Improving the reliability of a ceramic plain bearing

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

In this study, we search for a design solution to ensure a reliable and long-term operation of a friction unit with a ceramic plain bearing. To that end, the stress-strain state of the ceramic insert is optimized with respect to actual loading conditions. The bearing unit is designed accounting for the properties of ceramic materials, which show low strength reliability under the action of tensile stresses. To improve the solution accuracy, we determine the actual contact area, taking into account the load unevenness in the bearing. In addition, since the insert surface is assumed to be complexly stressed, the calculation is based on equivalent stresses. The criterion is to minimize equivalent stresses, which corresponds to the optimal tension justifying the bearing application. The analysis involves the discrete-continuous option of the finite element method with the variational principle according to the Lagrange method. The calculation software provides for the values of equivalent stresses depending on tension and selects its optimal value. As a result of the performed analysis, the geometric shape of the ceramic insert is optimized. In the proposed design, the brittleness inherent in ceramic materials can almost be compensated by minimizing tensile stresses. Thus, the reliability and durability of the plain bearing increase. An original design of a plain bearing with a ceramic insert is proposed. This design allows advanced ceramic structural materials to be used in plain bearings, which extends the operational range of friction units. In order to overcome the fragility of ceramic materials, special design techniques should be developed to withstand tensile stresses through optimally selected tensions creating compressive stresses in the insert. Optimal tension parameters can be selected using numerical methods of stress-strain state analysis, in particular, the finite element method.

About the authors

I. M. Panova

Bauman Moscow State Technical University

Email: pim-07@mail.ru

Yu. V. Sinitsyna

Bauman Moscow State Technical University

References

  1. Панов А.Д., Панова И.М. Определение срока службы гибридных подшипников // Главный механик. 2019. № 2. С. 17–25. EDN: YWAIST.
  2. Панова И.М. Особенности конструирования изделий из керамических материалов // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2013. № 4. С. 45–50. EDN: PYMCPB.
  3. Куличков С.В. Применение керамических материалов для повышения надежности узлов трения технологического оборудования // Техническая эксплуатация водного транспорта: проблемы и пути развития: матер. III Междунар. науч.-техн. конф. (г. Петропавловск-Камчатский, 26 ноября 2020 г.). Петропавловск-Камчатский: Камчатский государственный технический университет, 2021. С. 93–95. EDN: GAVGOP.
  4. Алисин В.В. Циркониевые керамические материалы триботехнического назначения // Развитие науки и образования: монография. Чебоксары: Среда, 2019. Вып. 4. С. 5–16. https://doi.org/10.31483/r-22125. EDN: ZBSRYL.
  5. Кулик В.И., Нилов А.С. Перспективы применения керамических материалов в узлах трения оборудования горнодобывающей промышленности // Транспортное, горное и строительное машиностроение: наука и производство. 2020. № 9. С. 52–57. https://doi.org/10.26160/2658-3305-2020-9-52-57. EDN: GNVXEZ.
  6. Нуралин Б.Н., Куанышев С.М., Куанышев К.М., Куанышев М.К. Применение твёрдого антифрикционного композитного материала в конструкции подшипников скольжения // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2016. № 6. С. 61–64. EDN: XSLAHP.
  7. Рощин М.Н. Исследование возможности уменьшения момента трения в подшипниках скольжения из циркониевой керамики // Транспортное, горное и строительное машиностроение: наука и производство. 2020. № 6. С. 11–14. https://doi.org/10.26160/2658-3305-2020-6-11-14. EDN: JMCIJS.
  8. Савченко Н.Л., Саблина Т.Ю., Кульков С.Н. Особенности трибологического поведения керамики на основе диоксида циркония в условиях высокоскоростного трения // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2011. Т. 13. № 4-3. С. 857–862. EDN: PCLSVR.
  9. Панова И.М., Синицына Ю.В. Анализ факторов, влияющих на ресурс керамических подшипников скольжения // Вестник науки. 2024. Т. 4. № 4. С. 697–708. EDN: CGYTVE.
  10. Шевченко В.Я., Терещенко Г.Ф. Исследования, разработки и инновации в области керамических и стекломатериалов // Вестник Российской академии наук. 2000. Т. 70. № 1. С. 50–56.
  11. Гаршин А.П. Керамика для машиностроения. М.: Научтехлитиздат, 2003. 384 с.
  12. Шаталин А.С., Ромашин А.Г. Новые конструкционные материалы на основе керамики и композитов с керамической матрицей. Ч. 1. Конструкционные керамические материалы // Перспективные материалы. 2001. № 4. С. 5–16.
  13. Лукин Е.С., Попова Н.А., Ануфриева Е.В., Сафина М.Н., Горелик Е.И., Сабурина И.Н.Современная оксидная керамика и области ее применения // Известия Академии инженерных наук им. А.М. Прохорова. 2014. № 2. С. 30–39. EDN: TDOTYP.
  14. Баринов С.М., Шевченко В.Я. Прочность технической керамики. М.: Наука, 1996. 159 с. 15. Эванс А.Г., Лэнгдон Т.Г. Конструкционная керамика: монография / пер. с англ. Л.П. Карпиловского, Б.И. Поляка; под ред. А.С. Власова. М.: Металлургия, 1980. 256 с.
  15. Вовк М.Ю., Кулалаев В.В., Сводин П.А., Зюлькова М.В. Облик матричного керамического подшипника скольжения с пористой структурой для опоры ротора перспективного газотурбинного двигателя // Проблемы и перспективы развития двигателестроения: сборник докладов Международной научно-технической конференции (г. Самара, 23–25 июня 2021 г.). Самара: Самарский нац. исследовательский ун-т им. акад. С.П. Королева, 2021. Т. 1. С. 207–208. EDN: DHJDWP.
  16. Чернавский С.А. Подшипники скольжения. М.: Машгиз, 1963. 245 с. 18. Зубко А.И., Донцов С.Н. Исследование условий работоспособности и разработка диагностики керамических подшипников нового поколения // Электронный журнал «Труды МАИ». 2014. № 74. С. 16. EDN: SDZCFL.
  17. Durazo-Cardenas I.S., Corbett J., Stephenson D.J. The performance of a porous ceramic hydrostatic journal bearing // Journal of Engineering Tribology. 2010. Vol. 224. Iss. 1. Р. 81–89. https://doi.org/10.1243/13506501JET570.
  18. Рощин М.Н. Исследование возможности уменьшения момента трения в подшипниках скольжения из циркониевой керамики // Транспортное, горное и строительное машиностроение: наука и производство. 2020. № 6. С. 11–14. https://doi.org/10.26160/2658-3305-2020-6-11-14. EDN: JMCIJS.
  19. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов: монография / пер. с англ. А.А. Шестакова; под ред. Б.Е. Победри. М.: Мир, 1979. 392 с.
  20. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация / пер. с англ. Б.И. Квасова; под ред. Н.С. Бахвалова. М.: Мир, 1986. 318 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).