Text
                    ДЛЯ ВУЗОВ
Д.Н. Гаркунов
ТРИБОТЕХНИКА
КОНСТРУИРОВАНИЕ,
ИЗГОТОВЛЕНИЕ
И ЭКСПЛУАТАЦИЯ МАШИН
5-е издание
переработанное и дополненное
Рекомендовано Министерством образования
Российской Федерации в качестве учебника
для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по специальности «Оборудование
и технология повышения износостойкости
и восстановления деталей машин и аппаратов»
направления подготовки дипломированных
специалистов «Магииностроителъные технологии
и оборудование»
МОСКВА Издательство МСХА
2002


УДК 620.179.112@75.8) ББК34.41яГ20 73 Г20 Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина Рецензенты В.В. Стрельцов, В,Ф. Пичугин Гаркунов Д.Н. Г20 Триботехника (конструирование, изготовление и эксплуатация машин): Учебник. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: "Издательство МСХА", 2002. 632 с, ил. 250. 18ВИ 5-94327-093-0 Книга состоит из трех частей: в первой части рассмотрены конструктивные приемы повышения долговечности трущихся деталей машин. Даны сведения о материалах, применяемых для изготовления узлов трения машин и их сочетания в парах трения, зазорах в сочленениях, жесткости и податливости подвижных деталей, методах подвода смазочного материала к поверхности трения, оценке и выбору принципиальной схемы узлов трения и машины в целом с позиции ее влияния на износостойкость и надежность конструкции. На отдельных примерах показаны наиболее удачные конструкции уплотнений, плавающих деталей, защиты деталей от загрязнений, химического воздействия среды, паразитных токов, замены подшипников скольжения на подшипники качения и др. Во второй части изложены технологические методы повышения износостойкости машин и механизмов. Описаны термическая, химико- термическая и химическая обработки поверхностей деталей. Представлены материалы о наплавке, гальванический покрытиях, металлизации напылением, покрытии деталей дисульфидом молибдена, электроискровом упрочнении и др. Даны подробные сведения о финишной антифрикционной безабразивной обработке стальных и чугунных трущихся деталей. Третья часть книги посвящена эксплуатационным методам повышения износостойкости узлов трения машин и оборудования. В ней рассмотрены вопросы обкатки машин, стендовых и эксплуатационных испытаний, смазки узлов трения в эксплуатации, влияния условий эксплуатации и режима работы машины на износ деталей. Дан метод безразборного восстановления изношенных машин и механизмов. Для студентов по специальности 120600 "Оборудование и технология повышения износостойкости и восстановления деталей машин и аппаратов". Книга может быть полезна для научных и инженерно-технических работников машиностроительных и ремонтных предприятий. ИЖЧ 5-94327-093-0 © Д.Н. Гаркунов, 2002 ©Издательство "Машиностроение'1, 1985 © Издательство ••Машиностроение", 1989, переработанное и дополненное © Издательство "Машиностроение", 1999, переработанное и дополненное © "Издательство МСХА", 2001,переработанное и дополненное, МСХА 2002
ВВЕДЕНИЕ В настоящее время триботехнику можно разделить на пять основных разделов: / - износ; 2 - безызносность; 3 и 4 - конструктивные и технологические методы повышения надежности и долговечности трущихся деталей; 5 - вопросы эксплуатации машин в связи с их долговечностью по износу. В первый раздел триботехники (износ) входят такие вопросы, как качество поверхности, физико-химические свойства и контактирование поверхностей деталей, виды трения в узлах машин, механизм изнашивания деталей пар трения и рабочих органов, виды разрушения рабочих поверхностей деталей и рабочих органов машин (сюда входит все многообразие видов изнашивания, включая разрушения при контактных нагрузках), связь сопротивления усталости деталей с процессами трения и изнашивания, распределение износа по поверхности деталей и многие другие вопросы. Во второй раздел триботехники входят вопросы безызносности при трении. В последние годы в нашей стране и за рубежом широко изучается "эффект безызносности" (избирательный перенос при трении - научное открытие № 41, СССР, 1964). На основе этого явления разработаны новые смазочные материалы и присадки к ним, металлические и неметаллические материалы, приработочные покрытия и конструкции узлов трения, снижающие затраты энергии на трение и значительно повышающие износостойкость трущихся деталей машин и оборудования. Как оказалось, избирательный перенос является одним из эффективных средств снижения интенсивности водородного изнашивания деталей. На разработки методов повышения износостойкости на основе избирательного переноса при трении выдано более 350 авторских свидетельств. На предприятиях авиационной промышленности использование новых смазочных материалов, реализующих избирательный перенос при трении, позволило значительно повысить надежность работы ответственных узлов трения, сократить расход цветных металлов на их изготовление и уменьшить объем регламентных работ. В морском флоте разработаны новые конструкции и материалы для подшипни-
4 ВВЕДЕНИЕ ков, которые позволили заменить смазку маслом на смазку морской водой. В насосном оборудовании нефтепроводов внедрены торцевые уплотнения, работающие в режиме избирательного переноса. Срок службы насосов повысился с 10 до 30 тыс. ч. Экономический эффект составил несколько миллионов рублей A989 г.). На ряде текстильных предприятий применяют новые металло- плакирующие смазочные материалы, что повысило долговечность узлов трения в 2-4 раза, увеличило время между смазочными работами до 10 раз, снизило энергопотребление текстильных машин на 5-10% [27]. По эффекту безызносности - избирательному переносу при трении (ИП) - имеется большое количество литературных источников. На стр. 292 дан краткий их перечень по разделам: исследования физического механизма ИП; конструкционные материалы, работающие в режиме ИП; смазочные материалы, обеспечивающие условия реализации ИП; финишная антифрикционная безабразивная обработка поверхностей деталей; применение ИП в узлах трения машин; отдельные издания по ИП; названия докторских и кандидатских диссертаций. Первый и второй разделы триботехники нами были рассмотрены в книге "Триботехника. Износ и безызносность" (Изд-во МСХА, 2001г.). Третий раздел триботехники - конструктивные методы повышения долговечности и надежности работы трущихся деталей - содержит ряд важных вопросов, которые должен решать конструктор. Главные его задачи в этом плане: — оценка и выбор принципиальной схемы узла трения машины в целом с позиций ее влияния на износостойкость и надежность конструкции; — выбор материалов и сочетания их в парах трения; назначение размеров и формы деталей с учетом местной и общей прочности; — обеспечение нормального функционирования узлов трения в заданных условиях путем организации соответствующей смазочной системы, защиты от загрязняющего и химического воздействия среды, блуждающих токов и перегрева, а также от возможных перегрузок узлов трения в эксплуатации; — обеспечение эксплуатации узлов трения с минимальными затратами; — защита трущихся поверхностей деталей и узлов от возможных аварийных повреждений в эксплуатации. Решение указанных задач при проектировании узлов трения естественно должно исходить из основных принципов создания машины. Она должна отвечать своему назначению и иметь высокие технико-экономические и эксплуатационные показатели, главными из ко-
ВВЕДЕНИЕ 5 торых являются: производительность, экономичность, прочность, надежность и долговечность; малые удельная масса, металло- и энергоемкость, габариты, объем и стоимость ремонтных работ при эксплуатации, оплата труда операторов; высокая степень автоматизации, простота и безопасность обслуживания, удобство управления, сборки и разборки [22]. Ввиду отсутствия во многих конструкторских бюро специалистов по трению, изнашиванию и смазкам, перечисленные вопросы в ряде случаев выпадают из поля зрения при проектировании машин и оборудования. Как следствие этого разработанная конструкция может иметь ряд дефектов, которые впоследствии задерживают доводку машины, увеличивают непроизводительные расходы на ее эксплуатацию и ремонт и удорожают обслуживание. Для избежания этого целесообразно проводить экспертизу проекта и находить конструктивные решения, которые исключали бы возникновение триботехни- ческих проблем, повышая тем самим надежность и облегчая обслуживание машин и оборудования. В экспертизе должны принимать участие материаловеды, триботехники, экономисты. При решении триботехнических задач работа специалистов должна быть направлена на повышение износостойкости машины, применение адекватных узлов трения и обеспечение подходящих смазочных материалов и приработочных покрытий, а также на максимальное снижение затрат на ремонт и техническое обслуживание. В качестве примера успешной работы экспертов укажем на разработку уникального автокрана-250, которую выполнял Всесоюзный конструкторско-технологическии институт механизации монтажных и специальных строительных работ (ВКТИ). Участие привлеченных к этой разработке специалистов-триботехников позволило обеспечить нормальную работу поворотного устройства крана, которое часто выходило из строя из-за большой нагрузки. В результате изменения конструкции сепаратора, применения финишной антифрикционной безабразивной обработки поверхностей трущихся деталей, а также металлоплакирующих присадок к смазывающим маслам, надежность поворотного устройства значительно повысилась: не было перегрева деталей при максимальных нагрузках крана, потребление энергии на поворот крана стало в 4 раза ниже, чем у подобных устройств кранов значительно меньшей грузоподъемности. Из зарубежных источников можно привести примеры решения триботехнических задач в стале- и чугунолитейной промышленности. Замена фторопластовых уплотнений в литейных машинах, работающих при температуре до 260°С, на асбографитовые позволила повысить ресурс уплотнений в 10 раз. Распределительный механизм для загрузки сырья в доменную печь быстро изнашивался под действием абразивного материала и высоких температур. Моди-
6 ВВЕДЕНИЕ фикация подшипников и уплотнений валов механизма позволила увеличить их долговечность вдвое. Для транспортировки сухой абразивной железной руды используются шнековые конвейеры. Проверка их конструкций выявила в них ряд дефектов. Установка высокотемпературных уплотнений лабиринтного типа и замена подшипников скольжения на упорные конические подшипники качения повысили ресурс конвейеров и снизили затраты на техническое обслуживание. Четвертый раздел триботехники - технологические способы повышения долговечности и надежности работы трущихся деталей - охватывает вопросы получения материалов и покрытий, а также заготовок, с заданными свойствами применительно к трущимся деталям; вопросы обработки заготовок для получения деталей требуемой формы и надлежащей точности, упрочнения рабочих поверхностей деталей, сборки в агрегаты и испытания узлов машин. Получение износостойких материалов для изготовления машин и оборудования слагается из: а) производства уже известных марок материалов, удовлетворяющих условиям износостойкости, но с наименьшими затратами; б) изыскания новых материалов, удовлетворяющих условиям службы. Такие изыскания проводятся непрерывно как в силу повышения требований к материалам для новых конструкций машин и при модернизации старых, так и ввиду необходимости замены дефицитных материалов и удешевления переработки сырья в изделие. Применяют следующие технологические процессы для повышения долговечности работы трущихся деталей: пластическое деформирование, термическую, химико-термическую и химическую обработку рабочих поверхностей деталей, гальванические покрытия, металлизацию напылением и наплавку поверхностей, электроискровое упрочнение, финишную антифрикционную обработку (ФАБО) и др. Задача процесса заключается в создании износостойкой (при тех или иных условиях внешней среды) или хорошо прирабатывающейся рабочей поверхности детали. Способ обработки рабочей поверхности выбирает конструктор совместно с технологом после выполнения технико-экономических расчетов. Разработать и реализовать наиболее оптимальные технологические процессы, начиная с получения материалов и заготовок и кончая обкаткой или испытанием узлов и машин, позволит специализация производства или наличие специализированных участков. Невысокое качество продукции в значительной мере обусловливается несовершенством технологии, которое проявляется в низкой надежности и малом сроке службы трущихся деталей. Пятый раздел триботехники рассматривает вопросы эксплуатации машин в связи с их долговечностью по износу. Под технической
ВВЕДЕНИЕ 7 эксплуатацией понимают сумму технических и организационных мероприятий, обеспечивающих наиболее эффективное использование машин при наименьших материальных и трудовых затратах. Конечным выражением эффективности использования машин, или целью технической эксплуатации является получение эксплуатационного периода максимально возможной длительности. Методы технической эксплуатации машин постоянно изменяются, изыскиваются методы, наиболее удовлетворяющие служебному назначению машин. С развитием техники некоторые машины могут быть переведены на безремонтную эксплуатацию. Имеется в виду упразднение капитального и восстановительного ремонтов и введение комплектационного ремонта, т.е. замены износившихся деталей, узлов и агрегатов. Перевод машин на безремонтную эксплуатацию является комплексной задачей. Главными предпосылками здесь должны быть: значительное увеличение срока службы узлов трения; построение машины по агрегатному принципу, при котором можно заменить изношенный узел трения независимо от других узлов; создание в конструкции машин неизнашивающихся фиксирующих поверхностей, служащих базами при установке сменных деталей; широкое развитие средств технической диагностики трущихся деталей и узлов; применение безразборного восстановления изношенных узлов трения. Взамен планово-предупредительной системе ремонта техническая диагностика может обеспечить ремонт по техническому состоянию. Такая форма обслуживания машин принята на некоторых заводах автомобильной промышленности. Средства технической диагностики позволяют выявить подлинное техническое состояние машины. Они включают методы оценки состояния деталей с использованием эндоскопов (в труднодоступных местах), измерение температуры узлов трения, частоты колебаний и частоты вращения, величины крутящего момента, мощности, проверку шумов, определение запахов и др. К вопросам эксплуатации машин в связи с их долговечностью по износу относятся изменение свойств смазочного материала в процессе эксплуатации, обкатка машин, стендовые и эксплуатационные испытания, влияние условий эксплуатации и режима работы машин на интенсивность изнашивания их деталей, уход за машиной во время работы, техническое обслуживание и ремонт машин, предельные величины износов и сроки службы деталей и др.
8 ВВЕДЕНИЕ Содержание всех разделов триботехники подчинено одной задаче - повышению долговечности машин. Это наиболее эффективный и экономичный способ увеличения действующего (т.е. фактически работающего) машинного парка и, как следствие, повышения объема выпуска промышленной продукции, В этом 5-м издании учебника рассмотрены вопросы 3, 4и 5-го разделов триботехники: триботехника при конструировании, изготовлении и эксплуатации машин и оборудования.
ЧАСТЬ I ТРИБОТЕХНИКА ПРИ КОНСТРУИРОВАНИИ МАШИН
Глава!. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТРУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ 1. Общие аспекты Развитие конструкций машин происходит при постоянном стремлении к увеличению их производительности, что почти всегда сопровождается повышением механической и тепловой напряженности подвижных сопряжений деталей. В связи с этим перед конструктором возникает необходимость создания новых, более совершенных узлов трения. Помимо того, ставятся задачи достижения высокой надежности и долговечности машины, снижения ее массы, сокращения расхода дефицитных материалов. Это особенно важно при конструировании машин массового производства. Известно, что повышение долговечности машины даже в небольшой степени ведет к значительной экономии металла, уменьшению затрат на производство запасных деталей; сокращается объем и число ремонтов, а следовательно, увеличивается количество фактически работающих машин. Поскольку при конструировании машин учитываются и экономические факторы производства и эксплуатации, конструктору необходимо проводить перспективный прогноз длительности использования данной машины с учетом продолжительности эксплуатации машин предшествующих моделей. В ряде случаев этот срок составляет 25 лет, а иногда и более, например для металлообрабатывающих станков, автомобилей, тракторов, транспортных самолетов [17]. При выборе конструктивного решения необходимо учитывать предстоящие затраты не только на изготовление машины или ее отдельных узлов, но и на обслуживание и ремонт. Последние затраты при длительной эксплуатации машины во много раз больше стоимости ее изготовления. Поэтому главное внимание конструктора должно быть направлено на то, чтобы уменьшить скорость изнашивания узлов трения машины, сократить время и затраты труда на замену изношенных деталей и на регулировочные работы, снизить силы трения, повысив тем самым КПД машины, и др. При решении данного вопроса будут полезны данные о трудоемкости текущих ремонтов узлов и агрегатов машин, ранее применявшихся или близких по конструкции, В качестве примера рассмотрим данные Р.В. Кугеля о трудоемкости текущих ремонтов узлов, агрегатов и систем двух моделей грузовых автомобилей массового производства (в долях от общей суммы затрат труда, средств и материалов).
12 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТРУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ Двигатель с системой охлаждения и смазочной системой Тормоза Электрооборудование Коробка передач Задний мост Сцепление Подвеска автомобиля Карданная передача Рулевое управление и передняя ось Система питания двигателя Модель А 36,5 10,9 8,6 6,1 5,4 5,7 8,3 3,2 3,0 2,9 Модель Б 41,4 8,6 7,6 5,9 5,1 4,8 7,3 3,2 3,5 2,9 Рама, кабина, платформа, система выпуска газов имеют показатели 2 и менее. Из приведенных данных видно, на какой узел (агрегат, систему) следует обратить особое внимание при конструировании или модернизации автомобиля, чтобы получить наибольший эффект от повышения долговечности. Естественно, особое внимание должно быть направлено на наиболее слабые узлы трения машины, износ которых лимитирует сроки службы отдельных агрегатов. Частыми из них являются уплотнения, поршневые кольца, направляющие станков, режущие кромки ножей и др. Успех работ будет зависеть от степени использования достижений в области трения, изнашивания и смазки машин, а также от фактических результатов всесторонних лабораторных, стендовых и эксплуатационных испытаний материалов и конструкций узлов машин и оборудования. Должен быть использован, кроме того, опыт в области повышения долговечности машин смежных отраслей промышленности. 2. Разделение материалов деталей пар трения по их назначению Трущиеся детали в зависимости от их назначения изготовляют из конструкционных фрикционных, износостойких и антифрикционных материалов обширной номенклатуры. Во многих случаях материалы наносят в виде покрытия, пленок или накладок на остов из основного конструкционного материала. Иногда в силу специфичности требований электропроводности (скользящие контакты, ламели коллекторов электродвигателей), стойкости к воздействию химически агрессивных сред (газов, в том числе горячих; рабочих жидкостей в системах питания двигателей и ракет; кислот и щелочей) и др. трущиеся детали изготавливают из сталей и других сплавов специального назначения; окислов металлов, металлокерамических и неметаллических материалов.
Разделение материалов деталей пар трения по их назначению 13 Из конструкционных сталей изготовляют детали, которые должны удовлетворять условиям высокой прочности, жесткости или податливости и иметь на тех или иных участках поверхности трения. Это -детали типа валов, пальцев, болтов шарниров, зубчатых колес и т.д. Из стали, а также из чугуна, изготавливают силовые цилиндры, поршни, плунжеры и поршневые кольца. Чугун широко распространен как материал для станин, столов кареток, ползунов, по направляющим которых совершается трение; область применения его расширяется. Фрикционные материалы - это материалы, которые в контакте с металлической поверхностью развивают высокий, более или менее стабильный коэффициент трения. Применяются в тормозах и фрикционных муфтах валов. Фрикционные материалы разделяются на органические (дерево, кожа, пробка, войлок), металлические (чугун, стали У6, У7, марганцовистая сталь и др.), асбестокаучуковые, пластмассовые (текстодит,асбестотекстолит, фибра), металлокерамические на медной и железной основах. Подробные сведения о фрикционных материалах и проблеме фрикционности приведены в работах [33,34]. Износостойкими называют такие материалы, которые при трении, даже в тяжелых условиях нагружения, сравнительно мало изнашиваются. К элементам конструкций, материал которых должен иметь высокую износостойкость, относятся плунжерные пары, зубья ковшей экскаваторов и погрузчиков, зубки врубовых машин и угольных комбайнов, лемехи плугов и вообще рабочие органы большинства технологических машин (скребки, цепи, рештаки, штампы и др.). В качестве износостойких материалов используют конструкционные стали, упрочненные по всему объему или по рабочим поверхностям детали, специальные стали, чугуны, металлокерамика, резина, пластмассы и др. Из всех пар трения подшипники скольжения вызывали в свое время наибольшую трудность при обеспечении их нормальной длительной работы в силу высоких удельных нагрузок при сравнительно больших скоростях скольжения. Для таких подшипников были разработаны сплавы, получившие название антифрикционных, т.е. обладающих малым коэффициентом трения (разумеется, при работе в паре со стальным валом). В дальнейшем антифрикционным стали называть любой подшипниковый материал (как металлический, так и неметаллический) с твердостью, меньшей твердости сопряженной детали. Понятие "антифрикционность" включает комплекс свойств, которым должен удовлетворять подшипниковый материал: достаточную статическую и динамическую прочность при повышенных температурах; способность образовывать прочный граничный слой смазочного материала и быстро восстанавливать его в местах, где он разрушен; низкий коэффициент трения при несовершенной смазке; отсутствие заедания на валу в случае перерыва в подаче смазочного материала; высокие теплопроводность, теплоемкость, прирабатыва-
14 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТРУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ емость; хорошую износостойкость сопряжения; недефицитность и высокую технологичность. Сведения об антифрикционных материалах указаны в источниках [30, 33]. Подшипниковых материалов, удовлетворяющих всем этим требованиям, по сути, нет. Так, прочность оловянистых баббитов резко падает с повышением температуры, что ограничивает их применение в тяжелых условиях работы; прирабатываемость ряда антифрикционных бронз неудовлетворительна; неметаллические антифрикционные материалы имеют низкую теплопроводность. Каждый из подшипниковых материалов антифрикционен в определенных пределах режимов трения. Об антифрикционности какого-либо материала судят по его коэффициенту трения с сопряженной деталью при граничной смазке или другом режиме трения и прочих равных условиях, по объему повреждений поверхностей трения, по температуре этих поверхностей и вероятности заедания или налипания материала и т.д. Все пары трения, как правило, должны обладать антифрикцион- ностью, под которой в общем случае, согласно С.Ф. Чукмасову, следует понимать комплекс свойств, которым должно удовлетворять сочетание трех тел — материалов пары трения и применяемого смазочного материала. Последний является таким же конструктивным фактором, как и материал детали. Дополнительно заметим, что износостойкость является требованием, общим для всех материалов, в том числе и фрикционных, за исключением приработочных покрытий. Подходя к антифрикционности с общих позиций, в парах трения трудно отделить антифрикционные материалы от износостойких. Пара поршневое кольцо-цилиндр должна быть износостойкой, иметь малый коэффициент трения и хорошо прирабатываться, а кольцо должно еще иметь высокую упругость. При подборе материала кольца по показателю высокой износостойкости пары всегда неявно имеют в виду и антифрикционность. В подборе и изыскании материалов для многих пар трения с точки зрения их антифрикционных свойств имеется возможность значительно большего числа сочетаний материалов, чем в случае пары трения вал - подшипник, где возможность варьирования материала вала ограничена. 3. Выбор материалов при конструировании узлов трения Выбор материалов в этом случае представляет собой трудную задачу, несмотря на то, что практика машиностроения располагает здесь большим опытом. Такой выбор зависит от конструкции и назначения узла, технологии производства, условий эксплуатации, от требований к общей прочности деталей, сроку их службы и надежности при учете стоимости материала и его дефицитности, затрат на
Выбор материалов при конструировании узлов трения 15 изготовление деталей из данного материала и эксплуатационных расходов. Связь некоторых из перечисленных факторов с выбором материалов проследим сначала на примере поршневых колец и цилиндров двигателей внутреннего сгорания. Газоуплотнительные поршневые кольца рабочих цилиндров малооборотных судовых дизелей с низкой тепловой нагрузкой изготовляют из серого перлитного чугуна маслотной или индивидуальной отливки, когда цилиндр изготовлен из перлитного чугуна, отливаемого в землю. При надлежащих химическом составе, структуре, технологии отливки и обработке эти материалы обеспечивают высокую износостойкость пары цилиндр - поршневое кольцо. При высоких тепловых нагрузках кольца, как, например, в автомобильных двигателях, где значительную роль играет коррозионное изнашивание цилиндропоршневой группы, цилиндры и поршневые кольца изготовляют из легированного чугуна. На некоторых двигателях в верхней части цилиндров устанавливают короткие гильзы из нерезита - аустенитного чугуна с высоким содержанием никеля. Нерезит обладает высоким сопротивлением коррозионному изнашиванию, хорошо обрабатывается резцом. Недостатком такой конструкции цилиндра является образование при эксплуатации ступеньки между основным цилиндром и нерезитовой вставкой вследствие разной износостойкости их материалов, что вызывает повышенный износ поршневых колец. В авиационных поршневых двигателях воздушного охлаждения, со свойственной им высокой тепловой и общей напряженностью работы, относительно тонкостенные цилиндры для обеспечения их высокой износостойкости изготовляют из азотированной стали. Поршневые кольца, которые при средней температуре порядка 300-400°С должны сохранять значительную упругость и высокую твердость, делают из теплостойкого чугуна ХТВ, легированного хромом, титаном и вольфрамом. Литые коленчатые валы обладают рядом преимуществ перед валами из кованой стали в части экономии металла, снижения трудоемкости и сокращения технологического цикла. Большие возможности имеются в отношении совершенствования конструкции литого вала. Сплавы, применяемые для коленчатых валов, можно разделить на содержащие в своей структуре графит (чугуны, графитизирован- ная сталь) и не содержащие графита (углеродистая и легированная стали). Сплавы первой группы более износостойки. Поточность производственного процесса легче осуществить при изготовлении чугунных валов. Если за единицу принять стоимость вала, изготовленного из высококачественного чугуна с пластинчатым графитом без термообработки, то стоимость вала из перлитного ковкого чугуна будет 2,5-3,0; из чугуна с шаровидным графитом без термообработки - 1,25, с термообработкой - 1,5; из углеродистой стали - 2,5; из легированной стали - 2,5; из графитизированной стали - 3,0-3,3 [10].
16 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТРУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ Обыкновенная углеродистая сталь уступает по комплексу свойств чугунам с шаровидным графитом; при почти достижимых одинаковых механических качествах стали и чугуна плавка и разливка последнего проще; в чугунах образуется меньше трещин, износостойкость коленчатых валов, изготовленных из них без термообработки, не ниже, чем валов из углеродистой стали, шейки которых закалены ТВЧ. В литых валах из легированной стали вероятность образования фло- кенов меньше, чем в валах из кованой стали того же состава. Расположение дендридов литой структуры, нормальное к поверхности шейки вала, делает литые валы более износостойкими, чем кованые. Гра- фитизированная сталь, имеющая в своей структуре компактные включения графита, по свойствам близка к чугуну с шаровидным графитом, обладая, однако, более высокими механическими свойствами. Из модифицированных чугунов с пластинчатым графитом, имеющих меньший модуль упругости, можно изготовлять коленчатые валы, менее чувствительные к нарушению правильности осевой линии, чем стальные валы. Этим чугунам свойственны высокие динамические характеристики материала. Чугун с шаровидным графитом и металлической основой из пластинчатого или зернистого перлита — наиболее распространенный материал для изготовления коленчатых валов двигателей автомобилей, тракторов, комбайнов, тепловозов и других машин. В простейшем случае термообработка вала ограничивается старением его материала, что позволяет механически обрабатывать валы с минимальной правкой для ликвидации коробления. Для увеличения прочности прибегают к термообработке или к легированию №, Сг, Мо, Си. Для повышения циклической вязкости материала создают чугун со смешанной формой графита — в литье до 25 % его находится в пластинчатой форме, С целью повышения износостойкости чугуна иногда применяют азотирование. Ковкий перлитный чугун, как материал для изготовления коленчатых валов, занимает в зарубежном производстве второе место вслед за сталью. Это объясняется, частично, введением ускоренного отжига ковкого чугуна за счет добавки к жидкому чугуну висмута и бора [10]. Наряду со сказанным можно отметить, что для тормозных барабанов чугун с шаровым графитом не имеет никаких преимуществ перед другими чугунами вследствие пониженной теплопроводности. Применение того или иного смазочного материала в узле трения может повлечь за собой необходимость замены конструктивного материала, по крайней мере, одной из трущихся деталей, что связано с изменением вида изнашивания и, как следствие, с иным расположением пар трения по износостойкости. В некоторых амортизационных устройствах шасси самолетов в качестве рабочей жидкости применялась спиртоглицериновая смесь, при использовании которой в качестве смазочного материала буксы из бронзы БрАЖМц в паре со стальной поверхностью быстро изнашивались. Бронза интенсивно обога-
Выбор материалов при конструировании узлов трения 17 щалась медью, налипала на стальную поверхность, наращивалась на ней толстым слоем и отлущивалась, частично при этом налипая на поверхность буксы. Другие марки бронз вследствие избирательного переноса при трении оказываются во много раз более износостойкими. Переход на бронзу БрОФ-7-02 является здесь целесообразным. Однако существенной разницы в износостойкости безоловянистой бронзы БрАЖМц и бронзы БрОФ-7-02 при трении по стали и смазке жидкостью АМГ-10 не установлено. Поэтому для букс амортизаторов, работающих на этой жидкости, рентабельнее использовать бронзу БрАЖМц. Для большей надежности деталей приходится подбирать материал, поступаясь его износостойкостью. В плунжерных парах топливной аппаратуры двигателей широко применяют закаленную сталь по закаленной стали. Между тем, такое сочетание материалов для ротора лопастного насоса и лопатки оказалось катастрофическим по причине возникновения задиров и последующего заедания. Переход на бронзовые лопатки ухудшает износостойкость пары, но зато повышает ее надежность работы [8]. На выбор материалов могут оказать наибольшее влияние физико-химические явления на поверхностях трения, зависящие от условий работы. Например, высокомарганцовистая сталь - так называемая сталь Гатфильда (С - 0,9... 1%, Мп - 12%) аустенитного класса, из которой изготовляют крестовины рельсов, щеки камнедробилок, зубья ковшей экскаваторов, броневые плиты шаровых мельниц, рудные течки и желоба агломерата, воронки приемки и распределителей шихты, дозировочные столы и другие детали, в исходном литом состоянии имеет аустенитную структуру с некоторым количеством мартенсита при наличии включений карбидов. После закалки, фиксирующей аустенитную структуру, сталь приобретает высокую прочность при значительной вязкости (ав = 800... 1000 МПа, ударная вязкость ак = 200...300 Н • м/см2, НВ = 2&0...220) и высокую износостойкость в деталях, подвергающихся изнашиванию при больших удельных давлениях и ударных нагрузках. Большая износостойкость стали обусловлена ее наклепываемостью, которая тем больше, чем выше удельная нагрузка. Пластическая деформация повышает твердость стали до НВ 450-500. Наклепываемость вызывается в меньшей степени превращением аустенита в мартенсит и в большей степени - выделением карбидов, за которым следует измельчение кристаллитов, что повышает сопротивление сплава пластической деформации. Удары при трении приходятся, таким образом, по твердой корке на вязком основании; при износе корка возобновляется. Опыт эксплуатации тракторов, используемых на песчаной почве, показал весьма быстрый износ проушин звеньев гусениц, изготовленных из литой стали Гатфильда. По данным лабораторных испытаний в условиях абразивного изнашивания эта сталь не имеет преимуществ перед среднеуглеродистой сталью. Более того, изнашиваемые 2 - 2039
18 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТРУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ детали, не испытывающие существенных динамических нагрузок, изготовленные из высокомарганцовистой стали, служат меньший срок, чем детали из углеродистой стали, как, например, броневые плиты коксовых воронок (данные М.А. Тылкина и В.И. Сивака). Этому можно дать различное толкование: 1) в стали Гатфильда под нагрузкой повышается предел текучести, что сопровождается значительно меньшим повышением сопротивления разрушению при абразивном изнашивании; 2) процесс упрочнения (наклепа) под нагрузкой, обусловленный наличием абразивных частиц, протекает медленнее, чем процесс изнашивания. Высокомарганцовистая сталь слабо сопротивляется коррозии и непригодна для использования при температуре свыше 260°С. Аналогично обстоит дело с фрикционным материалом — рети- наксом (ФК-16Л), имеющим основу из фенолформальдегидной смолы, модифицированной канифолью, и наполнитель из барита и асбеста с мелкими отрезками латунной проволоки. Изделия из ретинакса работают с малой скоростью изнашивания и устойчивым коэффициентом трения порядка 0,3 при давлениях до 6 МПа, скоростях скольжения до 60 м/с и температуре на поверхности трения до 1000°С. Под действием высокой температуры и давления на ретинаксе при трении образуется фрикционный слой, генерируемый по мере изнашивания. Слой состоит из коксообразных продуктов разложения смолы, сернистых соединений, образовавшихся в результате окислительно-восстановительных реакций барита с газообразными продуктами разложения смолы и латуни. Латунь размягчается, размазывается по поверхности трения и поглощает некоторое количество теплоты. Сернистые соединения обладают противозадирными свойствами. Рети- накс целесообразно применять при высокой энергонагруженности тормозного устройства. При малой его теплонапряженности указанные процессы не происходят, и выгода использования ретинакса отсутствует. Выбор материала по техническим условиям (или стандарту), содержащим характеристики механических свойств или даже химический состав, не гарантирует стабильности срока службы деталей в одинаковых условиях эксплуатации. При одних и тех же химическом составе и механических свойствах материал может значительно различаться по износостойкости, что связано с некоторым различием его структур. Крупнозернистым сплавам свойственна большая пластичность и легкая прирабатываемость, но они менее износостойки. Наличие легко выкрашивающихся твердых или крупных мягких составляющих, склонных к схватыванию с материалом сопряженной детали, является дефектом структуры материалов трущихся деталей. Крупные карбиды в чугунных отливках способствуют образованию сетки термических трещин при работе деталей. Это - единичные примеры связи структуры сплава с износостойкостью.
Выбор материалов при конструировании узлов трения 19 Анализ условий эксплуатации ж_ Условия нагружения и характеристика окружающей среды Геометрические и конструктивные требования Эксплуатационные требования (надежность, долговечность хранения), особые требования к материалам Экономические и технологические требования \К Разработка технического задания ж. Предварительный выбор материала V. Расчетно-конструкторская оценка работоспособности узла трения VI Выбор конструкции, оценка размеров трущихся деталей Оценка напряженно- деформированного состояния. Определение удельных нагрузок Оценка фрикционных характеристик тепловой напряженности Оценка долговечности (расчет на износ) V Окончательный выбор материала ± Лабораторные испытания Натурные испытания Опытно-промышленная проверка Рис. 1.1. Общая схема подбора металлополимерных и полимерных материалов для трущихся деталей
20 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТРУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ Сложность задачи о рациональной структуре материала можно показать на подшипниковых сплавах. Основное требование к структуре антифрикционных сплавов было впервые сформулировано в 1897 г. Шарпи. Согласно правилу Шарпи, хорошо работающие антифрикционные сплавы должны иметь распределенные в пластичной основе твердые зерна с малым коэффициентом трения с валом и неспособные задирать его. Действительно, этому правилу удовлетворяли в свое время все известные тогда подшипниковые сплавы. Однако в последующем были разработаны сплавы (например, свинцовая бронза), у которых мягкие включения свинца распределялись в твердой матрице, не говоря уже об однородных антифрикционных материалах, таких как серебро, полиамиды и др. В некоторых подвижных сочленениях, как, например, в зубчатых муфтах, в силу небольших взаимных смещений детали изготовляют из незакаленных сталей, как известно, плохо работающих в парах трения. Малость перемещений незакономерного характера не вызывает часто у конструктора опасения относительно износостойкости. Между тем, при недостаточной твердости материалов долговечность изделия по износу может оказаться неудовлетворительной. Общая схема подбора металлополимерных и полимерных материалов для трущихся деталей, разработанная В.А. Белым и А.И. Сви- риденоком [2], приведена на рис. 1.1. Как видно, основным критерием окончательного выбора материала для трущихся деталей, являются результаты опытно-промышленной проверки. Предварительно должны быть проведены лабораторные и натурные испытания, максимально приближенные к эксплуатационным. 4. Фрикционные материалы Важнейшей характеристикой фрикционных материалов, используемых в тормозах, муфтах, сцеплениях, демпферах и др., является способность поглощать или рассеивать энергию движения (кинетическую энергию) без катастрофического износа самого материала и разрушения узлов трения. Кинетическая энергия, генерируемая и рассеиваемая поверхностью трения или отнесенная к массе современного тормоза, может быть очень большой. Так, у авиационного тормоза она достигает 400 кН-м/кг; при посадке самолета в восьми тормозах в течение 30 с должно быть поглощено около 438 МВт энергии, что эквивалентно ее затрате на нагревание 820 кг железа до 1480°С[33]. Эффективность работы фрикционных материалов в большой мере определяется их коэффициентом трения и износостойкостью. В зависимости от условий работы и назначения фрикционного узла коэффициент трения может иметь значения от 0,07 до 0,5. Для фрикционных узлов важна стабильность коэффициента трения. Для ответствен-
Фрикционные материалы 21 ных и тяжелонагруженных тормозных устройств необходимо, чтобы с повышением температуры коэффициент трения не изменялся в больших пределах, в противном случае это может вызвать аварийную ситуацию. Например, если при посадке самолета в конце его пробега упадет коэффициент трения в тормозе, то самолет может выкатиться за пределы посадочной полосы. Колебания коэффициента трения в течение тормозного цикла не должны превышать ±15% от его среднего номинального значения. При смазке фрикционной пары коэффициент трения должен быть не ниже 0,05, а его изменение — не превышать ±20% [33]. Износ фрикционного материала при трении без смазки для мягких условий работы не должен превышать 0,01-0,02 мм за 1000 циклов торможения; для средних условий - 0,04 мм за 1000 циклов, а для тяжелых — не более 0,007-0,01 мм за одно торможение. Износ фрикционных элементов из спеченных материалов при смазке в зависимости от условий эксплуатации не должен выходить за пределы от 0,001 - 0,002 до 0,10-0,15 мкм за рабочий цикл [33]. Помимо высоких коэффициента трения и износостойкости фрикционные материалы должны сохранять стабильность свойств при нагревах, как кратковременных высоких, так и длительных. Кроме того, материалы, применяемые в тормозах, не должны схватываться, так как это обычно вызывает образование вырывов, намазывание одного материала на другой и, как следствие, разрушение поверхности, приводящее к рывкам и вибрации. Способность к быстрой приработке требуется как для антифрикционных, так и для фрикционных материалов. Процесс приработки у фрикционных материалов нужен не только для увеличения фактической площади контакта и установления оптимальной шероховатости поверхности, но и для образования рабочего слоя, обеспечивающего стабильный коэффициент трения и высокую износостойкость. Изменение момента трения не должно превышать ±20% после 5- 7 торможений тяжелонагруженных тормозов, 500-700 циклов для сред- ненагруженных передающих узлов и до 1000 циклов для смазываемых пар трения. Площадь соприкасания деталей должна составлять не менее 80 % номинальной площади, а сами поверхности трения должны быть гладкими и без задиров [9, 34]. Фрикционные материалы должны сопротивляться фрикционной термоусталости — на поверхности трения не должно возникать трещин в результате многократного совместного воздействия теплового и силового нагружения. Наиболее стойка к термоусталости графи- тизированная сталь благодаря стабильности структуры и механических свойств при многократных и быстрых тепловых колебаниях. Фрикционные материалы не должны при работе повреждать контртело (тормозной барабан), их продукты износа не должны загораться, дымить и выделять неприятные запахи. Эти материалы не должны также вызывать коррозии сопряженных деталей и корродировать сами при влажной атмосфере и при температуре от -60 до +60°С [33].
22 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТРУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ Одним из важных свойств фрикционных материалов является то, что они не выделяют диффузионно способный водород в процессе работы. При отсутствии такого свойства выделяющийся водород проникает в контртело, вызывает его охрупчивание и ускоренное изнашивание как самого фрикционного материала, так и контртела. Борьба с водородным изнашиванием тормозных узлов является одним из важнейших направлений повышения их надежности и долговечности. Разработано и внедрено насколько оригинальных методов борьбы с водородным изнашиванием автомобильных тормозных устройств [13]. Фрикционные чугуны нашли широкое применение как фрикционные материалы благодаря их низкой стоимости, простоте изготовления из них деталей, хорошей обрабатываемости и прочности, а также достаточной износостойкости. Для малонагруженных тормозов используются чугуны перлитного класса марок СЧ 15, СЧ 18, СЧ 21. Предельная нагрузка составляет 6 МПа. Чугуны, легированные медью, молибденом, хромом и никелем, имеют более высокие фрикционные свойства. Легирование способствует упрочнению металлической основы материала, облегчает формирование перлитной основы; повышаются тепло- и износостойкость. Лучшими фрикционными свойствами обладают чугуны, имеющие перлито-графитовую структуру, — ЧНМ, ЧНМХ, МФ. Наличие в чугуне феррита повышает его склонность к схватыванию, а наличие цементита снижает его термическую усталость. Количество феррита в чугуне не должно превышать 10%, а цементита — 2%. Это обеспечивается изменением химического состава чугуна и скоростью охлаждения отливки. Асбокаучуковые фрикционные материалы изготавливаются на основе асбеста с синтетическим каучуковым связующим и различными порошкообразными наполнителями. Последние повышают износостойкость (например) окись цинка) и коэффициент трения (железный сурик). Графит стабилизирует коэффициент трения и улучшает термоусталостные характеристики материала. Асбокаучуковые материалы используют для изготовления горячим и холодным формованием накладок тормозов и дисков сцепления автомобилей, тракторов и других машин. Детали могут работать при температурах до 400°С. При более высокой температуре каучуковые связующие разлагаются, что резко снижает механическую прочность изделий. Распространены асбокаучуковые материалы 6КВ-10 и 143-63. Материал 6КВ-10 (состав, %: окись цинка - 30, сурик железный - 20, сера - 4, ускоритель вулканизации - 1, каучук - 20, асбест - 25) может работать кратковременно при температуре 400°С и длительно при температуре до 250°С. Удельная нагрузка 1,5 МПа. Применяется для изготовления тормозных колодок для пассажирских железнодорожных вагонов. Материал 143-63 (состав, %: барит - 29, глинозем - 4, графит аморфный - 2, органический кремний - 0,1, молибден - 17, ас-
Фрикционные материалы 23 бест - остальное) применяется в тормозных устройствах автомобиля ЗИЛ. Асбосмоляной материал ФК-16Л на основе асбеста и связующего - фенолформальдегидной смолы с различными наполнителями (состав, %: асбест и барит - 65, проволока латунная Л62 - 15, смола - 20) в паре с чугуном ЧНМХ работает до температуры 1100°С при скорости скольжения не свыше 50 м/с и давлении до 2,5 МПа [26]. Ряд асбофрикционных материалов с целью повышения их теплопроводности содержит красномедную или алюминиевую проволоку либо стружку. Из материалов изготавливают накладки плетеные, тканые, формованные, вальцованные и прессованные. К таким материалам относятся 1-43-60А и 2-136-64. Материал 1-43-60А (состав, %: окись цинка - 9, сурик железный - 15, графит аморфный - 3, сера - 3, ускорители - 0,2, каучук - 13, смола - 10, асбест - остальное) применяется в автомобилях БелАЗ, МАЗ, КрАЗ. Материал 2-136-64 по составу близок к 1-43-60А и применяется для тормозных устройств автомобилей средней грузоподъемности типа ГАЗ [33]. Фрикционные спеченные материалы получают методом порошковой металлургии. Их применяют в современных тяжелонагружен- ных фрикционных узлах. Контртелом для них обычно служит легированный чугун 4НМХ или сталь 38ХС, чугун СЧ.21. Распространены следующие фрикционные спеченные материалы: ФМК-11 (состав, %: Си - 15, С - 9, 80- 3, асбест - 3, Ва804 - 6, Ре - 64). Твердость материала НВ 80-100. Применяется в тяжелонаг- руженных фрикционных тормозах; ФОБ - материал на основе оловянной бронзы (состав, %: 8п - 6, РЬ - 8, С - 7, Ре - 5, Си - 74). Рекомендован для среднанагруженных сухих передаточных и тормозных устройств; ФМК-8 - материал на основе железа (состав, %: Сг - 10, № - 25, XV - 6, С - 7, Си28 - 7, Ре - 45). Применяется в тормозах, обладающих большой энергоемкостью. Недостатком материала является склонность к схватыванию с контртелом и сравнительно невысокий коэффициент трения в конце торможения; МК-5 - материал на основе меди (состав, %: 8п - 8... 10, РЬ - 7...9, Ре - 3...5, С - 6...8, Си - 68...76). Применяется в паре со сталью 65Г в узлах трения масляных гидротрансмиссий автомобилей, тракторов, тепловозов и других машин [26]. Фрикционный материал 2140 для тормозных накладок. В результате исследовательских работ в НИИАТИ (г. Ярославль) М.М. Бородулиным и И.И. Васильевым совместно с работниками АЗЛК был создан новый фрикционный материал 2140 для тормозных колодок автомобиля "Москвич", свободный от водородного изнашивания. Износостойкость колодок возросла по сравнению с ранее применявшимися в 1,7 раза. Предварительно были проведены обширные стендовые и дорожные испытания нового фрикционного материала.
