АНТИФРИКЦИОННАЯ НАПОЛНЕННАЯ КОМПОЗИЦИЯ И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ
ANTIFRICTION FILLED COMPOSITION AND METHOD OF PREPARING SAID COMPOSITION

Заявляемое изобретение относится к машиностроению, а именно к подшипникам скольжения, и может найти применение при изготовлении подшипников лопастей рабочих колес поворотно-лопастных гидротурбин и других крупногабаритных тяжелонагруженных тихоходных подшипников скольжения, например, судовых механизмов, конусных инерционных дробилок и других.
Поворотно-лопастные гидротурбины широко распространены, например, на каскаде Волжских ГЭС и многих других равнинных реках. Проблема ресурса подшипников рабочих колес поворотно-лопастных гидротурбин является одной из самых актуальных и серьезных проблем гидроэнергетики. Поломка узлов трения рабочих колес поворотно-лопастных гидротурбин сопряжена с огромными затратами на ремонт, исчисляемыми десятками миллионов рублей, и длительными простоями оборудования. Это объясняется тем, что механизм поворота лопастей рабочего колеса и рабочее колесо в целом находятся в самой нижней части гидроагрегата, поэтому для ремонта этого узла требуется разобрать весь гидроагрегат. В силу этого требуемый непрерывный ресурс узла трения установлен в 10-15 лет.
Подшипники лопастей рабочих колес поворотно-лопастных гидротурбин при работе совершают возвратно-поступательные движения при контактном давлении 50-80 МПа и скорости скольжения 0,001-0,005 м/с. В этих условиях к узлам трения предъявляются исключительно жесткие требования по коэффициенту трения (менее 0,1) и по интенсивности изнашивания в течение всего срока службы.
Известна антифрикционная композиция (RU 2153107, М.кл. C08L 63/00, 2000) для тяжелонагруженных тихоходных подшипников скольжения, работающих в воде. Антифрикционная композиция содержит армирующую ткань из углеродного волокна и в качестве полимерного связующего, хлорсодержащую полиглицидиларилендиаминовую смолу, и пригодна для изготовления тяжелонагруженных деталей трения - направляющих аппаратов гидротурбин, работающих с водяной смазкой при контактном давлении Р до 60 МПа и при скорости скольжения 0,001-0,5 м/сек. Однако коэффициент трения указанной композиции равен 0,12-0,14, что недостаточно для подшипников лопастей рабочих колес поворотно-лопастных гидротурбин, работающих в значительно более сложных условиях, при которых возможно увеличение контактного давления до 80 МПа, а кроме того, при возвратно-поступательном движении.
Необходимо также учитывать, что подшипники направляющих аппаратов гидротурбин значительно менее ответственные детали по сравнению с подшипниками лопастей рабочих колес поворотно-лопастных турбин, поэтому требования к непрерывному ресурсу этих узлов трения ниже.
Снижения коэффициента трения можно достичь путем включения в подшипники из антифрикционной композиции на основе углеродной ткани твердосмазочных сегментов, изготовленных из наполненного сополимера политетрафторэтилена (ПТФЭ), а именно фторопласта марки Ф40Г40 [RU №2112159, М.кл. 6 F16C 17/14.1998 и RU №2269683, М.кл. 7 F16C 17/14 и F16C 33/04, 2006]. Однако эти конструкции предназначены для высокоскоростных подшипников (5-20 м/с), работающих при контактных давлениях до 2-5 МПа. Специальные исследования показали, что они не пригодны для низкоскоростных (тихоходных) подшипников скольжения с возвратно-поступательным движением.
Подшипники лопастей рабочих колес гидротурбин вообще должны работать с водяной смазкой. Однако при контактном давлении выше 50 МПа подшипники работают в экстремальных условиях граничного трения, когда смазочная пленка воды слишком тонка (обычно толщиной в одну молекулу воды), чтобы она могла обеспечить полное разделение трущихся поверхностей [Интернет-сайт http://www.krugosvet.ru/articles/13/1001322/1001322al.htm].
