Упорные подшипники скольжения компрессорных машин с профилированными рабочими поверхностями

• Автор: Соколов, Николай Викторович
• Шифр специальности: 05.04.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Казань
• Количество страниц: 250 с. : ил.

АННОТАЦИЯ
В работе излагаются результаты исследования характеристик упорных подшипников скольжения с неподвижными подушками компрессорных машин методом математического моделирования, численного и физического экспериментов.
Разработана математическая модель, учитывающая тепловые и гидродинамические процессы течения жидкости в тонком смазочном и пограничном слоях упорного подшипника скольжения со скосом подушки, параллельным межподушечному каналу, применительно к компрессорным машинам. Математическая модель содержит обобщенное дифференциальное уравнение Рейнольдса для смазочного слоя, дифференциальное уравнение энергии для смазочного и пограничного слоев, дифференциальное уравнение теплопроводности для подушки, выражения для определения скоростей течения смазки в смазочном и пограничном слоях и зависимостей, учитывающих изменения плотности, вязкости жидкости от температуры, а также уравнения, учитывающего геометрический профиль исполнения рабочей поверхности и температурные деформации подушки.
Математическая модель реализована численными методами и оформлена в виде программного приложения «8т2Рх2Т - Течение жидкости в зазорах и каналах между подушками упорного подшипника» для персонального компьютера. Программное приложение позволяет рассчитывать характеристики упорного подшипника с самоустанавливающнмися и неподвижными подушками двух форм зазора: с винтовой поверхностью клинового скоса и со скосом, параллельным межподушечному каналу.
С использованием разработанной математической модели и программного приложения методом численного эксперимента проведен параметрический анализ основных характеристик упорного подшипника с параллельным межподушечному каналу скосом применительно к компрессорным машинам.
Результаты расчетов проверены путем приближения к форме зазора упорного ПС с винтовой поверхностью и сравнения с данными физических экспериментов упорного ПС с параллельным межподушечному каналу скосом, проведенных на центробежном компрессоре.
Составлен алгоритм оптимизации упорного подшипника скольжения с неподвижными подушками двух форм зазора и приведены рекомендации к его проектированию и конструктивному оформлению.
Результаты работы внедрены при выполнении проектировочного расчета упорного ПС с параллельным межподушечному каналу скосом стенда для исследования малорасходных центробежных ступеней ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа» и используются студентами кафедры «Компрессорные машины и установки» КНИТУ при выполнении курсовых и дипломных проектов.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИИ
ВВЕДЕНИЕ
1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ СМАЗКИ УПОРНЫХ ПОДШИПНИКОВ С НЕПОДВИЖНЫМИ ПОДУШКАМИ КОМПРЕССОРНЫХ МАШИН
1.1 Область применения и обзор конструкции упорных ПОДШИПНИКОВ с неподвижными подушками компрессорных машин
1.2 Современные методы расчета упорных подшипников с неподвижными подушками
1.3 Выводы. Постановка задачи
2 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ УПОРНОГО ПОДШИПНИКА С НЕПОДВИЖНЫМИ ПОДУШКАМИ
2.1 Определение скоростей течения смазки в смазочном и пограничном слоях из укороченных уравнений Навье-Стокса и уравнения неразрывности
2.2 Получение обобщенного дифференциального уравнения Рейнольдса из выражения скорости течения смазки по толщине слоя. Граничные условия
2.3 Дифференциальное уравнение энергии для тонкого смазочного и пограничного слоев жидкости. Граничные условия
2.4 Дифференциальное уравнение теплопроводности для подушки. Граничные условия
2.5 Зависимости динамической вязкости и плотности масел от температуры
2.6 Зависимости толщины смазочного и пограничного слоев от профилирования рабочей поверхности п тепловых деформаций подушки
2.7 Выводы
3 ЧИСЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РАЗРАБОТАННОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
3.1 Сеточные области для математической модели
3.2 Численное решение уравнения Рейнольдса
3.3 Численные методы решения уравнения энергии и теплопроводности
3.4 Вычисление интегральных характеристик подшипника
3.5 Идентификация параметров вязкости
3.6 Описание алгоритма решения задачи
3.7 Программа расчетов для ЭВМ
4 ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК УПОРНОГО
ПОДШИПНИКА С НЕПОДВИЖНЫМИ ПОДУШКАМИ МЕТОДОМ
ЧИСЛЕННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
4.1 Исследование параметров метода

