ПОДШИПНИК СКОЛЬЖЕНИЯ

Полезная модель относится к подшипникам для вращающихся деталей и может быть использована в авиакосмической, нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей и иных областях промышленности. В подшипниках валы и вращающиеся оси монтируют на опорах, которые определяют положение вала или оси, обеспечивают их вращение, воспринимают нагрузки и передают их основанию машины. Основной частью опор являются подшипники, которые могут воспринимать радиальные, осевые и радиально-осевые нагрузки.
Подшипники скольжения используются:
- при ударных и вибрационных нагрузках, так как хорошо демпфируют колебание нагрузки;
- при особо высоких частотах вращения вала;
- при работе в экстремальных условиях (высокие температуры, абразивные и агрессивные среды).
К недостаткам известных подшипников скольжения относятся:
- повышенные пусковые моменты;
- большой расход смазочных материалов;
- абразивное изнашивание;
- заедание;
- усталостное выкрашивание.
Известен подшипник скольжения (патент РФ на ПМ №99558,
16.06.2010), включающий корпус и устанавливаемые в нем на подшипниках вал или ось, содержащие сопряженные поверхности, имеющие многофункциональное покрытие на основе наноструктурированного карбонитрида титана (TiCN) с квазикристаллами структурной системы (Fe), меди (Cu) и алюминия (Al). Технический результат, достигаемый при работе подшипника заключается в снижении коэффициента трения поверхностей от 0,025 до 0,015 с повышением стабильности геометрических характеристик поверхности трения в широком диапазоне рабочих температур.
6
4
Известен подшипник скольжения (патент РФ на ИЗ №2476736, 01.11.2011), включающий корпус и установленный на корпусе, по меньшей мере, один элемент скольжения, поверхность которого имеет наноструктурированное керамическое покрытие. Покрытие выполнено из порошка карбида кремния с фракциями: нанодиапазона - от 50 до 100 нм, субмикронного уровня - от 0,2 до 0,5 мкм и микронного уровня - от 1 до 10 мкм. При содержании фракций, мас.%: фракции нанодиапазона 40-60, субмикронного уровня 30-40 и микронного уровня 10-20. Технический результат - комплексное улучшение долговечности подшипника за счет максимального снижения коэффициента трения, повышения износостойкости, твердости, термической стабильности, жаропрочности до +1300°C, при одновременном повышении пластичности и прочности антифрикционного керамического слоя за счет его наноструктурирования. Известен энергосберегающий подшипник скольжения (патент ИЗ РФ №2477395, 01.11.2011). Подшипник скольжения включает корпус и установленный на корпусе, по меньшей мере, один элемент скольжения. Поверхности элемента скольжения имеют покрытие на основе наноструктурного дисперсно-упрочненного реакционно-спеченного карбида кремния, карбонитрида титана и квазикристаллами структурной схемы алюминия, меди и магния типа AlMgCu при следующем содержании компонентов в покрытии, мас. %:
карбида кремния
75-80
волокна нитрида кремния
5-8
волокна карбонитрида титана
2-5
квазикристаллы Al<sub>6</sub>Mg<sub>4</sub>Cu
7-18.
Технический результат, достигаемый при работе подшипника заключается в комплексном улучшении эксплуатационных характеристик подшипника за счет снижения энергетических затрат на трение, увеличения ресурса подшипника в несколько раз, что позволяет использовать его в широком температурном диапазоне с высокими осевыми и радиальными нагрузками в окислительной и эрозионной среде. Стабильность свойств для этого подшипника зафиксирована в диапазоне рабочих температур от -50 до +1200°C.
Однако покрытие и материалы корпуса, цапф вала и втулок подшипников скольжения по патентам РФ №99558, 2476736, 2477395 имеют разные коэффициенты линейного расширения, что с ростом температуры подшипника приводит к возникновению недопустимых контактных напряжений и последующему разрушению покрытия.
