авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Исследование теплового процесса и диагностика трения в полимерных подшипниках скольжения

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ВАСИЛЬЕВА МАРИЯ АЛЕКСАНДРОВНА

исследование теплового процесса и диагностика трения в полимерных подшипниках скольжения

Специальность 01.04.14 – Теплофизика и теоретическая теплотехника

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Якутск – 2011

Работа выполнена в Учреждении Российской Академии Наук Институте проблем нефти и газа Сибирского отделения РАН

Научный руководитель: доктор технических наук

Старостин Николай Павлович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Пермяков Петр Петрович,

Институт физико-технических проблем Севера

имени В.П. Ларионова СО РАН, г. Якутск

кандидат технических наук, доцент

Хохулин Владимир Сергеевич,

Московский авиационный институт

(государственный технический университет),

г. Москва

Ведущая организация: Учреждение Российской Академии наук Институт теплофизики имени С.С. Кутателадзе СО РАН, г. Новосибирск

Защита диссертации состоится «26» января 2011 г. в 16:00 часов на заседании диссертационного совета К 212.306.07 при ФГАОУ ВПО «Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова» по адресу: 677000 г. Якутск, ул. Кулаковского, 48, КФЕН.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Северо-Восточного федерального университета имени М.К. Аммосова.

Автореферат разослан «24» декабря 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор физико-математических наук Н.А. Саввинова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В условиях эксплуатации и при проведении стендовых испытаний не всегда удается получить данные о потерях на трение в опорах скольжения, что существенно затрудняет определение основных триботехнических параметров, необходимых для прогнозирования их работоспособности и оценки технического состояния. Существующие методы непосредственного замера момента трения, характеризующего мощность трения, предусматривают использование специальных упругих элементов. Размещение их даже в стендовых установках крайне затруднено. Замер момента трения еще более затрудняется в сопряжениях эксплуатирующейся техники. Это приводит к необходимости определять работу, затраченную на трение, по замерам других величин, достаточно хорошо коррелирующих с искомым. С точки зрения доступности измерений, наиболее выгодной является температурная информация, не требующая для измерения сложного и громоздкого оборудования. Температура более доступна для непосредственного измерения, включая самые неблагоприятные случаи.

Основываясь на факте, что практически вся работа, затрачиваемая на трение, трансформируется в теплоту, в работах Черского И.Н., Богатина О.Б., Старостина Н.П., Кондакова А.С., Кондакова А.А. разработан метод тепловой диагностики трения в опорах скольжения (подшипниках, направляющих скольжения, шаровых опорах, радиальных уплотнениях), позволяющий восстанавливать мощность трения по температурным данным. Метод сводится к регистрации температуры в окрестности зоны трения, построению математической тепловой модели, адекватной процессу теплообмена в сопряжении, и решению соответствующей граничной обратной задачи восстановления фрикционного тепловыделения и соответственно мощности трения. В частности, применительно к подшипникам скольжения метод тепловой диагностики трения был разработан при достаточно высокой скорости вращения вала, обеспечивающей допущение об однородности температуры по поперечному сечению вала. В случае возвратно-вращательного (качательного) движения вала принималось допущение о пренебрежительной малости амплитуды и высокой частоте колебаний вала. Принятые допущения как в случае вращательного, так и возвратно-вращательного движения вала позволяли при моделировании теплового процесса рассматривать вал как неподвижный, что существенно ограничивает возможности метода тепловой диагностики трения.



В связи с этим актуальным является развитие метода тепловой диагностики трения для подшипников скольжения, в которых низкая скорость вращательного движения вала не позволяет принять допущение об однородности распределения температуры по окружности, а также невысокая частота и значимая амплитуда колебаний при возвратно-вращательном движении вала не позволяют принять допущение о равенстве зоны контакта и зоны трения.

Целью работы является исследование теплового процесса и определение по температурным данным момента трения в радиальном полимерном подшипнике скольжения с учетом вращательного и возвратно-вращательного движения вала.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

  • теоретическое исследование нестационарного температурного поля в радиальном подшипнике скольжения с учетом вращательного и возвратно-вращательного движения вала:
  • разработка методики определения кинематических условий в подшипниках скольжения из полимерных композиционных материалов антифрикционного назначения, при которых необходимо учитывать движение вала;
  • восстановление фрикционного тепловыделения и соответственно момента силы трения по температурным данным на основе решения граничной обратной задачи теплообмена;
  • экспериментальное подтверждение эффективности численного моделирования теплового процесса и определения момента силы трения (тепловой диагностики трения) в подшипниках скольжения по данным о фрикционном тепловыделении с учетом движения вала и пространственного распределения температуры.

