CC BY
460
УДК 629.12.037.5.001.2
М. А. Михайлова Астраханский государственный технический университет
АНАЛИЗ ИЗНАШИВАНИЯ ДЕ^ЦБУДНЫХ ПОДШИПНИКОВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛА ВКЛАДЫШЕЙ И УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ СУДНА
Вкладыши дейдвудных подшипников (ДП) судов являются деталями, непосредственно подвергающимися износу. Отработанные вкладыши подлежат замене, для чего необходимо докование. Известно, что затраты, связанные с простоем судов, значительно превышают стоимость заменяемых деталей. В связи с этим актуальной является проблема повышения надежности вкладышей.
В ДП износ измеряется как изменение зазора между гребным валом и втулкой. На изменение величины зазора влияют различные виды износа (абразивный, усталостный, механический, окислительный), а также процессы, не относящиеся к трению, а приводящие к изменению физикомеханических свойств материалов (влагопоглощение, температурное расширение). На интенсивность износа влияют монтаж, условия смазки, вид трения (жидкостное, граничное, полужидкостное), вязкость среды, количество реверсов, ударное нагружение и многие другие факторы. Безусловно, наиболее важным фактором, влияющим на износ, являются физикомеханические свойства материала.
Подшипники скольжения дейдвудных устройств по используемому материалу вкладышей можно разделить на металлические и неметаллические. Основные физико-механические свойства наиболее распространенных материалов вкладышей ДП приведены в табл. 1. К неметаллическим ДП относятся бакаут, текстолит, капролон, ДСП и др.
Таблица 1
Физико-механические свойства материалов вкладышей ДП
Материал Коэффициент трения по бронзе Удельная нагрузка, кгс/см2 Предел прочности (сжатие), кгс/см2 Рабочая температура, оС Влагопоглоще-ние тах, %
Бакаут 0,009 2,5-3 735 60 16,5
Капролон 0,04-0,08 2,5 900 40 20
ДСП-А 0,005-0,008 2,0 1800 70 20
Резина 0,004-0,007 3,5 1600 - -
Текстолит 0,008 3 2500 40 -
Баббит 0,005 7-10 1100 75
УГЭТ-Т 0,12 30 3000 70
Бакаут может быть применён для подшипников диаметром 250-820 мм независимо от материала облицовки, а также загрязненности водоёма. По-
требность в качественном бакауте удовлетворяется в данное время не полностью. Из-за ограничения допустимой удельной нагрузки на балку длина дейдвудных подшипников бывает значительной. Так, длина кормового (наиболее нагруженного и подверженного износу) подшипника в соответствии с требованиями классификационных обществ устанавливается не менее четырехкратного диаметра вала. Физико-механические свойства бакаута представлены в [1].
Применение набора из резинометаллических, древесно-слоистых и древесно-текстолитовых вкладышей обычно ограничивается диапазоном 250-400 мм (в редких случаях - до 500 мм). Подшипники предназначены для эксплуатации при окружной скорости вала от 0,5 до 10 м/с. Физикомеханические свойства резины представлены в [1].
Текстолит, ПТК-С, туфлон «Беар», лигнит обычно применяют при диаметрах подшипников 400-820 мм. Установлено, что обычное охлаждение водой, принятое для набора из бакаута, недостаточно для набора из текстолита. Но в силу высоких прочностных характеристик текстолит является более подходящим материалом для дейдвудных подшипников крупнотоннажных судов, чем бакаут, так как выдерживает значительные удельные нагрузки. Физико-механические свойства текстолита представлены в [1].
Капролон применяется для подшипников любого диаметра [1]. Он является перспективным материалом для набора подшипников дейдвуд-ных устройств в силу его более высоких, чем у бакаута, прочностных характеристик. Так, если по какой-либо причине прекращается подача воды в капролоновый подшипник, его температура может повыситься до 140-150 °С, после чего он начинает постепенно плавиться не более чем на половину своей толщины, так как в увеличивающийся зазор между облицовкой и подшипником попадает вода из-за борта, охлаждает трущуюся пару, после чего последняя продолжает работать относительно нормально. При доковании приходится менять только подплавленный подшипник, гребной вал и облицовки остаются пригодными для дальнейшей эксплуатации. Максимальное влагопоглощение капролоновой втулки наблюдается в первые 3 месяца эксплуатации. Далее скорость уменьшения внутреннего диаметра снижается, и ее изменение носит линейный характер. Уменьшение внутреннего диаметра капролоновой втулки приводит к увеличению угла контакта облицовки с подшипником, ухудшению условий смазки пары трения, переходу от режима полужидкостного трения к граничному. Результаты лабораторных исследований влияния температуры и влагопо-глощения на механические свойства капролона свидетельствуют о том, что:
- влагопоглощение снижает механические свойства капролона. При максимальном влагопоглощении величина разрушающего напряжения при растяжении, сжатии, изгибе снижается соответственно на 38, 47, 45 % [2];
- повышение температуры до +40 °С незначительно снижает характеристики прочности. Физико-механические свойства капролона приведены в [1].