24 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТРУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ Как упоминалось ранее, тормозные материалы в процессе работы не должны выделять диффузионно способный водород. В противном случае в тормозном устройстве может возникнуть дефект "намазывания" - перенос стали или чугуна на тормозной материал (накладку или тормозную колодку). Для устранения этого дефекта и повышения износостойкости фрикционных накладок необходимо подобрать вещество, которое бы снижало выделение водорода и предотвращало его проникновение в металлическое контртело. Так, для уменьшения интенсивности изнашивания пары трения была введена в состав пластмассы закись меди, которая в процессе работы восстанавливалась выделяющимся при трении водородом до чистой меди. Таким образом выделяющийся водород связывался в процессе трения химически. Способность меди растворять водород незначительна. Так, 100 г меди при температуре 400°С и атмосферном давлении растворяет в твердом состоянии только 0,006 мг водорода. Образованная медная пленка препятствует проникновению водорода в зону контакта. Естественно, небольшое количество меди осаждается на металлическом контртеле, что благоприятно сказывается на работе пары трения. Разрушение металлического контртела и намазывание его на фрикционный материал характерно при интенсивном протекании процесса наводороживания. В ряде случаев водорода выделяется недостаточно для видимого проявления дефекта, но почти всегда в зоне трения выделяется водород как следствие термохимического разложения фрикционного материала, а также попадания в зону контакта воды, из которой при ее разложении выделяется диффузионно способный водород. В результате неизбежно происходит охрупчивание поверхности трения стальной или чугунной детали и уменьшение ее износостойкости. С целью повышения теплостойкости тормозных устройств самолетов и ракетной техники были разработаны углеродные материалы. Из углеродных нитей неприродного происхождения изготавливается плетеный материал. В этом случае работает материал по одноименному материалу. Износостойкость такой трущейся пары почти в 10 раз выше по сравнению с известным фрикционным материалом ФМК-11. Углеродный материал отечественного производства для тормозных устройств получил название " ТЕРМАН". Сделаем одно важное замечание в отношении асбофрикционных материалов. В последние годы ученые по таким материалам установили, что асбест является канцерогенным веществом. В связи с этим в ряде стран мира запрещено использование в тормозах автомобилей накладок, содержащих асбест. Интенсивно проводятся исследовательские работы по созданию фрикционных материалов, не содержащих асбест. Такие работы ведутся и в нашей стране.
Материалы, применяемые для подшипников качения 25 5. Материалы, применяемые для подшипников качения В основном для изготовления подшипников качения применяют две марки высокоуглеродистой хромистой стали - ШХ15 и ШХ15СГ. Среднее содержание углерода в этих сталях 1-1,1%. Сталь ШХ15СГ содержит 0,9-1,2% марганца и 0,4-0,6% кремния. С целью повышения сопротивления контактной усталости подшипников качения твердость подшипниковой стали должна быть не менее НКС 58. Обычно она составляет для колец и роликов НКС 60-65, а для шариков - НКС 62-66. Для повышения долговечности подшипников в условиях абразивного изнашивания термическая обработка имеет меньшее значение, чем наличие в сталях твердых структурных составляющих, например карбидов и нитридов, определяющих высокую износостойкость подшипников. При резком проявлении схватывания, наблюдаемом при эксплуатации подшипников, в местах контакта образуются микроскопические трещины, которые могут развиваться и привести к катастрофическому усталостно-хрупкому разрушению. В подобных случаях целесообразно повысить вязкость стали, что уменьшит возможность подобных разрушений вследствие снижения концентрации напряжений в устьях трещин за счет пластической деформации. Для подшипников качения, работающих при высокой температуре, применяют теплостойкие стали 95X18, ЭИ347Ш и др. Целесообразно применять сталь, содержащую 0,82% С, 4% Сг, 0,92% V, 4,15% Мо [28]. Долговечность подшипников качения может быть повышена улучшением качества стали — снижением в ней микродефектов, содержания кислорода и азота. Исследования влияния вакуумирования стали ШХ 15 на ее эксплуатационные характеристики [14] показали, что при этом процессе снижается содержание кислорода в 1,5-2 раза, азота - на 20-30% по сравнению с их содержанием в стали, выплавленной по стандартной технологии. Стендовые испытания подшипников 76-210 показали, что долговечность 290 (где 290 -долговечность, соответствующая вероятности выхода 10% подшипников) опытных партий подшипников в 1,5 раза выще средней долговечности стали открытой плавки. Отмечается, что применение подшипников из стали вакуумного переплава неэкономично, если не обеспечена высокая чистота смазывающего масла. Изучение усталостной прочности подшипников качения [28] показало, что при работе в условиях воздействия воды, агрессивных веществ, а также смазочных материалов на водной основе применение стали бейнитной структуры более целесообразно, чем стали мар- тенситной структуры. Сталь бейнитной структуры в результате ее повышенной вязкости обеспечивает большую стойкость к водородному охрупчиванию в результате воздействия смазочных материалов,
26 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТРУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ содержащих воду, в то время как подшипниковые кольца из стали мартенситной структуры вследствие водородной хрупкости могут разрушаться катастрофически. Бейнитная структура стали состоит из игольчатого феррита и карбидных выделений и получается при изотермической закалке при температуре 250-300°С и последующем охлаждении в воздухе или масле. Подшипники качения обладают малой коррозионной стойкостью. На последнюю влияют тип корродирующих веществ, их фазовое состояние (твердое, жидкое, газообразное), режим работы подшипника (непрерывный или периодический), частота вращения, нагрузка, ресурс работы и время пребывания в окружающей среде, способ смазки, доступность осмотров и др. Если долговечность подшипника определяется усталостью или износом, то дополнительная защита его от коррозии может и не потребоваться. Однако даже незначительные коррозионные поражения рабочих поверхностей подшипника резко снижают его сопротивление усталости. Пластичные смазочные материалы в легких условиях корродирования могут защитить подшипник от коррозионных поражений. Во влажной среде применение дисульфида молибдена нежелательно. В присутствии кислорода Мо82 окисляется с образованием Н2804. Повышение коррозионной стойкости на длительный период обеспечивается применением металлических покрытий Сд, 2п, Сг, №. Хорошую коррозионную стойкость обеспечивают отвержденные смазочные материалы, фосфаты 2п и Мп; наиболее высока коррозионная стойкость у Сг и №. Покрытия из смазочных материалов обеспечивают коррозионную стойкость на короткий период и используются при хранении подшипников до эксплуатации. Металлические покрытия наносят обычно на кольца подшипника, поскольку на шарики трудно нанести покрытие равномерной толщины (примерно 2,5 мкм). Шарики изготавливают поэтому из аустенитной стали. Имеется опыт применения для роликовых подшипников тонкостенных колец, изготовленных из листовой низкоуглеродистой стали с помощью глубокой вытяжки с последующей цементацией. Такие подшипники имеют размеры 40-250 мм. Крупногабаритные подшипники имеют размеры до 4 м и применяются в машинах, у которых возникают большие ударные нагрузки, а поверхности деталей испытывают повышенные контактные напряжения (сельскохозяйственная техника, автомобили, тракторы, шасси самолетов). Крупногабаритные подшипники используют в прокатных станах, в тяжелом машиностроении и нефтяной промышленности. Используются следующие марки сталей: 20Х2Н4А, 20НМ, 18ХГТ, 15Г. Цементируемые стали применяют для колец карданных подшипников. Использование малоуглеродистых сталей повышает производительность труда при токарных операциях. Опыты по определению долговечности колец подшипников показали, что кольца из стали ШХ15 менее долговечны, чем из стали 18ХГТ, ввиду наличия остаточных напряжений сжатия в поверхностях цементованных колец [28].
Материалы, применяемые для подшипников качения 27 С целью обеспечения бесшумной работы шарикоподшипников в некоторых случаях тела качения изготавливают из пластмасс. При этом подшипники могут выдерживать повышенные ударные нагрузки. Кольца таких подшипников могут быть изготовлены из сталей меньшей твердости или же из легких сплавов. Сепараторы для подшипников массового применения изготавливают методом штамповки из мягких углеродистых сталей. Высокоскоростные и тяжелонагруженные подшипники имеют сепараторы из антифрикционных бронз, анодированного алюминия, текстолита, полиамидов, металлокерамики. Сепараторы не только разделяют тела качения, но и в случае "масляного голодания" подпитывают контактную зону. Поэтому сепараторы из текстолита и из некоторых пластмасс (фторопласта-4, амана-24, маслянита) повышают работоспособность подшипников в режиме масляного голодания. Латунные и бронзовые сепараторы в подобных условиях вызывают наволакивание металла на тела и дорожки качения. Применение сепараторов из пластмасс позволило повысить быстроходность подшипников качения. Для повышения прочности полиамидных сепараторов их армируют стекловолокном. Теплостойкость фторопластовых сепараторов малая (не выше 150-200°С); фторопласт под действием нагрузки подвержен пластическому течению, что может привести к заклиниванию шариков в гнездах сепаратора. У дюралевых сепараторов при высоких скоростях вращения наблюдались разрывы их по продольным перемычкам. Тяжелонагруженные скоростные подшипники имеют бронзовые сепараторы, покрытые свинцом, серебром или никелем [28]. 6. Пластические массы В зависимости от вида смол, используемых в качестве связующего при изготовлении пластмасс, все синтетические пластические материалы разделяются на две основные группы: термореактивные и термопластичные. Смола, которая при первом нагреве до определенной температуры твердеет, переходя в неплавкое состояние, называется термореактивной. Эти смолы при прессовании с нагревом пластика в изделие проходят необратимый процесс и последующий их нагрев может привести к обугливанию и разрушению материала (но не к его размягчению и плавлению). К таким материалам относятся пластмассы на основе фенолформальдегидной смолы: карболит, бакелит, ДСП, текстолит, волокнит и др. Термопластичные смолы при повторном нагреве снова становятся пластичными; соответственно этому термопластичные материалы при повышении давления и температуры, вплоть до температуры разложения не переходят в неплавкое состояние. Термопластичные материалы допускают многократную их переработку. К таким материалам относятся полиамиды, полиуретаны, винипласт, полиэтилен, фторопласт-4 и др.
28 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТРУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ Пластические массы в качестве антифрикционных материалов применяют в подшипниках и в парах поступательного движения благодаря многим преимуществам: достаточной износостойкости и невысокому коэффициенту трения в некотором диапазоне скоростей и нагрузок; хорошей прирабатываемости; коррозионной стойкости к наиболее распространенным агрессивным средам; способности некоторых пластиков к самосмазыванию, причем при таких низких температурах, когда масла и пластичные смазочные материалы не применяются; малой плотности (в 5-8 раз ниже стали, меди и свинца и в 3-4 раза ниже плотности титана); низкой стоимости; слабой чувствительности к ударам; бесшумности в работе; немагнитное™. Применение пластмасс в качестве подшипникового материала существенно экономит цветные металлы и снижает эксплуатационные расходы. В зависимости от эксплуатационных условий пластмассы в узлах трения могут работать при смазке минеральными маслами, эмульсией, пластичными смазочными материалами, водой, а некоторые из них и без смазки. Применяя пластмассы в узлах трения, следует иметь в виду и отрицательные их качества: низкую теплопроводность; разбухание при контакте с жидкостями; значительное тепловое расширение; относительно невысокую теплостойкость; высокую податливость (низкий модуль упругости, в особенности у термопластиков); старение полиамидов и других пластиков, приводящее, в частности, к их охрупчиванию; ползучесть при нормальной температуре (холодноте- кучесть). Важное преимущество термопластичных материалов перед термореактивными при использовании в подшипниках состоит в следующем. Кромочный контакт в подшипнике из термореактивного пластика опасен, поскольку при нагреве материал начинает разлагаться и обугливается, а это увеличивает силы трения и может вызвать повреждение пары. Термопластичный материал при нагреве размягчается, благодаря чему происходит быстрая приработка подшипника к валу. Особое место занимают полиамиды благодаря таким преимуществам по сравнению с другими пластическими массами, как однородность материала и высокие демпфирующие свойства при относительно высокой прочности на растяжение и на изгиб, невысокой стоимости исходного продукта и простоте технологической переработки в изделия. Модуль упругости пластмасс снижается под нагрузкой с течением времени. Так, нейлон 66 имеет модуль упругости в начальный период нагружения при комнатной температуре 15 МПа, через 24 ч под нагрузкой модуль упругости убывает на 1/3, а через один год - на 2/3. Под нагрузкой в пределах первых 24 ч при комнатной температуре и нормальном влагосодержании воздуха ползучесть полиамидов затухает и деформация увеличивается весьма медленно.
Пластические массы 29 Рабочая температура Рис 1.2. Зависимость модуля упругости и прочности при растяжении пластмассы от температуры При повышении температуры прочность и модуль упругости пластмасс резко снижаются. На рис. 1.2 показан общий характер зависимости между температурой и показателями прочности и деформируемости пластмасс. Такой же характер имеют и фрикционные характеристики. Поэтому при использовании пластмасс в узле трения всегда необходимо учитывать рабочую температуру. Отметим, что в справочной литературе не всегда приводятся сведения о прочностных и фрикционных характеристиках материалов при различных температурах. При необходимости конструктор должен запросить такие сведения у завода-изготовителя пластмасс. В полиамидные порошки вводят антифрикционные наполнители (графит, дисульфид молибдена, тальк и др.) при соблюдении условия, что частицы наполнителя не превышают по размеру частиц порошка. Полиамиды при работе в легких условиях (небольшие нагрузки, малые скорости, перерывы) могут работать в парах скольжения друг с другом. Они кратковременно выдерживают температуру, превышающую 100°С; при более длительном температурном воздействии они окисляются, постепенно теряют механическую прочность и могут намазываться на сопряженную металлическую поверхность. Помимо этого, при перегреве может произойти перемешивание размягченного слоя полиамида со смазочным маслом и загрязнениями в нем. Для работы в водной среде тонкостенные вкладыши подшипников на 4 ч погружают в воду при температуре 90°С. Во избежание коробления вкладыша для снятия внутренних напряжений его погружают в масло при температуре 120-130°С. Литье полиамидов под давлением, обработка в водяной ванне при температуре +80°С и последующая закалка при -40°С обеспечивают их мелкокристаллическую структуру с незначительным количеством аморфного вещества. Детали из спеченного полиамида отличаются однородной кристаллической структурой. Отлитые под давлением или обработанные при значительных силах резания детали покрыты тонкой оболочкой из аморфного и частично субмикроскопического кристаллического материала, после срабатывания которого обнажается более износостойкий материал. Разрывная прочность, Б Е№1
30 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТРУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ Алюминий и латунь сильно изнашиваются полиамидами. Скорость изнашивания этих металлов спеченным полиамидом несколько меньше. Лучше всего работают детали в паре закаленная сталь - полиамид. При хорошей смазке маслами рекомендуется удельная нагрузка не выше 5 МПа. Смазка водой менее эффективна, чем маслами. Допустимая нагрузка должна быть в этом случае уменьшена на 50-70%. С полиамидами сходны по своим свойствам полиуретаны. Из других термопластичных материалов, используемых в качестве антифрикционных, укажем на полиэтилен, винипласт и фторопласт-4. Винипласт - материал с низкими теплопроводностью и теплостойкостью, плохо работает в условиях ударных нагрузок, может воспринимать только небольшую, спокойную нагрузку. Полиэтилен имеет весьма низкие прочностные характеристики, его коэффициент линейного расширения в 6-8 раз выше, чем у полиамидов. Политетрафторэтилен (фторопласт-4, тефлон), имея строение Г Р Р I I — с —с— 1 I и р р является продуктом производных этилена, у которых атомы водорода замещены атомами фтора. Последние, окружая углеродную цепь, образуют вокруг нее непроницаемую преграду, что делает этот полимер в высокой степени химически инертным. Структура его содержит до 90% кристаллической фазы с температурой плавления 327°С; температура стеклования аморфной фазы + 120°С. Предел прочности при растяжении при комнатной температуре 20 МПа; удлинение при разрыве 300-400%, модуль упругости 385-455 МПа. С понижением температуры политетрафторэтилена модуль упругости его растет, но даже при температуре жидкого воздуха он невысок. Фторопласт-4 отличается холодотекучестью и низкой теплопроводностью, он не поглощает воду, нефтепродукты и другие жидкости. Его коэффициент трения по стали без смазки и по самому себе 0,04. Наполнителями могут быть графит, медный порошок, дисульфид молибдена, двуокись титана; они улучшают теплопроводность, несколько снижают холодотекучесть и на немного увеличивают коэффициент трения. По некоторым данным фторопласт-4 можно применять для значений ру = 3 Н/см2 ■ м/с, с наполнителем можно до температуры 250°С принять ру = 120 Н/см2 • м/с . Шероховатость поверхности вала при использовании фторопластовых подшипников должна быть не ниже Ка = 0,08...0,16 мкм во избежание намазывания вала фторопластом. Фторопласт-4 дает большую усадку - от 4 до 7%, его невозможно склеивать или сваривать; отходы после его механи- п
Пластические массы 31 ческой обработки нельзя использовать без деполимеризации. Армировать его технологически сложно и не всегда эффективно. Материал высокотоксичен, что вызывает необходимость в специальных мерах для защиты людей при его переработке и изготовлении изделий. Ввиду высокой стоимости и трудоемкой технологии переработки фторопласт-4 имеет узкую область применения, в основном - для оборудования химического машиностроения. Чаще этот материал используют для пропитки пористых подшипников и в качестве компонента антифрикционных композиций. При возвратно-поступательном движении в узлах трения фторопласт-4 при повышенной температуре размягчается и начинает строгаться. Его наиболее ценные антифрикционные свойства проявляются при малых скоростях скольжения-порядка 0,1 м/мин. Армирование термопластиков увеличивает их прочность, модуль упругости (в 3-4 раза), повышает стабильность размеров и теплостойкость. Распространение получили армированные нейлон, полиэтилен, поликарбонат и др. При некоторых условиях износостойкость армированного нейлона может быть выше, чем у закаленной стали. Из термореактивных пластиков в узлах трения применяют пластики на основе фенол- или крезолформальдегидной смолы (текстолит, волокнит, древесно-слоистые пластики, древесная прессованная крошка, пластифицированная прессованная древесина) и композиции на основе эпоксидных смол. Стоимость изготовления изделий из слоистых пластиков и композиций на основе фенолформальдегидной смолы выше, чем из полиамидов. По механическим свойствам термореактивные пластики превосходят термопластичные. У термореактивных материалов коэффициент линейного расширения более низкий, однако при назначении зазоров в подшипниках надо учитывать обычно большую толщину стенки подшипника из слоистого пластика. Большая податливость под нагрузкой термопластичных материалов является в некоторых случаях недостатком, однако при этом быстрее устанавливается режим трения при жидкостной смазке. Слоистые пластики применяют главным образом для изделий больших размеров, работающих при значительных удельных нагрузках. Вообще же, выбор термопластичных или термореактивных пластмасс должен проводиться, как обычно, с учетом всех факторов. Из нейлона изготавливают зубчатые муфты для портативных мотор-генераторов, мотопомп и т.п., имеющие по сравнению со стальными муфтами меньшие массу и размеры; двигатели для стеклоочистителей автомобилей; приводные звездочки и ряд других деталей. Нейлоновые ленты в конвейерных установках для транспортирования пищевых продуктов износостойки, стойки к воздействию кислот, щелочей и крепких соляных растворов и хорошо стерилизуются при обработке водяным паром.
32 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТРУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ Детали из полиамида используют в подшипниках заводского оборудования, в узлах рессор, педалей управления и шарниров рулевых тяг автомобилей, в педалях велосипедов, в опорах гребных валов на малых судах, в осях сельскохозяйственных машин, а также в подшипниках, смазываемых молоком, бензином, керосином и другими перекачиваемыми жидкостями. Известны также полиамидные ролики, направляющие и кнопки механизмов управления; имеется удачный опыт применения полиамидов для изготовления поршней в пищевых машинах. Вероятно, что для изготовления плунжеров и поршней в дозирующих устройствах этих машин найдет применение и тефлон. Эпоксидные смолы ЭД-5 и ЭД-6 имеют хорошую адгезию к металлам. Теплостойкость их в 2 раза выше, чем у капрона. В качестве наполнителя используются графит, алюминиевая пудра, стеклоткань, мелкая чугунная стружка, свинцовый порошок, дисульфид молибдена и др. Толщину покрытия смолами металлической поверхности можно довести механической обработкой до долей миллиметра. Композиции на основе эпоксидных смол преимущественно применяют в работающих без смазки подшипниках компрессоров, подшипниках циркуляционных насосов со смазкой рабочей жидкостью, в сельскохозяйственных машинах и магнитных пускателях. Подшипники выдерживают до 1 млн циклов, и долговечность их во много раз выше, чем у устанавливаемых ранее бронзовых втулок. Свойства материала впитывать масла позволяют подшипнику работать нормально после прекращения смазки 25-40 ч. В некоторых случаях трущиеся поверхности деталей покрывают антифрикционными лаками. Типичными областями применения лаков являются узлы трения, где гидродинамическая смазка (жидкая или пластичная) затруднена или невозможна. Рекомендуют применять лаки в узлах трения с большими удельными нагрузками, прерывистой работой и для случая приработки. При повышении скорости скольжения и увеличении нагрузок долговечность лаков снижается. Лучшие результаты получаются, когда микронеровности стальной поверхности не превышают 5 мкм. Отклонения шероховатости поверхности в ту или иную сторону уменьшает срок службы лаков [30]. К лакам относятся акриловая, эпоксидная и фенолформальдегидные смолы. Слоистые антифрикционные пластики и термореактивные композиции применяют свыше 50 лет в самом различном машинном оборудовании. Подшипники из слоистых материалов в судостроении используют для валов диаметром до 700 мм. В гидротурбостроении, где валы бывают и большего диаметра, широко применяют направляющие подшипники из резинометаллических сегментов. Резина как подшипниковый материал применяется уже свыше 70 лет. Известны текстолитовые подшипники на смазке водой для паровой турбины, работающие на водяном паре при его давлении 28 бар и температуре 370°С.
Пластические массы 33 Из синтетических материалов изготовляют поршневые кольца насосов и компрессоров для перекачки горячей и холодной воды, масел, бензина и других жидкостей и для сжатия сырых и кислых газов; краны и седла арматуры трубопроводов. В подшипниках качения замена бронзовых сепараторов пластмассовыми упрощает конструкцию и в несколько раз снижает стоимость. Полиамиды, будучи использованы как демпфирующие элементы, подобно всякому амортизатору уменьшают шум и повышают долговечность механизма, машины. По сравнению с резиной преимущества полиамидов - в большей легкости их переработки. Оправдали себя в эксплуатации металлические подшипники, запрессованные в полиамидную обойму или имеющие полиамидное напыленное покрытие посадочной поверхности. Вычислительные машины с такими подшипниками работают бесшумно. Синтетические полимерные материалы пригодны также для работы в условиях нагружения контактными напряжениями. Текстолитовые бесшумные зубчатые колеса используются в приводах распределительных валов автомобильных двигателей. Шестерни для работы в паре со сталью или чугуном изготовляют из пластика ДСП-Г, текстолита и полиамидов. Износостойкость таких пар удовлетворительная; она выше, чем у металлических колес, работающих в тех же условиях. В линотипах применяют нейлоновые шестерни привода клавиатуры, которые по сравнению с чугунными бесшумны в работе, не требуют смазки и достаточно износостойки, обеспечивая длительную службу привода. Отлично также работает кулачок из закаленной стали со шлифованной поверхностью в паре с облицованной нейлоном поверхностью толкателя в условиях пониженной статической и малых ударных нагрузок при наличии абразива и ограниченной смазки маслом или водой. Подшипники с пластмассовыми шариками или выполненные полностью из пластиков можно применять при малой частоте вращения и в случаях, когда имеется необходимость в малой массе подшипника, его высоких коррозионной стойкости и сопротивлении ударам и тяжелым сотрясениям. Комбинированием пластиковых шариков и алюминиевых или магниевых колец можно уменьшить массу подшипника на 65-85 % и снизить его стоимость. Подшипники с пластиковыми шариками не требуют смазки, что ликвидирует уплотнения, упрощает ремонт и снижает стоимость эксплуатации. Пластиковые шарики поглощают силы удара, амортизируют сотрясения и не вызывают ложного бринеллирования подшипниковых колец. У подшипника с пластиковыми шариками, особенно несмазанными, момент сопротивления вращению несколько выше, чем у обычного шарикоподшипника. Если этот момент нужно уменьшить, то подшипник смазывают, учитывая при этом маслостойкость пластиков. Пластиковые шарики удовлетворительно работают в подшип- 3 - 2039
34 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТРУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ никах в полевых условиях при попадании пыли, на стальных же шариках при аналогичных условиях образуются иногда вмятины. Кузова шахтных вагонеток выходят из строя вследствие остаточной деформации днища и^стенок, износа их и разрушения креплений к раме. Под действием шахтных вод на стенках кузова образуются хрупкие слои окислов железа, которые при достижении определенной толщины разрушаются при загрузке материала, а также от толчков и ударов при перемещении вагонетки. Скорость коррозионно- механического изнашивания стенок определяется степенью коррозионной активности шахтных вод. За рубежом в отдельных случаях днище вагонеток, как наиболее изнашивающуюся часть, закрывают листом нержавеющей стали. Защита от коррозии при помощи полимерного материала признана более экономичной. Стальные рештаки скребковых шахтных конвейеров тоже подвергаются коррозионно-механическому изнашиванию. Изготовление рештаков из пластмасс не только увеличивает их долговечность, уменьшает массу секции, что облегчает труд при переноске их в лаве, но и экономит электроэнергию на привод конвейеров и сокращает расход легированной стали. В заключение необходимо отметить, что преимущества пластмасс могут проявиться только в том случае, когда узел трения будет сконструирован с учетом свойств самих полимеров. Многолетний опыт применения пластмасс в узлах трения свидетельствует, что простое копирование пластмассовой детали металлической, как правило, не дает ожидаемого результата. Здесь необходимо учитывать специфические свойства пластмасс, отличные от свойств металлов, а именно — изменение деформационных и прочностных свойств во времени, в более резкой зависимости свойств от температуры, возможном старении, в большей анизотропии физико-механических свойств некоторых пластмасс. Многие свойства пластмасс зависят в большой степени от условий их переработки. В связи с изложенным приведем несколько примеров по конструкциям узлов трения из пластмасс. При конструировании большие пластмассовые зубчатые колеса целесообразно выполнять составными - венец из пластмассы, а ступицу из металла. Здесь для лучшего теплоотвода венец насаживают на металлическую ступицу в горячем состоянии. Окончательную обработку зубьев производят после посадки. Толщина венца зависит от модуля зубчатого колеса и наружного диаметра. Ориентировочно его определяют по эмпирической формуле (мм) Вв= (/ш/^"+2)-А, где т - модуль зубчатого колеса; й - наружный диаметр колеса, мм; И - высота зуба, мм [1].
Пластические массы 35 Рис. 1.3. Варианты армирования пластмассовых зубчатых колес При передаче небольших крутящих моментов пластмассовые колеса на валу можно устанавливать с натягом. Однако с течением времени в результате снижения модуля упругости предварительный натяг уменьшается, и при больших крутящих моментах необходимо пластмассовые колеса армировать. Армирование также необходимо для увеличения прочности и стабильности размеров зубьев. Варианты армирования пластмассовых зубчатых колес приведены на рис. 1.3 [1]. Для редукторов небольшой мощности пластмассы можно применять и в червячных передачах взамен бронзы и других сплавов цветных металлов. На рис. 1.4 показано червячное колесо из материала ДСП-Г. Нагрузочную способность и допускаемые контактные напряжения для червячных передач с венцами из ДСП-Г и других пластиков можно определять из условий ограничения температуры нагрева в зависимости от скорости скольжения [1]. Тормозные накладки и облицовки из пластмасс крепят к металлическим дискам так же, как и другие фрикционные материалы, - винтами, заклепками с потайными головками или при помощи клеев на эпоксидной основе. Фрикционные накладки можно также запрессовывать в расточку дисковой муфты. На рис. 1.5 показаны фрикционные муфты Рис-' -4* ЧеРвяч~ с венцами ш пластмасс [I]. ^Тсп-Г
36 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТРУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ Рис. 1.5. Фрикционные муфты с венцами из пластмасс: а, б - цилиндрическая (а) и конусная (б) муфты с венцом из текстолитовых дисков; в - диск с приклеенной пластмассовой облицовкой; г - фрикционный диск с пластмассовым венцом; д - конусное кольцо с прикрепленной клеем и болтами фрикционной облицовкой На рис. 1.6 показан литой пластмассовый шкив (патент США № 4177685). Шкив состоит из диска 7, клиновая канавка которого имеет рабочие поверхности Л, и ступицы 2 с центральным отверстием а для установки шкива на вал. В ступице имеются две глухие прорези б прямоугольного сечения, расположенные под углом 90° друг к другу, в которые вставлены гайки 3 для стопорных винтов 4. Снаружи на выступающую часть ступицы напрессована стальная втулка 5. Для фиксации шкива на валу винты 4 ввинчиваются в гайки и упираются в вал; возникающие при этом силы реакции воспринимаются втулкой 5. Для улучшения условий отливки шкива с обеих сторон диска 1 имеются выборки, а в ступице - сегментные канавки в, равно- расположенные по окружности. Шкив отливается из пластика (на- пример,нейлона), наполненного стеклянными шариками, которые составляют 10-60 % массы шкива. Диаметр шариков может колебаться от 4 до 5000 мкм в зависимости от применяемого пластика и условий эксплуатации. Обычно применяют шарики диаметром 750-1000 мкм. Во время работы передачи пластик, покрывающий рабочие поверхности А шкива, быстро изнашивается, обнажая стеклянные шарики. Такая поверхность шкива обладает высокой стойкостью к абразивному изнашиванию, кроме того, снижается вредное воздействие шкива на приводной ремень. Небезынтересно отметить, что общее потребление в США полимерных материалов (резин, пластмасс, искусственных волокон) становится приблизительно равным потреблению Рис. 1.6. Литой пласт- стали, а при среднегодовом приросте в 10% в массовый шкив 2000 г. потребление полимерных материалов
Пластические массы 37 достигло уровня потребления всех металлов. Основным потребителем полимеров является автомобилестроение, так как применение этих материалов позволяет снизить массу и увеличить экономичность автомобиля. 7. Металлофторопластовые ленточные антифрикционные материалы За рубежом, начиная с 60-х гг., широкое распространение получили подшипники из металлофторопластового материала фирмы Глэсье (Великобритания). Разработаны, в основном, две марки материала - ОУ и ЭХ. Материал ЭУ представляет собой композицию политетрафторэтилена, свинца и спеченной оловянной бронзы; композиция крепится к стальной подложке (рис. 1.7). На рабочей поверхности имеется тонкий дополнительный слой политетрафторэтилена (ПТФЭ). Подшипники Глэсье ОУ могут работать без смазки в широком диапазоне температур, обеспечивая достаточную долговечность и малый коэффициент трения. Материал ОХ разработан позже и содержит сополимер ацеталь- ной смолы. Подшипник из ОХ нуждается в небольшой смазке. Этот материал также имеет стальную подложку, а смола пропитывает пористый бронзовый слой. Подшипники из материала ОУ можно эксплуатировать в диапазоне температур от -200 до +280°С. Они удовлетворительно воспринимают динамические нагрузки, устойчивы к воздействию большинства растворителей и многих промышленных жидкостей и газов, включая воду и нефть, хорошо переносят запыленную среду, могут работать при колебательном и возвратно-поступательном движении и имеют малые пусковые моменты. Коэффициент трения таких подшипников мало зависит от скорости скольжения (рис. 1.8). Композиционный материал, состоящий из стальной подложки и пористой бронзовой матрицы, пропитанной и покрытой смесью ПТФЭ со свинцом, работает следующим образом. Стальная подложка обес- Рис. 1.7. Строение поверхности подшипника с металлофторопластовым покрытием: 1 - наружный слой; 2 - пропитанный бронзовый каркас; 3 - стальная подложка; 4 - медный слой; А - поверхность трения 0,000010,00070,0010,01 0,1 *,м/с Рис, 1.8. Зависимость коэффициента трения ц материала (после пропитки) от скорости скольжения V и удельной нагрузки р
38 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТРУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ печивает механическую прочность, а бронзовый промежуточный слой - прочное соединение твердой смазки с подложкой. Пористая бронза улучшает теплопроводность подшипника, снижая температуру на опорной поверхности. Тепловое расширение по окружности подшипника такое же по величине, как и у стали, поэтому необходимый зазор поддерживается постоянным во всем диапазоне рабочих температур. При нормальной работе подшипник из материала ОУ быстро прирабатывается. Начальный износ составляет около 0,013 мм, при этом часть ПТФЭ со свинцом переносится и налипает на вал. Поверхность трения подшипника часто приобретает серо-зеленый цвет, и можно видеть бронзовую матрицу, обнаженную примерно на 10% поверхности подшипника. Излишек слоя ПТФЭ со свинцом выносится в виде мелких частиц. После приработки подшипника интенсивность изнашивания снижается и увеличивается поверхность обнаженной бронзы (поверхность бронзы составляет приблизительно 70% от площади подшипника). Есть основания полагать, что такие подшипники после приработки работают в режиме избирательного переноса. Изнашивание вала при отсутствии абразивных частиц, если подшипник не работал в нерекомендованных режимах, практически отсутствует. Рекомендована величина ру до 3,5 Н/мм2 • м/с для кратковременной работы и до 1,75 Н/мм2 • м/с для непрерывной работы. Помимо величины ру долговечность зависит от материала сопряженной детали, диаметрального зазора, температуры среды и типа подшипника. Основная зависимость для разных типов подшипников показана на рис. 1.9. В случае смазки гидродинамическое условие трения в подшипнике устанавливается при давлении (МПа) где и - скорость скольжения, м/с; г\ - динамическая вязкость, сП сантипуаз); ЬЮ - отношение длины подшипника к его внутреннему диаметру. Если возможно обработать поверхность вала до шероховатости порядка Ка = 0,16...0,10 мкм, то удельная нагрузка может быть увеличена на 50 единиц по сравнению с получаемой по приведенной формуле. В случае применения подшипников в узлах трения, соприкасающихся с продуктами питания, необходимо ставить уплотнения во избежание попадания частиц износа в эти продукты. Следует также иметь в виду при изготовлении подшипников, что при температуре свыше 250°С ПТФЭ может выделять ядовитые пары.
Металлофторопластовые ленточные антифрикционные материалы 39 л ь о о X « © и о 0,18 Р*> Н/мм2*м/с Рис. 1.9. Связь величины ру с долговечностью для: У - одностороннего вращения втулки относительно неподвижного вала; 2 - статического нагружения при одностороннем вращении вала относительно втулки; 3 - опорного подшипника Материал, подобный Т)У, изготавливается на Климовском машиностроительном заводе им. В.Н. Доенина. В этом материале вместо свинца в ПТФЭ вводится дисульфид молибдена. Завод выпускает свертные втулки с внутренним диаметром от 10 до 55 мм. Подшипники в основном применяются в текстильном машиностроении. При/?у = 40 Н/см2- м/с долговечность подшипников составляет 100- 800 ч; при ру = 30 Н/см2- м/с долговечность их достигает 400-4000 ч. В условиях работы вне закрытого помещения и достаточно тяжелых нагрузках подшипники, работающие со стальным валом, способствуют его корродированию, что является существенным недостатком материала при применении его в ответственных узлах трения. При трении дисульфид молибдена разлагается, выделяя серу, которая, соединяясь с водяными парами, корродирует стальной вал. Калужским турбинным заводом совместно с Институтом проблем материаловедения АН Украины разработаны и исследованы опорные сегментные подшипники турбомашин, рабочая поверхность которых покрывается спеченной пористой бронзой, пропитанной фторопластом. Подшипники с диффузионно хромированным валом из стали 12Х18Н10Т при давлении 0,5 МПа, смазке водой и скорости скольжения 60 м/с работали 4000 ч без эрозионного и кавитационно- го изнашивания. Бронзофторопластовый материал при высоких скоростях скольжения и давлениях в подшипнике превосходил по своим качествам баббит Б-83. Своеобразный металлофторопластовый материал разработан в Германии. Он состоит из фторопласта-4 C7%), металлического свинца E0%) и связующего - фенолформальдегидной смолы A3%). Матери-
40 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТРУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ ал напрессовывается на стальную ленту. В тонком слое он обладает лучшими антифрикционными свойствами, чем в монолите. В последние годы разработаны новые ленточные материалы с использованием фторопласта, впрессованного в бронзовую сетку, и наклеенные фенолформальдегидной смолой на хлопчатобумажную ткань. Материал приклеивают к стальной основе. Он может работать без смазки и имеет высокую износостойкость [4]. Коллективом авторов под руководством А.Н. Филиппова разработан антифрикционный материал АГ-НАМИ на основе графита. Он предназначен для подшипников скольжения, работающих в условиях трения без смазки; наибольшее распространение получил в подшипниках выключения муфт сцепления автомобилей. Составными компонентами этого материала являются графит, свинец, стеарат цинка, фенолформальдегидная смола, гексаметилентетрамин, стеарин и гидрат окиси кальция. Материал может работать в паре со стальными, чугунными и металлокерамическими контртелами, имеющими шлифованную поверхность. Физико-механические характеристики материала: плотность 2,0 г/см3, предел прочности на сжатие 100- 120 МПа, допустимая рабочая температура 200°С. Детали из материала АГ-НАМИ изготовляют горячим прессованием, без необходимости дальнейшей механической обработки, что выгодно отличает этот материал от других аналогичных (графито- пластов, графитированного текстолита, фторопласта с наполнителями). Изготовленные из этого материала подшипники выключения муфт сцепления автомобилей не требуют технического обслуживания, замены или ремонта на протяжении всего срока службы автомобиля. Производство подшипников организовано на Московском заводе порошковой металлургии (МЗПМ) Министерства автомобильной промышленности и на ряде других заводов. Этот материал успешно применяют также для изготовления упорных подшипников мотальных агрегатов и вкладышей подшипников прядильных машин в текстильной промышленности, уплотнительных колец циркуляционных насосов для перекачки агрессивных газов и для изготовления других изделий. Лицензии на материал АГ-НАМИ имеют США, Италия, Франция, Великобритания, Швеция. 8. Материалы для узлов трения, работающих при высокой температуре Такие материалы должны обладать надлежащими показателями жаропрочности, теплопроводности, коррозиестойкости и сопротивления термической усталости, а при работе без смазки на их поверхности должна образовываться тонкая и прочная защитная пленка, предохраняющая поверхности трения от схватывания. Определяющим
Материалы для узлов трения, работающих при высокой температуре 41 свойством материала для деталей подшипников качения является твердость. При трении скольжения твердость не оказывает решающего влияния на износостойкость материалов при высоких температурах. При прочих равных условиях наименьшие силы трения и износ будут иметь место в паре, где хотя бы на одной из поверхностей с достаточной скоростью будет формироваться нерыхлая окисная пленка. Для работы при высоких температурах используют тугоплавкие металлы, специальные и твердые сплавы, керамические материалы. Выполнение окисными пленками роли смазочного материала позволяет изготовлять детали некоторых пар трения, работающих при высокой температуре, из одноименных материалов. Для уменьшения сил трения и скорости изнашивания, в особенности в условиях слабого образования защитных пленок, применяют различные смазочные материалы: дисульфид молибдена, графит; тонкие покрытия из мягких металлов (меди, серебра); окислы ( РЬО, В203), соединения вольфрама, молибдена и фтора; стекловолокно и галогенсодержащие соединения. Коэффициент трения для одних и тех же материалов при высокой температуре значительно выше, чем в условиях граничной смазки при обычной температуре. С повышением температуры коэффициент трения убывает плавно или скачком; пределы его изменения 0,016-1,2. Из рассмотрения, естественно, исключается такой подъем температуры, при котором работоспособность пары трения полностью нарушается. Колебания коэффициента трения и скорости изнашивания материала связаны с изменениями интенсивности плен- кообразования на поверхности трения и свойств смазочных материалов. Как показал Л.А. Чатынян, из тугоплавких металлов большой интерес в качестве материалов для узлов трения представляют молибден и его сплавы, вольфрам, хром, тантал. Заметим, что к тугоплавким относятся металлы, температура плавления которых выше, чемухромаA878°С). Молибден обладает хорошими механическими свойствами при высокой температуре с низким коэффициентом теплового расширения. Коэффициент трения молибдена по молибдену при окружающей температуре 482°С высок - порядка единицы. С ростом температуры он уменьшается, составляя 0,3 при 649°С; при температуре свыше 760°С коэффициент трения быстро увеличивается. Такой характер его изменения объясняется тем, что окисная пленка на молибдене МоОэ образуется при температуре свыше 482°С, при температуре же более 760°С эта пленка испаряется и ее смазывающее действие прекращается. Для улучшения антифрикционных свойств молибдена используют в качестве смазочного материала Мо82, при этом коэффициент трения до температуры 815°С находится в "пределах 0,5-0,8. Смазка Мо8, не может работать в окислительной среде. Антифрикционные свойства несмазанного вольфрама во многом совпадают с аналогичными свойствами молибдена, однако вольфрам
42 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТРУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ сильнее подвержен окислению. С натриевым смазочным материалом вольфрам дает низкий коэффициент трения до температуры 649°С. Механические свойства хрома ниже, чем у других тугоплавких металлов. Он менее подвержен окислению, коэффициент трения его ниже, чем у вольфрама и молибдена @,3-0,5 в диапазоне температур 260-800°С). Из специальных сплавов для узлов трения используют сплавы на железной, кобальтовой и никелевой основах. Сплавы на железной основе применяют до температуры не выше 540°С. Сплавы на основе никеля проявляют наибольшую износостойкость при температуре до 700°С, если в сплаве его содержание не превышает 18%. Из многих сплавов на никелевой основе лучшие результаты по коэффициенту трения и износостойкости показал сплав с содержанием 14% Сг, 7% Ре, 2% 81, 0,1% В, 1,9% \У, 1,8% А1 и 1,4% Л, с термообработкой по режиму: закалка при температуре 1100°С с последующим старением при 700°С. Сплавы с содержанием никеля 40-50%, хрома свыше 10% и с добавками (для твердости) алюминия и титана обладают высокими механическими свойствами при высокой температуре и, не окисляясь до температуры 380°С, хорошо работают при смазке керамическим покрытием СаР2 с добавкой 25% СаО, обеспечивая коэффициент трения 0,26 при температуре 24°С; 0,20 при 260°С и 0,15 при 815°С [24]. Существуют твердые сплавы из карбидов металлов и из окиси алюминия, которые можно применять для пар скольжения и качения. Твердые сплавы из карбидов титана и хрома имеют достаточную статическую и ударную прочность при повышенных температурах. Хорошие результаты при работе в подшипниках качения при температуре до 870°С показал сплав на основе карбида титана с содержанием 17% Т1 и 3,2% Мо. Известно использование в самолетных устройствах шарикоподшипников размером 20 мм, изготовленных из сплава на кобальтовой основе и карбида титана. Подшипники работают под нагрузкой 2,25 МПа при температуре 650°С и частоте вращения 30 000 об/мин. Сплавы АЬ203,СгиМо могут работать до температуры 1200°С, оказывая высокое сопротивление окислению. При температуре порядка 1100°С удовлетворительно работают пары из керамических материалов М§0-8Ю2; М§0-А1203; А1203-Т1С; 81С-ТЮ (М.Ф. Атман и В.А. Глазер). При сравнительно нетяжелых режимах нагружения в парах трения возможно использование медных сплавов. Гетерогенная структура сплава оказывается непригодной для пары, особенно при большом содержании хрупких составляющих, которые, выкрашиваясь, сильно истирают контртело. Двойной однофазный сплав меди с 5% олова при нагрузке 15 МПа и скорости скольжения 6 м/с в температурном интервале от 20 до 700°С в паре со сталью 30ХГСА при трении без смазки имеет большую износостойкость, чем двухфазный сплав. Алюминиевые бронзы по антифрикционным свойствам уступают оловянным бронзам и меди. Еще большей износостойкостью обладает сплав меди с 1% Сг, быстро покрывающийся в процессе работы тонкой и плотной пленкой.
