CC BY
3УДК 621.822.1 Панова И.М., Синицына Ю.В.
Панова И.М.
доцент, к.т.н.,
Московский государственный технический университет
им. Н.Э. Баумана (г. Москва, Россия)
Синицына Ю.В.
доцент, к.т.н.,
Московский государственный технический университет
им. Н.Э. Баумана (г. Москва, Россия)
АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА РЕСУРС КЕРАМИЧЕСКИХ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ
Аннотация: в статье рассмотрены основные факторы, влияющие на долговечность керамических подшипников скольжения. При этом, основным критерием работоспособности подшипников является износостойкость поверхностного слоя керамической втулки. Определяющее значение имеет реальная площадь контакта вала и подшипниковой втулки под нагрузкой. Точное определение площади контакта затруднено, однако, это можно сделать приближенно, что и предложено в статье. Установлено, что значительную роль играет величина максимального контактного давления, которое, в свою очередь, определяет величину контактных напряжений сдвига, - влияние которых нарастает с ростом высоты и количества микронеровностей. Совместное влияние этих напряжений и определяет ресурс работы подшипника, что учитывается расчетом по эквивалентному напряжению.
Ключевые слова: подшипник скольжения, площадь контакта, ресурс, трение, давление в подшипнике скольжения, контактные напряжения, чистота обработки поверхности.
В современном машиностроении все больше находит применение техническая керамика, это материалы, получаемые из порошков на основе кремниевых нитридов, карбидов, тугоплавких металлов, оксидов циркония, алюминия, и др. Уникальные свойства этих материалов делают их применение в качестве конструкционных материалов весьма заманчивым. Среди основных преимуществ керамических конструкционных материалов следует отметить высокие значения твердости и жесткости, низкий коэффициент трения, в сочетании с хорошей износостойкостью, низкую плотность, неспособность проводить электрический ток и намагничиваться, а также возможность эксплуатации в ряде коррозионных сред. Такое сочетание свойств делает их привлекательными для использования в качестве подшипниковых материалов, особенно в сложных условиях эксплуатации, [Л.1]. Однако, проблемой на пути к широкому использованию керамических подшипников является низкая прочность керамики при воздействии растягивающих напряжений, что является причиной хрупкого разрушения, а также износа поверхности.
Решением вопроса может быть применение керамики в виде наноструктурных керамических покрытий. Например, покрытие из наноструктурного карбида кремния, ^С), позволяет получить в подшипниках скольжения коэффициент трения в пределах 0,011-0,015, модуль упругости до 400 Гпа, твердость до 90-92 НЖС, при прочности 1800 Мпа. Причем, стабильность свойств сохраняется в диапазоне рабочих температур от -500С до +13000С. Однако, при нанесении покрытий возникают дефекты, связанные, в первую очередь, с разными величинами коэффициентов термического расширения покрытия и подложки,- решение находят в нанесении ряда промежуточных слоев, что делает подшипник относительно дорогим. Следует также учесть, что при значительных нагрузках и термоциклировании неизбежны релаксационные процессы в материале покрытия, а это пока не может учитываться в оценке эксплуатационного ресурса подшипника. Также значительную трудность представляет оценка служебных характеристик
поверхности трения подшипника, а именно, его трибологических, физических и механических свойств, [Л.2].
Вместе с тем, известно об успешном применении подшипников скольжения, выполненных полностью из керамики. Так, согласно [Л.3], подшипники скольжения из оксида циркония и карбида кремния, рис. 1 успешно используются при небольших нагрузках в устройствах, связанных с потребностями биотехнологий.
Рис. 1 Подшипник из карбида кремния, (Star Ceram), и скользящий валик из оксида циркония.
При этом отмечается, что керамические материалы обладают уникальными характеристиками механических свойств по сравнению с нержавеющей сталью, табл. 1:
Табл. 1.
Такие высокие показатели свойств достигнуты благодаря следующим факторам:
1. Высокое качество и стабильность свойств исходного сырья.
