omnaОмский научный вестникOmsk Scientific Bulletin1813-82252541-7541Омский государственный технический университет10.25206/1813-8225-2023-187-5-14IKFMSXomna-148Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕMECHANICAL ENGINEERINGИсследования на износостойкость конструкции радиального подшипника с учетом реологических свойств микрополярного смазочного материалаStudies on wear resistance of the radial bearing design taking into account rheological properties of micropolar lubricantМукутадзеМ. А.MukutadzeM. A.

МУКУТАДЗЕ Мурман Александрович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Высшая математика»

г. Ростов-на-Дону

AuthorID (РИНЦ): 389305

AuthorID (SCOPUS): 55049709500

ResearcherID: AAI-2420-2021

MUKUTADZE Murman Aleksandrovich, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Higher Mathematics Department

Rostov-on-Don

AuthorID (RSCI): 389305

AuthorID (SCOPUS): 55049709500

ResearcherID: AAI-2420-2021

murman1963@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1588-9311АбдулрахманХ. Н.AbdulrahmanH. N.

АБДУЛРАХМАН Хайдар Нофалевич, аспирант кафедры «Высшая математика»

г. Ростов-на-Дону

ABDULRAHMAN Haidar Nofalevich, Graduate Student of Higher Mathematics Department

Rostov-on-Don

abdulrahm.haidar@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-8469-7671ШведоваВ. Е.ShvedovaV. E.

ШВЕДОВА Валентина Евгеньевна, аспирант кафедры «Высшая математика»

г. Ростов-на-Дону

Rostov-on-Don

shvedovavalya@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0738-2529БадаховГ. А.BadakhovG. A.

БАДАХОВ Григорий Андреевич, аспирант кафедры «Высшая математика»

г. Ростов-на-Дону

BADAKHOV Grigory Andreevich, Graduate Student of Higher Mathematics Department

Rostov-on-Don

77grigo77@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7966-5512ЗиновьевН. В.ZinovievN. V.

ЗИНОВЬЕВ Никита Владимирович, аспирант кафедры «Высшая математика»

г. Ростов-на-Дону

ZINOVIEV Nikita Vladimirovich, Graduate Student of Higher Mathematics Department

Rostov-on-Don

zinovev1998.2013@ya.ruРостовский государственный университет путей сообщенияРоссияRostov State Transport UniversityRussian Federation20233009202303514Copyright © Мукутадзе М.А., Абдулрахман Х.Н., Шведова В.Е., Бадахов Г.А., Зиновьев Н.В., 20232023Мукутадзе М.А., Абдулрахман Х.Н., Шведова В.Е., Бадахов Г.А., Зиновьев Н.В.Mukutadze M.A., Abdulrahman H.N., Shvedova V.E., Badakhov G.A., Zinoviev N.V.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://onv.omgtu.ru/jour/article/view/148

Статья посвящена разработке и анализу модели движения микрополярного смазочного материала в рабочем зазоре радиального подшипника скольжения с фторопластсодержащим антифрикционным композиционным полимерным покрытием и с канавкой на опорной поверхности.

Новые модели получены на базе классических уравнений в приближении для «тонкого слоя» и уравнения неразрывности, описывающих турбулентный режим движения смазочного материала с микрополярными реологическими свойствами. Результаты проведенного численного анализа полученных моделей существующих эксплуатационных характеристик позволили получить количественную оценку эффективности опорного профиля с фторопластсодержащим антифрикционным композиционным полимерным покрытием с осевой канавкой.

Для завершения комплекса исследований и верификации теоретических разработок были выполнены экспериментальные исследования.

Новизна работы заключается в конкретизации методики инженерных расчетов конструкции эффективного радиального подшипника с антифрикционным полимерным покрытием с осевой канавкой на опорной поверхности подшипниковой втулки при учете зависимости реологических свойств микрополярного смазочного материала от давления и температуры в турбулентном режиме, позволяющей оценить величину основных эксплуатационных характеристик: гидродинамического давления, нагрузочной способности и коэффициента трения, а также  расширить область практического применения моделей для инженерных расчетов.

