Numerical estimation of using possibility of porous GFRP sliding bearing as part of a caterpillar mover bottom track roller
Keywords:
GFRP, winding, shear strength, FEA, self-lubricating sliding bearings, bottom track rollerAbstract
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 were0.25 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.
References
Платонов, В.Ф. Динамика и надежность гусеничного движителя/ В.Ф. Платонов. – М.: Машиностроение, 1973. – 232 с.
Чернавский, С.А. Подшипники скольжения/ С.А. Чернавский. – М.: Машгиз, 1963. – 244 с.
Neale, M.J. The tribology handbook / M.J. Neale. – 2nd ed. – Butterworth-Heinemann, Oxford, 2001. – 582 p.
Полимеры в узлах трения машин и приборов: справ. / Е.В. Зиновьев, A.Л. Левин, М.М. Бо-родулин. – М.: Машиностроение, 1980. – 203 с.
McKeen, L.W. Fatigue and tribological properties of plastics and elastomers / L.W. McKeen. – 2nd ed. – Butterworth-Heinemann, Oxford, 2010. – 312 p.
Влияние технологических условий намотки на свойства полимерных композиционных материалов/ С.П. Захарычев, В.А. Иванов, Д.В. Отмахов и др. // Вестник ТОГУ. Технические науки. – 2010. – №1 (16). – С. 55–64.
Analysis and control of the compaction force in the composite prepreg tape winding process for rocket motor nozzles / X. He, Y. Shi, C. Kang, T. Yu // Chinese Journal of Aeronautics. – 2017. – Vol. 30. – P. 836–845. DOI: 10.1016/j.cja.2016.07.004
Справочник по композитным материалам в двух книгах/ под ред. Дж. Любина. – М.: Машиностроение, 1988. – Кн. 1. – 447 с.
Vasiliev, V.V. Advanced Mechanics of Composite Materials and Structural Elements / V.V. Vasiliev, E.V. Morozov. – 3rd ed. – Elsevier, 2013. – 816 p.
Основы трибологии(трение, износ, смазка) / А.В. Чичинадзе, Э.Д. Браун, Н.А. Буше и др. – 2-е изд. перераб., и доп. – М.: Машиностроение, 2001. – 664 с.
Когаев, В.П. Прочность и износостойкость деталей машин/ В.П. Когаев, Ю.Н. Дроздов. – М.: Высш. шк., 1991. – 319 с.
Litwin, W. Influence of local bush wear on water lubricated sliding bearing load carrying capacity / W. Litwin // Tribology International. – 2016. – Vol. 103. – P. 352–358. DOI: 10.1016/j.triboint.2016.06.044
Abdelbary, A. Wear of polymers and composites / A. Abdelbary. – Elsevier, Cambridge: Woodhead Publishing Limited, 2014. – 223 p.
Исследование характеристик армированных реактопластов при изготовлении подшипников скольжения методом послойной намотки/ Р.С. Зиновьев, В.Я. Савицкий, Ю.А. Мережко, В.С. Ивановский// Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. Машиностроение и машиноведение.– 2013. – №4 (28). – С. 140–155.
Delamination analysis of multi-angle composite curved beams using an out-of-autoclave material / K.-H. Nguyen, H.-W. Ju, V.-H. Truong, J.-H. Kweon // Composite Structures. – 2018. – Vol. 183. – P. 320–330. DOI: 10.1016/j.compstruct.2017.03.078
Experimental research into interlaminar tensile strength of carbon/epoxy laminated curved beams / D. Ranza, J. Cuarterob, A.Miravetec, R. Miralbesa // Composite Structures. – 2017. – Vol. 164. – P. 189–197. DOI: 10.1016/j.compstruct.2016.12.010
Аношкин, А.Н. Теория и технология намотки конструкций из полимерных композицион-ных материалов/ А.Н. Аношкин. – Пермь: Перм. гос. техн. ун-т, 2003. – 118 с.
Тарнопольский, Ю.М. Методы статических испытаний армированных пластиков/ Ю.М. Тарнопольский, Т.Я. Кинцис. – М.: Химия, 1981. – 272 с.
Зиновьев, Р.С. Оценка прочности и жесткости вкладышей подшипников скольжения из стеклопластика/ Р.С. Зиновьев, С.Б. Сапожников, А.В. Безмельницын// Композиты и наноструктуры. – 2012. – №3. – С. 10–18.
Безмельницын, А.В. Многомасштабное моделирование и анализ механизма возникновения технологических межслойных напряжений в толстостенных кольцах из стеклопластика/ А.В. Безмельницын, С.Б. Сапожников// Вестник ПНИПУ. Механика. – 2017. – №2. – С. 5–22.
Машиностроение: энцикл. в сорока томах. Т. II-3: Цветные металлы и сплавы. Компо-зитные металлические материалы/ К.В. Фролов[и др.]. – М.: Машиностроение, 2001.– 780 с.
Сорокин, В.Г. Стали и сплавы. Марочник/ В.Г. Сорокин, М.А. Гервасьев. – М.: Интермет Инжиниринг, 2001. – 608 с.
