CC BY
31
УДК 678.029.5
А.А. Перегородов
ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ
Аннотация. Выполнен обзор существующих полимерных композиций и материалов, используемых для изготовления неметаллических подшипников качения. Рассмотрены технологии получения и использования новых материалов для изготовления как деталей подшипников, так и подшипников качения из полимерных материалов, показаны как их основные преимущества по сравнению с подшипниками из металла, так и недостатки.
Ключевые слова: подшипник качения, полимерные композиции, инженерные пластики
A.A. Peregorodov
SPECIFICS OF POLYMERIC MATERIALS APPLIED IN NON-METALLIC ROLLER BEARINGS
Abstract. The article presents a review of polymer composites and materials used in manufacturing non-metallic roller bearings. The technologies applied for the design and application of advanced materials in manufacturing components to the bearings and roller bearings from polymeric materials are considered. The main advantages and disadvantages of these materials, compared to the bearings made of metal, are demonstrated.
Keywords: roller bearing, polymer composition, engineering plastics
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время материалы, основой которых являются синтетические или природные высокомолекулярные соединения, являются одними из наиболее востребованных в мире, чему сопутствует ряд факторов, среди которых достаточно низкая стоимость, высокая пластичность и податливость к обработке.
Применяя такие материалы в производственных целях, отечественная и мировая промышленность создает всевозможные изделия, которые могут использоваться для решения самого широкого спектра задач.
Безусловно, развитие материаловедческих разработок в области полимерных композиций не могло не затронуть такую отрасль, как машиностроение, которая представляет собой синтез достижений различных научных сфер как теоретического, так и практи-ко-прикладного характера.
Результаты «индустрии пластмасс» внедряются в наиболее прогрессивные технологии производства разнообразной по назначению и принципу действия продукции машиностроительного комплекса новейшего поколения наряду с такими постоянно развивающимися направлениями в машиностроении, как совершенствование высокоточного многокоординатного оборудования с ЧПУ, разработка высокостойкого режущего инструмента, позволяющего вести обработку твердых и сверхтвердых материалов, поиск новых материалов, сплавов и т. д.
Сегодня полимеры и методы их обработки играют ключевую роль в стратегиях развития авиационной, космической, автомобильной промышленности, направленных на решение главенствующих задач, например снижение минимальной массы своих изделий, которое напрямую влияет на эксплуатационные характеристики изделий, улучшение экономических и экологических показателей. Вопрос достижения этих целей особенно актуален в подшипникостроении.
Причина кроется в постоянном наращивании объемов мирового производства изделий на предприятиях станкостроения, энергетического машиностроения и др. , где идет постоянная борьба между крупнейшими производителями подшипников за предложение потребителям качественно новых продуктов, в число которых входят гибридные подшипники и подшипниковые узлы, подшипники из композиционных неметаллических материалов. Именно это дает новые дополнительные векторы развития мировому научному сообществу, работающему в этой сфере.
Подшипники качения являются ответственными узлами трения, работа которых влияет на эксплуатационные свойства машины в целом [4]. Долговечность подшипников зависит от параметров воспринимаемого нагружения, способа смазки и работы внешних сил, но материал и конструктивные решения компоновки подшипника являются определяющими в стойкости подшипника, и зачастую именно полимеры в определенных условиях применения имеют ряд преимуществ в плане наработки на отказ и общей работоспособности перед традиционно используемыми в подшипниках качения сплавами цветных металлов.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Технологии производства композитных пластиковых подшипников объединяют большое разнообразие полимерных материалов, их фиброармирование, использование жидких и твердых смазок, пропитки и другие вещества для специальных решений. Разработки и исследования в области поиска наиболее рациональных полимерных соединений ведутся с середины прошлого столетия [1]. Именно в эти годы ученым-химиком Роем Планкеттом был открыт материал с химической формулой (CF2-CF2)n, называемый «Фторопласт» (Тефлон), патент на который получила фирма Kinetic Chemicals. Полимер тетрафторэтилена обладает редкими физическими и химическими свойствами, среди которых хладотекучесть и низкая теплопроводность, также он не поглощает воду, нефтепродукты и другие жидкости. Для улучшения ряда характеристик внедряются наполнители, в качестве которых могут выступать графит, медный порошок, дисульфид молибдена, двуокись титана, повышающие коэффициент трения, теплопроводность, несколько снижающие хладотекучесть[2].
Наряду с важными отличительными характеристиками эта полимерная композиция имеет и серьезные недостатки. Фторопласт-4 дает большую усадку - от 4 до 7%, его невозможно склеивать или сваривать, а отходы после его механической обработки нельзя использовать без деполимеризации. Армирование фторопласта - технологически сложный процесс и вследствие этого не всегда эффективный. А процесс получения материала, в том числе и методами взрывной обработки - технологического приема воздействия на полимерные материалы, предполагает необходимость в специальных мерах для защиты людей при его переработке и изготовлении изделий [3]. Ввиду высокой стоимости и трудоемкой технологии переработки фторопласт-4 имеет узкую область применения, в основном для химического машиностроения. Чаще этот материал используют для пропитки пористых подшипников и в качестве компонента антифрикционных композиций.