Таким образом, конструкция радиального подшипника с полимерным покрытием опорного профиля, канавкой шириной 3 мм обеспечила стабильное всплытие вала на гидродинамическом клине, что экспериментально подтвердило правильность результатов теоретических исследований радиального подшипника диаметром 40 мм при скорости скольжения 0,3–3 м/с, нагрузке 4,9–24,5 МПа.

The article is devoted to the development and analysis of a model of the motion of a micropolar lubricant in the working gap of a radial plain bearing with a fluoroplastic-containing antifriction composite polymer coating and with a groove on the supporting surface. New models are obtained on the basis of classical equations in the «thin layer» approximation and the continuity equation, which describes the turbulent mode of motion of a lubricant with micropolar rheological properties. The results of the numerical analysis of the obtained models of existing operational characteristics made it possible to obtain a quantitative assessment of the effectiveness of the support profile with a fluoroplastic-containing antifriction composite polymer coating with an axial groove. To complete the complex of studies and verify theoretical developments, experimental studies are carried out. The novelty of the work lies in the concretization of the technique of engineering calculations for the design of an effective radial bearing with an antifriction polymer coating with an axial groove on the bearing surface of the bearing bush, taking into account the dependence of the rheological properties of a micropolar lubricant on pressure and temperature in a turbulent mode, which makes it possible to estimate the value of the main operational characteristics: hydrodynamic pressure, load ability and coefficient of friction, as well as to expand the scope of practical application of models for engineering calculations. Thus, the design of a radial bearing with a polymer-coated support profile, a groove 3 mm wide, ensured a stable ascent of the shaft on a hydrodynamic wedge, which experimentally confirmed the correctness of the results of theoretical studies of a radial bearing with a diameter of 40 mm at a sliding speed of 0,32–3 m/s, load 4,9–24,5 MPa.