Материалы для пар трения, работающих в условиях высокого вакуума и космоса 43 9. Материалы для пар трения, работающих в условиях высокого вакуума и космоса [15, 16] В этих условиях образование защитных пленок на трущихся поверхностях исключено или затруднено. Поэтому узлы трения необходимо смазывать или же применять самосмазывающиеся материалы. Ввиду высокой испаряемости в этих условиях твердые смазочные материалы имеют преимущества перед жидкими, а из жидких материалов - силиконовые масла перед минеральными. Пары одноименных металлов и особенно пластичных, естественно, оказываются в этих условиях неработоспособными. Требование высокой коррозионной стойкости к материалам остается в силе и здесь. Применяются пары: металл - твердый сплав на основе окислов или карбидов, металл - пластик, металл - самосмазывающиеся композиции, металл по металлическому покрытию и металл - алмаз. Тефлон и нейлон хорошо работают по закаленной стали, металлокерамике, а также в паре с золотом и серебром. Самосмазывающиеся композиции составляют на основе меди или серебра, другими компонентами являются тефлон и смазывающие вещества Мо82, ^8е^, ЫЬ8е2, МоТе2. Лучший состав композиции - на основе меди^ 60% Си, при соотношении тефлона и смазывающего материала 2:1 и 3:1. При замене в композиции меди серебром коэффициент трения уменьшается. Наилучшая такая композиция - 70% А§, 20% тефлона и 10% \У82. Композиция наносилась в качестве дорожек качения наружных колец подшипников. При трении на воздухе композиции в паре со стальным сопряженным элементом обеспечивают высокую износостойкость. При р - 10 МПа, V = 0,24 м/с коэффициент трения составляет 0,1-0,22. Известны твердые сплавы Сг - А120 - Мо - ТКХ и Сг - А12Оэ -\У для работы в интервале температур от~-ъ7 до +954°С, а также сплавы на основе кобальта и карбидов титана. Хрупкость такого материала затрудняет установку подшипников качения в узлы. В качестве твердых неметаллических смазочных материалов используют дисульфид молибдена и графит. Первый сохраняет в вакууме смазочные свойства до температуры 1204°С. В диапазоне температур от -142 до +537°С рекомендуется использовать смесь графита с дисульфидом молибдена. В условиях повышенных температур возможно применение в качестве твердого смазочного материала порошков легкоплавких металлов: свинца, олова, цинка, кадмия и сплава Вуда. Смачиваемость стали расплавленным металлом является важным критерием при подборе трущихся материалов и соответствующих им смазок. Из указанных порошков свинец в паре нержавеющая сталь - нержавающая сталь показал наименьший коэффициент трения. Использование титана как конструкционного металла при его низких антифрикционных качествах перспективно при нанесении
44 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТРУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ диффузионным способом металлических покрытий из хрома, кобальта, железа, меди, золота, платины, свинца, серебра и олова. Хорошие результаты при трении с нержавеющей сталью показало медно-сереб- ряное покрытие с глубиной диффузии 25 мкм при смазке трикрезил- фосфатом и другими аналогичными смазочными материалами. Наилучшие результаты с точки зрения снижения скорости изнашивания и коэффициента трения дала модификация титана с платиной и золотом при неорганической смазке диизопропилфосфатом. Исследования показали возможность повышения износостойкости титана его азотированием в струе газа при температуре 850°С. Целесообразно нанесение металлических пленок на сталь в качестве смазочного материала. На основании исследований миниатюрных высокоскоростных шарикоподшипников с кольцами и телами качения из нержавеющей стали выяснено, что покрытие рабочих поверхностей чистым золотом менее эффективно, чем золотом с присадками никеля, индия и кобальта для повышения твердости покрытия и его сцепления с основным металлом. Возможно применение алмаза в некоторых парах трения. Наименьшие силы трения в этом случае имеют место при работе по плоскости с наиболее плотной упаковкой атомов. Коэффициент трения здесь обратно пропорционален корню кубическому из величины нагрузки. Такая пара требует смазки. Нарушение мономолекулярного адсорбционного слоя на поверхности трения влечет за собой возрастание коэффициента трения до единицы. 10. Металлокерамические и керамические материалы Порошковая металлургия - весьма гибкий технологический процесс: он позволяет получать компактные и пористые материалы как однородные, так и в виде композиций из металлов, не смешивающихся в расплаве, не образующих твердые растворы, а также интерметаллические соединения и композиции-смеси из металлов и неметаллов. Методами порошковой металлургии получают материалы в виде готовых изделий - антифрикционных, фрикционных, магнитных, фильтрующих и др. Преимущества порошковой металлургии перед литьем, ковкой, механической обработкой заключаются в большом снижении расхода металла, уменьшении трудоемкости и упрощении технологии производства. Однако из-за высокой стоимости технологических пресс- форм применение металлокерамики экономически выгодно лишь в масштабе от 500 до 10 000 изделий одного типа в зависимости от размера детали. Керамические материалы получают спеканием глин, окислов и других неорганических соединений. Керамика широко используется в быту и производстве. Так, в металлургической промышленности ее применяют в качестве огнеупоров, в электротехнической промышлен-
Металлокерамические и керамические материалы 45 ности - как изоляторы, в приборостроении - как полупроводники, в медицинской промышленности - для протезов и др. Керамика обладает преимуществами перед металлами: она имеет меньший удельный вес, легко формуется, обладает высокой коррозие- и термостойкостью, исходные продукты имеют низкую стоимость. Сложные детали из керамики, из наиболее дорогостоящего керамического материала - нитрида кремния, в 2 раза и более дешевле, чем из металлического сплава. Главные недостатки деталей из керамики — это их хрупкость, приводящая к поломкам деталей при динамических нагрузках, и высокая твердость, затрудняющая механическую обработку. Снизить до минимума хрупкость керамических изделий удалось японским специалистам применением метода инжекционного прессования керамических порошков под большим давлением и при высокой температуре. Этот метод позволил отказаться от последующей обработки поверхностей деталей и организовать их серийное производство, причем -деталей сложной формы (например,для двигателей внутреннего сгорания). Применение основных деталей для дизеля из керамических материалов (главным образом, из нитрида кремния) по расчетам японских специалистов позволяет повысить КПД двигателя с 36%, характерного для современных безнаддувных дизелей, до 56% при сочетании теплоизолированной камеры сгорания, газотурбинного наддува, использования силовой турбиной избыточной энергии отработавших газов и при снижении механических потерь на трение. С целью снижения сил трения в движущихся деталях адиабатического дизеля японские исследователи ведут разработки по замене жидкостной смазки на газовую. Ожидается, кроме того, снижение шумности двигателя на 1 -2 дБ, уменьшение выброса вредных веществ с отработавшими газами и снижение дымности двигателя ввиду более полного сгорания топлива. Для двигателестроения японские специалисты считают наиболее перспективным применение алюмосиликатов, силиката магния, тан- таната алюминия, нитрида кремния, сиалона и некоторых других материалов [21]. Такая керамика имеет более высокие физико-механические свойства и при горячем прессовании минимальную пористость (менее 2%), высокую плотность (около 3 г/см3), что вдвое с лишним меньше плотности металлов. При этом керамика может работать при более высокой температуре, чем металлы (до 1500°С). По мнению японских специалистов, для обеспечения долговечности деталей из керамики размер пор в них не должен превышать 10-30 мкм, т.е. на порядок меньше, чем у металлов. Из металлокерамики на основе железа в Японии изготавливаются термо- и износостойкие седла клапанов двигателей внутреннего сгорания. Прорабатывается вопрос изготовления из нитрида кремнии гильз цилиндров, вкладышей подшипников, седел клапанов,
46 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТРУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ поршней и других деталей. В 1981 г. фирма "Комацу" опубликовала данные о 1000-часовых испытаниях четырехцилиндрового керамического адиабатного дизеля с силовой турбиной. Двигатель, мощностью 162 л.с. A20 кВт) при 2500 об/мин, проработал на максимальной нагрузке 250 ч. В этом двигателе из керамики (нитрида кремния) были изготовлены днище поршня, гильза и головка цилиндра, выпускные клапана и выпускной трубопровод. Имеются также примеры изготовления из керамики поршневых колец. По данным специалистов [19], можно ожидать, что в 90-х гг. в Японии будет создано серийное производство высокоэкономичных керамических двигателей с адиабатным процессом. В нашей стране минералокерамические материалы достаточно широко применяют в химическом машиностроении. Они могут работать без смазки при температуре свыше 400°С и в агрессивных средах, служащих им смазкой, а также в средах, содержащих абразивные частицы [4]. Состав минералокерамических материалов дан в табл. 1.1. Таблица 1.1 Состав минералокерамических материалов Материал Корундовый Корундостеатитовый Шпинельный Корундомуллитовый Стеатитовый Химический состав А1А сс-А1203+М80-8Ю2 М§0- А1203 а-А1203+ А1203-28Ю, М§0-8Ю, у Твердость НКА 82-92 80 85-94 80 70 Предел прочности при изгибе, МПа 320-450 240 140-250 240 90-190 Температура обжига, °С 1700-1800 1550-1650 1550-1650 1500 1200-1300 Основное применение получила корундовая минералокерамика марок ЦМ-332, Т-48 и др., а также стеатитовая марок ТК-21, СК-1, СПК-2. Сравнительная износостойкость некоторых металлокерами- ческих материалов дана на диаграмме рис. 1.10 [4]. Изделия из металлокерамики изготавливают прессованием или литьем под давлением формовочной массы с последующей сушкой и обжигом. Удовлетворительные результаты при прессовании получаются при отношении диаметра подшипника к его длине не более, чем 1:3 при длине до 300 мм. Металлокерамические материалы можно наносить на стальные валы и втулки плазменным напылением. Толщина напыленного слоя на основе окиси алюминия составляет 150- 200 мкм, после алмазного шлифования и доводки она снижается до 50 мкм. Напыленный слой металлокерамики не может работать при контактных нагрузках.
Металлокерамические и керамические материалы 47 Рис. 1.10. Диаграмма сравнительного износа минералокерамических материалов при абразивном изнашивании Микроструктура корундовой минералокерамики ЦМ-332 имеет плотную упаковку кристаллов размерами менее 3 мкм [4]. Качество изготовленных деталей контролируют по плотности минералокерамики, которая должна быть не ниже 3,83 г/см3. Твердость ее при 20°С составляет НКА 90; с повышением температуры она изменяется незначительно, сохраняясь до температуры 500-700°С, что позволяет этому материалу работать в узлах трения при высоких температурах. Металлокерамические изделия плохо переносят ударную нагрузку в силу высокой их хрупкости и выдерживают только небольшое количество теплосмен, так как обладают весьма малой теплопроводностью. При трении без смазки детали быстро изнашиваются при попадании в зазоры абразивных частиц. Однако при смазке (даже водой) износостойкость их высока, а при абразивном изнашивании и работе в малоагрессивных средах она выше в 7-10 раз, чем стали 40Х, и в 1,5 раза, чем азотированной стали 38Х2МЮА [4]. Пару трения керамики ЦМ-332 по той же керамике применяют в узлах, работающих в газовой среде, в дистиллированной воде при температуре 95°С, в 65%-ной азотной кислоте при 84-99°С. Без смазки такая пара трения удовлетворительно работает при давлениях, не превышающих 18 кПа. Средняя продолжительность работы торцевых уплотнений с кольцами из керамики ЦМ-332 в агрессивных средах составляет 3000-4000 ч. Керамические кольца из ЦМ-332 вклеивают в металлические обоймы с применением лака Ф-10, испытывают под давлением 1,2 МПа и обрабатывают с отклонением от плоскости не более 0,0006 мм. На рис. 1.11 показано неподвижное кольцо торцевого уплотнения типа 2В. Данную минералокерамику применяют для фильер, сопел распыливающих устройств, штуцерных втулок фонтанной арматуры нефтяных и газовых скважин и др.
48 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТРУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ Рис. 1.11. Кольцо неподвижного торцевого уплотнения типа 2В: 1 - обойма; 2 - керамическое кольцо (керамика ЦМ-332) Стеатитовую минералокерамику ТК-21 в паре со сталью применяют для изготовления подшипников насосов ЦНГ(рис. 1.12). Здесь смазочным материалом служат перекачиваемые агрессивные жидкости с температурой до 100°С при давлении в системе не выше 2,8 МПа и не содержащие абразивных частиц. Из той же минерало- керамики изготовляют вкладыши подшипников насосов типа ХГВ. Механическую обработку подшипников производят алмазным шлифованием. К минералокерамическим материалам относятся также технические ситаллы - материалы на основе стекол с микрокристаллической структурой из равномерно распределенных по объему кристаллов размерами 0,01-1 мкм. Ситаллы способны переносить резкие изменения температуры, они обладают высокой теплостойкостью, твердостью, малой водопоглощаемостью и газопроницаемостью, высокой химической стойкостью. В паре со сталью ситаллы при температуре до 100°С допускают удельные давления до 0,25-0,30 МПа и скорости скольжения 1-8 м/с. В химическом машиностроении ситаллы применяют для трущихся колец торцевых уплотнений, плунжеров и других деталей химических насосов и реакторов, запорных клапанов, облицовки химических аппаратов. В виде порошков с размером частиц до 50-80 мкм ситаллы используют в качестве наполнителей для пластмасс антифрикционного назначения, в частности - фторо- пласта-4 и 40П. Детали из ситаллов требуют алмазного шлифования и последующего полирования алмазными пастами. Более подробные сведения о минералокерамике, как износостойком материале, можно найти в работе Б.Д. Воронкова [4], откуда мы 2 1 \ \ ш I •УЛУАУ»*А*А* I л АУАУАУАУА* Рис. 1.12. Вкладыш электронасоса ЦНГ в сборе: I - обойма; 2 - керамическая втулка (керамика ТК-21) почерпнули основные сведения по данному вопросу.
Материалы для направляющих скольжения металлорежущих станков 49 11. Материалы для направляющих скольжения металлорежущих станков* Длительное сохранение точности металлорежущих станков в значительной степени определяется эксплуатационными характеристиками направляющих и условиями работы последних. В современных тяжелых и средних станках наиболее распространенными, простыми по конструкции и дешевыми являются направляющие скольжения. Отличительными особенностями условий их работы принято считать переменность давления и широкий диапазон скоростей скольжения, загрязнение отходами обработки (металлической стружкой, окалиной, литейной коркой и т.д.), ненадежность смазки. Меры по повышению эксплуатационных характеристик направляющих скольжения имеют целью увеличение их износостойкости. В том числе повышение задиростойкости, уменьшение сил трения, обеспечение равномерного, без скачков, перемещения узлов при малых подачах, демпфирование колебаний и технологичность. Все эти показатели в значительной степени определяются свойствами материалов пар трения. Последние, как правило, следует комплектовать из разнородных материалов, имеющих неодинаковую природу, состав, микроструктуру или твердость. Однако эти показатели материалов должны находиться в определенных соотношениях. В противном случае, вследствие более интенсивного схватывания, развития процесса "шаржирования" или из-за повышенного содержания структурных составляющих высокой твердости в одном из элементов, износостойкость пары снижается, ухудшаются также и характеристики трения. При распределении свойств материалов сопряженных направляющих учитывается влияние их на точность станка. Направляющие большой длины, обычно у станин и стоек, следует изготовлять из более износостойкого и твердого материала. Сопряженные направляющие относительно меньшей длины (столов, салазок, бабок) изготовляют из менее твердого материала; интенсивность изнашивания их более высокая. В дальнейшем при рассмотрении характеристик пар трения узлов станков первым указан материал направляющих меньшей длины в паре трения (столов, салазок, бабок), вторым - материал сопряженных направляющих большей длины (станин, стоек, поперечин). Узлы с направляющими скольжения из однородных металлов (пара чугун-чугун). Подвижные узлы станков с парами трения чугун- чугун и чугун-закаленный чугун имеют довольно широкое распространение в металлорежущих станках различных типов. Такая пара, отличаясь высокой технологичностью, малой стоимостью, относительно высокой работоспособностью, надежно работает лишь при условиях хорошей смазки и защиты от загрязнений поверхностей тре- * Раздел написан совместно с А.Н. Нибергом. 4 - 2039
50 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТРУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ ния. При эксплуатации станков обеспечить такие условия работы затруднительно, имеет место образование задиров на направляющих, которые резко увеличивают скорость изнашивания. В результате пара трения не обеспечивает длительной надежной работы направляющих без ремонта и не отвечает современным требованиям при возросшей интенсивности использования станков. Пару трения чугун-чугун можно применять: для менее ответственных направляющих, износ которых не оказывает прямого влияния на точность работы станка; для направляющих с легкими условиями работы — малыми величиной и неравномерностью давления, малой интенсивностью использования в единицу времени, если имеется надежная смазка и защита направляющих от загрязнений. В узлах с этой парой необходимо использовать антискачковые противозадирные смазочные материалы, а также упрочнение закалкой. Пара трения чугун-закаленный чугун в значительной степени лишена недостатков предыдущей пары. При работе с загрязненным смазочным материалом в условиях высоких и неравномерных давлений на поверхностях трения закалка повышает износостойкость направляющих до 2-х раз, а задиростойкость - многократно. Износостойкость увеличивается у обеих сопряженных направляющих, но обычно в большей мере у более короткой направляющей - незакаленной. Область применения этой пары - узлы станков с интенсивным режимом работы, к которым не предъявляются высокие требования равномерности перемещения при малых подачах (специальные, специализированные и универсальные станки различных типов). Значительное коробление деталей с закаленными направляющими и невозможность пригонки сопряженных поверхностей трения шабрением ограничивает область их применения, главным образом;станками нормальной точности. Наибольшая износостойкость и лучшие характеристики трения, возможные для данных пар, достигаются только при строго определенных микроструктуре и твердости чугуна. Требования к характеристикам чугуна для направляющих станины (стойки) зависят от материала сопряженных направляющих стола (салазок). Однако при отливке станин (стоек) технологически затруднительно обеспечить в каждом частном случае требуемую структуру чугуна. Поэтому рекомендуемые микроструктура и твердость чугуна направляющих несколько усреднены, но близки к оптимальным для большинства пар трения. Наиболее высокую износостойкость имеют направляющие из чугуна с чисто перлитной структурой металлической основы и равномерно распределенным пластинчатым графитом. Микротвердость перлита должна быть возможно более высокой, не менее 3000 МПа. Оптимальная длина графитовых включений чугуна 200-300 мкм (балл Град 180 по ГОСТ 3443-77), макротвердость не менее НВ 170. Снижение твердости чугуна с НВ 180 до НВ 150 приводит к увеличению интенсивности изнашивания направляющих станины до 1,5 раза.
Материалы для направляющих скольжения металлорежущих станков 51 В узлах с парой трения чугун-чугун большое влияние на износостойкость направляющих оказывают свободные включения в микроструктуре чугуна направляющих салазок (столов). Зависимости величины износа элементов пары от параметров чугуна нелинейны. Отклонение размеров графитовых включений от оптимальных B50 мкм) увеличивает интенсивность изнашивания сопряженных направляющих стола более чем в 1,5 раза. Наличие твердых включений карбидного типа в чугуне направляющих стола (салазок) в количестве до 5 % снижает износ в 1,5-1,7 раза. Большее содержание включений приводит к повышенному износу сопряженных направляющих станины. На равномерность скольжения этой пары оказывает влияние соотношение размеров графитовых включений чугуна. Для направляющих стола рекомендуется чугун с большим размером графитовых включений и меньшей твердости, чем у чугуна сопряженных направляющих станин. Пары трения из чугуна с одинаковым размером графитовых включений E4 мкм) и равной твердости (НВ 180) при низких скоростях скольжения имеют вдвое большую величину скачков и диапазона нагрузок с неравномерным скольжением. В соответствии с требованиями высокой износостойкости и равномерности скольжения для направляющих стола (салазок) следует применять чугун с чисто перлитной металлической основой, равномерно распределенным пластинчатым графитом. Микротвердость перлита должна быть высокой. Содержание твердых включений в металлической основе допускается не более 5% (балл Ц4 по ГОСТ 3443-77). Размер графитовых включений чугуна направляющих стола должен быть на 30-50 мм больше, чем у чугуна направляющих станины. Твердость НВ направляющих стола (салазок) должна быть ниже твердости направляющих станины на 10-15 единиц, но не менее НВ 170. В паре чугун-закаленный чугун глубина закаленного слоя направляющих должна быть не менее 2,5 мм, твердость — НКС 48-53. Требования к микроструктуре чугуна, предназначенного для закалки, по характеристикам металлической основы те же, что и для нетермо- обработанного чугуна, но длина графитовых включений должна быть несколько меньше. Наибольшее повышение износостойкости (в 2 раза) наблюдается у закаленного чугуна с длиной включений от 50 до 150 мкм. Закалка чугуна с включениями больше 220 мкм менее эффективна и обеспечивает увеличение его износостойкости в 1,3- 1,5 раза. Возможность получения накладных направляющих из чугуна методом непрерывного литья позволила применить для них изотермическую закалку до твердости НВ 260-300, которая повышает износостойкость чугуна в 1,6-1,8 раза. Несмотря на несколько меньшие износостойкость и твердость, коробление направляющих при этом виде термообработки значительно меньше. 4*
52 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТРУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ Узлы с направляющими скольжения из неоднородных металлов, (пара цветной сплав-чугун). Пары трения цветной сплав-чугун следует применять в узлах трения с высоким давлением и вероятностью задиров поверхностей трения, главным образом - в тяжелых станках массой более Ютив станках средних размеров при давлении на направляющие более 3 МПа. В тяжелых станках недостаточная жесткость корпусных деталей приводит к различного рода деформациям — упругим, температурным, от остаточных напряжений (литейным). Для таких станков характерна меньшая точность обработки направляющих большой длины и площади, а также пониженное качество чугуна крупных отливок. Все эти факторы вызывают появление высоких местных давлений на поверхностях трения и, в сочетании с загрязнением направляющих отходами обработки, нарушением режимов смазки, создают опасность появления задиров и высокую интенсивность изнашивания направляющих, особенно в узлах с компоновкой типа стойка-поперечина, поперечина-салазки суппорта, стойка-салазки продольно-фрезерных, токарно-карусельных, зу- бофрезерных станков. При очень высоком давлении (более 10 МПа) накладные направляющие необходимо изготовлять из литой высокооловянной бронзы (БрО10Ф1). При меньшем давлении для направляющих следует применять цинковые сплавы (ЦАМ10-5) и безоловянные бронзы (БрА9Мц2). Во всех случаях предпочтение следует отдавать бронзам в виде листового проката, что резко снижает расход цветного металла и стоимость направляющих. В безоловянных бронзах повышение твердости и наличие свободных твердых включений в микроструктуре не приводит к увеличению их износостойкости. Низкую износостойкость имеют алюминиевые бронзы с высоким (более 10%) содержанием алюминия (типа БрА10Ж4Н4), поэтому для направляющих станков они не рекомендуются. Наиболее целесообразно применение для этих целей однофазных алюминиевых или сурьмянистых бронз (БрСу7, БрСу7Н4) относительно высокой износостойкости. Износостойкость оловянных бронз выше, чем алюминиевых, и существенно зависит от их микроструктуры и твердости. С увеличением содержания олова износостойкость бронз возрастает. Применять для накладных направляющих бронзу с низким содержанием олова D%) нельзя из-за повышенной скорости изнашивания сопряженных направляющих из чугуна. Наличие свободных твердых включений интерметаллидов (напри- мер,интерметаллидов никеля) в пределах 15-20% увеличивает износостойкость цветного сплава более чем в 1,5 раза. Более высокое содержание включений влияет на долговечность узла отрицательно. Включения низкой твердости (свинца) в оловянных бронзах существенно (до 1,7 раза) снижают износостойкость накладных направляющих станков.
Материалы для направляющих скольжения металлорежущих станков 53 Равномерность перемещения узлов с парой трения бронза-чугун выше, чем с парой чугун-чугун. Природа легирующих элементов алюминиевых и оловянных бронз мало влияет на равномерность перемещения, в то же время повышение содержания основного легирующего элемента значительно улучшает эту характеристику. Наибольшую износостойкость и плавность перемещения узлов станка обеспечивают однофазные алюминиевые, сурьмяные или оловянные бронзы повышенной твердости (более НВ 90) с высоким содержанием основного легирующего элемента G-10%). В микроструктуре оловянных бронз желательны включения интер металл и дов высокой твердости. Для этих пар трения крупные графитовые включения в чугуне сопряженных направляющих способствуют снижению сил трения. Узлы с направляющими из разных материалов (пары пластмасса-чугун). Разнообразные требования к направляющим скольжения современных станков наиболее полно удовлетворяются при использовании антифрикционных полимерных материалов, в том числе композиционных материалов на основе фторопласта-4, ацетальных и полиамидных смол и холоднотвердеющих материалов на основе эпоксидных смол. Пластмассы исключают появление задиров на поверхностях трения, обеспечивают высокую износостойкость узла, наиболее существенно снижая интенсивность изнашивания сопряженных направляющих из чугуна. Характеристики трения и антискачковые свойства ряда пластмасс повышают равномерность малых подач, точность и чувствительность установочных перемещений узлов. Они обладают повышенной демпфирующей способностью, технологичны, хорошо обрабатываются. Направляющие из пластмасс целесообразно использовать;в первую очередь в узлах тяжелых и средних станков со сравнительно равномерным давлением на поверхностях трения и достаточно надежной защитой от загрязнений, в узлах типа стол — станина продольно-фрезерных, расточных, продольно-шлифовальных и других станков. В узлах с парой трения пластмасса-чугун износостойкость сопряженных направляющих взаимосвязана с физико-механическими свойствами пластмасс. При работе направляющих с загрязненным смазочным материалом наибольшее влияние на изнашивание поверхностей трения оказывает процесс "шаржирования" поверхности пластмасс твердыми частицами. В этих условиях изнашивания оценить износостойкость пластмасс в первом приближении можно по их твердости при вдавливании шарика (ГОСТ 4670-77). Скорость изнашивания чугуна в паре с наполненным фторопластом Ф4К15М5 низкой твердости (Нп 6) незначительна, а в паре с сополимером формальдегида СФД-ВМ-БС твердостью Нп 22 приближается к скорости изнашивания направляющих из пластмассы. Наименьший суммарный износ имеют пары с пластмассой твердостью Нп 20-25, при этом скорости изнашивания эле-
54 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТРУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ ментов пары близки по значению. Применение для накладных направляющих столов (салазок) полимеров большей твердости, например текстолита ПТ, не рекомендуется, так как повышает интенсивность изнашивания сопряженных направляющих станины и снижает точность станка. Скорость изнашивания направляющих станины горизонтально-расточных станков, сопряженных с направляющими салазок из текстолита ПТ, в 2,5 раза выше, чем направляющих, сопряженных с накладками из сополимера формальдегида СФД-ВМ-БС. Преимущества направляющих из современного антифрикционного полимерного материала — сополимера формальдегида СФД-ВМ-БС показаны в табл. 1.2. Таблица 1.2 Износостойкость направляющих станины тяжелых горизонтально-расточных станков Показатели износостойкости направляющих станин Пара трения узла нижние сани-станина Чугун- чугун БрАМц9-2- чугун ЦАМ 10-5- чугун Тексголит- чугун СФД-ВМ- БС-чугун Скорость изнашивания направляющих (чугун НВ 180), мм/год 0,038 0,026 0,028 0,051 0,020 Относительная износостойкость 1 1,47 1,35 0,74 1,92 Приведенные в таблице данные получены при эксплуатации тяжелых горизонтально-расточных станков типа 2622 (узел нижние сани-станина с различными парами трения). В условиях хорошей защиты направляющих от загрязнений и при шероховатости сопряженной поверхности чугуна меньше Ка = 0,63 мкм твердость Нп пластмасс не характеризует их износостойкость. Наполненный фторопласт в этих условиях имеет высокую износостойкость. Например, скорость изнашивания направляющих станин из чугуна (НВ 180) координатно-расточного станка мод. 2Д450 в паре с направляющими из наполненного фторопласта составляет всего 0,002 мм/год при двухсменной работе. В узлах с накладными направляющими из пластмасс устойчивость перемещения узлов станка при низких скоростях практически определяется только свойствами пластмассы. Влияние качества чугуна сопряженных направляющих не более 10-15%. При выборе пластмасс критерием устойчивости перемещения узлов в первом приближении может служить величина отношения прочности среза пластмассы (ас) по ОСТ 17302-71 к твердости (Нп) по ГОСТ 4670-77. Граничным значением критерия является величина отношения а /Нп, равная 0,28. Узлы с направляющими из пластмас-
Материалы для направляющих скольжения металлорежущих станков 55 сы с отношением сс /Нп меньше граничного обеспечивают наиболее устойчивое перемещение при всех режимах трения. Узлы с направляющими из пластмассы, величина критерия которой более 0,28, имеют скачкообразное перемещение при низких скоростях. Наименьшее значение критерия, равное 0,16-0,20, имеют материалы на основе фто- ропласта-4. Накладные направляющие из этих материалов обеспечивают наиболее устойчивое перемещение узлов при самых малых подачах, и по точности позиционирования удовлетворяют требованиям станков класса А и С [3]. Более тонкий дифференцированный подбор материалов для направляющих конкретных узлов станков требует использования точных закономерностей влияния характеристик материалов на трение и изнашивание направляющих с более полным учетом особенностей их работы в станках. 12. Материалы, реализующие эффект безызносного трения (избирательный перенос при трении) [8, 12] Общее понятие об избирательном переносе. Избирательный перенос (ИП) есть вид трения, который обусловлен самопроизвольным образованием в зоне контакта неокисляющейся тонкой металлической пленки с низким сопротивлением сдвигу и неспособной накапливать при деформации дислокаций. На пленке, образуя с ней химическую связь, может происходить полимеризация продуктов механической деструкции углеводородов смазочного материала, создавая дополнительный антифрикционный слой. При ИП износ может быть снижен до нуля, а коэффициент трения — до значений при жидкостном трении, что обусловлено следующим комплексом процессов: — снижением давления на фактической площади контакта в результате растворения выступов шероховатости поверхности и образования тонкой пластичной металлической пленки; — компенсацией деформации и снижением сопротивления сдвига поверхностного слоя в результате аннигиляции дислокаций в пленке и усиленного избирательным растворением действия эффекта Ребин- дера; — возвращением частиц (износа или ионов металла) в зону контакта и наращиванием пленки на контакте вследствие образования электрокинетических потенциалов в дисперсной среде, что при наличии двойного электрического слоя обуславливает электрофорезтичес- кое движение частиц к фрикционному контакту, а также направленную миграцию ионов и частиц; — предотвращением окисления металла за счет образования прочного адсорбционного слоя из поверхностно-активных веществ, обеспечивающего большую пластичность металлической защитной пленки и ее стойкость к охрупчиванию при деформации;
56 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТРУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ — образованием защитной полимерной пленки на трущихся поверхностях, которая снижает контактное давление и создает дополнительные плоскости скольжения с малым сопротивлением. Явление ИП проявляется при трении стали по стали и по чугуну, чугуна по чугуну, стали по металлокерамике, по металлополимеру, по стеклу, по бронзе, по алюминиевым сплавам и др. Избирательный перенос происходит при смазке деталей минеральными и синтетическими маслами, пластическими смазочными материалами, морской и пресной водой, смазочно-охлаждающими жидкостями, жидкостями для гидравлических систем, нефтью и нефтепродуктами, смесью масла с фреоном, кислыми и щелочными средами, применяемыми в химической промышленности. ИП применяется или апробирован в машинах: самолетах (узлы трения шасси и планера), автомобилях (узлы передней подвески, карданные шарниры), металлообрабатывающих станках (направляющие, пара винт-гайка), паровых машинах (цилиндр-поршневое кольцо), дизелях тепловозов (цилиндр-поршневое кольцо), металлопрессовом оборудовании (подшипники скольжения), редукторах (червяк- колесо), химическом оборудовании (подшипники скольжения и качения, уплотнения), водяных насосах (узлы разгрузки, уплотнения), механизмах морских судов (подшипники скольжения), магистральных нефтепроводах (уплотнительные устройства), электробурах (уплотнения), холодильниках (трущиеся детали компрессора), гидронасосах (узлы трения), нефтепромысловом оборудовании (узлы трения насосов), подъемных кранах (поворотные устройства). ИП применяется в приборах (слаботочные электрические контакты из благородных металлов) [18]. Использование избирательного переноса при резании повышает стойкость режущего инструмента. Узел трения в режиме ИП работает подобно узлу, смазываемому жидким металлом. Металлическая пленка меди находится в особом, полужидком, состоянии; ее называют сервовитной - от латинского "спасать жизнь". Это - новое состояние вещества (металла), порожденное потоком энергии и существующее в процессе трения. Поверхности самих сопряженных деталей находятся под пленкой и в трении не участвуют, воспринимая лишь равномерно распределенную, а поэтому незначительную нагрузку. Исходя из вышеизложенного, представим на рис. 1.13 сравнительный анализ контакта деталей при граничной смазке и при реализации избирательного переноса (эффекта безызносности при трении). Комментарии к рисункам даны в подрисуночных подписях. Более подробно физические основы эффекта безызносности нами изложены в работах [12, 23, 35] и др. Если в процессе трения можно создать условия, при которых происходило бы "питание" сервовитной пленки и ее поддержание на постоянном уровне (толщиной 1-2 мкм), то может обеспечиваться бе- зызносное трение. Это происходит, когда в смазочном материале на-
Материалы, реализующие эффект безызносного трения 57 *;_ 9 Рис. 1.13 А. Схемы контакта деталей при граничной смазке (а) и ИП (б): 1 - сталь; 2 - бронза; 3 - сервовитная пленка (медь, олово). При ИП площадь контакта в 100 и более раз больше, что снижает износ и возможность схватывания поверхностей деталей Рис. 1.13Б. Схемы контакта деталей при наличии окисла при граничной смазке (а) и Ш1(б): 1 - сталь; 2 - бронза; 3 - окисные пленки; 4 - сервовитная пленка.При граничной смазке продуктами износа являются окислы. Они хрупки и не способны многократно деформироваться, разрушаясь, они образуются вновь. При ИП трение происходит без окисления поверхностей. Поверхности трения покрыты плотными слоями ПАВ ходятся металлоплакирующие присадки. Однако и без них интенсивность изнашивания поверхностей будет очень низкая вследствие указанных выше процессов. В зависимости от вида смазочного материала, материалов пары и условий трения, механизм формирования сервовитной пленки на поверхностях трения может быть различным. 1. В паре бронза-сталь при смазывании глицерином в первый период работы происходит растворение поверхности трения бронзы. Глицерин действует при трении как слабая кислота. Атомы легирующих элементов бронзы (олова, цинка, железа, алюминия и др.) уносятся смазочным материалом; в результате поверхность бронзы обогащается атомами меди. Глицерин, как известно, является восстановителем окиси и закиси меди, поэтому поверхность трения медной пленки свободна от окисных пленок, она активна и способна к схватыванию со стальной поверхностью. В результате стальная поверхность покрывается тонким слоем меди. Поскольку слой меди, образующийся на бронзовой поверхности, утоняется вследствие его переноса на стальную поверхность, происходит дальнейшее растворение бронзовой поверхности. Этот процесс продолжается до тех пор, пока на обеих поверхностях, стальной и бронзовой, не образуется слой меди толщиной 1-2 мкм. После того, как медная пленка покроет поверхности трения, молекулы глицерина уже не могут взаимодействовать с бронзой и "вытягивать" из нее атомы легирующих элементов; процесс растворения бронзы прекращается и наступает установившийся режим избирательного переноса [25].
58 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТРУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ Рис. 1ЛЗ В. Схема распространения деформаций в местах контакта при граничной смазке (а) и при ИП F): I - сталь; 2 - бронза; 3 - окисные пленки; 4- места деформирования. При граничном трении окисные пленки защищают поверхности от действия ПАВ, в результате эффект Ребиндера действует в меньшей степени. Деформация охватывает глубинные слои. При ИП деформируются лишь тонкие слои сервовитной пленки и трение снижается Рис. 1.13 Г. Схемы контакта деталей при наличии смазочного материала с полиме- ризующими присадками при граничном трении (а) и при ИП (б): 1 - сталь; 2 - бронза; 3 - окисные пленки; 4 - сервовитная пленка; 5 - полимерная пленка. При введении в смазочный материал полимерообразующей присадки на поверхностях трения деталей с сервовитной пленкой образуется полимерная пленка, которая дополнительно защищает поверхности трения от износа. На окисных пленках полимеризация затруднена в силу их малой активности 2. Сервовитная пленка может образовываться в узле трения сталь-сталь при работе с металлоплакирующими смазочными материалами, содержащими мелкие частицы бронзы, меди, свинца, серебра, закиси или окиси меди и др. При использовании смазки ЦИА- ТИМ-201 с добавками указанных порошков поверхности стальных сопряженных деталей покрываются тонкой пленкой, состоящей из металла применяемых порошков. Образующиеся пленки пористы и содержат смазочный материал. При трении сдвиг поверхностей трения деталей происходит внутри образующихся пленок по диффузионно- вакансионному механизму. 3. В промышленности разработаны порошковые твердоспечен- ные материалы, которые могут работать в режиме ИП. В качестве связующего используют при этом медь или медно-никелевые сплавы. Такие сплавы могут работать в режиме ИП при смазывании нефтью, нефтепродуктами и сточными водами. 4. Сервовитная пленка может образовываться при трении политетрафторэтилена (ПТФЭ), наполненного закисью меди, при смазывании глицерином, а также других пластмасс при их наполнении бронзовым порошком. Имеются различные модификации полимеров и их различных наполнителей, при работе которых на стальной поверхности образуется сервовитная пленка. 5. Режим ИП при трении может реализовать медистый чугун при смазывании как жидкими, так и пластичными смазочными материа-
Материалы, реализующие эффект безызносного трения 59 лами. Этот чугун разработан Ю.Ф. Макаровым и Е.В. Турчковым и опробован в узлах трения текстильных машин: долговечность узлов повысилась в 2-3 раза. Металлические материалы, работающие в режиме ИП*. Избирательный перенос может проявиться в шарнирно-болтовых соединениях, имеющих пару трения бронза-стальная поверхность при смазывании обычными пластичными смазочными материалами, а также при возвратно-поступательном движении при смазывании гидрожидкостью АМГ-10. Испытания различных бронз в среде глицерина показали, что бронза БрАЖМц дает наибольший перенос меди на стальную поверхность, но ее износостойкость, особенно при нагрузках 10- 12 МПа, низкая. При средних нагрузках ее износостойкость повышается, но все же не достигает уровня износостойкости других бронз. Как уже указывалось, серый медистый чугун может работать в режиме избирательного переноса. Ю.Ф. Макаров и Е.В. Турчков показали возможность использования этого материала в осевых и радиальных подшипниках скольжения червячных, винтовых и других передач с односторонним, реверсивным и пульсирующим движением. Узлы трения могут при этом смазываться как жидкими, так и пластичными смазочными материалами. Для работы в паре с медистым чугуном используют легированные и углеродистые стали после их термической или химико-термической обработки. Твердость поверхности трения стальной детали должна быть выше твердости чугуна не менее чем на НВ 100. Предельные значения давлений при замене в узлах трения серого чугуна обычных марок на медистый чугун и при реализации ИП повышаются в 1,5-2 раза и могут достигать 15-20 МПа. Интенсивность изнашивания / и коэффициент трения \х при испытаниях на изнашивание чугунов в паре со сталью при смазывании глицерином (скорость скольжения 0,55 м/с, давление 15 МПа) имели следующие значения: Содержание меди в чугуне, % 0 2 4 7 8 /, мкм/км 1,2 0,04 0,008 0 0 ц 0,086 0,081 0,059 0,033 0,028 Как видно, основное влияние на характеристики трения и изнашивания медистого чугуна в режиме ИП оказывает содержание меди в чугуне. Углерод и марганец в составе медистого чугуна на характеристики трения и изнашивания оказывают положительное влияние, а кремний препятствует реализации ИП. Лучшей структурой чугуна является перлитная. Наличие в структуре феррита резко снижает нагрузочную способность, а структурно свободный цементит и ледебурит ухудшают прирабатываемость, затрудняют обработку деталей резанием и вызывают усиленное изнашивание стального контртела. * Список литературы по материалам, реализующим ИП дан на стр. 293, 294, 298, 299.
60 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТРУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ Содержание меди в чугуне не выше предела растворимости в жидком растворе D-7%) способствует первичной графитизации и тормозит вторичную. При содержании меди 4% в структуре чугуна обнаруживаются округлыечвключения высокомедистой фазы, при содержании меди более 7% в структуре появляются свободный цементит и ледебурит и может проявляться ликвация высокомедистой фазы. Учитывая изложенное, для лучшей реализации ИП в узлах трения чугун - сталь рекомендуется следующий состав серого чугуна, %: С = 3,2-3,6; 81 =1,0-1,8; Мп-до0,8; Си = 4-7 [12]. Основным условием реализации эффекта ИП в парах трения медистый чугун - сталь является применение смазочных материалов, препятствующих окислению поверхностей трения, таких как смазки ЦИАТИМ-201, ЦИАТИМ-203 и др. При использовании смазочных материалов общего назначения эффект ИП реализуется путем ввода в их состав поверхностно-активных веществ. В индустриальные масла общего назначения можно добавлять 0,75-1% стеаратов металлов, а в пластичные смазочные материалы общего назначения (солидолы) - антиокислительную присадку - дифениламин в количестве 0,035- 0,7%. Серые медистые чугуны выплавляют как в вагранках, так и в электрических индукционных тигельных пчах. Технология их выплавки такая же, как и обычных серых чугунов. Для обеспечения заданного содержания меди в чугуне в качестве легирующей добавки можно использовать медь МЗ или М4. При расчете шихты необходимо учитывать, что угара меди при плавке почти не происходит. Механические свойства медистого чугуна при перлитной металлической основе соответствуют свойствам серого чугуна СЧ 21. В химическом машиностроении сплавы на основе меди применяют ограниченно из-за низкой коррозионной стойкости к агрессивным средам, которые служат одновременно смазочным материалом. Б.Д. Воронков, В.Г. Шадрин и И.В. Петрова для достижения эффекта избирательного переноса использовали коррозионно-стойкие стали и сплавы, содержащие медь в малом количестве, например, сталь Х32Н8М2Д2. Из этой стали изготовляли обоймы колец торцевых уплотнений, что позволило реализовать ИП в паре трения сталь ВК6 по ВК6. Поверхность трения колец из стали ВК6, установленных в обоймах из той же стали, покрывается тонким слоем меди, который защищает пару трения от изнашивания при работе в водородных средах, содержащих ионы водорода (кислых электролитах). В данном случае применен модифицированный способ возбуждения ИП (из медьсодержащей стали изготовлена не деталь трения, а деталь, с ней контактирующая). Такой способ, как утверждают авторы работы, более универсален, так как позволяет реализовать эффект ИП в парах трения из различных антифрикционных материалов. Вместо стали Х32Н8М2Д2 можно применять сталь 12Х18Н10Т, которая содержит до 0,24% меди. Эффект ИП при этом снижается. Литература по ИП дана на стр. 289—290.
