Самозмащувальний композит

Передбачуваний винахід відноситься до шаруватих самозмащувальних антифрикційних композиційних матеріалів і може бути використаний у вузлах тертя, наприклад, у високонавантажених і високошвидкісних напрямних підшипниках валів гідромашин і насосів, підп'ятниках гідроагрегатів і т.д. Однією з основних проблем гідромашинобудування вважається проблема створення і впровадження екологічно чистих і більш надійних напрямних підшипників валів гідромашин, здатних протистояти небезпечним вібраціям ротора в режимі гідродинамічного тертя. У режимі щоденних пусків і зупинок гідроагрегатів у напрямному підшипнику, особливо в оборотних гідромашинах, виникають часткове напівсухе і сухе тертя і сильна вібрація. При тривалій експлуатації гідроагрегатів у парі тертя настає комплексне зносоутомне ушкодження вала і підшипника. Підшипники, що застосовуються, із бронзовим, бабітовим і гумовим облицюванням не забезпечують багато що з зазначених вимог. Для підшипників, що працюють у зазначених умовах, розробляються різні матеріали, у т.ч. композиційні, що дозволяють забезпечити екологічну чистоту, вібропоглинення, тривалість експлуатації і надійність при високих навантаженнях і швидкостях. Відомий підшипниковий елемент ковзання, виконаний у вигляді двошарової тканини, що містить на лицьовій стороні синтетичні (з термопластичної смоли) нитки і на виворітній стороні металеві нитки. Виворітна сторона через припій з'єднана з несучею металевою підставою, а лицьова просочена термотвердіючею смолою. Недоліком відомого підшипникового матеріалу є виконання ниток лицьової сторони тканини з термопластичної смоли і просочення останніх термотвердіючею смолою, тому що зазначені смоли є посередніми антифрикційними матеріалами з високим коефіцієнтом тертя і низькими триботехнічними властивостями, унаслідок чого в підшипниках первісно закладені недостатні зносостійкість і довговічність, особливо при високих навантаженнях і швидкостях. Найбільш близьким з виявлених аналогів до передбачуваного винаходу є самозмащувальний підшипник ковзання, що містить текстильний армуючий каркас із синтетичними і вуглецевими нитками і металевими елементами у вигляді металевої нитки, просоченої термореактивним сполучним, причому за допомогою металевих ниток каркас зв'язаний з несучею поверхнею. При цьому каркас виконаний у вигляді трикотажного комбінованого переплетення з рядами, що чергуються, з пучків ниток з утворенням орієнтованих у тангенціальному напрямку стосовно циліндричної поверхні підшипника виворітних і витягнутих лицьових петель, а як металеву нитку використовують нитку з міді, як синтетичну нитку поліефірну нитку, як армуючу нитку - оксоланову чи вуглецеву нитки, при визначеному співвідношенні сумарних площ поперечних перерізів ниток. Недоліками відомого підшипника є: - низькі антифрикційні властивості робочої поверхні підшипника, виконаної з переплетення пучків, що чергуються, поліефірної, оксоланової чи вуглецевої і мідної ниток і просоченої сполучним з формальдегідної смоли, що приводить до високого коефіцієнта тертя і зносу; - низькі триботехнічні властивості і недовговічність; - складність структури композиційного матеріалу і технології виробництва підшипників. В основу передбачуваного винаходу поставлено задачу створити такий самозмащувальний антифрикційний композиційний матеріал, нове виконання якого дозволило б спростити його структуру, зменшити процес зносу і підвищити довговічність експлуатації останнього (не менш 20 років) без мастила в умовах високих навантажень і швидкостей, тим самим підвищити надійність і екологічну чистоту самозмащувальних напрямних підшипників екологічно чистих гідравлічних машин, де заміна напрямних підшипників неможлива без зупинки агрегату. Матеріал, що заявляється самозмащувальний композит (антифрикційна шарувата вуглеполімерметалева композиція УПМ-К) - характеризується тим, що містить текстильний армуючий каркас із синтетичними і вуглецевими нитками і металевими елементами, просочених сполучним. При цьому, відмітними ознаками передбачуваного винаходу в порівнянні з прототипом є: - виконання композита у вигляді шарів лицьовий-капронової і виворітний-вуглецевої тканин; - виконання співвідношення об'ємів капронової і вуглецевої тканин як 1:1; - попереднє насичення капронової тканини фторопластовою суспензією; - просочення шарів капронової і вуглецевої тканин сполучним на основі епоксидианових олігомерів; - уведення у фторопластову суспензію й у сполучне дрібнодисперсної бронзи як металевого елементу, відповідно, 15-25% і 15-25% від об'ємів; - уведення додатково у фторопластову суспензію й у сполучне лускоподібного графіту, відповідно, 1525% і 15-25% від об'ємів; - виконання наступного співвідношення компонентів, у об.