радиальный подшипникисследование износостойкостиантифрикционное полимерное композиционное покрытиеканавкаверификациятурбулентный режим течениязависимость вязкости от давления и температурыradial bearingwear resistance studyantifriction polymer composite coatinggrooveverificationturbulent flow regimedependence of viscosity on pressure and temperatureReferencesDeligant M., Podevin P., Descombes G. CFD model for turbocharger journal bearing performances // Applied Thermal Engineering. 2011. Vol. 31, Issue 5. P. 811–819.Deligant M., Podevin P., Descombes G. CFD model for turbocharger journal bearing performances // Applied Thermal Engineering. 2011. Vol. 31, Issue 5. P. 811–819. (In Engl.).Zadorozhnaya E., Sibiryakov S., Hudyakov V. Theoretical and experimental investigations of the rotor vibration amplitude of the turbocharger and bearings temperature // Tribology in Industry. 2017. Vol. 39, no. 4. P. 452–459.Zadorozhnaya E., Sibiryakov S., Hudyakov V. Theoretical and experimental investigations of the rotor vibration amplitude of the turbocharger and bearings temperature // Tribology in Industry. 2017. Vol. 39, no. 4. P. 452–459. (In Engl.).Sharma S. C., Kumar V., Jain S. C. [et al.]. Thermohydrostatic analysis of slotentry hybrid journal bearing system // Tribology International. 2002. Vol. 35, no. 9. P. 561–577.Sharma S. C., Kumar V., Jain S. C. [et al.]. Thermohydrostatic analysis of slot-entry hybrid journal bearing system // Tribology International. 2002. Vol. 35, no. 9. P. 561–577. (In Engl.).Kucinschi B., Fillon M. An Experimental study of transient thermal effects in a plain journal bearing // Journal of Tribology. 1999. Vol. 121, no. 2. P. 327–332.Kucinschi B., Fillon M. An Experimental study of transient thermal effects in a plain journal bearing // Journal of Tribology. 1999. Vol. 121, no. 2. P. 327–332. (In Engl.).Khatak P., Garg H. C. Performance analysis of capillary compensated hybrid journal bearing by considering combined influence of thermal effects and micropolar lubricant // Journal of Tribology. 2016. Vol. 139, no. 1. P. 011707.Khatak P., Garg H. C. Performance analysis of capillary compensated hybrid journal bearing by considering combined influence of thermal effects and micropolar lubricant // Journal of Tribology. 2016. Vol. 139, no. 1. P. 011707. (In Engl.).Прокопьев В. Н., Караваев В. Г. Термогидродинамическая задача смазки сложнонагруженных опор скольжения неньютоновскими жидкостями // Вестник ЮУрГУ. Серия Машиностроение. 2003. Вып. 3, no. 1 (17). С. 56–66.Prokop'ev V. N., Karavaev V. G. Termogidrodinamicheskaya zadacha smazki slozhnonagruzhennyh opor skol'zheniya nen'yutonovskimi zhidkostyami [Thermohydrodynamic problem of lubrication of complexly loaded sliding bearings with nonNewtonian fluids] // Vestnik YUUrGU. Seriya Mashinostroenie. Bulletin of SUSU. Mechanical Engineering Series. 2003. Issue 3, no. 1 (17). P. 56–66. (In Russ.).Прокопьев В. Н., Бояршинова А. К., Задорожная Е. А. Многосеточный алгоритм интегрирования уравнения Рейнольдса для гидродинамических давлений в смазочном слое опор скольжения // Труды Международного форума по проблемам науки, техники и образования. Москва, 2001. С. 6–10.Prokop'ev V. N., Boyarshinova A. K., Zadorozhnaya E. A. Mnogosetochnyj algoritm integrirovaniya uravneniya Rejnol'dsa dlya gidrodinamicheskih davlenij v smazochnom sloe opor skol'zheniya [A multigrid algorithm for integrating the Reynolds equation for hydrodynamic pressures in the lubricating layer of sliding supports] // Trudy Mezhdunarodnogo foruma po problemam nauki, tekhniki i obrazovaniya. Proceedings of the International Forum on Problems of Science, Technology and Education. Moscow, 2001. P. 6–10. (In Russ.).