К ВОПРОСУ ОБ ОПОРАХ СКОЛЬЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ АНТИФРИКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

 

TO THE QUESTION OF SLIDING SUPPORTS based on the Antifriction composite Materials

 

Прусс Б.Н. (ФГОУ ВПО БГИТА, г.Брянск, РФ)

Pruss Boris (BSEA)

Башмаков А.Г., Швыряев М.В. (ФГОУ ВПО БГТУ, г.Брянск, РФ)

Bashmakov Alexei, Shviryaev Michail (BSTU)

 

В статье рассмотрены вопросы применения композиционных неметаллических материалов для изготовления деталей трибосопряжений. Обсуждаются особенности конструкций древесно-металлических подшипников скольжения.

The article deals questions of application non-metallic composite materials for friction units of parts.  Discusses the peculiarities of construction wood-metal slidingbearings.

 

Ключевые слова: опоры скольжения, композиционные антифрикционные материалы, модифицированная древесина, конструкции подшипников скольжения.

Keywords: sliding support, composite antifriction materials, modified wood , construction of slidingbearings.

 

В ряде ответственных узлов машин и агрегатов имеются детали (вкладыши подшипников скольжения, элементы направляющих, шарниров) рабочие поверхности которых в процессе эксплуатации подвергаются интенсивному изнашиванию при трении скольжения. Эти детали работают в широком диапазоне скоростей и условий нагружения - динамические нагрузки и вибрации; действие абразивных и химически активных сред; недостаточная смазка. Такие условия эксплуатации достаточно быстро приводят рассматриваемые детали к достижению предельного износа их рабочих поверхностей и, соответственно, потере работоспособности ответственных узлов машин. Сложность восстановления вышедших из строя деталей подшипников скольжения, выполненных из традиционных – металлических антифрикционных материалов и сплавов, в немалой степени обусловлена дефицитом и высокой стоимостью этих материалов. Поэтому, разработка сочетаний новых антифрикционных материалов и конструкций на их основе, а так же, оптимизации их триботехнических показателей, повышающих эксплуатационные характеристики деталей и узлов скольжения машин и оборудования, является актуальной задачей.

Поиск решения данной задачи ведется в нескольких направлениях. Рассмотрим два из них: применение пар трения из новых композиционных материалов, и усовершенствование конструкций узлов скольжения.

● Рассмотрим некоторые перспективные, на наш взгляд, композиционные материалы на неметаллической основе. Композиционными называются материалы, образованные объемным сочетанием химически разнородных компонентов с четкой границей раздела между ними. Основной материал называется матрицей, а другие фазы – наполнителями, армирующими добавками, связующими и т.п. в зависимости от их назначения. Компоненты композиционных материалов можно выбирать из любых классов материалов. Возможны многочисленные комбинации, и это обеспечивает разнообразие свойств композитов в любых областях их применениях, включая их использование в качестве триботехнических материалов.

Большой интерес представляют древесно-металлические композиционные материалы, состоящие из модифицированной древесины и введенной в нее металлической фазы различной формы и дисперсности [3, 5]. В ряде случаев для создания такой группы материалов древесина пропитывается легкоплавкими металлами, или растворами их оксидов [1, 6]. Другой вариант получения композиционных древесно-металлических материалов состоит в размещении в древесине, обладающей высокими виброгасящими свойствами, металлических элементов, обеспечивающих повышенную теплопроводность материала.

Такие материалы обладают высокой износостойкостью, хорошей прирабатываемостью рабочих поверхностей и минимальным изнашивающим воздействием на сопрягаемые детали; достаточной прочностью и способностью гасить ударные нагрузки и вибрации; возможностью работать при наличии абразива в зоне трения и способностью работать в условиях ограниченной смазки и даже при ее отсутствии; повышенными антифрикционными и тепловыми свойствами. Кроме этого, учитывая анизотропность прессованной древесины и возможность управления свойствами применяемого металлического наполнителя, можно, используя разные способы прессования, составы и схемы создания композиций, подбирать для различных условий эксплуатации наиболее эффективные сочетания и решения. Важными факторами являются также экологическая чистота и безопасность производства и эксплуатации подшипников скольжения на основе древесины.