Работа выполнена в рамках научного направления ИПНГ СО РАН: Проект 19.1.1. «Создание и прогнозирование изменений физико-механических свойств полимерных композиционных материалов для использования в технологических системах и технике нефтегазовой отрасли регионов холодного климата» и при финансовой поддержке гранта Президента Республики Саха (Якутия) для молодых ученых и студентов за 2007 год.

Научная новизна работы состоит в следующем:

    • теоретическое и экспериментальное исследование нестационарных температурных полей в подшипнике скольжения с учетом вращательного и возвратно-вращательного движения вала;
    • расширение области применения метода тепловой диагностики трения в подшипниках скольжения путем снятия ограничивающих допущений на скорость движения вала.

Теоретическая и практическая значимость результатов работы.

На основе исследования нестационарных температурных полей в подшипниках скольжения и решения граничных обратных задач разработан метод тепловой диагностики трения, позволяющий восстанавливать момент трения по температурным данным, с учетом неоднородности распределения температуры в вале по окружной координате вследствие невысокой скорости вращательного движения и с учетом амплитуды и частоты возвратно-вращательного движения. Разработанный метод тепловой диагностики трения позволит повысить информативность испытаний узлов трения машин и механизмов и достоверность технического контроля состояния опор скольжения.

Достоверность научных положений и выводов обеспечивается применением апробированных методов решения прямых многомерных нелинейных задач математической физики, теоретическим исследованием устойчивости решений обратных задач теплообмена к погрешностям входных данных, сопоставлением результатов теоретических расчетов с экспериментальными данными.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

  • теоретические и экспериментальные исследования теплового процесса в подшипниках скольжения с учетом вращательного и возвратно-вращательного движения вала;
  • методика определения кинематических условий в подшипнике скольжения, позволяющая находить значения скорости вращения, амплитуды и частоты колебания, начиная с которых при теоретическом описании температурных полей необходимо учитывать скорости вращательного и возвратно-вращательного движения вала;
  • теоретические исследования влияния погрешности в температурных данных на восстановление фрикционного тепловыделения и момента трения путем решения граничной обратной задачи теплообмена;
  • результаты сопоставления расчетных и экспериментальных температур, а также значений момента силы трения, полученных по температурным данным и измерением традиционным методом.

Апробация работы. Основные результаты работы и отдельные положения диссертации докладывались и обсуждались на V, VI, VII Всероссийской школе-семинаре студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов «Математическое моделирование развития северных территорий Российской Федерации» (г.Якутск, 2007, 2008, 2009); научных конференциях «XI, XII,XIII Лаврентьевские чтения» (г.Якутск, 2007, 2008, 2009); II Всероссийской научной конференции «Информационные технологии в науке, образовании и экономике» (г.Якутск, 2007); V международной конференции по математическому моделированию (г.Якутск, 2007); IV Евразийском симпозиуме по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата «EURASTRENCOLD-2008» (г.Якутск, 2008); XLVI международной конференции «Студент и научно-технический прогресс» (г.Новосибирск, 2008); XII международном симпозиуме студентов и молодых ученых «Проблемы геологии и освоение недр» (г.Томск, 2008); VII, VIII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Информационные технологии и математическое моделирование» (г.Анжеро-Судженск, 2008, 2009); V, VI международном семинаре «Физико-математическое моделирование систем» (г.Воронеж, 2008, 2009); XVI международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (г.Алушта, 2009); XIII Всероссийской научно-практической конференции «Научное творчество молодежи» (г.Анжеро-Судженск, 2009); IV Всероссийской конференции молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология в 3-м тысячелетии» (г.Томск, 2009); международной научно-технической конференции «Полимерные композиты и трибология» (г.Гомель, Беларусь, 2009), IX Международном симпозиуме по развитию холодных регионов «ISCORD-2010» (г.Якутск, 2010); VI международной конференции «Обратные задачи: идентификация, проектирование и управление» (г.Самара, 2010).

Публикации. Основные положения и результаты исследований отражены в 29 научных работах: в 7 статьях в научных журналах, 4 из которых в журналах, рекомендованных ВАК, 17 в сборниках и материалах конференций и 5 в тезисах докладов конференций.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников из 130 наименований. Полный объем диссертации составляет 126 стр., включая 31 рисунок.

Основное содержание работы

Во введении дано обоснование актуальности темы исследования, сформулированы цель работы, поставленные задачи, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе приводится обзор литературных источников по устройствам замера момента трения и исследованиям энергетического баланса трения. Анализируются постановки обратных задач тепловой диагностики трения. Подчеркивается необходимость использования метода регуляризации при решении обратных задач теплообмена, роль адекватного описания теплового процесса в узле трения.

Во второй главе исследуются распределения температур в радиальных подшипниках скольжения при вращательном и возвратно-вращательном (качательном) движениях вала.

