CC BY
112
УДК 678.0
Панова Ирина Михайловна
ФБГОУ ВПО «Московский Государственный Технический Университет им. Н.Э. Баумана»
Россия, Москва1 Доцент, кандидат технических наук E-Mail: [email protected]
Аннотация: Представленная статья посвящена исследованию поведения
трибопластов, в узлах трения, в частности, в подшипниках скольжения. На сегодняшний день антифрикционные свойства указанных материалов изучены не достаточно, что затрудняет прогнозирование долговечности подшипников скольжения с вкладышами из трибопластов. Следует отметить, что решение этого вопроса является многосторонним и достаточно сложным, поэтому необходимо развивать теорию изнашивания трибопластов и совершенствовать экспериментальную базу. В связи с этим в статье проанализировано влияние на износ трибопластов основных, определяющих долговечность подшипника, факторов. Установлено, что при небольшой скорости вращения вала чаще всего имеет место усталостный износ, что объясняется дискретным характером фрикционного контакта по мостикам. Несмотря на то, что износ является сложным процессом, отражающим все физикохимические процессы, происходящие в пограничных слоях контактирующих материалов, главное место в работе, все же, отводится влиянию механических факторов. Среди них выделим твердость, предел текучести материала, чистоту обработки поверхности, коэффициент трения, геометрические параметры соединения, температуру эксплуатации, прочность пятна контакта, а также соблюдение условия градиента механической прочности. В статье приводятся простые аналитические выражения, связывающие указанные параметры, и позволяющие, в конечном счете, прогнозировать ресурс работы подшипника скольжения по величине линейного износа вкладыша подшипника.
Ключевые слова: Подшипник скольжения; износ; трибопласт; долговечность; ресурс; вкладыш подшипника; антифрикционный материал; трение.
Износ трибопластов в подшипниках скольжения
Идентификационный номер статьи в журнале 125TVN214
1 105005, Москва,ул.2-я Бауманская д.5,стр. 1
Полимеры находят широкое применение для изготовления трущихся поверхностей подшипников скольжения благодаря их высокой технологичности и низкой стоимости; при этом они обладают высокой износостойкостью и достаточно низким коэффициентом трения. Полимерные материалы, предназначенные для узлов трения, называют трибопластами, [1]. Современные трибопласты являются композиционными материалами на основе полимерной матрицы с наполнителями и целевыми добавками. Следует отметить, что единого подхода к описанию природы трения полимеров не существует. В работах [2], [3], [4] рассматриваются основные положения, описывающие поведение полимеров в условиях внешнего трения. В основном, количественная оценка привязана к более точному определению площади истинного контакта, при этом учитывают температуру, скорость скольжения и давление. Отметим сложность таких решений и неоднозначность получаемых результатов, причем, отсутствие на сегодняшний день достоверного анализа особенностей трения и износа трибопластов в подшипниках скольжения затрудняет выбор материала и оценку долговечности подшипника.
В настоящей статье также рассмотрены лишь некоторые особенности поведения трибопластов в условиях внешнего трения, что актуально для анализа основных факторов, влияющих на износ подшипников скольжения.
Влияние коэффициента трения на износостойкость подшипника является ключевым вопросом при оценке его долговечности. Отметим также, что коэффициент трения также зависит от многих факторов, среди которых определяющими являются следующие: величина нагрузки, относительная скорость скольжения и температура поверхности. Кроме того, вследствие волнистости и шероховатости поверхностей вала и вкладыша контакт происходит в дискретных областях, называемых пятнами касания. Пятна касания представляют собой элементарные площадки контакта, возникающие в результате упругих или пластических деформаций, [5].