%: Капронова тканина 33; Вуглецева тканина 33; Фторопластова суспензія 8, у тому числі: дрібнодисперсна бронза 15-25, лускоподібний графіт 15-25; Сполучне на основі епоксидианових олігомерів, 26, у тому числі: дрібнодисперсна бронза 15-25, лускоподібний графіт . 15-25. Виконання композита по обмежувальних ознаках дозволяє використовувати останній як підшипниковий матеріал. Виконання каркаса композита у вигляді лицьовий капронової і виворітний вуглецевої тканин дозволяє спростити структуру композита. При цьому, застосування капронової (синтетичної) тканини дозволяє значно зменшити коефіцієнт тертя і підвищити зносостійкість і довговічність підшипника. Виконання співвідношення капронової і вуглецевої тканин як 1:1 дозволяє одержати структуру композита з оптимальними властивостями. Відносне зменшення об'єму капронової тканини приводить до погіршення фізико-механічних і триботехнічних властивостей композита, що приводить до зниження зносостійкості і довговічності підшипника, а відносне зменшення об'єму вуглецевої тканини приводить до зменшення міцності композита. Відносне збільшення об'єму капронової тканини приводить до релаксації композита, а відносне збільшення об'єму вуглецевої тканини приводить до появи гістерезису в структурі композита, що приводить до погіршення фізико-технічних властивостей композита. Попереднє насичення капронової тканини (робочого шару) фторопластовою суспензією типу Ф-4Д дозволяє підвищити теплостійкість і хімічну стійкість композита. При цьому, суспензія не змочується, не поглинає воду і не набухає, добре впроваджується (просочує) у структуру тканини, що дозволяє додати робочому шару відмінні антифрикційні і водовідштовхувальні властивості. У силу своєї гігроскопічності і пористої структури суспензія добре насичується твердими і рідкими мастилами, що дозволяє одержати підшипники з заданими фізико-механічними і триботехнічними властивостями. Просочення капронової і вуглецевої тканин сполучним на основі епоксидиановых олігомерів, затвердненних аліфатичними амінами, що володіють найкращими фізико-механічними властивостями, із всіх існуючих, і стабільністю в роботі навіть при значних навантаженнях, дозволяє змочувати і з'єднувати тканини в дуже міцний композит, що має амортизаційні якості і добре працює при високих гідродинамічних навантаженнях. Уведення у фторопластову суспензію й у сполучне дрібнодисперсної бронзи, відповідно, 15-25% і 1525% від об'ємів, дозволяє забезпечити щільну структуру композита, збільшити жорсткість і твердість, зменшити деформацію композита і поліпшити теплоотвід в останньому. Уведення дрібнодисперсної бронзи менш 15% від об'єму підвищує деформацію композита, а більш 25% - зменшує міцність композита. Уведення додатково у фторопластову суспензію й у сполучне лускоподібного графіту, відповідно, 1525% і 15-25% від об'ємів, дозволяє зменшити коефіцієнт тертя і знос і підвищити довговічність роботи композита. Уведення лускоподібного графіту менш 15% від об'єму приводить до підвищення коефіцієнта тертя, до збільшення зносу що зменшення довговічності роботи композита, а більш 25% від об'єму - до зниження механічної міцності композита. Оптимальне співвідношення дрібнодисперсної бронзи і лускоподібного графіту в компонентах композита - рівний об'ємний зміст по 20%. Виконання композита при об'ємному співвідношенні компонентів, що заявляється, у%: Капронова тканина 33; Вуглецева тканина 33; Фторопластова суспензія 8, утому числі: дрібнодисперсна бронза 15-25, лускоподібний графіт 15-25; Сполучне на основі