ШАРОВАЯ ОПОРА
BALL BEARING

Изобретение относится к области авиа- и ракетостроительного машиностроения и может быть использовано в создании узлов трения, где в качестве опор скольжения используются сферические шарнирные подшипники (СШП).
Специфические условия трения несущих поверхностей СШП, заключающихся, например, в практической невозможности достижений идеального геометрического подобия сферических поверхностей внутренних и наружных колец подшипников, приводят к неточности в определении коэффициентов трения. Необходимость оценки влияния геометрических параметров подшипника на его работоспособность, а также определение его ресурса как в воздушной среде, так и в вакууме, остаются нерешенными задачами и до сегодняшнего времени.
Материал, из которого изготовлен подшипник (основа), исходя из основных прочностных характеристик, жаростойкости и жаропрочности, определяет предельные рабочие нагрузки и температуры, а также скорость окислительных и коррозионных процессов.
Покрытия, нанесенные на поверхности трения, своими характеристиками определяют фрикционные параметры трения, износостойкость и, как следствие, ресурс сферических подшипников.
Наличие и вид продуктов износа, размер и форма их частиц, твердость, количество - достаточно сильно сказываются на работоспособности СШП. Они могут или ускорять процесс изнашивания, в случае их абразивного характера, или влиять на взаимное положение колец подшипника, вплоть до заклинивания, при их большом количестве и малом радиальном зазоре, а могут, участвуя в процессе передеформирования покрытия, продлевать его живучесть.
Температура изменяет геометрические характеристики и контактные параметры СШП в небольшой степени, но сильно влияет на физико-химическое состояние твердосмазочного покрытия, определяя его фрикционные и износные характеристики, а следовательно, и работоспособность СШП в целом.
Влияние скорости скольжения на работоспособность СШП с твердосмазочными покрытиями изучено недостаточно. При низких скоростях скольжения увеличение температуры во фрикционном контакте незначительно и можно полагать, что изменение скорости в небольших пределах мало скажется на работоспособность СШП. Процесс разрушения и восстановления защитных пленок от скорости скольжения, по всей вероятности, будет характеризоваться видом твердосмазочного покрытия и может быть определен только в конкретных условиях.
СШП с твердосмазочными покрытиями в основном изготавливаются из качественных легированных сталей и сплавов, механические характеристики которых, а именно модуль упругости и коэффициент Пуассона отличаются в зависимости от марки незначительно (ЭП517Ш, ВКС-170 и т.д.).
Исходя из оптимальных условий работы СШП, а также принимая во внимание возможность дальнейшего увеличения рабочих температур, в качестве материала основы выбраны легированные стали типа ЭП 678, ЭП 517Ш и т.д., как наиболее перспективные для узлов трения данного типа.
Жесткие требования, предъявляемые к создаваемому узлу трения, а именно, низкое, менее 0,3, значение коэффициента трения, как в воздушной среде, так и в вакууме, надежная работоспособность при высоких, до 700°С температурах и минусовых температурах, давления до 186 МПа, не позволили принять в качестве антифрикционного слоя все существующие типы твердосмазочных покрытий.
Они могут быть решены при условии создания и использования в СШП новых износостойких антифрикционных твердосмазочных покрытий.
Известны сферические шаровые опоры с подшипниками скольжения (А.с. СССР №2016277, F16C11/06, 1992; патент РФ №2049376, F16C11/06, 1994; патент РФ №2338936, F16C11/06, 2007).
Наиболее близким по набору существенных признаков является техническое решение по патенту РФ №2352829, F16C11/06, 2009 г.
Шаровая опора содержит корпус, состоящий из двух крышек 1 и 2 (фиг. 1), независимо соединенных между собой, металлический шаровой палец 3, заключенный в корпус, вкладыш полимерный 4, наполнитель 5 с металлическими гранулами 6. Вкладыш 4 выполнен из твердосмазочного материала (фторопласт-4, УПА-6/15 и др.). Наполнитель 5 выполнен из полимера модифицированного металлическими гранулами 6.
Недостатком данной сферической шаровой опоры является недостаточная износостойкость трущихся поверхностей шарового пальца и вкладыша полимерного в условиях большого разброса рабочих температур от -40 до +700°С и достаточно высокого давления, до 186 МПа, рабочих поверхностей. Это связано с тем, что коэффициент трения трущихся поверхностей значительно превосходит числовой показатель 0,3, а также и то, что при одинаковых величинах средних давлений максимальные контактные давления значительно отличаются друг от друга.
Антифрикционные свойства оцениваются по способности материалов трущихся деталей и слоя смазки обеспечивать малое трение в заданных диапазонах действующих факторов, а также в предлагаемом варианте присутствует свойство не схватываться при трении, а прирабатываться и образовывать на поверхностях трения (рабочих поверхностях) прочные слои новых антифрикционных материалов, тем самым повышая износостойкость сферической опоры в целом.
Указанная задача решается за счет того, что в шаровой опоре, содержащей корпус, выполненный из двух частей в виде крышек, неразъемно соединенных между собой, с заключенным в корпус шаровым пальцем со сферической головкой, при этом пространство между шаровым пальцем и корпусом заполнено вкладышем и наполнителем с металлическими гранулами. Шаровой палец выполнен из легированного сплава ЭП 517Ш, а на его сферической поверхности методом вакуумно-дугового ионно-плазменного осаждения нанесено покрытие Ni-Cr-Mo-W-Ti редкоземельного металла (РЗМ) Gd 7.
Технической задачей является повышение износостойкости шаровой опоры со сферическим подшипником скольжения в большем разбросе рабочих температур от -40 до +700°С, путем максимального выравнивания средних значений контактных давлений рабочих поверхностей.
Таким образом, используя данную лигатуру осаждения совместно с РЗМ Gd, на сферической поверхности шарового пальца формируется дополнительное антифрикционное покрытие, содержащее пластичную металлическую матрицу на основе Ni с РЗМ Gd и твердые частицы карбидов металлов Cr, Mo, W, Ti.
Таким образом, керамический оксид, стабилизированный гадолинием, благодаря высокой твердости керамики, позволяет защитить сферическую поверхность шарового пальца, тем самым повысить износостойкость и выровнять средние значения контактных давлений рабочих поверхностей СШП.