Повышение долговечности подшипников качения, работающих в условиях фреттинг-коррозии

Первостепенным направлением развития современного машиностроительного и ремонтного производства является повышение надежности и износостойкости машинного парка.

Также в комплексе решаемых в машиностроении масштабных первостепенных задач увеличение продолжительности срока службы узлов и механизмов и обеспечение безопасной работы машин остается одной из первых. Соблюдение этих тенденций позволяет обеспечить конкурентоспособность отечественных машин и механизмов, выполняющих комплекс работ по текущему обслуживанию пути при его капитальном ремонте и строительстве новых железных дорог, проведению геолого-разведочных работ.

Повышение силовых и производственных характеристик выпускаемых агрегатов напрямую приводит к росту температурно-силового нагружения их узлов, в частности, пар трения. Срок службы любого механизма зависит от работы отдельных узлов. Основными видами отказов (более 80%) является преждевременный износ трущихся узлов и деталей машин. Подшипники являются составной частью практически любого агрегата, машины или механизма и, как свидетельствует накопленный опыт их эксплуатации, в большей мере определяют их надежность и долговечность.

Одним из важнейших вопросов машиностроения и ремонтного производства является обеспечение работоспособности закрытых узлов трения, ограничивающих работоспособность механизмов и машинного парка в целом, контролировать работу которых постоянно практически невозможно. В таких закрытых узлах, подверженных виброколебаниям, одним из основных видов изнашивания является фреттинг-коррозия. Фреттинг наблюдается в различных прессовых посадках (например, ступицы колеса и оси, бандажа и колесного центра, подшипниках качения и скольжения), в шлицевых, шпоночных, болтовых и заклепочных соединениях (например, подкладках, накладках, болтах, гайках рельсовой колеи, карданных передачах путевых дрезин, контактных поверхностях рессор и пружин-тележек вагонов и локомотивов), в путевых машинах (приводе подбоек путевой машины ВПР-1200 и др.). Специфика данных узлов трения связана со сложностью контроля их работоспособности и широкими диапазонами изменения внешних условий их эксплуатации.

Задачу повышения долговечности узлов трения предлагается решить путем закрепления внутренних колец подшипников качения композициями из клеевых соединений, что дает возможность значительно увеличить степень защиты от износа фреттинг-коррозией. Однако особенности поведения подобных материалов требуют разносторонних комплексных исследований и эксплуатационных испытаний.

Использования клеевых соединений в узлах трения, типа подшипников качения, усложняются проблемой отсутствия требуемых методик расчета триботехнических характеристик и возможности использования клеевого соединения в данных условиях. Кроме того, практически отсутствуют теоретические основы методики диагностирования развития фреттинг-коррозии в реальном узле трения, а также схема механизма фретингообразования динамически нагруженных фрикционных систем. При решении поставленной задачи необходимо учитывать зависимость полимерных материалов и защитных покрытий от значений температур. Кроме этого, весьма актуальными являются вопросы оценки несущей способности покрытий по пределу вынужденной эластичности композитов с учетом температурно-силового воздействия и возможности неравномерного нагружения клеевого шва и подшипников качения в целом, возможности возникновения высокой концентрации нагрузок при длительных остановках. Проведенный анализ современного состояния вопроса и методов повышения надежности и износостойкости узлов трения в настоящий период времени показывает вынужденную необходимость и целесообразность проведения исследований в данной области.

Изучение данных трибосистем выявляет сложность проведения исследований в лабораторных условиях из-за габаритных размеров механизмов. При решении поставленной задачи необходимо учитывать связь параметров модели узла трения с параметрами объекта, значительное влияние микроструктуры поверхности, шероховатости, теплопроводности, давления, скорости скольжения и целого рядя других переменных параметров на выходные трибохарактеристики. Поэтому при моделировании объекта необходимо учитывать совпадение основных динамических, теплофизических, трибологических, деформационных параметров.

Целью работы является повышение долговечности динамически нагруженных подшипников качения, работающих в условиях фреттинг-коррозии путем демпфирования вибраций полимерными покрытиями.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— Установлены основные этапы развития процесса фреттинг-коррозии с учетом взаимосвязи динамических процессов, протекающих на фрикционном контакте и в механической системе, позволяющие сформулировать базу его текущего диагностирования.

— Реализованы конструктивные мероприятия по снижению и устранению фретингообразования за счет усиления диссипативной составляющей фрикционных связей (комплексного коэффициента трения) введением внешнего высокодемпфирующего слоя, образованного полимерными связями и структурой адгезива.

— Разработана методика расчета на прочность клеевого шва между валом и кольцом ПК с учетом особенностей конструкции, нагружения и эксплуатационных режимов, определяющих температуру узла трения.

— Обосновано использование амплитудно-фазово-частотных характеристик (АФЧХ) в качестве идентификационных параметров для исследования закономерностей энергетических преобразований, протекающих на фрикционном контакте в режиме фреттинг-коррозии и влияние на эти процессы внешних диссипативных связей.

