автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Исследование долговечности тяжелонагруженных подшипников скольжения сухого трения

"•у О'Э.

к

государственный йаучно-йсслещоватедьский институт машиноведения

с.л.гафнер

исследование долговечности тяжшлонагруженных

подшипников СКОЛЬШШ СУХОГО трения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

* К [

научный руководитель - д. т.н. дроздов ю;н.

Исследование выполнялось в лаборатории "Долговечности и надежности узлов су -хого трения" Государственного научно-исследовательского института машиноведения.

Москва - 1974

i

СОДЕРЖАНИЕ

I.Оценка долговечности сухих подшипников скольжения

§1.Материалы для сухих подшипников скольжения ю

§2.Методы оценки долговечности(продолжительности

работы)сухих подшипников скольжения 17

§3.Схема расчетно-экспериментального исследования

долговечности подшипников скольжения 22

П.Теоретическое и экспериментальное исследование контактных параметров подшипников скольжения сухого трения 28

§1.Решение задачи И.Я.Штаермана 30

§2.Решение задачи М.В.Коровчинского 45

а.Отсутствие трения на контактном контуре 47

б.Влияние трения на контактные параметры §3.Экспериментальное исследование контактных параметров _

а.Известные экспериментальные исследования st

б.Экспериментальное определение угла контакта 69 Ш.Оборудование »материалы и методика экспериментального исследования трения и износа сухих подшипников скольжения 74 §1.Многопозиционный стенд для испытания подшипников скольжения сухого трения в атмосферных условиях и в вакууме,в расширенном диапазоне температур 77

§2 .Характеристики испытываемых материалов 87

а.Твердые смазочные покрытия и технологические принципы их нанесения 88

61

б .Конструкционные самосмазывающиеся материалы 90

§3.Методика проведения испытаний на трение и износ 93

«•Проведение испытаний на воздухе _95

^ б .Проведение испытаний в вакууме 99

».Проведение испытаний при повышенных температурах 101 г.Проведение испытаний при низких температурах 102 §4.Особенности обработки результатов испытаний 102 1У.Результаты экспериментальных исследований трения

и износа подшипников скольжения сухого трения 107 §1.Твердые смазочные покрытия на основе фторо -

JT дласта-4 110

а.Влияние контактной нагруженности 113

б.Кяияние скорости скольжения 118

в.Влияние материала подложки и контртела 123 §2.Твердые смазочные покрытия на основе MoSg 137

а.Влияние приработки на продолжительность

ТЯ7

работы узла трения

t б.Влияние контактной нагруженности 139

в.Влияние скорости скольжения 142

г.Влияние материала подлжки и контртела 144 §3.Влияние вакуума 145 §4.Влияние повышенных температур на трение и

износ твердых смазочных покрытий 153 -д §5.Исследование работоспособности подшипников ^ скольжения из конструкционных самосмазываю»

гцихся материалов 156

а.Изменение коэффициента трения в процессе работы подшипника скольжения 157

б.Влияние нагрузки 158

- 4 -

».Влияние скорости скольжения 161 г.Влияние вакуума 163 У.Определение долговечности сухих подшипников скольжения и рекомендации со применению самосмазывающихся материалов 169 §1.Методика оценки продолжительности работы

подшипников скольжения 169 §2 «Применение антифрикционных материалов для

сухих подшипников скольжения 185

Выводы 199

Приложение 202

Литература 203

£

Директивы ХХХУ съезда КПСС до пятилетнему плану развития народного хозяйства СССР на Х971-1975г.г. предусматривают дальнейшее развитие основных отраслей промышленности, таких как машиностроение »металлургия,химическая промышленность и др.Основной тенденцией в развитии современного машиностроения является интенсификация режимов работы различных узлов машин и механизмов,одними из главных элемен -тов которых являются узлы трения.В связи с этим одной из актуальнейших проблем,стоящих перед машиностроителями,яв -ляется обеспечение надежности и долговечности узлов трения, среди которых важное место занимают подшипники скольжения. Бели исследованию гидродинамических подшипников скольжения поевящено достаточно большое число фундаментальных трудов, то вопрос прогнозирования долговечности сухих (самоемазыва-ющихся )подшипников скольжения еще мало изучен.В значительной степени это связано со сложностью процессов,происходящих при сухой трении,и отсутствием теоретических решений , определяющих контактную иагруженность и протяженность контактной зоны. В связи с этим исследования носят,как правило, эмпирический характер,что не дает возможности обобщить полученные результаты и перенести их на другие самосмазывающиеся материалы.

