Состояние нефтяных смазочных композиционных материалов в подшипниковых узлах в процессе тепломассообмена Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Phenomena and processes ofpowder gases effect on aqueous medium around muzzle end, when firing under water, are observed. The mechanism of gas bubble formation (blowing) is disclosed. Qualitative evaluation of its effect on fire efficiency is estimated.

Key words: fire efficiency, aftereffect period, powder gases, gas bubble, target visibility, period of target invisibility.

Shamanov Vladimir Аnatolievich, candidate of sociological sciences, serviceman, ivts. tulguarambler. ru, Russia, Moscow, Military Unit № 25953,

Chubaryikin Sergey Viktorovich, serviceman, ivts. [email protected], Russia, Moscow, Military Unit № 55599,

Breus Roman Aleksandrovich, serviceman, ivts. [email protected], Russia, Moscow, Military Unit № 55599,

Vasilyev Andrey Vyacheslavovich, serviceman, ivts. tulgu@rambler. ru, Russia, Moscow, Military Unit № 55599,

Abramov Nikita Andreyevich, Research Scientist, ivts. [email protected], Russia, Tula, TsKIB SOO.

УДК 621.892

СОСТОЯНИЕ НЕФТЯНЫХ СМАЗОЧНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В ПОДШИПНИКОВЫХ УЗЛАХ В ПРОЦЕССЕ

ТЕПЛОМАССООБМЕНА

А. Д. Бреки, О.В. Толочко, Е.С. Васильева, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков

Рассмотрены эмпирические соотношения, описывающие тепловые потоки от узлов машин с радиальными роликоподшипниками, а также радиальными и радиально-упорными шарикоподшипниками. Реализовано дополнение данных соотношений с учётом изменения состояния нефтяных смазочных композиционных материалов в процессе тепломассообмена. Представлена классификация дисперсных компонентов, появляющихся в нефтяном смазочном масле в процессе тепломассообмена. Приведена рекомендация, по оценке состояния нефтяных смазочных масел в подшипниковых узлах по тепловыделению.

Ключевые слова: тепломассообмен, нефтяной смазочный материал, дисперсный компонент, трение, износ, композиционный материал, подшипниковый узел, тепловой поток.

Известно, что теплообмен - это процесс переноса теплоты от более нагретых тел к менее нагретым телам. Многие процессы переноса теплоты

сопровождаются переносом вещества - массообменном (например, в технике широко распространены процессы испарения в паровоздушную среду и конденсации пара из смеси «пар - воздух»). Совместное протекание процессов теплообмена и массообмена называется тепломассообменом [7].

Процессы тепло- и массообмена встречаются во многих технических системах: в помещениях, в ограждающих конструкциях зданий и сооружений, в котельных установках, тепловых сетях, различном теплооб-менном оборудовании электростанций и т. д. Эти процессы могут происходить в различных средах: чистых веществах и разных смесях, при изменении агрегатного состояния рабочих сред и без него. В зависимости от этого процессы тепло- и массообмена протекают по-разному и описываются различными уравнениями [7]. Безусловно, данные явления протекают и в таких сложных системах, как подшипниковые узлы.

Рабочая температура подшипников существенно зависит от скорости (ё • п) и величины осевой нагрузки. В меньшей степени нагрев подшипников зависит от радиальной нагрузки [1].

Тепловыделение (тепловой поток) Qp (ккал/с) радиальных роликоподшипников при интенсивной струйной смазке определяют по эмпирической формуле [1, 6]

Qp = V (0,03К0,58ехр(Ярёп) +10-3 ехр(др • 1пК) -10-7 с1п - 0,04), (1) где - коэффициент, учитывающий влияние вязкости жидкого смазочного материала на трение подшипников качения; V - прокачка масла, размерность, л/мин; Яр - параметр, зависящий от прокачки масла:

Яр = (1,96 - 0,043 • V) 10-6; ё - диаметр отверстия подшипника, размерность мм ; п - частота вращения подшипника, размерность об/мин; др - показа-

-7

тель, зависящий от параметра ёп : др = 0,61 +10 • ё • п; К - радиальная

нагрузка, размерность кГ;.

