Технические науки/3. Отраслевое машиностроение

Ассистент преподавателя Сошина Т.О.

Пермский государственный технический университет Лысьвенский филиал

Металлофторопластовый подшипник как этап

в эволюции подшипников скольжения

В современной технике подшипники скольжения и качения являются основными типами подвижных сопряжений, каждый из них имеет свою область применения, определяемую техническими и экономическими требованиями.

Подшипники скольжения известны и применяются уже довольно давно. Примитивные подшипники скольжения были найдены впервые в раскопках, относящихся к эпохе неолита, когда люди впервые овладели умением сверления отверстий в камне.

Растущие потребности техники способствовали появлению новых типов подвижных сопряжений. Для высоких скоростей вращения за последнее время разработаны подшипники скольжения с газовой смазкой и подшипники, в которых используется магнитный подвес.

Трение в опорах валов, служащих для передачи механической энергии снижает к.п.д. машин и должно быть по возможности исключено. Подшипники скольжения обеспечивают весьма низкий уровень сил трения только при работе в режиме гидродинамической или гидростатической смазки, когда контактирующие рабочие поверхности полностью разделены пленкой смазочной жидкости. Режим гидродинамической смазки возникает лишь при достаточно высокой скорости относительного движения, которая определяется геометрией подшипникового узла, величиной передаваемой им нагрузки и вязкостью смазки.

Важными достоинствами подшипников скольжения является способность выдерживать большие перегрузки, бесшумность в работе, простота в изготовлении, имеют меньшие размеры в направлении действующей нагрузки в сравнении с подшипниками качения. Последняя особенность подшипников скольжения иногда оказывает решающее влияние при конструировании миниатюрных и крупных узлов трения.

Область предпочтительного использования подшипников скольжения расширилась с появлением материалов, способных работать в условиях сухого трения без жидкой или пластичной смазки. Во многих конструкциях смазка является либо неэффективной, либо нежелательной. Во многих подшипниковых узлах машин, механизмов, бытовых приборов, работающих в обычных условиях, использование подшипников скольжения, не требующих смазки, позволяет отказаться от применения сложных маслосистем, что упрощает конструкцию и повышает ее надежность.

Наиболее благоприятную совокупность свойств имеют металлофторопластовые подшипники, состоящие из прочной конструкционной основы (как правило, стальной), пористого слоя антифрикционного сплава (например, бронзы), пропитанного смесью фторопласта с наполнителем, и тонкого поверхностного слоя такого же состава. Такие подшипники могут выдерживать очень большие нагрузки и способны работать без смазки в широком диапазоне температур (от -200 до +3000 С).

В развитии подшипников скольжения, способных работать при сухом трении, можно выделить три главных этапа.

Этап I - разработка самосмазывающихся материалов. Сначала появились углеграфитовые материалы и полимеры с наполнителями, прогресс на этом этапе был достигнут с появлением так называемого фторопласта.

Этап II – характеризуется нанесением мягкого антифрикционного слоя на твердую конструкционную основу. Исследования в этой области показали, что прочностные свойства тонких пленок, нанесенных на твердую основу, и их износостойкость увеличиваются с уменьшением толщины пленки (пленки толщиной 0,3 …0,5 мм способны выдерживать большие удельные нагрузки и при толщине 0,3 мм ведут себя по теплопроводности как металл основы), но при этом уменьшается величина допустимого линейного износа подшипника, а это ограничивает его долговечность.

Этап III - расходуемая антифрикционная пленка постоянно пополняется и обновляется поступающим в зону трения самосмазывающимся материалом, содержащимся в порах каркаса.

Существующие в настоящее время самосмазывающиеся подшипники скольжения подразделяют на монолитные и комбинированные.

Монолитные подшипники изготовляют обычно из чистого фторопласта. Они обладают хорошими антифрикционными свойствами, но для ряда условий применения недостаточными прочностью и износостойкостью. Поэтому подшипники из чистого фторопласта или графитового материала применяют сравнительно редко. Более часто монолитные подшипники изготовляют из композиционных материалов.