Размеры пятен касания зависят от твердости и величины предела текучести полимера, (или предела вынужденной выносливости), а также от величины нормальной нагрузки, температуры и скорости скольжения, и находятся в пределах от 1 до 50 мкм. В пятнах касания возникают силы сцепления, определяемые величиной адгезии, температурой и другими факторами, которые способствуют образованию мостиков контакта. При вращении вала наблюдается перемещение пятен касания по поверхности контакта, сопровождающееся локальным объемным деформированием поверхностных слоев полимера, причем, одновременно преодолеваются силы сцепления в имеющихся пятнах касания и образуются новые пятня. Прочность пятна контакта зависит от фрикционной связи, являющейся важной характеристикой трения скольжения и влияющей на температуру рабочей зоны и износостойкость. Чем больше объем слоя, втянутого в деформацию, тем прочнее фрикционные связи. Для полимеров, обнаруживающих вязкоупругие свойства, эти связи прочнее, чем для традиционных подшипниковых сплавов цветных металлов, поэтому и износостойкость полимеров выше. Кроме того, коэффициент трения полимеров уменьшается с увеличением приложенной нагрузки. Это положение подтверждается экспериментальными наблюдениями. Отметим также, что в сухой атмосфере коэффициент трения, например, полиамидов незначительно изменяется с температурой.
Рис. 1. Взаимодействие стального вала с втулкой из трибопласта
На рис. 1 показана схема, отображающая взаимодействие стального вала с втулкой из трибопласта в трех позициях: 1-исходное положение вала, с зазором между вкладышем и валом, 2-контактирование вала с втулкой под нагрузкой и начало процесса износа, 3-внедрение вала во втулку при износе. В процессе эксплуатации в подшипнике скольжения стальной вал, радиусом г скользит по деформируемому полимеру. Износ полимера достигнет своей предельной величины ^ когда начнет выполняться условие (1):
и
> с
1 - 2-
(1)
т у
Где ^абсолютная величина износа, определяемая по глубине внедрения вала на пути трения, т- сопротивление срезу мостика, за которое можно принимать напряжение от удельной окружной силы, oт - предел текучести трибопласта, ^коэффициент, определяемый экспериментально , в зависимости от нормального давления P и скорости скольжения v. Путь трения, или пробег, связан с ресурсом работы подшипника, который исчерпывается при резком скачке момента трения. На ресурс также влияет твердость вала и трибопласта. Например, при изготовлении вала из алюминия, или меди возможен перенос частиц металла на поверхность пластмассового вкладыша. Алюминий при этом втирается в поверхность пластмассы, а медь переносится под действием адгезии. При трении по закаленной стали, наоборот, полимер переносится на поверхность вала. Пластическое течение вызывает вытягивание полимерных цепей вдоль направления скольжения. Это приводит к снижению предела текучести при сдвиге, чем и можно объяснить низкое значение коэффициента трения. Вместе с тем, снижение предела текучести при сдвиге приводит к отслаиванию ориентированного полимера, что приводит к увеличению износа. Отметим, также, начальное увеличение площади контакта под нагрузкой без скольжения вследствие пластических деформаций; кроме того, статический коэффициент трения намного превышает коэффициент трения скольжения, [6].
Важным условием обеспечения износостойкости подшипника является соблюдение правила градиента механической прочности (эффект Ребиндера), [7]. В применении к вкладышу из трибопласта это означает, что его прочностные свойства должны повышаться от поверхности вглубь от зоны контакта. У разных подшипников это выполняется по-разному, например, за счет нанесения покрытий или смазочных пленок, а у полимеров за счет
т
г
естественного размягчения тонкого приповерхностного слоя благодаря тепловыделению. Известно, что вода также может служить смазкой, однако, значительное влагопоглощение, присущее этим материалам, одновременно сильно повышает коэффициент трения. Для полиамидов при увеличении влажности до 10% может происходить повышение значения коэффициента трения с 0,1 до 0,9. Объясняется это тем, что из-за набухания материала возрастает площадь контакта.
Многообразие процессов, происходящих в контактном слое трибопласта, приводит к разным видам износа. По характеру промежуточной среды различают износ при трении без смазки, износ при граничном трении и износ при наличии абразива, а также различают износ при упругом контакте, при пластическом контакте и микрорезании, [8]. При небольшой скорости вращения вала чаще всего имеет место усталостный износ, что можно объяснить дискретным характером фрикционного контакта по мостикам. Экспериментально подтверждается, что для полимеров, при прочих равных условиях, чем ниже коэффициент трения, тем меньше износ,[9].