Зависимость тепловыделения радиальных и радиально-упорных шарикоподшипников при интенсивной струйной смазке выражается следующей эмпирической формулой [1, 6]:

Qш = • [(2,2 +) • 10-2 ехр(Яшёп) + + ДQШ], (2)

где Яш - параметр для шарикоподшипников, зависящий от прокачки мас-

- 6 К

ла, Яш = 10 • (1,93 - 0,058V); ДQш - слагаемое, учитывающее влияние на

тепловыделение подшипников величины радиальной нагрузки, ДQШ = 10 3 К- Сш; - показатель степени, зависящий от па-

-7

раметра ёп, = 0,61 +1,2 • 10 ёп ; Сш - тепловыделение подшипника

при

радиальнои

нагрузке

Я = 1000 кГ

Сш = 0,03 +

+1,2 10 7 йп, (ккал/с); Л^Ш - приращение тепловыделения в шарикоподшипниках при деИствии осевоИ нагрузки, Л^Ш = И • Ау; А - действующая на подшипник осевая нагрузка; И и у - параметры, зависящие от значения йп и прокачки V И = 3,2 • 10-12 ехр(0,45 • V) • (йп)1,4; у = 0,763 -

0,5 10-7 йп

0,27 •10-3V3,3

Значения коэффициента к^ определяются по следующим уравнениям, аппроксимирующим изменение тепловыделения в подшипниках в зависимости от вязкости жидкого смазочного материала [1, 6]: при смазывании жидким смазочным материалом с вязкостью, большей или равной вязкости трансформаторного масла при 50 оС (, > ,тр),

(

0,011-

к,, = V

-1

1тр

+

0,011

V

1

(3)

V тР у

при смазывании жидким смазочным материалом с вязкостью, меньшей вязкости трансформаторного масла при 50 оС (, > ,тр),

^-, (4)

к

(

0,015^

V

цтр

-1

+

0,015

V

тр

-1

где ,тр,, - вязкости соответственно трансформаторного масла при температуре 50 оС и масла, используемого в действительных условиях работы.

В процессе тепловыделения подшипников реализуется интенсивный теплообмен между подшипниковым узлом и внешней средой, наряду с которым реализуется и массообмен. Поскольку подшипниковый узел включает в себя как сам подшипник, так и (в ряде случаев) нефтяное смазочное масло (или нефтяной смазочный композиционный материал), то реализуется и тепломассообмен, в ходе которого в смазочном материале образуются различные дисперсные компоненты [8, 9, 10, 11].

Так, в результате тепломассообмена между подшипниковым узлом и внешней средой (в том числе при участии человека), а также (в границах подшипникового узла) между подшипником и нефтяным смазочным композиционным материалом в последнем образуются три вида дисперсных компонентов [11]:

1) дисперсные компоненты, генерируемые в процессе трения и окисления масел (частицы износа металла, окислов; выкристаллизованные при понижении температуры парафины и церезины; частицы нагара, золы,

,

лаков; пузырьки газов, образовавшихся в узле и из компонентов узла (особенно при срабатывании противопенных присадок) и т. д.);

2) дисперсные компоненты, попадающие в узел трения извне естественным образом при обмене веществом и энергией с внешней средой (частицы пыли, песка, резины (при износе уплотнений); частицы воды или другой жидкости, случайно попавшей в систему; пузырьки газов; микроорганизмы);

3) дисперсные компоненты, целенаправленно добавляемые в узел трения для улучшения триботехнических свойств смазочных материалов (частицы твёрдых смазочных материалов, металлов, бинарных сплавов и т. д.).

Виды дисперсных компонентов, появляющихся в нефтяном смазочном масле, в процессе тепломассообмена приведены на рис. 1.

