Фізико-математичне моделювання процесу відновлення підшипників ковзання з використанням полімерів
DOI:
https://doi.org/10.31649/2413-4503-2026-23-1-17-24Ключові слова:
підшипник ковзання; полімерне покриття; контактний тиск; фізико-математична модель; зношування; довговічність.Анотація
У статті розглянуто проблему підвищення ресурсу та точності роботи підшипників ковзання шляхом удосконалення технологій їх відновлення із застосуванням полімерних та полімер-композиційних матеріалів. Показано, що в умовах експлуатаційних навантажень, тертя та зношування порушення геометричної точності підшипникових поверхонь істотно впливає на працездатність вузла, зумовлюючи зростання контактних напружень, вібрацій і енергетичних втрат. Обґрунтовано доцільність використання полімерних покриттів як альтернативи традиційним методам ремонту, що супроводжуються значним тепловим впливом і залишковими деформаціями.
Метою роботи є розроблення фізико-математичної моделі процесу відновлення підшипників ковзання з полімерним покриттям, яка забезпечує кількісне прогнозування контактних характеристик, напружено-деформованого стану та довговічності вузла тертя на основі обмеженої кількості фізично обґрунтованих параметрів. У межах дослідження сформовано контактну модель взаємодії системи «вал – полімерний шар – металева втулка» з урахуванням припущень лінійної теорії пружності, гладкого контакту та ізотропних властивостей матеріалів.
Запропонований математичний опис базується на рівняннях рівноваги суцільного середовища, зв’язках напружень і деформацій для лінійно-еластичної матриці полімерного матеріалу та узагальненій герцівській контактній постановці. Отримано аналітичний вираз для епюри контактного тиску, яка характеризується плавним розподілом навантаження з максимумом у центральній зоні контакту та нульовими значеннями на межах контактної області. Така форма розподілу узгоджується з фізичною природою пружного контакту та результатами відомих трибологічних досліджень.
Проведено аналіз впливу складу полімерної композиції на ефективний модуль пружності, контактні напруження та ширину зони контакту. Показано, що зміна наповнювачів і матриці полімерного матеріалу дозволяє цілеспрямовано керувати контактними характеристиками та знижувати інтенсивність зношування. Як завершальний елемент моделі запропоновано критерій працездатності й довговічності підшипника ковзання, що поєднує результати контактного аналізу з узагальненим законом зношування та дає змогу прогнозувати ресурс вузла на етапі проєктування або відновлення.
Посилання
K. Friedrich, “Polymer composites for tribological applications,” Advanced Industrial and Engineering Polymer Research, vol. 1, no. 1, pp. 3–39, 2018. https://doi.org/10.1016/j.aiepr.2018.05.001.
J. Ye, D. L. Burris, and T. Xie, “A review of transfer films and their role in ultra-low-wear sliding of polymers,” Lubricants, vol. 4, no. 1, art. no. 4, 2016. https://doi.org/10.3390/lubricants4010004.
S. Bahadur, “The development of transfer layers and their role in polymer tribology,” Wear, vol. 245, no. 1–2, pp. 92–99, 2000. https://doi.org/10.1016/S0043-1648(00)00469-5.
A. Sorrentino, “Tribology of self-lubricating polymer nanocomposites,” in Tribology of Polymer Nanocomposites, Springer, Cham, 2018. https://doi.org/10.1007/978-3-662-56528-5_4.
L. Deleanu, M. Botan, and C. Georgescu, “Tribological behavior of polymers and polymer composites,” in Tribology, IntechOpen, 2020. https://doi.org/10.5772/intechopen.94264.
K. Friedrich, K. Váradi, and Z. Zhang, “Wear modelling of polymer composites,” in Wear of Advanced Materials, Woodhead Publishing, 2005, pp. 374–402. https://doi.org/10.1533/9781845690847.374.
A. Abdelbary, Wear of Polymers and Composites. Woodhead Publishing, 2014. https://doi.org/10.1533/9781782421788.133.
J. Somberg, P. Saravanan, H. S. Vadivel, K. Berglund, Y. Shi, J. Ukonsaari, and N. Emami, “Tribological characterisation of polymer composites for hydropower bearings: Experimentally developed versus commercial materials,” Tribology International, vol. 162, art. no. 107101, 2021. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2021.107101.