Наряду с указанными материалами в опорах скольжения могут найти применения перспективные материалы на основе полимерных антифрикционных материалов (АПМ) [2]. Полимеры применяются в трибологии благодаря некоторым характерным свойствам: инертность ко многим реактивам; относительно низкая склонность к схватыванию; самосмазывающие свойства и низкий модуль упругости.

Полимеры имеют ряд преимуществ перед традиционными материалами – сплавами цветных металлов и асбестосодержащими материалами, поскольку обеспечивают: упрощение и облегчение конструкции узлов трения, экономию дорогостоящих цветных металлов, позволяют расширить диапазоны эксплуатации; повысить показатели долговечности (ресурс, срок службы); снизить шум и вибрацию машин и механизмов в целом. Кроме того, использование в подшипниках скольжения самосмазывающихся полимерных материалов позволяет отказаться от принудительной смазки. Это обеспечивает экономию смазочных материалов, позволяет исключить или снизить до минимума вероятность появления отказов и скрытых дефектов, приводящих к катастрофическим отказам, таким как: усталостное или хрупкое разрушение валов и др. элементов конструкции машин, исключить схватывание II рода, заедание и фреттинг-коррозию, а так же, абразивное изнашивание, вызывающее царапины и микрорезание.

Из полимерных материалов изготовляют: зубчатые колеса, шкивы, детали трибосопряжения (ТС) подшипников, кулачковые механизмы, направляющие, уплотнения, сепараторы подшипников качения, шарниры и т.д.

Антифрикционные полимерные материалы на основе термопластов отличаются высокой технологичностью, низкой себестоимостью, демпфирующей способностью. Детали из термопластов изготовляют: литьем под давлением и экструзией; крупногабаритные детали – центробежным ротационным формованием; анионной полимеризацией мономера непосредственно в форме, нанесением антифрикционных покрытий из расплавов порошков.

Термореактивные полимеры перерабатываются преимущественно методом компрессионного и литьевого прессования, они более прочны и термостойки. Порошкообразные термореактивные композиции наносят на трущиеся поверхности деталей в виде тонкослойных покрытий. Полимерные пленки применяют взамен смазочных материалов при штамповке деталей автомобилей.

Наибольшее применение в настоящее время в узлах трения машин находят: текстолиты – сложные пластики, изготовляемые методом горячего прессования нескольких слоев ткани или других сложных армирующих материалов, пропитанных синтетическими смолами; стеклопластики – слоистые пластики, изготовленные методом горячего прессования нескольких слоев стеклоткани, пропитанной синтетическими смолами; углепластики – слоистые пластики, изготовленные методом горячего прессования нескольких слоев углеродной ленты, пропитанной синтетическими смолами; комбинированные реактопласты – слоистые пластики, изготовленные методом горячего прессования слоев различных материалов, пропитанных синтетическими смолами.

Несмотря на массу достоинств, текстолиты имеют свойства изменения геометрических размеров деталей вследствие влагопоглощения. Этот процесс длится до 2 лет, после чего размеры деталей стабилизируются. Это свойство ограничивает применение этих материалов в узлах трения. Кроме того, необходимо учитывать расположение направления волокон. АПМ на основе реактопластов являются одним из самых перспективных конструкционных материалов [2].

В машиностроении разработан целый ряд конструкций подшипников, передач, направляющих и уплотнений, в которых смазывание обеспечивается благодаря специальным элементам конструкции (деталям), изготовленным из так называемых полимерных самосмазывающихся материалов (ПСМ).