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к заявляемой композиции является антифрикционная наполненная композиция, включающая армирующую ткань из углеродного волокна со средним размером кристаллитов по базисной плоскости 3,0-6,0 нм и толщиной пакета базисных плоскостей 1,0-1,4 нм, предварительно обработанную водной дисперсией политетрафторэтилена (ПТФЭ) с размером частиц 0,1-0,4 мкм и хлорсодержащую полиглицидиларилендиаминовую смолу в качестве связующего [RU №2181128, М.кл. C08L 61/00, 2002]. Соотношение углеродного волокна и ПТФЭ в композиции составляет (48,5-50,5):(1-3).
Достоинством этой композиции является высокая прочность и способность к эксплуатации и в условиях сухого трения в отсутствие смазки и в присутствии водяной смазки. Однако коэффициент трения ее 0,12-0,14 и имеет тенденцию к увеличению до 0,2-0,27 при длительной работе, что недопустимо для подшипников лопастей рабочих колес поворотно-лопастных гидротурбин.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в получении антифрикционной композиции, обладающей низким (менее 0,1) коэффициентом трения и низкой линейной интенсивностью изнашивания при длительной эксплуатации в условиях одновременного воздействия высоких контактных давлений до 80 МПа, скорости скольжения 0,001-0,005 м/с и возвратно-поступательном движении.
2
Указанный технический результат достигается тем, что антифрикционная наполненная композиция, содержащая армирующую ткань из углеродного волокна со средним размером кристаллитов по базисной плоскости 3,0-6,0 нм и толщиной пакета базисных плоскостей 1,0-4,0 нм, полимерное термореактивное связующее на основе хлорсодержащей полиглицидиларилендиаминовой смолы и включения из политетрафторэтилена, содержит включения толщиной 2-4 мм и площадью 4-9 мм, размещенные в поверхностном слое композиции, общая площадь которых составляет от 10-30% от общей площади поверхности при следующем соотношении компонентов (мас.%):
углеродная ткань
51,37-56,20
полимерное термореактивное связующее
48,52-43,50
включения из политетрафторэтилена
0,11-0,30
Углеродная ткань, используемая в заявляемой композиции, изготовлена так, как это описано в RU 2153107.
Хлорсодержащие полиглицидиларилендиамиалканы выпускаются по ТУ 2225-512-00203521, с массой межузлового сегмента 280-350, с массовой долей эпоксидных групп 26-30%, где арилен - это фенилен, а алкан - метан. В качестве отвердителя используется, например, дихлордиаминодифенилметан, а в качестве ускорителя - резорцин.
Включения из ПТФЭ выполнены из фторопласта-4 (ТУ 6-05-810-88), так как это описано ниже.
Включения из ПТФЭ в поверхностном слое являются дополнительным самосмазывающимся наполнителем, способствующим снижению коэффициента трения и линейной интенсивности изнашивания.