Применение ДСП целесообразно для подшипников диаметром менее 500 мм, а текстолита - для подшипников диаметром более 400 мм [3]. Вследствие большого влагопоглощения и набухания в наборе ДСП возникают напряжения примерно 200 кгс/см2. Физико-механические свойства древесно-слоистых пластиков приведены в [1].
Углепластик УГЭТ-Т - эпоксидный углепластик горячего прессования; является перспективным материалом, созданным для работы в воде тяжелонагруженных (до 40 МПа) опор скольжения. Они имеют низкий коэффициент трения, высокую износостойкость при работе на водяной смазке, высокую теплопроводность и коэффициент линейного расширения, близкий к коэффициенту линейного расширения металлов при высокой вибростойкости и прочности. В соответствии с техническими условиями подшипники скольжения из УГЭТ могут эксплуатироваться при следующих условиях:
- смазка: вода, масло или гидравлические жидкости;
- допустимые удельные нагрузки, МПа: до 30 (продолжительно), до 40 (кратковременно), до 1 (без смазки - сухое трение);
- допустимые скорости скольжения, м/с: до 5 (продолжительно), до 11 (кратковременно), до 0,3 (без смазки - сухое трение). На антифрикционные свойства оказывают влияние условия получения и ориентация углеродных волокон. Когда слои ткани перпендикулярны поверхности трения, интенсивность изнашивания снижается в 2-4 раза, несколько уменьшается коэффициент трения. Физико-механические свойства углепластиков приведены в [4]. В процессе трения эпоксидных углепластиков на сопрягаемых поверхностях создается прочная и равномерно распределенная графитоподобная пленка. С появлением графитоподобной пленки интенсивность процесса изнашивания резко снижается, шероховатость поверхности уменьшается. В качестве материала контртела при использовании деталей трения из эпоксидных углепластиков и водяной смазке рекомендуется применять нержавеющие стали, например марок 08Х18Н10Т.
Из металлических материалов для изготовления ДП часто применяют баббит. Баббит является одним из самых лучших подшипниковых сплавов для работы со смазкой минеральными маслами. Он обладает хорошей прирабатываемостью, высокой теплопроводностью, малым коэффициентом трения, высокой износо- и задиростойкостью [3]. Дейдвудные подшипники с баббитовым антифрикционном слоем и масляной смазкой под давлением выдерживают значительные удельные нагрузки, что позволяет применять в дейдвудных устройствах более короткие подшипники (2-2,5 диаметра гребного вала). Они бесшумны в работе. Вследствие малых диаметральных зазоров между подшипниками и гребным валом устранена проблема, связанная с вибрацией последнего. Такие подшипники не требуют применения облицовок для гребных валов.
Со средними величинами износов бакаутовых, капролоновых, резиновых и других неметаллических подшипников можно ознакомиться по источникам [1-3]. Бакаут обладает хорошей износостойкостью, но он дефицитен. Капролон, в силу своего влагопоглощения, разбухает, увеличи-
вая долговечность подшипника. Скорость износа подшипников из баббита в десятки раз меньше скорости износа неметаллических ДП (табл. 2). Причиной этого является наличие устойчивого масляного клина при работе гребного вала. Износ баббитовой заливки не превышает 0,1-0,2 мм за 4-6 лет эксплуатации, в то время как износ неметаллических подшипников за такой же период достигает 5-6 мм [3].
Таблица 2
Сравнение скоростей износов ДП наиболее распространенных материалов
при нормальных условиях
Материал Максимальная и минимальная скорости износа, мм/1000 ч Средняя скорость износа, мм/1000 ч
Бакаут 0,01-0,3 0,16
Капролон 0,08-0,5 0,29
Резина 0,05-0,5 0,3
ДСП 0,13-0,45 0,29
Текстолит 0,25-0,35 0,3
Баббит 0,005-0,01 0,008
На величину износа ДП влияют условия эксплуатации. Под условиями эксплуатации будем понимать глубину и загрязненность воды абразивными частицами, наличие льдов, химический состав и температуру воды. В зависимости от района плавания величина износов ДП может изменяться в довольно широких пределах.