По составу все ПСМ можно разделить на следующие группы: композиции, содержащие главным образом антифрикционные наполнители, полимерные связующие и пластификаторы (дополнительные смазочные материалы); композиции с комплексными наполнителями, улучшающими физико-механические и триботехнические свойства материалов; комбинированные самосмазывающие материалы типа металлополимерной ленты, в которой совмещаются преимущества составных частей металла, как несущей и теплопроводной основы и полимера, как антифрикционного самосмазывающегося слоя, обеспечивающего надежную защиту поверхности трения от схватывания.

Антифрикционные полимерные материалы способны существенно повысить износостойкость. В Германии выпускаются композиционные материалы на основе ПТФЭ, нанесенный на бронзовую сетку. Его изготавливают в виде ленты, которую можно наклеивать эпоксидным клеем на поверхность трения. У нас в стране близкие к ней характеристики имеет металлофторопластовая лента МФЛ. Из нее изготавливают подшипники скольжения для текстильных и другого технологического оборудования.

Материалы на основе фторопласта. Фторопласту присущи свойства термопластов и реактопластов. Он отличается самым низким и стабильным коэффициентом трения по стали (0,04) и лучшими смазывающими свойствами среди полимеров. Однако твердость чистого фторопласта невелика, что приводит к значительному деформированию поверхностных слоев при контактном взаимодействии и к интенсивному изнашиванию при трении. Поэтому для изготовления деталей ТС чистый фторопласт не применяют, а используют композиционные материалы на основе фторопласта. Общим для материалов этого типа является низкий коэффициент трения и интенсивность изнашивания в широком диапазоне температур.

В последнее время расширяется применение спеченных пористых подшипников, пропитанных фторопластом. Такие подшипники весьма перспективны для не смазываемых опор скольжения благодаря высоким антифрикционным свойствам фторопласта. Коэффициент трения подшипников, пропитанных фторопластом, без смазки составляет примерно 0,05. Они надежно работают при температурах до 280 оС в кислых и щелочных средах.

Материал криолон-3 наряду с дисперсными наполнителями (МоS2 и бронза) содержит волокнистый наполнитель в виде измельченных углеродных волокон, что обеспечивает одновременное повышение механических свойств и теплопроводности, а также снижение интенсивности изнашивания в диапазонах температур от –200 до +200оС.

Кроме рассмотренных выше материалов, используют и другие высокоэффективные композиционные материалы на основе фторопласта-4 и фторопласта-40, содержащие от 5 до 45% углеродного волокна, до 15% бронзы, а также никель, кобальт, дисульфид молибдена, графит и др. элементы. Большое значение имеет не только количество наполнителей, но также форма и размеры частиц.

Широкое применение в различных узлах трения находят антифрикционные композиционные материалы на основе полиамидов, в основной полимерной цепи которых присутствуют амидные группы – NH–CO–, создающие сильные межмолекулярные связи. За счет этих связей повышаются: жесткость, твердость, стойкость к ударным нагрузкам, усталости и радиационная стойкость.

Полиамиды уступают фторопласту и полиформальдегиду по коэффициент трения, однако по износостойкости и несущей способности превосходят их. Для улучшения прочностных свойств полиамиды армируют, а для увеличения смазочной способности вводят графит, МоS2, кокс и др. Улучшение триботехнических характеристик достигается также введением наполнителей в виде волокон, например углеродных, меднографитных взамен графитных порошков. Детали тяжелонагруженных узлов трения изготавливают из композиционных материалов на основе ароматического полиамида типа фенилона. При этом для эксплуатации в условиях малых скоростей и больших давлений предпочтительны полиамиды с высокой молекулярной массой; в условиях повышенных скоростей и малых контактных давлений – полиамиды с малой молекулярной массой. Детали из ароматических полиамидов отличаются высокой прочностью и теплостойкостью. Выпускаемые промышленностью ароматические полиамиды под названием фенилон стойки против многих химических веществ, масел, бензина. Детали из фенилона эксплуатируются при температурах от -50 оС до +200 оС. Положительное влияние на физико-механические и триботехнические характеристики композитов на основе фенилона оказывает совместное введение твердых смазочных материалов и фторопластов.

