Teoretyczny model panewki poprzecznego łożyska ślizgowego. Utrata nośności łożyska w funkcji parametru zużycia

Transkrypt

1 PŁUCIENNIK Paweł 1 MACIEJCZYK Andrzej 2 Teoretyczny model panewki poprzecznego łożyska ślizgowego. Utrata nośności łożyska w funkcji parametru zużycia WSTĘP Analiza zjawisk zachodzących podczas pracy panewki łożyska ślizgowego, zwłaszcza w zakresie zużywania się jej powierzchni, stanowi niezwykle istotne zagadnienie w zakresie eksploatacji jednostek napędowych stosowanych w środkach transportu, ale także maszyn i urządzeń przemysłowych. Niestety nie we wszystkich maszynach i urządzeniach, a do takich z pewnością nie zalicza się silników spalinowych pojazdów, możliwy jest stały monitoring pracy łożysk Z tego powodu dokonano opracowania możliwie wiernego modelu teoretycznego tego typu łożyska [7]. Oprócz wyznaczenia równań pola ciśnienia i temperatury, uwzględniono w nim zarówno model zużycia powierzchni ślizgowej, jak i przeprowadzono analizę i wybór modelu wymiany ciepła. Weryfikacji modelu teoretycznego przedstawionego w publikacji [7] dokonano w pracy [8], poprzez porównanie rzeczywistego położenia i głębokości obszaru zużycia panewki z wynikami otrzymanymi na drodze teoretycznej. Kolejnym etapem prowadzonych prac było wyznaczenie wpływu zużycia panewki poprzecznego łożyska ślizgowego na rozkład ciśnienia i grubość filmu olejowego, w oparciu o symulację numeryczną dla określonych wartości luzu względnego i mimośrodowości względnej [9]. Stwierdzono, że w zależności od wielkości maksymalnego zużycia w szczelinie smarowej generowane są dwa filmy olejowe. Oznacza to, że łożysko cylindryczne z panewką zdeformowaną w wyniku zużycia ściernego, dla określonych wartości zużycia zachowuje się tak, jak łożysko wielopowierzchniowe. Równolegle dokonano analizy rzeczywistego obszaru zużycia panewek łożysk ślizgowych z punktu widzenia przemysłowych służb remontowych i utrzymania ruchu [6]. Kontynuacją rozważań dotyczących tej tematyki jest metoda teoretycznego określania wartości granicznego kąta położenia linii środków poprzecznego łożyska ślizgowego [materiał przekazany do druku w Logistyce ] W niniejszym artykule zostanie omówione i przedstawione zagadnienie utraty nośności łożyska w funkcji zużycia jego panewki. 1. ZAŁOŻENIA Model panewki poprzecznego łożyska ślizgowego został przyjęty zgodnie z [8]. Rys.1. Model łożyska 1 Politechnika Łódzka, Katedra Pojazdów i Podstaw Budowy Maszyn, ul. Żeromskiego 116, Łódź 2 Politechnika Łódzka, Katedra Pojazdów i Podstaw Budowy Maszyn, ul. Żeromskiego 116, Łódź 5204

2 gdzie: h grubość filmu olejowego [m], R promień panewki, r promień czopa [m], e e λ mimośrodowość względna [-], R r e mimośrodowość [m], ω prędkość kątowa [1/s], h z głębokość zużycia [m], h min minimalna grubość filmu olejowego [m], φ o współrzędna położenia osi rowka zasilającego [ o ], α kat położenia linii środków [ o ], s r długość rowka w kierunku obwodowym [m], Δ wymiar rowka zasilającego w kierunku osiowym [m], p z ciśnienie oleju zasilającego [MPa], T z temperatura oleju zasilającego [ o C], q o wydatek oleju [kg/s]. Założono że: łożysko pracuje w warunkach tarcia płynnego, jest obciążone statycznie, panewka łożyska ma kształt walca, zasilane jest jednym rowkiem zasilającym, przy równoległoosiowym położeniu osi czopa względem panewki o pełnym kącie opasania, rozpatrywany jest laminarny przepływ oleju newtonowskiego w łożysku o skończonej długości. przyjęty model wymiany ciepła to model adiabatyczny [7]. Dla wyznaczenia charakterystyk posłużono się równaniem grubości filmu olejowego służącym do wyznaczenia rozkładu grubości filmu olejowego [8]. gdzie: ψ luz względny [-], φ współrzędna obwodowa panewki [ o ], h R 1 cos (1) 2. LOKALNA LEPKOŚĆ FILMU OLEJOWEGO [2] Do określania lokalnej wartości lepkości oleju dotychczas nie został opracowany uniwersalny wzór obowiązujący dla wszystkich olejów. W literaturze [1,2,4,5] do obliczenia lokalnej wartości lepkości dla łożysk ślizgowych stosowana jest najczęściej zależność wykładnicza: gdzie: 0 lepkość oleju w temperaturze odniesienia [Pas], a współczynnik charakterystyki oleju [1/ o C], T temperatura [ o C], T o temperatura odniesienia [ o C]. a T T0 0 exp (2) 5205

