Полимерные подшипники скольжения

Содержание:

 

 

1. Введение
2. Анализ технических решений повышения долговечности, работоспособности полимерных подшипников качения

2.1 Известные варианты исполнения  ППС

2.1.1 Конструкции ППС

2.1.2Смазывание ППС

2.1.3 Конструктивные элементы

2.1.4 Конструктивные элементы для  смазки

2.2 Конструкционные материалы используемые в полимерных подшипниках скольжения

2.2.1 Материалы и их свойства

2.2.2 Требования к материалам  для подшипников, работающих без  смазки

2.2.3 Характеристика АПМ на основе  литьевых термопластов

2.2.4 Характеристика АПМ на основе  ПТФЭ

2.2.5 Характеристика АПМ на основе  реактопластов

2.3 Критерии работоспособности  полимерных подшипников

2.4 Расчет ТПС. Основные допущения  и расчетные схемы

2.5 Обоснование выбора вида АПМ  для несмазываемых подшипников скольжения

  Заключение

  Литература

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Сопряжения  подвижных одна относительно другой деталей имеются в любых машинах  и механизмах. Одно из наиболее распространенных в наши дни сопряжений ступицы  колеса с шипом появилось несколько тысячелетий назад, дав впоследствии название «подшипники» всем вспомогательным устройствам, служащим для обеспечения взаимной подвижности отдельных деталей конструкции.

Подшипник — изделие, являющееся частью опоры, которое поддерживает вал, ось или иную конструкцию, фиксирует положение в пространстве, обеспечивает вращение, качание или линейное перемещение (для линейных подшипников) с наименьшим сопротивлением, воспринимает и передаёт нагрузку на другие части конструкции.

Существует  два основных типа подшипников –  это подшипники качения и скольжения. Подшипники качения проявляют стабильность характеристик в большом диапазоне рабочих скоростей, имеют не большой расход смазки, обладают большей грузоподъемностью и долговечностью машин, снижают потери на трение. Важными достоинствами подшипников скольжения являются большая компактность, способность затухания колебаний и быстрых изменений нагрузки, бесшумность в работе, простота в изготовлении.

 Область предпочтительного применения 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 крайне нежелательной. Действенность смазки уменьшается или полностью исчезает при работе подшипников в глубоком вакууме, при высоких удельных нагрузках и малых скоростях относительного движения, при низких и высоких температурах. Именно в этой области особенно актуально использование полимерных подшипников скольжения[3].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2  Анализ технических решений повышения долговечности, работоспособности полимерных подшипников качения

 

Подшипник скольжения - опора или направляющая механизма или машины, в которой трение происходит при скольжении сопряжённых поверхностей.

Полимерные  подшипники скольжения (в дальнейшем ППС) хорошо работают в условиях “сухого трения” без жидкой или пластичной смазки. В пищевой, фармацевтической, текстильной и в других отраслях промышленности использование минеральных смазок может привести к загрязнению и браку вырабатываемой продукции. В некоторых производствах химической промышленности применение смазки сопряжено не только с возможностью загрязнения продукции, но и с опасностью взрывов, необходимость предотвращения которых вызывает значительное усложнение конструкции оборудования или технологического процесса. 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 существенно упрощает конструкцию и повышает ее надежность.

Опыт эксплуатации подшипниковых  узлов скольжения сельскохозяйственных машин показывает, что около 70% подшипников  скольжения работает при отсутствии гидродинамической смазки и при наличии абразивной и водной среды. В этой связи замена в узлах трения машин и механизмов антифрикционных металлов более дешевыми и долговечными пластмассами становится весьма актуальной[3].

 

2.1 Известные варианты исполнения ППС

 

По конструкции подшипники из пластмасс  аналогичны подшипникам из стали  и цветных металлов и сплавов.

 

При проектировании подшипников выбирают отношение l/d (I — длина подшипника, d — его диаметр) в пределах от 0,3 до 1,3 (Рисунок 1, а) с учетом прогиба   вала.   В   случае   прогиба   вала   напряжения   по   краям

 

Рисунок 1- Основные

обозначения размеров

 подшипника.

