CC BY
277
УДК 621.822.9
ПОДШИПНИКИ СКОЛЬЖЕНИЯ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННО-
ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ
М.А. Бируля, П.И. Богомолов, И.А. Козлов, Л.Г. Шушарин
Акционерное общество «Центральный научно-исследовательский институт материалов», (АО
«ЦНИИМ»), 191014, Санкт-Петербург, Ул. Парадная, 8
Рассмотрен способ изготовления подшипника скольжения из композиционно волокнистого материала и технологии для введения политетрафторэтилена в структуру антифрикционного слоя. Приведены характеристики полученных подшипников и ожидаемый эффект от их применения.
Ключевые слова: подшипники скольжения, композиционный материал, коэффициент трения.
SLIDE BEARINGS MADE OF POLIMER COMPOSITE FIBER MATERIALS
M.A. Birulya, P.I. Bogomolov, I.A. Kozlov, L.G. Shusharin
Joint stock company «Central scientific-research institute of materials»,
191014, St. Petersburg, Paradnaya St., 8
A method of manufacturing a plain bearing made of composite fiber material and techniques for the introduction of PTFE in the sliding layer structure. The characteristics of the obtained bearings and the expected impact of their use.
Keywords: slide bearings, composite material, the coefficient of friction.
В любом механизме или машине различают два типа подвижных опор: опоры с трением скольжения и опоры с трением качения.
В первом случае происходит взаимное перемещение и взаимодействие рабочих поверхностей вала и корпуса, чаще всего разделенных вкладышем скольжения и смазочными веществами. Работа опоры происходит при чистом скольжении соприкасающихся деталей.
Во втором случае между взаимно подвижными поверхностями закладываются тела качения (шарики или ролики) и работа опоры происходит при трении качения. В этом случае вместо вкладышей из бронзы, баббитов, пластиков или других материалов в опорах с трением качения устанавливаются шариковые или роликовые стальные подшипники.
Подшипники качения и подшипники скольжения по-разному сопротивляются движению и так же по-разному определяют изнашивание элементов подвижных опор и поверхностей деталей машин. Тот или другой тип подшипника выбирается исходя из оценки технико-экономических условий эксплуатации машины или конкретных узлов.
К недостаткам подшипников качения, при использовании их в особо напряженных узлах трения, следует отнести:
- обязательная замена смазки в подшипнике качения с определенной периодичностью;
- возрастание коэффициента трения подшипников качения в момент начала вращения ("момент трогания");
- при качательном движении подшипники качения нередко выходят из строя, вследствие образования в них отпечатков тел качения в виде лунок от шариков или канавок от роликов;
- одной из основных причин разрушения поверхности качения является фреттинг-коррозия, вызванная одновременным окислением пластичной смазки и металла и развивающаяся под воздействием поступающего извне кислорода воздуха;
- подшипники качения часто выходят из строя вследствие абразивного износа при загрязнении, недостатка смазки и коррозии, при этом ухудшается качество поверхности качения;
- ограниченный срок службы при больших нагрузках;
1 Максим Анатольевич Бируля -инженер 1 категории АО «ЦНИИМ», e-mail:mckot.01@mail.ru; 2Павел Иванович Боломолов -инженер 1 категории АО «ЦНИИМ», e-mail:pavel.lab115@mail.ru; ъИгорь Анатольевич Козловкандидат химических наук, начальник отдела АО «ЦНИИМ», тел.: (812)578-93-70, e-mail:speckompozit@mail.ru;
4Леонид Гурьевич Шушарин - кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник АО «ЦНИИМ», email: petrroot@inbox.ru
- необходимость высокой точности сопрягаемых деталей подшипникового узла из-за малых допускаемых перекосов и, как следствие этого, возможность заедание подшипника при неконтролируемом изменении нагрузки;
- высокая контактная усталость дорожки качения шарикоподшипника в статическом режиме, превышающая аналогичную величину для подшипников скольжения в 3-4 раза;
- при периодическом ускоренном и замедленном вращении подшипника происходит большое проскальзывание. Такой режим вращения значительно увеличивает износ контактных поверхностей элементов подшипников;
- увеличение габаритов подшипниковых узлов для подшипников качения по сравнению с подшипниками скольжения в следствии больших размеров самих подшипников качения
Подшипники качения по своему устройству не предназначены для длительной необслуживаемой эксплуатации в условиях сильного перепада температур, воздействия солнечной радиации и возможности конденсации влаги без соответствующих профилактических работ.