Наиболее близким аналогом того же назначения, что и заявляемое техническое решение является подшипник скольжения (патент РФ 2267666, 12.08.2002). Подшипник скольжения содержит опору и втулку из сплошных неметаллических материалов, образующих пару трения, установленные соответственно в корпусе и на валу, систему жидкой смазки пары трения. Причем между корпусом с кольцевыми канавками и опорой, а также между валом с кольцевыми канавками и втулкой в канавках установлены упругие элементы. Опора и втулка выполнены из износостойкой керамики, например из карбида кремния. Упругие элементы выполнены резиновыми с возможностью дискретного контакта с деталями подшипника и с образованием гарантированного радиального зазора между опорой и корпусом, а также между втулкой и валом. Технический результат - создание долговечного, износостойкого и прочного подшипника скольжения, не нуждающегося в специальной жидкой или твердой смазке, способного работать в химически агрессивных и абразивных средах. Однако этот подшипник имеет и недостатки:
- отсутствует возможность работы в условиях воздействия температур выше 250°C;
- для пары трения опора - втулка из материала карбид кремния -карбид кремния коэффициент трения относительно высок 0-0,1;
- испытания пары трения карбид кремния - карбид кремния, изготовленной по традиционной технологии показали низкую на 30% несущую способность этой пары трения по сравнению с предлагаемой парой трения.
Использование технического решения по патенту РФ 2267666 позволяет создать долговечный подшипник скольжения для работы при относительно невысоких температурах.
В основу полезной модели положена задача обеспечения работы подшипника скольжения не менее 1500 часов в воздушной среде в режиме сухого трения в условиях воздействия высокой температуры.
Технический результат заключается в достижении работы подшипника при сухом трении в условиях температуры до 1200°C при заданных нагрузках.
Поставленная в полезной модели задача решается тем, что подшипник скольжения содержит опору и втулку из износостойкой керамики, образующих пару трения. Опора и втулка установлены соответственно в корпусе и на валу с кольцевым буртом. Между сопряженными между собой невращающимися деталями подшипника в кольцевых канавках установлены с гарантированным натягом упругие кольца.
Новым в полезной модели является то, что опора выполнена из металлокерамоматричного композиционного материала на основе карбонитрида титана TiCN при следующем содержании компонентов, мас. %: Ti - 70-80; C - 20-10, N - остальное (композит карбонитрида титана), а втулка - из композиционного материала на основе наноструктурного дисперсно-упрочненного реакционно-спеченного карбида кремния (композит карбида кремния). При этом подшипник дополнительно содержит внешнюю и внутреннюю фиксирующие втулки, закрепленные соответственно в корпусе и на валу. Причем опора и втулка из износостойкой керамики установлены в корпусе и на валу с возможностью ограниченной подвижности соответственно через внешнюю и внутреннюю фиксирующие втулки.
При такой конструкции подшипника скольжения:
- подтверждено экспериментом, что выполнение опоры из металлокерамоматричного композиционного материала на основе карбонитрида титана TiCN при следующем содержании компонентов, мас. %: Ti - 70-80; C - 20-10, N - остальное, а втулки - из композиционного материала на основе наноструктурного дисперсно-упрочненного реакционно-спеченного карбида кремния обеспечивает снижение коэффициента трения в паре трения скольжения до 0,008 при жидкостном трении, а также возможность работы при сухом трении в течение 1500 часов с коэффициентом трения 0,08, повышением несущей способности до 30% и жаропрочности до 1200°C;
- наличие в подшипнике дополнительно внешней и внутренней фиксирующих втулок, закрепленных соответственно в корпусе и на валу улучшает ремонтопригодность и повышает долговечность подшипника;
- установка опоры и втулки из износостойкой керамики в корпусе и на валу с возможностью ограниченной подвижности соответственно через внешнюю и внутреннюю фиксирующие втулки обеспечивает самоустановку контактирующих поверхностей пары трения, что снижает коэффициент трения и износ пары трения и увеличивает долговечность подшипника.
Развитие и уточнение совокупности существенных признаков полезной модели для частных случаев ее выполнения дано далее:
- выполнение упругих колец из материалов высокотемпературной группы, например в виде набора равнорасположенных по окружности упругих лепестковых вставок, которые установлены в канавках с образованием между внешней фиксирующей втулкой и опорой из карбонитрида титана или втулкой из карбида кремния и внутренней фиксирующей втулкой гарантированного радиального зазора и возможности дискретного контакта также обеспечивает самоустановку контактирующих поверхностей пары трения и увеличивает долговечность подшипника;
- лепестковые вставки могут быть выполнены например, из композиционного материала в виде разрезных цилиндрических колец, что обеспечивает работу подшипника при температуре до 1200°C.
