Полимерные подшипники скольжения
Содержание:
- Введение
- 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
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
2.5 Обоснование выбора вида АПМ для несмазываемых подшипников скольжения
Заключение
Литература
Введение
Сопряжения
подвижных одна относительно другой
деталей имеются в любых
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].
- 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
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
- скорость
скольжения должна быть
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 скол
Все смазочные канавки должны иметь небольшую глубину, не ослаблять втулку; края смазочных канавок должны быть тщательно закруглены (рисунок 6, а).
Рисунок 5 - Расположение смазочной канавки для неподвижного шипа и вращающегося вкладыша.
2 – неподвижный шип
Рисунок 6 - Форма смазочных канавок.
Канавки не должны доходить до краев втулки, иначе масло будет вытекать из подшипника (рисунок 6, б).
Пластмассовые подшипники с большими скоростями скольжения необходимо с целью эффективного охлаждения обеспечивать обильной смазкой. Для этого на разгонной стороне подшипника выполняют широкие смазочные карманы (рисунок 7). Схема распределения масла по смазочным канавкам видна из (рисунок 8).
Рисунок 7 - Схема расположения смазочного канала в нерабочей части подшипника при постоянной по направлению нагрузке.
Рисунок 8 - Схема распределения масла по смазочным канавкам.
Поскольку в парах трения качество соприкасающихся поверхностей оказывает существенное влияние на условия трения и износа, сопряженные детали должны быть обработаны с наибольшей точностью и иметь необходимую чистоту поверхности. Шлифованные поверхности тщательно очищают, чтобы оставшиеся от шлифования частицы не ухудшали режима скольжения и не снижали бы срок службы подшипника.
Для узлов, в которых затруднено смазывание, предложены специальные конструкции, обеспечивающие поддержание масляной пленки на поверхности трения. В одних случаях это достигается при помощи компенсационного резервуара со смазочным материалом, размещенного в корпусе подшипника, на рабочую поверхность которого нанесен полимерный слой (рисунок 2, л). При повышении температуры смазочный материал, находящийся в резервуаре, расширяется и через специальные, гнезда с питателями из порошковых материалов поступает на поверхность трения. В других случаях (рисунок 2, м) резервуар для смазочного материала размешен в элементах подшипника, выполненных из термопласта. В приведенной конструкции втулку 1 крепят на валу, а кольцо 3 впрессовывают в корпус. Деталь 2 изготовленную из термопласта (в частности, полиацеталя), фиксируют в осевом направлении при помощи специальных выступов. На рисунке 2,к изображена конструкция подшипника, где в качестве рабочего элемента использована намотанная полиамидная нить, между витками которой хорошо удерживается смазочный материал.
Три последние конструкции обладают общим недостатком: конструктивной сложностью, затрудняющей их изготовление, монтаж, эксплуатацию и ремонт. Значительно рациональнее в узлах, где смазывание затруднено, использовать самосмазывающиеся материалы. Примером является конструкция ППС с запрессованной втулкой (рисунок 2, а). Она обладает определенными технологическими и эксплуатационными преимуществами: обеспечивает технологичность изготовления деталей и сборки подшипника, взаимозаменяемость и удобство в ремонте. Стальная обойма такого подшипника может быть изготовлена из трубы за одну установку на токарном автомате без применения иных видов механической обработки. Изготовление обойм для подшипников, изображенных на рисунке 2, б, в, е, ж, к – н, более трудоемко, чем изготовление обоймы по рисунку 2, а. Подшипник, показанный на рисунке 2, а, состоит всего из двух деталей (обоймы и втулки), что является предпосылкой для его высокой взаимозаменяемости (сравните с рисунком 2, г, е, ж, к). Ремонт подшипника (рисунок 2, а) сводится к выпрессовке вышедшей из строя втулки и установке новой. В процессе эксплуатации и нагрева (а также при набухании в результате влагопоглощения), гладкая втулка претерпевает симметричные относительно оси деформации без местных утолщений, которые осложняют расчет действительного зазора и вызывают необходимость увеличения сборочного зазора в сопряжении вал—ППС[2,4].
2.1.3 Конструктивные элементы
1. Вкладыш подшипника (деталь радиального подшипника скольжения, поверхность скольжения которой составляет 180° окружности опоры).
