Полимерные подшипники скольжения

Монолитный  фторопласт способен к закалке, заключающейся  в сохранении в полимере значительного  количества аморфной фазы при резком охлаждеии полимера, нагретого выше температуры плавления кристаллитов (+327⁰С). Закалка снижает твердость фторопласта, но сильно увеличивает его относительное удлинение при разрыве. При закалке необходимо обеспечить быстрое охлаждение в интервале температур 327-250°С, так как уже при температуре 250 С скорость кристаллизации фторопласта мала и ею можно пренебречь. Температура стеклования аморфных участков равна приблизительно —120⁰С.

Способность фторопласта-4 менять форму под действием нагрузок при невысоких температурах называть хладотекучестью неправильно, так как наблюдаются характерные для каждой температуры конечные величины остаточной деформации. Причиной такого псевдотечения фторопласта-4 является процесс рекристаллизации, начинающийся в образце при достижении напряжения определенной величины, которую можно назвать пределом псевдотекучести. С повышением температуры предел псевдотекучестн резко снижается. Предел псевдотекучестн при растяжении в зависимости от температуры  имеет следующие значения:

T, 0C	25	50	75	100	150	200	250
, МПа	1424	1065	835	672	466	355	286

Фторопласт-4 имеет совершенную «пластическую память» или тенденцию к восстановлению первоначальной формы при нагревании выше той температуры, при которой производилось деформирование. Это свойство необходимо учитывать при изготовлении из него изделий деформированием при повышенных температурах.

Значения механических  свойств  фторопласта-4  в  диапазоне температуры от -60 до +120° С приведены в таблице 3[3].

 

 

Таблица 3 - Зависимость механических свойств фторопласта-4 от температуры

Температура, 0С	Модуль упругости при сжатии (незакаленный образец), х10,МПа	Модуль упругости при изгибе образца, х!0,МПа		Предел прочности при растяжении образца, х10,МПа		Относительное удлинение при разрыве образца, %
		закаленного	незакаленного	закаленного	незакаленного	закаленного	незакаленного
-60 -40 -20 0 +20 +40 +60 +80 +100 +120	18000 17000 15000 11000 7000 4500 3300 2400 1700 -	13200 11300 9800 7400 4700 4000 2900 2180 - 1100	27800 23900 23300 18100 8500 5100 4800 3800 - 2450	- 500 440 330 250 240 - 200 190 -	- 350 325 300 200 180 - 135 115 -	- 100 160 190 400 500 - 500 480 -	- 70 100 150 470 650 - 600 540 -

 

 

2.2.5 Характеристика АПМ на основе реактопластов

 

Антифрикционные пластмассы в узлах трения начали применять в текстолитах — термореактивных пластмассах на основе фенолформальдегидных смол и хлопчатобумажных тканей. Текстолиты использованы для изготовления наборных подшипников скольжения для работы со смазыванием водой, а также для нарезания зубчатых колес и кулачковых передач. Позднее был освоен выпуск специальных антифрикционных реактопластов для подшипников, работающих без смазки. С появлением высокотехнологичных антифрикционных термопластичных полимеров антифрикционные реактопласты утратили ведущее положение. Однако когда к узлам предъявляют повышенные требования по жесткости, размерной стабильности и теплостойкости, пластмассы на основе термореактивных связующих применяют довольно широко, в частности в химическом и металлургическом оборудовании, водном и железнодорожном транспорте.

Текстолиты  — слоистые пластики, изготовляемые методом горячего прессования нескольких слоев ткани или других слоистых армирующих материалов, пропитанных синтетическими смолами. Текстолитовые подшипники изготовляют резанием из стандартных заготовок, так как в мелкосерийном и единичном производствах затраты на оснастку для прессования экономически неоправданны. Прессование неразрезных втулок из текстолитовой крошки (фенолита) осуществляют при серийном и массовом производствах.