Немецким химиком Германом Стаудингером еще в 1938 году были синтезированы полиформальдегиды - высокомолекулярные термостабильные полимеры с веществом-стабилизатором, обладающие такими важными преимущественными свойствами, как высокие антифрикционные и физико-механические показатели в сочетании с хорошими диэлектрическими характеристиками.
На сегодняшний день существует группа материалов, сферы применения которых разделены в зависимости от эксплуатационных условий. Например, в условиях высоких скоростей, нагрузок и температуры используются такие составы, как TECATRON PVX (РРБ + ОЯ + РТБЕ + СБ) [5]. Это полифениленсульфид с добавлением 10% фторопласта-4, 10% углеволокна и 10% графита. Он обладает высокой жесткостью и прочностью, стойкий к истиранию и применяется там, где не справляются инженерные пластики на основе полиамидов, полиацеталя или полиэтилентерефталата, например в подшипниках, воспринимающих высокие нагрузки при скоростях свыше 20 000 оборотов в минуту. Этот химически стойкий материал может быть использован там, где металл под воздействием, например, внутриконденсационных процессов, а следовательно, коррозии и фреттинг-корозии, разрушается. Но, несмотря на его химическую инертность, он имеет существенный недостаток, ограничивающий сферы применения, - TECATRON PVX запрещен для контакта с пищевыми продуктами.
Улучшенным составом по сравнению с вышерассмотренной композицией является ТЕСАРЕЕК PVX (РЕЕК + GR + PTFE + CF). Это полиэфирэфиркетон с добавлением 10 % фторопласта-4, 10% углеволокна и 10% графита. ТЕСАРЕЕК PVX - более температуро-стойкий и устойчивый к износу полимер, обладающий высокой стойкостью к агрессивным реагентам, сравнимой с PTFE.
Он имеет отличные свойства скольжения и может использоваться даже в условиях сухого трения, что позволяет использовать этот материал для подшипниковых изделий, работающих при высоких скоростях и нагрузках, где остальные полимеры имеют меньшие предельно допустимые режимы эксплуатации в трибосопряжении. По комплексным характеристикам он уступает только серии TECASINT и ТЕСАРЕЕК ХР -280 в части температурных и механических свойств.
Полиэфирэфиркетон с повышенным добавлением углеволокна (до 30%) называется ТЕСАРЕЕК CF30 (РЕЕК + CF). Этот состав сравним с ТЕСАРЕЕК PVX, но несколько
уступает ему по износостойкости и коэффициенту трения. Он имеет более твердую и прочную структуру и превосходит TECAPEEK PVX по температуре тепловой деформации, которая составляет +341 °C против +277°C у TECAPEEK PVX.
Для работы в условиях трения-скольжения в пищевом оборудовании, в узлах, работающих с температуры более +200 °C, разработана модификация с добавлением фторо-пласта-4, которая называется TECAPEEK TF10 (PEEK + PTFE).
В условиях низких скоростей, умеренных нагрузок и температур применяются такие составы, как TECAFLON (PTFE). Это самый скользкий и химически стойкий полимер. В чистом виде в опорах скольжения используется все реже, так как обладает низкой стойкостью к износу и плохой стабильностью размеров под нагрузкой (высокая ползучесть), чаще используется в соединении с углеволокном как антифрикционная присадка (модификатор) к другим полимерам. TECAFLON CF30 (PTFE + CF) - армированный уг-леволокном на треть от общего состава PTFE. Обладает большей жесткостью и износоустойчивостью по сравнению с ненаполненным PTFE. Значительно увеличена стойкость к ползучести.
Еще одна инженерная полимерная композиция для низких нагрузок и скоростей при температуре в узле свыше +150°C имеет название TECAPET TF (PET + PTFE). Так как в TECAPET TF введен фторопласт, достигнуты улучшенные свойства скольжения и повышенная стойкость к износу в сравнении с ненаполненными TECAPET или TECAFORM AH/AD. Разрешен для контакта с пищевыми продуктами, поэтому активно применяется в узлах.
При малых скоростях и низких температурах также применяются инженерные полиамиды TECAMID и TECAST (PA6, PA66, PA6C) - экономичные, универсальные конструкционные полимеры, которые широко используются во многих сферах машиностроения и при ремонтных работах. Характерные особенности полиамидов - это их высокая прочность, износостойкость и устойчивость к ударным нагрузкам, поглощение (демпфирование) ударов. Материалы обладают свойством впитывать в себя влагу, что ведет к некоторой потере механических характеристик и к изменению геометрических размеров (увеличение объема); устойчивы к маслам, углеводородам и топливу; в сухих условиях обладают относительно высоким коэффициентом трения (ц = 0,4) в сравнении с другими антифрикционными материалами.