Для повышения долговечности работы подшипник скольжения может содержать систему жидкой смазки пары трения опора - втулка. Пара трения опора-втулка включает устройства подвода и отвода смазки. Устройство подвода смазки может быть выполнено в виде сообщающихся центрального и радиальных каналов в теле вала, кольцевой полости и радиальных каналов во внутренней фиксирующей втулке, радиальных каналов во втулке из карбида кремния и зазора в паре трения опора - втулка. Устройство отвода смазки из зазора пары трения опора - втулка со стороны диска на валу может быть выполнено в виде кольцевой канавки на корпусе перед резьбой в гнезде, кольцевой наклоненной кромки на диске вала с расширением в сторону канавки отвода смазки в корпусе и соединением полости этой канавки каналами с центральным каналом отвода жидкой смазки в корпусе через торцевую полость подшипника. Таким образом, отвод смазки из зазора в паре трения опора - втулка осуществляется со стороны диска сбросом смазки центробежным способом с наклоненной кромки диска в кольцевую канавку на корпусе с последующим отводом смазки в центральный канал корпуса.
Жидкая смазка может быть выбрана, например синтетической, которая разработана для подшипников из керамики.
Кроме того, для уменьшения утечек и создания противотоков при уплотнении смеси жидкой смазки и воздуха соосно продольной оси подшипника на периферии торцов диска и корпуса расположены сопряженные между собой кольцевые гребешки лабиринтного уплотнения.
Таким образом, решена поставленная в полезной модели задача повышения долговечности работы подшипника скольжения с сухой парой трения в условиях воздействия высоких температур.
Настоящая полезная модель поясняется подробным описанием конструкции и работы подшипника скольжения со ссылкой на фиг.1-6, где:
на фиг. 1 изображен продольный разрез подшипника скольжения сухого трения пары трения опора-втулка;
на фиг. 2 - продольный разрез подшипника скольжения с системой жидкой смазки пары трения опора - втулка;
на фиг. 3 - элемент I на фиг. 2;
на фиг. 4 приведены зависимости коэффициента трения f от нагрузки H при жидкостном трении пары трения, где:
01 - пара трения карбид кремния - карбид кремния изготовленная по традиционной технологии для испытаний;
02 - пара трения карбид кремния - карбид кремния изготовленная с использованием метода нанотехнологий введения ультрадисперсных добавок.
на фиг. 5 - зависимости мощности трения W от контурного давления P при жидкостном трении пары трения, где:
01 - пара трения карбид кремния - карбид кремния изготовленная по традиционной технологии для испытаний;
02 - пара трения карбид кремния - карбид кремния изготовленная с использованием метода нанотехнологий введения ультрадисперсных добавок.
на фиг. 6 - зависимости коэффициента трения f от нагрузки H при жидкостном трении пары трения, где:
01 - пара трения композит карбонитрида титана - композит карбонитрида титана;
02 - пара трения композит карбонитрида титана - композит карбида кремния изготовленная с использованием метода нанотехнологий введения ультрадисперсных добавок.
Подшипник скольжения (см. фиг. 1) содержит опору 1 и втулку 2 из неметаллических материалов, образующих пару трения, установленные соответственно в корпусе 3 и на валу 4 с кольцевым буртом 5. Между сопряженными между собой невращающимися деталями подшипника в кольцевых канавках установлены упругие кольца. Опора 1 выполнена из металлокерамоматричного композиционного материала на основе карбонитрида титана TiCN при следующем содержании компонентов, мас. %: Ti - 70-80; C - 20-10, N - остальное. Втулка 2 выполнена из композиционного материала на основе наноструктурного дисперсно-упрочненного реакционно-спеченного карбида кремния. При этом подшипник дополнительно содержит внешнюю и внутреннюю фиксирующие втулки 6 и 7 соответственно с кольцевыми буртами 8 и 9, диск 10 на валу 4, гайки 11 и 12 крепления фиксирующих втулок 6, 7 и фиксирующие штифты. Вал 4 снабжен наружной резьбой, а корпус 3 - гнездом с внутренней резьбой. Опора 1 из карбонитрида титана наружной поверхностью, снабженной кольцевыми канавками 13 и упругими кольцами 14 в них, соединена с внутренней поверхностью внешней фиксирующей втулки 6, сопряжена кольцевым торцом с внутренним кольцевым буртом 8 внешней фиксирующей втулки 6 и зафиксирована в ней радиальными штифтами 15, установлена в гнезде корпуса 3 с упором в бурт 8 на внешней фиксирующей втулке 6 и закреплена гайкой 11 в гнезде корпуса 3. Это обеспечивает повышение жесткости и износостойкости опоры в паре трения скольжения, что способствует гашению колебаний вала и увеличивает долговечность работы подшипника в условиях воздействия высоких температур. Втулка 2 из карбида кремния соединена с зазором внутренней поверхностью с наружной поверхностью внутренней фиксирующей втулки 7, снабженной кольцевыми канавками 16 и упругими кольцами 17 в них и сопряжена кольцевым буртом 18 с кольцевым буртом 9 внутренней фиксирующей втулки 7, зафиксирована осевым штифтом 19 и с упором внутренней фиксирующей втулки 7 в кольцевой бурт 5 вала 4 через диск 10 установлена на валу 4. Втулка 2 зафиксирована совместно с диском 10 в бурте 5 вала 4 вторым осевым штифтом 20 и закреплена на валу 4 второй гайкой 12. При этом втулка 2 из карбида кремния расположена в опоре 1 с образованием между ними кольцевого зазора (не показано), а между валом 4 и корпусом 3 -внутренней торцевой полости 21.
