CC BY
327
УДК 621.891
А. П. Перекрестов, В. А. Чанчиков
СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ
Подшипники скольжения являются неотъемлемой частью многих крупных и очень ответственных агрегатов, широко применяются в энергетическом оборудовании, мощных насосах, компрессорах, электродвигателях и т. д.
Подшипники скольжения - это техническое устройство, позволяющее линейное перемещение в пространстве. Подшипники скольжения выделяются, прежде всего, по характерной сфере их применения. Например, подшипники скольжения применяются в судовой технике, в частности при монтаже судового валопровода (рис.).
Подшипники скольжения (рис., в) представляют собой опоры или направляющую механизма, в котором трение происходит при скольжении вала о внутреннюю поверхность подшипника (как правило, баббитовый вкладыш). Подшипники скольжения имеют цилиндрическое отверстие, в которое вставляется втулка из материала с повышенной устойчивостью к износу при продолжительном трении, а также смазывающее устройство.
Схема судового валопровода: а - общий вид; б - полумуфта; в - упорный подшипник; г, д - принцип действия упорного подшипника: 1 - гребной вал;
2 - сальник; 3 - полуподшипник; 4 - промежуточный вал; 5 - опорный упорный подшипник; 6 - переборочный сальник; 7 - муфта; 8 - упорный вал
Все возникающие в процессе эксплуатации проблемы состояния подшипников скольжения судового валопровода могут быть объединены в три группы. Это проблемы состояния рабочих поверхностей подшипника, проблемы величины зазора между шейкой гребного вала и антифрикционным вкладышем и проблемы несущей способности слоя смазочного масла [1].
При монтаже подшипника скольжения всегда тщательно контролируются зазоры со всех сторон ротора, т. к. все они, а не только нижняя часть вкладыша, в той или иной мере участвуют в работе. Даже зазор в верхней части подшипника очень важен для стабилизации положения ротора в зазоре подшипника.
В процессе работы из-за износа зазоры постепенно увеличиваются и наступает такой момент, когда это начинает сказываться на состоянии валопровода и проявляться в спектре вибрации. Достаточно часто при этом в агрегате должен присутствовать еще один дефект, но другой природы возникновения, например небаланс или расцентровка вала. Этот дефект возбуждает вибрации, которые должны привести к обкатыванию ротора по окружности подшипника. Это может быть возбуждающая сила и другого проявления, т. е. должна быть внешняя сила, которая в определенные фазы вращения будет приподнимать вал и прижимать его к боковым поверхностям и даже к верху вкладыша подшипника или хотя бы на какую-то долю момента разгружать подшипник скольжения.
Несущая способность масляного клина подшипника скольжения, его основной эксплуатационный параметр состояния, является сложной нелинейной функцией от величины зазора между гребным валом и антифрикционным вкладышем. Чем тоньше слой масла, тем выше несущая способность подшипника. С другой стороны, уменьшение слоя масла снижает устойчивость подшипника к динамическим нагрузкам, выше становится вероятность механического задевания вала о вкладыш.
Рабочий слой масла в подшипнике скольжения называют часто масляным клином потому, что в радиальном разрезе он очень похож на клин, изогнутый вокруг вала. Толщина клина является наибольшей в месте входа рабочей поверхности вращающегося вала в несущую зону подшипника и минимальна на выходе из нее. Чем больше нагрузка на подшипник, тем тоньше становится слой масла, несущего радиальную нагрузку.
Вибрации масляного клина проявляются обычно там, где имеется значительное отклонение от нормальной кондиции одного из следующих основных параметров:
— нагрузка от вала на подшипник не соответствует расчетной несущей способности масляного клина, обычно при пониженном значении нагрузки;
— в агрегате, как минимум, присутствует еще одна вызывающая вибрации сила, возникшая не как результат проблем подшипника, но способная возбудить колебания ротора в подшипнике;
— произошло значительное изменение рабочих параметров масла по сравнению с расчетными, таких как вязкость, температура, давление, наличие посторонних примесей.
В процессе работы шейка гребного вала, являющаяся частью подшипника скольжения, может неравномерно износиться, и ее поперечное сечение круга может стать эллиптическим. При определенных условиях износа сечение шейки вала может иметь в себе некоторую трех-гранность, четырехгранность и т. д.