2. Применение высокоточного шлифования рабочей поверхности, Ra<0,5.
3. Использование метода точного формования, ^-формование), с термоусадкой.
Известно также, о применении керамики, в частности на основе диоксида циркония, в узлах сухого трения при высоких скоростях скольжения, до 34 м/с, и высоких температурах, как указано в [4]. Здесь же говорится о перспективности применения трибологических пар керамика-металл,(сталь).
На основе карбида кремния разработан материал SILCAR- 818Ю, который с успехом применяется в подшипниках скольжения производства есагЫё, [5].
Рис.2 Керамические подшипники скольжения ecarbid.
Перейдем к рассмотрению основных факторов, определяющих ресурс работы керамических подшипников. Главными, по нашему мнению, являются: закон распределения контактного давления в подшипнике, напряженно-деформированное состояние в поверхностном слое керамического вкладыша, скорость скольжения, точность геометрической формы и чистота обработки поверхности.
Полагаем, что подшипник работает в условиях сухого трения, что соответствует применению подшипников в специальных устройствах, где
невозможно использовать смазку, а также работе подшипника в период пуска и останова в условиях граничной смазки. Для анализа напряженно-деформированного состояния керамической втулки представим, что жесткий вал воздействует на поверхность подшипника радиальной силой. Наиболее часто применяемое решение контактной задачи Герца в данном случае не может быть использовано, так как область зоны контакта намного больше, чем принимается в задаче Герца. Решение контактной задачи Штаермана И.Я., [7] в большей мере соответствует нашему случаю, поскольку площадь контакта соизмерима с размерами тел, и рассматривается не только сближение, но и относительное вращение, однако, в окончательных выражениях не учитываются разные характеристики упругих свойств материалов, контактирующих тел.
Отметим, что контакт втулки и вала всегда происходит по дуге менее 1800, поэтому фактическая площадь контакта меньше, чем площадь проекции подшипника по внутреннему диаметру. Определение реальной площади контакта расчетным путем не только затруднительно, но и не дает возможности достаточно корректно связать эту расчетную площадь с практически наблюдаемым износом, поскольку керамика обладает нестабильностью свойств в изделиях и сильной зависимостью от пористости.
В данной работе предложено произвести упрощенную оценку реальной площади контакта стального вала с керамической втулкой, которая, однако, на практике дает весьма точный результат.
Предположим, рис.3, что под действием упомянутой радиальной силы R вал, радиусом г1 при длине втулки 1 смещается в радиальном направлении, а его ось смещается на расстояние ОО1. При этом справедливо выражение:
Я = Р1г1 Р(^)со$<Р(1<р, (1)
Если предположить, что угол □ известен, то можно определить контактное давление р. Угол □ также можно определить экспериментально методом нанесения на поверхность вала мелкодисперсной краски.
1
Рис.3. Взаимодействие вала с керамической втулкой под нагрузкой.
С другой стороны, можно также оценить площадь контакта расчетным путем, при этом рассчитывается условная ширина зоны контакта Ь, как это показано в [8], причем результат этого расчета удовлетворительно совпадает с экспериментом, в котором ширина Ь определяется по отпечатку мелкодисперсной краски. Согласно инженерному решению, в основе которого лежит закон Гука, ширина площадки контакта может быть определена по формуле (2):
где ^величина суммы деформаций вала и втулки после приложения нагрузки Я, что условно соответствует глубине смещения вала, с радиусом г 1 во втулку, толщиной 1 Здесь учтено, что вал и втулка имеют разные модули упругости.
Отметим, что данная зависимость удовлетворительно подтверждается экспериментом и дает меньшую погрешность, чем расчет по формуле Герца.