Промышленность  выпускает графитированный текстолит (см. таблицу 1). Введение графита в фенолиты позволяет увеличить теплопроводность материалов до 1,0 Вт/(м*⁰С). Введение ПТФЭ в фенолиты позволяет создать самосмазывающиеся подшипники, способные работать без смазки при скорости скольжения до 6м/с. Антифрикционный фторопластовый текстолит получают пропиткой хлопчатобумажных и капроновых тканей фторопластовыми лаками ФБФ-48 и ФБФ-74Д. Самосмазываемость текстолита повышается также добавлением при прессовании нефтяного смазочного материала высокой вязкости. Кроме того, в композицию добавляют графит, дисульфид молибдена и масло высокой вязкости.

Институт  металлополимерных систем АН БССР разработал самосмазывающийся высокотемпературный металлизированный текстолит, изготовляемый из графитизированной омедненной ткани, термостойкой фурановой смолы с добавками поверхностно-активных веществ. Подшипники из этого материала, работающие без смазки, выдерживают температуру 250-300⁰С. При эксплуатации проявляется эффект избирательного переноса частиц меди на поверхность трения вала, что обеспечивает низкие трение и изнашивание текстолитового вкладыша и вала.

Текстолитовые подшипники способны выдерживать значительные ударные нагрузки даже в случаях, когда менее податливые бронзовые подшипники деформируются. Высокий коэффициент трения текстолитового вкладыша в начале эксплуатации снижается более чем на порядок после приработки.

Изменение толщины вследствие влагопоглощения текстолитовых вкладышей длится до двух лет, после чего их размеры не меняются. Этот процесс положительно влияет на работу подшипника, так как благодаря ему компенсируется износ вкладышей по высоте, а по ширине создается плотный контакт между вкладышами в наборе. Поглощение воды и других жидкостей происходит в основном хлопчатобумажной тканью. Поэтому линейные размеры увеличиваются по толщине плиты текстолита, что при наборной конструкции подшипника не вызывает заметного уменьшения рабочего диаметра подшипника[3,4].

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3 Критерии работоспособности полимерных подшипников

 

Анализ свойств АПМ и областей их применения в подшипниковых узлах позволил сделать вывод, что для узлов с недостаточным смазыванием наиболее перспективны композиционные материалы на основе литьевых термопластов и металлофторопластовая лента.

Материалы на основе ПТФЭ имеют малый коэффициент  трения, не увеличивающийся с повышением температуры. Срок службы подшипников  из этих материалов определяется скоростью их изнашивания. Следовательно для расчета их долговечности требуется установить зависимости интенсивности их изнашивания от условий и режимов эксплуатации (с учетом конструктивных особенностей подшипников).

В отличие  от ПТФЭ антифрикционные и другие свойства литьевых термопластичных материалов (ацетальных смол, полиамидов) зависят от температуры. Вместе с тем при нормальной температуре или незначительном нагреве их износ незаметен. Поэтому основным критерием предельных режимов эксплуатации термопластичных подшипников скольжения (ТПС) является допустимый уровень температур. Следовательно, в основе расчета нагрузочной способности ТПС должен лежать тепловой расчет узла, задачей которого является определение рабочей температуры узла или (при заданной допустимой температуре эксплуатации) допустимых режимов эксплуатации ТПС в данном узле. В виду малой теплопроводности и сравнительно высоких значений коэффициента линейного температурного расширения полимеров при эксплуатации ТПС возникают затруднения в отводе теплоты через подшипник и значительно изменяются сборочные зазоры[2,4].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.4 Расчет ТПС. Основные допущения и расчетные схемы

 

Эксплуатации  полимерных подшипников, как правило, осуществляется без смазывания или при его недостаточности. Рассматривается установившийся тепловой режим, так как в реальных условиях эксплуатации продолжительнее всего подшипниковые узлы работают в этом режиме. В установившемся режиме все точки корпуса и вала нагреты до определенной температуры, а вновь образуемая теплота уходит в окружающую среду.

На рисунок 1 изображена схема узла, в котором вал вращается в неподвижном подшипнике.

