увеличения сдвиговых напряжений, что и увеличивает максимальное контактное напряжение сдвига. Таким образом, влияние чистоты обработки поверхности также является определяющим фактором износа. Выбор оптимального зазора в подшипнике оказывает влияние на его ресурс, поскольку увеличение зазора приводит к повышенному износу керамики из-за автоколебаний, а уменьшение повышает контактное давление. Поэтому важно установление оптимального значения зазора, что потребует получения предварительных экспериментальных данных. Для более точной оценки расчетных параметров может использоваться математический аппарат теории упругости с необходимостью учета изменения геометрии сопрягаемых поверхностей под нагрузкой. Практическое значение может иметь формула (5) для определения ресурса, приведенная в работе [9]:=2112+raisebox1ex0raisebox1ex1, (5)Где [h]-суммарный предельно допустимый износ вала и втулки, -радиальный зазор, определяемый с учетом изменения температуры, n1 -частота вращения вала, J1, J2-интенсивность износа вала и втулки,0-половина угла контакта. Мерой интенсивности износа может служить экспериментально определенное отношение объёма продуктов износа к дистанции трения. Отметим, что на скорость скольжения опосредованно влияет частота вращения вала. Влияние скорости скольжения весьма значительно, так, в работе [10] экспериментально установлено, что при малых скоростях скольжения начинает образовываться так называемый бороздчатый рельеф, а при увеличении скорости скольжения происходит выкрашивание поверхности втулки. Интересно, что интенсивность изнашивания и коэффициент трения керамики сначала возрастают, а затем понижаются. Это, очевидно, связано с тем, что на поверхностях трения образуется трибослой из продуктов износа, который при малых скоростях концентрируется в зоне контакта, а с увеличением скорости скольжения становится более равномерно распределенным. Кроме того, возможно формирование квазижидкой пленки, которая увеличивает площадь контакта, за счет чего и понижаются контактные напряжения. Установлено,[11] что при скоростях скольжения, больше 2-6 м/с преобладает адгезионный механизм износа, а это означает на практике перенос частиц металла на поверхность керамики. Таким образом на поверхности образуются окислы с высокой микротвердостью, что и повышает износостойкость керамики. В работе [12], на примере диоксида циркония, также установлено защитное влияние так называемого transfer layer при высоких скоростях скольжения. Заключение. Таким образом, на ресурс керамических подшипников скольжения влияет сложное напряженное состояние в зоне контакта. Для определения составляющих напряжений необходимо установить размеры площади контакта вала и керамической втулки, что можно сделать приближенно, опираясь на предварительные экспериментальные данные. Также следует учитывать влияние чистоты обработки поверхностей, величины зазора и скорости скольжения. Прогнозирование ресурса и установление предельных нагрузок позволяет успешно использовать керамические подшипники скольжения в определенных случаях, когда исключается возможность использования металлических материалов по тем или иным соображениям.
Номер журнала Вестник науки №4 (73) том 4
Ссылка для цитирования:
Панова И.М., Синицына Ю.В. АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА РЕСУРС КЕРАМИЧЕСКИХ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ // Вестник науки №4 (73) том 4. С. 697 - 708. 2024 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/14139 (дата обращения: 24.06.2025 г.)
Вестник науки © 2024. 16+