В данной работе проанализированы существующие критерии работоспособности и долговечности подшипниковых материалов и приводится методика оценки продолжительности работы под -шипииков скольжения,зависящей от интенсивности износа ма -териалов контактирующих тел,путей трения,режимов работы узла.С целью определения протяженности контактной зоны и зако-

на распределения давлений по контактному контуру,на основе приближенного решения контактной задачи теории упругости для пары вал-втулка получены аналитические выражения,которые учитывают нагрузку,упругие свойства материалов контактирующих тел и геометрию сопряжения (диаметр и длину втулки ,радиальный зазор).По этим уравнениям определяются пути трения и контактное давление.

Влияние на интенсивность износа твёрдых смазочных материалов силовой нагруценности,скорости скольжения,теше -ратуры,,вида среды и материалов подложки и контртела оде -ннвалось экспериментально на многопозиционном стенде.разработанном в ИМАШ.Было испытано свыше 500 подшипников скольжения. Анализ полученных результатов и применение методов математической статистики позволили создать экспериментально-теоретический метод прогнозирования с заданной вероятностью минимальной долговечности«которая может быть обеспечена при задаваемых режимах работы узла трения.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю^.т.н. Ю.Н.Дроздову,за оказанную помощь в постановке и проведении данной работы,а также сотрудникам отдела "Теории трения",особенно М.Н.Добычину,В.П.Уколову,А.В.Ещомену и О.Д.Фролову за активное участие в описанном исследовании.

ГЛАВА___I

ШЕЙКА ДОЛГОВЕЧНОСТИ СУХИХ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ

Работа мшив и агрегатов современной техники происходит с постоянной интенсификацией их режимов» высокими и низкими температурами, в вакууме и агрессивных средах / 17/. Одновременно с атим повышаются требования к надежности и долговечности наряду со стремлением к упрощению и удешевлению разрабатываемых конструкций, к кондиционности вырабатываемых продуктов. Эти требования в значительной степени относятся к узлам трения*

Однако известно, что масла и смазочные материалы в настоящее время работоспособны в диапазоне температур примерно от ~70°С до +350°С. В то же время работа отдельных узлов машин, например насосов для перекачивания сжиженных газов, происходит при криогенных температурах ( -183 + -196°С).

Во время работы узлов трения с высокими нагрузками нет условий для образования гидродинамической смазки. Смазочное вещество ввдавдивается из зоны трения, особенно когда нагрузка приближается к пределу текучести материала. Низкие скорости сколь жения также вызывают нарушение гидродинамической смазки, так как давление в масляном клине оказывается недостаточным для восприятия нагрузки. Разрыв масляной пленяй приводит к взаимному зацепление микронеровностей и задирам поверхностей.

Использование обычных смазок в узлах трения, работающих в вакууме (в аппаратах космической техники, рентгеновских спектрометрах, электровакуумных устройствах и другой аппаратуре) затруднено. Вследствие высокой упругости паров большинство жидкостей и смазок в вакууме избирательно испаряется и теряет свои смазывающие свойства. Действие температуры еще более усугубляет этот процесс, а вынос подшипников из вакуумной камеры без герметизирующих устройств не дает положительного эффекта.

Поэтому применение узлов трения* не требующих подвода смазок, в условиях вакуума является актуаяьным вопросом вакуумной техники.

