Теоретические предпосылки повышения долговечности постелей коренных подшипников в зависимости от теплопроводности соединений

АННОТАЦИЯ

В данной статье освещены теоретические предпосылки повышения долговечности постелей коренных подшипников в зависимости от теплопроводности соединений.

ABSTRACT

In this article, theoretical reasons for increasing the longevity of the main bearing beds are discussed, depending on the thermal conductivity of the joints.

Ключевые слова: коренные подшипники, физико-механические свойства, теплопроводность.

Keywords: radical bearings, physical and mechanical properties, thermal conductivity.

Долговечность постели коренных подшипников блоков цилиндров восстановленные нанесением на поверхности постелей и крышек коренных подшипников полиуретановыми адгезивами зависит от их физико-механических свойств и теплопроводности.

Надежность подшипника зависит от его теплового режима. Масляная пленка разрушается более интенсивно под воздействием повышенной температуры трущихся поверхностей по сравнению с увеличенной удельной нагрузкой на подшипник. Исследование поведения смазки при различных температурах показало, что толщина, прочность и сплощность масляной пленки в значительной мере определяются температурой и что даже при тяжелых режимах испытаний, когда давление достигает 10 Мпа, а скорость-16м/с, регулированием температуры трущихся поверхностей можно сохранить между ними неразрушающуюся масляную пленку.

Тепловой режим работы трущейся пары зависит от тепловыделения при трении и количества отводимой теплоты. Теплота, выделившаяся в подшипнике, может быть отведена с помощью смазочного масла, протекающего через подшипник и теплоотдачей в блок.

Теплоотдача в блок имеет важное значение только в период запуска двигателя, так как его температура значительно ниже температуры подшипника. После прогрева двигателя теплоотдача в блок стабилизируется, отвод теплоты в блок снижается. При установившемся режиме работы двигателя 85-90 % теплоты, выделившейся в подшипнике, отводится маслом.

Уравнения теплового баланса подшипника

                                                                          (1)

где -потеря мощности на срез слоев масла при вращении шейки коленчатого вала; -мощность, расходуемая на продавливание масла через подшипник; -механический эквивалент теплоты; -плотность масла; -теплоемкость масла; -расход масла через подшипник;-приращение температуры масляного слоя; -средняя температура масляного слоя на опасном участке работы подшипника; -температура масла на входе в подшипник.

Мощность не оказывает значительного влияния на тепловой баланс подшипника, поэтому при расчете ее можно не учитывать, тогда уравнение теплового баланса будет иметь следующий вид:

                                                            (2)

где -динамический вязкость масла; -приведенная угловая скорость коленчатого вала; -рабочая длина подшипника; -диаметр шейки коленчатого вала; -коэффициент сопротивления смазочного слоя вращению шейки коленчатого вала; -относительный зазор.

Расход масла , необходимый для обеспечения теплового баланса подшипника:

                                                                              (3)

где Р-удельная нагрузка на подшипник; -коэффициент, зависящий от относительного эксцентриситета.

В условиях эксплуатации для устойчивой работы подшипника двигателя в фазе жидкостного трения необходимо выполнить следующее условие;

                                                      (4)

где Z-безразмерный показатель, характеризующий режим работы подшипника; -давление подачи масла в подшипник; m-показатель параболы; -относи-тельный эксцентриситет.

Решив уравнение (4) относительно  и подставив значение , получим:

                                                                           (5)

Средняя температура масляного слоя на опасном участке работы подшипника:

                                                                               (6)

где -заданная температура; -показатель степени. В интервале температур 50…100⁰С для дизельного масла = 2,6.

В установившемся тепловом режиме постели коренных подшипников, вкладыши, вал и масло в различных точках нагреты до определенной температуры, а вновь образуемая теплота отводится в окружающую среду.

Схема коренного подшипника двигателя, постель которого восстановлена полимерным материалом, показана на рис. 1. При этом принята следующая схема тепловых потоков. Теплота образуется на площадке контакта вкладыша с валом. Избыточная температура поверхности вала Т_в в контакте с вкладышем постоянна в радиальном и осевом направлениях.

Избыточная температура площадки контакта вкладышатакже постоянна и равна Т_в, а за ее пределами температура рабочей поверхности вкладыша снижается по экспоненциальному закону, достигая минимального значения в точке с рабочей поверхности, наиболее удаленной от площадки контакта. Таким образом, температурное поле по окружности вкладыша несимметрично. Для удобства расчете схему теплоотвода через вкладыш следует привести к симметричному виду введением коэффициента:

                                                                                        (7)

где -средняя избыточная температура рабочей поверхности вкладыша; -избыточная температура площадки контакта вкладыша.

