играет фторопласт или фторопласт с наполнителем; поверхностный слой антифрикционного материала предотвращает износ сопряженной с подшипником детали и уменьшает трение.

При работе металлическая поверхность контртела и бронзовые частицы металлофторопластового материала разделены тонким слоем полимера или наполненного полимера. Этот слой постепенно изнашивается, утоняется, и в отдельных местах разрушается, так, что возникает контакт между отдельными бронзовыми частицами и сопряженной с подшипником поверхностью. Трение металла о металл является кратковременным, поскольку оно приводит к местному повышению температуры, вследствие которого фторопласт, обладающий высоким коэффициентом теплового расширения, выталкивается из пор бронзового каркаса, восстанавливая и поддерживая целостность полимерного слоя.

В Англии металлофторопластовые подшипники производит фирма «Гласир». Подшипники, в которых для пропитки пористого слоя применяют чистый фторопласт, имеют марку «DP», подшипники, использующие фторопласт, наполненный свинцом,- марку «DU». В СССР при изготовлении металлофторопластового материала и металлофторопластовых подшипников для заполнения пористого бронзового слоя в основном применяют фторопласт с наполнителем в виде дисульфида молибдена.

3. Критерии работоспособности несмазываемых подшипников скольжения

Работоспособность подшипников скольжения, работающих без смазки и при ограниченной смазке, проследим по графикам, изображенным на рис. 1 [90]. Наклонная прямая, ограничивающая зону значений скорости и нагрузки, в которой подшипники работоспособны, представляет собой геометрическое место точек, имеющих постоянные значения произведения pV или fpV (где р - удельная нагрузка, V - скорость скольжения, / - коэффициент трения). При постоянном коэффициенте трения произведение удельной нагрузки на скорость скольжения характеризует мощность трения или тепловыделение. Другими словами, рассматриваемая линия соответст-

Преде/1 по даВлению

вует предельно допустимому значению температуры на поверхности трения. Горизонтальная ли-

Рис. 1. Характеристики работоспособности подшипников:

а - работающих без смазкн; б - пористых, пропитанных смазкой

НИЯ представляет собой предельное значение нагрузки, выше которой подшипники не работоспособны. Вертикальная линия ограничивает максимально допустимые значения скорости скольжения. При пользовании критерием pV надо помнить о следующем:

а) значения коэффициента трения, как правило, зависят от скорости скольжения, что сказывается на тепловыделении в зоне трения и, следовательно, на температуре поверхностей трения,

б) условия теплоотвода для сопряжений с разной геометрией и различным коэффициентом взаимного перекрытия (отношением площадей трущихся поверхностей) различны, что также сказывается на температуре трущихся поверхностей. Несмотря на указанные несовершенства критерия pV, при правильном учете условий работы трущегося сопряжения использование его вполне допустимо.

При оценке величины удельной нагрузки следует учитывать геометрию сопряжения. В плоских упорных шайбах средние и фактические удельные нагрузки совпадают. Фактические удельные нагрузки в зоне контакта цилиндрических и шарнирных подшипников с сопряженными деталями в общем случае распределяются сложнее. При одной и той же внешней нагрузке Р, действующей на подшипник с определенными размерами, наибольшая величина удельной нагрузки, возникающей на контактирующих поверхностях, может изменяться в значительных пределах в зависимости от геометрии узла трения, модуля упругости и твердости материалов и величины зазора между подшипником и валом. Поскольку определение фактических удельных нагрузок является задачей, для которой пока нет достаточно простого инженерного решения, нагруженность подшипника обычно оценивают по величине удельной нагрузки р, вычисляемой по отношению внешней нагрузки к номинальной площади касания S подшипника. Номинальную площадь касания подшипника определяют, как площадь проекции его опорных поверхностей на плоскость, перпендикулярную направлению действия внешней нагрузки:

для радиальных подшипников с внутренней рабочей поверхностью

S = dl,

где d - диаметр/Внутренней цилиндрической поверхности; / - длина подшипника;

для радиальных подшипников с внешней рабочей поверхностью

S = DI,

D - диаметр внешней цилиндрической поверхности; для шарнирных подшипников

S = db,

- диаметр сферической поверхности внутреннего кольца, b -. ширина наружного кольца;

для упорных шайб

S={D--d),

Dud - наружный и внутренний диаметры шайбы. .