 

 

 

 

 

Рисунподшипника возрастают в несколько раз, возникает опасность повреждения подшипника, повышается температура, что приводит к преждевременному износу подшипника. Если нельзя выдержать требуемое отношение l/d, то нужно заменить подшипник большей длины на два более коротких (Рисунок 1, б, в). Только для слабо-нагружаемых подшипников можно принимать большее отношение l/d[1].

 

1. Конструкции ППС

 

1.  Наиболее  распространенной конструкцией подшипников скольжения из литьевых термопластов является изготовленная методом литья под давлением, втулка, запрессованная с определенным натягом в стальную деталь. В связи с тем, что термопластичный рабочий слой обладает весьма малой теплопроводностью и препятствует отводу теплоты через корпус подшипника, толщина втулки (рисунок 2, а) должна быть минимальна. Одновременно это приводит к уменьшению требуемого сборочного зазора в сопряжении вал—ППС. Однако втулка должна быть достаточно жесткой, чтобы обеспечить надежность запрессовки, поэтому минимальной относительной толщиной t слоя (втулки) из полиамида 6 было признано значение t/d=0.05.

Рисунок 2 - Конструкции ППС.

 

Существуют  несколько технологических способов уменьшения толщины слоя подшипников. Суть их состоит в нанесении тонкого покрытия полиамида 6 на внутреннюю поверхность стальной обоймы методами наплавки слоя в литьевой форме, центробежного формования, вихревого, электростатического или газоплазменного напыления. Однако при напылении полиамида 6 прочность сцепления его со сталью невысока, что уменьшает надежность работы подшипников, изготовленных этими методами. Это необходимо учитывать при работе с недостаточно чистым смазочным материалом. По этим причинам были испытаны лишь ТПС с втулками, изготовленными методом литья под давлением или центробежного.

Учитывая  то обстоятельство, что вследствие релаксационных явлений натяг втулки из полиамида 6 с течением времени может уменьшиться или исчезнуть, в некоторых случаях полимерную втулку в обойме дополнительно фиксируют при помощи шпоночного выступа (рисунок 2, б). Втулки с фланцами фиксируют при помощи выступов, расположенных па фланце (рисунок 2, в). Этот способ фиксации более совершенен, так как наличие шпоночного выступа является причиной нарушения цилиндричности рабочей поверхности подшипника в процессе его работы и нагревания, что ухудшает его работоспособность. Предложено также крепить втулки по торцам (рисунок 2, г) с применением распорной пружины n, компенсирующей осевые температурные деформации полимерных втулок. Конструктивно проще клеевые соединения втулок. Однако технология склеивания термопластичных материалов со сталью весьма сложна. При этом затруднен демонтаж втулки при ремонте подшипника.

Вследствие повышенных значении температурного коэффициента линейного расширения термопластов при нагревании происходит заметное уменьшение сборочного зазора в сопряжении вал— ППС. В целях уменьшения температурных деформаций втулку иногда выполняют с осевым разрезом (рисунок 2 , д). Однако при использовании втулки с разрезом возникают трудности при ее фиксации в обойме. На рисунке 2,е изображен один из возможных способов крепления такой втулки. Недостатком подшипников с разрезанными втулками является то, что вблизи разреза между втулкой и обоймой скапливается грязь, самопроизвольно уменьшается зазор и ухудшается работоспособность узла. Учитывая это, предложено заменить разрез пазом по наружному диаметру втулки (рисунок 2, ж). Диаметральное расширение втулки будет осуществляться за счет ее изгиба в тонком сечении. В этом случае втулка не может крепиться в обойме запрессовкой, и следует предусмотреть наличие шпоночного выступа, недостатки этого способа фиксации те же, что и недостатки конструкции, приведенной на рисунке 2, б.

2. Самопроворачивающийся  подшипник скольжения конструктивно выполнен таким образом, что размеры рабочей втулки обеспечивают зазор и с валом и с корпусом подшипника (рисунок 2, з). Трение в таком подшипнике должно происходить то по внутренней, то по наружной поверхности втулки. Но для нормальной работоспособности подшипника необходим повышенный суммарный диаметральный зазор, что в большинстве случаев нежелательно.

3.Существуют подшипники в виде обратных пар (рисунок 2, и), когда полимерную втулку напрессовывают на вал. Для надежной ее фиксации и в этом случае используется шпоночное крепление (рисунок 2,к). Однако по ряду эксплуатационных соображений обратные пары применяют весьма редко[1],[2],[4].