1.1. Тонкостенный вкладыш подшипника (вкладыш подшипника скольжения, толщина стенки которого так мала, что отклонения от правильной геометрической формы посадочной поверхности влияют на форму рабочей поверхности подшипника скольжения).
1.2. Толстостенный вкладыш подшипника (вкладыш подшипника скольжения, толщина стенки которого так велика, что отклонения от правильной геометрической формы посадочной поверхности не влияют на форму рабочей поверхности подшипника скольжения).
1.3. Посадочная (задняя) поверхность подшипника скольжения (цилиндрическая наружная поверхность вкладыша подшипника скольжения или втулки).
2. Втулка подшипника скольжения (сменный трубчатый элемент подшипника скольжения, внутренняя и/или наружная поверхность которого является рабочей поверхностью подшипника скольжения).
2.1. Свертная втулка подшипника скольжения (втулка, изготавливаемая свертыванием ленты из однослойного или многослойного подшипникового материала).
3. Буртовый вкладыш (втулка) подшипника (вкладыш (втулка) подшипника скольжения, снабженный (ая) буртом с одной или двух сторон).
4. Однослойный вкладыш (втулка) (вкладыш (втулка) подшипника скольжения, выполненный (ая) из одного материала).
5. Многослойный вкладыш (втулка) (вкладыш (втулка) подшипника скольжения, состоящий (ая) из слоев различных материалов).
5.1. Основа вкладыша подшипника (часть многослойного вкладыша подшипника, на которую наносится подшипниковый материал и которая обеспечивает ему требуемую прочность и/или жесткость).
5.2. Слой подшипникового материала (толстый слой подшипникового материала, являющийся частью многослойного вкладыша).
Примечание — Толщина слоя обычно более 0,2 мм
5.3. Приработочный слой подшипника скольжения (слой материала, наносимый на подшипниковый материал для улучшения прирабатываемости, прилегаемости, способности к поглощению твердых частиц и, в некоторых случаях, коррозионной стойкости).
Примечание — Толщина слоя обычно от 0,01 до 0,05 мм.
5.4. Промежуточный слой, сцепляющий слой (очень тонкий слой между приработочным слоем и слоем подшипникового материала для упрочнения сцепления и уменьшения диффузии).
Примечание — Толщина слоя обычно от 0,001 до 0,002 мм .
5.5. Защитный слой (очень тонкий слой на поверхности подшипника или на основе для защиты от коррозии при хранении).
Примечание — Толщина слоя обычно от 0,0005 до 0,0010 мм.
6. Упорное кольцо (плоское кольцо, устанавливаемое с радиальным подшипником скольжения для восприятия осевых усилий).
6.1. Упорное полукольцо (часть кольца, которая при сочетании с другой такой же частью образует упорное кольцо).
7. Сегмент (составная часть сегментного подшипника скольжения, воспринимающая нагрузку).
7.1. Радиальный сегмент (сегмент, представляющий собой составную часть радиального сегментного подшипника скольжения).
7.2. Упорный сегмент (сегмент, представляющий собой составную часть сегментного упорного подшипника скольжения).
8. Шейка вала (участок вала или оси, опирающийся на радиальный подшипник скольжения).
9. Пята (кольцевой элемент, соединяемый с валом, опирающийся на упорный подшипник скольжения).
10. Смазочное кольцо (свободно висящее), смазочный диск (неподвижно закрепленный) (кольцеобразная деталь, неподвижно соединенная или свободно висящая на валу, предназначенная для подачи смазочного материала к подшипнику).
11. Корпус подшипника скольжения (корпус, в котором устанавливается подшипник скольжения).
12. Блок корпуса подшипника скольжения (Часть корпуса, на которую опирается подшипник).
13. Крышка корпуса подшипника (Часть корпуса, удерживающая подшипник в блоке).
14. Запорная крышка подшипника скольжения (Крышка, закрывающая подшипник с торца в осевом направлении).
15. Уплотнение узла подшипника скольжения (элемент, служащий для уплотнения корпуса подшипника скольжения, препятствующий утечке смазочного материала и попаданию грязи).
