CC BY
16Вестник ФГБОУ ВПО РГАТУ, № 3 (15), 2012
техничеСВиенауки
УДК 621.822:621.763
Г. А. Борисов, д-р техн. наук, профессор, Рязанский ГАТУ И. Н. Колодяжная, канд. техн. наук, Рязанский ГАТУ
применение современных
неметаллических композиционных материалов для автотракторной и
сельскохозяйственной техники
Использование в конструкциях автомобилей, тракторов и сельскохозяйственных машин традиционных конструкционных материалов и устаревших технологий приводит к удорожанию их производства и снижению их ресурса и долговечности. В последние годы все более широкое применение в машиностроительной практике находят неметаллические композиционные материалы. Специалисты всё большее внимание уделяют новым материалам на основе углеводородных композиций. Основные области применения углепластиков связаны с такими их свойствами как высокая удельная прочность и жесткость, усталостная прочность, теплоэлектропроводность, низкий коэффициент трения, регулируемая анизотропия свойств, устойчивость к термическому и радиационному воздействию. Изделия из этих материалов изготавливаются в виде монолитных конструкций сложной формы; изготавливаются подшипники скольжения, зубчатые колеса, высоконагружен-ные корпусные детали.
Сегодня многие ведущие фирмы стремятся использовать углепластики в конструкциях выпускаемой ими техники. Так, фирма Mercedes-Benz изготавливает автомобиль McLaren SLR c углепла-стиковым кузовом, который весит на 50% меньше стального и на 30% меньше алюминиевого. А использование углепластиковых крыши и бампера повысило устойчивость автомобиля BMW-M6 на дороге при больших скоростях движения, так как позволило опустить его центр масс. Фирма Honda изготавливает из углепластика воздухозаборники некоторых моделей автомобилей. Масса таких воздухозаборников на 75% меньше массы аналогичных деталей из алюминиевого сплава. Предполагается использование углепла-
стиков для изготовления следующих деталей автомобилей: листовых рессор, лонжеронов и поперечин рам, элементов крепления двигателя и коробки передач, рычагов подвески, карданного вала, шатунов, поддона картера двигателя и др.
Карданный вал автомобиля «Форд Кортина», выполненный в виде одной детали трубчатого сечения из полимерного композита на полиакрило-нитрильном связующем и углеродном волокне, имеет массу 5,2 кг, в то время как масса стального вала равна 9 кг. Четырехлистовая стальная рессора автомобиля «Форд Гранада» имеет массу 12,7 кг, а заменяющая ее однолистовая рессора эллиптической формы из углепластика - 2,7 кг.
Для снижения стоимости деталей автомобилей из композитов применяют в качестве армирующих материалов комбинацию из углеродных и стеклянных волокон. В целом все же потребление углепластиков существенно ниже, чем стеклопластиков, и оценивается в 100 000 т., что связано с их более высокой стоимостью [2].
Создание углеродистых волокон с диаметром в несколько нанометров даст возможность получить принципиально новые нанокомпозиты с углеродным армирующим наполнителем, обладающие существенно более высокой прочностью.
Большой класс армированных полимерных компаундов, в которых роль армирующего наполнителя выполняют волокнистые материалы из органических полимеров, составляют органопласты. Обе фазы в таких композитах являются полимерными, что и определяет их отличие от других армированных пластиков.
Композиты, армированные высокопрочными, предельно ориентированными полимерными волокнами, отличаются низкой плотностью и высо-
© Борисов Г. А., Колодяжная И. Н., 2012
Технические науки
кими прочностными свойствами, а также рядом специфических свойств и широко используются как чрезвычайно прочные материалы для изготовления крупногабаритных изделий с малой массой. В качестве высокопрочных наполнителей применяются армидные волокна кевлар (США), СВМ и армос (Россия) и ряд других. Особенно эффективны волокна из сверхвысокомолекулярного полиэтилена Spectra 900 и Spectra 1000 (США).
Узлы трения сельскохозяйственных машин являются «слабым» звеном при эксплуатации этой техники. Существует множество конструкторских решений и разработаны различные узлы трения с применением материалов, имеющих хорошие антифрикционные свойства. В настоящее время в качестве материалов, имеющих высокую стойкость к трению и к истиранию, широко применяются полимерные композиционные материалы, такие как полиамиды, полиформальдегиды, политетрафторэтилен (ПТФЭ), различные бипластовые ленты. Нами были испытаны подшипники скольжения из полиформальдегида, которые показали превышение ресурсных показателей вдвое по сравнению с заводской конструкцией.
