Влияние рельефа поверхности на динамические характеристики роторно-подшипниковой системы центробежного насоса

Следствием виброактивности оборудования является проблема неплановых остановок и простоев таких критически важных систем горной промышленности, как насосные установки, что ведет к серьезным финансовым последствиям из-за производственных потерь и увеличения расходов на ремонт. Исследуется модификация рабочей поверхности радиального гидродинамического подшипника скольжения центробежного насоса специальным микрорельефом поверхности, его влияние на динамические характеристики и устойчивость роторно-подшипниковой системы. Для расчета локальных и интегральных характеристик жесткости и демпфирования применены безразмерная модификация уравнения Рейнольдса с учетом нестационарности и конечно-разностная аппроксимация. Оценка устойчивости выполнялась по эквивалентной жесткости, логарифмическому декременту затухания, критической скорости потери устойчивости, а также по орбитам, вычисленным интегрированием уравнений движения ротора устойчивым многошаговым методом. Показано, что применяемый рельеф поверхности усиливает реактивный отклик смазочного клина и расширяет запас устойчивости: при эксцентриситете около 0,5 прирост эквивалентной жесткости достигает приблизительно 40%, а при значениях порядка 0,8 превышает трехкратный уровень относительно гладкой опоры; критическая скорость возрастает до пятикратного значения. В рабочем диапазоне эксцентриситета декремент затухания остается сопоставимым с гладким подшипником, что указывает на сохранение демпфирующей способности. Орбитальный анализ фиксирует сокращение площади стационарной петли примерно на 49%, что соответствует снижению амплитуды установившихся колебаний. Таким образом, специальный рельеф поверхности позволяет повысить виброустойчивость роторно-подшипниковой системы насоса и может послужить практичным инструментом управления ее динамикой в тяжелых условиях эксплуатации.

Башмур К. А., Загуляев А. В. Влияние рельефа поверхности на динамические характеристики роторно-подшипниковой системы центробежного насоса // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2026. – № 5. – С. 20–38. DOI: 10.25018/0236_1493_2026_5_0_20.

Башмур Кирилл Александрович¹ — аспирант, старший преподаватель, e-mail: bashmur@bk.ru, Scopus Author ID: 57209698696, ORCID ID: 0000-0002-9977-473X,
Загуляев Александр Владимирович¹ — аспирант, ассистент преподавателя, e-mail: shura.zagulyaev@mail.ru, Scopus Author ID: 57216805089,
¹ Сибирский федеральный университет.

Башмур К.А., e-mail: bashmur@bk.ru.

1. Dou S., Xu D., Zhu Y., Keenan R. Critical mineral sustainable supply: challenges and governance // Futures. 2023, vol. 146, article 103101. DOI: 10.1016/j.futures.2023.103101.

2. Захаров В. Н., Галченко Ю. П., Калабин Г. В. Научное обоснование и разработка гибридной природоподобной технологии декарбонизации газовых выбросов в атмосферу при угольной генерации энергии // Уголь. — 2025. — № 8. — С. 58—64. DOI: 10.18796/0041-5790-2025-8-58-64.

3. Hodge R. A., Ericsson M., Löf O., Löf A., Semkowich P. The global mining industry: corporate profile, complexity, and change // Mineral Economics. 2022, vol. 35, pp. 587—606. DOI: 10.1007/s13563-022-00343-1.

4. Тынченко Я. А., Кукарцев В. В., Башмур К. А., Xiaogang Wu, Севрюгина Н. С. Вероятностный анализ показателей надежности насосов с помощью нейронной сети // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2024. — № 7-1. — С. 126—136. DOI: 10.25018/0236_1493_2024_71_0_126.

5. Werbinska-Wojciechowska S., Rogowski R. Proactive maintenance of pump systems operating in the mining industry — A systematic review // Sensors. 2025, vol. 25, article 2365. DOI: 10.3390/s25082365.