При работе такого подшипника толщина масляного клина будет модулироваться нелинейностью кривизны шейки вала. При эллипсности происходит некоторое увеличение частоты вибрации масляного клина, т. к. масло в большей мере увлекается в своем движении ротором. Она может доходить до 0,45-0,46 от оборотной частоты ротора. В настоящее время существуют различные способы, позволяющие предотвратить возникновение описанных выше проблем состояния подшипников скольжения судового валопровода. Рассмотрим некоторые из них.
В последнее время, за счет использования уникальных возможностей прогрессивных процессов напыления и наплавки порошковых материалов, финишного плазменного упрочнения, плазменной закалки и плазменной модификации, обеспечивается повышенная работоспособность пар трения [2].
Сущность процессов состоит:
— в нанесении антифрикционных покрытий толщиной от десятых долей до нескольких миллиметров из порошковых материалов (металлических, керамических, полимерных) на поверхность деталей ручными или механизированными плазмотронами, газопламенными горелками, обеспечивающими универсальность процессов, гибкость регулирования режимов (процессы плазменной наплавки и газотермического напыления);
— нанесении тонкопленочного (до 3 мкм) алмазоподобного покрытия при атмосферном давлении малогабаритным ручным плазмотроном;
— создании повышенных антифрикционных свойств поверхностного слоя основного металла двух или одной из сопряженных деталей пар трения за счет ее обработки специальными плазменными дугами или струями (процессы плазменной закалки и плазменной модификации).
Эффект от реализации процессов достигается за счет изменения физико-механических свойств новых или восстановленных рабочих поверхностных слоев: уменьшения коэффициента трения, увеличения микротвердости, создания сжимающих остаточных напряжений, залечивания микродефектов, образования на поверхности диэлектрического и коррозионностойкого пленочного покрытия с низким коэффициентом теплопроводности, химической инертностью и специфической топографией поверхности.
Материалы антифрикционных покрытий, наносимые методами наплавки и напыления: металлические (баббиты, бронзы, чугуны), керамические (оксиды, карбиды, нитриды), полимерные (фторопласты, полиэтилены и др.), алмазоподобные.
Оборудование для осуществления процессов:
— для наплавки бронзовых покрытий применяются специализированные установки для плазменной наплавки или плазменной наплавки-напыления, состоящие из специализированных источников тока, блока аппаратуры, порошкового питателя и плазмотрона;
— для газотермического напыления покрытий из баббита, олова, бронзы, керамики применяются газопламенное, плазменное, детонационное или высокоскоростное (метод HVOF) оборудование различных моделей;
— для финишного плазменного упрочнения с нанесением алмазоподобного тонкопленочного покрытия используется установка УФПУ-111;
— для плазменной закалки используется оборудование, состоящее из специализированного источника тока, малогабаритного плазмотрона и механизма для перемещения плазмотрона или детали. Плазмотрон изготавливается по оригинальным конструкторским разработкам. Механизмом для перемещения может служить серийное механическое, сварочное или наплавочное оборудование;
— оборудование для плазменной модификации включает в себя источник тока, блок аппаратуры, плазмотрон, компрессор (при отсутствии стационарной воздушной магистрали), блок автономного охлаждения (при отсутствии системы водоснабжения), устройство механизации взаимного перемещения плазмотрона и изделия.
Технологический процесс включает в себя (например, при восстановлении изношенных поверхностей) операции предварительной очистки, проверки поверхности на наличие дефектов и непосредственно - нанесения покрытия путём взаимного перемещения плазмотрона или изделия. В качестве рабочего газа при процессе плазменной наплавки используется аргон. При необходимости проводится предварительный и сопутствующий подогрев изделия.
Для нанесения покрытий на поверхность деталей и узлов используются также потоки ионов и плазмы, генерируемые в условиях вакуума или при атмосферном давлении. Наиболее интенсивному воздействию подвергаются поверхностные слои деталей, контактирующие между собой (пары трения, подшипники).
Широкими возможностями для нанесения покрытий обладают вакуумные установки, содержащие дуговые испарители и распылительные магнетронные источники [3]. Магнетронный метод нанесения покрытий обычно применяется для получения пленок толщиной до 10 мкм. Дуговые и магнетронные источники имеют различные конструкции магнитных систем для управления дуговым и магнетронным разрядами [4, 5].