PA66 присущи повышенные механические характеристики в сравнении с PA6. TECAMID 6 MO, TECAST MO (PA6 + MoS2) - модификации полиамида PA6, PA6C с добавлением порошка дисульфида молибдена. Данное включение повышает твердость, прочность и износоустойчивость в сравнении с ненаполненной композицией. Используется в конструкциях даже в условиях повышенной загрязненности, ударных нагрузок и вибрации. Применяется в основном в грубых механизмах, где неважна большая точность изделий (к примеру, направляющие стрел подъемных кранов, скользящие элементы погрузчиков, втулки и подшипники скольжения при невысокой окружной скорости до 1,5 м/с).
К этой категории относится и TECAST L (PA6 + oil) - маслонаполненный полиамид, также используется для пар трения-скольжения, но в большей степени в направляющих, подвергающихся ударным нагрузкам. Обладает хорошим скольжением и ан-
тиадгезионными свойствами (антисхватывание). При работе выделяет на поверхность трения жидкую смазку (масло), обеспечивая близкие к граничному трению условия. Со смазками работает и TECAGLIDE (РА6С + твердая смазка). Антифрикционный инженерный материал премиум-класса на основе полиамида с добавлением твердого смазочного материала. Обладает наивысшей износостойкостью среди полиамидных материалов, применяется при повышенных скоростях в сравнении с базовыми марками полиамидов.
Таким образом, современное подшипникостроение, безусловно, активно применяет полимерные композиции, которые имеют преимущества перед стальными сплавами по весовым характеристикам, стойкости к коррозии и химическому воздействию, обладают пониженными звуковыми и вибрационными показателями, хорошими демпфирующими свойствами. Низкая шероховатость термопластиков помогает снизить энергозатраты за счет снижения трения и тепловых потерь. Но наряду с весьма убедительными преимуществами существует ряд недостатков, который формирует новые горизонты исследований перед учеными всего мира.
Термопластические пластмассы (полиамиды, фторопласт) под нагрузкой подвержены ползучести и могут выдавливаться. Эти же материалы имеют низкую теплопроводность, что еще больше содействует их ползучести от повышения температуры в узле трения. Вместе с тем следует отметить, что применение антифрикционных пластиков ограничено по причине работоспособности в сравнительно малонагруженных с металлическими подшипниками узлах трения - при небольших давлениях и невысоких скоростях. Выход из строя полимерных подшипников обычно связан с повышением температуры на поверхностях трения, при этом, например, реактопласты обугливаются, а термопласты оплавляются и текут. Применяя пластмассы в узлах трения, следует учитывать их значительное тепловое расширение, весьма высокую податливость (низкий модуль упругости, в особенности у термопластмасс), старение полиамидов и других пластмасс, приводящее, в частности, к их охрупчиванию.
ВЫВОДЫ
Таким образом, проведенный обзор полимерных композиций, применяемых при изготовлении подшипников, составляющих основу подвижных узлов медицинских аппаратов, фармацевтического, измерительного оборудования, устройств для пищевой промышленности, сферы химических и гальванических покрытий, свидетельствует об огромном потенциале развития их применения в самых различных областях науки и техники.
Задачами, над которыми необходимо работать для повышения конкурентоспособности неметаллических подшипников, являются повышение их грузоподъемности, долговечности, износо- и термостойкости, ползучести и других характеристик.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Новые материалы в машиностроении / под ред. Л.Я. Попилова. Л.: Машиностроение, 1967. 428 с.
2. Гаркунов Д.Н., Мельников Э.Л., Гаврилюк В.С. Триботехника: краткий курс. М.: Изд-во МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2008. 344 с.
3. Агафонова Г.В. Формирование структуры и свойств композиционных материалов аропласта с фторопластом-4 при взрывном прессовании и получение антифрикционных изделий: дис. ... канд. техн. наук: 05.02.01/ Агафонова Галина Викторовна. Волгоград, 2009. 125 с.
4. Игнатьева С.С., Игнатьев С.А. Методические аспекты управления факторами качества в производстве подшипников // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2015. № 2 (79). С 49-52.
5. https://www.polimer1.ru/
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРЕ
Перегородов Алексей Аркадьевич -
магистрант кафедры «Технология и системы управления в машиностроении» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Aleksey A. Peregorodov -
Master Student, Department of Control Systems and Technologies in Mechanical Engineering, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Статья поступила в редакцию 27.07.20, принята к опубликованию 17.08.20