16. Фланец корпусного подшипника (часть корпусного фланцевого подшипника для крепления в направлении оси).
17. Установочная плоскость корпусного подшипника скольжения (часть корпусного подшипника скольжения на лапах, предназначенная для крепления в направлении, перпендикулярном к оси вала).
18. Изоляционный элемент (элемент, предназначенный для электрической изоляции между подшипником скольжения и корпусом или между корпусом и креплением корпуса).
19. Паз смазочного кольца (выточка во вкладыше подшипника скольжения для установки смазочного кольца).
20. Заливное отверстие (запираемое отверстие для заливки смазочного материала в корпус подшипника скольжения).
21. Сливное отверстие (запираемое отверстие для слива смазочного материала из корпуса подшипника скольжения) .
22. Посадочное отверстие корпуса подшипника скольжения (сферическое или цилиндрическое отверстие в корпусе подшипника скольжения для установки втулки или вкладышей)[1,2].
2.1.4 Конструктивные элементы для смазки
1. Смазочное отверстие (отверстие, идущее к рабочей поверхности подшипника скольжения, служащее для подведения и распределения смазочного материала).
2. Наружная смазочная канавка (канавка на задней поверхности подшипника скольжения, служащая для подведения смазочного материала к смазочному отверстию).
3. Смазочная канавка (канавка, выполненная на рабочей поверхности подшипника скольжения для подачи смазочного материала и его распределения по поверхности трения).
3.1. Продольная смазочная канавка (смазочная канавка, выполненная в направлении, параллельном оси подшипника скольжения).
3.2. Кольцевая смазочная канавка (смазочная канавка, выполненная в форме кольца или его части).
3.3. Винтовая смазочная канавка (смазочная канавка, выполненная в форме винтовой линии).
3.4. Открытая смазочная канавка (осевая смазочная канавка, выполненная на полную ширину подшипника).
3.5. Закрытая смазочная канавка (смазочная канавка, не достигающая торцевой (ых) поверхности (ей) подшипника).
3.6. Отводная смазочная канавка (продольная смазочная канавка, примыкающая или проходящая по стыку вкладышей).
4. Смазочный карман (углубление на поверхности подшипника скольжения, служащее для накопления смазочного материала и его распределения).
5. Фиксатор (выступ, паз или отверстие, служащие для предотвращения смещения подшипника в корпусе)[1,2].
2.2 Конструкционные материалы используемые в полимерных подшипниках скольжения
2.2.1 Материалы и их свойства
1. Подшипниковый материал, антифрикционный материал (подшипниковый материал, обладающий комплексом специальных свойств, обеспечивающих возможность его применения для подшипников скольжения).
2. Многослойный подшипниковый материал (подшипниковый материал, состоящий из двух или более слоев различного состава).
3. Материал основы подшипника скольжения (материал, из которого изготовлена основа вкладыша подшипника скольжения).
4. Композиционный подшипниковый материал (подшипниковый материал, содержащий металлы, полимеры, твердые смазочные материалы или волокна).
5. Спеченный подшипниковый материал (материал, полученный из спрессованных и спеченных порошков).
6. Трибологическая совместимость (свойство подшипникового материала обеспечивать оптимальные трибологические характеристики в данной трибологической системе).
7. Прилегаемость при трении (свойство подшипникового материала обеспечивать приемлемые условия прилегания к сопряженной поверхности в результате упругого и пластического деформирования).
8. Прирабатываемость (свойство подшипникового материала обеспечивать приемлемо малую силу трения, высокую износостойкость и стойкость к заеданию после начальной приработки к заданному материалу при применении заданного смазочного материала).
9. Способность к поглощению (свойство подшипникового материала к поглощению твердых частиц).
10. Сцепляемость (свойство антифрикционного подшипникового материала образовывать приемлемо прочные соединения с заданным материалом основы подшипников скольжения).
11. Стойкость к заеданию (свойство подшипникового материала в трибологической системе оказывать сопротивление заеданию).
12. Износостойкость (свойство антифрикционного подшипникового материала в трибологической системе оказывать сопротивление изнашиванию, оцениваемое показателем износостойкости — величиной, обратной скорости изнашивания или интенсивности изнашивания).