Существует ряд отечественных предприятий, которые занимаются разработкой и изготовлением антифрикционных неметаллических материалов, которые могут применяться в парах трения как материалы подшипников скольжения, модулей подшипников скольжения, качения, опор трения скольжения.
Предприятие НПК и ЗАО НПЦ «Триботехника» разработало новые антифрикционные самосмазывающиеся композиции (АСК), которые могут широко применяться в опорах трения скольжения (ОТС), такие как СУРМ-Т и СУРМ-Тк.
СУРМ-Т используется в парах трения «Сталь-Сталь» при восстановлении их изношенных поверхностей, например размеров штоков, цилиндров, подшипников качения. СУРМ-Тк применяется в парах трения «Сталь-антифрикционный самосмазывающий композит (АСК)», используемых во втулках, вкладышах цилиндрических и плоских, шарнирах различного назначения.
Ткани антифрикционные для пар «Сталь-АСК» содержат полифеновые прочностные волокна, которые являются армирующими элементами в материале; связующим для этих волокон и материала подложки являются полимерные клеи, например ГИПК-114. При пропитке лицевой поверхности материала композицией СУРМ-Т во время эксплуатации пары реализуется эффект избирательного переноса (эффект безызносности), чем определяется преимущество подшипников скольжения из этих материалов, используемых в парах трения различных конструктивно оформленных опорах трения скольжения.
Антифрикционные самосмазывающиеся ком-
позиционные материалы на основе ПТФЭ АСК и прочностных волокон типа армида, вискозы и подшипники из этих материалов нашли широкое применение при разработке опор трения скольжения [4], ремонте и модернизации различных гидро- и пневмоцилиндров, технологического оборудования, конвейеров; для этого использовались антифрикционные технологические ткани типа «Нафтлен», «Даклен» (разработка Ленинградского НИИ «Химволокно»). Работают пары с АСК в опорах трения скольжения различных видов движения в режимах сухого и полусухого трения (без смазки) и заменяют такие пары трения, как «Сталь-Бронза», «Сталь-Сталь», «Сталь-Текстолит» с их системами смазки. Возможна работа и в гидродинамическом режиме.
Представляет интерес антифрикционный материал «Синтек-УМ», который разработан ООО «Композит» (г. Королёв, Московская область), его основные физико-механические характеристики:
- плотность - 1,35 г/см3; прочность при сжатии - 250-300 МПа;
- твердость HRB - 300-350МПа;
- рабочая температура - от -196о С до 3000° С;
- коэффициент трения (при V до 30 м/с, Р до 100 МПа) - 0,06-0,12.
Этот материал может быть использован для подшипников скольжения и уплотнения узлов трения, для работы при скоростях скольжения до 30 м/с и нагрузке до 100 МПа в различных газовых и жидких средах без применения дополнительной смазки.
Таким образом, предлагаемые композиционные антифрикционные материалы являются наиболее перспективными из всех существующих отечественных материалов для применения в узлах трения автотракторной и сельскохозяйственной техники; они позволят существенно снизить издержки производства и повысить долговечность конструкций машин.
Библиографический список
1.Гаркунов, Д. Н. Триботехника. Износ и без-ызносность./ Д.Н. Гаркунов. - М.: Изд-во МСХА, 2001.- 616 с.
2. Машиностроение : Энциклопедия. Неметаллические конструкционные материалы. - Т. II - 4 / Ю. В. Антипов, П. Г. Бабаевский, Ф. Я. Бородай [и др.] ; под ред. А. А. Кулькова. - М. : Машиностроение, 2005. - 464 с.
3. Композиционные материалы : справочник / В. В. Васильев, В. Д. Протасов, В. В. Болотин [и др] ; под ред. В. В. Васильева, Ю.М. Тернопольско-го. - М. : Машиностроение, 1990. - 512 с.
4. Пинус И.Я. Модуль подшипниковый скольжения Пинуса (Варианты). Патент на полезную модель РФ№ 112303 по заявке №2011133551/11,11.08.2011, опубл.10.01.2012. Бюл №2.