Для длительной работы при температуре порядка 350°C в подшипнике скольжения можно использовать систему жидкой синтетической смазки пары трения опора 1 - втулка 2 (см. фиг. 2), которая включает устройства подвода и отвода смазки. Устройство подвода смазки может быть выполнено в виде сообщающихся центрального и радиальных каналов 22 и 23 в теле вала 4, кольцевой полости 24 и радиальных каналов 25 во внутренней фиксирующей втулке 7, радиальных каналов 26 во втулке 2 из карбида кремния и зазора (не показано) в паре трения опора 1 - втулка 2. Устройство отвода смазки из зазора пары трения опора 1 - втулка 2 со стороны диска 10 на валу 4 выполнено в виде кольцевой канавки 27 в корпусе 3 перед резьбой в гнезде, кольцевой наклонной кромки 28 на диске 10 вала 4 с расширением в сторону канавки 27 корпуса 3 и соединением полости канавки 27 каналами 29 с центральным каналом 30 отвода жидкой смазки в корпусе 3 через внутреннюю торцевую полость 21 подшипника. Это обеспечивает центробежный отвод использованной в паре трения скольжения жидкой смазки (находящейся во взвешенном состоянии в газообразной среде) при любом пространственном положении подшипника и исключает попадание жидкой смазки в окружающую среду.
Коаксиально продольной оси подшипника на периферии диска 10 и торце корпуса 3 расположены сопряженные между собой кольцевые гребешки 31 и 32 торцевого лабиринтного уплотнения. Это обеспечивает гарантированный подвод жидкой смазки по окружности в нагруженную часть пары трения подшипника и снижение коэффициента трения подшипника.
Следует отметить, что упругие кольца 14 и 17 могут быть выполнены из материалов высокотемпературной группы, например в виде набора равнорасположенных по окружности упругих лепестковых вставок, которые установлены в канавках 13 и 16 с образованием между внешней фиксирующей втулкой 6 и опорой 1 из карбонитрида титана или втулкой 2 из карбида кремния и внутренней фиксирующей втулкой 7 гарантированного радиального зазора и возможности дискретного контакта. В зависимости от режимов работы подшипника лепестковые вставки могут быть выполнены, например, из конструкционной керамики в виде разрезных цилиндрических колец.
Соединение внутренней поверхности вращающейся втулки 2 через кольцевой зазор с наружной поверхностью внутренней фиксирующей втулки 7, снабженной кольцевыми канавками 16 и упругими кольцами 17 в них и соединение наружной поверхности опоры 1, снабженной кольцевыми канавками 13 и упругими кольцами 14 в них через кольцевой зазор с внутренней поверхностью внешней фиксирующей втулки 6 обеспечивает демпфирование перемещений относительно хрупких керамических опоры 1 и втулки 2, что компенсирует разрушительное влияние на них динамических нагрузок, устраняет несоосность монтажа и повышает надежность и долговечность работы подшипника.