Трение и сопровождающий его износ характеризуют следующие параметры: коэффициент трения скольжения, интенсивность износа и износостойкость. Износостойкость является величиной, обратной износу. Для каждого трибопласта существует наиболее благоприятная, с точки зрения износа, область параметров эксплуатации. Для подшипников скольжения основными параметрами являются нормальное давление P и скорость скольжения v, однако, чаще для оценки работоспособности используют их произведение [Pv], при этом произведение РУ представляет собой удельную работу сил трения, которая связана с возникающим тепловыделением ДТ выражением (2):
РУ1 =—N,
(2)
Где Г-коэффициент трения, к-коэффициент теплоотвода, (Вт/град), Б-площадь проекции поверхности трения на плоскость, равная произведению ё1, где ё-диаметр вала, 1-его длина в зоне контакта с подшипником.
Фиксирование превышения температуры сверх допустимой для данного трибопласта, позволяет определить и ограничить область значений параметров Р и у, обеспечивающих длительную эксплуатацию. Так, проведение предварительных лабораторных испытаний позволяет оценить пригодность материала к использованию в условиях, связанных с возможностью превышения допустимой температуры.
50 100 т, °С
Рис. 2.Влияние температуры
s
На рис. 2 показано влияние температуры на интенсивность износа, видно, что для амидопластов повышение температуры выше 70° приводит к резкому повышению интенсивности износа. Износ является основным критерием работоспособности подшипника скольжения. В работе [11] предложено простое аналитическое выражение, для определения ресурса по величине линейного износа вкладыша подшипника, (3):
и2!2 и
t = , (3)
КР2 1 + Л. ’
и
ё-диаметр вала, и-линейная величина износа, Р-нагрузка на подшипник, К-экспериментально определяемый коэффициент, зависящий от скорости скольжения, Лг -начальный зазор в подшипнике, величину которого назначают исходя из условий обеспечения нормальной работы подшипника при заданных условиях эксплуатации, [7,3,10].
В заключении отметим, что минимальный износ наблюдается при седьмом-восьмом классе шероховатости поверхности вала, а введение наполнителя в полимер, при наличии прочной адгезионной связи полимер-наполнитель, существенно понижает скорость его износа.
ЛИТЕРАТУРА
1. Технические свойства полимерных материалов: Уч.-справ.пос./ В.К.
Крыжановский, В.В. Бурлов, А.Д. Паниматченко и др.-СПб.,Изд-во»профессия»,2003.-240с.
2. Г. М. Бартенев, В. В. Лаврентьев. Трение и износ полимеров. Изд-во «Химия», Л. 1972.- 240с.
3. Полимеры в узлах трения машин и приборов. Справочник под ред. Чичинадзе А.В. М.:, «Машиностроение», 1988.-328с.
4. Гаевик Д.Т. Подшипниковые опоры современных машин. М.: Машиностроение, 1985.-248с.
5. http://www.femto.com.ua/artic1es/part_2/4145.htm .Энциклопедия физики
6. М. Эшби, Д. Джонс. Конструкционные материалы. Полный курс. Издательский дом «Интеллект», перевод с английского. 2010.-672с.6. . М. Эшби, Д. Джонс. Конструкционные материалы. Полный курс. Издательский дом «Интеллект», перевод с английского. 2010.-672с.
7. Альшиц И.Я. и др. Проектирование изделий их пластмасс. - М.:
«Машиностроение», 1979. - 248с.
8. Трение изнашивание и смазка. Справочник под ред. И.В. Крагельского М. ^МАШИНОСТРОЕНИЕ» 1978. -400с.
9. Триботехнические свойства антифрикционных самосмазывающихся пластмасс: Обзор.Информ./Госстандарт; ВНИЦГССД; Под ред. Г.В. Сагалаева М.:Изд-во стандартов,1982.-64с.