Прокопьев В. Н., Бояршинова А. К., Гаврилов К. В. Гидромеханические характеристики сложнонагруженных подшипников скольжения с учетом некруглостей цапфы и втулки // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2009. № 4. С. 98–104.Prokop'ev V. N., Boyarshinova A. K., Gavrilov K. V. Gidromekhanicheskie harakteristiki slozhnonagruzhennyh podshipnikov skol'zheniya s uchetom nekruglostej capfy i vtulki [Hydromechanical characteristics of complex-loaded siding bearing with allowance for nonroundness of the pivot shaft and bush] // Problemy mashinostroeniya i nadezhnosti mashin. Problems of Mechanical Engineering and Machine Reliability. 2009. No. 4. P. 98–104. (In Russ.).Старостин Н. П., Кондаков А. С., Васильева М. А. Тепловая диагностика трения в самосмазывающихся радиальных подшипниках движения. Часть 2: Учет в математической модели подвижности вала // Трение и износ. 2010. Т. 31, № 6. С. 590–594.Starostin N. P., Kondakov A. S., Vasil'eva M. A. Teplovaya diagnostika treniya v samosmazyvayushchihsya radial'nyh podshipnikah dvizheniya. Chast' 2: Uchet v matematicheskoj modeli podvizhnosti vala [Thermal diagnostics of friction in self-lubricating radial motion bearings. Part 2: Accounting in the mathematical model of shaft mobility] // Trenie i iznos. Friction and Wear. 2010. Vol. 31, no. 6. P. 590–594. (In Russ.).Старостин Н. П., Кондаков А. С., Васильева М. А. Трехмерная диагностика трения в подшипниках скольжения // Математические заметки ЯГУ. 2012. Т. 19, № 2. С. 187–195.Starostin N. P., Kondakov A. S., Vasil'eva M. A. Trekhmernaya diagnostika treniya v podshipnikah skol'zheniya [Three-dimensional diagnostics of friction in sliding bearings] // Matematicheskie zametki YAGU. Mathematical Notes of YSU. 2012. Vol. 19, no. 2. P. 187–195. (In Russ.).Айнбиндер С. Б., Дзенис А. А., Тюнина Э. Л. Расчет температуры металлполимерной пары при тяжелых режимах трения // Механика полимеров. 1973. № 4. С. 75–81.Ajnbinder S. B., Dzenis A. A., Tyunina E. L. Raschet temperatury metallpolimernoj pary pri tyazhelyh rezhimah treniya [Calculation of the temperature of a metal polymer pair under severe friction conditions] // Mekhanika polimerov. Mechanics of Polymers. 1973. No. 4. P. 75–81. (In Russ.).Александров В. М., Губарева Е. А. О расчете контактных температур, возникающих при вращении вала в подшипнике // Трение и износ. 2007. Т. 28, № 1. С. 39–43.Aleksandrov V. M., Gubareva E. A. O raschete kontaktnyh temperatur, voznikayushchih pri vrashchenii vala v podshipnike [On the calculation of contact temperatures arising from the rotation of the shaft in the bearing] // Trenie i iznos. Friction and Wear. 2007. Vol. 28, no. 1. P. 39–43. (In Russ.).Бабешко В. А., Ворович И. И. К расчету температур, возникающих при вращении вала в подшипнике // ПМТФ. 1968. № 2. С. 135–137.Babeshko V. A., Vorovich I. I. K raschetu temperatur, voznikayushchih pri vrashchenii vala v podshipnike [To the calculation of temperatures arising from the rotation of the shaft in the bearing] // PMTF. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 1968. No. 2. P. 135–137. (In Russ.).Колесников В. И., Подрезов С. А., Алексеев В. А. К вопросу о теплонагруженности металлонаполненных полимерных подшипников скольжения // Трение и износ. 1982. Т. 3, № 6. С. 1009–1015.Kolesnikov V. I., Podrezov S. A., Alekseev V. A. K voprosu o teplonagruzhennosti metallonapolnennyh polimernyh podshipnikov skol'zheniya [On the issue of heat loading of metal-filled polymer sliding bearings] // Trenie i iznos. Friction and Wear. 1982. Vol. 3, no. 6. P. 1009–1015. (In Russ.).Колесников В. И., Кучеров В. А., Подрезов С. А. Исследование температурных полей некоторых узлов трения // Физико-механические процессы в зоне контакта деталей машин. Калинин, 1983. С. 70–77.Kolesnikov V. I., Kucherov V. A., Podrezov S. A. Issledovanie temperaturnyh polej nekotoryh uzlov treniya [Investigation of temperature fields of some friction units] // Fiziko-mekhanicheskie processy v zone kontakta detalej mashin. Physico-mechanical Processes in the Contact Zone of Machine Parts. Kalinin, 1983. P. 70–77. (In Russ.).Огарков Б. И., Голомедова Л. И. Расчет стационарного поля анизотропного вкладыша подшипника скольжения // Известия вузов. Машиностроение. 