При взаимодействии радиального подшипника из полимерного материала со стальным валом отношение максимальной величины фактической удельной нагрузки р„ах к удельной нагрузке р возрастает с повышением твердости полимерного материала, увеличением относительного зазора и уменьшением диаметра вала, и может достигать значений от 3 до 5. Фактические удельные нагрузки возрастают также из-за неравномерности нагружения подшипника по его длине, особенно вследствие недостаточной жесткости узла трения (появление сильных краевых эффектов). По указанным причинам удельная нагрузка может служить, достаточно надежным критерием работоспособности подшипников только при сопоставлении результатов испытаний, проведенных в сходных условиях. В других случаях следует учитывать влияние, которое могла оказать на результаты испытаний величина фактической наибольшей удельной нагрузки.

Скорость скольжения для вращательного движения

1/ =

ппг ~30~

где п - частота вращения, об/мин; г - радиус, по которому происходит трение.

При гармоническом колебательном движении скорость скольжения является переменной величиной, которую можно описать выражением

V = V„ sin (ot,

где V„ - амплитудное значение скорости скольжения; со - угловая частота колебаний, 1/с; t - время, с.

Амплитудное значение скорости скольжения определяют по формуле

- Va = acor,

где а - угловая амплитуда колебательного движения.

Частота колебательного движения v (Гц) и угловая частота колебаний со связаны соотношением

со = 2nv.

Если среднюю скорость скольжения Vp при колебательном движении принять равной отношению пути трения L ко времени работы подшипника т, то соотношение между амплитуднойи средней скоростями скольжения дает выражение

V =-V

а 2 "Р

Поскольку при колебательном движении скорость сколЬжёниЯ является переменной величиной, то величина произведения удельной нагрузки на скорость скольжения также переменна. Поэтому в качестве критерия работоспособности подшипников, работающих при колебательном движении, в дальнейшем будет использовано амплитудное значение произведения pV. При статической внешней нагрузке его определяют как произведение удельной нагрузки на амплитудное значение скорости скольжения. При наличии динамической составляющей внешней нагрузки в качестве критерия работоспособности подшипников используют максимальную величину амплитудного значения произведения удельной нагрузки на скорость скольжения, определенную с учетом сдвига фазы между колебаниями нагрузки и скорости скольжения.

Важным критерием работоспособности подшипников скольжения является коэффициент трения /, Чрезмерное возрастание коэффициента трения свидетельствует о начале разрушения подшипника, которое в отдельных случаях может привести к опасному возрастанию уровня дополнительных нагрузок в конструкции. В некоторых случаях уменьшать силы трения ниже некоторого определенного значения нежелательно. Для вычисления коэффициента для каждых конкретных условий эксперимента в дальнейшем использован закон Амонтона, в соответствии с которым коэффициент трения равен отношению силы трения к внешней нагрузке, нормальной к поверхности скольжения. Применительно к подшипникам коэффициент трения вычисляют, как отношение момента трения М к произведению внешней нагрузки на радиус трения, причем для упорных плоских шайб в качестве радиуса трения принимают средний радиус шайбы.

В некоторых узлах трения работоспособность подшипников скольжения ограничивается величиной их линейного износа АЛ. Наиболее жесткие ограничения допустимого износа подшипников существуют в шарнирных соединениях, работающих под воздействием знакопеременных нагрузок, а также в узлах, где требуется высокая точность центрирования вала. В подобных случаях в качестве критерия долговечности подшипника ислользуют величины, характеризующие темп изнашивания: интенсивность линейного износа /ft и скоростьзнашивания Интенсивность линейного износа характеризуется отношением толщины изношенного слоя к пути трения

/. =

Скорость изнашивания представляет собой отношение толщины изношенного слоя к времени работы подшипников

Рис. 2. График изменения износа во времени

Эти характеристики связаны соотношением

В некоторых случаях для оценки износа служат объемный Аи или массовый износ Am.