3 Wartości współczynników 0, a, T0, zależą od rodzaju oleju, jak również od wartości temperatury. Na podstawie badań eksperymentalnych różnych olejów opisanych w pracy [3] stwierdzono, że wartości lepkości, obliczone za pomocą powyższego wzoru, w przedziale temperatury od 20 do 150 C, różnią się od zmierzonych wartości lepkości o kilkadziesiąt procent. Zwykle dla oleju oblicza się wartości lepkości w trzech przedziałach temperatury. a1 T 20 01e dla T<T gr1 (3) a2 T 20 02e dla T gr1 <T< T gr2 (4) a3 T 20 03e dla T gr2 <T (5) Z uwagi na fakt, że rozważania odnośnie łożysk ślizgowych mają znaczenie w szeroko pojętej konstrukcji maszyn i urządzeń przemysłowych, niewskazane jest ich ograniczanie tylko i wyłącznie do środków transportu. Z tego powodu uwzględniono także grupę olejów przemysłowych. Wartości lepkości dynamicznych dla olejów Hipol 6, LUX DW, MN15, TRA130, TU46 obliczone dla temperatur T 0, T gr1, T gr2 przedstawiono w tabeli 1. Tab.1. Lepkość dynamiczna dla rozpatrywanych przedziałów temperatur obliczona wg wzorów (3,4,5)[8] TU46 T0 [C]= Eta01 [Pas]= A1 Tgr1[C]= Eta02 [Pas]= A2 Tgr2[C]= Eta03 [Pas]= A3 Hipol 6 T0 [C]= Tgr1[C]= Tgr2[C]= LUX DW T0 [C]= MN15 Tgr1[C]= Tgr2[C]= T0 [C]= Tgr1[C]= Tgr2[C]= Transol 130 T0 [C]= Tgr1[C]= Tgr2[C]= Eta01 [Pas]= A1 Eta02 [Pas]= A2 Eta03 [Pas]= A3 Eta01 [Pas]= A1 Eta02 [Pas]= A2 Eta03 [Pas]= A3 Eta01 [Pas]= A1 Eta02 [Pas]= A2 Eta03 [Pas]= A3 Eta01 [Pas]= A1 Eta02 [Pas]= A2 Eta03 [Pas]= A3 Charakterystyki lepkościowe wymienionych powyżej olejów przedstawiono na rysunku 2, natomiast charakterystykę lepkościową oleju TU68 na rysunku

4 Rys. 2. Charakterystyki lepkości użytych do badań olejów Rys. 3. Charakterystyka lepkościowa oleju turbinowego TU68 3. MINIMALNA GRUBOŚĆ FILMU OLEJOWEGO W FUNKCJI OBCIĄŻENIA ŁOŻYSKA UTRATA NOŚNOŚCI ŁOŻYSKA Na podstawie spotykanych w praktyce wartości obciążenia łożysk ślizgowych ustalono, że jego maksymalna wartość nie przekracza 10 KN. Stąd F max =10 kn i tę wartość przyjęto do dalszych rozważań. Grubość filmu olejowego h=hmin określa równanie (1) Uwzględniono zmienne: R r luz względny = 0,001; 0,0015; 0,002; 0,0025; 0,003, r r hmax parametr zużycia z = = 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1,0, R oraz parametry stałe: D = 2R nominalna średnica łożyska [m] = 0,1 L/D względna długość łożyska [-] = 1,0 Tz temperatura oleju zasilającego [oc] = 35,0 pz ciśnienie oleju zasilającego [Pa] 0,0 n prędkość obrotowa wału [obr/min] lepkość dynamiczna oleju w temp Tz [Pa s], 5207