Рисунок 1 - Расчетная схема полимерного подшипника скольжения

 

При расчете  принимается следующая схема тепловых потоков. Теплота образуется на площадке контакта подшипника с валом, ограниченной углом , в процессе фрикционного взаимодействия рабочих поверхностей подшипника и вала. Избыточная температура вала под подшипником постоянна в радиальном и осевом направлениях. Максимальную температуру на рабочей поверхности обычно определяют как сумму средней температуры поверхности трения и температуры вспышки на пятне контакта. Однако при скоростях скольжения подшипниковых узлов менее 2,5 м/с роль температурных вспышек па пятнах контакта будет незначительной и ими можно пренебречь. Избыточная температура площадки контакта подшипника также постоянна и равна , а за пределами опорной площадки температура рабочей поверхности подшипника снижается по экспоненциальному закону, достигая минимального значения в точке с рабочей поверхности, наиболее удаленной от опорной площадки. Таким образом, температурное поле по окружности несимметрично. Для удобства расчета ТПС схему теплоотвода через подшипник следует привести к симметричному виду введением коэффициента

,

где — средняя избыточная температура рабочей поверхности подшипника, установленная на основе экспериментов при периодическом смазывании и показывающая, что температура в точке с при  установившемся тепловом режиме составляет обычно 0,6—0,7 . Принимая, что вне площадки контакта температура рабочей поверхности равна температуре в точке с (см. развертку по углу на рисунке 2), из требования равенства площадей многоугольников degf и cegabc' можно определить значение . Расчеты показали, что при неподвижном подшипнике этот коэффициент примерно составляет 0,75—0,80. Количество теплоты в единицу времени Q (тепловой поток, Вт),  имеющее место на поверхностях трения, определяют по формуле

,

которую можно привести к виду:

_.  (1)

Режимы работы берут из паспорта или рассчитывают, размеры подшипника известны из чертежа. Коэффициенты трения определяют из таблиц, составленных на основании экспериментов.

Учитывая  ограниченность смазывания, теплоотводом через масло следует пренебречь. Тогда можно написать уравнение теплового баланса в виде

,

где и тепловые потоки, отводимые соответственно через корпус подшипника и вал в единицу времени, Вт. Их можно представить следующим образом:

; ,

где К_к и К_В ^— параметры теплоотводов (Вт/°С), имеющие физический смысл количества теплоты, отводимой соответственно через корпус подшипника или вал в единицу времени при нагреве поверхности трения на 1 °С. На основании уравнения теплового баланса суммарный параметр теплоотвода подшипникового узла К_Т определяется следующим образом:

.

Решив уравнение (1) относительно и подставив значение допустимой избыточной температуры эксплуатации [ ] (°С), получим формулу для определения допустимых режимов эксплуатации (Мпа*м/с) рассчитываемого подшипника:

_.  (2)

Допустимая  избыточная температура [ ] нагрева станочных узлов составляет обычно 70—90 °С. Допустимый режим эксплуатации подшипника оказывается прямо пропорционален выражению К_т/(dl)=М, которое характеризует конструктивное исполнение узла.

Если значение [ ]определенное по формуле (2), окажется выше или равным максимальному значению при котором эксплуатируется данный узел, то рассчитываемый подшипник может в нем эксплуатироваться.

Решая уравнение  теплового баланса относительно получим выражение для температуры подшипника, исходя из его конструктивного исполнения и режима эксплуатации:

.

Самым ответственным  этапом расчета нагрузочной способности полимерного подшипника является определение параметра теплоотвода узла К_т, в котором этот подшипник эксплуатируется. Значение этого параметра в основном зависит от конструкции подшипникового узла. Все многообразие корпусов подшипниковых узлов можно свести к четырем типовым конструкциям, схематически изображенным на рисунке 2.

Рисунок 2 - Типовые конструкции корпусов подшипниковых узлов

 

Общим для  этих схем является наличие полимерного слоя в подшипнике, обладающего низкой теплопроводностью и затрудняющего теплоотвод через корпус подшипника. Корпусом типа I являются стенки коробок, типа II — зубчатое колесо, типа III — деталь более сложной конфигурации (например, блок-шестерня). Корпус типа IV имеет малую протяженность в радиальном и значительную в осевом направлениях; его радиальное сечение представляет собой кольцо. Теплоотвод от подшипника через корпуса, выполненные по типам I, II, III, осуществляется в радиальном направлении. Его можно рассматривать как теплоотвод через цилиндрическую стенку полимерного слоя подшипника и стальное круглое ребро постоянной толщины (рисунок 3, а).