Полиимиды отличаются от полиамидов высокой термической и термоокислительной устойчивостью. Они начинают разлагаться на воздухе только в области температур 350…450 оС, а в вакууме или инертной среде при 500 оС. Полиимиды относятся к самым радиационностойким материалам, что в сочетании с малой летучестью в вакууме, делает их перспективными для применения в ТС узлов трения, работающих в вакууме. Изделия из полиимидов могут длительно эксплуатироваться при температуре 200…260 оС. Ценным свойством полиимидов является высокое сопротивление ползучести, особенно при высоких температурах. Возможность применения полиимидов для изготовления деталей высокой точности обусловлено их малой усадкой (0,7…1,0%) при прессовании и спекании, небольшим водопоглощением (0,2…0,3%).

В чистом виде полиамиды обладают низкими антифрикционными свойствами (например, коэффициент составляет трения 0,6…0,7), которые резко улучшаются при введении твердосмазочных наполнителей (графит, дисульфид молибдена) – коэффициент трения снижается до 5…10 раз и достигает минимума при давлении 7…8 МПа, затем может незначительно увеличиваться. Интенсивность изнашивания монотонно повышается с увеличением контактного давления, скорость скольжения повышает интенсивность изнашивания и коэффициент трения.

Детали ТС узлов трения получают горячим прессованием. Для изготовления пористых материалов, например для подшипников скольжения, к полиимиду добавляют полиформальдегид. При температуре до 340 оС наиболее эффективно работают композиции, содержащие 45% графитированного волокна при коэффициент трения до 0,05…0,10 и при допустимом контактном давлении 350 МПа.

Полиимид с хаотично ориентированным графитированными волокнами используется в промышленности для изготовления подшипников качения, способные надежно работать при давлении до 28,5 МПа и имеют износостойкость при 50 оС и 315 оС соответственно в 7 и 1,5 раза больше, чем в случае ориентации графитовых волокон вдоль направления скольжения. Для работы в области криогенных температур применяют полиимиды, наполненные порошком бронзы.

Недостатком материалов на основе полиимидов является большая скорость газовыделения, что в некоторых случаях ограничивает их использование в вакуумной технике, а также хрупкость, отрицательно влияющая на формообразование деталей. Кроме того, эти материалы имеют высокую стоимость, поэтому их применяют только в ответственных деталях подвижных сопряжений, работающих в экстремальных условиях.

Композиционные материалы на основе поликарбоната относятся к перспективным ПСМ для изготовления деталей узлов трения. Они обладают высокой механической прочностью и ударной вязкостью; стабильностью свойств и размеров в широком интервале температур; стойкостью к атмосферным воздействиям; устойчивостью к ультрафиолетовым лучам и резким перепадам температур.

Материалы на основе поликарбоната применяют для деталей уплотнений, клапанов и других элементов, работающих в вакууме, в инертной газовой и других средах при температуре -50...+110оС. Для снижения коэффициента трения и повышения износостойкости в поликарбонат вводят специальные наполнители и твердые смазки. Введение дисульфида молибдена, графита или 15…20% фторопласта снижают коэффициент трения в 2…3 раза.

К недостаткам поликарбоната следует отнести их склонность к образованию микротрещин в поверхностном слое под влиянием остаточных напряжений после механической обработки и вследствие инородных включений и микропор. Поэтому обязательной финишной операцией должна быть термообработка для снятия внутренних напряжений.

Широкое применение в машино- и приборостроении находят антифрикционные самосмазывающиеся материалы на основе полиарилатов для изготовления деталей подшипников скольжения и качения, предназначенных для работы в глубоком вакууме без смазки. Полиарилаты в чистом виде имеют коэффициент трения (0,35-0,40) и относительно невысокую износостойкость. В целях улучшения триботехнических характеристик и повышения теплостойкости в полиарилат добавляют фосфор, дисульфид молибдена, медь, серебро.