5 W oparciu o symulację numeryczną wyznaczono minimalne wartości grubości H min filmu olejowego w funkcji zmiennego parametru zużycia z i obciążenia łożyska F dla różnego rodzaju olejów (TU68, Hipol 6, LUX DW, MN15, TRA130, TU46). Przykładowe charakterystyki dla jednego rodzaju oleju, ale dla różnych wartości luzu względnego ψ przedstawiono na rysunkach poniżej. Rys. 4. Wykres grubości filmu olejowego dla ψ=0,001 Rys. 5. Wykres grubości filmu olejowego dla ψ=0,

6 Rys. 6. Wykres grubości filmu olejowego dla ψ=0,002 Rys. 7. Wykres grubości filmu olejowego dla ψ=0,

7 Rys. 8. Wykres grubości filmu olejowego dla ψ=0,003 Określone wartości minimalne grubości filmu olejowego stanowią wartości wymagane, poniżej których nastąpi tzw. utrata nośności łożyska. WNIOSKI W pracy zaprezentowano otrzymane na drodze teoretycznej zależności minimalnej grubości filmu olejowego (szczeliny w łożysku) od zmiennego parametru zużycia i obciążenia łożyska. Określone wartości minimalne grubości filmu olejowego stanowią wartości wymagane, poniżej których nastąpi tzw. utrata nośności łożyska. Streszczenie W artykule przedstawiono teoretyczne wartości minimalne grubości filmu olejowego, poniżej których nastąpi utrata nośności łożyska. W oparciu o przyjęty model teoretyczny łożyska wykonano obliczenia dla zmiennego parametru zużycia i obciążenia łożyska. Prace prowadzono dla różnych rodzajów olejów, z uwzględnieniem ich lepkości. Otrzymane wyniki zaprezentowano w postaci wykresów. Theoretical model of the transverse acetabular bearing. The loss of the bearing capacity as a function of the usage parameter Abstract The paper presents the theoretical value of the minimum oil film thickness, below which the bearing capacit will be lost. Based on the adopted theoretical model bearing calculations were performed for a variable of wear and bearing load. The work was carried out for different types of oils, including their viscosity. The results obtained are presented in the form of graphs. BIBLIOGRAFIA 1. Ferron J., Frene J., Boncompain R.: A Study of the Thermohydrodynamic Performance of a Plain Journal Bearing. Comparison between Theory and Experiments. Transaction of the ASME, Journal of Lubrication Technology, seria F, Vol. 105, No 3, July 1983, pp Heshmat H., Pinkus O.: Mixing Inlet Temperatures in Hydrodynamic Bearings. Transactions of the ASME, Journal of Tribology, April 1986 Vol. 108, pp

8 3. Kaniewski W. i inni, Projektowanie wspomagane komputerowo ślizgowego łożyskowania wałów. RPBP I Spraw. z badań etap V 1990 IKM PŁ. 4. Kennedy J. S., Prawal Sihna, Rodkiewicz Cz. M., Thermal Erffects in Externally Pressurized Conical Bearings With Variable Viscossity. ASME Journal of Tribology Vol. 110, No.2 April 1988, pp Kiciński J., Einfluss des Wärmeastausches in den Schmiertaschen sowie in der Lagerschale auf die statischen Radialgleitlager-kennwerte. Archiwum Budowy Maszyn, Tom XXX (1983), Zeszyt Płuciennik P., Maciejczyk A., Rzeczywisty obszar zużycia panewki poprzecznego łożyska ślizgowego. Autobusy 3/2013, str Płuciennik P., Maciejczyk A., Teoretyczny model panewki poprzecznego łożyska ślizgowego. Część 1. Model zużycia panewki. Technika Transportu Szynowego 9/2012, str Płuciennik P., Maciejczyk A., Teoretyczny model panewki poprzecznego łożyska ślizgowego. Część 2. Położenie i głębokość obszaru zużycia panewki. Technika Transportu Szynowego 9/2012, str Płuciennik P., Maciejczyk A., Teoretyczny model panewki poprzecznego łożyska ślizgowego. Część 3. Wpływ zużycia panewki na rozkład ciśnienia i grubość filmu olejowego. Autobusy 3/2013, str Świderski Wł.., Właściwości adiabatycznego filmu olejowego w poprzecznych łożyskach ślizgowych. ZN PŁ nr 706, Rozprawy naukowe z Łódź,