Следует отметить, что контактное давление неравномерно по ширине Ь. Вид эпюры и величина максимального контактного давления, а также и ширина площадки Ь, зависят от величины зазора в подшипнике, от скорости скольжения и температуры, от микрогеометрии и твердости поверхностей контакта. На рис.4 показана наиболее вероятная серповидная форма эпюры контактного давления,
соответствующая контактным напряжениям^. В этом случае оценить приближенно величину максимального контактного давления можно по выражению (3), где среднее давление р=Я/Ь1.
Рис.4 Серповидная эпюра контактных напряжений.
Ртах = 4Р, (3)
Это говорит о том, что максимальное контактное давление в 1,27-1,3 раза больше, чем, если бы оно было учтено как равномерное, согласно рис.5:
Рис. 5. Традиционная эпюра контактных напряжений с равномерным
распределением.
Отметим, что основной причиной износа подшипника являются напряжения сдвига, т=fpmax, где ^коэффициент трения. Практически признаки износа начинают появляться при значении ртах = 50 — 80МПа. Такой разброс связан с различием параметров шероховатости. Потеря прочности поверхностного слоя произойдет при некотором неблагоприятном сочетании контактных напряжений и напряжений сдвига:
Оэкв = 1-4 + < [т], (4)
где, Т=0(изг.)/0(сж.).
Рассчитать допустимое напряжение сдвига затруднительно, однако, возможно это сделать по косвенным оценкам, принимая приближенно: [т]=0(сж.)/2,9
Разрушение поверхностных слоев контактирующих материалов и отделение частиц износа, являются основными факторами усталостного износа втулки, а причиной является значительная величина напряжений сдвига, которые, в свою очередь, зависят от величины контактного давления и условий трения.
Необходимо также учитывать, что шероховатость существенно влияет на величину контактного давления.
Из работ А. И. Петрусевича известно, что благодаря наличию микронеровностей напряженное состояние в зоне контакта меняется в сторону увеличения сдвиговых напряжений, что и увеличивает максимальное контактное напряжение сдвига. Таким образом, влияние чистоты обработки поверхности также является определяющим фактором износа.
Выбор оптимального зазора в подшипнике оказывает влияние на его ресурс, поскольку увеличение зазора приводит к повышенному износу керамики из-за автоколебаний, а уменьшение повышает контактное давление. Поэтому важно установление оптимального значения зазора, что потребует получения предварительных экспериментальных данных. Для более точной оценки расчетных параметров может использоваться математический аппарат теории
упругости с необходимостью учета изменения геометрии сопрягаемых поверхностей под нагрузкой. Практическое значение может иметь формула (5) для определения ресурса, приведенная в работе [9]:
^ _ _[h]-8g_ (5)
2nrr1n1[/2+(raisebox1ex^0/raisebox-1exn:)/1]'
Где [^-суммарный предельно допустимый износ вала и втулки, Se -радиальный зазор, определяемый с учетом изменения температуры, n 1 -частота вращения вала, J1, J2-интенсивность износа вала и втулки,П0-половина угла контакта. Мерой интенсивности износа может служить экспериментально определенное отношение объёма продуктов износа к дистанции трения. Отметим, что на скорость скольжения опосредованно влияет частота вращения вала.
Влияние скорости скольжения весьма значительно, так, в работе [10] экспериментально установлено, что при малых скоростях скольжения начинает образовываться так называемый бороздчатый рельеф, а при увеличении скорости скольжения происходит выкрашивание поверхности втулки. Интересно, что интенсивность изнашивания и коэффициент трения керамики сначала возрастают, а затем понижаются. Это, очевидно, связано с тем, что на поверхностях трения образуется трибослой из продуктов износа, который при малых скоростях концентрируется в зоне контакта, а с увеличением скорости скольжения становится более равномерно распределенным. Кроме того, возможно формирование квазижидкой пленки, которая увеличивает площадь контакта, за счет чего и понижаются контактные напряжения.
Установлено,[11] что при скоростях скольжения, больше 2-6 м/с преобладает адгезионный механизм износа, а это означает на практике перенос частиц металла на поверхность керамики. Таким образом на поверхности образуются окислы с высокой микротвердостью, что и повышает износостойкость керамики. В работе [12], на примере диоксида циркония, также установлено защитное влияние так называемого transfer layer при высоких скоростях скольжения.
