Ensuring reliable operation of the hydraulic unit through the laws of contact hydrodynamics

Full Text

Экспериментальными исследованиями деталей машин в гидротехническом строительстве установлено, что умелым выбором смазочного материала можно во много раз повысить долговечность и надежность их работы. Однако общепринятые методы расчета этих деталей учитывают лишь контактные напряжения и совершенно не учитывают влияние смазочного материала. В связи с этим на практике обращаются к эмпирическим изысканиям, требующим значительных затрат средств и времени и во многих случаях все же не дающим возможности найти оптимальные значения конструктивных и эксплуатационных параметров.

Вместе с тем в настоящее время существует и широко используется в гидротехническом строительстве наука, способная дать ответы на поставленные вопросы и изыскать оптимальные параметры. Это – контактная гидродинамика, или, как ее часто называют, контактно-гидродинамическая теория смазки. Она изучает сложные явления, возникающие в смазочном слое, разделяющем упруго-деформирующиеся поверхности разнообразных деталей, и, таким образом, решает комплексную задачу гидродинамики, теории упругости, термодинамики, реологии смазочного материала и материаловедения [1, 2].

Контактная гидродинамика фактически определяет теорию и метод расчета эластичных подшипников и подпятников скольжения (металлических и из композиционных материалов)‚ подшипников качения, зубчатых, червячных, глобоидных и гипоидных передач, упорных гребней, фрикционных передач, работающих в масле, подвижных шлицевых соединений, а также ряда технологических процессов – прокатки, гидроэкструзии и др.

Контактная гидродинамика рассматривает явления, возникающие в смазочном слое, т. е. условия лишь жидкостного трения.

Вместе с тем в ряде случаев имеет место не жидкостное, а граничное и смешанное трение. При этом поверхности трения не полностью разделены слоем смазочного материала; происходит изнашивание, изменение структуры поверхностных слоев и другие механистические процессы.

Долгое время контактная гидродинамика считалась второстепенным направлением в гидротехническом строительстве.

В контактной гидродинамике существует две тесно связанные задачи: задача гидродинамики для движущегося смазочного слоя; смешанная задача теории упругости для определения деформации поверхности под действием давления [3].

При проскальзывании поверхностей трения вследствие диссипации механической энергии иногда происходит местное повышение температуры до сотен градусов по Цельсию, что вызывает резкое снижение вязкости, а также уменьшение зависимости вязкости от давления.

Следует учесть, что поверхности трения имеют обычно некоторую шероховатость, которая существенно влияет на гидродинамические характеристики потока и на толщину смазочного слоя. Кроме того, нагрузки, скорости движения и температуры поверхностей трения изменяются во времени; при этом в смазочном слое могут возникнуть вибрационные явления.

Если учесть, что толщина смазочного слоя измеряется долями и иногда единицами микрометра, а длина зоны контакта сотнями и тысячами микрометров, станет очевидной трудность не только теоретического, но и экспериментального исследования.

Все вышеуказанные явления относятся к единичному контакту. Однако в практике гидротехнического строительства чаще всего сталкивают с одновременной взаимозависящей работой сложной системы контактов.

Современные теоретические работы в области контактной гидродинамики можно разделить на три группы:

- решение простейшей контактно-гидродинамической задачи;

- решение более сложных современных задач;

- применение контактной гидродинамики для повышения работоспособности и оптимизации конструкций различных деталей машин, а также для создания новых конструкций [4].

В данной статье рассмотрим основные аспекты контактной гидродинамики, использованные при определении толщины смазочного слоя в эластичных металлопластмассовых сегментах подпятников гидроагрегата.

Толщина смазочного слоя в эластичных подшипниках и подпятниках скольжения обычно меньше упругих перемещений поверхностного слоя. Следствием этого является замыкание торцовых кромок и практическое прекращение торцового истечения. Таким образом, пространственная гидродинамическая задача превращается в плоскую задачу.

Как показывает опыт авиастроения, если подпятник изготовлен в виде простой наклонной площадки (с линейной зависимостью толщины смазочного слоя от координаты)‚ то в результате упругих деформаций поверхности образующийся профиль зазора снижает несущую способность и препятствует реализации жидкостного трения. В связи с этим требуется отыскать такой профиль зазора при изготовлении подпятника, чтобы в результате деформаций он обладал значительной грузоподъемностью. Данную задачу можно решить прямым или обратным методами.

При прямом методе следует, задавшись конфигурацией подпятника при изготовлении, определить, что с ним произойдет в результате деформации и будет ли обеспечена необходимая несущая способность.

При обратном методе, задавшись профилем зазора, который он будет иметь в результате деформации, нужно определить несущую способность подпятника, деформации в каждой точке и, наконец, найти конфигурацию подпятника до деформации, т. е. при изготовлении.