Рис. 1. Дисперсные компоненты в нефтяных смазочных маслах [8]

С учётом образования дисперсных компонентов в нефтяных смазочных маслах в процессе окисления и изнашивания, а также целенаправленного введения дисперсных добавоки т. п. вязкость изменяется в соответствии с обобщённым уравнением А. Эйнштейна [2, 3, 4, 5, 6]:

^ = ^дс • (1 + а / •Ф), (5)

где цдс - вязкость чистого масла; а ^ - коэффициент, зависящий от формы, состава и особенностей взаимодействия примесей между собою и с дисперсионной средой; ф - совокупная объёмная доля примесей и добавок. Подставляя (5) в соотношения (3) и (4), имеем

120

(

0,01Ь

к, = V

к, =

Мдс (1+а/ •ф)

Мтр

-1

+

0,011

V

Мдс(1 + а/ •ф) -1

М

тр

(

0,015^

V

Мтр 1

Мдс(1 + а/ •ф)

л

(6) (7)

+

0,015

V

Мтр

^ Мдс (1 + а / •ф)

При этом следует отметить, что в процессе образования дисперсных компонентов (смол, асфальтенов, карбенов, карбоидов, частиц износа и др.) и попадания их в узел из внешней среды (пыль) сначала может быть справедливо соотношение (7) , = ,дс (1 + а у • ф) < ,тр, а после некоторого

критического значения объёмной доли фкр станет справедливым соотношение (6). Также это может быть реализовано в результате искусственного массообмена при добавлении человеком дисперсной добавки в узел трения.

При увеличении содержания дисперсных компонентов в масле происходит приращение тепловыделения. В частности, для радиальных роликоподшипников (, > ,тр) при неизменности остальных параметров тепловыделение увеличится в (<2р +ЛQp)/ Qp раз:

г

0,01Ь

Q р +ЛQl Q р

V

Мдс (1+а / ф)

М'тр

+

0,011

V

Мдс (1 + ау •ф) -1 Мтр

(

0,01Ь

V

т дс -

^ т тр у

0,011

V

Мдс ^ Мтр

Вместе с тем, известно, что вязкость минеральных масел для подшипников качения устанавливают, например, по номограмме [12] (рис. 2), что также заставляет учитывать величину теплового потока.

Например, для подшипника с диаметром отверстия й = 340 мм при

частоте вращения п = 500 мин-1 минимальная допустимая вязкость смазочного материала в рабочем состоянии V = 13,2 сСт (горизонтальная пунктирная линия). При рабочей температуре в узле 70 °С вязкость масла должна быть V = 27 сСт при 50 оС (ломаная пунктирная линия).

1

1

1

Приращение же теплового потока говорит и об увеличении рабочей температуры, что в ряде случаев может быть нежелательно по причине активации нежелательных коррозионно-механических процессов, особенно интенсивно протекающих в среде стареющего смазочного материала.

Рис. 2. Номограмма для выбора вязкости минерального масла при заданных размерах и скорости вращения подшипника [12]

По приращению тепловыделения, вызванного увеличением объёмной доли ф различных дисперсных компонентов и изменением состава дисперсионной среды, косвенно можно судить о состоянии смазочного масла в подшипниковом узле. При этом для каждого конкретного жидкого смазочного материала целесообразно экспериментально исследовать изменения его химического и дисперсного состава во времени в конкретных условиях эксплуатации и сопоставлять данные изменения с тепловыделением. На этом основании можно осуществлять оценку состояния нефтяного смазочного масла в подшипниковых узлах по тепловыделению.

Список литературы

1. Биргер И. А. Расчёт на прочность деталей машин: справочноепо-собие; изд. 2-е, испр. и доп. / И.А. Биргер, Б.Ф. Шорр, Р.М. Шнейдерович. М.: Машиностроение, 1966. 616 с.

2. Волков В.А. Коллоидная химия / В.А. Волков. М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2001. 640 с.

3. Воюцкий С. С. Курс коллоидной химии. 2-е изд., перераб. и доп. /

С.С. Воюцкий. М.: Химия, 1975. 512 с.

4. Захарченко В.Н. Коллоидная химия. 2-е изд., перераб. и доп. / В.Н. Захарченко. М.: Высшая школа, 1989. 238 с.

5. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы: учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. / Ю.Г. Фролов. М.: Химия, 1988. 464 с.

