Обоснование выбора полимерного материала для подпятников керновых опор электроизмерительных приборов

ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ЭЛЕКТРОНИКА

УДК 531/534

Е. К. ЛАЗАРЕВ

ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ПОЛИМЕРНОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ ПОДПЯТНИКОВ КЕРНОВЫХ ОПОР ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Проведено обоснование выбора полимерного материала для подпятников керновых опор щитовых стрелочных электроизмерительных приборов. Основными критериями для выбора материала являются упруго-прочностные, фрикционные, теплофизические и технологические свойства, воздействия окружающей среды и стоимость материала. Предложены отечественные и зарубежные материалы, которые могут быть использованы в керновых опорах приборов.

Вследствие недостаточного обоснования выбора полимерного материала для подпятников уменьшаются сроки службы приборов и увеличиваются потери производства продукта из-за дополнительных простоев оборудования. Кроме того, от выбранного материала зависит конструктивное оформление подпятника. Конструкция подпятника разрабатывается, во-первых, исходя из технологии изготовления и сборки, во-вторых, чтобы свести к минимуму или устранить полностью вредное влияние отрицательных характеристик материала (хрупкость, низкую теплопроводность, гигроскопичность, нестабильность размеров во времени и др.), наиболее полно использовать коэффициент трения и высокую износостойкость материала [1].

При выборе материала для подпятников основное значение имеет минимальный и стабильный во времени коэффициент трения.

Исследованию эффектов поверхностного трения в керновых опорах щитовых СЭП посвящено много работ. В большинстве этих работ изучалось взаимодействие твёрдых тел (металл-стекло) в условиях сухого и жидкостного трения. И сравнительно мало внимания уделялось взаимодействию твёрдого тела с полимером.

По своей природе трение - наименее стабильный фактор среди всех возмущающих моментов прибора. Во время его работы изменяются состояние и свойства материала и трущихся поверхностей, обусловливающие постоянство трения.

Многочисленные исследования, проведённые в нашей стране, особенно в часовой промышленности [2,3], показывают, что при существующем техническом уровне производства из всех видов отказов - внезапных, случайных, постепенных -преобладают последние. Достигнутая при завод-

© Е. К. Лазарев,2005

ской регулировке точность прибора у большинства «отказавших» приборов не сохраняется. Ещё в 1763 г. французский ученый Ф. Берту [4] писал: «Главное не в силе трения, а в её устойчивости...». Со времени Берту прошло более двух столетий, но задача обеспечения постоянного трения ещё не получила окончательного решения. Это, по-видимому, объясняется тем, что свойства и взаимодействия поверхностей тел - одна из самых трудных и мало разработанных областей физики и химии [5].

Современное состояние общей теории трения не позволяет с требуемым приближением сформулировать закон изменения внешнего трения в опорах прибора. Однако теория и инженерная практика располагают большим количеством качественных зависимостей, результатов экспериментов, с помощью которых можно найти достаточно эффективные способы управления внешним трением.

Взаимодействие трущихся поверхностей, как разделенных слоем смазки, так и несмазанных, имеет двойственную молекулярно-механическую природу. Молекулярное взаимодействие обусловлено взаимным притяжением двух твёрдых тел, их адгезией и взаимным внедрением элементов сжатых поверхностей.

Исходя из двойственной природы трения, коэффициент трения можно выразить следующим двучленом [5]:

/с - а ~~~+р » а)

где 8 - фактическая площадь контакта; Р - нагрузка, действующая на пару трения; а и (3 -

параметры, зависящие от механических и молекулярных свойств поверхностей.

Из (1) следует, что постоянство íc обусловлено неизменностью механических и физико-химических характеристик функциональных поверхностей. Применительно к механизму прибора определяющими факторами нарушения стабильности трения являются изменения исходной шероховатости, износ трущихся поверхностей и изменение величины осевого зазора.

Таким образом, основным направлением стабилизации трения является снижение износа путём подбора износостойких материалов, обеспечение оптимальных контактных напряжений и микрогеометрии трущихся поверхностей.

Изнашивание материалов — процесс разрушения поверхностных слоев трущихся деталей, который приводит к уменьшению размеров тел (износу) в направлении, перпендикулярном к поверхности трения. Интенсивность изнашивания пар трения зависит от свойств материалов деталей, технологической подготовки поверхностей и их качества, а также условий эксплуатации - нагрузки, температуры и т. п.

Основная трудность в познании физических закономерностей при изнашивании материалов заключается в том, что при трении поверхностные слои трущихся деталей подвержены сильному воздействию окружающей среды при одновременном механическом воздействии сопряжённо й поверхности. Фактически физико-механические свойства материалов в поверхностных слоях отличаются от свойств основной массы материала. Учёт физико-химических и механических факторов при рассмотрении разрушения поверхностных слоев тел при трении даёт основание рассматривать процесс изнашивания как кумулятивный, т. е. суммирующий действия отдельных факторов при повторном многократном нагружении фрикционных связей до отделения частицы износа.

