Проблемы машиностроения и надежности машин, 2019, № 2, стр. 40-45

Анализ современного состояния рассматриваемой проблемы. Уменьшение сил трения в подшипниках скольжения необходимо, чтобы снизить непроизводительные затраты энергии и износ контактирующих деталей. Для этой цели разработано большое количество различных конструкций опор скольжения, включая пористые порошковые подшипники, пропитанные разнообразными смазочными материалами [1–6]. Выделяясь в результате терморасширения при работе подшипника, смазочный материал обеспечивает смазку рабочей зоны. Основным недостатком подобных опор является их повышенный износ в моменты пуска–выбега, обусловленный дефицитом смазки при пуске, из-за низкой температуры зоны трения, и малой скорости при выбеге, недостаточной для образования гидродинамического клина.

Изложение существа решения проблемы. Описываемая конструкция оригинальных подшипников скольжения [7] имеет комбинированную полимерпорошковую контактную поверхность (рис. 1), отличающуюся от аналогичных решений тем, что она покрывается регулярной сеткой выступов, образованных полимерными вставками.

Рис. 1.

Полимерпорошковый подшипник (а) общий вид, (б) схема: 1 – порошковая матрица, 2 – вал, 3 – полимерные вставки.

Увеличивая маслоемкость контактной области, выступы предотвращают сухой контакт металлической поверхности вала и пористого подшипника в момент пуска. Эти вставки оказывают демпфирующее действие, исключая жесткое динамическое контактирование в нестационарных условиях трения при пусках–выбегах (ПВ%). Разработанный подшипник имеет пористую матрицу, спеченную из металлических порошков (ЖГР1; 5Д2.5; К0.8 при П-20%). Вставки выполнены из полиамида ВА6 $\frac{{210}}{{310}}$. Таким образом подшипник представляет собой составную полимерпорошковую конструкцию. Технология изготовления включает формование и спекание опорной части подшипника (матрицы) необходимого размера. Далее на рабочей поверхности матрицы выполняют расположенные в узлах регулярной сетки конические отверстия заданного диаметра, сужающиеся от наружной поверхности к внутренней. На наружной поверхности матрицы выполняют бандажные канавки, связывающие отверстия и предотвращающие выдавливание вставок из матрицы. Втулка с отверстиями устанавливается в литьевую пресс форму и подвергается заливке расплавом полимера. Бандажные канавки также заполняются полимером, что способствует фиксации вставок. Полученную полимерпорошковую конструкцию пропитывают маслом в вакууме. Для обеспечения размерной точности и упрочнения рабочей поверхности опорную втулку радиального подшипника дорнуют в жесткой обойме с определенной степенью деформации. При изготовлении упорных подшипников используется обработка поверхностным пластическим деформированием методом выглаживания. Ее результатом является образование полимерных выступов микронной высоты. Из-за различной величины пластических деформаций спеченной пористой матрицы и полимерного материала (пористая матрица при малых степенях деформации деформируется пластически, а полимер упруго) полимерные вставки выступают над рабочей поверхностью подшипника.

Параметрами, определяющими работоспособность подобных подшипников скольжения, являются температура и толщина разделительной смазочной пленки, характеризующая режим жидкостной смазки. В подшипниках скольжения разделение трущихся поверхностей вкладыша и вала наступает при толщине смазочного слоя h_кp равной 0.1–0.3 мкм. Работа таких подшипников устойчива при соблюдении условия h_min > h_кр + 2 мкм. Контактное трение вызывает разогрев матрицы и смазочного материала, активируя выделение смазки из пор, что создает устойчивую разделительную пленку в течение всего времени работы трибоузла. Упруговосстанавливающие свою форму полимерные выступы являются армирующими элементами разделительной пленки. Их высота соизмерима с толщиной пленки и может меняться для различных конструкций и типоразмеров от единиц мкм до 20 мкм. При пуске вал, поддерживаемый полимером, не имеет фрикционного контакта с пористой матрицей, что исключает пусковой износ. Износ при выбеге устраняется за счет демпфирования и упругой поддержки вала полимером. Исследования разработанной конструкции проводились на триботехническом компьютеризированном испытательном комплексе Т11 (трение по схеме “палец–диск”). Машина трения Т-11 предназначена для определения трибологических свойств материалов таких как металлы, пластики, керамики, покрытия в условиях сухого трения или со смазкой в воздушной среде или в среде других газов, при комнатной или более высокой температуре. Трибологические исследования на машине Т-11 соответствуют стандарту ASDTM G 99-90 “Стандартный метод испытания на износ при трении стержня о поверхность диска”. Трибологическая установка Т-11 включает (рис. 2): машину Т-11 с датчиком и системой управления ВТ-15, аналого-цифровой преобразователь – усилитель Spider 8, персональный компьютер (РС) с работающей программой Т-11-v2, которая принимает от пользователя скрипты, перерабатываемые затем компьютерной программой Catman v.4.5 rel.1.

Рис. 2.

Структура установки Т-11.

Полнофункциональная система Т-11 позволяет измерять, захватывать, сохранять, демонстрировать на экране и печатать данные: о силе трения, о перемещении стержня в процессе трения, о температуре держателя стержня/шарика, о времени, а также задавать число оборотов, окружающую температуру в испытательной камере, скорость вращения образца. Измеряемые сигналы преобразуются соответствующими датчиками, и через соединительные кабели подаются на ВТ-15 и Spider8, который преобразует их в цифровую форму и передает на компьютер. Скрипт Т-11-v2 позволяет сохранить, затем отпечатать или выдать на экран захваченные данные.