Например, композиционнный материал делан-524 на основе полиарилата ДВ-101 с добавкой 15% (массовая доля) дисульфида молибдена обладает самой высокой теплостойкостью среди полимерных материалов, перерабатываемых литьем под давлением. Введение полиэтилена, для которого характерны слабые адгезионные связи, обеспечивает получение материала с более высокими триботехническими характеристиками. Известны также антифрикционные самосмазывающиеся материалы на основе полиарилата с наполнением полиамидом.

Композиционные материалы на основе эпоксидных смол нашли применение для деталей трибосопряжений, вследствие хорошей адгезии эпоксидных полимеров к металлам и другим материалам, высокой механической прочности, малой усадки и водопоглощения. Наряду с традиционными наполнителями (графит, дисульфид молибдена, оксиды металлов, кокс, различные волокнистые материалы и т.д.) в эпоксидные смолы вводят фурановые олигомеры, полиэтилен, кремнийорганические смолы, двуокись титана и другие специальные добавки, что значительно увеличивает твердость, жесткость, нагрузочную способность и износостойкость композиционных материалов.

Наиболее широкое применение получили композиционные материалы марок АМС-1, АМС-3, АМС-5М, отличающиеся более высокой механической прочностью, износостойкостью, термостойкостью и низким коэффициентом трения. Из этих материалов изготовляют лопатки воздушных ротационных насосов, поршневые кольца компрессоров, работающие без смазки; торцовые уплотнения; подшипники скольжения для узлов трения без смазочного материала, работающие в условиях нормальной влажности при повышенных температурах.

Триботехнические характеристики материалов значительно изменяются при изменении условий эксплуатации. Повышение температуры от 50о до 250 оС вызывает снижение коэффициента трения композиционных материалов в 1,5…2 раза, при дальнейшем повышении температуры до 300 оС коэффициент трения практически не изменяется или возрастает незначительно.

Фенолформальдегидные полимеры широко применяют при создании антифрикционных полимерных материалов ввиду их повышенной термической и химической стойкости, износостойкости. Из них изготавливают подшипники скольжения, уплотнения, направляющие, работающие при повышенных температурах.

Для улучшения триботехнических свойств в ФФП вводят наполнители (графит, свинец, дисульфид молибдена, оксиды алюминия и меди, кремний, порошки алюминия, железа и меди, а также, углерод, асбест, базальтовые, стеклянные, углеродные и другие волокна), что позволяет получать самосмазывающиеся материалы с низкими коэффициентами трения (0,04…0,06) и интенсивностью изнашивания (10-9…10-11).

Материал марки АТМ-1 обладает высокими износостойкостью и теплопроводностью, но он хрупок, и поэтому его применяют в узлах трения, работающих в условиях отсутствия ударных нагрузок. Для устранения этого недостатка используют волокнистые наполнители (углеродные и органические волокна) или ткани.

● Повышение долговечности рассматриваемых узлов деревообрабатывающего и другого оборудования и снижение в них потерь на трение может быть достигнуто путем использования более рациональных конструкций подшипников скольжения, разработанных на основе всестороннего анализа условий работы узла трения; формирования благоприятного уровня триботехнических свойств поверхностных слоев материалов валов и вкладышей; определения особенностей их изнашивания при различных условиях эксплуатации, а также за счет обеспечения достаточной технологичности производства деталей подшипниковых узлов.

Во многих случаях целесообразно использовать для изготовления вкладышей подшипников скольжения модифицированную древесину, которая отвечает всем вышеописанным критериям [5]. Особенно это относится к композиционным материалам, получаемым на ее основе. Для обеспечения благоприятного распределения температурных полей металлическая составляющая композиции должна обеспечивать внутреннюю и поверхностную диссипацию механической и тепловой энергии и интенсивный отвод тепла от поверхностных слоев вглубь материала. За счет этого снижается тепловая нагрузка на участки фрикционного контакта в узлах скольжения. В поверхностных слоях требуется задание наибольшей концентрации металлической фазы, обладающей  повышенной тепло- и температуропроводностью[4]. По мере же углубления в материал вкладыша, концентрация металла должна постепенно уменьшаться. Такие условия обеспечиваются за счет использования металлических вставок с переменным сечением по толщине вкладыша, например, имеющих форму тавра, клина или конуса, либо создание материала с размещенной в нем дисперсной металлической составляющей, например, сферической формы.