Плавание судов в мелководных районах с илисто-песчаным дном создает неблагоприятные условия для работы ДУ. Особенно отрицательно эти условия сказываются на работе ДУ с открытыми системами прокачки ДП забортной водой. Наблюдения за работой л/к «Мурманск» на мелководье в течение 8 лет показали, что продолжительность работы на глубине до 6 м в большинстве своем составляет свыше 50 % от общего времени работы на глубине до 10 м. Скорость износа особо велика при глубине менее 6 м, а на глубине менее 3 м резко возрастает [2]. Величина износа зависит от состава грунта (песок особо опасен). Кривые износа позволяют судить об износостойкости бронзы ОЦ10-2 в сочетании с резиной, туфло-ном, бакаутом и капролоном. Из перечисленных пар трения лучше всего противостоит износу при работе в абразивной среде пара трения бронза ОЦ10-2-резина. Капролон хорошо «работает» на глубинах, а на мелководье срок его службы значительно сокращается при использовании открытых систем прокачки забортной воды.
Влияние температуры забортной воды на изменение зазора между капролоновой втулкой и бронзовой облицовкой гребного вала представлено на рисунке.
Влияние температуры забортной воды на радиальные размеры соединения подшипник-гребной вал:
1 - изменение толщины запрессованной капролоновой втулки; 2 - изменение наружного диаметра облицовки гребного вала; 3 - изменение зазора в ДУ
При изменении температуры забортной воды от 0 до +30 °С внутренний диаметр запрессованной капролоновой втулки изменяется незначительно. Изменение наружного диаметра облицовки гребного вала преобладает над изменением толщины капролоновой втулки, т. е. в целом уменьшение зазора происходит за счет облицовки.
Химический состав воды характеризуется минерализацией и соленостью. Соленость морей меняется от 2 до 42 %о или г/кг. Чем теплее климат, тем солоней вода. Балтийское море имеет соленость 2-5 %о, а Красное -40-42 %о. Соленость воды в реках не превышает 0,5 %о [4]. Под действием среды с повышенной агрессивностью (морская вода) происходит изменение взаимного соотношения основных легирующих компонентов и повышение содержания марганца в поверхностных слоях с последующим их разрушением. В [5] проведен анализ сочетаний материалов облицовки вала и подшипника. Электрохимические процессы при трении влияют на износостойкость. Разнородные сплавы в морской воде приводят к окислению поверхности, уменьшению его коррозионной стойкости, а также изменению физико-химических свойств материалов. Оказалось, что наибольшей износостойкостью обладает пара трения бронза О10Ц2-капролон.
Выводы
1. Из данных табл. 1 следует, что лучшим материалом для вкладышей ДП является баббит, так как у него минимальный коэффициент трения, наибольшая удельная нагрузка и наибольшая рабочая температура. Однако по экологическим соображениям он является опасным. Среди неметаллических материалов альтернативой баббиту для крупнотоннаж-
ных судов с большой мощностью двигателя является УГЭТ-Т как наиболее прочный и теплостойкий.
2. Влияние температуры воды на изменение зазора в ДП незначительно, а следовательно, в расчетных методиках им можно пренебречь.
3. Для судов с неметаллическими ДП, работающих на мелководье, необходимо предусматривать защиту от абразивных частиц, т. е. не использовать открытые системы прокачки воды. Работа капролоновых подшипников в загрязненных водоёмах в сравнении с бакаутовыми менее долговечна. Наиболее стойкой к абразивным частицам является резина.
4. Морская вода в большинстве случаев способствует увеличению интенсивности износа.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Балацкий Л. Т., Бегагоен Т. Н. Дейдвудные устройства морских судов. - М.: Транспорт, 1980.
2. В. В. Березний, А. К. Григорьев. Дейдвудные устройства судов. Опыт эксплуатации, современные конструкции, исследования. Ч. 1. - Мурманск, 1997.
3. Кохан Н. М., Друт В. И. Ремонт валопроводов морских судов. - М.: Транспорт, 1980.
4. Рубин М. Б., Бахарева В. Е. Подшипники в судовой технике: Справ. - Л.: Судостроение, 1987.
5. Черепнин В. А. Влияние условий эксплуатации на износостойкость элементов валопроводов морских судов и методы повышения их ресурса: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Л., 1986. - 23 с.
Получено 14.02.05
ANALYSIS OF DEGRADATION OF STERN-SHAFT BEARINGS REGARDING PHYSICOMECHANICAL PARAMETERS OF BUSHING MATERIAL AND OPERATING CONDITIONS OF A SHIP
M. A. Mikhailova
In the article there is given analysis of historical and experimental data of different origin concerning tool wear rate and physicomechanical parameters of the most widely used materials for bushings of stern-shaft bearings in different sea areas. There is determined the influence of operation conditions (such as contaminating sea water by abrasive particles, temperature and chemical structure of water) on tool wear. There are given recommendations on operating each bushing at certain conditions and are chosen most successful tribological situations for certain conditions.