1970. № 8. С. 43–48.Ogarkov B. I., Golomedova L. I. Raschet stacionarnogo polya anizotropnogo vkladysha podshipnika skol'zheniya [Calculation of the stationary field of an anisotropic sliding bearing liner] // Izvestiya vuzov. Mashinostroenie. News of Universities. Mechanical Engineering. 1970. No. 8. P. 43–48. (In Russ.).Огарков В. И., Кухаренко С. П. Аналитико-экспериментальный метод определения температурного поля двухслойного анизотропного вкладыша подшипника // Трение и износ. 1985. Т. 6, № 2. С. 228–234.Ogarkov V. I., Kuharenko S. P. Analitiko-eksperimental'nyj metod opredeleniya temperaturnogo polya dvuhslojnogo anizotropnogo vkladysha podshipnika [Analytical and experimental method for determining the temperature field of a two-layer anisotropic bearing liner] // Trenie i iznos. Friction and Wear. 1985. Vol. 6, no. 2. P. 228–234. (In Russ.).Павлова И. В., Колесников В. И., Евдокимов Ю. А. Исследование распределения температуры в тонкостенных металлополимерных подшипниках скольжения // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. 2001. № 2. С. 29–33.Pavlova I. V., Kolesnikov V. I., Evdokimov Yu. A. Issledovanie raspredeleniya temperatury v tonkostennyh metallopolimernyh podshipnikah skol'zheniya [Investigation of temperature distribution in thin-walled metal-polymer sliding bearings] // Vestnik Rostovskogo gosudarstvennogo universiteta putej soobshcheniya. Bulletin of the Rostov State University of Railway Transport. 2001. No. 2. P. 29–33. (In Russ.).Коднир Д. С., Жильников Е. П., Байбородов Ю. И. Эластогидродинамический расчет деталей машин. Москва: Машиностроение, 1988. 160 с.Kodnir D. S., Zhil'nikov E. P., Bajborodov Yu. I. Elastogidrodinamicheskij raschet detalej mashin [Elastohydro- dynamic calculation of machine parts]. Moscow, 1988. 160 p. (In Russ.).Коднир Д. С. Контактная гидродинамика смазки деталей машин. Москва: Машиностроение, 1976. 304 с.Kodnir D. S. Kontaktnaya gidrodinamika smazki detalej mashin [Contact hydrodynamics of lubrication of machine parts]. Moscow, 1976. 304 p. (In Russ.).Перель Л. Я. Подшипники качения: расчет, проектирование и обслуживание опор. Москва: Машиностроение, 1983. 543 с.Perel' L. Ya. Podshipniki kacheniya: raschet, proektirovanie i obsluzhivanie opor [Rolling bearings: Calculation, design and maintenance of supports]. Moscow, 1983. P. 543. (In Russ.).Решетов Д. Н. Детали машин. Москва: Машиностроение, 1989. 496 с.Reshetov D. N. Detali mashin: uchebnik dlya vuzov. [Machine parts: a textbook for universities]. Moscow, 1989. 496 p. (In Russ.).Уонг X. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров. Справочник: пер. с англ. Москва: Атомиздат, 1979. 216 с.Uong X. Osnovnye formuly i dannye po teploobmenu dlya inzhenerov. Spravochnik: per. s angl [Basic formulas and data on heat exchange for engineers: a handbook: trans. from Engl.] Moscow, 1979. 216 p. (In Russ.).Белоусов М. Д., Шестаков А. Л. Метод самодиагностики термопреобразователя сопротивлений в процессе работы // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника. 2009. № 3 (136). С. 17–19.Belousov M. D., Shestakov A. L. Metod samodiagnostiki termopreobrazovatelya soprotivlenij v processe raboty [Method of self-diagnosis of thermal resistance converter in the process of operation] // Vestnik Yuzhno-Ural'skogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Komp'yuternye tekhnologii, upravlenie, radioelektronika. Bulletin of the South Ural State University. Series: Computer Technologies, Control, Radio Electronics. 2009. No. 3 (136). P. 17–19. (In Russ.).Гоулд. Сдавливаемые пленки с параллельными поверхностями. Влияние зависимости вязкости от температуры и давления // Теоретические основы инженерных расчетов. 1967. № 4. 267 с.Gold. Sdavlivaemye plenki s parallel'nymi poverhnostyami. Vliyanie zavisimosti vyazkosti ot temperatury i davleniya [Compressed films with parallel surfaces. Influence of viscosity dependence on temperature and pressure] // Teoreticheskiye osnovy inzhenernyh raschetov. Theoretical Foundations of Engineering Calculations. 1967. No. 4. 267 p. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.