 

 

 

2.1.2 Смазывание ППС

 

Форма и расположение смазочных  канавок в пластмассовых подшипниках зависят от температуры, удельного давления и относительной скорости скольжения сопряженных тел. В свою очередь, эффективность смазки существенным образом зависит от конструктивной компоновки пары трения и особенно от формы смазочных канавок, формы подшипника, его зазора, отношения ширины подшипника к его диаметру — от рационального конструктивного решения смазочной системы, направленного на обеспечение обильной смазки всех трущихся поверхностей сопряженных тел.

Чтобы износ подшипника был наименьшим, вал, цапфа, палец должны плавать в подшипнике на слое смазочного вещества, толщина которого должна быть больше суммы высот неровностей поверхностей сопряженной детали и самого подшипника. Для обеспечения таких требований необходимо соблюдать следующие условия:

- пространство между  цапфой и подшипником должно  быть целиком заполнено смазочной жидкостью;

- слой смазки должен клинообразно сужаться в направлении движения;

- скорость  скольжения должна быть настолько  большой, чтобы смазочный клин способствовал возникновению гидродинамических усилий в смазке, уравновешивающих нагрузку, действующую на подшипник, и уменьшающих эксцентрицитет осей трущихся поверхностей.

 Образование  смазочного клина достигается тем, что диаметр подшипника делают большим диаметра цапфы. В состоянии покоя цапфа опирается на подшипник и имеет с ним определенный угол контакта (рисунок 3, а). При возрастании скорости цапфа начинает приподниматься, «плавать» в подшипнике (рисунок  3, б, в, г). Однако цапфа не только поднимается вверх, но и смещается в сторону. Плавание цапфы на слое смазочного вещества возможно лишь тогда, когда гидродинамические усилия, возникшие в этом слое, настолько велики, что они находятся в равновесии с нагрузкой цапфы. Кривая давлений в слое масла представлена на (рисунок 4, а). Форму и расположение этой кривой необходимо принимать во внимание при конструировании смазочных канавок.

Смазочный материал должен подаваться в местах, где возникает наименьшее гидравлическое давление (в ненагруженной зоне), следовательно, в верхней половине подшипника. Однако на практике встречаются неправильные конструкции. Если канавка выполнена так, как показано на (рисунок, б), то давление в слое масла падает до низшего значения в месте ввода масла. При выравнивании давления оно  падает  в  несущей  части   подшипника  и   смазочный   слой существенно теряет способность выдерживать нагрузку.  Аналогично этому весьма неблагоприятные условия смазки создаются  в так называемых   перекрестных   канавках,   которые соединяют зоны  с неодинаковым по величине давлением.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а – скорость шипа нулевая;

б – скорость шипа малая;

в – скорость шипа большая

Рисунок 3 -Типичное расположение вращающегося вала при различных скоростях вращения

 

                                                          

 

а – правильном; б – неправильном

Рисунок 4 - Схема взаимного расположения давлений в масляном слое подшипника скольжения при положении смазочной канавки

 

     По возможности  необходимо стремиться к тому, чтобы смазка поступала в подшипник в месте расширения зазора. При выполнении этого условия масло во время вращения вала засасывается в зазор. Если вал реверсирует, то смазочные  канавки   выполняют с двух сторон подшипника и смазка подается    в   зависимости   от   на правления вращения вала. Иногда смазка подается в обе канавки. Режим гидродинамического давления при этом не изменяется.

Обильная смазка обеспечивает эффективное охлаждение сильнонагружаемых подшипников. Если смазочная канавка расположена в верхней части, то режим смазки при любом направлении вращения одинаков.

Если шип неподвижен, а подшипник  вращается, то масло должно подаваться так, как указано на (рисунок 5), т. е. масляный канал должен быть расположен в шипе и выходить к смазочной канавке тоже в шипе. В этом случае канавка располагается в ненагружаемой части подшипника. Типичным примером именно такой компоновки являются подшипники колесных пар железнодорожных вагонов.

Кроме того, при конструировании  пластмассовых подшипников скольжения следует руководствоваться следующими соображениями.

Все смазочные канавки должны иметь  небольшую глубину, не ослаблять втулку; края смазочных канавок должны быть тщательно закруглены (рисунок 6, а).