6. Kukartsev V. A., Kukartsev V. V., Tynchenko V. S., Bukhtoyarov V. V., Tynchenko V. V., Sergienko R. B., Bashmur K. A., Lysyannikov A. V. The technology of using liquid glass mixture waste for reducing the harmful environmental impact // Materials. 2022, vol. 15, article 1220. DOI: 10.3390/ma15031220.

7. Васильева М. А., Голик В. И., Зеленцова А. А. Методы интенсификации трубопроводного транспортирования гидросмесей при закладке выработанного пространства // Записки Горного института. — 2025. — Т. 274. — С. 104—116.

8. Исаметова М. Е., Смаилова Г. А., Абилхаир Ж. Н., Уалиев Ж. Оптимизация работы центробежного насоса в условиях горнопромышленных предприятий // Устойчивое развитие горных территорий. — 2024. — Т. 16. — № 3. — С. 1192—1204. DOI: 10.21177/1998-4502-2024-16-3-1192-1204.

9. Kongar-Syuryun C., Babyr N., Klyuev R., Khayrutdinov M., Zaalishvili V., Agafonov V. Model for assessing efficiency of processing geo-resources, providing full cycle for development — Case study in Russia // Resources. 2025, vol. 14, article 51. DOI: 10.3390/resources14030051.

10. Зотов В. В., Мнацаканян В. У., Базлин М. М., Лакшинский В. С., Дятлова Е. В. Повышение ресурса рабочих колес центробежных насосов шахтного водоотлива // Горная промышленность. — 2024. — № 2. — С. 143—146. DOI: 10.30686/1609-9192-2024-2-143-146.

11. Овчинников Н. П. Оценка степени влияния твердой фазы шахтных вод на долговечность узла гидравлической пяты секционного насоса главной водоотливной установки рудника «Удачный» // Устойчивое развитие горных территорий. — 2022. — Т. 14. — № 3. — С. 494—500. DOI: 10.21177/1998-4502-2022-14-3-494-500.

12. Морин А. С., Мигунов В. И., Шульгина К. А. Анализ амплитудно-частотных характеристик виброакустических сигналов при мониторинге технического состояния карьерной водоотливной установки // Уголь. — 2022. — № 10. — С. 33—39. DOI: 10.18796/0041-5790-2022-10-33-39.

13. Shi X. Operational state monitoring and fuzzy fault diagnostic system of mine drainage // Mining Science and Technology. 2010, vol. 20, pp. 581—584. DOI: 10.1016/S1674-5264(09)60248-9.

14. Овчинников Н. П. Разработка математической модели долговечности многоступенчатых насосов, применяемых в системах водоотлива кимберлитовых рудников // Устойчивое развитие горных территорий. — 2025. — Т. 17. — № 1. — С. 126—133. DOI: 10.21177/1998-4502-2025-17-1-126-133.

15. Wang Q., Geng P., Qiu H., Zhang J., Zhao R. Development of intelligent automatic water intake system for open-pit mine // Journal of Physics: Conference Series. 2023, vol. 2591, article 012057. DOI: 10.1088/1742-6596/2591/1/012057.

16. Герике П. Б., Герике Б. Л. Моделирование деградации фактического состояния подшипников на основе использования единого диагностического критерия // Горная промышленность. — 2023. — № S2. — С. 32—36. DOI: 10.30686/1609-9192-2023-S2-32-36.

17. Ovchinnikov N. P., Krasnoshtanov S. Yu. Improving the efficiency of pumping equipment at the gold mining companies of the Far North // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021, vol. 808, article 012053. DOI: 10.1088/1755-1315/808/1/012053.

18. Nie S., He H., Ji H., Nie S., Yan X., Yin F. Failure analysis of auxiliary support bearing/shaft tribopair in seawater hydraulic axial piston pump // Engineering Failure Analysis. 2023, vol. 146, article 107069. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2023.107069.