епоксидианових олігомерів 26, у тому числі: дрібнодисперсна бронза 15-25, лускоподібний графіт 15-25; дозволяє одержати композит з високими триботехнічними і фізико-механічними властивостями. У цілому, сукупність суттєвих ознак дозволяє одержати такий матеріал, котрий дозволяє зменшити коефіцієнт тертя і підвищити зносостійкість і довговічність підшипника, одержати підшипники з заданими фізико-механічними і триботехнічними властивостями, з високими амортизаційними якостями, з можливістю працювати при високих гідродинамічних навантаженнях, тобто дозволяє одержати надійні високошвидкісні підшипники. Передбачуваний винахід ілюструється кресленням і таблицями: Фіг.1 - структура самозмащувального композита; Фіг.2 - конструкція вкладиша підшипника; табл.1 - приклади конкретного складу композита; табл.2 - порівняльні характеристики конкретних складів композита і прототипу. Структура самозмащувального композита 1 (див. Фіг.1), нанесеного на металеву основу 2, складається із шарів лицьової (робочої) капронової тканини 3 і виворітної низькомодульної вуглецевої тканини 4. Тканини застосовуються з полотняним чи саржевим переплетенням ниток щільністю 8-12 некручених ниток на 1см довжини, при співвідношенні тканин як 1:1, при цьому капронова тканина попередньо насичена фторопластовою суспензією 5, а капронова і вуглецева тканини просочені сполучним 6 на основі епоксидиановых олігомерів, причому в суспензію 5 і в сполучне 6 уведені дрібнодисперсна бронза 7 і лускоподібний графіт 8. Конструкція вкладиша підшипника складається (див. Фіг.2) з металевого сектора 2 і нанесеного на останній самозмащувального композита 1. Вкладиш підшипника виконується в такий спосіб. На сектор 2 наноситься шар композита 1, товщиною 2-3 мм, методом прямого контактного формування по спеціальній безвідхідній технології. У залежності від умов роботи і вимог до матеріалу, самозмащувальний композит може бути виконаний по конкретному рецепту і складу (див. табл.1). Самозмащувальний композит (з різним конкретним складом) у порівнянні з матеріалом відомого самозмащувального підшипника ковзання (див. табл. 2) при робочому питомому навантаженні, характерному для напрямних підшипників гідротурбін, має більш високе значення Ρ V-фактора, що потрібно для високошвидкісних підшипників ковзання. Робоча поверхня композита 1 формується шаром дуже міцної, з гарними антифрикційними властивостями, капронової тканини 3, насиченої фторопластовою суспензією 5 і просоченої сполучним 6, наповненими антифрикційними фулероідами 7 і 8, і забезпечує прекрасні триботехнічні і міцнисні властивості поверхні підшипника. Тому що робоча поверхня композита (підшипника) 1 сприймає основне навантаження, вона не піддається механічній обробці, щоб не порушити основний несучий шар. Джерела інформації, прийняті в увагу при складанні заявки 1. Підшипниковий елемент ковзання. Патент ЧССР №229602, МПК F16С33/04, 1984. 2. Самозмащувальний підшипник ковзання. Патент України №13249, МПК F16С33/04, 1997. - Прототип. Таблиця 1 Самозмащувальний композит № п/п 1 1 2 № рецепта і склад композита по об'єму у% Найменування компонентів І 3 III IV V VI VII 3 33 33 4 33 33 5 33 33 6 33 33 7 33 33 8 33 33 9 33 33 8 2 Капронова тканина Вуглецева тканина Фторопластова суспензія II 8 8 8 8 8 Відомий композит по Примітка прототипу 10 11 8 у тому числі: 3.1 3.2 4 4.1 4.2 Дрібнодисперсна бронза Лускоподібний графіт Сполучне 15 20 25 20 15 20 25 20 26 26 26 26 у тому числі: 26 26 26 15 20 25 20 15 Дрібнодисперсна бронза Лускоподібний графіт 20 25 20 Таблиця 2 Самозмащувальний композит № п/п 1 1 2 3 4 5 Найменування показників № рецепта і склад композита — див. таблицю 1 І II III 2 3 4 5 Питоме навантаження, 3...6 3...6 3...6 МПа, до Коефіцієнт тертя: 0,033 0,027 0,031 уводі у мастилі 0,017 0,013 0,015 Ρ V- фактор, 90...300 110...330 100...310 МПа*м/хв Мастило, вода + + + Інтенсивність 0,048 0,041 0,057 зношування, мм/10000 годин Відомий композит по Примітка прототипу 10 11 IV V VI VII 6 7 8 9 3...6 3...6 3...6 3...6 зо 0,035 0,029 0,034 0,029 0,018 0,014 0,017 0,014 85...295 105...325 80...290 108...325 + + + + 0,050 0,045 0,050 0,040 60 +