В ряде отраслей промышленности (пищевой, текстильной, химической) применение минеральных смазок приводит к загрязнению вырабатываемого продукта маслом, нарушению его стерильности и кондиционности, В химической промышленности загрязнение продукта недопустимо и по технологическим соображениям (попадание масла в кислород, фтористый водород и т.п.). Узды трения со смазкой маловязкими средами (керосин, бензин, углеводороды, вода) используются в агрегатах химической промышленности, в топливной аппаратуре и т.д. Во в связи с тем, что маловязкие жидкости обладают плохой смазывающей способностью, в процессе эксплуатации возможен переход к полусухому и сухому трению, что значительно снижает долговечность и надежность работы машин. Узлы герметичной аппаратуры, работающие при высоком давлении, подвержены периодическому воздействию колебаний давления в системе, что приводит к выбросам смазки и выходу узлов из строя. Работа дорожных, сельскохозяйственных машин, автомобилей и др. происходит в абразивной среде и требует подбора материалов, способных работать без минеральных смазок, противостоять абразивному изнашиванию и поглощать абразивные частицы. В узлах трения космических объектов, атомных реакторов, работающих в вакууме и в условиях радиоактивного облучения, повторная смазка полностью исключена ввиду невозможного доступа обслуживающего персонала во время работы, а также значительно ограничен выбор смазок в связи с условиями эксплуатации.

Наряду с этим следует указать, что стоимость маслосиете-мы для жидкой смазки может быть относительно высокой по сравнению со стоимостью самой машины, а габариты сравнительно большими. Применение удлотнительных устройств для разделения рабо-

чих и масляных капер усложняет конструкцию. Это особенно относится к малогабаритным индивидуальным установкам.

Одними из основных узлов трения в машиностроении являются опоры валов и осей машин а приборов, которые,в зависимости от вида трения делятся на две основные группы - опоры скольжения и опоры качения. Подшипники (опоры) скольжения, которые должны работать с низким коэффициентом трения, применяются во всех отраслях современного машиностроения. Имеется много конструкции машин, где применение подшипников скольжения является технически и экономически наиболее целесообразным иди даже единственно возможным (очень высокие скорости, недопустимость вибраций и т.п.). Применение подшипников скольжения вместо подшипников качения позволяет в ряде случаев экономить дефицитные материалы, сокращать производственные затраты, уменьшать габаритные размеры и вес, снижать вибрацию, повышать точность работы и т.п.

Использование подшипников скольжения в описанных выше условиях вызывает необходимость применять твердые смазки или самосмазывающиеся материалы.

За последнее время изучено большое число природных и искусственных твердых соединений, в том числе мягких металлов, окислов, сульфидов, хлоридов, иодидов и фторидов металлов, металлических солей, минералов и полимеров с целью использования их в качестве сухих смазок. Рациональным является использование таких материалов в виде тонких покрытий,прочно закрещенных на поверхности металла. Основными требованиями к подобным покрытиям, для обеспечения антифрикционных свойств, считаются следующие / 133 /:

1, Возможно меньшая толщина, чтобы при пластической деформации слоя твердой смазки существенно не изменилась геометрия и зазор подшипника.

2. Низкое сопротивление срезу. Это свойство непосредственно

связано с твердостью покрытия. Исключение составляет группа

. I о _

материалов слоистой структуры, обладающая анизотропией механических свойств в разных направлениях кристаллической решетки и дающая в направлении базовых плоскостей весьма низкое сопротивление срезу.

3« Высокая адгезия материала покрытия к подложке.

Высокое сопротивление износу, которое зависит от перечисленных свойств* Весьма вахннм является также вид продуктов износа, образующихся при трении.

5, Химические свойства материала покрытия, которые также имеют большое значение; некоторые твердые смазки могут разлагаться в процессе скольжения под воздействием температуры и пластической деформации, а продукты разложения - взаимодействовать с подложкой, формируя поверхностные пленки с новыми свойствами.

6. Высокая температурная стойкость, высокая теплопроводность слоя твердой смазки для отвода тепла от поверхностей трения*

§ I- Материалы для сухих подшипников скольжения

Наибольшее практическое применение в качестве твердых смазок в настоящее время получили графит и дисульфид молибдена. Наряду с ними изучено много материалов слоистой кристаллической структуры, показавших высокие антифрикционные свойства / 16 /, / 59 /,/ 117/,/ 120/. К ним относятся дисульфид вольфрама, ди-селениды вольфрама, молибдена и ниобия, нитрид бора, САС1. . СА^ ,СоС&2 и т.д* Физико-механические

свойства некоторых твердых смазочных материалов слоистой структуры приведены в табл. 1.1.