19. Lee J.-J., Kim Y., Lee T., Kim M.-S., Kim J.-H., Tak H.-J., Park J.-W., Oh D. Investigation of failure causes of oil pump based on operating conditions // Applied Sciences. 2023, vol. 13, article 4308. DOI: 10.3390/app13074308.

20. Gu Y., Yang A., Böhle M., Zhao W. Investigation of hydrodynamic lubricant film breakdown between the journal and bearing in a high-speed coolant pump of electric vehicles // Engineering Failure Analysis. 2024, vol. 160, article 108218. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2024.108218.

21. Guo H., Duan H., Lei J., Wang D., Du S., Zhang Y., Ding Z. Failure analysis of automobile engine pump shaft bearing // Advances in Mechanical Engineering. 2021, vol. 13. DOI: 10.1177/16878140211009411.

22. Gupta R. K., Singh R. C. Dynamic experimental investigation and optimization of flexible rotor vibration control using squeeze film damper // Journal of Vibration Engineering & Technologies. 2025, vol. 13, article 79. DOI: 10.1007/s42417-024-01593-9.

23. Kim S., Shin D., Palazzolo A. B. A review of journal bearing induced nonlinear rotordynamic vibrations // Journal of Tribology. 2021, vol. 143, article 111802. DOI: 10.1115/1.4049789.

24. Lu D., Wang M., Xu Y., Wang X., Wang S. Analytical determination of stick—slip whirling vibrations and bifurcations in rotating machinery // Applied Sciences. 2024, vol. 14, article 7338. DOI: 10.3390/app14167338.

25. Hao X., Sun H., Wang L., Ali Q., Li L., He N. Fabrication of micro-texture on cylindrical inner surface and its effect on the stability of hybrid bearing // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2020, vol. 109, pp. 1671—1680. DOI: 10.1007/s00170-020-05750-8.

26. Wang Z., Ye R., Xiang J. The performance of textured surface in friction reducing: A review // Tribology International. 2023, vol. 177, article 108010. DOI: 10.1016/j.triboint.2022.108010.

27. Talamanov V. N., Khekert E. V., Dubrovin R. G., Kozenkova G. L., Kozenkov V. A. Vibro-rolling of partially regular microreliefs for mining equipment surfaces // News of the National Academy of Sciences of the Republic of Kazakhstan, Series of Geology and Technical Sciences. 2024, vol. 6, pp. 155—166. DOI: 10.32014/2024.2518-170X.467.

28. Sharma N., Verma R., Sharma S., Kango S. Qualitative potentials of surface textures and coatings in the performance of fluid-film bearings: A critical review // Surface Topography: Metrology and Properties. 2021, vol. 9, article 013002. DOI: 10.1088/2051-672X/abdda0.

29. Lu M., Gu C., Shen J. Optimum texture shape under different lubrication conditions applied to the start-up phase of journal bearings // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology. 2024, vol. 238, pp. 1610—1625. DOI: 10.1177/13506501241272916.

30. Qiu M., Minson B. R., Raeymaekers B. The effect of texture shape on the friction coefficient and stiffness of gas-lubricated parallel slider bearings // Tribology International. 2013, vol. 67, pp. 278—288. DOI: 10.1016/j.triboint.2013.08.004.

31. Shinde A., Pawar P., Shaikh P., Wangikar S., Salunkhe S., Dhamgaye V. Experimental and numerical analysis of conical shape hydrodynamic journal bearing with partial texturing // Procedia Manufacturing. 2018, vol. 20, pp. 300—310. DOI: 10.1016/j.promfg.2018.02.045.

32. Lee S., Jang D., Wang X. Y., Kim P., Sun W., Seok J. Lubrication characteristics of a textured porous sliding bearing // Advances in Mechanical Engineering. 2015, vol. 7, pp. 1—13. DOI: 10.1177/1687814015573618.

33. Dong J., Wang X., Zhang J., Xiang X., Nie Z., Shen J. An experimental research on the vibration of surface-textured journal bearings // Shock and Vibration. 2017, vol. 2017, article 1261826. DOI: 10.1155/2017/1261826.