Заключение.
Таким образом, на ресурс керамических подшипников скольжения влияет сложное напряженное состояние в зоне контакта. Для определения составляющих напряжений необходимо установить размеры площади контакта вала и керамической втулки, что можно сделать приближенно, опираясь на предварительные экспериментальные данные. Также следует учитывать влияние чистоты обработки поверхностей, величины зазора и скорости скольжения. Прогнозирование ресурса и установление предельных нагрузок позволяет успешно использовать керамические подшипники скольжения в определенных случаях, когда исключается возможность использования металлических материалов по тем или иным соображениям.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Панов А. Д., Панова И. М. Трибологические особенности конструкционных керамических материалов в подшипниках скольжения // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 7, №1 (2015);
2. Азаренков Н.А., Береснев В.М., Погребняк А.Д. и др. Наноматериалы, нанопокрытия, нанотехнологии. ХНУ им. Каразина, 2009.-209с;
3. https://kyocera-russia.ru/news-2021-03-04/ [электронный ресурс];
4. Севостьянов Н. В., Бурковская Н.П. Современные аспекты развития триботехнического материаловедения тяжелонагруженных узлов сухого трения. Труды ВИАМ2022 №10 (с. 116)-с.80-81;
5. http://ecarbid.ru [электронный ресурс];
6. ПановаИ.М.Особенности конструирования изделий из керамических материалов. Известия высших учебных заведений, машиностроение.2013. №4 с.45-50;
7. Штаерман И.Я. Контактная задача теории упругости. - М.: Гостехиздат, - 1949.- 270 с;
8. Определение площади контакта в подшипниках скольжения. Слепченко Е.В., Минеева А.С. Успехи современного естествознания. - 2011. № 7 -с.199;
9. Алисин В.В. Проектирование подшипников скольжения с втулками из кристаллов доиксида циркония. Институт машиноведения им. А.А.Благонравова, №12.2023. с. 151-152;
10. С.Н. Гульков, Н. Л. Савченко С. Ф..Гнюсов. Особенности процессов изнашивания керамических и керамо-металлических композитов в условиях высокоскоростного сухого скольжения по стали Порошковая металлургия 2009г. №1/2;
11. Н. Л. Савченко, К. М. Пятова, С.Н. Кульков. ТРЕНИЕ И ИЗНОС КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ ZrO2 - Y2O3 В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО СКОЛЬЖЕНИЯ ПО СТАЛИ. Вестник томского государственного университета, №2.2007.с.84;
12. Becker P.C., Libsch T.A., Rhee S.K. Wear mechanisms of toughening zirconias // Ceram.Eng. and Sci. Proceed. 1985 No. 7 - 8
Panova I.M., Sinitsyna Yu. V.
Panova I.M.
Bauman Moscow State Technical University (Moscow, Russia)
Sinitsyna Yu.V.
Bauman Moscow State Technical University (Moscow, Russia)
ANALYSIS OF FACTORS AFFECTING SERVICE LIFE OF CERAMIC PLAIN BEARINGS
Abstract: the article discusses the main factors affecting the durability of ceramic plain bearings. At the same time, the main criterion for the performance of bearings is the wear resistance of the surface layer of the ceramic sleeve. The actual contact area of the shaft and the bearing sleeve under load is of decisive importance. The exact determination of the contact area is difficult, however, it can be done approximately, which is suggested in the article. It is established that the value of the maximum contact pressure plays a significant role, which, in turn, determines the magnitude of the contact shear stresses, the influence of which increases with increasing height and number of micro-dimensions. The combined effect of these stresses determines the service life of the bearing, which is taken into account by calculating the equivalent voltage.
Keywords: sliding bearing, contact area, service life, friction, pressure in sliding bearing, contact stresses, purity of surface treatment.