4.2 Сравнение распределения давления и температуры в смазочном и пограничном слоях упорных подшипников с неподвижными подушками двух форм зазора
4.3 Исследование влияния формы пограничного слоя па характеристики упорного подшипника с неподвижными подушками
4.4 Исследование влияния упорного диска на характеристики упорного подшипника с неподвижными подушками
4.5 Исследование влияния ширины клинового скоса на характеристики упорного подшипника с неподвижными подушками
4.6 Исследование влияния межподушечпого капала на характеристики упорного подшипника с неподвижными подушками
4.7 Исследование влияния центробежных сил инерции па характеристики упорного подшипника с неподвижными подушками
4.8 Выводы
5 ПРОВЕРКА АДЕКВАТНОСТИ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПУТЕМ СРАВІ-ІЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ФИЗИЧЕСКОГО И ЧИСЛЕННОГО ЭКСПЕРИМЕНТОВ. ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТЕЙ
5.1 Оценка погрешности математической модели
5.2 Оценка погрешности исходных данных
5.3 Оценка погрешности численного метода
5.4 Погрешности округления в процессе вычислений
5.5 Оценка погрешности математической модели путем приближения формы зазора с параллельным межподушечному каналу скосом к форме зазора с винтовой поверхностью.
5.6 Экспериментальные исследования упорных подшипников
со скосом, параллельным межподушечному каналу
5.7 Сравнение результатов физических и численных экспериментов
5.8 Выводы
6 РАСЧЕТ И ОПТИМИЗАЦИЯ УПОРНЫХ ПОДШИПНИКОВ С НЕПОДВИЖНЫМИ ПОДУШКАМИ
7 ПРОМЫШЛЕННОЕ ОСВОЕНИЕ УПОРНЫХ ПОДШИПНИКОВ
С НЕПОДВИЖНЫМИ ПОДУШКАМИ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ПРИЛОЖЕНИЕ

Мотош в работе [65] показал, что даже небольшие расхождения в выборе средней температуры приводят к значительным ошибкам при определении потерь мощности на трение и несущей способности подшипника.
Применительно к упорным подшипникам с прямоугольными подушками ТГД задачу решает Сайчук [66], Токарь и Сайчук [67], Тахара [68], которые объединены тем, что теплообмен с подушкой учитывается через граничные условия третьего рода. В работах [66, 67] пята считается теплоизолированной, а в работе [68] её температура принята постоянной и определяется исходя из равенства суммарного теплового потока нулю. Авторы работы [67] делают вывод, что распределение температуры но толщине смазочного слоя имеет непараболический вид, а увеличение отвода тепла через подушку может привести к увеличению удельной нагрузки до 40%. Однако следует отметить, что в работах [66, 67] исключено влияние теплового состояние подвижного элемента на характеристики подшипника. Как видно из приведенного примера, в работе [68] распределение температуры по толщине смазочного слоя не удовлетворяет уравнению суммарного теплового баланса. И поскольку в этих работах не рассматривается уравнение теплопроводности для подушки, то полученные результаты решения могут применяться для подушек сравнительно малой толщины с принудительным охлаждением.
Более полно задачу ТГД теории смазки с учетом уравнения теплопроводности применительно к опорным подшипникам осуществили Макколион, Юсиф, Ллойд [69], Сафар и Сери [70], а к упорным подшипникам — Детинко и Жихаревич [71, 72], Эззат и Роде [73-75], Хюбнер [76, 77]. По результатам полного ТГД анализа [69] выяснилось, что температура окружающей среды, материал втулки и изменение теплопроводности масла слабо влияют на интегральные характеристики подшипника. Также отмечено, что через вкладыш подшипника существует переток тепла из более нагретых зон к более холодным. Однако допущение о незначительности влияния распределения давления па распределение температур не позволяет рассчитывать подшипники при больших удельных нагрузках, когда велики тепловыделения в масле, что и отмечено самими авторами. В отличие от работы [69], Сафар и Сери в работе [70] при изучении опорного подшипника бесконечной ширины в ламинарном и турбулентном режимах работы учитывают взаимное влияние полей распределения температур и давлений. При этом упрощено уравнение теплопроводности, которое описывает изменение температуры только в радиальном направлении. Однако это не соответствует действительным процессам в подшипнике, так как тепловой поток не расположен симметрично относительно оси подшипника. Поэтому полученные в эм ом случае результаты можно рассматривать лишь как качественное описание работ!,1 подшипника. Кроме этого, в конце рецензентом статьи отмечено ряд неточностей, содержащихся в работе. Детинко и Жихаревич работах [71, 72] получили известный из опыта факт, что максимум температуры на