34. Zhang J., Li G., Wang X., Xin X., Hua Z. Experimental study on the effect of surface texture on the dynamic performance of journal bearing // Lecture Notes in Electrical Engineering. 2018, vol. 451, pp. 131—142. DOI: 10.1007/978-981-10-5768-7_13.

35. Chen C., Wang X., Shen Y., Li Z., Dong J. Experimental investigation for vibration reduction of surface-textured journal bearings // Industrial Lubrication and Tribology. 2018, vol. 71, pp. 232—241. DOI: 10.1108/ILT-05-2018-0173.

36. Arif M., Kango S., Shukla D. K., Singh S. Investigating linear and non-linear dynamic characteristics of textured journal bearings with slip boundary condition and pseudoplastic lubricants: a numerical study // Physica Scripta. 2024, vol. 99, article 095246. DOI: 10.1088/1402-4896/ad6ae2.

37. Guo J., Han Y., Xiao K. Evaluation of linear and nonlinear methods for predicting the dynamic behavior of plain and textured water-lubricated bearings // Physics of Fluids. 2025, vol. 37, article 083621. DOI: 10.1063/5.0280770.

38. Smolík L., Rendl J., Omasta M., Byrtus M., Šperka P., Polach P., Hartl M., Hajžman M. Comprehensive analysis of fluid-film instability in journal bearings with mechanically indented textures // Journal of Sound and Vibration. 2023, vol. 546, article 117454. DOI: 10.1016/j.jsv.2022.117454.

39. Feng H., Gao Z., Van Ostayen R. A. J., Zhang X. A numerical investigation of the effects of groove texture on the dynamics of a water-lubricated bearing—rotor system // Lubricants. 2023, vol. 11, article 242. DOI: 10.3390/lubricants11060242.

40. Sharma S., Jamwal G., Awasthi R. K. Dynamic and stability performance improvement of the hydrodynamic bearing by using triangular-shaped textures // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology. 2020, vol. 234, pp. 1436—1451. DOI: 10.1177/1350650119891513.

41. Singh N., Awasthi R. K. Influence of texture geometries on the performance parameters of hydrodynamic journal bearing // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology. 2021, vol. 235, pp. 2056—2072. DOI: 10.1177/1350650120982691.

42. Liang Y., Wang W., Zhang Z., Xing H., Wang C., Zhang Z., Guan T., Gao D. Effect of material selection and surface texture on tribological properties of key friction pairs in water hydraulic axial piston pumps: a review // Lubricants. 2023, vol. 11, article 324. DOI: 10.3390/lubricants11080324.

43. Cheng H., Ce G., Tao X. Bionic design inspired by surface texture of Cybister's Elytra // Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics. 2018, vol. 35(S), pp. 51—58. DOI: 10.16356/j.1005-1120.2018.S.051.

44. Башмур К. А., Загуляев А. В., Агафонов Е. Д., Небылицын М. В. Потенциал устойчивого развития горной техники c опорами скольжения на основе концепций «зеленой трибологии» // Устойчивое развитие горных территорий. — 2025. — Т. 17. — № 2. — С. 787—797. DOI: 10.21177/1998-4502-2025-17-2-787-797.

45. Guo J., Cohen I., Goltsberg R., Han Y., Groper M. Assessing Reynolds and Jakobsson—Floberg—Olsson models for infinitely long water-lubricated partial journal bearings: static and dynamic performance predictions compared to computational fluid dynamics analysis // Physics of Fluids. 2024, vol. 36, article 123618. DOI: 10.1063/5.0239832.

46. Zhao Y.-L., Gu X.-M. A low-rank algorithm for strongly damped wave equations with visco-elastic damping and mass terms // ESAIM: Mathematical Modelling and Numerical Analysis. 2025, vol. 59, pp. 1747—1761. DOI: 10.1051/m2an/2025042.