Известен способ получения антифрикционной наполненной композиции путем пропитки ткани (стеклоткани, капроновой или хлопчатобумажной) эпоксидной диановой смолой и формированием поверхностного антифрикционного слоя за счет образования «карманов», наполненных нагнетаемым под давлением самосмазывающимся наполнителем, например эмульсии фторопласта [RU 2147699, М. кл.7 F16C 33/04, 2000]. Однако частицы фторопласта эмульсионного размера не обеспечивают значения коэффициента трения, необходимого для подшипников лопастей турбин.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому способу является способ изготовления антифрикционной наполненной композиции, согласно которому твердосмазочные элементы, выполненные в трапецеидальной форме из полимера тетрафторэтилена, размещают в продольных пазах поверхностного слоя антифрикционного материала, включающего армирующую углеродную ткань со средним размером кристаллитов по базисной плоскости 3,0-6,0 нм и толщиной пакета базисных плоскостей 1,0-4,0 нм и эпоксидную смолу в качестве полимерного термореактивного связующего [RU №2269683, М.кл. 7 F16C 17/04, 2006]. Твердосмазочные элементы в указанном способе изготовлены путем механической обработки твердого полимерного материала на основе тетрафторэтилена, в частности сополимера тетрафторэлилена с этиленом (фторопласт марки Ф-40). Композиция, изготовленная указанным способом, хорошо работает при низком контактном давлении (2-5 МПа) и высокой скорости скольжения (5-20 м/с), однако она не пригодна для изготовления низкоскоростных подшипников скольжения, особенно с возвратно-поступательным движением.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в получении антифрикционной композиции, работающей при высоких контактных давлениях, низких скоростях скольжения и в возвратно-поступательном движении.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения антифрикционной наполненной композиции путем введения в поверхностный слой антифрикционной композиции, содержащей угольную ткань со средним размером кристаллитов по базисной плоскости 3,0-6,0 нм и толщиной пакета базисных плоскостей 1,0-4,0 нм и пропитывающую хлорсодержащую полиглицидиларилендиаминовую смолу, включений, полученных механической обработкой заготовки из политетрафторэтилена, на массивной заготовке из политетрафторэтилена прорезают продольные и поперечные пазы глубиной 2-4 мм, поверхностный слой заготовки с сформированными будущими включениями, срезают на лущильном станке, срезанный лист соединяют выступами внутрь с углеродной тканью, пропитанной хлорсодержащей полиглицидиларилендиаминовой смолой, прессуют совместно, после чего поверхностный слой политетрафторэтилена срезают, оставляя включения из политетрафторэтилена в поверхностном слое композиции.
Включениям придают трапециевидную в вертикальном сечении форму, и при формировании композиции более широкие основания включений направлены внутрь.
Для улучшения адгезии политетрафторэтилена с антифрикционной композицией рабочую поверхность ПТФЭ заготовки предварительно обрабатывают натрийнафталиновым комплексом (ТУ: 2245-073-00203521-2003 ОАО «Пластполимер»).
2
Механическая обработка массивной заготовки из ПТФЭ осуществляется на стандартных токарных и фрезерных станках, в массивной заготовке, прорезают продольные и поперечные пазы (фиг.1). Поверхностный слой с цилиндрической заготовки или с массива ПТФЭ (фиг.2А и 2Б), срезают на специальном лущильном станке. Размеры стандартных массивных заготовок из ПТФЭ позволяют получать заготовки размером до 1 м. Заготовка включает поверхностный лист (фиг.3) с выступами (будущие включения ПТФЭ). После формирования антифрикционной наполненной композиции лист с выступами срезают. Вид полученной наполненной композиции представлен на фиг.4. На разрезе (фиг.4) видно, что включения из ПТФЭ имеют трапециевидную форму и размещены в поверхностном слое композиции.
Далее заявляемое изобретение иллюстрируется примерами, но не ограничено ими.
Пример 1.
В качестве армирующего материала используют углеродную ткань со средним размером кристаллитов по базисной плоскости 3,0-6,0 нм и толщиной пакета базисных плоскостей 1,0-4,0 нм. Углеродную ткань получают, как в патенте РФ №215307. В реактор загружают 30 кг смолы ЭХД (тетраглидицидилдихлордиаминодифенилметан, ТУ 2225-607-11131395-2003), нагретой до 70°С, 26 кг ацетона, перемешивают в течение 15 минут до полного растворения. Затем в реактор загружают 17 кг ДХ (дихлордиаминодифенилметан ТУ 6-14-980). В смесь вводят 1,5 кг резорцина (ГОСТ 9970) - ускорителя отверждения и перемешивают 20 мин до полного растворения компонентов. Пропитку углеродной ткани производят в вертикальной пропиточной машине. Скорость пропитки 1 кг/мин, температура в сушильной камере пропиточной машины 100-105°С.