6. Бреки А.Д. Оценка состояния нефтяного смазочного масла в подшипниковых узлах по тепловыделению / А.Д. Бреки // Материалы международной научно-практической конференции «Современное машиностроение. Наука и образование». 14-15 июня 2011. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2011. С. 163-166.

7. Орлов М.Е. Теоретические основы теплотехники. Тепломассообмен: учебное пособие / М. Е. Орлов. Ульяновск: УлГТУ, 2013. 204 с.

8. Бреки А.Д. О процессах образования и взаимодействия дисперсных компонентов смазочного слоя в узлах трения управляемых систем / А.Д. Бреки // Материалы 3-й международной научно-практической конференции «Современное машиностроение. Наука и образование». 14-15 июня 2013. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2013. С. 279-283.

9. Бреки А.Д. Общие свойства и особенности взаимодействия дисперсных компонентов смазочного материала / А.Д. Бреки, О.В. Толочко, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков // Материалы 4-й международной научно-практической конференции «Современное машиностроение. Наука и образование». 19-20 июня 2014. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2014. С. 319326.

10. Бреки А.Д., Васильева Е.С., Толочко О.В., Сергеев Н.Н., Гвоздев А.Е., Стариков Н.Е. Жидкие смазочные композиционные материалы, содержащие высокодисперсные наполнители, для подшипниковых узлов управляемых систем: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. 144 с.

11. Бреки А.Д., Васильева Е.С., Толочко О.В., Сергеев Н.Н., Гвоздев А.Е., Стариков Н.Е. Триботехнические свойства жидких смазочных композиционных материалов, содержащих полученные методом газофазного синтеза высокодисперсные дисульфид и диселенид вольфрама: монография / под. ред. А.Д. Бреки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. 152 с.

12. Бейзельман Р.Д. Подшипники качения: справочник. 6-е изд., перераб. и доп. / Р.Д. Бейзельман, Б.В. Цыпкин, Л.Я. Перель. М.: Машиностроение, 1975. 575 с.

Бреки Александр Джалюльевич, канд. техн. наук, доц., ivts.tulgu@,rambler.т, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет,

Толочко Олег Викторович, д-р техн. наук, проф., ivts. tulgu@rambler.т, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет,

Васильева Екатерина Сергеевна, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет,

Гвоздев Александр Евгеньевич, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет имени Л.Н. Толстого,

Стариков Николай Евгеньевич, д-р техн. наук, проф., ivts. [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет

THE STA TE OIL L UBRICA TING COMPOSITE MA TERIALS IN BEARING ASSEMBLIES IN THE PROCESS OF HEAT AND MASS TRANSFER

A.D. Breki, O.V. Tolochko, E.S. Vasilieva, A.E. Gvozdev, N.E. Starikov

The paper discusses the empirical relations describing the heat flows from the machine parts with radial roller bearings, as well as radial and angular contact ball bearings. Implemented addition of these relations, taking into account changes in the state oil lubricating composite materials in the process of heat and mass transfer. The classification of dispersed components appearing in the oil lubricating oil in the heat and mass transfer.Provides recommendations on the evaluation of the oil of lubricating oils in bearing units for heat dissipation.

Key words: teplomassoobmen, petroleum lubricant, a particulate component, friction, wear, a composite material, the bearing assembly, the heat flux.

Breki Alexander Djalulevich, candidate of technical sciences, associate professor, ivts. tulgu@rambler. ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg Polytechnic University,

Tolochko Oleg Viktorovich, doctor of technical sciences, professor, ivts. tulgu@rambler. ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg Polytechnic University,

Vasilievа Ekaterina Sergeevna, candidate of technical sciences, associate professor, ivts. tulgu@rambler. ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg Polytechnic University,

Gvozdev Aleksandr Evgen'evich, doctor of technical sciences, professor, ivts. tulgu@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State Pedagogical University named after L.N. Tolstoy,

Starikov Nikolai Evgen'evich, doctor of technical sciences, professor, ivts. tulgu@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University