— Разработана физико-математическая модель процессов трения в режиме фреттинг-коррозии, обеспечивающая адекватные динамические свойства фрикционных контактов механических систем натуры и модели для диагностики натурных систем в процессе эксплуатации.

— Разработана методика оценки эксплуатационных характеристик демпфирующего клеевого слоя для узлов трения, подверженных износу фреттинг-коррозией.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

— Разработана методика прогнозирования и диагностики триботехнических характеристик фрикционно-механических систем, эксплуатирующихся в условиях фреттинга в закрытых узлах трения на основе анализа его АФЧХ.

— С целью значительного снижения влияния фреттинг-коррозии на износостойкость соединения вал-деталь с отверстием разработана новая конструкция подшипника качения (решение о выдаче патента РФ № 2 004 117 513) с тонкостенной разрезной втулкой, дающей исключение проворачивания сопрягаемых деталей и возможность лёгкой разборки соединения.

— Определена область рациональной эксплуатации узлов трения с демпфирующим слоем, подверженных фреттинг-коррозией, обеспечено повышение износостойкости данного класса сопряжения на 25−30%.

— Сформирован банк триботехнических, трибоспектральных и амплитудно-фазо-частотных характеристик, давший возможность диагностировать развитие фреттинг-коррозии в реальном узле трения.

Основные положения, выносимые на защиту:

— Физико-математическая модель процессов трения в режиме фреттинг-коррозии с учетом диссипативных связей, обеспечивающая адекватные динамические свойства фрикционных контактов трибосистем натуры и модели, применительно к буровой установке.

— Выявленные закономерности механизма фрикционного взаимодействия в режиме фреттинг-коррозии с использованием в качестве идентификационных характеристик АФЧХ.

— Методика диагностирования развития процесса фреттинг-коррозии в реальном узле трения при помощи анализа его АФЧХ и прогнозирование критического состояния поверхности узла трения по величине их износа.

Апробация работы.

Основные результаты работы были доложены на международном конгрессе «Механика и трибология транспортных систем-2003» (Ростов-на-Дону, 2003), на Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2006», научных семинарах кафедр «Детали механизмов и машин», «Транспортные машины и триботехника», «Теоретическая механика» РГУПСа. Реализация работы.

В целях проверки разработанных мероприятий по повышению долговечности работы подшипников качения были проведены эксплуатационные испытания на буровой установке СКБ 4100. Данный подшипник качения был установлен и испытывался в течение одного года на буровой установке, показав запланированное увеличение ресурса работы, что подтверждено актами эксплуатационных испытаний. Объём и содержание работы.

Диссертация состоит из 5 глав, изложенных на 162 странице, содержит 11 таблиц, 54 рисунка, библиографию в количестве 127 наименований, общие выводы и приложения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Разработана методика расчета на прочность клеевого шва между валом и кольцом ПК с учетом особенностей нагружения и температуры узла трения, определяющая номенклатуру перспективных адгезивов, обеспечивающих демпфирование.

2. На основе комплексного моделировании установлены масштабные коэффициенты перехода от модели к натуре и разработан лабораторно-измерительный комплекс, обеспечивающий адекватные динамические свойства фрикционных контактов трибосистем натуры и модели применительно к буровой установке.

3. На базе разработанных методов и способов установлены закономерности и этапы развития фреттинг-коррозии динамически нагруженных подшипниковых узлов, учитывающие влияние основных эксплутационных факторов на работоспособность исследуемого узла.

4. Анализ развития процесса фреттинг-коррозии в буровой установке позволил сформулировать критерий фретингообразования, связывающий между собой частоты, амплитуды колебаний и параметр демпфирования и позволяющий воспроизвести данный процесс изнашивания на модели, аналогичный процессу на объекте исследования.

5. Применение квадратичного двухуровневого планирования эксперимента позволило получить регрессионную модель процесса изнашивания контактных поверхностей и оптимальную толщину клеевого шва при максимальных эксплуатационных режимах.

6. С использованием результатов трибоспектральной идентификации процессов трения в режиме фреттинг-коррозии разработана методика диагностики и прогнозирования критического состояния исследуемых трибосистем.

7. По итогам теоретических и эксплуатационных исследований рассматриваемой модели трибосистемы установлены эквивалентные динамические характеристики в виде АФЧХ системы и сформулирован банк трибоспектральных параметров, характеризующих состояние системы.

8. По результатам анализа прочностных параметров трибоузла и его АФЧХ установлена интервальная характеристика оценки области рационального применения предлагаемого метода демпфирования рабочих вибраций, влияющих на износостойкость сопряжения. На этой основе предложены технологии восстановления посадочных мест ПК при различных стадиях фреттинг-коррозии (Положительное решение о выдаче патента РФ № 2 004 117 513).

9. Осуществлена промышленная оценка эффективности разработанного метода демпфирования вибрации в данном узле трения буровой установки и получено запланированное увеличение ресурса работы.