Расчетная оценка возможности применения подшипников скольжения из пористого стеклопластика в составе опорного катка гусеничного движителя.

Abstract

В настоящее время в опорных катках тихоходных гусеничных движителей применяются подшипники скольжения с антифрикционными втулками из дорогостоящих сплавов цветных металлов. Возможной альтернативой могут стать более дешевые композитные втулки на основе пористого стеклопластика, полученные радиальной намоткой. Они выдерживают высокие нагрузки и могут работать в условиях ограниченной маслоподачи, используя смазочный материал, содержащийся в открытых порах втулки. Из-за пористой структуры втулки имеют низкую жесткость в радиальном направлении, что способствует образованию развитой площадки контакта со стальным валом. Низкие контактные нормальные и касательные напряжения приводят к снижению износа вала. Фактором, ограничивающим применение композитной втулки, является ее низкая межслойная прочность. По этой причине актуальной становится задача определения максимальных радиальных и сдвиговых напряжений, возникающих в процессе эксплуатации узла трения для расчетной оценки его работоспособности. В экспериментальной части работы для композитной втулки из пористого стеклопластика были найдены коэффициенты трения покоя и скольжения. Используя расчетноэкспериментальный метод, найдено критическое межслойное сдвиговое напряжение, приводящее к разрушению стеклопластика. В расчетной части представлена разработанная численная модель, позволяющая определить напряженно-деформированное состояние антифрикционных втулок в составе опорного катка трубоукладчика ТР-20. Используя численное моделирование в пакете ANSYS Workbench, для втулок из стеклопластика и бронзы были найдены картины распределения нормальных напряжений по поверхности контакта с валом. Получены зависимости значения максимального нормального напряжения от величины радиального зазора между валом и втулкой. Установлено, что на величину локальных нормальных напряжений существенное влияние оказывают сама кососимметричность нагружения подшипникового узла, зазоры, обусловленные его сборкой, и зазоры, образующиеся в процессе эксплуатации. Определена максимально допустимая величина радиального зазора между валом и втулками из бронзы и стеклопластика. Расчетным путем установлено, что применение антифрикционных композитных втулок в катках тихоходных гусеничных движителей не только возможно, но и позволяет увеличить значение максимального допускаемого зазора в узле трения. Currently, antifriction bushings for sliding bearings made of expensive non-ferrous metal alloys are used in low-speed caterpillar track rollers. Composite bushings based on porous GFRP obtained by radial winding is a cheap alternative for metal ones. They can withstand high radial compressive loads and successfully work without lubrication supply system using only selflubricating modifiers in their open porosity. The bushings have a low stiffness in the radial direction due to the porous structure. Low stiffness contributes to the formation of a significant contact area between interacting surfaces. Low contact normal and tangential stresses lead to a shaft wear reduction. Low interlaminar strength is the main factor limiting the use of composite bushings. Determination of the maximum radial and shear stresses emerging in the operational process of a friction unit is a very important problem. First part of the work is devoted to determination of the static and sliding friction coefficients for composite bushing. Combination of static tests up to fracture and numerical analysis was used to determine the critical interlayer shear stress. In the second part of the work, numerical model of a support roller with antifriction bushing was developed. This model was used to determine the stress-strain state of antifriction bushings of the support roller of pipe-laying machine TR-20. Distribution of normal stresses on the contact surface with the shaft for GFRP and bronze bushings were found. The relations between the maximum normal stress value and the radial clearance in pair “shaft-bushings” were obtained for both types of bushings. It was shown, that the value of the local normal stresses is significantly affected by the skew-symmetry of the roller support, clearance in pair “shaft-bushings” after assembly and after exploitation. The maximum reasonable value of the radial clearance between the shaft and the bronze and GFRP bushings were 0.25 mm and 1 mm respectively. The use of antifriction composite bushings allows increasing the value of the maximum permissible clearance of friction unit more than two times in comparison with metal one. The paper shows the possibility of replacing antifriction bronze bushings on porous GFRP bushings.