Материалы, реализующие эффект безызносного трения 61 Порошковые твердоспеченные уплотнительные материалы. М.В. Голубом с сотрудниками создан материал ТМ-1. Его получают путем спекания твердосплавных порошков карбидов вольфрама и карбида кобальта с медно-никелевыми сплавами в водородной среде. Кобальт и никель обеспечивают прочное сцепление зерен карбидов вольфрама вследствие хорошей растворимости вольфрама в этих сплавах. Медь, рассеянная в микропорах сплава, в условиях трения создает предпосылки для возникновения ИП при смазке уплотнений сточными водами и нефтепродуктами. Технологический процесс изготовления торцевых пар трения осуществляется следующим образом. На рабочем торце стальной заготовки выполняют канавку прямоугольного сечения (рис. 1.14а), стенки которой меднят и покрывают тонким слоем релита (карбидов вольфрама и кобальта) и с помощью пуансона (рис. 1.146) прессуют при давлении 300-400 МПа. Сверху прессованный релит 2 покрывают порошком медно-никелевого сплава и снова прессуют при том же давлении. Полученные таким образом заготовки 1 (рис. 1.14в) помещают в вакуумную печь, где при температуре 1150-1200°С происходит пропитка спрессованного слоя релита расплавленным медно-ни- келевым сплавом. Остаточное давление в вакуумной печи поддерживают в пределах 1,33-0,13 Па. Расплавленная медь проникает в поры между твердыми зернами релита, и на рабочем торце заготовки образуется прочно сцементированный и связанный со стальной основой 5 твердосплавный слой 4, состоящий из твердых зерен релита и медно-никелевой связки (рис. 1.14г). Затем производят механическую обработку, включая шлифование рабочего торца алмазным кругом с последующей притиркой на чугунной плите алмазным порошком или алмазной пастой. Толщина рабочего слоя из композиционного материала 1-5 мм, иногда более. Для получения рабочего слоя толщиной 1,5 мм, применяемого в парах трения, необходимо засыпать слой релита толщиной 2,8-3 мм. В этом случае канавку в заготовке выполняют глубиной 5 мм. 8) г) Рис. 1.14. Стадии получения торцевой поверхности трения
62 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТРУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ Исследования сплава ТМ-1 показали, что содержание в смеси зерен карбидов вольфрама более 80% нежелательно, так как ухудшается прессуемость смеси и возрастает хрупкость композиционного материала. Стендовые испытания пары трения сплав ТМ-1 по сплаву ТМ-1 и сплав ТМ-1 по бронзе Бр(Э5Ц5С5 в среде нефти показали, что их нагрузочная способность в 1,5-2 раза выше, чем у пары трения сталь с цементированной контактной поверхностью по бронзе БрОЗЦ5С5. Сплав ТМ-1 по сплаву ТМ-1 может работать в среде, загрязненной абразивом. Высокая твердость и антифрикционность пары обеспечивает работу уплотнения без остановки насоса более 9000 ч, что в 4- 5 раз превышает долговечность уплотнений при использовании угле- графитов. Большой интерес представляет пара трения ТМ-1 по бронзе БрОЗЦ5С5 при работе на дизельном топливе. Пара работает в режиме ИП. Медь образуется как на бронзовом, так и на твердосплавном кольце, обуславливая низкий коэффициент трения @,05-0,07) и высокую нагрузочную способность пары. Сплав ТМ-1 используется в химическом машиностроении для изготовления элементов торцевых уплотнительных устройств для герметичных приводов типа ВАГЖ. В ЛенНИИхиммаше проведены промышленные испытания колец из материала ТМ-1 в торцевых уплотнениях импортных насосов, перекачивающих технологический конденсат. Последний представляет собой электролит с рН = 6,8...8, что соответствует слабокислому (рН = 6,8) и слабощелочному (рН = 8) растворам. При смазывании пар трения сплав ТМ-1 - медь технологическим конденсатом реализуется ИП [27]. При частоте вращения вала 3000 об/мин и температуре среды 145°С заметного износа колец за 5000 ч работы не наблюдалось. В Специальном проектно-конструкторском и технологическом бюро по электробурению Е.Н. Грискиным был разработан износостойкий антифрикционный материал на основе спекания твердых порошков карбида вольфрама и меди, аналогичный сплаву ТМ-1. Этот материал обладает рядом преимуществ по сравнению со спеченными вольфрамовыми твердыми сплавами ВКЗ, ВК8, ВК15 и др. Он менее хрупок и не имеет склонности к терморастрескиванию, что объясняется наличием в нем медной прослойки. Стендовые испытания торцевых уплотнений погружного электродвигателя типа ПЭД, применяемого при добыче нефти из скважин, проводили при скорости скольжения 7,5 м/с, частоте вращения 3000 об/мин и давлении 0,2 МПа. Во внутренней камере уплотнения находилось масло МС-20, снаружи - соленая вода. Перепад давления 0,2 МПа. После 2000 ч работы износ пары трения составлял 0,027 мм. Аналогичные результаты были получены при стендовых испытаниях торцевых уплотнений насосов ГНОМ 100-25, применяемых при от-
Материалы, реализующие эффект безызносного трения 63 качке воды. Уплотнения испытывали на границе жидких сред масло МС-20 - глинистая вода без перепада давлений при скорости скольжения 7,1 м/с и давлении 0,3 МПа. Средний суммарный износ пары трения за 500 м пути составил 0,01 мм, а коэффициент трения - 0,082- 0,095. При работе торцевых уплотнений на границе масло-вода попадание на поверхность трения воды вызывает в паре трения процесс ИП. Неметаллические материалы, работающие в режиме ИП. Исследования таких материалов впервые были выполнены в Институте металлополимерных систем АН Белоруссии. Как оказалось, поликапроамид и фторопласт-4, наполненные закисью меди, при скольжении по стали в среде глицерина реализовали избирательный перенос [28]. Частицы закиси меди вводили в качестве зародышеобразователей поликапроамида, что обеспечивало образование более мелкой и однородной структуры по всему сечению образца. У фторопласта этого не наблюдалось. Испытания показали, что при смазке глицерином значительно снижаются износ и коэффициент трения; закись меди в процессе трения восстанавливается до чистой меди; наполнение фторопласта-4 закисью меди снижает износ без смазки в 3 раза, а при смазке глицерином - почти в 100 раз,по сравнению с композицией фторопласт-4 + 40% А1 Оу При трении без смазки износ композиции поликапроамид +40% Си20 при одинаковых условиях испытаний в 6 раз меньше износа образцов из чистого поликапроамида, а при смазке глицерином — в 120 раз. Результаты испытаний полимерных материалов показаны в табл. 1.3. Таблица 1.3 Интенсивность изнашивания фторопластов и поликапроамида Состав композиции р= 125МПа| V = 0,32 м/с р = 5 МПа Смазочные материалы Трение без смазки Глицерин Масло МС-20 Веретенное масло Фторопласт-4 9-10- 1,1 -Ю-8 0,9-Ю-8 2Л -108 Фторопласт-4 + 40% А1203 1,3 • 10"8 4,79 • 10"9 4,32 • 10"9 9,3 • 10"9 Фторопласт-4 + 40% Си20 3,8 • 10"9 5,2 • 101 2,44 • 10"9 5,4 • 109 Поликапроамид 1,25 • 10"9 1,23 ■ 100 0,84 • 100 2,3 • 101() Поликапроамид+40% Си20 2,1 • Ю0 0,1-Ю1 1,98-Ю'10 2,55Ч0'1( В ЛенНИИхиммаш Б.Д. Воронковым разработана композиция Ф40Б70 на основе фторопласта-40 с добавлением 70% бронзовой дроби. Такая добавка улучшает механические свойства композиции. Ее
64 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТРУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ использовали для изготовления сепараторов шарикоподшипников электроприводов аппаратов с механическим перемешивающим устройством. Испытания на различных смазочных средах (кислые электролиты) выявили высокую износостойкость таких подшипников. Дорожки трения при работе подшипников с сепараторами из композиции Ф40Б70 покрывались тонким медным слоем, что способствовало компенсации износа, стабильности зазоров, снижению шума и уменьшению вибраций в электродвигателе. Оригинальный материал, работающий в режиме ИП, разработан в ВНИИТнасосмаше Л.А. Кольцовым. В основу создания материала легла идея реализовать в процессе трения полиуретанов в паре со сталью формирование из образующихся радикалов более устойчивой структуры в поверхностном слое полимера. По мнению автора разработки^для реализации ИП при трении полимер должен иметь низкий коэффициент трения при заданных условиях работы (р, V, Т) быть эластичным (обеспечивать восстановление пластической деформации поверхностного слоя), иметь минимальное время релаксации в диапазоне эксплуатационных температур, содержать антифрикционные твердые наполнители. Исходя из этих требований, для манжетных уплотнений были разработаны композиционные полиуретаны, включающие: уретано- вый сополимер, температура деструкции которого на 40-50°С выше температуры деструкции известных полиуретанов; антифрикционный наполнитель, содержащий порошкообразные графит и медь, дисульфид молибдена, нитрид бора; сшивающий реагент. В качестве последнего для полиуретанов применяют диамины, которые образуют трехмерную сетку. В зависимости от условий эксплуатации пар трения с полиуретаном в композиционные полиуретановые системы вводились специальные легирующие добавки и присадки. Для уплотнений, работающих в контакте с водой, присадки должны придавать полимеру гидрофобные свойства, чтобы исключить поглощение им воды. Такими присадками для полиуретанов являются низкомолекулярные полиор- ганосилоксановые жидкости типа ПМС, ОКД, ПМФС, которые, кроме гидрофобизации, повышают термостойкость полиуретанов, снижают коэффициент трения (следовательно, и температуру на контакте), улучшают антикоррозионные свойства. Структура материала в этом случае благоприятствует образованию и сохранению сервовит- ной медной пленки на контактной поверхности пары трения. Промышленные испытания уплотнений из композиционных полиуретанов, работающих в режиме ИП, показали, что их эффективность значительно выше эффективности традиционных уплотнений. Так, уплотнения вала грунтового насоса Гр 400/40 из композиционного полиуретана, работающего в режиме ИП, имели срок службы 3200 ч, а графитизированные хлопчатобумажные уплотнения ХБН, работающие в таких же условиях, не более 400 ч. Насосы работали на
Материалы, реализующие эффект безызносного трения 65 перекачке песков второй стадии дешламации, плотность пульпы 1245- 1450 кг/м3 с широким диапазоном гранулометрического состава. На протяжении всего периода работы уплотнения не нагревались. При перекачке соляной пульпы полиуретановые уплотнения насосных установок работают до 300 ч, а уплотнения ХБН на некоторых объектах приходится заменять ежедневно. В буровых насосах БРН-1, У8-6М срок службы полиуретановых уплотнений штоков в 5 раз больше, чем уплотнений из лучших сортов резины. В результате реализации ИП износ штоков стал незначительным; это дает большую экономию специальных марганцовистых и никелевых сталей. Для увеличения отдачи нефтяного пласта в объединении Татнефть в пласт закачивают различные кислотные растворы. Однако это резко снижает срок службы резиновых деталей насосных агрегатов. Резиновые детали работают 7-13 ч, процесс же закачки длится непрерывно 20-25 ч. Испытания уплотнений из композиционных полиуретанов, работающих в режиме ИП, на агрегате ЧАН-700, перекачивающем серную кислоту концентрацией до 70% под давлением до 6 МПа при температуре 20-25°С, показали, что стойкость уплотнений в 3- 5 раз выше, чем уплотнений из лучших сортов резины, в том числе резины на основе фторкаучука. Следует иметь в виду, однако, что композиционный полиуретан содержит до 20% порошкообразного ПТФЭ, введенного на стадии образования фторполимера. Результаты проведенных во ВНИИТнасосмаше испытаний открывают большие возможности использования полиуретанов в совокупности с кислотостойкими полимерами для изготовления эластичных деталей узлов трения, находящихся в непосредственном контакте с минеральными кислотами. Другим не менее важным направлением использования композиционного полиуретана является применение его для футеровки корпусных деталей насосов. Футеровку изготовляли в металлических формах, уретановый фторполимер в жидкофазном состоянии заливали в формы и отверждали при температуре 120°С в течение 2 ч. Вкладные футеровки корпуса насоса ЗПВР-6 используются для перекачки гидросмеси плотностью до 1300 кг/м3, рН = 6...8 с температурой до 60°С. Накоплен значительный опыт использования полиуретановых футеровок корпусов насосов, перекачивающих высокоабразивную пульпу, состоящую из извести, чугунной дроби диаметром 1-2 мм и кварцевого песка плотностью 2,2 т/м3. Полиуретановые футеровки служат в 2-3 раза дольше резиновых. Используют полиуретан и для перекачки щелочной гидроабразивной пульпы. Как известно, полиуретаны значительно менее стойки к щелочам, чем обычная резина. Очевидно, высокий срок службы полиуретановых футеровок связан с особой плотностью структуры полиуретана и наличием процесса, аналогичного ИП. Однако механизм взаимодействия перекачиваемой 5 - 2039
66 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТРУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ насосом среды и полиуретана в данном случае чрезвычайно сложен и не может быть объяснен только механической теорией изнашивания. Срок службы быстроизнашивающихся деталей насосов (рабочих колес, корпусов, уплотнений) можно также повысить путем нанесения на них композиционных жидких покрытий, полученных на основе полиуретанов и специальных систем антифрикционных наполнителей, обеспечивающих ИП при трении. Во ВНИИТнасосмаше разработан ряд таких покрытий; они могут быть нанесены на рабочие органы насосов обычными способами (напылением, погружением, литьевым способом) с последующей сушкой при нормальной температуре. Покрытия имеют хорошую сцепляемость с чугуном, сталью, резиной, кордом, что обеспечивает широкую область применения. Приведем некоторые примеры использования покрытий в насосах. В Средней Азии эксплуатировались центробежные насосы ЭЦВ 10-160-35, ЭЦВ 12-256-30 и ЭЦВ 12-375-30; рабочие колеса одних насосов имели композиционное покрытие из полиуретана, а других насосов - пенопластовое покрытие. Последнее в процессе работы насоса растрескивалось и отслаивалось. Полиуретановое покрытие срабатывалось равномерно до полного износа; при многократном его нанесении можно повысить срок службы рабочих колес до полного износа насоса. Рабочие колеса насосов ЗК-6 и ВК-2 для перекачки воды с температурой до 100°С, содержащей до 5% (по объему) песка, покрыты композиционным полиуретаном. Срок службы лопасти колеса при повторных нанесениях покрытия повышается до срока службы ступицы. Существенное (в 3-5 раз) повышение срока службы рабочих колес насоса ЗК-6 при покрытии их композиционным полиуретаном получено на подаче воды, питающей котельные и тепловые сети. Поскольку обычно котельные и тепловые сети не имеют мастерских, способных ремонтировать или изготовлять рабочие колеса, срок службы последних определяет срок службы насоса. Большой практический интерес представляют виды резины на основе совмещенных полиуретанового и дивенилнетрильных каучуков, работающие в режиме ИП. Такие виды резины обладают комплексом положительных свойств: повышенными, по сравнению с обычной резиной, износостойкостью и прочностью, масло- и нефтестой- костью, устойчивостью к низким и повышенным температурам. Технология переработки новых видов резины в изделия не отличается от традиционной, что позволяет использовать существующее оборудование. Другим технологическим преимуществом таких видов резины является увеличение срока их хранения, что снижает брак и повышает качество изделий. Уплотнения из указанных видов резины, работающие в режиме ИП, прошли промышленные испытания в компрессоре РСК-50/6. Условия испытаний: температура 150-160°С, перекачиваемая среда - ди-
Материалы, реализующие эффект безызносног о трения 67 винил и другие углеводороды, частота вращения 490 мин1. Срок службы уплотнения в 15-20 раз выше, чем уплотнений из обычной резины. Уплотнения стального вала гидромуфт из новых видов резины показали исключительно высокую работоспособность при следующих условиях: температура 100-120°С, перекачиваемая среда - масло турбинное 30, частота вращения 1500 мин1. Такие виды резины могут найти широкое использование в народном хозяйстве. В последние годы выявлен оригинальный механизм образования сервовитной пленки в паре трения сталь - волокна ПТФЭ, наполненного тонкой медной проволокой [11]. В зарубежной практике широко применяют подшипники скольжения из ПТФЭ, наполненного бронзой. При работе таких подшипников в паре со стальным валом в ряде случаев образуется сервовитная пленка меди. Однако механизм работы таких подшипников выяснен еще недостаточно. Высокие антифрикционные свойства подшипников объясняли большой смазочной способностью ПТФЭ, обусловленной низким межмолекулярным взаимодействием в полимере и, как следствие, облегченным проскальзыванием образующихся при трении тонких (менее 1 нм) пластино- образных кристаллических полос. Роль порошка бронзы сводилась к фактору, повышающему теплопроводность покрытия. Подчеркивали также особые свойства ПТФЭ, в частности его высокую инертность. Для понимания механизма трения ПТФЭ следует учитывать возможность химического взаимодействия продуктов его трибохимичес- ких превращений с металлами и их роль в процессе трения. Оказалось, при тяжелых режимах трения и высоких температурах ПТФЭ, несмотря на свою "классическую" инертность, бурно реагирует с некоторыми металлами. Применяя ряд физических методов анализа, А.С. Кужаров и В.О. Гречко [11] пришли к выводу, что ИП реализуется при трении ПТФЭ, наполненного медной проволокой, в паре со стальным валом. Поверхность стали и ПТФЭ обогащается медью, на которой формируется, кроме того, металлополимерный слой в виде координационного соединения. Структура фрикционного контакта, обеспечивающая режим ИП при трении медно-фторопластового композита, представлена на рис. 1.15. Приведенная структура граничного * у , слоя состоит из слоя сервовитной плен- ~^">Г~\~'\ГЛГЗ( ки меди, связанного с поверхностью кри- г???5т??^ сталлической решетки стали, и металл о- ^^^М^^^Ш^ полимерного слоя A-16 нм), ориентиро- к^^^^^^^^^^ ванного в направлении трения, закрепление которого на поверхности серво- Рис 1.15. Структура граничного битной пленки осуществляется в резуль- слоя, образующегося при трении тате комплексообразования. медно-фторопластового компота гг с зита по стали: Таким образом, высокие триботех- 1 _ слой комплексов;,_сервовит- НИЧеСКИе СВОЙСТВа МеДНО-фторОПЛаСТО- ная пленка меди; 3 - сталь 5*
68 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТРУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ вых композитов связаны с реализацией ИП при трении без смазочного материала вследствие образования координационных соединений с двухвалентной медью. Наличие смазочного материала в таких композициях улучшает триботехнические характеристики во всем диапазоне нагружения, особенно при легировании смазочных материалов комплексообразующими присадками. В заключение представим главный постулат и общую схему работы узла трения при граничной смазке — рис. 1.16, а также термины и понятия, относящиеся к этому виду трения. А далее приведем все то же самое для эффекта безызносности (избирательного переноса при трении) — рис. 1.17. Можно отметить, что различие между двумя видами трения имеет принципиальное значение. Более подробно это описано в работе [7]. Информация по применению избирательного переноса в машинах и оборудовании приведена в таблице 1.4. ГРАНИЧНОЕ ТРЕНИЕ ГЛАВНЫЙ ПОСТУЛАТ Основные материалы I и II непосредственно контактируют и образуют "Насильственный контакт" Л|/|Л5Й{Л Лй^ОХС^^A) л!1мт^ ^мшШ >^^^^^^^^ч\ /К^Vx$$XЮЬ$^о$оол $^>ло$^$ллллл>л |р ТЕРМИНЫ И ПОНЯТИЯ 1. Взаимодействие 2. Приработка 3. Приспосабливаемое^ 4. Совместимость 5. Шероховатость 6. Схватывание 7. Износ 8. Взаимное внедрение | 9. Агрессивность одного материала по отношению к другому 10. Фактическая площадь контакта 11. Диспергирование Рис. 1.16. Схема контакта деталей при граничной смазке ИП (ЭФФЕКТ БЕЗЫЗНОСНОСТИ) ГЛАВНЫЙ ПОСТУЛАТ Основные материалы 1иП не имеют непосрественного контакта, их разделяют пленки III, которые образуются в процессе трения; IV - полимерная пленка. <?1^|Щ||^ Ш$Ш^{ 1^^Шш^^\ \ 1 @ \ 1 »р ТЕРМИНЫ И ПОНЯТИЯ 1. Сервовитная пленка 2. Континуальное трение 3. ФАБО (финишная антифрикционная безабразивная обработка) 4. Избирательное растворение 5. Дислокационно-вакансионный механизм сдвига 6. Образование и распад координационных соединений 7. Комплексообразование 8. Трибокоординация 9. Самоорганизация 10. Безызносность 11. Серфинг - пленка Рис. 1.17. Схема контакта деталей при избирательном переносе
Таблица 1.4 ИНФОРМАЦИЯ по использованию избирательного переноса (эффекта безызносности) в машинах и оборудовании (Литература по применению ИП дана на стр. 292—301) № Машины, оборудование Узлы трения Что применено Где используется (один из примеров) Руководители работ 1 Самолеты Тяжелое оборудование завода "Уралмаш", Новокраматорского машиностроительного завода, экскаваторы, редукторы, станки для бурения, металлургическое оборудование Оборудование и машины мор ского флота Тяжелые автокраны Тяжелонагруженные узлы, шасси управления Основные узлы трения, подшипники, зубчатые передачи Металлоплакирующие смазки Атланта и др. Дизели морских судов, палубное оборудование Поворотное устройство, ролики и направляющие 5 Кузнечно-прессовое оборудо- Основные узлы трения — - — вание 6 Строительные и дорожные ма- Основные узлы трения, Металлоплакирующие шины, экскаваторы, бульдозеры Шахтные комбайны типа 1К-1У,К-103идр. ковши и др. Зубчатое зацепление редукторов смазочные материалы типа СМ-01 и присадка МКФ-18У Металлоплакирующие смазки типа Диставик Конструкторское бюро им. Сухого Предприятия нефтяной, горнорудной промышленности Судоверфи Мурманского Рыбфлота Ульяновский машиностроительный завод ЗИЛ Белорусский филиал впти Горловский завод редукторов Дякин СИ. Шепер М.Н. Тепляшин А.В. Бондюгин В.М. Васильченко Н. Козлов Л.А. Макаров Е.И. Зам. Главного механика ЗИЛа Шупиков А.Е. Рахутин В.С. Кобылянский СИ. Тищенко Л.С
Продолжение табл. 1.4 № Машины, оборудование Узлы трения Что применено Где используется (один из примеров) Руководители работ 8 Насосы и др. оборудование магистральных нефтепроводов 9 Электробуры 10 Электродвигатели для погружных насосов 11 Мощные турбогенераторы 12 Герметичные аппараты при производстве сорбита 13 Машины специального назначения 14 Пневмопрядильные машины типаЛПМ-120МС 15 Прядильные машины типа БД-200М69 16 Швейное оборудование Уплотнения, узлы разгрузки Спеченный материал из Гомельский ЦБПО карбидов вольфрама, "Главтранснефть" никеля, меди 17 Обувное оборудование 18 Трикотажное оборудование 19 Оборудование для обработки жаропрочных материалов Основные узлы трения Подшипники качения Подшипники качения и скольжения Механизм челнока, игловодитель и др. Узлы трения кривошипа, кулисы и др. Направляющие кареток, вязальный механизм Режущий инструмент Новые антифрикционные материалы Металлоплакирующая смазка СПМ-5 Воронежский политехнический институт Текстильный комбинат, г. Баку Ивановский хлопчатобумажный комбинат Предприятия Минбыта РСФСР Металлоплакирующая присадка типа МКФ-18 Металлоплакирующая присадка типа МКФ-18, ФАБО Металлоплакирующая СКТБ, г. Пенза присадка Голуб М.В. Грискин Е.Н. Грискин Е.Н. Грискин Е.Н. Грискин Е.Н. Гнусов Ю.В. Денисова Н.Е. Денисова Н.Е. Турчков Е.В. Прокопенко А.К Денисова Н.Е. Прокопенко А.К Прокопенко А.К Чекулаев О.В.
20 Автомобили ЗИЛ, ГАЗ, КамАЗ, МАЗ и др. 21 Автобусы ЛАЗ 22 Двигатели автомобилей КамАЗ, ЗИЛ, МАЗ и др. 23 Двигатели тракторов Д-50, СМД-60 и др. 24 Троллейбусы "Шкода-9" 25 Дизели тепловозов Д100 Подшипники качения, Металлоплакирующие Пензенское и Одесское скольжения, цилиндры смазки типа ПСМ,ФМС, управления автотранс- двигателей присадка МКФ-18У порта. Подшипники качения и Металлоплакирующие скольжения, цилиндр- смазки, ФАБО поршень Узлы сцепляющего устройства Цилиндропоршневое кольцо. Новая конструкция поршневого кольца с бронзовой вставкой Металлоплакирующие смазки типа ФМС Металлоплакирующая присадка 26 Скоростемеры локомотивов Шестеренчатая, зубчато-реечная передачи 27 Манометры локомотивов — « — 28 Тяговые электродвигатели Подшипники качения 29 Подбивочные и рихтовочные Подшипники качения машины и скольжения Металлоплакирующие смазки типа ПМС Арский РЗ Тат.АССР и др. Трамвайно-троллейбу- сное управление, г. Рига Оренбургский теплово- зоремонтный завод, локомотивное депо Барановичи Белорусская железная дорога Быстров В.Н. Софии В.Ф. Быстров В.Н. Софии В.Ф. Быстров В.Н. Андреева А.Г. Софии В.Ф. Намаконов Б.В. Эжиев Г.И. Кириллов Ю.И. Гребенюк М.И. Кремешный В.М. Либерман Л.М. Асташкевич Б.М. 30 Бытовые холодильники Узлы трения, компрес- Металлоплакирующая Саратовское электро- соры присадка МКФ-18Х агрегатное ПО Бортник Г.И. Бортник Г.И. Дубина А.М. Бутом Е.М. Дубина А.М. Бутом Е.М. Куранов ВТ.
Продолжение табл. 1.4 -4 к» № Машины, оборудование Узлы трения Что применено Где используется (один из примеров) Руководители работ 31 Горно-шахтное оборудование 32 Насосы грунтовые, песковые, шламовые 33 Карьерные экскаваторы, куз- нечно-ирессовое оборудование 34 Энергоустановки, работающие на водороде 35 Лесопильные рамы типа РД-2 36 Оборудование по спеканию синтетических алмазов 37 Химические аппараты ПМ-50-0,4/0,6 38 Блюминг 1150 Подшипники качения и скольжения шарошечных машин Манжетные уплотнения, уплотнения штоков Подшипники скольжения Основные узлы трения Пресс-формы Нижняя концевая опора Металлоплакирующая смазка Композиционный полиуретан, наполненный медью Биметаллические подшипники Новые антифрикционные материалы Металлоплакирующие смазки ФАБО Наплавка сплавом релит-медь Трест "Союзспецшахто- Мельниченко И.М. оборудование'' 39 Технологическое оборудование 40 Приборные комплексы 41 Компрессоры разных типов Нажимное устройство ФАБО, металлоплакирующие смазки Тяжелонагруженные — » — узлы трения Слаботочные электрические контакты Цилиндры и поршневые кольца Новые антифрикционные материалы ФАБО ПО "Якуталмаз" Новосибирское НПО "Координатор" Ленинградский механический институт Пермский машиностроительный завод, Гомельский гос. унивеситет Предприятие ОБ-21/1, г. Брянск Руставский ПО "Азот" Нижнетагильский металлургический завод П/яА-1457В-8772 Предприятия г. Саратова Краснодарский компрессорный завод Кольцов Л.А. Иватюнснко А.А. Соколов Ю.Д. Беспрозван- ных Л.В. Пинчук В.Г. Воронков Б.Д. Шадрин В.Г. Быстров В.Н. Пинчук В.Г. Куранов В.Г. Суруханов Б.Б.
Материалы для узлов трения машин микрокриогенной техники 73 13. Материалы для узлов трения машин микрокриогенной техники [6, 19] Конструкция отдельных узлов и машин криогенной и микрокриогенной техники (МКТ) в значительной мере определяется особыми условиями эксплуатации, к которым, в частности, относятся широкий диапазон изменения параметров окружающей среды (температуры, давления, влажности), высокий уровень и широкий спектр механических нагрузок (вибраций, ударов, ускорений), воздействие высокоэнергетических потоков. Высокие требования к надежности и ресурсу изделий должны быть обеспечены конструкцией узлов машин и;в первую очередь, узлов трения. Все узлы трения машин МКТ можно разделить на две большие группы по условиям окружающей рабочей среды и смазки. Узлы одной группы работают при нормальных и повышенных температурах в среде смазывающей жидкости или смазываются пластичными смазочными материалами. Это - узлы трения смазываемых компрессоров и подшипники механизмов движения некоторых газовых криогенных машин (ГКМ). Конструкция и материалы этой группы узлов трения идентичны широко применяемым в машинах и приборах различных отраслей машиностроения. Другая группа узлов трения включает несмазываемые пары трения, работающие в широком диапазоне температур от криогенных до положительных в среде осушенных инертных газов. В узлах этой группы^как правило, применяют металлополимерные пары трения - уплотнения и направляющие поршней компрессоров и вытеснителей микроохладителей, планетарные редукторы ГКМ и другие узлы. Материал деталей этих узлов должен обладать следующими свойствами: комплексом механических свойств, а именно, высокой исходной прочностью (при температуре 293 К) в сочетании с достаточной пластичностью и вязкостью при температурах до 10-12 К и малой чувствительностью к концентрации напряжений; определенными теп- лофизическими характеристиками, в частности,возможно более низким коэффициентом линейного теплового расширения; высоким сопротивлением коррозии в условиях образования водяного конденсата при отогреве; малой чувствительностью механических и физических характеристик к термоциклированию; вакуумной плотностью и отсутствием летучих компонентов, отделяющихся в вакуумирован- ное пространство. Наряду с перечисленными свойствами полимерные материалы и композиции должны обладать высокой износостойкостью, хорошими антифрикционными свойствами и свойством самосмазывания деталей для исключения задиров и обеспечения плавного скольжения деталей. Нагрузка на поршневые уплотнения и зубчатые колеса редукторов определяется давлением нагнетания, которое достигает 10-20 МПа, а скорость скольжения - частотой вращения коленчатого
74 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТРУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ Рис 1.18. Конструкция поршня микрокомпрессора вала и ходом поршня и колеблется от 0,2 до 1,5 мс1. Уплотнения поршней компрессоров выполняют в виде манжет или поршневых колец, а уплотнения поршней вытеснителей - в виде поршневых колец. Направляющие поршней представляют собой тонкостенные втулки (с толщиной стенки 0,3-0,5 мм) из полимерного материала, наклеиваемые на металлическую направляющую часть поршня. На рис. 1.18 показана конструкция поршня микрокомпрессора. На штоке поршня 1 установлен поршень 2 с направляющей 3, две манжеты 4 соосно закрепляются на поршне с помощью винта 5. Компенсация износа манжет и первоначальный натяг манжет обеспечиваются лепестковыми упругими экспандерами б, поршень монтируется в гильзе 7. Манжеты изготавливают;главным образом;из композиционного материала КВН-3 на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ), содержащего металлические и неметаллические наполнители. В некоторых изделиях применяют уплотнения из композиционного материала НАМИ-ФБМ. Манжеты могут изготавливаться также из материалов Ф4К20, Ф4К15М5 на той же полимерной основе. Однако наиболее перспективными являются материалы на основе ПТФЭ, наполненные углеродным волокном, в которые в зависимости от условий работы бывает целесообразно вводить металлический наполнитель в виде бронзового порошка. Преимущества таких материалов при работе в среде осушенного инертного газа и при повышенных нагрузках показаны в работах [6,32]. При переходе от кислородсодержащей газовой среды к инертной газовой среде (осушенный гелий) триботехнические характеристики металлонаполненных композиций значительно ухудшаются и тем сильнее, чем больше содержание металлического наполнителя. Наибольшее увеличение скорости изнашивания и коэффициента трения наблюдалось при испы-
Материалы для узлов трения машин микрокриогенной техники 75 тании материала НАМИ-ФБМ, содержавшего наибольшее (около 50% по массе) количество металлического наполнителя - порошка бронзы. У материалов, имеющих в качестве наполнителя в основном углеродный материал, наблюдается обратный эффект: при переходе к инертной среде скорость изнашивания и коэффициент трения уменьшаются. Это можно объяснить различием механизмов трения и формирования поверхностной полимерной пленки переноса на металлическом контртеле в кислородной и безкислородной газовых средах. При этом небольшое количество металлического наполнителя (до 12- 15%) не изменяет характера фрикционного взаимодействия поверхностей и позволяет сохранить и даже улучшить триботехнические свойства композиционного материала. Например, свойства материала К-3 (или криолон-3) при трении в воздушной среде улучшаются при переходе в инертную среду. Этому способствуют и лучшие теп- лофизические свойства материалов К-2 и К-3, наполненных углеродным волокном, обеспечивающие снижение температуры в зоне трения и термодеструкции полимерной основы. Для материалов, применяемых в узлах трения криогенной техники, одним из основных требований является также сохранение механических и теплофизических свойств при криогенных температурах, обеспечивающих их работоспособность в этих условиях. Исследованием композиционных материалов на основе ПТФЭ в широком диапазоне температур от 20 до 400°К [19] установлено, что они отвечают этим требованиям, а опыт использования материалов в качестве элементов уплотнений подтверждает правильность этого вывода. В качестве элементов уплотнений холодной и теплой зоны криогенных машин могут использоваться также материалы на основе полиамидов. Они обладают более высокой радиационной стойкостью, хотя их высокая жесткость ограничивает возможности применения в уплотнениях; их нельзя применять для манжетных уплотнений. Однако испытание поршневых колец дало положительные результаты. Применение материалов на основе полиамидов находится в стадии опытной отработки. В изделиях микрокриогенной техники металлические детали рассматриваемых металлополимерных узлов трения - поршни, цилиндры и гильзы компрессоров и вытеснителей изготавливают из алюминиевых сплавов В-95, Д16Т, АК-8, титановых сплавов ВТЗ, ВТ6, хромоникелевых сталей 12Х18Н10Т, 12Х2НЧВА и др. Рабочие поверхности гильз обрабатывают, обеспечивая шероховатость Ка < 0,63 мкм и конусообразность и нецилиндричность не более 0,003 мм. Рабочие поверхности гильз и цилиндров, изготавливаемых из алюминиевого сплава В-95, подвергают твердому анодированию, затем ультразвуковой обработке с одновременным внедрением порошкообразного дисульфида молибдена ДМ-1 и полируют, обеспечивая указанный выше параметр шероховатости поверхности.
76 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТРУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ Тщательная специальная обработка металлических поверхностей трения имеет целью снижение потерь мощности на трение и повышение износостойкости элементов уплотнений и направляющих, изготовленных из полимерных материалов. Исследования, выполненные под руководством Ю.К. Машкова, показали перспективность нового способа финишной обработки и модифицирования поверхностей трения методом ионной имплантации. Было установлено, что внедрение примесных атомов и ионов благоприятно влияет на физико-механические свойства и состояние поверхностного слоя (повышается микротвердость, появляются напряжения сжатия), а также на микрогеометрию поверхности, увеличивая радиус кривизны микронеровностей. Такие изменения улучшают условия фрикционного взаимодействия в металлополимерном контакте и способствуют значительному снижению силы трения и износа полимерной детали. Так, замена сложного и трудоемкого процесса твердого анодирования и ультразвукового дорнования цилиндров из сплава В-95 имплантацией смесью ионов Мо + Мо82 позволили существенно снизить трудоемкость изготовления цилиндров и примерно в 2 раза повысить износостойкость манжетных уплотнений поршней микрокомпрессоров. В последние годы в криогенных машинах нашел применение материал на основе фенилона - Графелон-20. Это композиционный материал на основе ароматического полиамида - фенилон С2, наполненный углеродным волокном. Графелон-20 обладает достаточно высокими механическими свойствами, в том числе ударной вязкостью на уровне 25-30 кДж/м2, однако уступает материалам на основе ПТФЭ и полиамидов по антифрикционным свойствам. Он применяется для изготовления несмазываемых зубчатых колес планетарных редукторов газовых криогенных машин, которые работают в паре со стальными и латунными колесами. Применение Графелона-20 взамен ранее использовавшегося текстолитового материала позволило значительно (в 3-5 раз) повысить износостойкость зубчатых колес и увеличить ресурс некоторых ГКМ. Графелон-20 может применяться также для изготовления умеренно нагруженных подшипников скольжения, различных направляющих втулок и других несмазываемых узлов трения, где нет жестких требований к чувствительности и механическим потерям. В связи с недопустимостью применения жидких смазочных материалов и ограниченными возможностями использования пластичных смазок для изделий микрокриогенной техники отрабатываются и уже применяются несмазываемые шарикоподшипники с сепараторами из самосмазывающихся композиционных материалов на полимерной основе. Начат серийный выпуск шарикоподшипников 35-20309Т с сепаратором из материала НАМИ-ФБМ. Такие подшипники успешно работают в среде осушенных инертных газов и используются в
Числовые критерии работоспособности материалов в парах трения 77 опорах коленчатых валов и электродвигателей приводов и механизмов движения газовых криогенных машин и в других узлах изделий мкт. 14. Числовые критерии работоспособности материалов в парах трения Проверка правильности выбора материалов пар трения скольжения при заданных или принятых сопрягаемых размерах деталей и определение этих размеров при проектном расчете производятся по некоторым критериям. Наиболее простой способ проверки заключается в расчете по среднему давлению/?. Способ пригоден дли пар трения, работающих с малыми скоростями скольжения при невысоких температурах окружающей среды и имеет целью обезопасить сочленение от возможного заедания. Для шарнирно-болтовых соединений предельные значения удельных нагрузок (в МПа) приблизительно могут быть приняты для: закаленной стали по стали - до 15, закаленной стали по баббиту - 9, закаленной стали по бронзе - 8, закаленной стали по чугуну - 6, незакаленной стали по баббиту - 6, незакаленной стали по бронзе - 5. Если режим трения пары определяется не только давлением, но и скоростью скольжения V, то применяют принятый в конструкторской практике расчет по величие ру. Идея метода состоит в следующем: если / - коэффициент трения скольжения, то /ру представляет собой удельную мощность трения. Поскольку надежная работа подшипника, тормоза или другого узла возможна лишь при теплонапряженности, не превышающей определенную величину для данной конструкции и условий ее эксплуатации, то условие надежности подшипника по теплонапряженности можно записать как /ру < А. Приняв / постоянным, получим это условие в виде ру = сопз1, где А — предельное количество теплоты в механических единицах, которое может отводиться с единицы площади диаметральной проекции подшипника в единицу времени. Хотя допустимая величина параметра ру подбирается при этом в зависимости от скорости скольжения, способа теплоотвода, характера действия нагрузки и других условий, однако использование этого произведения как показателя работоспособности встречает возражения специалистов, работающих в области теории расчета подшипников жидкостного трения. Основанием для этого служит то, что эта по сути примитивная теория расчета принимает коэффициент трения постоянным и не учитывает роли относительного диаметрального зазора в подшипнике, отношения длины шипа к его диаметру и влияния вязкости смазочного материала. Тем не менее, если подшипник или другая пара работает при несовершенной смазке, то расчет по ру является оправданным, поскольку этот параметр косвенно характеризует температуру по поверхности трения, которая
78 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТРУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ в явном виде не входит в число заданных при расчете величин. Дополнительно следует лимитировать \р]. В инженерной практике оба расчетных критерия - [р] и [ру]-часто используют совместно. В действительности зависимость между предельными значениями р и у сложнее, чем изображаемая равнобокой гиперболой /?у = сот*. Достаточное представление о свойствах материалов в паре трения в образцах или в деталях дает построенная по результатам испытаний /п>-диаграмма, на которой предельные значения р и у нанесены в соответствии с наиболее лимитирующими условиями работы пары. Такими условиями являются механическая прочность, теплостойкость неметаллических материалов, нарушение прочности масляной пленки, переход от гидродинамического режима трения к полужидкостному или от полужидкостного к полусухому. На рис. 1.19 приведены результаты стендовых испытаний подшипниковых втулок с внутренним диаметром 60,4 мм при смазке минеральным маслом вязкостью 3,6 ВУ50; расходе масла -~ 5 л/ч, 8 у, м/с Рис. 1.19. Зависимость предельных нагрузок текстолитовых втулок от температуры и скорости скольжения температуре окружающей среды 28 °С и температуре масла при поступлении в подшипник 29,8 °С [20]. Цифрой / отмечена кривая предельных нагрузок, соответствующая принятой предельной температуре пластика 80 °С. Начало обугливания материала - при температуре 135 °С. Здесь же приведены кривые изменения р и у при отмеченных температурах ниже предельной. Приведем еще один пример применения диаграммы (графика) по ру для практических целей (работа выполнена Б.Д. Воронковым, В.Г. Шадриным и И.В. Петровой). Ранее нами отмечалась возможность применения избирательного переноса в одноименных парах трения в условиях коррозионно-механического изнашивания. Указанные авторы определили области реализации избирательного переноса для двух одноименных пар трения (рис. 1.20 ).
Некоторые правила сочетания материалов 79 Рис. 1.20. Области реализации ИП в парах трения: а- сталь 14Х18Н2-сталь 12Х18Н10Т; б - материал ВКб-материал ВК6 15. Некоторые правила сочетания материалов Подбор наиболее подходящих материалов для пар трения скольжения можно в каждом отдельном случае сделать только на основании тщательного сопоставления условий службы трущихся деталей, исходных свойств материалов и тех изменений, какие они претерпевают на поверхностях трения, а также при учете других обстоятельств. Можно сформулировать некоторые руководящие правила для такого выбора. 1. Сочетать твердый материал с мягким, имеющим температуру рекристаллизации ниже средней температуры поверхности трения при работе. Такое сочетание металлов хорошо противостоит заеданию и характеризуется высокой надежностью. Хорошие результаты дают пары хром - резина^при смазке минеральным маслом и водой; и хром-бронзадцэи использовании пластичных смазочных материалов. 2. Сочетать твердый металл по твердому (сочетание пар из азотированной, хромированной и закаленных сталей). Такие пары трения обладают высокой износостойкостью вследствие малого взаимного внедрения их поверхностей. Нанесение приработочных покрытий повышает надежность пар в наиболее опасный период работы - во время приработки. Применение этих пар ограничивается скоростями скольжения. Высокая точность изготовления и сборки, значительная жесткость конструкции, тщательная приработка, улучшение условий смазки значительно расширяют область применения пар трения из твердых материалов. 3. Избегать сочетаний мягкий материал по мягкому, а также пар из одноименных материалов (незакаленная сталь по незакаленной стали, алюминиевые сплавы друг по другу, медный сплав по алюминиевому, хром по хрому, хром по алюминию, никель по никелю, пластмасса по пластмассе), за исключением политетрафторэтилена и
80 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТРУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ полиэтилена, каждый друг по другу. Подобные пары имеют низкую износостойкость и ненадежны в работе. При незначительных перегрузках в парах образуются очаги схватывания и происходит глубинное вырывание материалов с взаимным их налипанием на поверхность трения. 4. Применять в труднодоступных для смазывания конструкциях пористые металлокерамические материалы и антифрикционные сплавы. 5. Применять в качестве фрикционных и антифрикционных материалов пластические массы. В ряде случаев они повышают надежность и срок службы узла трения, снижают массу конструкции и расход дефицитных цветных металлов, уменьшают вибрации и улучшают акустические свойства машин. 6. Стремиться путем выбора материалов пары трения, смазочных материалов и присадок к ним создавать при работе пары условия реализации режима избирательного переноса. 7. Учитывать возможность при эксплуатации наводороживания трущихся поверхностей, что резко снижает износостойкость и надежность работы узла трения. Применять материалы, трудно поддающиеся наводороживанию. 8. Стальные и чугунные детали узлов трения при окончательной доводке их поверхности подвергать финишной антифрикционной безабразивной обработке (ФАБО). ФАБО подвергаются шарнирно-болтовые соединения самолетов, детали топливной аппаратуры турбореактивных двигателей, подшипники качения, цилиндры и шейки коленчатых валов автотракторных двигателей и др. Исследования свидетельствуют, что ФАБО позволяет: снизить время приработки деталей, исключить задиры поверхностей трения, повысить несущую способность сочленений, защитить поверхность от водородного изнашивания, снизить температуру и продлить период работы узла трения при выключении подачи смазки, уменьшить коэффициент трения в трущейся паре, увеличить срок службы подшипников качения до образования усталостных повреждений. ФАБО изучали многие ученые как России, так и зарубежных стран: Эжиев Г.И., Балабанов В.И., Прокопенко А.К., Лозовский В.Н., Чекулаев О.В., Тережкин С.А., Снитковский М.М., Польцер Г., Марчак Р., Фирковский А. и др. Литература по ФАБО дана на стр. 295—297. Отметим, что в последнее время В.И. Балабанов и СМ. Мамы- кин делают попытку использовать ФАБО для повышения долговечности колесных пар железнодорожного транспорта. Первые эксперименты дали положительный результат.