Количество теплоты в единицу времени Q, образующейся на поверхностях трения:

                                                                           (8)

где -коэффициент трения; -удельная нагрузка на вкладыш; -скорость скольжения; -номинальный диаметр вкладыша; -ширина вкладыша.

Рисунок 1. Расчетная схема коренного подшипника

На рис.1 -избыточная температура соответственно вкладышам, полимерного слоя, внутренней и наружной поверхности постели, окружающей среды, масла и вала; -коэффициенты теплообмена.

Тепловой баланс определяется по формуле:

                                                                            (9)

где -тепловые потоки, отводимые соответственно через блок, масла и вал в единицу времени, которые можно представит в следующем виде:

                                                           (10)

где -параметры теплоотвода, характеризующие количество теплоты, отводимой соответственно через блок, масла и вал в единицу времени при нагреве поверхности на 1⁰С.

-избыточная температура соответственно рабочей поверхности масла и вала.

Тепловой поток, отводимый через блок, определяется по формуле:

                                                                    (11)

где и-тепловые потоки, отводимые через вкладыш, полимерный слой и постель коренного подшипника.

На основании уравнения теплового баланса суммарный параметр теплоотвода подшипникового узла К_т определяется по формуле:

                                                                           (12)

Теплопередачу через блок в окружающую среду рассмотрим как теплопередачу через многослойную цилиндрическую стенку, которая изображена на рис.2.

Частные параметры теплоотвода через вкладыш, полимерный слой и постель подшипника:

                                                              (13)

где B, B₁, B₂, B₃, B₄-частные параметры теплоотвода соответственно через вкладыш полимерный слой и постель подшипника в окружающую среду; и -коэффициенты теплообмена соответственно вкладыша и тонкого полимерного слоя; -коэффициент теплообмена постели подшипника с окружающей средой;  и -теплопроводность соответственно стали, полимерного материала и чугуна; и-соответственно диаметр полимерного слоя и постели подшипника; и -соответственно толщина вкладыша подшипника и стенки постели.

Рисунок 2. Схема теплопередачи через постели коренных подшипников

На рис. 2 и-радиус соответственно вкладыша, полимерного слоя, внутренней и наружной поверхности постели; и-избыточная температура соответственно вкладыша, полимерного слоя, внутренней и наружной поверхности постели и окружающей среды.

Тепловой поток проходит последовательно через вкладыш (Q_вх), полимерный слой (Q_п), постель подшипника (Q_п.п.) и отводится в окружающую среду (Q_о). При установившемся тепловом режиме количество теплоты, проходящие в единицу времени через эти тела, должны быть равны между собой.

Q_вх = Q_п = Q_п.п. = Q_о                                                                                            (14)

Тепловой поток при последовательном теплоотводе:

                                         (15)

где и-избыточная температура соответственно внутренней поверхности подшипника, полимерного слоя и постели, наружной поверхности постели и окружающей среды.

Из системы уравнений (15) определяем частные температурные перепады:

                                             (16)

Суммируя левые и правые части системы уравнений (16) получим:

    (17)

Для упрощения расчета избыточные температуры поверхностей подшипникового узла представим в относительном виде, приведя их к избыточной температуре масла:

                                                   (18)

Подставив эти коэффициенты в уравнение (17) с учетом выражений (7) и (13), получим уравнение параметра теплоотвода через постель подшипника при наличии полимерного слоя:

                                                                (19)

Параметры теплоотвода через постель подшипника без полимерного слоя примут вид:

                                                                      (20)

Температура рабочей поверхности вкладыша:

                                                          (21)

Таким образом, температура рабочей поверхности вкладыша определяется параметром теплоотвода, который зависит от коэффициента теплоотвода масла, вкладыша и постели, теплопроводности материалов, площади поперечного сечения, температуры и расхода масла, необходимого для обеспечения теплового баланса вкладыша и др. температура рабочей поверхности вкладышей, установленных в постели с полимерным покрытием, на 0,75⁰С выше по сравнению с температурой вкладышей, установленных в постели без полимерного покрытия при равных условиях работы, что не оказывает практического влияния на работу коренных подшипников двигателя. 

Список литературы:
1. Polvonov A.S., Normirzaev A.R., Khabibullaev A.Х., Tuxliev G.A., Shotmonov D.S., Valieva G.F. Study of physico-mechanical properties of the polyurethane adhesive. Austrian Journal of texnikal and Natural Sciences, № 11/12/2014. Vienna. 93-96 pg.