CC BY
43
УДК 612.824.3
О. Е. Андрусенко, Ю. И. Матвеев
ВЛИЯНИЕ АККУМУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОТЫ В ПОДШИПНИКОВОМ УЗЛЕ НА ПРИХВАТ И УСТАЛОСТНОЕ РАЗРУШЕНИЕ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ
При выборе материалов для восстановления антифрикционного слоя подшипников скольжения коленчатых валов среднеоборотных дизелей в основном обращают внимание на требования к материалу наносимого слоя по таким характеристикам, как коэффициент трения при физическом контакте деталей подшипникового узла и фактор нагруженности [1].
Однако при выборе композиционных покрытий очень важно рассматривать вопросы аккумулирования теплоты восстановленным подшипником по отношению к базовому материалу подшипника конкретного двигателя с соответствующим тепловым режимом работы подшипникового узла с целью устранить нежелательные последствия перегрева или охлаждения подшипника. Материалы с теплофизическими свойствами, существенно отличными от теплофизических свойств базового материала, могут привести к изменению теплового баланса подшипникового узла и повышенному изнашиванию рабочих поверхностей как подшипника, так и шеек коленчатого вала.
Рассмотрим явление аккумулирования теплоты подшипником и влияние режимов смазывания на прихват подшипников в условиях гидродинамического смазывания.
На рис. 1 представлена зависимость удельной нагрузки прихвата подшипника от температуры смазочного масла для двух видов подшипников с антифрикционными слоями с различным коэффициентом теплопроводности X.
и
ч
и
и
и
&
С
80
100 120 Т емпература смазочного масла, °С
140
Рис. 1. Зависимость удельной нагрузки прихвата от температуры смазочного масла:
1 - подшипник с антифрикционным слоем из свинцовистой бронзы марки ОЦС 4-4-17 (X = 55 Вт/(м-град)); 2 - подшипник с никелевым защитным слоем (X = 17 Вт/(мтрад)), нижним антифрикционным слоем из свинцовистой бронзы марки ОЦС 4-4-17 (X = 55 Вт/(м-град)) и верхним антифрикционным слоем из баббита Б83 X = 33 Вт/(м-град)
На графике видно уменьшение удельной нагрузки прихвата с ростом температуры смазочного масла для обоих типов подшипников. Однако для подшипника кривая 2 удельной нагрузки прихвата [1] проходит ниже, чем кривая 1 с чистым антифрикционным сплавом, и, следовательно, удельная нагрузка прихвата для такого подшипника ниже.
Характерным отличием подшипников является наличие никелевого защитного слоя в подшипнике 2, обладающего высоким коэффициентом теплопроводности и менее теплопроводным слоем основного антифрикционного слоя из свинцовистой бронзы. Вследствие возникновения теплового барьера происходит удержание части передаваемой через подшипник теплоты нижним слоем и рост температуры в никелевом защитном слое.
При исследовании подшипника 2 методом рентгеноспектрального анализа локального износа было обнаружено, что вследствие чистого износа и прихвата защитный слой может быть в местах прихватов полностью разрушен до оголения свинцовистой бронзы. В этой зоне вследствие высоких давлений могут наблюдаться микровыбоины в слое свинцовистой бронзы. В местах микровыбоин может наблюдаться пленка серебристого цвета, состоящая из никеля, олова и меди. С учетом того, что никель и свинцовистая бронза имеют различную твердость (НВОцС = 63,2-107 н/м2, НВ№ = 90-120-107 н/м2) [2] подтверждается предположение, что процесс образования микропиттинга протекает следующим образом. Вначале определенный участок поверхности никелевого слоя начинает растрескиваться по границам между частицами, вкрапленными в медную основу, и самой основой. Растрескиванию никелевого защитного слоя способствует различие в коэффициентах линейного расширения а основного и защитного слоя, которое усиливается накопившейся теплотой вследствие недостаточной теплопроводности основного слоя (аОцС = 17,1-10-6 град1, ам = 14,5-10-6 град1, аБ83 = 21-10-5 град1) [2]. Возникающие при этом силовые поля в более расширяющемся нижнем слое создают дополнительные силовые поля в защитном никелевом слое и разрывают его.
Эти частицы начинают шелушиться. Затем процесс растрескивания переходит в следующий слой никелевого соединения, в котором присутствуют никель, олово, медь. Наконец, частицы никелевого слоя диаметром в несколько микрон начинают отделяться от поверхности. Так как оголение внутреннего слоя происходит именно под отслоившимся участком никелевого соединения, то частицы свинца, вкрапленные в этот слой, отделяются вследствие корродирования смазочным маслом.
На рис. 2 представлена зависимость удельной нагрузки прихвата подшипника от динамической вязкости смазочного масла. Изменение вязкости смазочного масла в этом случае рассматриваем как следствие аккумулирования теплоты в слоях подшипника скольжения.
(И
*
к
а
с
а
С
2
3
4
Динамическая вязкость масла гх/см
5
Рис. 2. Зависимость удельной нагрузки прихвата от динамической вязкости масла для подшипника с антифрикционным слоем из свинцовистой бронзы марки ОЦС 4-4-17
График показывает, что с уменьшением динамической вязкости масла происходит уменьшение удельной нагрузки прихвата подшипника. Следовательно, с ростом температуры антифрикционного подшипникового слоя вследствие аккумулирования теплоты в масляном слое подшипника происходит не только падение динамической вязкости масла, но и существенно снижается нагрузка прихвата подшипника.
Результаты исследований свидетельствуют: любые изменения теплофизических характеристик подшипникового слоя и, как следствие, аккумулирование теплоты подшипником приводят к нарушению работы подшипника, что необходимо учитывать при выборе сплава для восстановления подшипникового слоя.
Таким образом, при использовании антифрикционного слоя, отличающегося от проектного, потребуется корректировка производительности системы смазывания для поддержания температуры масла в подшипнике на заданном уровне, безопасном для работоспособности подшипника скольжения и используемого антифрикционного слоя. Технология нанесения покрытия должна разрабатываться таким образом, чтобы проведение этих работ не отразилось не теплофизических свойствах материала антифрикционного слоя и соответствовало свойствам базового антифрикционного материала.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Крагельский И. В., Виноградова И. Э. Коэффициенты трения: справ. пособие. - М.: Машгиз, 1962. - 220 с.
2. Таблицы физических величин / под ред. И. К. Кикоина. - М.: Атомиздат, 1976. - 1008 с.
Статья поступила в редакцию 26.03.2009
INFLUENCE OF HEAT ACCUMULATION IN BEARING UNIT ON STRAP CLAMP AND FATIGUE FAILURE OF SLIDING BEARINGS
O. E. Andrusenko, Yu. I. Matveev
It is shown that antifrictional materials with thermo-physical properties fundamentally different from thermo-physical properties of the base material can lead to change of the thermal balance of bearing unit and to the increased wear process of working surfaces as a bearing and crankshaft journals. The proper choice of the material of the applied remedial antifrictional layer helps to remove undesirable consequences of bearing overheating and cooling.
Key words: bearing, shaft journal, crankshaft, thermo-physical properties, antifrictional materials.