Глава 2. О РАСПОЛОЖЕНИИ ПО ТВЕРДОСТИ МАТЕРИАЛОВ В ПАРАХ ТРЕНИЯ В паре, образованной скользящими поверхностями, имеющими разные твердость и размеры поверхностей трения, можно различить два условия, связанные с расстановкой материалов пары: Яу>#7; 57<5,; Н{<Н2; 8§<8У где Нг Я, - твердости одной и другой трущихся поверхностей; 8], 5, - соответствующие величины поверхностей трения. Пару с расположением материалов, удовлетворяющим первому условию, назовем прямой парой трения, а удовлетворяющим второму условию - обратной парой. В случае прямой пары трения по большей поверхности скользит более твердое тело, а в случае обратной пары - более мягкое тело. Примерами прямой пары может служить скольжение закаленного суппорта по чугунной термически необработанной станине или скольжение хромированного поршневого кольца по поверхности цилиндра из перлитного чугуна. Обратной парой будет хромированное рабочее зеркало цилиндра и чугунное кольцо. Вал и подшипник с баббитовым слоем при нагрузке постоянного направления, приложенной к вращающемуся валу, представляют собой обратную пару. Если отвлечься от фактора гидродинамики смазочного слоя, то такое разделение пар будет справедливо как для полного, так и для частичного подшипника, так как условия контактирования будут при этом одинаковыми; бегунок тележки с запрессованной бронзовой втулкой, работающей по невращающейся стальной оси, является элементом прямой пары. На рис. 2.1 приведены схемы прямых и обратных пар с поступательным и с вращательным движением. Чтобы определить^какая пара трения - прямая или обратная - предпочтительнее для данной конструкции, следует строго установить требования к паре в отношении надежности ее работы, износостойкости, экономичности и условий эксплуатации. Недостаточная надежность пары трения в связи с неподходящей расстановкой материалов может выразиться в схватывании и заедании. Опыт эксплуатации машин, стендовые испытания трущихся деталей и лабораторные исследования показывают, что обратные пары трения более стойки к заеданию, а при наличии заедания имеют меньшие повреждения поверхностей. Различие в работе прямых и обратных пар трения состоит в следующем. В прямой паре при перегрузке пластическая деформация 6 - 2039
82 О РАСПОЛОЖЕНИИ ПО ТВЕРДОСТИ МАТЕРИАЛОВ В ПАРАХ ТРЕНИЯ Р \Р деформация а) 4) Рис 2.1. Обратные (а) и прямые (&) пары: 1-е поступательным движением; II-с вращательным движением; НрН2- твердости ее элемента (образца) с меньшей твердостью препятствует нормальной работе пары, в результате чего возрастают силы трения (особенно опасно это для механизмов агрегатов управления), усиливается повреждение поверхности, и пара быстро выходит из строя. В обратной паре при перегрузке пластическая деформация образца с меньшей твердостью не препятствует работе пары. Это подтверждается опытами на машине трения с тремя цилиндрическими образцами, работающими торцами по плоской стороне вращающегося диска. При испытании со ступенчатым постепенным нагружением хромированных стальных цилиндрических образцов, трущихся о мягкий стальной диск (прямая пара), и образцов, трущихся о хромированный диск (обратная пара), установлено, что заедание во втором случае происходит при нагрузках в 15 раз больших, чем в первом случае. На рис. 2.2 представлены продольные сечения стального образца по его передней и задней кромкам после работы по хромированному диску. На той и другой кромках образца образовались заусеницы вследствие пластического течения поверхности слоя материала. При трении хромированных образцов о стальной диск пластического течения хромового слоя не происходило, что приводило к взаимному внедрению поверхностей трения и заеданию металлов при незначительной перегрузке пары трения. Дальнейшим развитием наших работ по прямым и обратным парам трения, а также работ Л.В. Красниченко и др., явились исследования В.Я. Кершенбаума в области сравнительной работоспособности и долговечности пар трения скольжения. Помимо определения
О расположении по твердости материалов в парах трения 83 Рис. 2.2. Продольное сечение образца (обратная пара на рис 2.1а): а - передняя кромка; б ~ задняя кромка границ технических возможностей метода механотермического формирования рабочих поверхностей узлов трения, результаты исследований представляют интерес для разработки более широкого класса технологий получения обратных пар. В качестве одного из основных показателей работоспособности подшипниковых узлов в работе автора используется динамика момента трения при ступенчатом нагру- жении, характеризующем лучшую прирабатываемость данного узла. Экспериментальные исследования В.Я. Кершенбаумом были проведены на специализированной установке, включающей элементы конструктивных схем машин типа МН-1М и СМИ-2, но отличающейся от них более широкими возможностями в части изменения размеров испытуемых образцов и скоростей скольжения. В результате методических экспериментов были установлены целесообразные размеры испытуемых образцов. В качестве контртела для обратной пары использовались кольца (или 60-90° сегменты) из закаленной стали 45, а для прямой пары - бронзовые (БрАЖ-9-4) кольца (или 60-90° сегменты). С помощью специального маслорегулирующего устройства обеспечивалась обильная или ограниченная смазка. Регистрировался как весовой, так и линейный износ соответственно на аналитических весах АДВ-200 с точностью до 0,1 мг и на универсальном измерительном микроскопе УИМ-21 с точностью до 0,5 мкм. Кроме того, для изучения динамики линейного изнашивания во времени использовалась аппаратура, с помощью которой износ фиксировался непрерывно без съема образцов. Для этого был использован регистрирующий электросамописец БВ-662, который снабжен датчиком индукционного типа, установленным на измерительной позиции и соединенным с регистрирующим прибором гибким проводом. Величина допустимой погрешности на ленте самописца - 0,5 мкм. 6*
84 О РАСПОЛОЖЕНИИ ПО ТВЕРДОСТИ МАТЕРИАЛОВ В ПАРАХ ТРЕНИЯ Конструкции установок позволяют проводить испытания образцов на изнашивание в широком диапазоне нагрузок и частот вращения (Р = 0,5... 100 МПа; п = 10...2240 об/мин). ■^ МвМЕМТ ТМИН* —о— Те/ишмтяг* Рис 23. Изменение момента трения М во времени х прямых и обратных пар. Сочетание материалов сталь 45 и бронза БрАЖ 9-4 (по В.Я. Кершенбауму): / - прямая пара; 2 - обратная пара В результате экспериментальных исследований установлено (рис. 2.3), что при ступенчатом нагружении узла трения колебания момента трения в прямых парах значительно превышают его колебания в обратных парах, причем в последних проявляется тенденция к быстрому затуханию колебаний A0-15 мин после очередной ступени), в то время как в прямых парах амплитуда колебаний практически не уменьшается на протяжении каждой ступени. Полученные данные, в сочетании с результатами температурных измерений во фрикционном контакте, свидетельствуют о лучшей при- рабатываемости обратных пар, что является положительным моментом. Кроме того, было установлено, что износостойкость обратных пар выше, чем прямых, в 3 раза при работе в условиях обильной смазки (см. таблицу). Ограниченная смазка в сочетании с затрудненностью охлаждения узла трения резко снижает преимущества обратных пар трения перед прямыми. Причиной этого, по-видимому, являются процессы термического разупрочнения, более активно проявляющиеся в тонком слое антифрикционного сплава, нанесенного на стальную основу (обратная пара). Таким образом, условия проведения экспериментальных исследований (смазка, охлаждение) сравнительной
О расположении по твердости материалов в нарах трения 85 износостойкости прямых и обратных пар трения заметно влияют на результаты испытаний. Следует полагать, что разноречивость мнений о сравнительной износостойкости прямых и обратных пар в ряде случаев объясняется несопоставимостью условий испытания. Таблица Результаты испытаний пар трения на сравнительную износостойкость Расположение материалов в узле трения Режим испытаний Р, МПа V, М/С Минимальный износ, мкм 10ч 30 ч 100 ч Прямая пара 10 1,4 32/46 91/134 305/412 Обратная пара 10 1,4 12/45 34/131 112/437 Примечание. В числителе - при подаче 100 капель в минуту, в знаменателе - при подаче 5 капель в минуту. Превосходство обратной пары перед прямой в отношении надежности покажем на примере, где, казалось бы, совершенно несущественно расположение материалов пары. Нередко гидроцилиндры и сопрягаемые с ними поршни изготовляют из стали, причем цилиндр - из более мягкой стали. Наличие диаметрального зазора по ходовой посадке как будто исключает в работе непосредственное контактирование поршня и цилиндра, и трение должно происходить между уплотнением на поршне и поверхностью цилиндра. На самом же деле вследствие перекосов не исключается непосредственное контактирование поверхностей поршня и цилиндра. В эксплуатации отмечены по этой причине случаи задиров (рис. 2.4), которые могут привести к аварийной ситуации. В работе А.С. Радчика и В.С. Радчика показано, что в паре с одноименными материалами при неравновеликих площадках трения большая площадь больше изнашивается по весу. Если пара состоит из различных материалов, то в зависимости от вида изнашивания соотношение величин износа может быть как больше, так и меньше единицы. Весовой износ влияет не прямо на служебные свойства сочленения, а косвенно, через линейный износ. При неравновеликих площадках трения больший суммарный весовой износ пары не обязательно соответствует большему суммарному линейному износу. При большем весовом износе элемента пары с большей площадью трения может быть малый линейный износ и, наоборот, - при малом весовом износе тела с меньшей поверхностью трения - больший линейный износ. Поэтому для лучшей износостойкости пары рационально такое расположение материалов, которому соответствует меньший суммарный линейный износ деталей пары. Однако необходимыми данными для такого суждения конструктор не располагает, и вопрос решается с привлечением представлений качественного характера, экономических и эксплуатационных соображений.
86 О РАСПОЛОЖЕНИИ ПО ТВЕРДОСТИ МАТЕРИАЛОВ В ПАРАХ ТРЕНИЯ Рис. 2.4. Задиры на поршне (а) и на цилиндре (б) Представим себе, что один из элементов пары салазки—станина выполняется с закаленной рабочей поверхностью, а другой элемент - из термически необработанного чугуна. Предстоит сделать выбор расположения материалов в паре. Детали достаточно жестки, работают при невысоких скоростях скольжения, нагрузках и температурах, материалы проявляют малую склонность к схватыванию, и вероятность выхода из строя пары по причине заедания мала. С точки зрения надежности прямая и обратная пары в данном случае равноценны. Первостепенной задачей является обеспечение максимальной износостойкости пары в отношении равномерности износа станины по длине. Закаливание направляющих станины дает следующие существенные преимущества: 1) уменьшается опасность случайных повреждений - царапин и забоин у открытых направляющих; 2) снижается линейный износ; 3) ускоряется приработка салазок, имеющих меньшую поверхность трения; 4) облегчается пригонка шабрением салазок к станине при изготовлении и ремонте. Хотя указанные преимущества значительны, при недостаточной защите станины от воздействия абразивных частиц вариант закаливания направляющих салазок оказывается целесообразнее. Объясняется это тем, что направляющие салазок изнашиваются неравномерно и более интенсивно у концов, где образуется своеобразный клин, куда попадают абразивные частицы. Здесь они частично вдавливаются в материал салазок и перемещаются вместе с ними, частично заклиниваются между сопряженными поверхностями и перекатываются между ними, изнашивая поверхности. Если закалить направляющие салазок, то ввиду относительно высокой износостойкости закаленного слоя изнашивание салазок замедлится. Это уменьшает количество абразивных частиц, активно
О расположении по твердости материалов в парах трения 87 участвующих в изнашивании, что в итоге снижает линейный износ станины. В случае трения при жидкостной смазке вращательной пары в установившемся режиме работы расположение материалов должно быть таким, чтобы износ как вала, так и подшипника в меньшей мере отражался на образовании масляного клина. Рассмотрим для этого так называемые "обращенные пары" (этот термин появился в связи с конструированием подшипниковых узлов, в которых антифрикционный материал переносится с подшипника на вал). Такие пары обладают иногда преимуществами при постоянном направлении вектора нагрузки и вращающемся вале, как это имеет место в подшипниках электродвигателей, шпинделях металлообрабатывающих станков, коробках передач, в центробежных насосах и т.п. Антифрикционный слой вкладыша подвергается здесь одностороннему местному изнашиванию (рис. 2.5), что с течением времени понижает несущую способность подшипника. В такой паре износ антифрикционного материала, нанесенного на вал, равномерен в каждом поперечном сечении, между тем как местный износ твердого вкладыша меньше, чем мягкого вкладыша в первом случае. Обращенная пара в случае вращающегося вала и постоянного направления нагрузки представляет по нашей терминологии прямую пару. До последнего времени основным препятствием к созданию обращенной пары являются технологические трудности нанесения антифрикционного материала на стальной вал. ФАБО стальных и чугунных деталей в ряде случаев снимает это препятствие и расширяет возможности обращенных пар. В качестве примера конструктивного выполнения подшипника с обращенной парой трения можно привести подшипник шпинделя токарного станка (рис. 2.6). Такие подшипники применяют при восстановлении различного оборудования методом нанесения металлизационного покрытия (антифрикционного материала) на шейки Рис.2.6. Подшипник с обращен- валов. н°й парой: 1 - бронза; 2 - сталь Рис.2.5. Местный износ подшипника, понижающий его несущую способность
88 О РАСПОЛОЖЕНИИ ПО ТВЕРДОСТИ МАТЕРИАЛОВ В ПАРАХ ТРЕНИЯ В морском судостроении встречаются гребные валы, шейки которых облицованы резиной, работающей по твердым металлическим втулкам, запрессованным в дейдвудную трубу. Облицовка имеет продольные канавки, не доходящие до ее торцев. В канавках задерживается вода и подается на несущую опорную поверхность втулок. Это играет существенную роль при малых окружных скоростях на шейках, уменьшая шум, силы трения, скорость изнашивания и нагрев. Тем не менее, вопрос о такой паре нуждается в более детальном исследовании. Дело в том, что резиновый подшипник изнашивается меньше работающей по нему бронзовой облицовки вала. Если обратить материалы, то в бронзовом подшипнике местная выработка будет значительно больше, чем в первом случае. О том, как это отразится на работе соединения, можно будет судить, лишь использовав аппарат контактно-гидродинамической теории смазки. Широко используют для пар трения серый термически необработанный чугун, в том числе для поршневых колец и цилиндровых втулок. Считается, что кольцо должно быть тверже цилиндровой втулки. Ход рассуждений при этом таков. Поскольку втулка должна изнашиваться менее интенсивно, чем кольцо, так как заменить втулку более сложно и менее рентабельно, то, казалось бы, что ее поэтому следует делать тверже кольца. Однако ввиду значительно большей площади трения у втулки по сравнению с суммарной площадью трения уплотнительных колец интенсивность ее линейного изнашивания ниже, чем у колец; поэтому, чтобы срок службы последних был достаточный, их надо выполнять большей твердости, чем втулки. Однако по вопросу об оптимальной разнице твердостей той и другой деталей нет единого мнения. Встречаются рекомендуемые разницы твердостей колец и втулки в 20-30 и 50-100 единиц НВ, т.е. существенно различающиеся. Наряду с этим, согласно правилам Регистра ММФ твердость поршневого кольца должна быть равна твердости цилиндровой втулки с допуском ±10 кгс/мм2. Для выяснения этого вопроса применительно к перлитным чугунам произведена статистическая обработка результатов двух серий испытаний на машинах трения АЕ-5, где вращающееся кольцо имитирует цилиндровую втулку, а неподвижные образцы - поршневое кольцо. Было испытано 16 пар из девяти марок серого чугуна перлитного класса при трении с граничной смазкой и без смазки при скорости скольжения 1,39 м/с. Удельная нагрузка 6 МПа при трении с граничной смазкой и 0,23 МПа при трении без смазки; продолжительность испытания соответственно 24 и 1 ч. При трении с граничной смазкой последняя производилась дизельным маслом с присадкой. Разность твердостей образцов и колец АН колебалась от НВ 65 до НВ 80. Явной функциональной зависимости суммарного весового износа элементов пары от разницы их твердостей не установлено. Об этом свидетельствуют весьма малые значения коэффициентов корреляции между совокупностями АН и суммарных износов элементов пар, которые оказались соответственно
О расположении по твердости материалов в парах трения 89 равными 0,14 и 0,13. Это означает, что суммарный весовой износ при взаимном скольжении двух элементов из серого перлитного чугуна твердостью соответственно Н} и Н2 (см. рис. 2.1) не зависит от того, является ли пара трения прямой или обратной. Существует точка зрения, что тела качения для большей долговечности подшипника должны иметь твердость на 1-2 единицы НЯС выше твердости колец. Обоснование не известно. Фирма СКФ, однако, обрабатывает на одинаковую твердость шарики и внутренние кольца подшипников. Механические свойства, а следовательно, и твердость материалов зубчатых колес цилиндрических и конических передач, не могут быть назначены произвольно, а должны находиться в некотором соответствии между собой. Если шестерня и колесо выполняются из стали одной и той же марки с твердостью рабочих поверхностей НВ < 350, то во избежание задиров необходимо производить термообработку заготовок на разную твердость. Для зубчатых передач с некорригированными зубьями колес следует материал шестерни назначать большей твердости, чем материал колеса, поскольку: а) зубья шестерни за одно и то же время подвергаются большему числу нагружений, чем зубья колеса, и для обеспечения примерно одинаковой износостойкости материал шестерни должен иметь лучшие механические свойства; б) в открытых зубчатых передачах и передачах с высокой твердостью рабочих поверхностей, у которых габаритные размеры определяются исходя из общей прочности, последняя является фактором, лимитирующим нагрузочную способность. Модуль (мм) из расчета прочности зуба на изгиб / 660ЛГ рут[ъ]и где N - расчетная мощность, кВт;*Р - отношение рабочей ширины зуба к модулю ; п - частота вращения, об/мин; г - число зубьев; у - коэффициент формы зуба, зависящий от числа зубьев колеса при одинаковых профильном угле основной рейки и относительной высоте зуба. С увеличением числа зубьев увеличивается и коэффициент у. Присвоим шестерне индекс "ш", а колесу - индекс "к". Так как пш2ш = = пк 2к; Ч/ш = Ч*к, то для равнопрочности зубьев шестерни и колеса необходимо соблюсти условия [<5\ишуш = [<з]ин:ук\ поскольку уш <ук, то необходимо, чтобы [а]иш >[о]м|:, "т.е! материал и термообработка должны быть подобраны так, чтобы предел выносливости материала шестерни на изгиб был больше; в) в косозубых передачах, по данным З.П. Павлова, увеличение твердости зубьев шестерни, парной с колесом некоторой постоянной
90 О РАСПОЛОЖЕНИИ ПО ТВЕРДОСТИ МАТЕРИАЛОВ В ПАРАХ ТРЕНИЯ твердости, улучшает КПД передачи и повышает контактную выносливость зубьев колеса. Этот эффект обнаруживается вплоть до доведенной при испытаниях разнице твердостей 120 единиц по шкале НВ. Еще большее повышение предела контактной выносливости было получено при закаленной шестерне твердостью НВ 477 и разнице твердостей 219 единиц. Для прямозубых колес испытаниями В.А. Гришко с применением метода меченых атомов колес г} = 19, х2 = 52, т - 3 мм при окружных скоростях 3 и 4,5 м/с установлено, что при твердости рабочих поверхностей зубьев шестерен НКС > 50 их износостойкость резко возрастает с повышением твердости зубьев колес вплоть до той же, что и у шестерен. В случае внеполюсного зацепления или близкого к нему вопрос о соотношении твердостей шестерни и колеса требует специального рассмотрения; может оказаться целесообразным выполнить зуб колеса более твердым. Чем больше разница твердостей материалов шестерни и колеса, тем с большей точностью и меньшей шероховатостью поверхности должны быть обработаны зубья шестерен для улучшения приработки и снижения приработочного износа. В кулачковых механизмах с роликовыми толкателями обычно предпочитают изготовлять ролик из более мягкого материала, исходя из того, что заменить ролик проще, чем кулачок. Встречаются, однако, механизмы с более мягкой профильной частью кулачка в виде сменного кольца. В общем же подбор материалов для пары трения должен обеспечить наибольшее контактное сопротивление усталости при отсутствии схватывания поверхностей.
Глава 3. ПОРИСТОСТЬ МАТЕРИАЛА В ОБЪЕМЕ И В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ Во многих случаях пористость материала трущихся деталей служит конструктивным или технологическим фактором повышения надежности их работы вследствие улучшения режима смазки или противозадирной стойкости пары. О самосмазывающей способности пористых подшипников из композиции металл-графит известно давно. Независимо от этого было установлено, что цилиндры двигателей из стальных отливок работают лучше, чем изготовленные из заготовок, обработанных давлением. Поверхность литой детали лучше смачивается смазочными маслами благодаря пористости материала, которую можно выявить глубоким травлением. Поры служат резервуаром для смазочного материала и способствуют более быстрому восстановлению разрушившейся граничной пленки. Пористость в той или иной мере свойственна всем литым металлам, в том числе и литым антифрикционным сплавам. Некоторые из них имеют относительно значительную пористость, как, например, свинцовая бронза БрСЗО, у которой пористость составляет 2-7% объема отливки. Металлизационное покрытие, полученное напылением, имеет пористость до 10% объема. Анодирование и фосфатирование создают поверхностную пористость. Однако пористыми именуют материалы, у которых микро- или макропористость образуются в результате регулируемого процесса. Пористость таких материалов может достигать 60%. Поры бывают: а) закрытые и редко расположенные; б) рассеянные по всему объему или только по поверхности, изолированные и сообщающиеся между собой; в) канальчатые - продолговатые, соединенные каналами; г) регулярно расположенные, строго геометрической формы. Для общности к порам мы относим и углубления, наносимые накаткой на поверхности трения. Пористость материала образуется при получении его методом порошковой металлургии, электролитическим способом, обычным металлургическим процессом, а также при механической обработке. По первому способу путем прессования порошка или смеси порошков и последующего спекания изготовляют металлокерамичес- кие изделия - антифрикционные пористые детали, подшипники и втулки железографитовые, медно-свинцовые, медно-свинцово-графито- вые, медно-цинковые и т.п. Другой вариант этого способа - холодная прокатка на металлическом подслое порошков с последующим спеканием или горячая прокатка. Антифрикционные металлокерами- ческие материалы часто не уступают обычным литым антифрикционным сплавам того же состава по сопротивлению сжатию и плас-
92 ПОРИСТОСТЬ МАТЕРИАЛА В ОБЪЕМЕ И В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ тичности при этом виде деформирования, но имеют меньшую прочность и проявляют большую хрупкость при растяжении. Металлоке- рамические пористые материалы могут подвергаться диффузионному хромированию и азотированию. Из-за своей пористости они поглощают азот в десятки раз более, чем компактные материалы, благодаря чему происходит сквозное азотирование. Диффузионное хромирование и азотирование повышают предел прочности и относительное удлинение материала, его ударную вязкость и износостойкость. В отношении износостойкости несравненно более эффективно азотирование. Железокерамические материалы для повышения их антифрикционных свойств можно сульфидировать путем добавки серы или пирита в шихту. Пористая металлокерамика, пропитанная маслом, является самосмазывающимся материалом с саморегулировкой подачи масла. Мономолекулярный слой на рабочей поверхности материала легко образуется благодаря высокой подвижности поверхностно-активных веществ, содержащихся в масле. Более толстая граничная пленка образуется вследствие поступления масла из пор. Основные причины выделения масла из пор - это большее тепловое расширение металла по сравнению с расширением масла и тепловое расширение замкнутых в порах газов. Повышение температуры подшипника автоматически вызывает добавочное поступление масла на его наружную поверхность; при охлаждении излишек масла впитывается в подшипник. В случае дополнительной подачи смазочного масла может образоваться при надлежащей окружной скорости шипа в зависимости от удельной нагрузки гидродинамическое давление. Однако процесс трения при жидкостной смазке в подшипнике из объемно-пористого материала отличается от процесса во вкладыше из монолитного материала: в области высокого давления смазочного слоя масло частично вдавливается в стенки, что приводит к его истечению в область низкого давления. При малых окружных скоростях и больших нагрузках переход от трения при жидкостной смазке к трению при полужидкостной смазке совершается медленнее, чем у подшипника из монолитного материала ( 3. Лавровский). Насыщать подшипник маслом надо при его изготовлении. Это предохраняет материал от окисления, что особенно важно для металлокерамики на железной основе. Масло лучше проникает в поры, если насыщение производить при возможно высокой температуре с последующим охлаждением в той же ванне до температуры окружающей среды. При нормальной температуре хорошие результаты дает вдавливание масла в стенки, а по некоторым данным, еще лучшие - насыщение в вакууме. В зависимости от условий эксплуатации ме- таллокерамических подшипников для их пропитки применяют также пластичные смазочные материалы. Для подшипников, предназначенных для работы в легких условиях, без подачи дополнительной смазки, рекомендуется пропитка маслографитовой эмульсией.
Пористость материала в объеме и в поверхностном слое 93 Помимо истощения запасов масла в порах, расположенных в нагруженной области самосмазывающегося подшипника, эффективная его работа может нарушиться по причине закрытия большого числа пор на рабочей поверхности в результате: а) засорения их продуктами износа или загрязнениями; б) оплавления мягкой составляющей псевдосплава или его пластического деформирования от действия высоких нагрузок и температур. Это должно быть учтено при назначении режима приработки и при оценке пригодности подшипника для данных условий работы (Л.Ю. Пружанский). Обработка резанием тоже приводит к закрытию пор. Антифрикционные литые пористые сплавы обладают теми же преимуществами, что и пористая металлокерамика: меньшим моментом трения при пуске, большей износостойкостью по сравнению с аналогичными компактными материалами при частых пусках и остановках, лучшим теплообменом между смазочным материалом и металлом. Одно из преимуществ таких сплавов перед металлокера- мическими - это более высокие физико-механические качества, позволяющие применять их в тяжелых условиях работы. Литые пористые сплавы получают обычным металлургическим процессом с обработкой металла в ковше поташом, дозировкой которого регулируется пористость. В отличие от методов порошковой металлургии здесь не требуется прессования и калибровки или прокатки, что делает доступным применение литых пористых сплавов в индивидуальном и мелкосерийном производстве — в этом другое их преимущество. Из пористых литых антифрикционных сплавов известны алюминиевый сплав - алькусин, в который элементами входят А1, Си, 81 и РЪ, и антифрикционный пористый чугун. Припой состава 30% А1 и 70% 2п обеспечивает прочную связь с предварительно омедненным или чугунным основанием. Опыт применения пористого алькусина, четырех его составов, во вкладышах коренных и шатунных подшипников двигателей грузовых автомобилей, в верхних головках шатунов компрессоров, в подшипниках грязевых насосов, во втулках нижних катков гусеничного хода тракторов, в моторно-осевых подшипниках электровозов и в других объектах показал, что по устойчивости работы и износостойкости пар трения алькусин может во многих случаях заменить баббиты Б-83 и Б-16, оловянные и безоловянные бронзы. Эксперименты убеждают в возможности использования пористого алькусина при удельных давлениях до 40 МПа в случае прерывистой работы и малых скоростей, что встречается, например, в гидротехническом оборудовании плотин и шлюзов. Добавки титана к алькусину даже в небольших количествах (до 0,1%) значительно повышают его механические свойства. Антифрикционный пористый чугун (АПЧ) перлитной и ферри- то-перлитной структуры, используемый в виде монометаллического вкладыша или втулки, предназначен для замены оловянных и других бронз как при спокойных, так и при ударных нагрузках. Его можно применять при изготовлении червячных колес тихоходных передач.
94 ПОРИСТОСТЬ МАТЕРИАЛА В ОБЪЕМЕ И В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ Электролитическим способом наносят хромовое покрытие, которое выполняют с точечной, канальной или ситовой (пятнистой) пористостью, для придания ему хорошей маслоудерживающей способности. Материал с макропористостью, образованной механическим путем, применяют в узлах, совершенно различных по конструкции и по условиям службы. Для лучшего обеспечения смазкой цилиндропоршневой группы легких двигателей внутреннего сгорания без усложняющей конструкцию двигателя подачи масла в цилиндры под давлением на внутренней поверхности цилиндров выполнялись углубления (механическим путем). Такая поверхность применялась в цилиндрах некоторых авиационных двигателей (см. работы Г.С. Самойловича и А.А. Полякова). За границей получили распространение хромированные по накатанной поверхности алюминиевые цилиндры бензиновых двигателей воздушного и водяного охлаждения и дизелей с диаметром цилиндров до 125 мм. На рис.3.1 показана поверхность накатанного хромированного цилиндра (х 4). Повышение антифрикционных свойств поверхности после накатывания объясняется следующими причинами: а) поверхность трения удерживает значительно больше смазочного материала; при этом он более равномерно распределяется по поверхности; б) углубления, заполненные смазочным материалом, предотвращают образование горячих зон в отдельных пятнах контакта, устраняя возможность заедания или локализуя его; в) наличие углублений облегчает удаление продуктов износа с поверхностей трения. Свойства накатанной поверхности зависят при заданной форме углублений от их глубины и шага накатки. Для каждого случая накатывания поверхности конкретного типа детали необходимо предварительно определить оптимальные параметры (глубину и шаг) накат- Рис. 3.1. Поверхность накатанного цилиндра авиационного поршневого двигателя
Пористость материала в объеме и в поверхностном слое 95 Рис. 3.2. Накатной ролик ки. Для хромированной поверхности зеркала цилиндра авиационного поршневого двигателя в качестве оптимальных установлены следующие параметры: шаг накатки 2 мм, размер углублений в плане 0,6x0,6 мм (форма углублений - в виде пирамиды с углом при вершине 90°). При такой накатке износ цилиндра и поршневых колец оказывается минимальным, а расход смазочного материала не повышается по сравнению с его расходом при ненакатанном цилиндре. Процесс накатывания несложен. На трущуюся поверхность специальной накаткой (рис.3.2) наносят углубления. Выступы, образовавшиеся около углублений, сошлифовывают. Затем производят более тонкую обработку поверхностей. Зеркало цилиндров после накатки хонингуют и хромируют. В углубления осаждается более тонкий слой хрома, чем на ровной поверхности, при этом острые края углублений скругляются. Встречается также накатывание углублений посредством шариков. Накатывание шариком поверхностей поршней из алюминиевого сплава, работающих в паре с поверхностью стального цилиндра, было применено в связи с имевшими место задирами на поршнях. Графитирование, хотя и уменьшило количество задиров, не исключило их. Накатывание поверхности трения повысило надежность глубинных насосов. Входя в состав станков-качалок, эти насосы служат на нефтяных промыслах для поднятия нефти и воды на поверхность. В насосе хромированный стальной плунжер работает по чугунным втулкам, смазываемым прокачиваемой нефтью и пластовой водой. В зазор между втулкой и плунжером насоса попадает песок, поступающий вместе с жидкостью, продукты износа штанг и труб, окалина с поверхности последних и другие посторонние частицы. Наличие их в зазоре вызывает абразивное изнашивание деталей. Отделение с поверхности втулки крупной стружки и налипание ее с вдавливанием в плунжер приводит в дальнейшем к заеданию. Другой причиной зае-
96 ПОРИСТОСТЬ МАТЕРИАЛА В ОБЪЕМЕ И В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ дания явилось одностороннее скопление твердых частиц в зазоре и связанное с этим повышение давления с диаметрально противоположной стороны. Это ухудшало на отдельных участках режим трения и способствовало при большом пути трения схватыванию поверхностей, переходившему затем в заедание. В практике эксплуатации нефтяных скважин заклинивание насосов вследствие заедания плунжеров происходило довольно часто как в первые часы работы насоса, так и через несколько сотен часов. Изыскания в лабораторных условиях, выполненные АзНИИ по добыче нефти, показали, что пара трения чугун - хром обладает при хромированной поверхности наилучшей износо- и противозадирной стойкостью, если эта поверхность испещрена углублениями. Наличие их улучшает смазывание и охлаждение поверхностей трения, прерывает путь трения и уменьшает возможность схватывания. Сравнительные натурные испытания насосов с гладкими плунжерами и модернизированных насосов с плунжерами, имеющими накатанную поверхность, на которой углубления были расположены в шахматном порядке, показали увеличение срока службы модернизированных насосов в разных условиях эксплуатации до 45%, в том числе на скважинах с большим засорением песком. Кроме того, при достаточной частоте расположения углублений увеличивается гидравлическое сопротивление в зазоре, вследствие чего существенно уменьшаются утечки нефти. Особый вид поверхностей трения представляют собой прерывистые поверхности, с перемежающимися плато и впадинами. Работа таких поверхностей выявила значительное уменьшение сил трения и скорости изнашивания при высоких скоростях скольжения и нагрузках. При умеренных условиях работоспособность прерывистых поверхностей зависит от шероховатости поверхностей плато. Шаброванные поверхности по своему характеру являются прерывистыми. Помимо лучших условий смазки и предупреждения образования горячих зон, преимущества прерывистой поверхности трения по сравнению с непрерывной состоят в следующем: а) имеются большие возможности локализации зародившегося задира в пределах одного плато без захвата поверхности большой протяженности; б) частица абразива, оказавшаяся на поверхности трения, или частица износа, дойдя до углубления, попадает в него, и повреждение поверхности ограничивается одним плато или площадкой, не затрагивая более широкой области. Подтверждением изложенного может служить способ упрочнения станин металлорежущих станков, в результате которого образуется прерывистая рабочая поверхность повышенной твердости. Чтобы не простругивать при ремонте изношенную станину и не удалять при этом более прочный поверхностный слой, рекомендуется наносить твердый сплав на направляющие электроискровым способом, примерно 50-60 точек на 1см2 поверхности, с последующим зашлифо- выванием чугунным притиром или шлифовальными брусками.
Пористость материала в объеме и в поверхностном слое 97 Поверхностная пористость для обеспечения лучшей приработки стальных и чугунных деталей может быть создана путем травления поверхности 10-25%-ным раствором НМОэ. Рекомендуется после травления пропитать детали в горячем масле в течение 15-20 мин. Можно производить травление как одной, так и обеих сопрягающихся деталей. Травлению подвергают рабочие поверхности цилиндров, в том числе цилиндров крупногабаритных двигателей, поршневые кольца, плунжерные пары. Работы по изучению способов накатывания поверхности и свойств накатанных поверхностей, а также по их применению в машиностроении были проведены Д. Г. Громаковским. Он пришел к выводу, что выбор рельефа контактирующей поверхности должен определяться режимом трения сопрягаемых деталей. Так, для плоских прямолинейных чугунных направляющих скольжения металлорежущих станков, в контакте которых необходимо поддерживать режим трения с граничной смазкой, эффективна поверхность, состоящая из выступов, окруженных непрерывной сеткой каналов, например поверхность гексагональной структуры (рис. 3.3 а). Накапливающийся в таких каналах смазочный материал предотвращает разрывы смазывающего слоя, а при неравномерном движении суппорта каналы обеспечивают дренажирование избыточного гидродинамического давления, возникающего в зазоре, что стабилизирует силы трения и скорость при медленных перемещениях суппорта. Для стабилизации сил трения при жидкостной смазке в подшипнике скольжения дренажирующее действие системы впадин недопустимо, в связи с чем впадины не должны сообщаться между собой (рис.3.3 б). Проведенные Д.Г. Громаковским эксперименты показали, что для направляющих объем впадин на квадрате со стороной 25 мм должен Рис. 3.3. Разновидности рельефа накатанных поверхностей (по Громаковскому Д.Г.): а - с непрерывной системой каналов гексагональной формы; б - с системой дискретных впадин (вверху - схемы образования рельефа накатным роликом) 7 __ 1П10
98 ПОРИСТОСТЬ МАТЕРИАЛА В ОБЪЕМЕ И В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ составлять около 1 мм3, а для подшипников жидкостного трения - до 4 мм3. Помимо большего удержания смазочного материала поверхностью после накатывания ее наклепанность увеличивает ее износостойкость и создает остаточные напряжения сжатия. Было установлено, что нагрузочная способность поверхностей деталей из чугуна, бронзы, титана и стали возрастает на 30-80 % в результате деформационного формоизменения. Оптимальный эффект формоизменения поверхности по схеме на рис. 3.3 а достигается при з = 1,7...2 мм; ф = 55...60°; з/г < 0,1 (г - радиус ролика); к = 0,2...0,4 мм и по схеме на рис.З.Зб-при з=1,5...2мми к = 0,1...0,3 мм. Накатывание поверхностей производилось на чугунных направляющих тяжелого расточного станка мод. КУ-160. После накатывания по схеме на рис. 3.3 а полностью прекратились схватывания поверхностей, а интенсивность их изнашивания, как установлено наблюдениями в течение двух лет, снизилась в 10 раз. Оптимальными по износостойкости оказались площадки протяженностью 4 мм и каналы при равных ширине и глубине 0,3-0,4 мм. Аналогичные результаты были получены и для направляющих координатно-расточных станков мод. 2455 из модифицированного чугуна СЧ 21. Накатывание трущихся поверхностей было применено для повышения нагрузочной способности, износостойкости и предотвращения схватывания бронзовых деталей тяжелонагруженных шарниров шасси самолетов. Ресурс шарниров втулок шасси после накатывания повысился в 4 раза. В серийном производстве освоен выпуск более 15 наименований деталей шарниров с накатанной поверхностью. В станкостроении целесообразно проводить накатывание поверхностей ползунов, саней или кареток, что повышает износостойкость узлов направляющих скольжения как без термообработки, так и при закалке. В неподвижных соединениях деталей из титановых сплавов, подверженных фреттинг-коррозии, накатывание целесообразно совмещать с нанесением металлических или твердосмазочных покрытий, с финишной антифрикционной обработкой (Д.Г.Громаковский).
Глава Ч. ЖЕСТКОСТЬ УЗЛОВ, ПОДАТЛИВОСТЬ И СПЕЦИАЛЬНАЯ КОНФИГУРАЦИЯ ДЕТАЛЕЙ КАК ФАКТОРЫ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПАР ТРЕНИЯ Увеличение податливости одной из деталей сопряженного узла или, наоборот, повышение жесткости детали либо узла в целом может благоприятно влиять на его долговечность. В других случаях положительное воздействие может оказать коррекция формы рабочих поверхностей деталей. 1. Податливость детали Податливость детали, общая или местная, позволяет ее рабочей поверхности следовать за деформацией сопряженной детали и приспосабливаться к неточностям ее геометрической формы. Самоустанавливающийся опорный подшипник является простейшим примером конструкции, имеющей деталь свободной податливости в виде вкладыша, обладающего угловой подвижностью. Полнее роль податливости проявляется в резинометаллических вкладышах и гуммированных деталях, во вкладышах из пластмасс и мягких покрытиях рабочих поверхностей. Вулканизированная резина в сухом состоянии в любой паре трения имеет коэффициент трения выше, чем у других материалов, и в то же время в паре со сталью, бронзой и латунью при смазке такой маловязкой жидкостью, как вода, обладает высокими антифрикционными свойствами. Это объясняется тем, что гибкая и легко деформирующаяся резина легко приспосабливается к неровностям поверхности вала без нарушения в зоне нагружения непрерывности смазочного слоя, толщина которого благодаря этому может быть меньшей для сохранения режима трения при жидкостной смазке, чем при металлической поверхности вкладыша. Высокая деформативность резины обусловливает более равномерное распределение давления по длине вкладыша. Абразивные частицы, содержащиеся в воде, вминаются в мягкую поверхность резины, перекатываются по ней, не производя режущего действия, и выносятся с водой в смазочную канавку. При наличии песка, ила и грязи в смазывающей и охлаждающей подшипник воде вкладыш изготовляют с большим количеством канавок и подбирают резину с высокой износостойкостью. Резино-ме- таллические вкладыши устанавливают в дейдвудных устройствах морских и речных судов, в центробежных Песковых насосах, артезианских насосах, гидравлических турбинах, турбобурах и т.п. Условия работы подшипника турбобура весьма тяжелые, частота вращения доходит до 1000 об/мин, детали вращаются в глинистом растворе. Резиновые опорные подшипники оказались в этих услови- 7*
100 ЖЕСТКОСТЬ УЗЛОВ, ПОДАТЛИВОСТЬ И СПЕЦИАЛЬНАЯ КОНФИГУРАЦИЯ ДЕТАЛЕЙ ях вполне работоспособными, в то время как подшипники качения и металлические вкладыши выходили из строя после 2-3 ч работы. Упорный подшипник турбобура тоже имеет резиновый элемент в виде неподвижной шайбы с радиальными канавками для прохода глинистого раствора, играющего здесь роль смазочного материала. По этой шайбе работает вращающийся закаленный диск. Долговечность работы флотационных машин определяется износостойкостью их основных деталей - импеллера и статора. Эти детали, изготовленные из отбеленных чугунов и марганцевой стали, имели срок службы всего 2-3 месяца из-за усиленного абразивного изнашивания. Для повышения износостойкости деталей они были выполнены с податливой рабочей поверхностью, которую не резали абразивные частицы. Это было достигнуто гуммированием. Срок службы деталей повысился до одного года. Гуммирование шаровых клапанов плунжерных насосов, желобов, промывных корыт и других деталей флотационных машин в несколько раз повысило их долговечность. В некоторой мере аналогично резине ведут себя мягкие покрытия вкладышей, податливость которых обусловлена малым сопротивлением пластичной деформации. У пластмасс, подобно резине, в соответствии с величинами их модулей упругости, а у термопластичных пластмасс еще и вследствие их размягчения, нагрузка по длине вкладыша распределяется равномернее, чем у металлов. Рассмотрим некоторые примеры повышения податливости деталей при помощи конструктивной модификации с целью увеличения их износостойкости. Пример 1. При работе двигателя внутреннего сгорания вследствие неравномерной тепловой деформации цилиндров могут возникнуть значительные местные нагрузки на юбку поршня. Чтобы исключить возможность заклинивания поршня, его юбку выполняют с прорезями Т- или П-образной формы. Пример 2. На рис. 4.1 приведена конструкция выпускного клапана авиационного двигателя. Седло и клапан работают при высоких температурах и испытывают значительные ударные нагрузки. В первых конструкциях двигателя сёдла выпускных клапанов имели жесткую посадку, при работе двигателя они искривлялись в связи с неравномерной деформацией головки цилиндра, и соосность седла с клапаном таким образом нарушалась. Между фасками клапана и седла в отдельных местах появлялись просветы, через которые при закрытом клапане прорывались газы; это вызывало местный перегрев и прогар фасок. Таким образом, работоспособность седла и клапана в большой мере зависит от плотности их взаимного прилегания. При новой конструкции, показанной на рисунке, подвесное седло выполняется удлиненным и крепится к цилиндру только за счет развальцовки тонкого верхнего пояска. Такая конструкция обладает малой жесткостью, благодаря чему седло может "приспосабливаться" к клапану, обеспечивая лучший взаимный контакт.
