Панова Ирина Михайловна, к.т.н., доцент, доцент кафедры основ конструирования машин
105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1
Irina M. Panova, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Associate Professor of the Department of Machine Design Fundamentals
5, 2nd Baumanskaya St., bld. 1, Moscow 105005
Синицына Юлия Владимировна, к.т.н., доцент кафедры основ конструирования машин
105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1
Yulia V. Sinitsyna, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Department of Machine Design Fundamentals
5, 2nd Baumanskaya St., bld. 1, Moscow 105005
Цель – поиск конструктивного решения, обеспечивающего надежную и долговременную работу узла трения с керамическим подшипником скольжения, которая достигается с помощью анализа и оптимизации напряженно-деформированного состояния керамической вкладки подшипника с учетом реальных условий нагружения подшипника скольжения. Конструирование подшипникового узла проводилось с учетом особенностей свойств керамических материалов, обладающих низкой прочностной надежностью при действии напряжений растяжения. Для повышения точности решения проводились учет неравномерности нагрузки в подшипнике скольжения и определение реальной площади контакта. Также учитывается то, что поверхность вкладыша находится в сложном напряженном состоянии, и поэтому расчет идет по эквивалентным напряжениям. Критерием является минимизация эквивалентных напряжений, что соответствует оптимальному натягу и обосновывает его выбор. Для анализа использован дискретно-континуальный способ метода конечных элементов с использованием вариационного принципа по методу Лагранжа. Программа для расчета позволяет получить значения эквивалентных напряжений в зависимости от натяга и выбрать его оптимальное значение. Анализ полученных результатов приводит к оптимизации геометрический формы керамической вкладки. Установлено, что в предложенной оригинальной конструкции подшипника скольжения возможно преодоление (в значительной степени) хрупкости, присущей керамическим материалам за счет минимизации растягивающих напряжений. Надежность работы подшипника скольжения и его долговечность повышены. Предложена оригинальная конструкция подшипника скольжения с керамической вкладкой. Данная конструкция позволяет использовать усовершенствованные керамические конструкционные материалы в подшипниках скольжения, что расширяет параметры эксплуатации узлов трения современных устройств. Преодоление хрупкости керамических материалов требует разработки специальных конструктивных приемов – по преодолению растягивающих напряжений за счет оптимально выбранных натягов, создающих напряжения сжатия во вкладке. Выбор оптимальных натягов может быть выполнен с помощью применения численных методов анализа напряженно-деформированного состояния, в частности метода конечных элементов.
In this study, we search for a design solution to ensure a reliable and long-term operation of a friction unit with a ceramic plain bearing. To that end, the stress-strain state of the ceramic insert is optimized with respect to actual loading conditions. The bearing unit is designed accounting for the properties of ceramic materials, which show low strength reliability under the action of tensile stresses. To improve the solution accuracy, we determine the actual contact area, taking into account the load unevenness in the bearing. In addition, since the insert surface is assumed to be complexly stressed, the calculation is based on equivalent stresses. The criterion is to minimize equivalent stresses, which corresponds to the optimal tension justifying the bearing application. The analysis involves the discrete-continuous option of the finite element method with the variational principle according to the Lagrange method. The calculation software provides for the values of equivalent stresses depending on tension and selects its optimal value. As a result of the performed analysis, the geometric shape of the ceramic insert is optimized. In the proposed design, the brittleness inherent in ceramic materials can almost be compensated by minimizing tensile stresses. Thus, the reliability and durability of the plain bearing increase. An original design of a plain bearing with a ceramic insert is proposed. This design allows advanced ceramic structural materials to be used in plain bearings, which extends the operational range of friction units. In order to overcome the fragility of ceramic materials, special design techniques should be developed to withstand tensile stresses through optimally selected tensions creating compressive stresses in the insert. Optimal tension parameters can be selected using numerical methods of stress-strain state analysis, in particular, the finite element method.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.