На основе дисульфида молибдена за рубежом разработаны производственные марки твердых смазок: моликоты - Англия, США, ФНГ, молиглис - Швейцария, молика - Чехословакия /61/»»/№//130 /, / 134 /. В Советском Союзе твердые смазки разработаны во Всесоюзном научно-исследовательском институте нефтепереработки (ВНИШШ) / 5 /, /87 /. 1 литературе имеется описание разлнч-

ж *

Физико-механические свойства некоторых слоистых

Таблица 1.1 твердых смазочных материалов

Показатель "Трафит : дисульфид : : молибдена : • * • * нитрид : дисульфид бора : вольфрама « * диселенид : молибдена : * « диселенид : вольфрама : * •

Удельный вес (г/см*) 2,27 ; 7,4 6,9 9,22

Твердость,по Моосу,спрессованных образцов 1,0+1,5 : 1-2 I - 2 : 1,0 « ^^ • •

Модуль упругости при сжатийоспрес-сованных образцов (кге/ем6) 50500 : 85000 22800 : * *

Температура окисления на воздухе, 600 : 350+400 : 700 : 510 400 350 1

Температура плавления, (°С) : 1185+2650 3000(азот) - 1200 1200 Ы м

Температура разложения,(°С) Сублимация 1100 :Сублимация при 3500 : при 3000 :(в 1400 вакууме) 1 4 1

Коэффициент теплопроводности, (ка^см.с,°С) У монокристалла - : парал.пл.: спайноетн-0Д9, : пе^ендик-г У прессов: материала: параллельно прессован« 0,036 : периендик: 0,69 : 1

Электропроводность При коми»:Полупровод-темпе рат .: ник парал.спайи. (1*12+2). КГ* перпеыдик. , (О?0*1,2.1О'6 Диэлектрик Полупровод-; ник

ных способов нанесения твердых смазок на поверхность трения /62/,

Тонкие слои твердых смазок,наносимые методом натирания или распыления из суспензий с летучими растворителями,удерживаются на поверхности силами адгезии частиц твердой смазки с металлами.Они сравнительно легко смываются жидкостями или удаляются при механическом воздействии.Долговечность таких пленок невелика.Значительно большую прочность и большее сцепление с поверхностью подложки имеют пленки твердых смазок со связующими. В качестве связующих используются фенолные,эпоксидные, кремнийорганические смолы»фторопласт-4 / 87 /»силикат натрия / 141 / и др.Кроме того, на антифрикционные свойства и степень адгезии к металлическим поверхностям большое влияние оказывают свойства материала поверхности,на которую наносится покрытие, и ее обработка /61/,/87/,/89/.Для улучшения адгезии твердей смазки к поверхности металла для различных материалов применяются различные виды предварительной обработки:для медных,магниевых и титановых сплавов-пассивирование поверхностей,для алюминиевых сплавов-анодирование .Стальные поверхности подвергаются фосфатированию. С целью увеличения активной площади часто прибегают к пескоструйной обработке поверхности абразивный ми частицами.

Слой сухих смазочных пленок весьма тонок (10-20 мкм) и может быть легко разрушен острыми гранями неровностей грубообра-ботанной сопряженной поверхности.Ввиду этого сопряженные поверхности должны быть обработаны по высокому классу чистоты.В то же время чистота поверхности определяет прочность сцепления покрытия с поверхностью металла.которая по данным исследователей / 87 /,/138/ минимальна при максимальной чиетоте поверхности С Яг. ==0,2 мкм),а оптимальна при значениях Яг=1,6 * 3,2 мкм. Одновременно следует указать и на недоцустимость присутствия

каких-либо загрязнений,например,масла,на поверхности трения, которые способствуют налипанию грязи,в том числе и абразивных частиц,кроме того,масло может оказывать растворяющее действие и способствовать размягчению связующих из органических смол.Под действием нагрузки масло может проникать через тонкое и сравнительно пористое покрытие твердой смазки и разрушать его сцепление с металлом.Вода.не разрушая правильно отверж-денные покрытия,при низких температурах может вызывать примерзание контактирующих поверхностей.

Кроме дисульфида молибдена и граф