Податливость детали 101 Пример 3. В подшипнике качения приложенная нагрузка распределяется неравномерно: около 50% нагрузки приходится на тело качения, расположенное в данный момент на линии ее действия. При циркуляционной нагрузке на внутреннее кольцо и постоянной нагрузке на наружное корпус подшипника растачивают по калибру С (в буксах подвижного состава железных дорог - по калибру П), так что приблизительно 50% нагрузки передается через тело качения, расположенное на линии ее действия. Лишь после значительной его упругой деформации вступают в работу другие тела качения и увеличивается контакт между наружным кольцом и корпусом. Рис. 4.1. Выпускной клапан авиадвигателя: 7 - металлический натрий; 2 - клапан; 3 - седло клапана; 4 - стопорное кольцо; 5 - стеллитовая наплавка Рис. 4.2. Буксы и эпюры нагрузок на ролики: а - податливый корпус; б - жесткий корпус Долговечность подшипника с линейным контактом тел качения и колец обратно пропорциональна нагрузке на более нагруженное тело в степени 3,3- Если снизить эту нагрузку хотя бы на 10%, то это повысит долговечность подшипника на 36%. Одним из решений вопроса является выполнение корпуса с повышенной податливостью в зоне нагружения подшипника. На рис. 4.2 изображены буксы подвижного состава железных дорог и соответствующие эпюры давлений на ролики. Деформация податливого корпуса при соответствующей передаче нагрузки и деформация наружного кольца способствуют более равномерному распределению нагрузки по телам качения в зоне нагружения. Другое решение приводится ниже.
102 ЖЕСТКОСТЬ УЗЛОВ, ПОДАТЛИВОСТЬ И СПЕЦИАЛЬНАЯ КОНФИГУРАЦИЯ ДЕТАЛЕЙ 2. Жесткость детали Детали и узлы технологических машин должны обладать такой жесткостью, чтобы неточность размеров и формы изготовляемого изделия, связанная с относительными перемещениями инструмента и деталей машины под действием рабочих усилий, не выходили за пределы допуска. Определенным требованиям жесткости необходимо удовлетворять, исходя из упругой устойчивости деталей, вибростойкости узлов и некоторых других, специфических условий, как, например, в электрических машинах. Задача повышения износостойкости деталей предъявляет свои требования, относящиеся не только к общей, но и к местной жесткости конструкции. Нагрузочная способность цилиндрических и конических зубчатых колес тем выше, чем равномернее распределена нагрузка по длине зуба. Причинами неравномерности, помимо неточностей изготовления деталей передачи и сборки их, являются изгиб и кручение валов, кручение зубчатых колес, деформация опор и корпусов. Наиболее существенно влияние изгиба валов. На рис. 4.3 а, б приведена схема перекоса зубьев шестерни и колеса, возникающего вследствие упругой податливости деталей передачи под нагрузкой. Если бы зубья были абсолютно жесткими, то перекос повлек бы за собой точечное касание зубьев у одного из торцов (рис. 4.3 в\ На самом же деле зубья податливы, и если перекос невелик, то он полностью скомпенсирует- ся деформацией зубьев. Суммарная деформация (рис. 4.3 г) зубьев будет неодинакова по длине, и произойдет концентрация нагрузки по ширине зубчатого колеса (рис. 4.3 д). Увеличение жесткости валов, опор и корпусов является фактором благоприятным. Консольное расположение шестерен, встречающееся часто в конической и гипоидной передачах, приводит к большим перекосам, чем при неконсольном расположении. Помимо изгиба вала, влияет деформация опор и люфты в подшипниках (рис. 4.4 а). Отношение 1/с Ф г) §) Рис. 4.3. Схема перекоса зубчатых колес и образования концентрации нагрузки ^ по ширине
Жесткость детали 103 *; Рис. 4.4. Консольное а) и неконсольное б) расположение конического колеса: Д;, Д2 - перемещение вала соответственно на опорах / и 2 следует брать не менее 2,5, чтобы уменьшить влияние деформации подшипников и люфтов в них на угол перекоса оси вала. Для повышения жесткости создают предварительный натяг в подшипниках. Обширные опыты с гипоидными передачами, применяемыми в качестве главной передачи в автомобилях, показали, что при переходе от консольной схемы к неконсольной с добавлением подшипника со стороны малого основания конуса шестерни (рис. 4.4 б) нагрузочная способность передачи возрастает в среднем на 30%. Подшипники 2 и 5 по обе стороны шестерни (рис. 4.4 б) желательно иметь с цилиндрическими роликами: они менее податливы, чем шариковые, и позволяют уменьшить люфт. Однако не только увеличением жесткости элементов передачи можно добиться большей равномерности давления вдоль зубьев. Деформация зубьев под нагрузкой способствует-зыравниванию давления, поэтому большая податливость зуба является положительным качеством. Повысить податливость зуба можно, увеличив его высоту. При данном диаметре шестерни это достигается увеличением модуля. Если же такая мера нежелательна ввиду уменьшения коэффициента перекрытия, то можно увеличить высоту зуба сверх стандартной. Известно применение зубьев высотой 3,042 модуля. Зацепление повышенной жесткости приведено на рис. 4.5 (японские патенты № 56 - 24136 и № 52 - 32602). На рисунке обозначено: 1 - колесо, 2 - шестерня, 3 - зуб колеса с пазом 4, 5 - зуб шестерни с перемычкой жесткости б. Данная конструкция имеет свою геометрию зацепления. Всякая концентрация нагрузки, будь то неравномерное распределение погонной нагрузки по длине зуба колеса или неравномерная раздача усилий по виткам нарезки гайки, нежелательна, поскольку это, с одной стороны, ограничивает долговечность или нагрузочную способность пары, а с другой, может снизить надежность. Вопрос о действии концентрации нагрузки нуждается в более подробном освещении.
104 ЖЕСТКОСТЬ УЗЛОВ, ПОДАТЛИВОСТЬ И СПЕЦИАЛЬНАЯ КОНФИГУРАЦИЯ ДЕТАЛЕЙ Рис. 4.5. Зубчатое зацепление повышенной жесткости Следует различать неравномерность нагрузки начальную и после приработки пары трения. В случае невысокой концентрации нагрузки и большой скорости приработки к концу ее в местах концентрации износится слой такой глубины, что распределение нагрузки станет равномерным по длине. Если такое выравнивание давления имеет место, например у винтов, передающих движение, то назначение гайки относительно большой высоты будет оправдано, хотя и в противоречие существующей концепции о безрезультатном увеличении высоты гайки сверх определенной величины. Такая концепция базируется на решении задачи о раздаче усилий по виткам гайки без учета износа. При малой скорости приработки и значительной концентрации нагрузки в зубчатых колесах может наступить усталостное выкрашивание на участках концентрации нагрузки до окончания приработки. У зубчатых колес, работающих с переменными по величине нагрузками, можно ожидать только частичную приработку зубьев, а следовательно, и частичное выравнивание нагрузки по ширине колес. Если во время работы образуется между рабочими поверхностями зубьев масляный слой, воспринимающий полностью нагрузку, то приработочного износа не будет, а эффект концентрации нагрузки может проявиться лишь в периоды пуска и остановки. Недостаточная жесткость фундамента под агрегат также может быть причиной преждевременного повреждения пар трения. На ряде дизель-генераторов с мощностью рядного двигателя 300 кВт при 560 об/мин отмечался массовый выход из строя рамовых и, в меньшей мере, мотылевых подшипников. Например, на одном агрегате за 18 780 ч работы пришлось сменить 37 рамовых и 5 мотылевых подшипников. Причина оказалась в следующем: рама дизель-генератора была установлена на резиновых амортизаторах; она подвергалась изгибу от малой статической нагрузки и значительному переменному изгибу от инерционных сил по цилиндрам. Жесткость фундаментной рамы была недостаточной. Усиление ее устранило преждевременное разрушение подшипников. 3, Конфигурация детали Положение о том, что изменением обычной конфигурации рабочих поверхностей деталей удается в ряде случаев улучшить работу пар трения, проиллюстрируем на ряде примеров.
Конфигурация детали 105 Пример 1. Из деталей, применяемых в уплотнительных устройствах, наиболее массовыми являются манжеты и кольца из эластичных материалов, в основном из резины. Рабочие кромки манжет при вращении валов испытывают большие нагрузки и при высоких скоростях вращения валов нагреваются и выходят из строя. На величину контактного давления влияют предварительный натяг поверхности уплотнения, овальность и эксцентричность контактирующих поверхностей, давление рабочей среды, амплитуда и частота вибраций и ряд других факторов. Для улучшения работы манжетного уплотнения - его контактной поверхности, важно обеспечить надежный отвод тепла. С этой целью И.Я. Альшиц и А.И. Голубев предложили резиновые манжетные уплотнения выполнять с волнообразными кромками (рис. 4.6). В этом случае площадь трения увеличивается примерно на 2%, площадь теплоотдачи вращающегося вала — примерно на 200% (на рис. 4.6 а, показаны линия 1 контакта в статике, а на рис, 4.6 б- зона "в" отвода тепла в динамике). Для снижения температуры в уплотнениях авторы не рекомендуют устанавливать манжеты на полый вал и с большим натягом. Увеличить теплоотдачу можно также, используя детали с высокой теплопроводностью, усилив интенсивность охлаждения зоны трения принудительным потоком жидкости вблизи зоны. Пример 2. Для предупреждения концентрации нагрузки у концов прямых зубьев цилиндрических и конических колес зубьям придают (путем дополнительной обработки их боковой поверхности на специальных станках) бочкообразную форму, при которой толщина зуба уменьшается от середины шестерни к торцам. Наибольшая разница толщин составляет 0,02-0,04 мм. Бочкообразная форма зуба не только способствует увеличению долговечности передачи, но и уменьшает также шум во время ее работы. А.В. Орлов для консольно расположенных колес предложил технологически простой способ повышения степени равномерности давления вдоль зуба, не требующий специального оборудования. В случае одной сцепляющейся пары колес Рис. 4.6. Резиновые уплотнения с волнообразными кромками
106 ЖЕСТКОСТЬ УЗЛОВ, ПОДАТЛИВОСТЬ И СПЕЦИАЛЬНАЯ КОНФИГУРАЦИЯ ДЕТАЛЕЙ подсчитывается угол их взаимного перекоса при передаче наибольшего окружного усилия, и профили зубьев одного из колес сошлифо- вывают под этим углом, что достигается поворотом ползуна зубо- шлифовального станка на соответствующий угол. Если передача реверсивная, то зубья одного из колес скашивают с обеих сторон. Пример 3. Фланкирование зубьев заключается в отклонении профиля зуба у вершины его "в тело" от эвольвенты и имеет целью уменьшить силу ударов при входе и выходе зубьев из зацепления, обусловленных погрешностями основного шага и деформациями зубьев. Фланкирование при достаточном коэффициенте перекрытия увеличивает также сопротивление заеданию. Пример 4. Головки клапанов двигателей внутреннего сгорания сопрягаются с седлами по коническим фаскам с углом 30 или 45°. Фаске в 30° соответствует большее проходное сечение, но при закрытом клапане давление его на седло меньше по сравнению с давлением на седло с углом в 45°, и поэтому надежность уплотнения клапана ниже. Если поверхность фаски клапана имеет высокую твердость, то для ускорения приработки фаску седла выполняют с несколько большим углом наклона, чем у клапана. Начальное касание поверхностей происходит при этом по окружности, что и служит фактором, ускоряющим приработку. В связи с малой поверхностью касания клапан в работе также плотнее прилегает к седлу. При дальнейших работах в этом направлении было найдено другое решение, по которому фаску клапана выполняют с дифференциальным углом наклона (рис. 4.7). Очертание фаски таково. Нижняя поверхность ее на высоте до 1,5 мм имеет угол наклона 45°, совпадающий с углом наклона седла (рис. 4.7 а). Верхняя часть фаски имеет угол наклона 43°-43° 15' и при посадке клапана в седло с последним не соприкасается. По мере отработки ресурса двигателя площадь прилегания фаски клапана к седлу увеличивается за счет износа седла и, главным образом, за счет вытяжки головки и стержня клапана под нагрузкой. К исходу межремонтного ресурса двигателя клапан обычно прилегает к седлу всей поверхностью фаски (рис. 4.7 б). Затем нижняя кромка фаски клапана начинает "отставать" от седла, между ними образуется щель, и фаска, подвергаясь более интенсивному воздействию горячих газов, сравнительно быстро разрушается в связи с перегревом и прогаром из-за ухудшения теплоотдачи в седло. Таким образом, дифференциальная фаска клапана не только ускоряет его приработку и обеспечивает герметичность посадки, но, кроме того, исключает возможность образования щели между клапаном и седлом за межремонтный ресурс двигателя. Пример 5. Для повышения грузоподъемности и срока службы подшипника качения без увеличения его массы и габаритов и изменений в технологии производства в целом необходимо, как было указано ранее, снизить пик нагрузки на наиболее нагруженное тело качения. С этой целью А.М. Ковалевским было предложено отказаться
Конфигурация детали 107 Рис. 4.7. Схемы контактирования клапана 1 с седлом 2 от обычного растачивания корпуса подшипника по цилиндрической поверхности с посадочным зазором. Рекомендовано сначала вести растачивание по диаметру, меньшему наружного диаметра подшипника, а затем, сместив центр от рабочей зоны, грубо расточить нерабочую зону на глубину, необходимую для свободного монтажа. При такой конфигурации расточки подшипник устанавливается в корпусе с обжатием в зоне нагружения, протяженность которой может быть назначена в 130-150°, а при отклонениях в направлении нагрузки до 45° должна быть увеличена до 175°. Стендовые динамические испытания показали, что минимальный срок службы подшипников в корпусах с рекомендуемой расточкой повысился в 2,7 раза со снижением на 22% рассеяния долговечности и на 10% энергетических потерь. Пример 6. При изготовлении подшипников скольжения ряда быстроходных двигателей внутреннего сгорания некоторые заводы отказались от цилиндрического растачивания вкладышей, перейдя к гиперболическим вкладышам. Необходимость в таком переходе поясняется рис. 4.8 а, на котором показана головка главного шатуна авиационного двигателя и утрирована изогнутая ось шатунной шейки. Головка обладает большей жесткостью, и деформация под нагрузкой запрессованной стальной втулки, залитой свинцовой бронзой, весьма мала. Деформация шейки приводит к концентрации нагрузки в местах перехода от фасок к цилиндрической части втулки и в центральной ее части. Шейка средней твердости в таких условиях приработалась бы к заливке в соответствии с формой упругой линии, однако упрочненная термообработкой шейка усиленно (вплоть до выкрашивания) изнашивает бронзу в местах с высокими удельными нагрузками. Для повышения работоспособности подшипника требуется придать его рабочей поверхности форму поверхности вращения с образующей, которая воспроизводит упругую линию коленчатого вала или близкую к ней. С другой стороны, необходимо, чтобы растачивание было легко выполнимо. Этим требованиям удовлетворяет поверхность гиперболоида вращения (рис. 4.8 б).
108 ЖЕСТКОСТЬ УЗЛОВ, ПОДАТЛИВОСТЬ И СПЕЦИАЛЬНАЯ КОНФИГУРАЦИЯ ДЕТАЛЕЙ Рис. 4.8. Головка главного шатуна авиационного поршневого двигателя: 1 - сталь; 2 - свинцовая бронза; 3 - слой свинца В мощном быстроходном дизеле, после того, как в связи с его форсированием начали подвергать азотированию вал, участились случаи выхода из строя вкладышей коренных подшипников из-за интенсивного выкрашивания свинцовой бронзы вплоть до оголения стальной поверхности. Применение гиперболических коренных вкладышей показало их высокую надежность, позволило увеличить допуск на несоосность в 3 раза и обеспечило решение важного вопроса о взаимозаменяемости вкладышей: цилиндрические вкладыши в силу меньшего допуска на несоосность из соображений прочности коленчатого вала требовали окончательного растачивания в картере. Пример 7. Компенсировать деформацию деталей иногда возможно в процессе сборки. Так, фирма Зульцер (ФРГ) рекомендует следующий порядок пригонки головных подшипников судовых двухтактных дизелей производства фирмы. При шабрении нижних вкладышей в разъем между корпусами и шатуном кладут фольгу толщиной 0,05-0,07 мм (рис. 4.9 а), подгоняют подшипники по цапфам крейцкопфа, фольгу убирают и производят полную сборку подшипника. а) б) Рис. 4.9. Схема пригонки головных подшипников двухтактного судового двигателя: / - тело шатуна; - - фольга; 3 - нижняя половина головного подшипника; 4 - шток; 5 - крейцкопф
Конфигурация детали 109 Рис. 4.10. Регулирующий питательный клапан высокого давления: а - схема клапана; б - золотник старой конструкции; в - золотник новой конструкции Под рабочей нагрузкой цапфы, крейцкопф и вилки шатуна деформируются, а так как подшипники подогнаны с наклоном, то в работе улучшается прилегание их к цапфам (рис. 4.9 б), уменьшается концентрация нагрузки по их длине, ускоряется приработка и повышается надежность узла в целом. Два последующих примера касаются золотников и плунжеров. Пример 8. На рис. 4.10 а приведена схема регулирующего питательного клапана высокого давления, а на рис. 4.10 б — разрез его золотника. При загрязненной посторонними частицами питательной воде часто возникали заедания золотника в седлах клапана и задир поверхностей, вследствие чего золотник работал нормально не более 10 суток. Золотник был реконструирован (рис. 4.10 в): вместо двух окон, расположенных в камере диаметрально, было выполнено по предложению А.Е. Терехина восемь равномерно расположенных по окружности наклонных прорезей. Во избежание вращения золотника под действием реактивной струи прорези в другой камере имели обратное направление. Увеличение числа окон в каждой камере обеспечило самоцентрование золотника благодаря рассредоточению потоков воды по периметру, а наклонное расположение окон - более свободный вынос твердых частиц, попавших из воды на поверхность золотника. Клапан с золотником новой конструкции работает при перепаде давления 15 МПа, в то время как предел перепада на золотнике старой конструкции был только 2,5 МПа, и то при ограниченном, как уже указывалось, сроке службы. Пример 9. В плунжерной паре гидроагрегатов в связи с неизбежными отступлениями от правильной геометрической формы плунже-
НО ЖЕСТКОСТЬ УЗЛОВ, ПОДАТЛИВОСТЬ И СПЕЦИАЛЬНАЯ КОНФИГУРАЦИЯ ДЕТАЛЕЙ ра и золотника (в виде конусности, бочкообразности) при малейшей эксцентричности расположения плунжера во втулке возникают неуравновешенные радиальные (боковые) силы давления протекающей через зазор жидкости. Эти силы, величина которых тем больше, чем больше перепад давления на концах плунжера по его длине, прижимают плунжер к той или иной стороне цилиндрической втулки и перекашивают ось плунжера относительно оси втулки, что повышает силы трения и вызывает защемление плунжера. Наиболее простой способ уменьшения неуравновешенных радиальных давлений на плунжере - это выполнение на его поверхности или поверхности втулки кольцевых канавок шириной 0,3-0,5 мм и глубиной 0,5-0,8 мм. Число канавок должно соизмеряться с длиной плунжера, учитывая увеличение утечки рабочей жидкости при наличии канавок. По данным Т.М. Башты, при одной канавке на плунжере силы трения снижаются, до 40% от сил трения при гладком плунжере, а при семи канавках - до 2,5%. Пример 10. Некоторые роликовые подшипники имеют тонкостенные кольца, изготовленные из листовой низкоуглеродистой стали с помощью глубокой вытяжки с последующей цементацией и закалкой. Для них непригодна обычная технология. Пониженная точность таких колец не снижает их качества, поскольку кольца имеют увеличенную податливость и после монтажа подшипника в корпус с натягом принимают форму посадочного места, изготовленного достаточно точно. Пример 11. Штуцер (патент № 4347915, США) представляет собой масленку для подачи пластичного смазочного материала под давлением в узел трения. Устройство имеет корпус 1 (рис. 4.11) с резьбовыми частями и сквозным отверстием а для подачи смазочного материала. В пластмассовой вставке 2 корпуса установлена пружина 3 и стальной шарик <5, который находится в контакте с пластмассовой шайбой 5, запрессованной в корпус. В нормальном положении ша- Рис. 4.11. Штуцер для подачи пластичного смазочного материала с шаровым клапаном
Конфигурация детали 111 Рис. 4.12. Подшипник качения повышенной долговечности рик под действием пружины закрывает отверстие а, при подаче смазочного материала под давлением пружина 3 сжимается и шарик открывает отверстие а, через которое смазочный материал из отверстия 4 поступает к узлу трения. Внутренний диаметр шайбы 5 равен диаметру отверстия а. Для лучшего уплотнения отверстие в шайбе выполнено конусным. При небольшом давлении смазочного материала, когда шарик закрывает отверстие, шайба 5 за счет упругого контакта с шариком обеспечивает надежное уплотнение. К резьбовой части штуцера могут крепиться дозирующий клапан и другие приспособления. Пример 12. Подшипник качения (а.с. № 898150, СССР) имеет наружное 1 (рис. 4.12) и внутреннее 2 кольца и тела качения (шарики) 3. Кольца имеют выполненные по радиусу дорожки качения, причем дорожка наружного кольца, которое при работе подшипника неподвижно, имеет переменную глубину к по своей длине, максимальная глубина соответствует глубине дорожки качения стандартного подшипника. Достигается это тем, что отверстие в наружном кольце выполнено со смещением е относительно оси дорожки качения. Наружное кольцо 1 установлено так, что максимальная глубина дорожки качения 4 соответствует зоне наиболее нагруженного тела качения. При этом кольцо 1 фиксируется в подшипниковом узле от проворачивания. Положение кольца 1 соответствует направленной вертикально вниз нагрузке. При работе подшипника внутреннее кольцо 2 вращается с некоторой угловой скоростью, а шарики перекатываются по дорожкам качения (нижней части желобов) колец. Действующая на подшипник нагрузка воспринимается шариками и дорожками качения колец, при этом зоной нагружения неподвижного кольца 1 является его нижняя половина. Увеличение грузоподъемности подшипника достигается наличием у него большого угла заполнения. Это обеспечивается увеличенным смещением при сборке подшипника внутреннего кольца относительно наружного, что позволяет установить в подшипнике большее
112 ЖЕСТКОСТЬ УЗЛОВ, ПОДАТЛИВОСТЬ И СПЕЦИАЛЬНАЯ КОНФИГУРАЦИЯ ДЕТАЛЕЙ количество шариков или увеличить их диаметр. Повышение предельной быстроходности данного подшипника достигается за счет переменной глубины дорожки качения наружного кольца, что снижает силы трения шариков и обеспечивает лучшую подачу смазочного материала к ним. Технико-экономический эффект от применения описанного подшипника по сравнению с известными заключается в увеличении его динамической грузоподъемности и, как следствие, при прочих равных условиях, в повышении его долговечности. Пример 13. Конструктивным методом можно обеспечить большую податливость материала, что будет способствовать получению гидродинамического клина при меньших частотах вращения вала. Детали подшипника с податливым основанием (патент США № 4277113) показаны на рис. 4.13. Рабочий слой 1 гидродинамического подшипника скольжения, выполненный из листового гофрированного материала, контактирует с основанием подшипника 2 и его рабочей поверхностью 5. Гофрированный лист изготовляют из композиционного материала - жаропрочного сплава 4 и покрытия 5. Для основания используется сплав 1псопе1, который в отожженном состоянии штампуют для придания требуемой формы и покрывают медью. Далее производят термообработку сплава в бескислородной среде для получения требуемых свойств по прочности и твердости. При термообработке медь диффундирует в сплав, причем на поверхности содержание меди достигает 100 % и уменьшается в глубину по экспоненциальному закону. Рабочая поверхность подшипника так же изготовляется из двухслойного материала. Использование композиционного материала улучшает демпфирование и позволяет повысить несущую способность и устойчивость работы подшипника при высоких температурах и скоростях. Пример 14. Податливость некоторых элементов игольчатого подшипника, в частности его отбортовок, способствует повышению надежности всего подшипникового узла. На рис. 4.14 показан игольчатый подшипник (патент США № 4350397), предназначенный для установки в корпус из материала с низкой прочностью (например, из Рис. 4.14. Игольчатый подшипник с упругими элементами
Конфигурация детали 113 алюминия). Подшипник имеет кольцо 1 с отбортовками 2 и 5, удерживающими ролики 4 с цапфами. Толщина кольцевой отбортовки 2 меньше толщины кольца и толщины отбортовки 3. Для увеличения податливости отбортовки 3 в ее продольной части предусмотрена выточка 5, в которой толщина стенки меньше, чем в радиальной части отбортовки и в цилиндрической части кольца. В месте перехода выточки 5 к цилиндрической части кольца выполнена коническая фаска, исключающая задиры на поверхности отверстия корпуса 6 при монтаже подшипника. При этом наличие податливых отбортовок 2 и 3 кольца предупреждает деформацию корпуса. Чтобы избежать уменьшения грузоподъемности подшипника, длина дорожки качения кольца должна быть больше длины роликов. Пример 15. На рис. 4.15 приведено уплотнительное кольцо вала, выполненное из эластомера (австрийский патент № 363286). Оно состоит из корпусной части 1 прямоугольного сечения и уплотнительной губы 2 приближенно треугольного сечения, соединенных тонкой перемычкой. Корпусная часть и уплотнительная губа разделяются кольцевой щелью а, которая при радиальной нагрузке полностью или частично смыкается, а при осевой нагрузке расширяется. Щель повышает эластичность уплотнительной губы и облегчает монтаж уплотнения. В случае использования кольца в качестве радиального уплотнения облицовывается та часть уплотнительной губы, которая прилегает к кромке А, контактирующей с поверхностью В вала. При использовании кольца в качестве осевого уплотнения облицовывается осевой выступ уплотнительной губы, контактирующий с буртом С вала. Универсальное уплотнительное кольцо имеет облицовку, покрывающую всю рабочую часть уплотнительной кромки. Для изготовления уплотнительного кольца можно использовать обычные виды каучука. Для облицовки применяют пластмассы, обладающие высокой износостойкостью и хорошими антифрикционными свойствами, например ПТФЭ. Материал облицовки должен хорошо соединяться с материалом кольца. Пример 16. Установка роликоподшипника на эластичном кольце приведена на рис. 4.16 (заявка ФРГ № 2841304). Подшипник, устанавливаемый внутренним кольцом 1 на валу, имеет между наружным Рис. 4.15. Уплотнительное кольцо из эластомера
114 ЖЕСТКОСТЬ УЗЛОВ, ПОДАТЛИВОСТЬ И СПЕЦИАЛЬНАЯ КОНФИГУРАЦИЯ ДЕТАЛЕЙ Рис. 4.16. Роликоподшипник с эластичным наружным кольцом кольцом 2 и опорной гильзой 3 промежуточное эластичное кольцо 4. Ширина опорного и промежуточного колец больше ширины подшипника. Гильза изготовляется из стали, промежуточное кольцо - из эластомера, например резины. Обе детали соединяются вулканизацией или склеиванием. Наружное кольцо 2 фиксируется в осевом направлении относительно гильзы с помощью выступов А, расположенных по обе стороны подшипника. С обеих сторон наружного кольца имеется по три выступа 5, каждый из которых простирается по дуге около 60° и смещен от противолежащего также на 60°. С каждой стороны выступа по всей ширине эластичного кольца выполнены осевые канавки я, разделяющие кольцо на отдельные взаимосвязанные сегменты. При действии на подшипник значительных радиальных нагрузок канавки эластичного кольца заполняются деформируемым материалом. Подшипник компенсирует погрешность монтажа, осевое и угловое смещения вала, уменьшает колебания и механический шум. Пример 17. На рис. 4.17 приведено уплотнение для поршневых штоков, разработанное в Штутгартском университете (ФРГ). Оно состоит из внутреннего фигурного кольца 1 из модифицированного ПТФЭ и наружного резинового кольца 2 круглого сечения, служащего для прижатия внутреннего кольца к штоку 3. Материалом круглого кольца служит модифицированный ПТФЭ под названием Тигсоп, который обладает повышенной жесткостью, благодаря введению в ПТФЭ кристаллических зон и других составляющих для стабилизации формы. Это позволяет увеличить нагрузку на кольцо из Тигсоп в 10 раз без появления текучести материала. На внутренней поверхности этого кольца, прилегающей к штоку, выполнена ступенька со стороны высокого давления и фаска со стороны низкого давления, в результате чего обеспечиваются узкая рабочая кромка и благоприятное распределение давления независимо от давления среды. Учитывая наличие микрошероховатостей поверхности (рекомендуется 0,8- 2 мкм), абсолютную герметизацию обеспечивают два таких уплотне-
Конфигурация детали 115 Рис. 4.17. Уплотнение поршневых штоков ния, расположенные последовательно. В таком уплотнении не обнаружено никакой утечки после 106 ходов. Пример 18. Одной из особенностей проектирования современного прокатного металлургического оборудования является стремление к компактности опор скольжения и качения, освоение подшипников качения с малой высотой "живого" сечения й/В (рис. 4.18). Это позволяет при заданном диаметре прокатных валков повысить жесткость валковой системы и прочность шеек валка. Наилучший показатель, характеризующий жесткость валковой системы, с1ЮЬт[п = 0,62...0,72 - у станов с опорами на подшипниках жидкостного трения [2]. При использовании диаметральных особо легких подшипников качения серий 7 и 1 жесткость валковой системы значительно ниже - соответственно 0,55- 0,57 и 0,6-0,64. Компактность опор металлургического оборудования может быть обеспечена применением подшипников, кольца которых являются одновременно рабочими органами механизма: валками, роликами, зубчатыми колесами и др. [2]. На рис. 4.19 показаны специальные роликовые подшипники, наружные кольца которых являются опорными валками многовалковых листовых станов и рабочими валками станов холодной прокатки труб. Одной из мер повышения работоспособности опор качения в металлургическом оборудовании является применение подшипников с улучшенными эксплуатационными характеристиками, изготовление подшипников из стали вакуумного 8* ГЗ^ ^2222252^2 ^ЧЧ\\\\\^3 Г Л-о1 НР^Т Рис. 4.18. Схема расположения валковых опор: ^-диаметр шейки валка; 2) - наружный диаметр подшипника качения; 2)^ - минимальный диаметр бочки валка
116 ЖЕСТКОСТЬ УЗЛОВ, ПОДАТЛИВОСТЬ И СПЕЦИАЛЬНАЯ КОНФИГУРАЦИЯ ДЕТАЛЕЙ Рис. 4.19. Специальные роликовые подшипники для опорных валков многовалкового листового стана или электрошлакового переплава, имеющей повышенную контактную выносливость. Коробки передач выходят из строя, главным образом, в результате износа торцев зубьев шестерен при переключениях скоростей. Наиболее многочисленные случаи имели место на тракторах: сначала разрушался нитроцементованныи слой, а затем основной материал зубьев. Предельный износ торцов зуба по нормали ГОСНИТИ определен в 8,6 мм. Износостойкость торцов может быть увеличена повы- Рис. 4.20. Рекомендуемая форма торцев шестерен коробки передач
Конфигурация детали 117 шением твердости материала зуба. Авторы работы [2] в результате специальных исследований пришли к выводу, что торцы шестерен при их изготовлении должны иметь взаимоогибаемую бочкообразную форму - ту, которая приобретается в результате естественного изнашивания (рис.4.20). В этом случае работоспособность шестерен повышалась в несколько раз. Авторы рекомендуют следующие геометрические параметры (см. рисунок): у = 12..Л6°; /? = 2...4 м; г = 0,3... 0,4 м. Новая форма торцов зубьев может быть получена применением пальцевой фрезы соответствующего профиля, а также фрезерованием специальной червячной фрезой или с использованием электрохимического метода [1]. В ряде работ по изнашиванию деталей машин отмечается, что износ может быть снижен (особенно в процессе приработки) путем придания такой формы детали, которая происходит в процессе ее нормальной работы, т.е. детали необходимо придать форму ее естественного износа [3].
Глава 5. ПЛАВАЮЩИЕ ДЕТАЛИ В узлах трения скольжения эти детали встречаются в виде плавающих пальцев, плавающих втулок и шайб. Сочленение поршневого пальца с шатуном возможно: а) с закреплением пальца в бобышках поршня или в малой шатунной головке; б) установкой со свободой поворота как в бобышках поршня, так и в шатунной головке; палец такой конструкции называется плавающим. При работе механизма плавающий палец под воздействием сил трения со стороны шатуна поворачивается. Угловое перемещение шатуна в его качательном движении слагается из углового перемещения относительно пальца и поворота пальца в бобышках, поэтому окружная скорость пальца в каждом из этих перемещений примерно вдвое меньше, чем при закрепленном пальце. Во столько же уменьшается и тепловыделение в каждом из сопряжений пальца. Снижается скорость изнашивания пальца и вкладышей, а износ поверхности пальца распределяется равномерно. Однако наиболее важным преимуществом плавающего пальца является высокая надежность узла: палец, заевший в шатуне, может вместе с ним качаться в бобышках поршня, а палец, заевший в бобышках, не препятствует качанию шатуна. Чтобы плавающий палец не вызывал местного износа или задира зеркала цилиндра, свободу его осевого перемещения ограничивают заглушками (пробками, грибками) или упорными пружинными кольцами, вставляемыми в проточки бобышек. Если поршень выполнен из чугуна, то, как правило, предусматривают бронзовые вкладыши, запрессовываемые в бобышки. На рис. 5.1 а приведена конструкция плавающего подшипника (втулки) поршневого дышла тепловоза. Стальная неподвижная втулка 3 запрессована в головку дышла. Плавающая втулка 1 из антифрикционной бронзы с отверстиями для прохода смазочного материала устанавливается свободно как во втулке 3, так и на пальце кривошипа. Смазка трущихся поверхностей производится твердым смазочным материалом, который запрессовывается через клапаны 2 в полость, образованную в верхней части головки дышла. Вследствие нагрева деталей узла трения при работе нагревается и смазочный материал; он плавится (при 80-100°С) и через отверстие в головке и втулке 3 поступает к трущимся поверхностям. Такая головка по сравнению с другими конструкциями имеет следующие преимущества: 1) большую долговечность, так как работа сил трения распределяется между двумя парами рабочих поверхностей; 2) равномерный износ рабочих поверхностей втулки (более длительно сохраняется их цилиндрическая форма); 3) смягчение ударов в звеньях дышлового
Плавающие детали 119 Рис. 5.1. Плавающие втулки: а - поршневого тепловозного дышла; #- главного шатуна авиадвигателя; 1 - плавающая втулка; 2 - клапан для подачи (запрессовки) твердого смазочного материала; 3 - неподвижная втулка; 4 - стальная запрессованная втулка; 5 - плавающая втулка с антифрикционным сплавом на наружной и внутренней поверхностях; А - отверстия для подвода смазочного материала к наружной трущейся поверхности механизма, поскольку в подшипнике зазоры между трущимися поверхностями всегда заполнены смазочным материалом; 4) меньшие вращающиеся массы дышла; 5) более простой уход за дышловым механизмом. Подшипник с плавающей втулкой в нижней головке главного шатуна авиационного двигателя показан на рис. 5.1 б. При достоинствах этой конструкции, вытекающих из предыдущего, она не лишена недостатков, заключающихся в трудности подвода масла к обеим поверхностям втулки и в снижении грузоподъемности подшипника из-за большего числа отверстий в плавающей втулке. На рис. 5.2 а показан встречающийся в механизмах управления вертолетов Бристоль (Великобритания) плавающий подшипник, конструкция которого продиктована требованиями высокой надежно- Рис. 5.2. Тяга управления вертолета: а - с сочетанием опорного подшипника скольжения и качения; б - с плавающим подшипником скольжения; / - кольцо подшипника; 2 - плавающая втулка с хвостовиком
120 ПЛАВАЮЩИЕ ДЕТАЛИ Рис. 5.3. Конструкция с дублированием трения качения трением скольжения в опорах тяги управления самолета сти. Здесь последовательно расположены шариковый подшипник и подшипник скольжения. Подвижность обычно наблюдается в обоих подшипниках, но в случае отказа шарикового подшипника весь плавающий подшипник становится только скользящим. Другой вариант подшипника скольжения - с плавающей бронзовой втулкой (рис. 5.2 б), как и в предыдущей конструкции, имеет поворотную рукоятку для контроля легкости вращения. Конструкция с дублированием опор, работающих по принципу качения и скольжения, представлена на рис. 5.3 для тяги управления самолета. Основой механизма является трехроликовая опора. Если по тем или иным причинам ролики 2 заклинят, то будет работать втулка 1 в качестве направляющей скольжения. Подшипник с плавающей втулкой, как опора для малонагружен- ных и быстро вращающихся роторов, является в то же время антивибрационным. Валы таких роторов в обычных цилиндрических подшипниках работают при малых относительных эксцентриситетах, что вызывает опасность возникновения автоколебаний валов на масляном слое. Небольшого радиального усилия может быть достаточно для значительных смещений цапфы в масляном зазоре. Возрастание дебаланса ротора может привести к опасному контактированию поверхностей цапфы и подшипника. Изготовление и расчет специальных антивибрационных подшипников - эллиптических, многоклиновых, с различного рода выемками на рабочей поверхности и других, применяемых для повышения устойчивости движения вала, сложнее, чем обычных подшипников. Простой путь повышения виброустойчивости опоры трения при жидкостной смазке это применение подшипника с плавающей втулкой. Потери на трение в таком подшипнике, как показывают расчеты, меньше, чем в обычном подшипнике. Известны конструкции быстроходных опор из набора плавающих чередующихся бронзовых и стальных втулок или только стальных втулок, покрытых с обеих сторон баббитом. При конструировании подобных опор руководствовались следующим. Количество выделяющейся в гидродинамическом подшипнике теплоты прямо пропорционально квадрату угловой скорости вала. Плавающие втулки снижают угловую скорость, и если даже принять, что суммарное теп-
Плавающие детали 121 ловыделение будет примерно таким же, как и в обычном подшипнике, то и тогда в каждом масляном зазоре тепловыделение будет меньше, и условия работы при смазке окажутся более надежными. При подводе масла с торца подшипника, поскольку течение его в этом случае происходит по нескольким параллельным путям, увеличивается циркуляция масла, что способствует лучшему отводу тепла. Аналогично опорам скольжения из плавающих втулок имеются конструкции упорных подшипников с плавающими упорными шайбами. Такая конструкция из попеременно расположенных стальных закаленных шайб и бронзовых шайб с клиновидными скосами приведена на рис. 5.4. В планетарных передачах важной конструктивной задачей после выбора схемы является равномерное распределение нагрузки по сателлитам. Если принять, что детали недсформируемы, то при фиксированных осях колес и водила каждое центральное колесо вследствие неизбежных погрешностей (например различия толщин зубьев в пределах допуска) будет контактировать только с одним сателлитом. Деформируемость деталей несколько улучшает их контактирование. Лучший результат выравнивания нагрузки между сателлитами достигается при выполнении основных звеньев (т.е. колес без радиальных опор) плавающими. При плавающем центральном колесе наилучшее выравнивание нагрузки между сателлитами достигается при числе их, равном трем. В редукторах, имеющих плавающие центральные колеса внешнего зацепления с сателлитами, вращающий момент подводится преимущественно с помощью двойной зубчатой муфты, позволяющей центральному колесу совершать радиальное перемещение, достаточное для выравнивания нагрузки. Плавающие элементы в узлах машин предусматриваются также для компенсации тепловых деформаций. На рис. 5.5 изображен опорный узел на нерегулируемых подшипниках качения. Если подшипники закрепить жестко на валу и в корпусе, то удлинение вала при повышении температуры узла в процессе его работы вызовет уменьшение осевого зазора в подшипниках и последующее защемление тел Рис. 5.4. Масляная пята для восприятия Рис. 5.5. Опорный узел с шарикоподшипниками: осевого давления крыльчатки 1 - закрепленная опора; 2 - плавающая опора
122 ПЛАВАЮЩИЕ ДЕТАЛИ качения между кольцами, что снизит долговечность подшипников. Такая опасность устраняется применением плавающих опор. В этом случае только один подшипник жестко закрепляют на валу и в корпусе, фиксируя вал вдоль оси, другие же подшипники устанавливают в корпус, расточенный по калибру С, так что при жестком закреплении на валу они могут свободно перемещаться (плавать) в осевом направлении. При двух опорах в качестве плавающей выбирают наименее нагруженную, чтобы легче реализовать принцип плавания. В многоопорном вале следует жестко закреплять в корпусе наиболее нагруженную опору. Одной из причин прогара клапанов двигателей внутреннего сгорания является коробление клапанных седел при термических деформациях головки цилиндра. Чтобы исключить это влияние, в авиационных двигателях воздушного охлаждения применяют седла со свободной посадкой, т.е. плавающие (рис. 5.6). Теплоотвод от такого седла ухудшается, и температура его поэтому повышена, что необходимо учитывать при выборе материала. На рис. 5.7 показан плавающий подшипник чехословацкого производства (а.с. № 1853838, ЧССР). В корпусе 1 подшипника установлена плавающая втулка 2, ограниченная от осевого смещения. По каналу а масло поступает в продольную канавку б к поверхности трения. При вращении вала под действием гидростатического давления в канавке б между втулкой 2 и корпусом 1 образуется слой смазочного материала. Это снижает коэффициент трения между втулкой и корпусом, втулка начинает вращаться в направлении вращения вала. Такая схема позволяет расширить область применения радиальных подшипников такого типа. Рис. 5.6. Плавающее седло клапана авиадвигателя: 1 - пята, воспринимающая удары седла; 2 - Рис. 5.7. Плавающий подшипник два полукольца; 3 - плавающий элемент седла скольжения
Плавающие детали 123 Рис. 5.8. Плавающее уплотнение радиального подшипника с игольчатыми роликами На рис. 5.8 показана конструкция плавающего уплотнения радиального подшипника с игольчатыми роликами. Уплотнение представляет собой втулку 1 из эластомера с канавкой на наружной поверхности между двумя кольцевыми ребрами и гладкой частью за внутренним ребром. В свободном состоянии уплотнение имеет криволинейное очертание с минимальным диаметром на внутренней стороне. Уплотнение крепится в отверстии наружного кольца 2 подшипника. При этом уплотнение деформируется и приобретает форму цилиндрической втулки. Гладкая часть уплотнения за выступом удерживает от выпадения иглы 3 подшипника, устанавливаемого непосредственно на валу 4. В собранном виде между выступом кольца и всеми стенками канавки уплотнения образуются небольшие зазоры. После установки подшипника на валу между валом и внутренней поверхностью уплотнения также образуется незначительный зазор. Вследствие этого уплотнение получается плавающим, что обеспечивает его большую долговечность. Еще один пример уплотнения с плавающими деталями показан на рис. 5.9. Это - уплотнение вала главного циркуляционного насоса АЭС с водяным реактором, которое отделяет радиоактивную горячую воду первого контура от охлаждаемой нейтральной воды, подаваемой в камеру кольцевого уплотнения вала. Разделительное уплотнение выполнено в виде нескольких разрезных колец из углеграфито- вого материала, помещенных в отдельные камеры. Каждое кольцо воспринимает лишь часть общего перепада давления; утечки запира- Рис. 5.9. Разделительное уплотнение с плавающими кольцами вала главного циркуляционного насоса АЭС
124 ПЛАВАЮЩИЕ ДЕТАЛИ ющей жидкости малы [1]. Авторы отмечают, что износостойкость применяемых для этой цели углеграфитовых материалов может быть повышена улучшением структуры углеграфитов и применением более износостойких пропиток. Преимуществом уплотнений с плавающими кольцами является их простота и компактность конструкции, недостатком - плохая компенсация износа, вследствие чего допустимый износ не должен превышать десятых долей миллиметра. Основными направлениями усовершенствования таких уплотнений, как указывают авторы [1], являются: применение более износостойких антифрикционных материалов (например для газов - применение углеграфитов, пропитанных суспензией фторопласта-4) и создание условий трения, близких к трению при жидкостной смазке.