Достоинство полимерных композиционных материалов (ПКМ) заключается в том, что при выходе из строя подшипников не происходит повреждений стальной поверхности вала (термопластичный материал оплавляется и течет), это значительно упрощает ремонт подшипникового узла. Эта особенность поведения ПКМ отличает их от металлических сплавов и порошковых материалов, которые в случае задира полностью выводят из строя не только подшипник, но и контактирующий вал.

В нашей стране проводятся исследования по применению антифрикционных ПКМ. Основными недостатками их, являются: высокое значение коэффициента трения при гидродинамической смазке; ограниченность допустимых скорости скольжения и нагрузки при работе в режимах сухого трения.

Для их устранения решалась задача по исследованию возможности улучшения антифрикционных и прочностных свойств ПКМ за счет изменения их структуры путем так называемого «легирования» (введения наполнителей с высоким содержанием кремния или природного минерала).

Анализ экспериментальных данных показал, что при «легировании» ПКМ происходит:

ü повышение прочностных характеристик в 1,2 - 1,3 раза и более;

ü уменьшение коэффициента трения в 1,5 раза;

ü повышение износостойкости в 1,3 - 1,4 раза;

ü повышение предельно допустимой температуры на 10%;

ü повышение допустимой скорости скольжения на 30 - 40%;

ü повышение удельной нагрузки на 10 - 15%.

Также распространение получили композиционные материалы «легированные» графитом. Введение графита позволяет придать свойства самосмазываемости текстолитам, в которых в качестве связующего используется фенолоформальдегидная смола. На основе эпоксидных смол созданы такие композиционные материалы, как маслянит и эпоксилит. Повышение прочности графитовых материалов достигают пропиткой их полимерами и металлами. Материалы такого вида выпускаются как в России, так и за рубежом. На основе графита разработаны новые композиционные материалы: нигран, углеситалл, силицированный графит.

Перспективными для тяжелых условий работы без смазки являются комбинированные самосмазывающиеся материалы, в которых композиционный антифрикционный рабочий слой нанесен на твёрдую конструкционную основу. В Германии разработан комбинированный материал марки «Спрелафлон», представляющий собой композиционный слой из фторопласта, свинца и фенолоформальдегидной смолы с добавками, нанесенный на стальную основу. В России и других странах широко применяют комбинированный металлофторопластовый материал, обладающий высокими прочностными и антифрикционными свойствами. Технология изготовления металлофторопластового материала предусматривает спекание на омедненной стальной основе тонкого пористого слоя из частиц сферической формы высокооловянной бронзы с последующей пропиткой пор слоя чистым фторопластом или фторопластом с наполнителем. Стальная основа придает металлофторопластовому материалу высокую прочность, бронзовый пористый каркас обеспечивает быстрый отвод тепла, возникающего при трении, и служит резервуаром для твердой смазки, роль которой играет фторопласт, поверхностный слой антифрикционного материала предотвращает износ сопряженной с подшипником детали и уменьшает трение.

В нашей стране основы производства таких подшипников были разработаны в Государственном научно-исследовательском институте машиностроения. В настоящее время металлофторопластовую ленту и подшипники из нее изготовляют на Климовском машиностроительном заводе; на некоторых предприятиях организовано производство индивидуальных подшипников (цилиндрических с внутренней или наружной рабочей поверхностью, сферических и др.).

Металлофторопластовые подшипники нашли применение в машиностроительной, авиационной и других отраслях промышленности в ответственных узлах вращательного и колебательного (возвратно-вращательного) движения. Особый интерес они представляют и для ВМФ России.

Литература:

1. Крукович А.Р. Применение в машинах и механизмах подшипников скольжения, содержащих металлофторопластовые элементы. Научные труды ДВГТУ, выпуск 128, статья 17, 2005;

2. Муратов Х.И. Оснащение паровой турбины ВКВ-22-I подшипниками с "сухим" картером и с металлофторопластовыми антифрикционными элементами. Энергетик, № 7, 2004;

3. Самосмазывающиеся композиционные подшипники скольжения и технология их производства // тр. междунар. конф. - М., 2003. - С. 253-257.