Трапециевидные включения из ПТФЭ изготавливаются методом трехоперационной механической обработки, заключающейся в последовательном прорезании продольных и поперечных пазов на цилиндрической заготовке из ПТФЭ (фторопласт - 4 ТУ 6-05-810-88) и срезании поверхностного слоя ПТФЭ на специальном лущильном станке марки СЛ-800/1600. Далее заготовка подвергается активации в натрийнафталиновом комплексе. Полученная таким образом заготовка с поверхностным слоем ПТФЭ накладывается на пакет препрега (предварительно пропитанной эпоксидным связующим углеродной ткани), полученную композицию прессуют горячим методом. Время выдержки при температуре 150°С и давлении прессования 5 МПа составляет 3 часа. С целью удаления сплошного слоя из ПТФЭ поверхность полученной заготовки обрабатывают на фрезерном станке.
2
Площадь одного включения 4 мм, площадь поверхности включений ПТФЭ от общей площади поверхности 10%. Глубина включений ПТФЭ 2 мм.
Полученную антифрикционную композицию исследовали по следующим показателям:
-9
1. Коэффициент трения и интенсивность изнашивания (износостойкость) 1: 1×10 определялись на специальном стенде, имитирующем работу узлов трения рабочих колес поворотно-лопастных гидротурбин, при контактном давлении от 25 до 80 МПа, скорости скольжения 0,004 м/с, контртело - сталь (12Х13, HRC 35), возвратно-поступательном движении, при смазке водой. Путь трения 1 км, что соответствует 7692 циклам.
2. Количество выпавших включений ПТФЭ после механической обработки оценивалось визуально.
Состав композиции и триботехнические характеристики композиции представлены в табл.1.
Пример 2.
2
Антифрикционная композиция получена, как в примере 1, но площадь одного включения 9 мм, площади поверхности включений ПТФЭ от общей площади поверхности 30%. Глубина включений ПТФЭ 3 мм.
Состав композиции и триботехнические характеристики композиции представлены в табл.1.
Пример 3.
2
Антифрикционная композиция получена, как в примере 1, но площадь одного включения 6 мм, площади поверхности включений ПТФЭ от общей площади поверхности 20%. Глубина включений ПТФЭ 4 мм.
Состав композиции и триботехнические характеристики композиции представлены в табл.1.
Пример 4 (контрольный).
2
Антифрикционная композиция получена, как в примере 1, но площадь одного включения 12 мм, площади поверхности включений ПТФЭ от общей площади поверхности 5%. Глубина включений ПТФЭ 1 мм.
Состав композиции и триботехнические характеристики композиции представлены в табл.1.
Пример 5 (контрольный).
2
Антифрикционная композиция получена, как в примере 1, но площадь одного включения 5 мм, площадь поверхности включений ПТФЭ от общей площади поверхности 40%. Глубина включений ПТФЭ 3 мм.
Состав композиции и триботехнические характеристики композиции представлены в табл.1.
Пример 6 (контрольный).
2
Антифрикционная композиция получена, как в примере 1, но отличается тем, что ПТФЭ не активировался; площадь одного включения 9 мм, площадь поверхности включений ПТФЭ от общей площади поверхности 20%. Глубина включений ПТФЭ 3 мм.
Пример 7 (контрольный).
2
Антифрикционная композиция получена, как в примере 1, но отличается тем, что включения ПТФЭ имеют квадратную форму; площадь одного включения 9 мм, площадь поверхности включений ПТФЭ от общей площади поверхности 20%. Глубина включений ПТФЭ 5 мм.
Состав композиции и триботехнические характеристики композиции представлены в табл.1.
Пример 8К (контрольный по прототипу).
Антифрикционная композиция получена, как в патенте РФ №2181128, Углеродная ткань предварительно обработана дисперсией марки 4ДВ политетрафторэтилена (ПТФЭ) с размером частиц полимера 0,1-0,4 мкм.
Состав композиции и триботехнические характеристики композиции представлены в табл.1.
Пример 9К (контрольный по патенту №215307).
Антифрикционная композиция получена по патенту РФ №215307 без включения ПТФЭ.