Глава Ь. ПРИНЦИП ВЗАИМНОГО ДОПОЛНЕНИЯ КАЧЕСТВА 1. Общие сведения Этот принцип отражает технико-экономическую сторону при конструировании и производстве деталей машин, инструмента и других изделий. В работах В.А. Добровольского и Л.Б. Эрлиха он фигурирует под наименованием принципа местного качества. Поясним его содержание и предпосылки зарождения. К деталям машин предъявляются требования общей и контактной прочности, жесткости или податливости, износо- и коррозиес- тойкости, вибростойкости и т.д. Выполнение этих требований в совокупности обеспечивается надлежащим выбором материала, назначением размеров, удовлетворяющих должной прочности изделия, рациональных конструктивных форм деталей и соответствующей технологии изготовления в целом. Выбор материала, который в "сыром" виде полностью отвечал бы условиям работы деталей, представляет сложную и зачастую невыполнимую задачу. Так, стальная деталь, испытывающая воздействие динамической нагрузки и подверженная изнашиванию, должна обладать высокой прочностью и твердостью, значительными пластичностью и ударной вязкостью. Во многих случаях оказывается экономически целесообразным применить для изготовления деталей конструкционную углеродистую или легированную сталь с последующей ее цементацией и закалкой. В результате такой обработки изделие становится неоднородным по своему строению, имея вязкую сердцевину и твердый износостойкий, но мало пластичный поверхностный слой. Здесь качества сердцевины и поверхностного слоя дополняют друг друга, образуя необходимую по условиям службы деталей комбинацию свойств. Конструкционная углеродистая сталь, имея отдельные высокие показатели механических свойств (прочность, пластичность, твердость и т.п.), не обладает во многих случаях удовлетворительным их сочетанием. При изыскании материалов с широким комплексом высоких механических свойств были рассмотрены легированные стали, обладающие, в зависимости от состава, рядом ценных физико-химических характеристик, таких как жаростойкость, высокая магнитная проницаемость, стойкость к коррозии в различных средах и т.д. Необходимо отметить, что высокая скорость превращения аустенита и выделения цементита из твердого раствора и сравнительно большая скорость процессов отпуска в углеродистой стали препятствуют закалке на большую глубину и получению однородной структуры при больших размерах сечения. Однако углеродистая сталь легко выплавляется, хорошо обрабатывается и имеет сравнительно невысокую стоимость. Использование такой стали перспективно. Жаростой-
126 ПРИНЦИП ВЗАИМНОГО ДОПОЛНЕНИЯ КАЧЕСТВА кость деталей из низкоуглеродистой стали может быть повышена в десятки раз алитированием, коррозиестоикость при эксплуатации в промышленной атмосфере и пресной воде - кратковременным азотированием. Для предупреждения корродирования вала в воде не обязательно изготовлять его из нержавеющей стали, можно применить бронзовую облицовку — сквозную или только на протяжении шеек, и защитное покрытие между ними, выполнив вал из углеродистой стали. Чугун, благодаря его относительно высокой механической прочности, хорошим литейным качествам и другим положительным свойствам, является ценным конструкционным материалом. Однако во многих случаях по соображениям технологичности конструкции либо исходя из особых условий работы деталей используют монолитную конструкцию из чугуна в сочетании с другими материалами. Так, в сельскохозяйственных машинах распространены колеса с литой чугунной ступицей, в которую одним концом залиты стальные спицы, расклепанные другим концом в стальном ободе. Встречаются диафрагмы паровых турбин и наддувочных устройств двигателей внутреннего сгорания из чугунных полуколец или колец с залитыми стальными штампованными или механически обработанными лопатками точного профиля. Тормозная вагонная колодка изготавливается из серого перлитного чугуна с отбеленной рабочей поверхностью или собирается из вставок из белого чугуна и залитой стальной спинки- каркаса. Последний служит для увеличения прочности и предупреждения распадения колодки в случае ее разрушения. На ряде марок автомобилей тормозные барабаны имеют обод из листовой стали, залитый изнутри чугуном, образующим рабочую поверхность. В некоторых тормозах для улучшения теплоотвода применяют биметаллические барабаны (алюминий - чугун). В приведенных примерах детали неоднородны по сечению, что обусловлено применением разнородных материалов, взаимно дополняющих по своим свойствам друг друга. Эту неоднородность мы называем макроскопической в отличие от микроскопической, присущей подавляющему большинству материалов в изделиях. Собственно говоря, и в случае термохимической обработки деталей мы сталкиваемся с макроскопической неоднородностью по сечению, несколько сглаженной в связи с наличием ясно выраженных переходных зон от сердцевины к поверхности. Принцип взаимного дополнения качества используется также при получении комбинированных (композитных) материалов из нескольких компонентов, сохраняющих свои особенности, но в совокупности образующих новые материалы, отличные по свойствам от исходных компонентов. Способы реализации целевой макроскопической неоднородности изделий следующие: 1) термохимическая обработка; 2) облицовка поверхностей; 3) применение накладок и вставок; 4) биметаллизация; 5) тонкослойные неметаллические покрытия. Термохимическая обработка деталей не требует дополнительных пояснений. Остальные способы осветим подробнее.
Облицовка поверхности 127 2. Облицовка поверхности Распространены защитные облицовки валов с подшипниками на смазке водой. Шейки судовых гребных валов облицовывают бронзовыми рубашками. Участки вала между шейками защищают от коррозии резиновой привулканизированной рубашкой, так как лакокрасочные покрытия не могут в этом случае служить надежной защитой, а бронзовая рубашка имеет высокую стоимость. Однако на ряде танкеров наблюдались повреждения резиновых покрытий гребного вала в виде разбухания и местных разрывов, что влекло за собой образование коррозионно-усталостных трещин в валах под покрытием. Причина разбухания покрытий — применение немаслостойкой резины и попадание в дейдвудную трубу воды, загрязненной нефтепродуктами. В последнее время армированное защитное покрытие выполняют на основе эпоксидных смол. После нанесения на очищенную и обезжиренную поверхность эпоксидного состава на нее накладывают стеклоткань и прокатывают валиком. Повторение процесса обеспечивает двух- или трехслойное покрытие. На поверхность покрытия наносят эпоксидный состав с введением в него 5-10% алюминиевой пудры. Имеются факторы, снижающие с течением времени защитное действие покрытия. Между гребным валом и бронзовыми облицовками с торцов их происходит проскальзывание при пуске главного двигателя и передаче крутящего момента на гребной винт. Кроме того, покрытие деформируется совместно с валом при его изгибе. Под действием переменных напряжений нарушается сцепление покрытия с валом, в первую очередь в районе стыка с облицовкой. Покрытие требует при этом ремонта. В гидротурбостроении более распространена облицовка вала из листовой нержавеющей стали. Обечайку из двух листов, сваренных встык, натягивают на вал при помощи специального приспособления, прихватывая листы для лучшего прилегания к валу электрозаклепками. Другим видом облицовки вала является его гуммирование. В качестве третьего способа можно привести футеровку канатных блоков и шкивов. Высокие напряжения в точках касания проволочек каната с ободом, возрастающие с повышением модуля упругости материала обода, совместно с проскальзыванием каната, вызываемым продольными колебаниями его на прямых участках при подъеме и опускании груза, не затухающими вблизи блоков, служат причиной изнашивания обода и наиболее сильной повреждаемости каната на стороне, обращенной к ручьям блоков. Замена стального блока чугунным повышает срок службы каната, дальнейшее уменьшение модуля упругости материала обода должно улучшать положение, что и подтвердилось на практике.
128 ПРИНЦИП ВЗАИМНОГО ДОПОЛНЕНИЯ КАЧЕСТВА Рис. 6.1. Футеровка шкива текстолитовыми клады- шами На одном из металлургических заводов шкивы скипового подъемника с чугунным ободом выходили из строя через 1- 1,5 года. Трещины и другие образовавшиеся изъяны в ободе способствовали интенсивному изнашиванию канатов. Смена шкивов требовала большой затраты времени. Футеровка шкивов текстолитовыми вкладышами 1 (рис. 6.1) удлинила срок службы каната. Хотя вкладыши служат в среднем один год, замена их производится всего за 2 ч двумя слесарями при плановых ремонтах без необходимости демонтажа шкива. Н.И. Коваленко предложил другой способ футеровки ручьев шкива в связи с возможностью отламывания буртиков у мягких чугунных блоков. Он заключается в образовании рабочей поверхности наплавкой стальных блоков чугуном (содержание 81 — 4%, С — 3,5%) или алюминием. Такая наплавка, благодаря уменьшению контактных давлений, предохраняет канат и блоки от интенсивного изнашивания. В горнорудном и металлургическом оборудовании облицовка приемных лотков, течек, бункеров плитками каменного литья или гранита вместо стальных листов повысила сопротивление изнашиванию в 4 раза и более. Валы совмещенных опор и некоторые другие детали могут иметь на своих концах резьбу для крепления деталей изделия (дисков турбин, вентиляторов и т.п.). Если вал изготовлен, например, из стали ШХ15, то выполнение резьбы затруднено и такая резьба не обладает достаточной прочностью. Поэтому при конструировании совмещенной опоры рабочие элементы конструкции, изготовляемые из специальной стали, следует выделять в отдельные детали. Например, внутренние желоба изготавливают на элементах 1 (рис. 6.2) из стали ШХ 15 (или ШХ15СГ), а вал 2 совмещенной опоры - из стали 12Х18Н9Т. Затем пару элементов (внутренние кольца) после предварительного шлифования напрессовывают на вал и их дорожки качения окончательно доводят на такой сопряженной конструкции. Это - один из примеров макроскопической неоднородности вала совмещенной опо- ры [1]. А Рис. 6.2. Конструкция вала совмещенной опоры с макроскопической неоднородностью
Применение накладок и вставок ]^ 3. Применение накладок и вставок 1. Для повышения износостойкости и предохранения от задиров направляющих металлорежущих (главным образом тяжелых и крупных) станков целесообразно вместо закалки и других способов упрочнения устанавливать на направляющие пластмассовые накладки, используя карбинольный клей БФ-2, БФ-4 или клей на основе эпоксидных смол, либо закрепление винтами при большой толщине пластин. Применение накладных направляющих крупных токарных, расточных, продольно-фрезерных, продольно-строгальных и других станков повышает работоспособность направляющих, снижает стоимость станков и сокращает их простои в ремонте. Для накладок используют текстолит, графитированный кордоволокнит, гетинакс, винипласт и др. Капрон из-за низкой теплопроводности не пригоден для накладок направляющих уже при скоростях перемещения 3 м/с. Область его применения ограничивается средней скоростью перемещения по направляющим порядка 15 м/мин и давлением 1 МПа при обильной смазке. Стиракрил обеспечивает вследствие высокой адгезии к металлу быстрое образование накладок путем заливки смешанного с жидкостью порошка на поверхность направляющих и быстрого отверждения на воздухе. Он обеспечивает большую плавность перемещения, чем капрон, при медленных перемещениях, но менее теплостоек. Недостаточное сопротивление абразивному изнашиванию пластмассовых направляющих препятствует их внедрению в станки средних размеров. На одном из предприятий при зенкеровании отверстий в корпусных деталях применяли борштанги со стальными направляющими. Переход к направляющим с текстолитовыми вставками ликвидировал явления задиров направляющих, удлинил срок работы штанг и позволил увеличить скорость резания. С хорошими показателями износостойкости эксплуатируются накладки из цинкового сплава ЦАМ10-5 на направляющих столов продольно-строгальных и фрезерных станков, на салазках стоек ко- пировально-фрезерных и расточных станков и суппортов тяжелых токарных станков. Толщина накладок 12-15 мм, ширина -до 400 мм, длина - до 1200 мм, крепление - при помощи винтов с потайной головкой, заливаемой сплавом или баббитом. Из сплава ЦАМ10-5 Урал- машзавод выполняет наделки на направляющие станин тяжелых карусельных станков. 2. На одной из моделей радиально-сверлильных станков по рукаву перемещается на четырех роликах каретка со сверлильной головкой. Для снижения скорости изнашивания направляющих чугунного хобота под роликами натянута легко сменяемая тонкая закаленная стальная лента (рис. 6.3). 9 - 2039
130 ПРИНЦИП ВЗАИМНОГО ДОПОЛНЕНИЯ КАЧЕСТВА Рис. 63. Схема каретки радиально-сверлиль- ного станка: / - клин, регулирующий зазор в осях роликов; 2 - фиксирующий винт; 3 - ролики; 4 - стальная лента; 5 - натяжной ролик Рис. 6.4. Высокооборотный керосиновый насос: 1 - стакан (азотированная сталь); 2 - ротор (сталь); 3,5- пластины (бронза); 4 - сухарь (сталь ШХ15) 3. На рис. 6.4 приведен поперечный разрез модернизированного высокооборотного керосинового коловратного насоса. До модернизации пластины ротора изготовлялись из бронзы; стакан и пластины быстро изнашивались, и насос снижал подачу. В представленной конструкции насоса пластины ротора изготовлены из бронзы со вставленными закаленными сухарями. Наличие их резко снизило скорость изнашивания по сравнению с изнашиванием бронзовых пластин. Сухари под действием центробежных сил прижимаются к рабочей поверхности стакана, благодаря чему частично компенсируется износ стакана и сухарей, что, в свою очередь, удлиняет срок службы насоса. 4. Облагораживание поверхностей трения деталей из черных металлов вставками из антифрикционного материала позволяет в ряде случаев повысить антифрикционные свойства деталей при незначительном расходе дефицитных цветных металлов. На некоторых дизелях установлены чугунные газоуплотнитель- ные поршневые кольца с поясками из антифрикционного сплава, закатанными в выточку кольца со стороны его рабочей поверхности (рис. 6.5). Так, на некоторых двигателях поясок из свинцово-бронзо- вой проволоки закатан в выточку поршневого кольца глубиной 4 мм и высотой 2 мм при высоте кольца 9 мм. Поясок, выступая за кольцо на 0,2 мм, легко прирабатывается, обеспечивая "твердой" смазкой цилиндр, улучшает приработку кольца. Кроме того, обладая высоким коэффициентом теплопроводности, он способствует теплоотво- ду от чугунной основы. Подобные пояски из бронзы применяют на некоторых кольцах поршней двигателей тепловозов.
Применение накладок и вставок 131 \гш% Рис. 6.5. Поршневое кольцо с закатанным бронзовым пояском В последние годы заводы-строители мощных судовых двигателей отказались от применения таких вставок, по-видимому, в силу технологичности. Зато большим распространением пользуются пояски из оловянной или свинцовой бронзы шириной 25-30 мм, зачека- ненные или развальцованные в канавки типа ласточкина хвоста в юбке поршня числом до трех. После протачивания пояски выступают на 0,3-0,4 мм. Они улучшают приработку цилиндра и амортизируют удары поршня о стенки цилиндра при перемене направления движения поршня, являясь одновременно объектом контроля правильности сборки кривошипного механизма: односторонний износ поясков указывает, в какую сторону смещен поршень от оси цилиндра. Применение поясков, как показывает опыт эксплуатации двухтактных двигателей с петлевой продувкой, резко снижает, а в некоторых случаях ликвидирует задиры поршней и цилиндровых втулок. На одном из танкеров с дизель-редукторной передачей от двух двигателей на гребной винт, где были случаи задиров, последние не наблюдались после установки поршней, имеющих кольца с бронзовыми поясками. Применение Е.П. Микитюком вставок из баббита Б16 в нижних салазках суппортов токарных станков (по две вставки шириной 5 мм на каждом суппорте) снизило, по данным четырехлетних натурных испытаний, почти вдвое среднегодовой износ направляющих станин (до 0,05-0,06 мм против 0,12 мм). Баббитовые вставки общей площадью 2,5-3,0% от номинальной поверхности трения подвижной направляющей позволили удлинить срок службы направляющих разнообразного металлорежущего оборудования в 2-4 раза. Предлагаются для направляющих станков вставки из фторопла- ста-4, устанавливаемые в стакан или прямоугольную коробку без зазора, а также комбинированные направляющие из участков капрона или стиракрила и фторопласта-4, с тем, чтобы менее податливый пластик воспринимал основную нагрузку, а фторопласт уменьшал силу трения. По данным исследований А.С. Проникова, при оптимальном соотношении площади 15-30% капрона и стиракрила в фторопласте- 4 износостойкость направляющих при трении без смазки повысилась более чем в 20 раз. Бронза в поясках, как и баббит во вставках, внедряясь во впадины шероховатостей сопряженных поверхностей, увеличивает площадь фактического контакта, изменяет напряженное состояние в контакте о*
132 ПРИНЦИП ВЗАИМНОГО ДОПОЛНЕНИЯ КАЧЕСТВА и уменьшает число участков с чрезмерно высокими давлениями, ухудшает условия взаимного внедрения поверхностей, чем облегчается приработка и снижается скорость изнашивания. Взаимный перенос бронзы или баббита с одной поверхности трения на другую уменьшает возможность схватывания чугунов. Срок службы ходовых колес кранов в основном зависит от износа их реборд. Хорошая смазка реборд колес позволяет снизить интенсивность их изнашивания в 1,4-1,7 раза, а в некоторых случаях даже в 3-4 раза. Смазывают реборды жидкими, пластичными и твердыми смазочными материалами. В первых двух случаях, однако, смазка очень трудоемка, требуется большой расход смазочного материала, он попадает на дорожку качения колеса, что неблагоприятно сказывается на работе крана. Твердый смазочный материал (графит, дисульфид молибдена) наносят с помощью подпружиненных стержней, устанавливаемых в специальные мундштуки [2]. В качестве смазывающих элементов служат дисульфидмолибденовые стержни МЭ-22 (ТУ 32 ЦТ559-74) производства Кусковского завода консистентных смазок. Применение смазывающих стержней значительно повышает уровень технического обслуживания кранов, но это требует большого расхода дефицитного смазочного материала и периодической его замены. В.А. Ромашенко, А.П. Дорощук и Ю.М. Григорьев предложили новый способ нанесения твердого смазочного материала на реборды ходовых колес и боковые поверхности головок рельсов. Способ разработан Краматорским НИИПТМАШем. Он состоите том, что в ребордах колес при их изготовлении или на действующем кране сверлят отверстия, в которые вставляют на эпоксидном клее смазывающие стержни (рис. 6.6). При трении реборды колеса о рельс смазывающий материал наносится на трущиеся поверхности и расходуется по мере износа реборды, т.е. в течение всего срока службы ходового колеса. При этом, как указывают авторы изобретения, смазывание реборды и боковой поверхности рельса происходит только при их взаимодействии, что значительно сокращает расход смазочного материала. Смазочные стержни изготовляли из дисульфида молибдена (стержни п ,, „ ЭМ-22), коллоидного графита (связую- Рис. 6.6. Схема установки " ^ ^ Д ч ,\я* смазочных стержней в реборде Щее- эпоксидный клеи) меди (М1 ходового колеса ГОСТ 859-78) и свинца (С 1 ГОСТ 3778- А-А увеличено
Применение накладок и вставок 133 Рис. 6.7, Поршни с кольцевыми вставками 77). Шаг установки смазочных стержней изменяли в пределах от 35 до 70 мм. Лучшие результаты были получены при стержнях из меди и свинца [2]. В алюминиевых литых поршнях форсированных двигателей внутреннего сгорания прибегают к проставкам из жаропрочного чугуна (рис. 6.7), теплопроводность которого ниже, чем у основного металла поршня. Помимо "тепловой дамбы", проставка создает твердый ручей для поршневого кольца, в меньшей мере подверженный разбиванию кольцом. В некоторых случаях, особенно при отсутствии смазки, целесообразно применять уплотнения, в которых материалы уплотняющего пояска и корпуса манжеты различны (рис. 6.8). Манжета состоит из установленного в корпусе кольца 1 и упругой губы 2 с накладкой 3 прямоугольного сечения толщиной 0,6 мм, выполняющей функции уплотнительного пояска. Манжета выполняется из эластомера, накладка - из полиамида или фторопласта. Шестеренные насосы могут обеспечить высокое давление на выходе, они отличаются простотой изготовления, компактностью, имеют небольшую металлоемкость, просты в обслуживании. Такие насосы широко применяют в хлебопекарном, кондитерском и сахарном производстве пищевой промышленности. При эксплуатации насосов основной причиной потери их работоспособности является износ сопряженных шестерен и поверхности корпуса, сопрягаемой с шестернями. Для изготовления корпуса и шестерен насоса часто применяют серый чугун СЧ 18. Валы роторов изготавливают из низколегированных улучшенных сталей, а опорные втулки - из оловянно-свинцо- вой бронзы БрОЦС 5-5-5. При перекачке коррозионно-активных сред кондитерского и хлебопекарного производства шестеренные насосы работают от 600 до 800 ч, после чего требуют ремонта - фрезерования крышек со стороны ?ис 6 8 Уплотнительная ман. рабочих поверхностей с утонением их на жета с накладкой из фторо- величину выработки. Валы роторов за- пласта на уплотнительной губе меняют или восстанавливают их изно- (И.Я. Альшиц, А.И. Голубев)
134 ПРИНЦИП ВЗАИМНОГО ДОПОЛНЕНИЯ КАЧЕСТВА Рис. 6.9. Шестеренный насос шенные поверхности. Втулки подшипников заменяют на новые, а зубья шестерен наплавляют по всей длине [3]. С целью повышения долговечности шестеренных насосов - увеличения износостойкости подшипников скольжения и уменьшения торцевых зазоров на крышках корпуса, особенно в зоне перекрытия зубьев шестерен, авторы работы [3] предложили: 1) в месте контактирования шестерен 4 с опорными втулками 5 (рис. 6.9 ), в которые частично заходят втулки подшипников, выполнять кольцевые пазы в торцах шестерен. При работе насоса внешняя поверхность А втулок 5, сопряженная с шестернями, становится рабочей, за счет чего уменьшаются удельные нагрузки на опору скольжения и значительно снижается вероятность перекоса осей валов 3 от выработки внутренних поверхностей втулок. Благодаря сменным прокладкам 7, обеспечивается периодическая компенсация износа торцев втулок; 2) на внутренних поверхностях крышек 2 по линии, соединяющей оси шестерен, и параллельно оси по обеим сторонам, на расстоянии, равном радиусу впадин шестерен, выполнять пазы, заполняемые наплавкой, зачеканкой или запрессовкой более износостойкого материала 6, чем материал корпуса 1 (медью или ее сплавами). Медь и ее сплавы, как считают авторы, существенно повышают электрохимический потенциал обработанной поверхности при контакте с движущимися в полости насоса электролитами, защищая таким образом чугунные детали от коррозионно-эрозионного воздействия. При этом улучшаются антифрикционные свойства трущихся поверхностей. Как показала эксплуатация опытной партии модифицированных насосов, их работоспособность в 5-6 раз выше, чем у серийных насосов. Из-за наличия в перекачиваемых средах абразивных частиц применение металлофторопластовых и аналогичных материалов для шестеренных насосов оказалось малоэффективным. 4. Биметаллизация Биметаллом называют материал, состоящий из двух прочно послойно соединенных между собой металлов или сплавов. Биметалли- зацию осуществляют способами: 1) металлургическим — заливкой одного металла по другому без или с последующей деформацией в холодном либо горячем состоянии, путем прессования или прокатки, соединением металлов при совместной деформации в горячем состо-
Биметаллизация 135 янии (плакирование), наплавкой; 2) гальваническим; 3) гальвано-металлургическим — после электроосаждения одного из металлов заготовку подвергают горячей прокатке; 4) металлизацией напылением. Прочность соединения, в зависимости от способа биметаллиза- ции и свойств соединяемых металлов, обеспечивается механическим сцеплением или оплавлением, заключающимся в растворении или во взаимной диффузии пограничных слоев разнородных металлов. Механическое сцепление обуславливается взаимным проникновением металлов, а также силами трения, возникающими при усадке затвердевающего жидкого металла. Первыми биметаллическими деталями машин были, по-видимому, залитые баббитом чугунные вкладыши подшипников. Баббит непригоден как материал для изготовления целиком из него машинной детали вследствие его невысоких механических свойств, не говоря уже о сравнительно высокой стоимости. Он нуждается в армирующем подслое. Исключив из рассмотрения литой биметаллический инструмент и опустив вопросы гальванических покрытий и металлизации напылением, отметим, что около 40 лет тому назад были сделаны первые попытки заменить цельнобронзовые втулки и вкладыши подшипников сталебронзовыми. В дальнейшем совершенствование технологии заливки и плавки (нагрев стальных заготовок в печи или газовыми горелками, нагрев и плавка ТВЧ в сочетании с центробежной заливкой, заливка в восстановительной атмосфере, применение электрической дуги для прогрева заготовки и плавки наносимого на нее металла и т.п.) создали предпосылки для широкого применения би- металлизации бронзой с использованием центробежного способа заливки. В массовом производстве находятся вкладыши из стальной ленты с залитым слоем баббита или свинцовой бронзы, а также вкладыши из трубчатой заготовки. Механизирован процесс биметаллизации втулок в крупно- и мелкосерийном производстве. В тракторных и комбайновых дизелях Д-35 и Д-54 и на комбайновом двигателе СМД внедрены для коренных и шатунных подшипников вкладыши из плакированной полосы с алюминиевым сплавом АСМ C,5-4,5% 8Ь; 0,3- 0,7% М§) на мягкой стальной основе. Биметаллизация подшипников скольжения с применением прогрессивных методов производства позволяет не только значительно экономить дефицитный металл (до 10 раз в сталебронзовых втулках по сравнению с цельнобронзовыми), но и резко повысить стойкость деталей в связи с улучшением качества антифрикционного металла и возможностью уменьшения толщины залитого слоя. В биметаллических подшипниках толщина такого слоя 0,5 мм и более, в прецизионных бывает и 0,05 мм. Слой баббита, заливаемого во вкладыши подшипников валов большого диаметра при стационарных формах, назначается после механической обработки толщиной 2-3 мм.
136 ПРИНЦИП ВЗАИМНОГО ДОПОЛНЕНИЯ КАЧЕСТВА Прочность соединения баббита с телом вкладыша при использовании метода заливки обеспечивается предварительным лужением заливаемой поверхности. В процессе заливки баббита между ним и вкладышем образуется в результате химической реакции и диффузии промежуточный слой из Ре$п,. Дополнительные средства для лучшего сцепления баббита с вкладышем в виде мелкой резьбы и пазов типа "ласточкина хвоста" (продольных, поперечных и комбинации их) не только повышают расход баббита и трудоемкость подготовки поверхности под заливку, ослабляют корпус вкладыша, но и ухудшают условия теплоотвода по причине скопления окислов в пазах. Исследованиями и опытом эксплуатации тяжело нагруженных подшипников установлено, что более технологичной и надежной является конструкция стального вкладыша (с содержанием углерода в стали не свыше 0,2%) со слоем баббита, залитого на поверхность шероховатостью Яг = 20..Л 0 мкм и Ка = 2,5... 1,25 мкм. Конструкционный чугун из-за наличия в нем графита и пор плохо лудится. Лужение в этом случае лучше заменить меднением. Отверстия и канавки улучшают сцепление между чугунным корпусом и баббитом. Что касается прочности соединения при заливке вкладыша бронзой, следует иметь в виду, что межкристаллическая диффузия на стыке обоих металлов протекает при температуре подслоя не ниже температуры плавления заливаемого металла, и интенсивность диффузии возрастает с длительностью соприкосновения подслоя с расплавленным металлом. Хорошо сваривается с бронзой феррит, хуже - перлит. Из чугунов наиболее пригодны для изготовления биметаллических изделий ферритно-перлитные. Шероховатость поверхности под биметаллизацию должна быть Ка = 80...40 мкм. Для увеличения сцепления между металлами на заливаемой поверхности нарезают мелкую резьбу, а иногда выполняют канавки. Из других биметаллических деталей пар трения укажем на гайки винтовых передач и червячные колеса. Во многих случаях стальной корпус гайки заменяют чугунным. Более технологичной, чем обычная сборная конструкция, является двухслойная конструкция червячного колеса, имеющего чугунную или стальную ступицу в качестве сердечника и отлитый в земляную форму или в кокиль бронзовый венец. Дальнейшим развитием "слоеных" конструкций подшипников являются триметаллические. Коэффициент линейного расширения а баббита Б-83 почти такой же, как оловянной бронзы и примерно в 1,75 раза выше, чем у стали. Последнее соотношение еще выше для свинцовистых и кальциевых баббитов. В связи с этим возможность отрыва от тела вкладыша слоя баббита при охлаждении несравненно меньше, если имеется бронзовый подслой. Кроме того, бронза и баббит образуют развитый переходный слой сплавления, более прочный, чем тонкий переходный слой между сталью и баббитом. Эти обстоятельства привели к созданию сталебронзобаббитовых вкладышей и
Биметаллизация 137 втулок. Вкладыши заливают сначала бронзой, затем растачивают и после этого заливают тонким слоем баббита. В сталебронзобаббитовом подшипнике по сравнению со стале- баббитовым баббит обладает большей податливостью на подслое бронзы, что позволяет вкладышу лучше приспособляться к цапфе; кроме того, исключается опасность задира вала при выработке баббита. Широко распространены триметаллические вкладыши из стальной ленты со слоем свинцовой бронзы, на которую, для повышения ее коррозиестойкости в смазочных маслах, осаждают электролитически на толщину 20 мкм свинцовый сплав с 5-10% 8п или 3,5-4,5% 1п. Серебро имеет высокую теплопроводность, большую пластичность, твердость, мало изменяющуюся с повышением температуры, и наиболее высокое из подшипниковых материалов сопротивление усталости, но плохо смазывается. Поэтому на стальной вкладыш наносят серебро, которое покрывают тонким @,01 -0,02 мм) слоем свинцового сплава, насыщенного индием. Присутствие индия в сплаве предохраняет его от коррозии. Для хорошего сцепления серебра с основанием на сталь осаждают медь или никель. Подшипники с промежуточным серебряным слоем способны успешно служить при высоких нагрузках (до 70 МПа) и скоростях и при больших температурных перепадах. 5. Частичная биметаллизация Под этим процессом следует понимать биметаллизацию части поверхности трения детали. Хотя число случаев частичной биметал- лизации ограничено, однако метод является перспективным. Заливка баббита в специально выфрезерованные выемки на обеих поверхностях привалки чугунных поршней к цилиндрам воздушных компрессоров позволила сохранить поршни в рабочем состоянии в 2-3 раза дольше, чем при трении чугуна по чугуну. После предельно допустимого износа поршень может быть повторно залит баббитом, между тем как раньше требовалась после растачивания цилиндра замена поршня на другой, большего диаметра. Установка баббитовых пластин в специальные карманы в направляющих металлорежущих станков, о чем уже упоминалось ранее, представляет собой случай частичной биметаллизации. 6. Тонкослойные неметаллические покрытия Здесь мы рассмотрим вопрос о покрытиях из пластических масс для защиты стальных деталей от коррозии и об использовании пластмасс в узлах трения. Разбухание пластиков и значительное их тепловое расширение требует назначения повышенных зазоров, что снижает надежность
138 ПРИНЦИП ВЗАИМНОГО ДОПОЛНЕНИЯ КАЧЕСТВА работы узла. Высокая податливость пластика снижает эффект воздействия динамической нагрузки, делает узел менее чувствительным к требованиям сборки и понижает точность механизма. Толстостенные полиамидные втулки, запрессованные в металлические корпуса, проявляют ползучесть. Указанных недостатков можно избежать, применяя пластмассы в виде тонкого покрытия, которое также выполняет роль защитного покрытия. Чтобы улучшить теплоотвод от антифрикционного слоя пластика, вводят в смесь теплопроводящие наполнители. Существуют следующие основные способы нанесения тонкослойных пластмассовых покрытий: 1. Литье под давлением. Позволяет получать покрытия толщиной от 2 до 5 мм; наполнителем служит текстолитовая или древесная крошка. Способ применяется при изготовлении облицованных вкладышей подшипников; 2. Нанесение дисперсий из пластмасс в водном или другом псевдорастворе. В дисперсное состояние можно перевести почти все термопластичные пластики. Дисперсия напыливается на поверхность детали, подвергающейся в дальнейшем нагреву. Способ используется в основном для нанесения антикоррозионных покрытий; 3. Метод погружения. Деталь, нагретую выше температуры плавления пластика, погружают в пластмассу; 4. Приклеивание пленок; 5. Газовое и вихревое напыление. Вихревое напыление является наиболее производительным способом покрытия. В условиях загрязненности абразивом тонкослойные подшипники могут оказаться непригодными, поскольку насыщение абразивом антифрикционного слоя может ослабить его механическую прочность. Лаки Ф-БФ содержат фторопласт-4 и хорошо сцепляются с металлическими поверхностями. Коэффициент трения стали по поверхности, покрытой лаком, такой же, как и по фторопласту-4. В некоторых случаях эти лаки могут использоваться для повышения эксплуатационных свойств металлических подшипников. Резина как уплотнительный материал (например в манжетах), обладая весьма хорошей упругостью, имеет высокий коэффициент трения по стали и малую износостойкость. Фирма 81ттег (ФРГ) разработала манжетное уплотнение, которое представляет собой обычную армированную манжету, уплотнительная губа которой, поджимаемая к валу браслетной пружиной, имеет на рабочей поверхности покрытие из антифрикционного материала на основе ПТФЭ. Это позволило снизить потери на трение и увеличить долговечность манжеты. Облицовка в виде тонкой фольги толщиной 0,2-0,4 мм из ПТФЭ, привулканизированной к эластомерному кольцу, не оказывает значительного влияния на эластичность манжеты. Незначительная износостойкость и низкая хладостойкость ПТФЭ не позволяют использовать этот материал в чистом виде для обли-
Тонкослойные неметаллические покрытия 139 цовки уплотнений. Композиционные материалы, в которых в качестве наполнителей используются стекловолокно, уголь, графит и бронза, при незначительном увеличении коэффициента трения имеют более высокую хладостойкость. В машиностроении для облицовки уплотнений применяют ПТФЭ, наполненный бронзой; этот материал имеет низкие скорость изнашивания и коэффициент трения благодаря реализации избирательного переноса. В химической промышленности для тех же целей используется композиционный материал, содержащий уголь или графит. Применение уплотнения с привулканизированным антифрикционным покрытием снижает момент от сил трения при пуске (приблизительно на 60%); такие уплотнения вдвое долговечнее обычных манжетных уплотнений. Уплотняемые детали (валы, штоки, плунжеры) должны изготавливаться из закаленной стали. Манжеты, армированные ПТФЭ, могут применяться при высоких давлениях в гидронасосах и гидромоторах. Обычные радиальные уплотнительные кольца работают при незначительном перепаде давления. Манжетные уплотнения специальных конструкций из нитрокаучука для работы в условиях низких давлений и скоростей имеют фактор ру = 7,5; у манжет, облицованных ПТФЭ, ру « 45.
Глава 7. ЗАМЕНА ВНЕШНЕГО ТРЕНИЯ ВНУТРЕННИМ ТРЕНИЕМ УПРУГОГО ЭЛЕМЕНТА Кинематические пары с жесткими звеньями для относительно небольших линейных, угловых или их совместных перемещений в ряде случаев могут быть заменены неподвижными соединениями с промежуточным элементом высокой упругости, что имеет ряд преимуществ, как будет показано далее. Взаимное смещение звеньев в процессе их работы достигается за счет деформации специальной эластичной детали; при этом внешнее трение скольжения или качения заменяется внутренним трением упругого элемента из резины. Это соединение выполняется в виде резинометаллического шарнира. Крепление резины к металлам осуществляется вулканизацией, соприкасающейся с металлом резиновой смеси, склеиванием или сцеплением путем предварительного сжатия резины при монтаже металлических поверхностей шарнира. Резина легко вулканизируется к стали, чугуну, латуни и алюминиевым сплавам. Наиболее прочно резина скрепляется с латунями определенного состава. Некоторые ингредиенты резины или клея для ее крепления могут вызвать корродирование стали и чугуна, поэтому одним из наиболее распространенных способов крепления резины является вулканизация смеси в контакте с латунированной поверхностью металлической арматуры. По способу изготовления различают шарниры, вулканизованные в сборе, закатанные и сборные. Закатанные шарниры встречаются только в виде резинометаллических. На рис. 7.1 изображен закатанный шарнир, применяемый в подвеске автомобиля. Резиновое кольцо 3, надетое на внутреннюю втулку 1, вводится в тонкостенную стальную трубу, которую затем раскатывают, в результате чего уменьшается диаметр трубы при некотором увеличении ее длины и создается необходимое сцепление между резиной и металлической арматурой. Края трубы после раскатки завальцовывают. Наружную втулку 2 запрессовывают в проушину листовой рессоры; внутреннюю втулку закрепляют при сборке неподвижно между стенками кронштейна рамы. Опорный узел с вулканизированной в сборе резинометаллической втулкой, арматура которой приспособлена для Рис. 7.1. Закатанный посадки на конус, приведен на рис. 7.2. резинометаллический шарнир Конический палец закрепляется при по-
Замена внешнего трения внутренним трением упругого элемента 141 Рис. 7.2. Опорный узел с резинометаллической вулканизированной втулкой: 1 - конический палец; 2 - шпонка; 3 - резинометаллическая втулка\4 - гибкий чехол из маслостойкого материала мощи шпонки. С другими конструкциями вулканизированных рези- нометаллических втулок и способами их крепления можно ознакомиться в работе [2]. Представление о сборных шарнирах дает крепление задней рессоры автомобилей (рис. 7.3). Резиновые втулки 1 с заплечиками зажимаются пальцами 2 с накатанными подголовками между щеками 3 сережки или между стенками кронштейна. При затяжке пальцев втулки осаживаются и плотно прижимаются к пальцам и проушинам. Конструкция шарнира в виде резинового башмака (рис. 7.4) встречается в креплениях рессор автомобилей. Концы рессоры зажаты в таких башмаках. Удлинение рессоры при ее прогибе компенсируется деформацией резины. Отгибы на рессорных листах и на накладках обеспечивают передачу конструкцией толкающих усилий. На рис. 7.5 приведен шарнир с упругим элементом (патент, № 4158511, США). Упругая промежуточная втулка 1 заполняет кольцевое пространство между центральной втулкой 2 и корпусом 3 шарнира. Конструкция позволяет создать предварительный натяг между осью 4 и втулкой 1 путем запрессовки стержня во втулку 2. При на- Рис. 7.3. Подвеска задней рессоры автомобиля при помощи сборных резинометалли- ческих втулок: а - крепление переднего конца на кронштейне; б - крепление заднего конца на сережках; / - резиновые втулки; 2 - пальцы; 3 - щеки сережки; 4 - проушина рессоры
142 ЗАМЕНА В УЗЛАХ МАШИН ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ ТРЕНИЕМ КАЧЕНИЯ Рис. 7.4. Крепление рессоры в резиновом башмаке добности может быть обеспечена некоторая подвижность втулки 2 относительно втулки 1 за счет применения специального смазочного материала. Наружная поверхность втулки 2 может иметь радиальные выступы, препятствующие осевым смещениям. Резинометаллические втулки обладают не только радиальной, но в малых пределах также осевой и даже угловой подвижностью. Однако в большем диапазоне все шесть степеней подвижности имеют универсальные шарниры со сферической резиновой прокладкой. Резинометаллические шарниры нашли применение в узлах подвески автомобилей и тракторов, в мягких карданах, в гусеницах тягачей, сочленениях вагонных и локомотивных рам с их поворотными тележками и т.п. Мягкие, или упругие карданы имеют в качестве упругого элемента диск из прорезиненной ткани или резинометаллические втулки. Кардан первой разновидности удовлетворительно работает при угле между валами до 3-5°, кардан с резинометаллическими втулками допускает угол между валами до 12° и осевое смещение втулок до 20- 25 мм [1]. По сравнению с обычными, резинометаллические шарниры обладают такими преимуществами: отсутствует изнашивание от внешнего трения, что исключает абразивное изнашивание деталей; отпадает необходимость в смазке и установке уплотняющих устройств; упрощается уход; уменьшается масса; в узлах подвески амортизируются удары, что способствует бесшумности хода; в упругих карданах, помимо смягчения ударов при резком увеличении крутящего момента, происходит гашение вибраций и демпфирование крутильных колебаний. Отсутствие смазочного материала в шарнирах имеет особое значение для машин пищевой и текстильной промышленности. Рис.7.5. Шарнир с упругим элементом
Глава О. РАЗГРУЗКА РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ Поверхности трения в некоторых случаях можно разгрузить, внеся в конструкцию машины изменения, направленные на снижение действующих усилий, или уменьшив долю нагрузки, воспринимаемую непосредственно контактирующими участками деталей. Простейшим примером такой разгрузки может служить шевронная передача, когда при незафиксированном в осевом направлении одном из колес осевые усилия с полушевронов не передаются на валы и их опоры. Другим примером является двухколодочный тормоз, разгружающий валы и подшипники от радиальных сил прижатия колодок к шкиву. В центробежных насосах при одностороннем подводе жидкости к рабочему колесу возникает осевое усилие в сторону всасывания, вызванное различием статических давлений по обе стороны колеса. Такова же природа осевого усилия на колесах центробежных вентиляторов и нагнетателей. Правда, в последних осевая нагрузка невелика, у насосов же она может доходить до нескольких тонн. Для разгрузки рабочих колес и роторов насосов от осевого давления применяют: - разгрузочные отверстия в диске (рис. 8.1 а), которые выравнивают давления по обе стороны колеса. Этот способ связан с необходимостью дополнительного уплотнения между нагнетательной и разгрузочной камерами и с увеличением гидравлических потерь, поэтому его используют только в одноступенчатых насосах. Для выравнивания давлений иногда делают специальный обводной трубопровод для подачи давления в разгрузочную камеру; - двусторонний подвод жидкости к колесу (рис. 8.1 б); - симметричное расположение колес в многоступенчатых насосах (рис. 8.1 в)\ - гидравлические пяты (рис. 8.1 г), автоматически обеспечивающие уравновешивание осевых усилий на ротор при всех нагрузках. Давление в разгрузочной камере определяется сопротивлениями на пути от камеры нагнетания до всасывающего патрубка и повышается с увеличением расхода жидкости через осевой зазор между разгрузочным диском и уплотнительным кольцом. При увеличении осевого усилия ротор насоса может переместиться в сторону всасывания, что уменьшает осевой зазор и количество перетекающей жидкости. Давление в разгрузочной камере вследствие этого падает, и осевое усилие на разгрузочном диске, как результирующая двух осевых сил, увеличивается. Каждой осевой нагрузке соответствует определенное положение ротора. Установочный осевой зазор назначают в пределах 0,10-0,12 мм для среднего диаметра разгру-
144 РАЗГРУЗКА РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ Рис. 8.1. Способы уравновешивания осевого усилия в центробежных насосах: а - отверстия в диске; б - двусторонний подвод; в - симметричное расположение колец; г - гидравлическая пята; / - уплотнительное кольцо; 2 - разгрузочный диск; 3 - разгрузочная камер зочного кольца до 150 мм, 0,15-0,20 мм при среднем диаметре от 150 до 250 мм и 0,25 мм при диаметре свыше 250 мм. Аналогично гидравлическим пятам в насосах, реактивные паровые турбины, с целью уменьшения нагрузки на упорный подшипник ротора, имеют думмисы, которые предназначаются для уравновешивания осевой составляющей давления пара на лопатки и выступающие части ротора. Уравновешивание динамических усилий в звеньях машин уменьшает нагрузку на сочленения. В частности, в многоцилиндровых двигателях, в которых силы инерции первых порядков уравновешены в пределах блока цилиндров, применяют иногда противовесы для разгрузки опорных подшипников. В предположении, что коленчатый вал представляет собой систему разрезных валов, Я.Л. Геронимус дал решение задачи оптимального подбора противовесов. Работе шестеренного насоса свойственна следующая особенность. Степень перекрытия шестерен у него больше единицы, т.е. пара зубьев вступает в зацепление, когда предыдущая пара еще из него не вышла. В начале зацепления пары между точками АнВ (рис. 8.2) образуется замкнутая полость с жидкостью в ней. При дальнейшем повороте шестерни эта полость достигает своего минимума в том положении, когда точки зацепления новой пары зубьев и предыдущей расположены симметрично относительно полюса зацепления Р. Указанная полость сохраняет свой объем до момента выхода из зацепления предыдущей пары зубьев в точке С на линии зацепления. Вследствие
Разгрузка рабочих поверхностей 145 Рис. 8.2. Образование запертого объема между зубьями шестерен насоса: МЫ - линия зацепления; Р ~ полюс зацепления; / - основной шаг ничтожной сжимаемости жидкости и большого сопротивления протеканию ее через торцовые зазоры между шестернями и корпусом насоса уменьшение объема полости сопровождается резким повышением давления в ней. В итоге на зубья шестерен, на валики и подшипники передается значительная пульсирующая нагрузка; известны случаи, когда по этой причине насосы приходили в полную негодность за 8- 10 ч эксплуатации из-за сильного износа подшипниковых втулок. Для устранения вредного влияния давления жидкости, запираемой во впадинах зубьев, делают разгрузочные канавки на корпусе. Назначение канавок - сообщить замыкаемую полость через торцы с камерой нагнетания (рис. 8.3). Конфигурация и глубина канавки подлежат расчету. Второй способ нейтрализации давления заключается в скосе зуба ведомой шестерни таким образом, чтобы замыкаемый объем все время возрастал. Это более дорогостоящий способ, и рекомендуется для сильно нагруженных насосов и гидравлических двигателей (Е.М. Юдин). В высоконапорных шестеренных насосах для повышения их долговечности важно снизить возможность деформации валиков и опор (в особенности опор качения), происходящую от рабочих нагрузок. Целесообразна разгрузка подшипников при помощи гидравлического противодавления, которое создается путем соединения полостей нагнетания и всасывания с камерами, расположенными противоположно этим полостям. Схема разгрузки опор изображена на рис. 8.4. Давление нагнетания действует на шестерню как со стороны нагнетания, так и со стороны присоединенной к ней камеры, что, совместно с другой камерой, в значительной мере разгружает валики и подшипники от гидравлических сил. Чтобы свести к минимуму утечки через радиальные зазоры, разгрузочные камеры (дуги Ъ\\Ь}) отделяют от ближайшей полости двумя зубьями. В тяжелых станках - карусельных и других - разгрузка Рис. 8.3. Разгрузочная канавка G) на торцовой поверхности подпятника шестеренного насоса: А - полость всасывания; 2>- полость нагнетания ю- это
146 РАЗГРУЗКА РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ Рис. 8.4. Схема разгрузки опор насоса от радиальных усилий круговых направляющих столов и планшайб целесообразна для повышения надежности и долговечности опорных поверхностей и для уменьшения момента от сил трения в периоды неустановившегося движения. Уменьшение момента трения на опорной поверхности снижает также его колебания и благоприятно отражается на равномерности вращения стола, что весьма важно, особенно при нарезании колес на зубофрезерных станках. Одним из методов разгрузки пар трения является перенос части усилий с ответственных трущихся поверхностей на менее ответственные. Так, нагрузку на направляющие можно уменьшить с помощью роликовых опор [1] на подпружиненном основании (рис. 8.5) или другими путями. В станках, у которых круговые направляющие связаны со шпинделем, опирающимся на подпятник, можно произвести центральную разгрузку направляющих подпятником качения, что достигается регулировкой положения центра планшайбы. В практике эксплуатации карусельных станков с диаметром планшайбы 3000 мм при использовании этого способа ограничиваются подъемом центра на 0,05- 0,06 мм. При этой величине разгрузки значительно уменьшается температура направляющих и потребляемая мощность. При большем подъеме планшайбы подпятником уменьшается гидродинамическая подъемная сила масляных клиньев. Более удобны и гибки в эксплуатации гидравлические подпятники (домкраты). Такой подпятник, установленный на Урал- машзаводе при модернизации карусельного станка, показан на рис. 8.6. В стакане 2 с осевой регулировкой посажен поршень 4 с манжетами 5 и 7. Давление от поршня через сферическое кольцо 3 и упорный шарикоподшип- Рис*8.5. Роликовая опора для разгрузки направляющих: 1 - стол; 2 - основание; 3 - ролик; 4 - станина станка
Разгрузка рабочих поверхностей 147 Рис. 8.6. Гидравлический подпятник карусельного станка: 1 - втулка; 2 - стакан; 3 - сферическое кольцо; 4 - поршень; 5 и 7 - манжеты; 6 - канал подвода смазки; 8 - упорный подшипник ник 8 передается на шпиндель планшайбы. Давление масла в системе регулируется до 6 МПа с помощью редукционного клапана. В системе имеется гидроаккумулятор. Ввиду малого расхода масла установленный насос работает только в период зарядки аккумулятора. Редукционный клапан устанавливают на определенное давление в соответствии с весом обрабатываемой детали. Наряду с механической разгрузкой применяется гидравлическая система разгрузки путем подачи смазочного материала под избыточным давлением на опорные поверхности. В отличие от гидростатических подшипников, разгрузка стола с установленной заготовкой производится не полностью, а частично, чтобы стол при вращении двигался плавно и не качался из-за чрезмерно больших зазоров в направляющих. Например, при нарезании зубчатого колеса массой свыше 20 т разгружают направляющую примерно на 2/3 веса колеса. Принцип гидростатической разгрузки применяется также и в поступательных парах. Так, подвод смазочного материала к гидростатическим карманам опорных поверхностей стоек тяжелых расточных станков позволил значительно уменьшить тяговое усилие. Для повышения долговечности точных узлов в конструкциях машин предусматривают механизмы для установочных движений или для производства работ, которые могут быть выполнены без использования точного механизма, отключаемого на это время. Как известно, в универсальных токарных станках движение суппорту передается при помощи ходового валика, а ходовой винт используют только при нарезании резьбы.