Анализ постановок задач тепловой диагностики трения показал, что использование трехмерной модели нестационарного теплообмена для восстановления фрикционного тепловыделения и, соответственно, мощности трения, по замерам температур практически реализовать невозможно, поскольку необходимо иметь замеры температуры для достаточно большого количества точек некоторой поверхности в окрестности зоны контакта.





Рассмотрим плоскую тепловую модель, в которой учитывается вращательное или качательное движение вала с угловой скоростью . Схема подшипника скольжения представлена на рис.1. Втулка, изготовленная из полимерного композиционного материала, жестко соединена со стальной обоймой.

Распределение температуры во втулке с обоймой описывается двумерным уравнением теплопроводности с разрывами коэффициентов на границе сопряжения втулки с обоймой при :

(1)

Температурное поле в подшипнике связано с распределением температуры в вале, описываемым уравнением

(2)

В зоне трения записывается условие фрикционного тепловыделения

, (3)

где S – площадь контакта, d – длина подшипника, - интенсивность тепловыделения; а также равенство температур

. (4)

На свободных поверхностях вала, втулки и обоймы задаются условия конвективного теплообмена с коэффициентами теплообмена , , . В центре вала задается условие ограниченности теплового потока. По угловой координате выполняются условия периодичности. Начальные распределения температур в элементах узла трения считаем равными и однородными

. (5)

В уравнениях (1)-(5) приняты следующие обозначения: , – температуры подшипника и вала в момент времени t; - цилиндрические координаты; , - теплофизические характеристики материалов подшипника и вала; - интенсивность тепловыделения; - время расчета.

Прямая задача решается методом конечных разностей сведением к цепочке локально-одномерных и безусловно устойчивых разностных схем.

Расчеты проводились для подшипника скольжения, представленного на рис.1, при следующих геометрических размерах: ; ; ; ; . Коэффициенты теплообмена брались следующими: 1=7,5; 9,7; 10,5; 12,4 Вт/(м2°С), при =3; 30; 48; 60 об/мин соответственно; 2=1,5 Вт/(м2°С); 4=7 Вт/(м2°С). Втулка в подшипнике выполнена из наполненного фторопласта, для которого зависимости теплофизических свойств от температуры имеют вид:  (Вт/(м°С)), (Дж/(м3°С)). Материалом для вала и обоймы служит сталь: (Вт/(м°С)), (Дж/(м3°С)).

В проведенных расчетах при различных скоростях вращения функция интенсивности тепловыделения оставалась одинаковой в силу введения условия , где - нагрузка на подшипник скольжения. Численные результаты показали, что увеличение скорости вращательного движения вала приводит к однородному распределению температуры по поперечному сечению вала по истечении некоторого времени. Максимальное значение температуры в вале достигается на поверхности трения, которое со временем все меньше отличается от минимального значения температуры на поверхности вала и это отличие уменьшается с увеличением скорости вращения. Расчетные зависимости температур поверхности вала, приведенные на рис.2, показывают динамику стремления к однородности температуры вала с увеличением скорости вращения.

  Распределения температур по-39

Рис.2. Распределения температур по поверхности вала при различных скоростях его вращения в момент времени t = 1 мин:

1 – =3 об/мин; 2 – 30 об/мин; 3 – 48 об/мин; 4 – 60 об/мин

Проведен анализ динамики температурных полей подшипника скольжения в случае качательного движения вала с некоторой частотой и с угловой амплитудой . Угловая скорость вала равна . Расчетные распределения температур по поверхности вала при его качательном движении показывают, что уменьшение амплитуды и увеличение частоты колебания приводят к уменьшению влияния конвективного члена в уравнении (2). Как видно из рис. 3, при амплитуде 3 градуса и частоте 2 Гц результаты расчетов с учетом конвективного члена в уравнении (2) и без его учета практически не отличаются. Следовательно, при достаточно малых амплитудах и высоких частотах качания можно воспользоваться упрощенной моделью теплообмена в подшипнике скольжения, принимая допущение о неподвижности вала.

Приведенные примеры анализа температурных полей могут быть использованы как методики расчетного определения кинематических условий в подшипниках скольжения, при которых необходимо учитывать движение вала.

Рис.3. Распределения температур по поверхности вала при различных амплитудах и при частоте качания в момент времени t = 1 с:

1 - ;

2 - ;

3 - ;

4 - ;

5 – без учета конвективного члена

Третья глава посвящена разработке тепловой диагностики трения в радиальных подшипниках скольжения с учетом движения вала. Рассматривается плоская граничная обратная задача по восстановлению функции интенсивности тепловыделения в полимерных подшипниках скольжения при возвратно-вращательном и вращательном движениях вала.

Пусть в подшипнике скольжения во втулке по окружности с радиусом заданы замеры температуры в пределах угла контакта

. (12)

Рассмотрим экстремальную постановку задачи. В качестве меры уклонения рассчитанных по известному тепловыделению температур и измеренных выберем среднеквадратичную невязку

. (13)



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.