M. Chernets, A. Kornienko, and Y. Chernets, “Investigations on contact pressures and durability of metal-polymer dry sliding bearings with miniature, small and large diameters,” Tribology in Industry, vol. 44, pp. 528–539, 2022. https://doi.org/10.24874/ti.1076.06.22.09.
M. Czerniec and J. Zubrzycki, “Study of contact pressures in total hip replacement,” Advances in Science and Technology Research Journal, vol. 15, pp. 176–183, 2021. https://doi.org/10.12913/22998624/135251.
M. Chernets and J. Zubrzycki, “Study of contact parameters in metal-on-plastic hip endoprosthesis with the analytical-numerical method of contact mechanics,” Advances in Science and Technology Research Journal, vol. 17, pp. 145–153, 2023. https://doi.org/10.12913/22998624/164127.
M. Chernets, Y. Chernets, Y. Skvarok, and J. Zubrzycki, “Investigation of wear resistance of polyamide PA6 based composite materials for metal–polymer plain bearings and gears,” Tribology in Industry, vol. 45, pp. 643–649, 2023. https://doi.org/10.24874/ti.1109.06.23.09.
M. Chernets and V. Zhydyk, “Mathematical modeling of load capacity and durability of metal–polymeric bearings with a composite bushing based on polyamides, polytetrafluoroethylenes, polyetheretherketones, or polyethylene terephthalates,” Applied Sciences, vol. 14, no. 23, art. no. 11275, 2024. https://doi.org/10.3390/app142311275.
М. В. Чернець, С. В. Федорчук, А. О. Корнієнко, А. О. Іщенко, та О. В. Радіоненко, “Розрахункова оцінка максимальних контактних тисків у циліндричній металополімерній напрямній ковзання з втулкою з епоксидного композиційного матеріалу Moglice,” Проблеми тертя та зношування, № 2(91), с. 14–25, 2023. https://doi.org/10.18372/0370-2197.2(91).15523.
K. L. Johnson, Contact Mechanics. Cambridge: Cambridge University Press, 1985.
V. V. Aulin, S. V. Lysenko, A. V. Hrynkiv, and M. V. Pashynskyi, “Improvement of tribological characteristics of coupling parts ‘shaft–sleeve’ with polymer and polymer-composite materials,” Problems of Tribology, vol. 105, no. 3, pp. 96–107, 2022. https://doi.org/10.31891/2079-1372-2022-105-3-96-107.
М. В. Чернець та А. О. Корнієнко, “Розрахункова оцінка контактних тисків у циліндричних металополімерних парах ковзання,” Проблеми тертя та зношування, № 1(94), с. 5–16, 2024. https://doi.org/10.18372/0370-2197.1(94).16467.
V. V. Aulin, O. V. Kuzyk, S. V. Lysenko, A. B. Hupka, A. V. Hrynkiv, and I. V. Zhylova, “Methodology for calculating the main characteristics of sliding bearings of automotive systems and analysis of their tribological efficiency,” Collection of Scientific Papers, vol. 9, no. 40, pp. 151–164, 2024. https://doi.org/10.32515/2664-262X.2024.9(40).1.151-164.
O. O. Yaychuk and V. V. Povorotnii, “Design features and modern technologies of sliding bearings in industrial applications,” Visnyk of Pryazovskyi State Technical University. Series: Technical Sciences, no. 49(1), pp. 88–96, 2024. https://doi.org/10.31498/2225-6733.49.1.2024.321228.
“Study of wear resistance of a radial bearing covered by a polymer coating with an axial groove on a nonstandard base surface,” Journal of Machinery Manufacture and Reliability, vol. 53, pp. 241–249, 2024.
“Predictive analysis of rotor machines fluid-film bearings operability,” Advanced Engineering Research, vol. 22, no. 4, pp. 365–372, 2023. https://doi.org/10.23947/2687-1653-2022-22-4-365-372.
##submission.downloads##
-
PDF
Завантажень: 0
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