Технологии нанесения трибологических покрытий на внутренние поверхности деталей и узлов начинают внедряться в промышленности. Компания Mahle применяет ионноплазменное нанесение покрытий на рабочие поверхности подшипников, маркируя их «Sputter» (катодное распыление). Такие подшипники с плазменной обработкой поверхности используют в производстве двигателей легковых и грузовых автомобилей Audi, Mercedes-Benz, MAN.
Как известно, износ деталей и узлов судового валопровода в значительной степени зависит от свойств тонкого поверхностного слоя подшипника скольжения. Усталостная прочность рабочего слоя подшипника зависит от следующих свойств: твердости, износостойкости, коэффициента
трения и противозадирочных свойств. С одной стороны, покрытие должно обладать твердостью для повышения износостойкости, с другой - должно быть мягким для снижения коэффициента трения. Такие свойства имеют двухслойные покрытия: внутренний - износостойкий слой (нитрид, карбид или борид металла), внешний - антифрикционный слой из мягких металлов ^п, РЬ), слоистого соединения (Мо82, WS2, Мо8е2), графита или гексагонального нитрида бора. Внешнее мягкое твердосмазочное покрытие необходимо в основном на начальном этапе приработки подшипника, т. к. из-за больших локальных нагрузок возможно возникновение трещин и частичное разрушение основного износостойкого покрытия. После приработки подшипника на поверхности остается тонкий мягкий слой толщиной менее 0,5 мкм. Более толстый мягкий слой не стирается на периферии контакта. Двухслойное покрытие, состоящее из твердого и антифрикционного слоев, может иметь следующий состав: TiAlN/MoS2, Mo2N/MoS2, ТЮ/С, WC/C.
Повысить работоспособность подшипников скольжения судового валопровода можно, если создать условия для минимального износа при низком коэффициенте трения скольжения.
Такие условия работы могут возникнуть при использовании антифрикционных материалов, полученных методом порошковой металлургии. Использование порошковых материалов даёт возможность получать композиционные составы пар трения с неограниченными вариациями [6].
Одним из способов повышения работоспособности подшипников скольжения судового валопровода является уменьшение нагрузки на цапфу подшипника. При использовании на одном валу нескольких подшипников опорные реакции на них, как правило, различаются. Это различие еще более существенно при их длительной эксплуатации. В связи с этим предпринимались попытки более равномерно распределить нагрузки между подшипниками с целью убрать максимальную амплитуду нагрузок на наиболее нагруженные подшипники [7, 8].
Одним из наиболее перспективных направлений снижения износа трущихся сопряжений является применение металлоплакирующих смазочных материалов, т. е. таких, которые обеспечивают получение антифрикционной пленки на поверхностях трения, не содержащих пленкообразующих металлов.
Была разработана присадка на основе металлоорганического соединения - олеата меди, которая более эффективна по сравнению с присадками других групп (содержащих чистые металлы или минеральные соединения металлов), особенно для смазочных материалов на основе углеводородов [9]. Олеат меди является металлоорганическим соединением, обладает поверхностной активностью на границе с металлами. В результате восстановления меди из такого соединения вновь образуется металлоорганическое соединение (например, железа), также являющееся поверхностно-активным веществом. Таким образом, кроме медной пленки, на поверхностях трения постоянно находится хемосорбционный слой, состоящий из молекул этих соединений, что приводит к значительному повышению надежности трибосопряжений.
Разработана также противоизносная присадка, основанная на использовании специального состава, который представляет собой жидкость с входящими в ее состав мицеллами, состоящими из наночастиц магнетита (Бе304) и олеиновой кислоты (С18Н34О2) [10].
