Повышение надёжности подшипника скольжения с керамической вкладкой

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.

1. Панов А.Д., Панова И.М. Определение срока службы гибридных подшипников // Главный механик. 2019. № 2. С. 17–25. EDN: YWAIST.

2. Панова И.М. Особенности конструирования изделий из керамических материалов // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2013. № 4. С. 45–50. EDN: PYMCPB.

3. Куличков С.В. Применение керамических материалов для повышения надежности узлов трения технологического оборудования // Техническая эксплуатация водного транспорта: проблемы и пути развития: матер. III Междунар. науч.-техн. конф. (г. Петропавловск-Камчатский, 26 ноября 2020 г.). Петропавловск-Камчатский: Камчатский государственный технический университет, 2021. С. 93–95. EDN: GAVGOP.

4. Алисин В.В. Циркониевые керамические материалы триботехнического назначения // Развитие науки и образования: монография. Чебоксары: Среда, 2019. Вып. 4. С. 5–16. https://doi.org/10.31483/r-22125. EDN: ZBSRYL.

5. Кулик В.И., Нилов А.С. Перспективы применения керамических материалов в узлах трения оборудования горнодобывающей промышленности // Транспортное, горное и строительное машиностроение: наука и производство. 2020. № 9. С. 52–57. https://doi.org/10.26160/2658-3305-2020-9-52-57. EDN: GNVXEZ.

6. Нуралин Б.Н., Куанышев С.М., Куанышев К.М., Куанышев М.К. Применение твёрдого антифрикционного композитного материала в конструкции подшипников скольжения // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2016. № 6. С. 61–64. EDN: XSLAHP.

7. Рощин М.Н. Исследование возможности уменьшения момента трения в подшипниках скольжения из циркониевой керамики // Транспортное, горное и строительное машиностроение: наука и производство. 2020. № 6. С. 11–14. https://doi.org/10.26160/2658-3305-2020-6-11-14. EDN: JMCIJS.

8. Савченко Н.Л., Саблина Т.Ю., Кульков С.Н. Особенности трибологического поведения керамики на основе диоксида циркония в условиях высокоскоростного трения // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2011. Т. 13. № 4-3. С. 857–862. EDN: PCLSVR.

9. Панова И.М., Синицына Ю.В. Анализ факторов, влияющих на ресурс керамических подшипников скольжения // Вестник науки. 2024. Т. 4. № 4. С. 697–708. EDN: CGYTVE.

10. Шевченко В.Я., Терещенко Г.Ф. Исследования, разработки и инновации в области керамических и стекломатериалов // Вестник Российской академии наук. 2000. Т. 70. № 1. С. 50–56.

11. Гаршин А.П. Керамика для машиностроения. М.: Научтехлитиздат, 2003. 384 с.

12. Шаталин А.С., Ромашин А.Г. Новые конструкционные материалы на основе керамики и композитов с керамической матрицей. Ч. 1. Конструкционные керамические материалы // Перспективные материалы. 2001. № 4. С. 5–16.

13. Лукин Е.С., Попова Н.А., Ануфриева Е.В., Сафина М.Н., Горелик Е.И., Сабурина И.Н. [и др.] Современная оксидная керамика и области ее применения // Известия Академии инженерных наук им. А.М. Прохорова. 2014. № 2. С. 30–39. EDN: TDOTYP.

14. Баринов С.М., Шевченко В.Я. Прочность технической керамики. М.: Наука, 1996. 159 с. 15. Эванс А.Г., Лэнгдон Т.Г. Конструкционная керамика: монография / пер. с англ. Л.П. Карпиловского, Б.И. Поляка; под ред. А.С. Власова. М.: Металлургия, 1980. 256 с.

15. Вовк М.Ю., Кулалаев В.В., Сводин П.А., Зюлькова М.В. Облик матричного керамического подшипника скольжения с пористой структурой для опоры ротора перспективного газотурбинного двигателя // Проблемы и перспективы развития двигателестроения: сборник докладов Международной научно-технической конференции (г. Самара, 23–25 июня 2021 г.). Самара: Самарский нац. исследовательский ун-т им. акад. С.П. Королева, 2021. Т. 1. С. 207–208. EDN: DHJDWP.

16. Чернавский С.А. Подшипники скольжения. М.: Машгиз, 1963. 245 с. 18. Зубко А.И., Донцов С.Н. Исследование условий работоспособности и разработка диагностики керамических подшипников нового поколения // Электронный журнал «Труды МАИ». 2014. № 74. С. 16. EDN: SDZCFL.

17. Durazo-Cardenas I.S., Corbett J., Stephenson D.J. The performance of a porous ceramic hydrostatic journal bearing // Journal of Engineering Tribology. 2010. Vol. 224. Iss. 1. Р. 81–89. https://doi.org/10.1243/13506501JET570.

18. Рощин М.Н. Исследование возможности уменьшения момента трения в подшипниках скольжения из циркониевой керамики // Транспортное, горное и строительное машиностроение: наука и производство. 2020. № 6. С. 11–14. https://doi.org/10.26160/2658-3305-2020-6-11-14. EDN: JMCIJS.

19. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов: монография / пер. с англ. А.А. Шестакова; под ред. Б.Е. Победри. М.: Мир, 1979. 392 с.

20. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация / пер. с англ. Б.И. Квасова; под ред. Н.С. Бахвалова. М.: Мир, 1986. 318 с.