Важным параметром, определяюш,им условия теплопередачи в узле трения, является коэффициент взаимного перекрытия. При торцовом трении кольцевых образцов коэффициент взаимного перекрытия равен единице. При испытаниях радиального подшипника по схеме «вращающийся вал-неподвижная втулка» с нагрузкой, фиксированной по отношению к валу, этот коэффициент имеет значения 0,2-0,4. В случае, когда по диску трутся пальчиковые образцы, коэффициент взаимного перекрытия приближается к нулю.

Кривая зависимости линейного износа металлофторопластового подшипника от времени его работы состоит из трех основных участков (рис. 2). На участке / происходит приработка, в процессе которой изнашивается поверхностный сДой фторопласта. Интенсивность линейного износа при этом сравнительно велика. Обнажение первых участков бронзы (вершин сферических частиц) определяет начало участка , характерного для нормальной работы подшипников с низким темпом изнашивания. Для материала с наполненным свинцом фторопластом при работе .без смазки оптимальная площадь, занимаемая на поверхности бронзой, лежит в пределах .1-15% [94]. В этом диапазоне износостойкость такого металлофторопластового материала максимальная. При превышении верхнего предела площади, занимаемой бронзой на поверхности трения, происходит переход к периоду интенсивного изнашивания, представленному участком /.

Для некоторых применений поверхностный слой металлофторопластового подшипника утолщают с тем, чтобы за время эксплуатации подшипника его износ не выходил за пределы, ограниченные участком /. При этом участок / и поверхностныйслой металлофторопластового подшипника условно называют «при-работочными».

ГЛАВА П

Свойства компонентов антифрикционных фторопластовых материалов

1. Фторополимеры (или фторопласты)

Фтор и фторуглероды. Основным" элементом, входящим во фторополимеры, является фтор [24]. В природе фтор встречается главным образом в виде соединений с кальцием и алюминием. Значительное количество фтора содержится в фосфоритах и апатитах.

Фтор в свободном виде впервые удалось получить лишь в 1886 г. А. Муассану. По своим свойствам фтор напоминает другие галогены, но и имеет от них существенные отличия. Отрицательная валентность фтора - элемента VII группы периодической системы-равна единице. Положительной валентности фтор, в отличие от других галогенов, не проявляет.

Фтор обладает наибольшей реакционной способностью среди неметаллических элементов, являясь даже более сильным окислителем, чем озон. Он активно взаимодействует почти со всеми веществами (получены соединения и с инертными газами). Фтор при нагреве энергично взаимодействует даже с металлами платиновой группы. Реакции с фтором отличаются высоким тепловым эффектом, что является свидетельством высокой энергии образующихся связей.

Свободный фтор-газ бледно-желтого цвета, имеющий резкий раздражающий запах. При -187° С фтор переходит в ярко-желтую жидкость. Плотность жидкого фтора составляет 1,513 г/см. Простейшим является соединение фтора с водородом-фтористый водород. Он служит исходным продуктом синтеза самых различных фтороорганических соединений. Начиная с 30-х годов химия фтороорганических соединений начала бурно развиваться и в настоящее время выросла в самостоятельную область органической химии. Твердые фтороорганические полимерные материалы окааа-лись чрезвычайно стойкими к действию окислителей, щелочей, кислот, жидких металлов (кроме щелочных), высоких и низких температур, микроорганизмов [9, 24, 30, 67, 96]. В химическом отношении они оказались почти столь же устойчивыми, как и благородные металлы.

Строение фторуглеродов имеет внешнее сходство со строением углеводородов, однако свойства их коренным образом отличаются. Для насыщенных фторуглеродов характерны исключительная химическая инертность и высокая термическая стойкость. Объяс-