Образцы представляли собой порошковые диски с полимерными вставками (рис. 3).

Рис. 3.

Опорные элементы образцов упорных подшипников скольжения.

Жидкий смазочный материал подавали непосредственно под контртело, представляющее собой призматический палец со скосом для перехода в гидродинамический режим. В процессе эксперимента регистрировали следующие параметры: силу трения, температуру и толщину масляной пленки. Регистрируемые параметры обрабатывались в реальном времени компьютерной информационно-измерительной системой машины трения. Испытания проводились в диапазоне нагрузок 20…50 Н, скоростей 0.5…1.0 м/с, пути трения 3000…6000 м. Установленный в экспериментах темп изменения толщины масляной пленки при пуске машины трения увеличивается первые 2–3 минуты, а затем стабилизируется. Исследованием образцов с различным числом и диаметром полимерных вставок установлено, что процесс трения существенно зависит от соотношения площадей полимера и металлической поверхности, названного коэффициентом топологии ${{K}_{Т }} = \frac{{{{S}_{{{\text{п о л }}}}}}}{{{{S}_{{{\text{п о р }}}}}}}$, где S_пол – площадь полимерной поверхности трибосистемы; S_пор – площадь пористой металлической поверхности.

Имеющиеся конструкции образцов позволили моделировать различные значения коэффициента топологии в пределах K_T = 0.250–0.700. Для его оптимизации в качестве выходного критерия была выбрана сила трения, переменными факторами являлись K_T, и параметр PV. Оптимизационная задача решалась в рамках полнофакторного двухуровневого центрального композиционного экспериментального плана второй степени. В каждой точке выполнялось три параллельных опыта.

В результате исследований получена адекватная регрессионная модель в виде многочлена второй степени. В кодовых переменных эта модель имеет следующий вид

Здесь переменная X₁ соответствует коэффициенту топологии K_т, а Х₂ соответствует параметру нагружения PV. Регрессионный коэффициент при квадрате параметра Х₂ (0.056) отсутствует, так как является статистически незначимым при принятом уровне достоверности 0.95.

Анализ выражения (1) позволяет сделать заключение о том, что описываемая им поверхность отклика имеет желобообразную форму с прямолинейной наклонной осью. На силу трения наибольшее влияние оказывают режимы нагружения трибосистемы. При этом во всем исследованном диапазоне имеет место экстремальная зависимость силы трения от коэффициента топологии. Перейдя в выражении (1) к натуральным переменным будем иметь

Наибольшая погрешность модели (2) в сравнении с экспериментальными данными (их порядок приведен в таблице) не превышает 10%, а ее средняя величина равна 5.5%. Графическая интерпретация этой модели выполнена на рис. 4.

Рис. 4.

Влияние коэффициента относительной площади полимера K и параметра нагрузки PV на величину силы трения.

Двойной линией обозначена зона минимума силы трения. При отклонении обеих переменных факторов в связи со случайными колебаниями технологических и нагрузочных параметров в пределах ±10% величина силы трения будет изменяться от +14.9% до –10.1%. Это связано в большей степени с изменениями режимного параметра, а не коэффициента относительной площади. Величину минимальной силы трения, соответствующей оптимальному значению коэффициента “K”, находим дифференцируя выражение (2) по K_т и приравняв производную нулю.

Из (3) видно, что оптимальное значение K_т зависит от режимов трения и может быть легко определено для любого значения (PV) как

График зависимости влияния режимного параметра на силу трения при оптимальном значении коэффициента “K_т” приведен на рис. 5.

Рис. 5.

Влияние режимов нагружения на силу трения при оптимальном значении коэффициента “K_Т”.

Вариации оптимальной величины коэффициента относительной площади в пределах ±10% приводят к колебаниям силы трения не более 7.1% (таблица 1). Причем, с ростом нагружения чувствительность силы трения вариациям коэффициента относительной площади полимера снижается. Это связано как с общим ростом уровня сил трения и, очевидно, с составляющей гидродинамического трения.

Обсуждение результатов в научном и прикладном аспектах. Таким образом, величиной оптимального значения коэффициента относительной площади для исследованного диапазона конструктивных параметров подшипника можно считать 0.45 ± 0.05. Разработанная конструкция подшипника скольжения с комбинированной металлополимерной поверхностью трения, покрытой регулярной сеткой полимерных выступов, образованных вставками, предотвращает сухость поверхностей вала и пористого подшипника при пуске. Полимерные выступы оказывают демпфирующее действие, исключая жесткое динамическое контактирование металлических поверхностей подшипника и вала при критических и нестационарных нагрузках. Повышение температуры трибоузла вызывает расширение жидкой смазки, находящейся в порах матрицы, выполненной из металлических порошков, усиленное поступление смазки в зону трения и автоматическое поддержание температурного режима.

Триботехническими исследованиями установлено соотношение площадей металла и полимера на контактной поверхности подшипника скольжения. Это соотношение характеризуется максимальной стабильностью толщины разделительной масляной пленки и минимальным коэффициентом трения при вариации рабочих нагрузок.

В исследованном диапазоне конструкций упорных и радиальных составных подшипников скольжения длину полимерных вставок следует назначать из конструктивных соображений или выбирать равной 5 мм как обеспечивающую скорейший выход на стационарный температурный режим.

Разработанная конструкция упорного подшипника была испытана при работе специализированного смесителя эпоксидных компаундов, полностью подтвердив свои высокие триботехнические характеристики и ресурс работы в режиме самосмазывания.