Особенности размещения металлической составляющей, выходящей на функциональные поверхности (соотношение площадей древесной и металлической фаз, средний диаметр металлических пятен, величина возвышения их над уровнем номинальной поверхности), определяются условиями фрикционного контактирования, соответствующими эксплуатационным назначением фрикционной пары. По некоторым данным рациональным размещением поверхностных выходов металлических вставок является расположение их по винтовой линии с обеспечением перекрытия элементов металлической фазы по траектории рабочих перемещений вкладыша относительно вала.

Возможные варианты структуры древесно-металлических композиционных материалов, отличающихся расположением и формой металлических элементов [5] представлены на рисунке 1.

Металлические вставки клиновой или тавровой формы могут размещаться при сборке вкладыша в предназначенных для них пазах, формируемых при прессовании древесных брусков или в процессе изготовления древесно-металлических заготовок. Вставки конической формы рекомендуется запрессовывать в древесную составляющую после достижения заданной геометрической формы вкладыша.

Рисунок 1- Варианты размещения и форма металлической фазы 2 в древесной матрице 1 древесно-металлических композиционных материалов: а- тавр, б- конус, в- сетка, г- клин, д- монометаллические сферы, е- биметаллические сферы

 

Однако необходимо отметить, что многие известные конструкции подшипников скольжения изготовляемых из модифицированной древесины не всегда имеют характеристики, достаточные для обеспечения требуемой работоспособности узлов трения промышленного оборудования. В то же время, вопросы дальнейшего совершенствования составов и структуры древесно-металлических материалов, представляющих древесную матрицу и введенную в нее древесно-металлическую фазу и обоснование эффективных технологий для формирования заготовок из такого рода материалов в литературе рассмотрены в объеме недостаточном для научного и, особенно, производственного использования. Поэтому, указанные выше вопросы предполагается рассмотреть в последующих работах.

Широкое распространение в конструкциях машин, например, деревообрабатывающего оборудования, узлов и конструктивных элементов с использованием пар скольжения делает необходимым проведение серьезных теоретических и лабораторных исследований. Исследованию подлежат, в том числе, внутренние параметры трибосистем, влияющие на работоспособность узлов, с выработкой путей ее повышения за счет использования новых материалов, конструкций, и технологических приемов обеспечения высокого уровня триботехнических характеристик.

 

Список использованных источников

1. Вигдорович, А.И. Древесные композиционные материалы в машиностроении [Текст]/ А.И Вигдорович. - М.: Машиностроение, 1991.- 340 с.

2. Денисова, Н.Е. Триботехническое материаловедение и триботехнология/ Н.Е.Денисова, В.А.Шорин, И.Н.Гонтарь, Н.И.Волчихина, Н.С.Шорина. - учеб. пособие/Под общей редакцией Н.Е.Денисовой. –Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2006. – 248 c.

3. Евельсон, Л.И. Исследование подшипников скольжения [Текст]/ Л.И. Евельсон, Е.А. Памфилов, Е.В. Шевелева, А.П.Симин // Изв. вузов. Лесной  журнал. – 2005. – № 4. – С. 105-111.

4. Пижурин, А.А. Исследование процессов деревообработки [Текст]/А.А. Пижурин, М.С. Розенбинт. – М.: Лесная пром-сть. 1984. - 120 с.

5. Прусс, Б.Н. Повышение работоспособности подшипников скольжения деревообрабатывающего оборудования [Текст]/ Б.Н. Прусс/ Автореф. дисс. … уч. степ. кандидата технических наук, Брянск, 2010. - 20 с.

6. Чубов, Н.И. Металлизированная прессованная древесина [Текст]/ Н.И. Чубов. - Воронеж: Изд-во Воронеж. ун-та, 1975. - 133 с.