Этот вид изнашивания имеет место в самых разнообразных условиях в узлах трения, в том числе закрытых от попадания абразивных частиц, не поврежденных сильной коррозией и защищенных от микросхватывания. В основном только кумулятивный механизм разрушения объясняет изнашивание поверхности более твёрдого материала пары трения более мягким.

Для прогнозирования износостойкости деталей, особенно на этапе проектирования машин и приборов, важное место занимают расчёты на износ.

Первые расчётные соотношения учитывали влияние только твёрдости и нагрузки на износостойкость материала. Однако опыты показывают, что не менее важную роль на изнашивание материала оказывают:

- упругие свойства материала;

- прочностные свойства материала;

- фрикционные свойства сопряжения;

- состояние контактирующих поверхностей;

- молекулярное взаимодействие на контакте;

- температурно-скоростной характер.

Интенсивность изнашивания 3 в зависимости

от контактного взаимодействия контактной па-

3 1Я

ры трения изменяется от 10" до 10"' [6]. И. В. Крагельский классифицировал интенсивность изнашивания следующим образом:

- для упругого взаимодействия 1=10'13-^10":>;

- для пластического -1=10"5+10*3;

- для микрорезания - Х>10~3.

Режим микрорезаиия соответствует абразивному изнашиванию. Всего введено девять классов износостойкости - от 0-го до 9-го в соответствии с интенсивностью изнашивания. Классы износостойкости следующие:

0-й-от 10~12 до10~13; 5-й от 10"7 доЮ"8;

1-й-от 10~п доЮ"12; 6-й - от 10"6 до 10"7;

2-й - от 10"10 до 10"11; 7-й - от 10"5 до 10"6;

3-й-от 10"9 доЮ'10; 8-й-от Ш4 доЮ'5;

4-й - от 10~8 доЮ"9; 9-й - от 10"3 доЮ'4.

Классы износостойкости позволяют использовать расчётные методы для определения срока службы подшипников и сократить время испытаний на долговечность.

В нормальном режиме работы подшипника при износостойкости от 0 до 6-го класса обеспечивается упругое контактное взаимодействие элементов пары трения.

Пластическая деформация происходит в том случае, если давление в месте контакта превышает предел текучести, и происходит до тех пор, пока площадь поверхности контакта не окажется достаточной для восприятия нагрузки. Пластический контакт сопровождается увеличением

температуры трения, быстрым изнашиванием и задиром.

Не следует забывать и о том, что в зависимости от внешних условий эксплуатации (температуры, величины и скорости приложения нагрузки и т. п.), один и тот же полимер может находиться в стеклообразном (подсостояниях хрупкости и вынужденной эластичности), высокоэластическом и вязкотекучем состояниях.

В результате выбора материала для подпятников щитовых СЭП, а также рассмотрения особенностей строения и свойств полимерных материалов можно заключить, что в одном и том же объёме одновременно могут формироваться структуры многих типов, т. е. полимерные материалы по своей природе гетерогенны. Эта особенность полимеров и композиционных материалов на их основе приводит к существенному расширению релаксационного спектра и способствует образованию мгновенно-пластических деформаций, связанных с относительным смещением элементов структуры [7]. Такое перемещение сопровождается развитием микротрещин и нарушением сплошности материала. Наряду с этим в полимерах наблюдаются необратимые деформации течения, которые зависят не только от нагрузки, но и от времени её действия. Следует подчеркнуть, что такие деформации реализуются в основном в термопластах.

Таким образом, в полимерах при некоторых условиях могут существовать все типы деформаций: мгновенноупругая 8е, мгновеннопла-

стическая 6Ш1, вязкоупругая 8 в (обратимая) и

полностью необратимая, типа течения - 80.

Общая деформация является суммой всех компонентов [7]:

8 =8, +епя+е9+е0.

Большинство ответственных деталей из полимеров работает в интервале температур, соответствующих стеклообразному состоянию. В этом состоянии полимерные материалы обладают высокой удельной прочностью и упругостью. Поэтому для исследователей и разработчиков полимерных подшипников учёт этих свойств или даже их определённых частных аспектов должен быть основной задачей. Однако для инженерно-технических работников и конструкторов эти данные служат лишь основой для рационального выбора и эффективного использования полимерных материалов в изделиях и конструк-

циях. Рациональное применение полимеров как конструкционных материалов возможно только на основе использования надёжных методов расчёта и оценки несущей способности детали из этих материалов.

В настоящее время конструирование и изготовление полимерных подшипников скольжения нередко ведутся эмпирическими методами - путем последовательного усовершенствования опытных образцов. Используются также приближенные расчёты на основе теории упругости или теории ползучести, при этом нередко исходные гипотезы принимаются без достаточного экспериментального обоснования. Недостаточные знания деформационных и прочностных свойств полимерных материалов и отсутствие методов расчёта миниатюрных подшипников скольжения, таких как подпятники щитовых СЭП, с учётом временной зависимости прочности в значительной степени сдерживают широкое применение их в приборостроении.