148 РАЗГРУЗКА РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ 5 А 1 Шлш, 1Щ и 2. Рис. 8.7. Напольный рольганг грузовых самолетов Иногда, как, например, в шпиндельных блоках многошпиндельных токарных автоматов, устанавливают дополнительные опоры, на которых производят поворот автомата в приподнятом со своих постоянных опор положений. Своеобразная конструкция для разгрузки рабочей поверхности цилиндрических опор напольного рольганга грузовых самолетов (патент США № 4203509) показана на рис. 8.7. Опора выполнена в виде полого цилиндрического валика 1 с фланцами 2, в которые запрессованы подшипники 3. Наружная поверхность валика покрыта эластичным материалом 4 (уретаном, нейлоном), причем максимальный радиус упругого покрытия К] несколько больше радиуса К, торцевых фланцев 2{К}-К2~0,25 мм). Цилиндрические опоры вмонтированы в пол грузовой кабины самолета, и усилие при перемещении грузов воспринимает эластичное покрытие 4. В случае воздействия повышенных нагрузок упругое покрытие обжимается до радиуса, меньшего /?,, и нагрузку воспринимают алюминиевые фланцы 2 своими опорными поверхностями 5. Конструкция обеспечивает сохранность упругого покрытия опор при воздействии повышенных усилий от груза. I
Глава 9. ЗАМЕНА В УЗЛАХ МАШИН ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ ТРЕНИЕМ КАЧЕНИЯ Такая замена во многих случаях целесообразна для повышения долговечности деталей, надежности их работы и экономичности машин. Заводы нашей страны выпускали около 1 млрд подшипников в год более 15 тыс. типоразмеров диаметром от 0,25 мм до 2 м и более, массой от 0,4 г до 7 т. 1. Подшипниковые узлы Каждому виду опор скольжения или качения свойственны как положительные, так и отрицательные стороны. Подшипники качения имеют следующие преимущества: 1. Уменьшаются потери на трение по сравнению с потерями у подшипников скольжения, работающих при несовершенной смазке или даже в режиме трения при жидкостной смазке. Применение подшипников качения, как правило, повышает КПД машины и улучшает использование силовой установки. Коэффициент трения подшипника качения сравнительно мало изменяется в большом диапазоне нагрузок и окружных скоростей. Статический момент подшипника лишь на 30-50% превышает момент трения при установившемся движении, в то время как в подшипниках скольжения это превышение достигает 15 раз и более. В связи с этим особую важность приобретает установка опор качения в узлах машин, работающих с частыми пусками и остановками. Малый момент трения в шарикоподшипниковых узлах приборов позволяет сужать зону нечувствительности последних; 2. Экономится большое количество цветных металлов - меди, олова, свинца, расходуемых на изготовление вкладышей подшипников скольжения; 3. Уменьшается расход смазочных материалов; 4. Отпадает надобность в принудительном охлаждении, что часто практикуется, например, в упорном и туннельных подшипниках скольжения судового валопровода; 5. Упрощается уход; 6. У валов при правильно назначенных посадках отсутствует износ шеек, что исключает необходимость ремонта последних; 7. Шарико- и роликоподшипники стандартизованы, что упрощает конструирование подшипникового узла. Поступление подшипников качения в сборочный цех в виде собранного комплекта ускоряет изготовление и монтаж машины;
150 ЗАМЕНА В УЗЛАХ МАШИН ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ ТРЕНИЕМ КАЧЕНИЯ 8. Применение подшипников качения уменьшает стоимость машины. Дополнительно отметим, что для восприятия осевых давлений, действующих на шпиндель металлорежущего станка, преимущественно используют упорные подшипники качения ввиду упрощения при этом конструкции упорного узла. Перечисленные преимущества подшипников качения обусловили их широкое распространение. Недостатками подшипников качения являются: 1. Недостаточная долговечность и надежность при высоких окружных скоростях и динамических нагрузках. Подшипники качения выходят из строя главным образом вследствие выкрашивания тел качения и поверхностей качения колец, что является завершением процесса изнашивания. Между тем подшипники скольжения в фазе трения при жидкостной смазке при соответствующих условиях могут работать неограниченно долго. Поэтому в паровых турбинах, турбогенераторах, мощных скоростных зубчатых передачах, крупных центробежных и осевых насосах и других машинах, предназначенных для весьма длительного срока службы при постоянных режимах высоких скоростей, опорами их валов служат гидродинамические подшипники скольжения. Что касается использования подшипников качения при динамических нагрузках, то, хотя они и успешно работают в таких машинах с сильными ударными нагрузками, как тяжелые ковочные и манипуляторы, однако возможный разрыв масляной пленки при перегрузках влечет за собой быстрое разрушение рабочих поверхностей. Демпфирующее действие масляной пленки в подшипнике скольжения выше, чем в подшипнике качения, поэтому в некоторых случаях условия работы вала на подшипниках качения могут быть менее благоприятны; 2. Большие диаметральные размеры при меньшей длине, чем у подшипников скольжения. Иногда это является существенным недостатком. Так, при заданном расстоянии между валками прокатных станов применение шарикоподшипников требует уменьшения диаметра шеек валков, а это ограничивает допустимые усилия при прокатке. Применение специальных конструкций подшипников скольжения позволило увеличить усилия и скорости при прокатке с одновременным повышением точности и срока службы всей конструкции стана. Установка шарико- и роликоподшипников в нижней шатунной головке двигателей внутреннего сгорания значительно увеличивает ее габариты и массу, что приводит к увеличению не только инерционных нагрузок, но и габаритов картера из-за необходимости обеспечить проходимость в нем шатуна. В связи с рассматриваемым здесь вопросом уместно особо остановиться на игольчатых подшипниках. Они имеют меньшие по наружному диаметру размеры, чем любые другие типы подшипни-
Подшипниковые узлы 151 ков качения такого же внутреннего диаметра. Габаритные размеры игольчатого подшипника того же порядка, а часто и меньше, чем подшипников скольжения. Игольчатые подшипники не могут воспринимать осевую нагрузку, при низких окружных скоростях они выдерживают высокие радиальные нагрузки. При малых нагрузках и отсутствии толчков они могут удовлетворительно работать при частоте вращения до 60 000 об/мин. Следует, однако, учитывать, что во время работы иглы не только катятся, но и скользят, отчего игольчатые подшипники нагреваются сильнее шариковых. Предпочтительно их устанавливать на медленно вращающихся и тяжелонагружен- ных осях. Область их применения: поршневые пальцы и опоры распределительных валов двигателей внутреннего сгорания, пальцы прицепных шатунов, оси коромысел, поворотные цапфы автомобильных колес, оси холостых колес шкивов, натяжных и направляющих роликов и звездочек, промежуточных зубчатых колес, сателлитов, крестовины карданов, втулки рессор и т.п.; 3. Неудовлетворительная работа в условиях вибрационной нагрузки, а также при качательном движении с малыми углами поворота. В этих случаях на дорожках качения образуются углубления, напоминающие отпечатки шарика при пробе на твердость по Бринел- лю. Это явление названо бринеллированием или ложным бринелли- рованием. Впервые оно было обнаружено в подшипниках автомобилей после длительной их перевозки по железной дороге. В настоящее время при перевозке применяют специальные опоры под раму автомобиля. На рис. 9.1 показано внутреннее кольцо поврежденного бринеллированием игольчатого подшипника пальца и корпуса рулевого винта вертолета. Случаи бринеллирования опор качения судового вало- провода отмечаются при вибрациях корпуса судна или фундаментов механизмов, расположенных вблизи опор. В карданных передачах с жесткими карданами, работающими с неравной угловой скоростью при углах взаимного смещения вилок менее 1°, кардан быстро выходит из строя вследствие бринеллирования. В этих случаях следует увеличивать угол смещения. В некоторых случаях бринеллирование вызывает замену подшипников качения на подшипники скольжения. В ступице балан- сирной подвески грузового автомобиля такая замена значительно повысила срок службы узла трения; -™^-^ -^— »^ 4. Больший шум при работе; ^ :^;-5I. *. * 5. При работе более чувствительны к л , п условиям запыленности абразивами и заг- ^^^З^Гп^Г" -* г неллированием поверхно- рязнению смазочного масла, чем подшип- сти внутреннего кольца ники скольжения. Механизм разрушения игольчатого подшипника
152 ЗАМЕНА В УЗЛАХ МАШИН ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ ТРЕНИЕМ КАЧЕНИЯ тел качения подшипника связан с возникновением подповерхностных трещин в местах максимальных касательных напряжений, что характерно для усталостного изнашивания. Другой причиной разрушения тел качения является относительно высокая шероховатость их поверхности и воздействие частиц загрязнений в масле. В последнем случае большое значение имеет размер этих частиц. Так, при уменьшении размера частиц от 40 до 3 мкм долговечность подшипника может снизиться до 7 раз, т.е. уменьшается время, по истечению которого можно ожидать, что 10% всех испытанных подшипников повреждается. Более крупные частицы загрязнений не входят в контакт, а более мелкие не вызывают повреждений поверхности тела качения; 6. Недостаточная коррозионная и тепловая стойкость; 7. Значительно меньшая грузоподъемность и долговечность упорных подшипников качения по сравнению с подшипниками скольжения. Серьезным достижением шарикоподшипниковой промышленности было создание судового упорного подшипника грузоподъемностью 50 т со сфероконическими роликами, между тем как в настоящее время грузоподъемность упорных подшипников в гидротурбостроении исчисляется многими сотнями тонн; 8. Недостаточная пригодность в случаях, когда для удобства монтажа либо ввиду особенностей конструкции вала требуются разъемные опоры. Такие опоры качения известны. Так, при ремонте тракторных двигателей ограниченно практиковали установку на шатунные шейки роликовых и, преимущественно, игольчатых подшипников с кольцами, имеющими шевронные разъемы. В судовых вало- проводах валы соединяли в линию почти исключительно на фланцах. Стремление сохранить и при опорах качения жесткое фланцевое соединение валов привело к разработке разъемных подшипников с цилиндрическими роликами, которые устанавливались на буксирных судах, а к концу 30-х гг. XX в. - на океанских судах с диаметром промежуточного вала 350 мм. Однако разъемные подшипники качения дороже и менее долговечны, чем подшипники обычной конструкции. Изготовление других типов разъемных подшипников, кроме игольчатых и с цилиндрическими роликами, встречает большие трудности. Положительные качества подшипников качения стимулируют расширение области их применения путем совершенствования конструкции как самих подшипников, так и узлов машин и технологии сборки. Остановимся на трех конструкциях подшипников качения, первые две из которых выполнены в связи со специфическими требованиями к опорам шпинделей металлорежущих станков. Подшипники шпинделей должны удовлетворять требованиям высокой точности вращения в течение длительного времени в условиях частых остановок и пусков станка, жесткости в радиальном и осевом направлениях и простоты регулирования зазоров. Этим требованиям отвечают специальные "станкоинструментальные" шарикоподшипники. На рис. 9.2 приведена конструкция такого подшипника. Его
Подшипниковые узлы 153 1^- Рис.9.2. Шпиндельный двухрядный радиально-упорный шарикоподшипник Конусность 1.12 Рис. 9.3. Двухрядный радиальный роликовый подшипник с коническим отверстием внутреннее кольцо имеет две дорожки качения, профиль каждой из которых описан двумя радиусами. Наружное кольцо состоит из двух половин с коническими дорожками качения конусностью около 22°. Шарики каждого ряда контактируют с дорожками качения в трех точках: А и В на внутреннем кольце и С- на наружном. Прямые, проведенные через точки Л и В и центр шарика, образуют с вертикалью, проходящей через шарик, углы C и у около 11 и ЗГ. При работе шарики получают дополнительное вращение, показанное стрелкой, что обеспечивает их равномерное изнашивание. Сепараторы из текстолита центрируются по шарикам. Высокую точность вращения подшипников обеспечивают специальной обкаткой с эталонными шариками. Роликовый подшипник 3182100 (рис. 9.3) для шпинделей металлорежущих станков с успехом может быть применен в других машинах. Подшипник - двухрядный с роликами одного ряда, смещенными на полшага относительно роликов другого ряда. Благодаря значительному количеству роликов и расположению их в шахматном порядке увеличивается число контактов роликов с дорожками качения и улучшаются условия работы подшипника. Начальный зазор мал. Наличие конического отверстия у внутреннего кольца подшипника позволяет при его монтаже на коническую шейку шпинделя регулировать зазор в сторону его уменьшения. Для ликвидации причин бри- неллирования в упорном роликовом подшипнике винта вертолета Н.И. Камовым и его сотрудниками было внесено изменение в конструкцию сепаратора, позволившее в несколько раз повысить ресурс этого винта. В этом сепараторе два или три гнезда под ролики
154 ЗАМЕНА В УЗЛАХ МАШИН ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ ТРЕНИЕМ КАЧЕНИЯ Рис. 9.4. Сепаратор роликового подшипника с двумя симметрично расположенными гнездами (а и б) (рис. 9.4) расположены под углом к радиальному направлению. Момент сил трения оказывается при этом неодинаковым по величине при движении роликов в ту и другую стороны, в результате чего при колебательном движении тугого кольца комплект роликов с сепаратором смещается в одном направлении (ах. № 129075, СССР). Рассмотрим случаи модернизации вала с ориентацией на применение подшипников качения, в результате которой уменьшились габариты машины и повысилось ее качество. Коленчатый вал, как известно, состоит из шатунных (мотылевых) и коренных (рамовых) шеек и щек. У рядных двигателей подшипники качения в коренных опорах валов встречались только в виде исключения в связи с трудностью монтажа и ослаблением вала. Там, где это имело место, для возможности монтажа внутренний диаметр подшипника должен был назначаться размером больше диаметра шеек вала с тем, чтобы подшипник мог пройти через колена вала. Подшипник устанавливали на шейку при помощи подкладных полуколец, удерживаемых на валу одним или двумя крепежными винтами. Нарезанные для этого отверстия уменьшали циклическую прочность вала. У быстроходного дизеля мод. МО фирмы Майбах (ФРГ), разрезы которого приведены на рис. 9.5, дисковые шейки коленчатого вала выполняют одновременно роль щек и коренных шеек. Коренные подшипники выполнены роликовыми; внутренней дорожкой качения у них служит закаленная цилиндрическая поверхность щеки, а наружное кольцо установлено в расточке блок-картера. Такая конструкция коленчатого вала и блок-картера обеспечивает: 1) значительное сокращение длины двигателя; 2) высокую жесткость и прочность вала; 3) возможность развить в длину опорную поверхность шатунных шеек, что имеет большое значение для двухрядных двигателей, в которых на шейку опираются два шатуна; 4) повышение надежности работы коренных подшипников ввиду меньшей чувствительности к подводу смазки и отсутствия легкоплавкого антифрикционного слоя. Замена жесткого фланцевого соединения валов простой втулочной муфтой на гидропрессовой посадке позволила оборудовать судовые валопроводы обычными, неразъемными по длине сферическими роликоподшипниками или подшипниками с цилиндрическими роликами. Несколько замечаний о скоростных подшипниках и подшипниках с полыми роликами. Скоростной показатель роликоподшипни-
Подшипниковые узлы 155 Рис. 9.5. Продольный (а) и поперечный (б) разрезы двигателя МБ фирмы Майбах: 1 - роликоподшипник; 2 - вильчатый шатун, вкладыш которого работает по шейке; 3 - центральный шатун, работающий по тыльной стороне вкладыша вильчатого шатуна ков наиболее высок в авиационных двигателях и достигает Вп = = B...2,3I06, где 2) - диаметр отверстия подшипника, мм; п - частота вращения, мин1. Имеется вероятность, что этот показатель будет увеличиваться (п возрастет до 25 000 мин1 при Б = 120 мм, Вп - 3-106). Однако такое увеличение скоростного параметра подшипника повлечет значительное уменьшение его долговечности из-за усталостного выкрашивания дорожек качения наружного кольца, где контактные напряжения по Герцу будут составлять 2100 МПа, ввиду больших центробежных сил, которые пропорциональны Вп2. Ролики подшипников изготавливают бочкообразными, со скруг- лениями на переходе фаски к торцевой поверхности. Это обеспечивает при малых частотах вращения уменьшение напряжений на краях ролика, а при больших частотах - увеличение этих напряжений. Важное значение для долговечности скоростных подшипников имеет уменьшение их вибрации, которая вызывает возникновение дополнительных напряжений в зоне контакта. В связи с этим подшипники должны иметь большую жесткость. При диаметре отверстия подшипника 118 мм радиальный зазор рекомендуется 0,12 мм. Применение жидкого смазочного материала позволяет уменьшить коэффициент трения роликового подшипника. Поэтому предельная быстроходность роликовых подшипников с пластическим сма-
156 ЗАМЕНА В УЗЛАХ МАШИН ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ ТРЕНИЕМ КАЧЕНИЯ зочным материалом составляет 0,75 от быстроходности аналогичных подшипников с жидким смазочным материалом. Для повышения быстроходности роликовых подшипников необходимо повысить их точность, применять специальные марки и системы подвода смазочного материала (спрыскивание под давлением, с применением масляного тумана), ввести системы охлаждения, ограничения рабочей нагрузки. В практике производства подшипников качения применяют полые ролики. При создании таких подшипников в начале имелось в виду повышение демпфирующей способности, компенсация неточностей изготовления и монтажа деталей подшипникового узла, уменьшение массы, центробежных и инерционных нагрузок. Однако исследования последних лет выявили другие достоинства подшипников с полыми роликами. Последние их конструкции не имеют сепаратора и собираются с предварительным натягом порядка 0,025 мм. Несмотря на то, что жесткость полого ролика составляет от 52 500 до 87 500 Н/мм, радиальная жесткость такого подшипника выше, чем аналогичного стандартного подшипника с монолитными роликами вследствие того, что внешняя нагрузка компенсируется за счет перераспределения давлений между всеми роликами. Предварительный натяг обеспечивает высокую точность вращения подшипников с полыми роликами, достигающую 0,75 и даже 0,25 мкм. Они могут работать при больших частотах вращения, чем у обычных подшипников, чему способствуют уменьшенные на 40% центробежные нагрузки, увеличенная поверхность теплоотдачи полого ролика и хорошие условия для движения смазочного материала через внутренние полости роликов. Несмотря на отсутствие сепаратора, полые ролики при вращении сами располагаются равномерно по окружности и не контактируют один с другим. Вследствие предварительного натяга каждый полый ролик имеет критическую частоту вращения, при достижении которой рабочая температура подшипника резко понижается, что, по-видимому, соответствует образованию гидродинамической масляной пленки на участках контакта. Долговечность подшипника с полыми роликами ограничивается при высоких частотах вращения не контактной, а изгибной усталостью материала роликов, причем разрушение начинается с их внутренней поверхности. Наиболее широко применяют ролики, у которых диаметр отверстия составляет 60-70% от наружного диаметра. Предельная грузоподъемность подшипника с полыми роликами составляет не более 50% грузоподъемности аналогичных стандартных подшипников. Наилучшей смазочной системой для них является циркуляционная, особенно при невысоких частотах вращения. Наименьший диаметр применяемых роликов 8 мм. Верхнего предела диаметров полых роликов, по-видимому, не существует.
Направляющие качения 157 2. Направляющие качения Применяют для облегчения прямолинейного движения суппортов, кареток, столов и тому подобных деталей машин-орудий, а также для обеспечения кругового движения некоторых из этих деталей. Направляющие качения имеют следующие преимущества перед направляющими скольжения: 1. Уменьшается сопротивление движению, что особенно важно в случаях ручных перемещений (например у заточных станков) и имеет решающее значение для величины мощности подачи в станках с программным управлением, где часто бывает проще и даже необходимо иметь отдельные приводные механизмы для каждого движения. В металлорежущих станках, где движение подачи осуществляется ходовыми винтами, наличие отдельного привода уменьшает их износ. Меньшее сопротивление движению позволяет при наличии гидропривода снизить рабочее давление в системе, уменьшить диаметр гидроцилиндра и емкость масляного бака; это снижает нагрев масла при прохождении его через дроссели, способствует при вынесенном из станины баке лучшей теплоотдаче и уменьшает тепловые деформации прецизионных станков; 2. Отсутствует эффект взаимного прилипания поверхностей при трении скольжения, наблюдающийся при весьма малых подачах и приводящий к прерывистому движению и затруднениям в реализации точных установочных перемещений; 3. Исключается влияние разности толщин масляного слоя на биение кареток и суппортов при высоких скоростях перемещения; 4. Упрощается уход; 5. Облегчается замена изношенных деталей при одновременном повышении их долговечности. Направляющие качения выполняют в виде плоских элементов, цилиндрическими и в виде роликов на осях. В первом случае применяют шарики, ролики или иглы из этого же ассортимента, что и в подшипниках качения. Достоинством шариковых направляющих является их меньшая чувствительность к погрешностям изготовления по ширине и по углу призм. Однако вследствие меньшей грузоподъемности шариков по сравнению с роликами того же диаметра применение чугунных направляющих на шариках ограничивается областью весьма малых нагрузок - для легких станков и приборов. Нагрузочная способность закаленных стальных направляющих планок примерно в 30 раз выше, чем у шариковых направляющих. Допускаемая нагрузка Р на тело качения может быть определена по формулам: для шариковых направляющих Р= М7\ A) для роликовых направляющих Р= кЬс{, B)
158 ЗАМЕНА В УЗЛАХ МАШИН ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ ТРЕНИЕМ КАЧЕНИЯ где й- диаметр шарика или ролика; Ъ - длина ролика; к - условное напряжение, зависящее от материала направляющих и точности изготовления их и тел качения. Поскольку величины технологических погрешностей могут оказаться того же порядка, что и упругие перемещения направляющих, то по сравнению с идеальным контактом происходит перегрузка одних тел качения при недогрузке других. Величины допускаемых нагрузок Р на тела качения при условии отсутствия пластической деформации на площадках контакта и с учетом роли технологических погрешностей приведены на основании работы З.М. Левиной в табл. 9.1. Если диаметры тел качения отличаются от приведенных в таблице, то допустимую нагрузку легко вычислить по формуле A) или B). Таблица 9.1 Допускаемая нагрузка Р на одно тело качения (Н) Направляющие Диаметр тела качения с1, мм 5 | 10 | 15 | 20 Стальные закаленные, НКС 60-62: шариковые роликовые короткие (ЬМ = 1) роликовые длинные (Ш = 3) Чугунные, НВ 200-220: шариковые роликовые короткие (М/ = 1) роликовые длинные (М/ = 3) 150 4900 10800 5 500 1080 600 19600 44000 20 2000 4400 1400 44000 98000 44 4400 9800 2350 78000 176000 78 7800 17600 Приведенные в таблице значения Р - нагрузки по нормали к опорной поверхности - можно принимать при следующих нормах точности: суммарное отклонение от прямолинейности сопрягаемых направляющих на длине контакта - не более 7-10 мкм, извернутость направляющих на длине контакта - не более 7-10 мкм, разноразмерность тел качения - не более 2 мкм. При пониженной точности изготовления А = 15...20 мкм, извернутости направляющих 0,02 мм/1000 мм, разноразмерное™ тел качения 3-4 мкм табличное значение Р следует снизить на 30-40%.Для взаимно притертых и для очень коротких направляющих Р можно повысить в 1,5 раза. Табличные значения Р следует умножить: а) на 0,8 при твердости стальных направляющих НКС 57, на 0,7 при НЯС 55 и на 0,52 при НКС 50; б) на 1,2 при твердости чугунных направляющих НВ 230 и на 0,75 при НВ 170-180. Если применить в игольчатых направляющих иглы малого диаметра, то сопротивление качения может оказаться соизмеримым с
Направляющие качения 159 силой трения игл о сепаратор, что приведет к проскальзыванию игл и ускоренному изнашиванию направляющих. Направляющие качения из плоских элементов выполняются открытого или замкнутого типа. Форма открытых направляющих представлена на рис. 9.6. По отношению к вертикальной нагрузке они являются направляющими одностороннего действия. Натяг осуществляет приходящийся на направляющую вес подвижного узла. Рис. 9.6. Открытые направляющие салазок: а - на шариках и роликах; б - на иглах различных диаметров На рис. 9.7 представлена форма угловой направляющей смешанного трения, а на рис. 9.8 - формы направляющих прямолинейного движения замкнутого типа. Две такие попарно взятые направляющие уравновешивают поперечное усилие любого направления. Натяг создается регулировочным клином или винтами. Предварительный натяг повышает жесткость стыка и улучшает демпфирующие способности опоры. При соответствующей величине натяга жесткость может оказаться значительно выше, чем даже у направляющих скольжения. Конструкции направляющих качения Рис 9 7 н яющая со подробно рассмотрены в литературе по смешанным трением (каче- металлорежущим станкам [1,2]. ния и скольжения)
160 ЗАМЕНА В УЗЛАХ МАШИН ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ ТРЕНИЕМ КАЧЕНИЯ Рис. 9.8. Формы направляющих качения замкнутого типа Применение чугунных роликовых направляющих ограничено малой величиной допустимого натяга - не более 7-10 мкм, между тем как необходимый по условиям жесткости в металлорежущих станках начальный натяг составляет 10-12 мкм. По условиям прочности стальных закаленных (НЯС 60-62) направляющих допустимые натяги Ао по нормали к плоскости направляющих составляют (данные 3. М. Левиной): для шариковых направляющих при й = 5; 10; 15 и 20 мм соответственно Ао = 7; 12; 15 и 20 мкм; для роликовых направляющих при с1 = 5; 10; 15 и 20 мм соответственно А = 15; 20; 25 и 30 мкм. Сепарирование тел качения при малых по сравнению с длиной кареток ходах осуществляется сепараторами в форме планок с гнездами, изготовленных из листовой стали, полиамидов и других пластиков. Чтобы не происходило выкатывания тел качения из-под направляющих, длина сепаратора с телами качения должна на определенную величину превышать длину каретки. При необходимости больших ходов тела качения движутся по замкнутому контуру, причем обратный путь они совершают по более глубоким канавкам или отверстиям в каретке. Между рабочими телами качения закладывают тела качения меньшего диаметра, чем заменяют при отсутствии сепараторов трение скольжения между рабочими телами трением качения. В качестве тел качения применяют также точные роликовые цепи, в том числе и замкнутые, выпускаемые подшипниковой промышленностью. Сепараторами в них служат оси и пластины. Рис. 9.9. Направляющие в виде роликов на осях: а - ролик на прямой оси; б - ролик на оси с эксцентриситетом
Направляющие качения 161 Широко распространены направляющие в виде роликов на осях (рис. 9.9). Установка ролика на эксцентричную ось позволяет регулировать зазоры и обеспечивать равномерность раздачи нагрузки по роликам. При малых нагрузках в качестве ролика используют непосредственно шарикоподшипник; если нагрузка значительна, то на наружное кольцо подшипника для увеличения его прочности надевают обод. Такие конструкции применяют для предохранения от боковых смещений односторонних направляющих качения, для разгрузки направляющих скольжения и как самостоятельные направляющие при восприятии вертикальной нагрузки (например в телескопических конвейерах-метателях). 3. Винтовые пары качения Для облегчения точных рабочих и установочных перемещений передачей винт-гайка, а также для уменьшения сил трения в механизмах с ручным приводом применяют передачи с трением качения (вместо трения скольжения) в паре. Одна из таких конструкций приведена на рис. 9.10. Она имеет гайку, состоящую из трех закаленных роликов, расположенных в общем корпусе симметрично относительно оси винта. Каждый ролик является цилиндрической рейкой, сопрягающейся с винтом. Осевые усилия, передаваемые на ролики, воспринимаются упорными шарикоподшипниками, а радиальные - игольчатыми подшипниками. Более технологична винтовая пара с шариками (рис. 9.11 а). Винтовые канавки на теле винта и гайки служат дорожками качения. Непрерывность движения шариков при вращении винта достигается тем, что начало и конец резьбы гайки соединены обводным каналом, образованным телом гайки и скрепленным с ним отражателем. Рабочие поверхности деталей закалены. Смазку производят при сборке. Если /? - расстояние центра шарика от оси винта, то шарик контактирует с винтовыми поверхностями канавки в плоскости, перпендикулярной направлению винтовой линии на цилиндре с радиусом /?. В этой плоскости могут быть два вида профиля винтовой Рис. 9.10. Передача винт - гайка с роликами 11 - 2039
162 ЗАМЕНА В УЗЛАХ МАШИН ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ ТРЕНИЕМ КАЧЕНИЯ Рис. 9.11. Шариковая передача винт - гайка: а - пара с одинарной гайкой; б - пара со сдвоенной гайкой и предварительным натягом канавки: профиль, очерченный дугами окружности в виде готической арки (рис. 9.12 а), и круговой профиль (рис. 9.12 б). Радиус профиля режущих кромок инструмента а р = гн- > соза где а- угол, определяющий при отсутствии нагрузки положение точек контакта шарика: Щ а = Ыа. КПД винтовой пары качения без учета трения шариков между собой и по отражателю для случая преобразования вращательного движения в поступательное выражается формулой к (Г 8Ш а • 81П X + к С08^) СОЗЯ где к - коэффициент трения качения между шариком и винтовыми поверхностям винта и гайки; X - угол подъема винтовой линии радиуса К. Если в выражении для т] заменить тригонометрические функции X на сходственные, то получим формулу для КПД применительно к случаю преобразования поступательного движения во вращательное. Для кругового профиля винтовой канавки (см. рис. 9.11 б) угол а = 0. Если предусмотреть радиальный зазор в паре, то контактирова-
Винтовые пары качения 163 Рис. 9.12. Профиль режущих кромок инструмента и профиль винтовой канавки в плоскости, перпендикулярной к проходящей через центр шарика винтовой линии: а- профиль, очерченный дугами окружностей; б -круговой профиль; М} и М7 - точки контакта шарика с винтовой поверхностью канавки; г - радиус шарика; р - радиус профиля режущих кромок инструмента; а, Ь - координаты центра дуги окружности профиля р = г + л/а2 +Ъ2 ние поверхностей станет возможным в результате осевого сдвига гайки относительно винта. Угол а окажется положительным, и КПД передачи возрастет. Сдвоенные гайки (рис. 9.11 б) с предварительным натягом, создаваемым пружинами, применяют при недопустимости осевой "игры". Приведем пример глобоидной червячной передачи с трением качения (рис. 9.13). Конструкция (заявка № 2414141, Франция) включает глобоидный червяк 7, червячное колесо 2 и несколько комплектов шариков 3. В колесе имеются сквозные отверстия, в которые установлены трубчатые обоймы 4, открытые со стороны витков червяка. Благодаря этому в контакте между витками червяка и зубьями колеса возникает трение качения, что значительно повышает КПД передачи. Для предохранения шариков от выпадения в нерабочей зоне на червячном колесе закреплен кольцевой бандаж. Передача может иметь одно-, а также многозаходный червяк. Рабочие поверхности зубьев нитрируют до получения твердости НКС 68-72. Рис. 9.13. Конструктивная схема глобоидной передачи с трением качения 11»
164 ЗАМЕНА В УЗЛАХ МАШИН ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ ТРЕНИЕМ КАЧЕНИЯ Рис. 9.14. Комбинированная опора для цилиндрической направляющей Представляет интерес комбинированная опора для цилиндрической направляющей. Здесь сочетается малое пусковое усилие в подшипнике качения с последующим перемещением подшипника скольжения (патент ГДР № 140904). Опора (рис. 9.14) позволяет при сравнительно простой конструкции и больших величинах перемещений поступательно движущейся по цилиндрическим направляющим 1 каретки 2 обеспечить низкий коэффициент трения при страгивании и на начальном участке хода. На направляющей 1 с помощью конусных втулок 3, являющихся подшипниками скольжения, центрируется гильза 4, на наружной поверхности которой надет сепаратор с шариками 5. Последние располагаются в кольцевом зазоре между кареткой и гильзой, поверхности которых являются рабочими поверхностями качения шариков. Сила, перемещающая каретку, прикладывается вдоль ее оси и вначале вызывает движение каретки относительно неподвижно стоящей гильзы на шариках 5, т.е. с низким коэффициентом трения качения. После того как свободный ход между гильзой и кареткой выбран, последняя упирается в гильзу и движется вместе с ней как одно целое; перемещение происходит по подшипникам скольжения 3. За счет малого коэффициента трения движущиеся части могут на начальном участке хода быстро набрать скорость, а разгон гильзы 4 осуществляется за очень короткое время, что позволяет быстро пройти зону трения без смазки. Благодаря этому улучшаются динамические свойства привода, уменьшается износ подшипников скольжения. Смазочная система - замкнутая, фетровые сальники 6 обеспечивают смазку подшипников скольжения. Пример комбинированного подшипника качения и скольжения представлен на рис. 9.15 (патент США № 4394091). Подшипник состоит из радиального шарикоподшипника 1 и гидравлического подшипника скольжения 2, который имеет перекрывающие друг друга
Винтовые пары качения 165 лепестки 3, соединенные с втулкой 49 запрессованной в расточку корпуса 5. Шарикоподшипник устанавливают на валу б с таким зазором с, чтобы при неподвижном вале или при малой частоте его вращения цапфа 7 вала опиралась на внутреннее кольцо подшипника. При увеличении частоты вращения лепестки 3 подшипника скольжения работают как гидродинамическая опора вала. В результате этого вал несколько поднимается и приложенная к нему нагрузка начинает распределяться между шарикоподшипником и подшипником скольжения. При достижении определенной частоты вращения вала его цапфа выходит из контакта с внутренним кольцом подшипника 1 и вал начинает поддерживаться только подшипником скольжения 2. Это обеспечивается малой величиной эксцентриситета оси вала относительно оси подшипника 2, значительно меньшей величины зазора с. Конструкция позволяет снизить трение в узле при малых частотах вращения, а также уменьшить смещение оси вала при изменении частоты его вращения в период пуска до рабочей частоты вращения. Игольчатые подшипники не могут нести радиальную нагрузку, поэтому их иногда снабжают упорными кольцами из антифрикционного материала. Пример такой конструкции показан на рис. 9.16 (а.с. № 898145, СССР). Подшипниковый узел имеет смонтированный на оси 1 подшипник качения с наружным кольцом 2 и телами качения 3, а также крышки 4 и установленные между торцами подшипника и Рис. 9.15. Комбинированный подшипник качения и скольжения Рис. 9.16. Игольчатый подшипник с упорными кольцами
166 ЗАМЕНА В УЗЛАХ МАШИН ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ ТРЕНИЕМ КАЧЕНИЯ крышками опорные шайбы, выполненные в виде двух концентрично установленных металлического 5 и металлокерамического 6 колец. При этом кольцо б контактирует только с кольцом подшипника, а кольцо 5 только с телами качения. При вращении наружного кольца подшипника тела качения 3 вращаются, обкатываясь на оси /. Благодаря этому большие осевые нагрузки, действующие на наружное кольцо подшипника, воспринимаются только металлокерамической шайбой 6, а меньшие осевые нагрузки от тел качения - только металлическими шайбами 5. Такое выполнение опорной шайбы улучшает смазку узла, устраняет возможность схватывания с деталями, имеющими разные окружные скорости, позволяет повысить надежность и долговечность подшипникового узла. 4. Высокоскоростные совмещенные опоры Совмещенными опорами называются опоры, у которых рабочие элементы подшипников находятся непосредственно на валу или на оси опоры (рис. 9.17). Отсутствие внутренних колец исключает отрицательное действие их разностенности, кроме того, создается возможность увеличить предельную частоту вращения, уменьшить габариты узла и нагрузки от центробежных сил за счет уменьшения диаметра по центрам тел качения. Основы проектирования, расчета и эксплуатации совмещенных опор были разработаны Д.Д. Городецким. В дальнейшем для серийного производства совмещенные опоры разрабатывались и совершенствовались под руководством Н.М. Федосеева и другими учеными и конструкторами. Большая работа по созданию совмещенных опор, исследованию условий их эксплуатации, технологии изготовления и контроля, по уменьшению вибрации и температуры и по оценке их надежности была выполнена Е.А. Панфиловым и Ю.А. Самсаевым [3]. Последующий материал по совмещенным опорам изложен на основании работ последних авторов. В совмещенных опорах, помимо сказанного выше, исключаются торцевые биения заплечиков корпуса, неперпендикулярность торцов наружных колец к образующей наружной поверхности кольца. Примеры совмещенных опор с желобами (дорожками качения) на деталях, заменяющих наружные кольца, или в корпусе изделия приведены на рис. 9.17- 9.24. \Щ& &УА Рис. 9.17. Совмещенная высокоскоростная опора с дорожками качения на валу
Высокоскоростные совмещенные опоры 167 Рис. 9Л 8. Разборные совмещенные опоры с дорожками качения на валу и в корпусе: а - опора гиромотора; б - опора гироскопа (фирма "Нью Диначе", США) 2 3 4- ш5. Рис. 9.19. Неразборная совмещенная высокоскоростная опора с дорожками качения на валу и в корпусе
168 ЗАМЕНА В УЗЛАХ МАШИН ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ ТРЕНИЕМ КАЧЕНИЯ Имеются опоры качения, у которых элементы совмещены как с валом, так и с корпусом или деталями изделия, заменяющими внутренние и наружные кольца (рис. 9.18). Разборные совмещенные опоры без внутренних и наружных колец оказались перспектив