Многими учеными, такими как Д.С. Коднир, Е.П. Жильников, Ю.И. Байбородов, были исследованы различные профили зазоров подпятника без учета деформации поверхности с целью найти оптимальную конфигурацию, обеспечивающую максимальную гидродинамическую грузоподъемность. Было обнаружено, что зазор с простейшим профилем в виде наклонной площадки обладает несущей способностью не ниже 80 % от оптимального значения [5].

В связи с этим был предложен элементарный метод расчета и проектирования упруго-деформирующегося сегмента‚ заключающийся в следующем. Выбирались геометрические размеры подпятника; задавались эксцентриситет и наименьшая толщина смазочного слоя. Далее для заданной скорости движения, выбранной марки масла и рабочей температуры рассчитывались гидродинамическое давление и несущая способность.

В результате получалось значение нагрузки, равное или несколько большее заданного при наименьшей толщине смазочного слоя. Применив гипотезу Винклера, находились деформации поверхности в каждой точке (эпюра деформации); затем, накладывая на линейный профиль зазора деформации во всех точках, получали конфигурацию подпятника до деформации (при изготовлении) [5].

Однако изготовление сегментов с полученной геометрией оказалось крайне затруднительным по технологическим причинам, поэтому криволинейный профиль сегмента был заменен неравнобокой трапецией.

Такой профиль начальной геометрии эластичного сегмента, т. е. с входным и выходным скосами, получают на шлифовальном станке.

При этом замена нелинейного профиля, отличающегося от профиля, образованного тремя линейными участками, на 15–20 мкм, не приводит к существенному снижению надежности и несущей способности подпятника.

Целесообразность и допустимость такой простой методики расчета и проектирования подтверждается тем, что ее применение для подпятников более чем 100 гидротурбин (40 различных типоразмеров) ни разу не привело к аварийному состоянию или к реализации смешанного трения [6].

Прямой метод расчета, разработанный Д.С. Кодниром и А.В. Терещенко, предусматривает решение контактно-гидродинамической задачи для самоустанавливающегося эластичного сегмента подпятника с композиционным покрытием при следующих предположениях:

- рассматривается плоская неизотермическая стационарная задача для ньютоновской жидкости;

- деформация слоя из упругого композиционного материала определяется по гипотезе Винклера;

- поверхность трения сегмента при изготовлении (до деформации) состоит из трех плоских участков, т. е. имеются скосы на входе и выходе;

- вся теплота из области трения отводится конвективным потоком в направлении движения, так как коэффициент, равный отношению конвективного потока вдоль слоя к кондуктивному потоку поперек слоя, значителен (эксперименты с натурными сегментами подтвердили чрезвычайно малый теплоотвод поперек слоя) [7].

При этом следует учитывать гидродинамические и тепловые явления в смазочном слое; зависимость динамической вязкости масла от давления и температуры; контактные деформации неметаллического покрытия сегмента, а также основы (спрессованных проволочек) в виде линейной и нелинейной функции давления; температурные деформации неметаллического покрытия; изменение толщины слоя фторопласта вследствие шлифования входного и выходного скосов; изменение податливости вкладыша (модуля упругости) вдоль направления движения, которое может быть задано конструктором для повышения несущей способности либо быть следствием технологических погрешностей изготовления вкладыша из композиционного материала [8].

Исследуемый сегмент представлял собой трехслойную систему: нижний слой – массивная стальная основа, деформации которой не учитываются; средний слой, состоящий из спрессованных проволочек, припаянных к стальной основе. Верхний слой из фторопласта спрессован с промежуточным слоем; его свободная поверхность, являющаяся поверхностью трения, подверглась шлифовке.

При этом податливый слой в сечении, перпендикулярном к смазочному слою, в тангенциальном направлении представлял собой трапецию (с учетом срезов на входной и выходной кромке).

Профиль зазора состоит из трех участков, тем самым общая деформация зависела от деформации фторопласта, деформации спиралей и термического утолщения фторопласта.

В результате экспериментов по определению податливости сегмента подпятника гидроагрегата было установлено, что деформация упругого слоя в месте минимума толщины масляной пленки превосходит ее почти в два раза [9].

Таким образом, можно заключить, что основные законы контактной гидродинамики лежат в положительном опыте многолетних эксплуатационных испытаний эластичных металлопластмассовых сегментов в подпятниках гидроагрегатов крупнейших ГЭС страны. Кроме этого, контактная гидродинамика позволила в настоящее время все гидроагрегаты крупных ГЭС страны перевести с жестких баббитовых подпятников на эластичные композитные; а все вновь строящиеся гидрогенераторы оборудуются эластичными сегментами новой конструкции.

About the authors

Sergey V. Evdokimov

Samara State Technical University

Author for correspondence.
Email: sali5@mail.ru

Academy of Civil Engineering and Architecture, PhD in Engineering Science, Associate Professor, Head of the Environmental and Hydrotechnical Engineering Chair

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244

Alla A. Orlova

Samara State Technical University

Email: allaorlova5@mail.ru

Academy of Civil Engineering and Architecture, Senior Lecturer of the Environmental and Hydrotechnical Engineering Chair

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244

References

Supplementary files