Неизбежная деструкция составляющих смазки, внедрение в ее континуум влаги, с последующей кристаллизацией данной влаги при отрицательных температурах, проникновение абразивных частиц в зону контакта высокоточных соприкасающихся тел качения, протекание коррозионных процессов на поверхности этих тел в условиях сильной загазованности промышленных объектов - всеэто сводит к минимуму преимущества подшипников качения по сравнению с подшипниками скольжения, выполненными из полимерных композиционных материалов, в условиях длительной (до 50 лет) эксплуатации без обслуживания. Об этом же свидетельствует опыт зарубежных фирм, специализирующихся на изготовлении и обслуживании в частности компенсаторов контактных сетей железных дорог [1].
В настоящее время в различных отраслях машиностроения все большее применение находят подшипники скольжения. Однако, несмотря на то, что такие подшипники используются в технике давно, отдельные их недостатки отрицательно сказываются на работоспособности механизмов, где они применяются. К недостаткам можно отнести повышенную восприимчивость в воздействию абразивных частиц, снижение триботехнических свойств во влажной атмосфере и в вакууме, наличие эффекта «схватывания», которое наблюдается при длительном простаивании под нагрузкой, особенно при отрицательных температурах во влажной
среде, что увеличивает момент страгивания. Кроме того, для изготовления подшипников скольжения до сих пор потребляют большое количество цветных металлов и сплавов.
Известно, что некоторые современные полимерные материалы обладают хорошими триботехническими свойствами, однако, в силу их низкой прочности, могут заменить металлические подшипники только в слабо нагруженных узлах. Вместе с тем, современное состояние в области технологии композиционных материалов позволяет создать на их основе подшипники скольжения, не уступающиепо своим характеристикам металлическим подшипникам, а зачастую и их превосходящие.
Следует так же отметить, что у полимерных материалов склонность к образованию адгезионных узлов сцепления значительно меньше, чем у металлов, что обеспечивает равенство трения покоя и трения движения контактирующих тел.
Кроме того, переменные нагрузки пластмассы выдерживают лучше металлов. Модуль упругости термопластов в 10 ^ 20 раз ниже модуля упругости металлов, что обеспечивает малые внутренние напряжения при больших упругих изменениях формы [2,3]. Легкость введения в полимеры твердых и жидких компонентов, способствует оперативной и глубокой корректировки их механических и антифрикционных свойств.
Основные достоинства подшипников скольжения с антифрикционным слоем, выполненным из композиционного полимерного материала, определяются следующими обстоятельствами:
- способностью проявлять значительные упругие деформации, что затрудняет образование при трении адгезионных узлов сцепления в зоне контакта полимер-металл и позволяет применять полимерные материалы без смазки, с ограниченной смазкой или с подачей ее только в начальный период работы узла трения;
- низкими коэффициентами трения, что обеспечивает применение полимерных материалов без смазки или с ограниченной смазкой;
- легкостью введения в полимеры твердых и жидких компонентов, которые могут улучшить их механические свойства, и, следовательно, коэффициент трения;
- удовлетворительной стойкостью к действию абразивных частиц, которые могут упруго внедряться в полимерный материал или поглощаться его поверхностью, не ухудшая коэффициент трения;
- стойкостью к действию многих агрессивных по отношению к металлам жидких и газообразных сред;
- высокой способностью гасить колебания;
- перемены нагрузки пластмассы выдерживают лучше металлов.
- в полимерных подшипниках легче чем в металлических, нивелируются погрешности изготовления, перекосы и другие ошибки монтажа;
- использование в подшипниках скольжения самосмазывающихся полимеров типа политетрафторэтилена позволяет снизить до минимума вероятность катастрофических дефектов, таких как усталостное или хрупкое разрушение вкладышей, схватывание, фреттинг-коррозия, что является характерным для металлических подшипников, в частности для металлических подшипников качения.
В разработанных композиционных подшипниках в качестве антифрикционного материала чаще всего используется политетрафторэтилен (ПТФЭ) - лучший материал подобного рода в условиях сухого трения. Его отличительной особенностью является то обстоятельство, что он не дает прерывистого трения скольжения, обеспечивая постоянство трения покоя и движения. Политетрафторэтилен обладает наименьшим коэффициентом трения по стали. Так, при шероховатости поверхности контртела Ra = 0,63 мкм и удельной нагрузке до 5 МПа, коэффициент трения не превышает 0.05. Следует отметить, что для использования всей совокупности положительных свойств ПТФЭ его введение в композиционный материал требует тщательной проработки. В противном случае характеристики материала не будут соответствовать необходимым требованиям. Вместе с тем низкая прочность и хладотеку-честь не позволяют применять ПТФЭ в подшипниках в чистом виде [1].