Присадка представляет собой жидкость с мицеллами, включающими в себя оксид железа и олеиновую кислоту. Молекулы олеиновой кислоты адсорбируются на поверхности магнетита в результате процесса хемосорбции. Оксид железа, входящий в мицеллу, характеризуется низким сопротивлением сдвигу и является пластической смазкой, уменьшающей коэффициент трения и интенсивность изнашивания поверхностей в местах их соприкосновения. Молекулы олеиновой кислоты, входящие в состав мицелл, предотвращают их слипание и обеспечивают возможность их нахождения во взвешенном состоянии в жидкости. Оксид железа Бе304 (магнетит) имеет следующие характеристики: молекулярная масса 231,54; цвет - темно-красный; плотность 5,11 г/см3. Олеиновая кислота (октадецен-9-овая кислота) СН3(СН2)7СН=СН(СН2)7СООН представляет собой бесцветную жидкость с температурой кипения 286 °С плотностью 0,9 г/см3. Длина молекулы олеиновой кислоты 2 нм. Средняя величина мицеллы составляет 10 нм. Намагниченность насыщения порядка 10 кА/м. Присадка предназначена для работы в слабых магнитных полях - £ « 1, где £ - функция Ланжевена Ь(£) с напряженностью магнитного поля 20-40 кА/м. Основа мицеллы представляет собой молекулы твердой пластичной смазки оксида железа, а окружающие молекулы являются олеиновой кислотой с содержанием веществ в присадке, % масс.: Бе3О4 - 0,00001, С18Н34О2 - 0,0001, смазочное масло - до 100.
Предлагаемая мицеллярная присадка обладает следующими преимуществами:
- не выпадает в осадок, поскольку ее частицы являются участниками броуновского движения молекул;
- частицы присадки целенаправленно движутся под влиянием приложенного магнитного поля к поверхностям трения;
- удерживается в местах повышенной интенсивности изнашивания вследствие действия магнитного поля и сил адсорбции и хемосорбции поверхностей трения.
Выводы
1. Недостаточная износостойкость вкладышей и шейки вала подшипника скольжения приводит к необходимости замены вкладышей или, в худшем случае, новой центровке подшипника скольжения.
2. Для устранения этого явления разработаны различные меры: подбор рабочего масла, величины давления внутри подшипника, расчет геометрических размеров вкладышей и шейки; подбор материала вкладышей, напыление их поверхностей; оптимизация опорных реакций на подшипники скольжения, например установление упругих опор; повышение первоначальной точности параметров центровки вала.
3. Проведенные исследования показывают, что задача по повышению износостойкости в опорах, содержащих подшипники скольжения, до настоящего времени полностью не решена.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Русов В. А. Спектральная вибродиагностика. - М.: Наука, 1996. - 243 с.
2. www.plazmatsentr.ru.
3. Попов В. Ф., Горин Ю. Н. Процессы и установки электронно-ионной технологии. - М.: Высш. шк., 1988. - 255 с.
4. Mahan J. E. Physical vapor deposition of thin films. - New York: John Wiley & Sons, 2000. - 312 p.
5. Пашенцев В. Н. Характеристика плазмы магнетрона на больших расстояниях от катода // Прикладная физика. - 2009. - № 4. - С. 91-95.
6. Основы трибологии (трение, износ, смазка): учеб. для вузов / А. В. Чичинадзе, Э. Д. Браун, Н. А. Буше и др. - М.: Машиностроение, 2001. - 664 с.
7. Гаращенко П. А., Лазуткина Е. А. Эффективность включения компенсаторов расцентровки в систему судового валопровода // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Морская техника и технология. - 2000. - С. 58-62.
8. Гаращенко П. А. Повышение работоспособности и монтажной технологичности судовых валопрово-дов // Наука - производству. - 2001. - № 4. - С. 14-15.
9. Лукиенко Л. В., Семочкин И. И., Хлапов В. Г. Анализ результатов модельных экспериментальных исследований металлоплакирующей присадки к смазочным материалам // Тр. Новомоск. ин-та Российского химико-технол. ун-та. Сер. Инженерная механика, материаловедение и надежность оборудования. - 2006. - № 6. - С. 99-104.
10. Пат. № 2276681 РФ, МПК C10L 1/18 (2006.01) Противоизносная присадка / Перекрестов А. П., Сычева А. А. № 2004132806/04; заявл. 10.11.2004; опубл. 20.05.2006, бюл. № 14.
Статья поступила в редакцию 21.01.2010
WAYS OF INCREASE OF SLIDING BEARINGS WORKING CAPACITY
A. P. Perekrestov, V. A. Chanchikov
Sliding bearings exploitation causes different problems connected with deterioration of bearing details. The various ways allowing partially to solve some of these problems are given. The patented additive of new generation on the magnetic basis designed by one of the researchers is presented; its application would help to solve the problem of increase of the given type bearings working capacity.
Key words: sliding bearing, wear, friction, working capacity, an anti-wear additive.