10. Ремизов Д.Д. Пластмассовые подшипниковые узлы. Харьков: Изд-во при Харьковском ун-те,1982.-176с
11. А.Д. Панов, И.М. Панова Влияние износа на долговечность полимерных подшипников скольжения. Научно-аналитический журнал «Научная перспектива» №2,2014г, с.99.
Рецензент: Колесников А.Г., доктор технических наук, профессор МГТУ им. Баумана.
Irina Panova
Moscow State Technical University Bauman
Russia, Moscow E-Mail: [email protected]
Triboplast wear in sliding bearings
Abstract: Presented article is devoted to the investigation of conduct triboplast in friction units, in particular, in the sliding bearings. To date the material studied antifriction properties is not enough, which makes it difficult to predict the durability of bearings with inserts from triboplast. It should be noted that this issue is a multilateral and difficult, so it is necessary to develop the theory of wear triboplast and improvement of experimental base. In this connection, article on the influence of the wear of triboplast main, determining the durability of the bearing. Found that in slow speed more often is fatigue wear, due to the discrete nature of frictional contact on bridges. Despite the fact that depreciation is a complex process that reflects all of the physical and chemical processes occurring in the boundary layers in contact materials, the main part of the work, however, is the influence of mechanical factors. Among them, select the hardness, yield strength of the material, surface treatment, friction coefficient, geometric connection parameters, temperature, contact resistance, as well as compliance with the conditions of the mechanical strength of the gradient. The article provides simple analytical expressions that bind to the specified options, and to ultimately predict the life of bearing the largest linear wear of bearing liner.
Keywords: Bearing wear; triboplast; durability; resource; bearing shell; antifriction material; friction.
Identification number of article 125TVN214
REFERENCES
1. Tehnicheskie svojstva polimernyh materialov: Uch.-sprav.pos./ V.K. Kryzhanovskij, V.V. Burlov, A.D. Panimatchenko i dr.-SPb.,Izd-vo»professija»,2003.-240s.
2. G. M. Bartenev, V. V. Lavrent'ev. Trenie i iznos polimerov. Izd-vo «Himija», L. 1972.- 240s.
3. Polimery v uzlah trenija mashin i priborov. Spravochnik pod red. Chichinadze A.V. M.:, «Mashinostroenie», 1988.-328s.
4. Gaevik D.T. Podshipnikovye opory sovremennyh mashin. M.: Mashinostroenie, 1985.-248s.
5. http://www.femto.com.ua/articles/part_2/4145.htm .Jenciklopedija fiziki
6. M. Jeshbi, D. Dzhons. Konstrukcionnye materialy. Polnyj kurs. Izdatel'skij dom «Intellekt», perevod s anglijskogo. 2010.-672s.6. . M. Jeshbi, D. Dzhons. Konstrukcionnye materialy. Polnyj kurs. Izdatel'skij dom «Intellekt», perevod s anglijskogo. 2010.-672s.
7. Al'shic I.Ja. i dr. Proektirovanie izdelij ih plastmass. - M.: «Mashinostroenie», 1979. - 248s.
8. Trenie iznashivanie i smazka. Spravochnik pod red. I.V. Kragel'skogo M. :»MAShIN0STR0ENIE»1978.-400s.
9. Tribotehnicheskie svojstva antifrikcionnyh samosmazyvajushhihsja plastmass: Obzor.Inform./Gosstandart; VNICGSSD; Pod red. G.V. Sagalaeva M.:Izd-vo standartov,1982.-64s.
10. Remizov D.D. Plastmassovye podshipnikovye uzly. Har'kov: Izd-vo pri Har'kovskom un-te,1982.-176s
11. A.D. Panov, I.M. Panova Vlijanie iznosa na dolgovechnost' polimernyh podshipnikov skol'zhenija. Nauchno-analiticheskij zhurnal «Nauchnaja perspektiva» №2,2014g, s.99.