До настоящего времени не существует композиционного материала, позволяющего одновременно обеспечивать хорошую адгезию к внешнему силовому слою, а с другой стороны иметь хорошие антифрикционные свойства. Любая попытка введения как можно большего количества антифрикционного компонента, с целью улучшения антифрикционных свойств, приводит к ухудшению адгезионных свойств этого же материала и не позволяет ему создать прочное адгезионное закрепление в силовом корпусе[4].
Было исследовано несколько способов введения политетрафторэтилена в структуру материала:
- Введение мелкодисперсного ПТФЭ в связующее перед пропиткой углеродной ткани. Исследования показали, что при таком способе не удается получить равномерного распределения ПТФЭ в материале, так как в силу высокой плотности он осаждается на дно пропиточной ванны и распределить его равномерно во всем объеме связующего не удается.
- Пропитка углеродной ткани водной суспензией ПТФЭ с пропиткой связующим после просушки. Этот способ обеспечивает равномерное распределение ПТФЭ. Однако такой материал работоспособен только до удельных нагрузок 12 МПа, так как частицы ПТФЭ, осажденные на волокне, блокируют проникновение связующего в волокна. В результате углеродные волокна из-за слабых связей со связующим разрушаются при высоких нагрузках, что приводит к быстрому износу материалов.
В АО «ЦНИИМ» разработан антифрикционный композиционно-волокнистый материал, сочетающий высокую прочность и износостойкость углепластика с низким трением ПТФЭ. Он представляет собой углепластик, в поверхностный слой которого введен мелкодисперсный ПТФЭ.
За основу создаваемого материала была принята углеродная матрица, как наиболее жесткое и прочное образующее перспективного композита [5]. Углеродная матрица может быть выполнена из углеродной ленты, ткани или жгутовой ткани. Распределение ПТФЭ выполнено градиентно-изменяемым по толщине углеродного слоя, как это представлено на рис. 1.
Рисунок 1 - Схема распределения ПТФЭ в антифрикционном слое
Наибольшая концентрация ПТФЭ сосредоточена в антифрикционном слое. На противоположной стороне углеродной ткани концентрация ПТФЭ минимальна. При этом удалось добиться такого расположения частичек
ПТФЭ в слое углеродной матрицы, чтобы его концентрация сохранялась постоянной в горизонтальной плоскости. Поскольку проникновение идет в связующем, уже имеющем прочные адгезионные связи с волокном, то это не приводит к нарушению монолитности материала и снижение его прочности. Важным моментом разработки такой технологии является определение оптимального соотношения компонентов в антифрикционном полуфабрикате (углеткань - связующее - ПТФЭ).
Такая специально разработанная технология формирования рабочего слоя подшипника позволяет получать материал с антифрикционным слоем работоспособным в условиях низких скоростей скольжения при высоких нагрузках. Подшипникам скольжения, созданным на основе этого антифрикционного слоя не страшны жесткие условия эксплуатации (резкие перепады температур, проникновение к трущимся поверхностям абразивных частиц и влаги, в том числе с растворенными в ней солями, длительные простои под нагрузкой и т. п.) при длительном сохранении работоспособности без профилактического обслуживания.
На базе этого материала создана конструкция подшипника скольжения, в основу которой заложен принцип разделения силовой оболочки и рабочего слоя (рис.2). Рабочий слой выполнен из углепластика с антифрикционным поверхностным слоем, а силовая оболочка из конструкционного стеклопластика. Такое разделение позволяет резко сократить себестои-
мость подшипника при сохранении его работоспособности.
Рисунок 2 - Общий вид подшипника скольжения из композиционно-волокнистых материалов
Так как допустимый износ подшипников скольжения в подавляющем большинстве механизмов не превышает 0,2 мм, то в качестве рабочего слоя взята углеродная ткань Т-22, пропитанная эпокси-фенольным связующим с поверхностным слоем мелкодисперсного ПТФЭ. В качестве силовой оболочки применен стеклопластик на той же полимерной основе, который обеспечивает высокие механические характеристики подшипников.
С целью снижения трудозатрат и отходов в процессе производства подшипники изготавливаются методом намотки на трехвалковых станках в виде трубчатых заготовок, которые после отверждения механически разрезаются на отдельные подшипники. Схематично процесс представлен на рис. 3.
Рисунок 3 - Технологический процесс изготовления подшипника
Антифрикционный (рабочий слой) подшипника состоит из одного слоя углеродной ткани Т-22, пропитанной связующим, совмещенным с мелкодисперсным ПТФЭ.