Кроме этого, полимер должен обладать достаточной механической прочностью, технологичностью и стойкостью к воздействию окружающей среды. Величина предельно допустимой температуры для выбираемого полимера, при котором происходит его разрушение либо падение механических характеристик, должна превышать температуру окружающей среды в 1,5 раза.

Характер динамической нагрузки должен соответствовать прочностным свойствам выбранного материала. Не допускается применение хрупких материалов, имеющих низкую ударную вязкость (менее 5 кгс-см/см ) при ударных и вибрационных нагрузках [7]. Применение полимерного материала должно быть экономически обосновано как в сфере изготовления, так и в сфере эксплуатации.

Материал подпятника должен быть малодефицитным, а его технология не потребует специального недоступного оборудования. Благодаря хорошим физико-механическим, химическим и электротехническим свойствам полимеры в последнее время широко применяются в часовой промышленности.

Детали и узлы из полимеров изготавливаются наиболее производительными методами, причём цикл производства измеряется секундами, процесс в большинстве случаев полностью автоматизирован, характеризуется полным отсутствием отходов, высоким уровнем производительности

труда, низкими эксплуатационными затратами, он сравнительно прост и не требует больших рабочих площадей.

Изделия из пластмасс легко монтируются и обладают большим сроком службы. Согласно статистическим данным, замена металла пластмассой в 3-^6 раз уменьшает вес детали и снижает себестоимость, уменьшая трудоёмкость технологических операций в 5-И О раз, сокращает потребность в оборудовании и производственных площадях в 2+3 раза [8].

Особенностью щитовых СЭП является их высокая трудоёмкость, поскольку значительная часть деталей и узлов приборов имеет высокую конструктивную сложность.

В связи с этим применение пластмасс позволит упростить технологические процессы изготовления и сборки узлов, что повысит производительность труда в 10-И 2 раз и существенно скажется на себестоимости изделия.

Отечественная химическая промышленность располагает полимерными материалами, обладающими физико-механическими и технологическими свойствами, близкими к свойствам аналогов, широко применяемых за рубежом.

При подборе материала для узлов трения приборов необходимо учитывать их упруго-прочностные свойства (модуль упругости, предел прочности); фрикционные характеристики; теплофизические свойства (рабочие температуры, коэффициенты линейного расширения); технологические свойства (усадка, температура переработки и т. д.); воздействие окружающей среды (старение, водопоглощение).

Определяющими характеристиками полимерных материалов являются параметры трения и износа, которые зависят от физико-механических свойств материала, изменяющихся во времени; режимов эксплуатации (нагрузка, скорость скольжения); чистоты контактирующих поверхностей узлов трения.

Данные работы [9] показывают, что камневые подпятники щитовых СЭП могут быть заменены подпятниками из полимерного материала, не изменяя конструкцию самого подпятника. В большинстве случаев замена камневых материалов полимерами позволит в 10 и более раз уменьшить контактные давления в опорах.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Лазарев, Е. К. Подбор материалов для освоения производства керновых опор аналоговых электроизмерительных приборов / Е. К. Лазарев // Актуальные вопросы промышленности и прикладных наук. - Ульяновск : УлГТУ,

2004. - С. 119-123.

2. Скорыпин, Ю. В. Ускоренные испытания машин и оборудования на износостойкость / Ю. В. Скорыпин. - Минск: Наука и техника,

1972.-265 с.

3. Боуден, Ф. П. Трение и смазка твёрдых тел / Ф. П. Боуден. - М.: Машиностроение, 1968. -543 с.

4. Каргин, В. А. Краткие очерки по физико-химии полимеров / В. А. Каргин, Г. Л. Слонимский. - М. : Химия, 1967. - 231 с.

5. Бартенев, Г. М. Трение и износ полимеров / Г. М. Бартенев, В. В. Лаврентьев. - Л. : Химия, 1972.-211 с.

6. Крагельский, И. В. Трение и износ / И. В. Кра-гельский. -М.: Машиностроение, 1968. -178 с.

7. Гольдман, А. Я. Прочность конструкционных пластмасс / А. Я. Гольдман. - Л. : Машиностроение, 1979.-318 с.

8. Капралова, Н. Ф. Выбор материалов пар трения / Н. Ф. Капралова // Изв. вузов СССР. Машиностроение. - 1969. - № 3. - С. 37-42.

9. Лазарев, Е. К. Определение допускаемых напряжений в керновых опорах аналоговых электроизмерительных приборов с полимерными подпятниками / Е. К. Лазарев // Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права. - М. : Приборостроение, 1999.-С. 103-109.

Лазарев Евгений Ксенофонтович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник кафедры «Теоретическая и прикладная механика» УлГТУ. Область научных интересов - устойчивость электроизмерительных приборов и систем к внешним механическим воздействиям.