Таблица 1
Состав и физико-механические характеристики антифрикционных композитов
Показатели
1
2
3
4К
5К
Содержание основных компонентов, мас.%(плита толщиной 10 мм)
галоген полиглицидиларилендиаминовая смола (эпоксидная)
25,00
30,00
27,00
28,00
30,00
дихлордиаминодифенилметан
17,00
17,00
17,00
17,00
17,00
ускоритель
1,50
1,50
1,50
1,50
1,50
углеродная ткань
56,20
51,37
54,39
53,49
51,33
включения ПТФЭ
0,30
0,13
0,11
0,01
0,17
Площадь поверхности включений активированного ПТФЭ трапециевидной формы от общей площади поверхности, %
10
30
20
5
40
Площадь одного включения, мм<sup>2</sup>
4
6
9
12
5
Площадь поверхности включений неактивированного ПТФЭ трапециевидной формы от общей площади поверхности, %
-
-
-
-
-
Площадь поверхности включений активированного ПТФЭ квадратной формы от общей площади поверхности, %
-
-
-
-
-
Глубина (толщина) включений ПТФЭ
2
3
4
1
3
ПТФЭ с размером частиц 0,1-0,4 мкм, мас.%
-
-
-
-
-
Свойства:
Коэффициент трения при Р=50 МПа, в воде (при скорости 0,004 м/с)
0,06
0,05
0,04
0,09
0,04
Линейная интенсивность изнашивания при трении, мкм/км
1,25
1,2
1,0
2,2
5,3
Количество включений, % отвалившихся в процессе механической обработки
0
0
0
0
0
Таблица 1. (Продолжение)
Показатели
6К
7К
8К прототип №2181128
9К УГЭТ (аналог по патенту 215307)
Содержание основных компонентов, мас.%(плита толщиной 10 мм)
галоген полиглицидиларилендиаминовая смола (эпоксидная)
28,00
30,00
27,00
28,00
дихлордиаминодифенилметан
17,00
17,00
17,00
17,00
ускоритель
1,50
1,50
1,50
1,50
углеродная ткань
53,41
51,36
54,5
53,5
включения ПТФЭ
0,09
0,14
-
-
Площадь поверхности включений активированного ПТФЭ трапециевидной формы от общей площади поверхности, %
-
-
-
0
Площадь одного включения, мм<sup>2</sup>
9
9
-
-
Площадь поверхности включений неактивированного ПТФЭ трапециевидной формы от общей площади поверхности, %
20
-
-
0
Площадь поверхности включений активированного ПТФЭ квадратной формы от общей площади поверхности, %
-
20
-
-
Глубина (толщина) включений ПТФЭ
3
5
-
-
ПТФЭ с размером частиц 0,1-0,4 мкм, мас.%
-
-
2,5
0
Свойства:
Коэффициент трения при Р=50 МПа, в воде (при скорости 0,004 м/с)
0,08
0,06
0,14
0,2
Линейная интенсивность изнашивания при трении, мкм/км
1,9
2,3
2,6
4,7
Количество включений, % отвалившихся в процессе механической обработки
15
10
-
-
2
Как видно из таблицы, заявляемая композиция и способ ее изготовления по сравнению с прототипом и аналогом обладает значительно более низкими значениями коэффициента трения и линейной интенсивности изнашивания при работе на стенде, имитирующем работу узлов трения рабочих колес поворотно-лопастных гидротурбин, при контактном давлении от 25 до 80 МПа, скорости скольжения 0,004 м/с при возвратно-поступательном движении. Эффект одновременного снижения коэффициента трения и линейной интенсивности изнашивания достигается только при площади одного включения от 4-9 мм и площади поверхности включений ПТФЭ от общей площади поверхности 10-30%.
Более надежное крепление включений ПТФЭ обеспечивается только за счет активации и трапециевидной формы включений. При отсутствии активации и квадратной форме включений часть их отваливается на стадии механической обработки.