Предварительная пропитка углеродной ткани связующим с последующим нанесением на одну ее поверхность суспензии ПТФЭ. После отверждения связующего получается высокопрочный углепластик, обеспечивающий работоспособность материала при нагрузках до 60 МПа, а поверхностный слой, содержащий
ПТФЭ, обеспечивает низкий коэффициент трения. Наружное давление при намотке отверждении композиционного материала обеспечивает проникновение частиц ПТФЭ в подповерхностной области материала. Поскольку проникновение идет в связующем уже имеющем прочные адгезионные связи с волокном, то это не приводит к нарушению монолитности материала и снижению его прочности. Оптимальное соотношение компонентов в антифрикционном полуфабрикате (углеткань: свя-
зующее: ПТФЭ) составляет в весовых частях 10:6:10.
Разрабатываемая технология позволяет создавать на рабочей поверхности композиционного подшипника антифрикционный слой, представляющий из себя каркасную структуру, состоящую из волокон, полимерного связующего и антифрикционного ингредиента. На антиадгезионной поверхности такого ламината содержание количества антифрикционного ингредиента существенно превышают содержание остальных составляющих, а на противоположной поверхности содержание антифрикционного ингредиента монотонно убывает практически до нуля. Силовой слой подшипника, выполненный из стекло- или углепластика обеспечит заданные условия по механической прочности, геометрическим размерам и условиям эксплуатации.
В результате работ проводимых в АО «ЦНИИМ», в обеспечении промышленной технологии, был получен практический метод, позволяющей создавать широкий спектр подшипников скольжения со следующими характеристиками:
- коэффициент трения по стали (в том числе в вакууме) - 0,04, а после приработки до 0,005;
- удельная нагрузка (статическая - до 50 Мпа; ударная - до 100 МПа);
- скорость скольжения - до1 м/с;
- ресурс работы - 12тыс.час (при давлении 15 МПа и скорости до 1 м/с)
- диапазон рабочих температур - -200 / +200 Со.
Изделия, изготавливаемые из разрабатываемого композиционного антифрикционного материала, обладают:
- способность проявлять значительные упругие деформации, что затрудняет образование при трении адгезионных узлов сцепления в зоне контакта полимер-металл;
- позволяет применять полимерные материалы без смазки;
- низкий коэффициент трения при любых климатических условиях, а так же и вакууме без дополнительной смазки;
- удовлетворительной стойкостью к действию абразивных частиц, которые могут упруго внедряться в полимерный материал или поглощаться его поверхностью, не ухудшая коэффициент трения;
- стойкостью к действию многих агрессивных по отношению к металлам жидких и газообразных сред;
- высокой способностью гасить колебания;
- более высокой износостойкостью и технологичностью по сравнению с традиционными и металлофторопластовыми подшипниками.
Предполагается, что применение подшипников скольжения из полимерных композиционных материалов позволит:
- снизить энергетические потери и уменьшит износ в узлах трения машин и механизмов различного назначения в том числе: в подъемно-транспортной, сельскохозяйственной, текстильной, дорожно-строительной, камнерезной, полиграфической и бытовой технике;
- использовать поворотные узлы без смазки в специальной глубоководной и космической аппаратуре;
- обеспечить эксплуатационную надежность в экстремальных климатических условиях для задвижек и кранов магистральных, газо-и нефтепроводов, водо-канализационных городских систем;
- снизить потребление дорогостоящих цветных сплавов при производстве узлов и механизмов в различных областях техники;
- улучшить ремонтопригодность и исключить сервисное обслуживание механизмов, где затруднено или недопустимо применение смазок.
Литература
1. Бахарева В.Е., Николаев Г.И., Анисимов А.В., Блышко И.В. Современные машиностроительные материалы. Неметаллические материалы. СПб.: Профессионал. 2012, -916 с.
2. Лепеш, А.Г.Исследование влияния температуры на прочность полипропиленовой лески./Технико-технологические проблемы сервиса. № 4(18) 2011 г., с. 32 - 38.
3. Макаров В.Г., Комптенарму-совВ.Б.Промышленные термопласты. Справочник М.: Химия. -2004. -376 с.
4. Рыбин В.В., Бахарева В.Е., Анисимов А.В., Са-вёлов А.С. Нано- и микромодификаторы антифрикционных углепластиков/ / Вопросы материаловедения. - СПб., 2009. - № 3 (59). - С. 229-241.
5. Николаев Г.И., Абозин И.Ю., Бахарева В.Е. Ло-бынцева И. В., Петрова Л. В. Зависимость антифрикционных характеристик углепластиков от химического состава и структуры эпоксидной матрицы. / Вопросы материаловедения. - СПб. № 2(26)2001. - С. 217-221