Были проведены испытания пары трения в условиях сухого трения, где опора выполнена из металлокерамоматричного композиционного материала на основе карбонитрида титана (TiCN), а втулка - из композиционного материала на основе наноструктурного дисперсно-упрочненного реакционно-спеченного карбида кремния с техническими данными: модуль упругости 400-450 ГПа; прочность до 2100 МПа; HRC 90-95.
Работа подшипника скольжения осуществляется следующим образом. При вращении вала 4 (см. фиг. 1) крутящий момент через кольцевой бурт 5, осевой штифт 20, внутреннюю фиксирующую втулку 7 и осевой штифт 19 передавался втулке 2. Вращающаяся втулка 2 образовывала пару трения с неподвижной опорой 1. Выполнение втулки 2 и опоры 1 соответственно из химически стойких карбида кремния и карбонитрида титана TiCN обеспечивало их работу при оборотах 8000 об/мин в воздушной среде в условиях сухого трения и температуры 1200°C в течение 1500 часов. Материалы пары трения опора 1 - втулка 2 в режиме сухого трения имели высокую сопротивляемость заеданию и хрупкому разрушению.
Тепло, выделившееся в подшипнике, выводилось во внешнюю среду через корпус подшипника и вал в пропорции определяемой уровнями теплопроводности корпуса и вала. Важным условием нормальной работы подшипника без смазки являлся выбор оптимального зазора между опорой и втулкой, образующих пару трения. При увеличенном зазоре повышался износ втулки, а уменьшенный зазор вызывал интенсивное тепловыделение. Оптимальная величина зазора устанавливалась посредством проведения экспериментальных исследований.
Характер износа трущихся поверхностей из карбида кремния и карбонитрида титана, полученный при больших удельных нагрузках (усилие до 7000 кгс при линейной скорости скольжения до 50 м/с) свидетельствуют о хороших когезионных характеристиках износостойкости материалов пары трения, а отсутствие заметных изменений параметров испытаний - о малом коэффициенте трения при изнашивании поверхностей. При этом подшипник сохранил работоспособность для дальнейших испытаний.
Для использования системы жидкой смазки ее подводят в зазор пары трения опора 1 - втулка 2 подшипника через центральный и радиальные каналы 22 и 23 в теле вала 4, кольцевую полость 24 и радиальные каналы 25 во внутренней фиксирующей втулке 7 и радиальные каналы 26 во втулке 2. При этом в зазоре обеспечивается жидкостное трение контактирующих поверхностей опоры 1 и втулки 2. Из зазора пары трения жидкая смазка сбрасывается в одну сторону на диск 10 и в другую сторону непосредственно во внутреннюю торцевую полость 21. С вращающегося диска 10 жидкая смазка посредством кольцевой наклонной кромки 28 под действием центробежных сил направляется в кольцевую канавку 27 корпуса 3. Из канавки 27 жидкую смазку через каналы 29, торцевую полость 21 и центральный канал 30 в корпусе 3 отводят из подшипника. Задержание выброса жидкой смазки (находящейся во взвешенном состоянии в газообразной среде) из внутренней полости подшипника в окружающую среду через торцевой стык диска 10 и корпуса 3 осуществляют уплотнением стыка на периферии между диском 10 и корпусом 3 кольцевыми гребешками 31 и 32 расположенными на торцах диска 10 и корпуса 3 коаксиально продольной оси подшипника.
Полученный технический результат заключался в достижении коэффициента трения 0,008-0,015 в подшипнике со смазкой в диапазоне температур от - 50 до +350°C, повышении несущей способности пары трения на 30%.
В результате проведенных испытаний на трение получены результаты, приведенные на фиг. 4-6.
На фиг. 4 пара трения 02 имеет коэффициент трения по величине на 10-50% меньший, в зависимости от нагрузки, по сравнению с парой трении 01. Пара трения 02 способна нести нагрузку по величине на 30% большую по сравнению с парой трения 01.
На фиг. 5 пара трения 02 имеет мощность трения по величине на 70% меньшую по сравнению с парой 01.
На фиг. 6 пара трения 02 имеет коэффициент трения в зависимости от нагрузки по величине на 46% меньший по сравнению с парой 01.
Таким образом, подшипники скольжения с парами трения из композиционных материалов на основе карбида кремния и карбонитрида титана можно рассматривать как наиболее перспективные при разработке конструкций высокотемпературных приводов сухого трения в будущих высокотемпературных воздушно-реактивных двигателях.