СПОСОБ СБОРКИ ПОДШИПНИКА СКОЛЬЖЕНИЯ
PROCEDURE FOR ASSEMBLY OF FRICTION BEARING

Изобретение относится к способам сборки подшипников скольжения различных машин.
Надежность подшипников скольжения, при прочих равных условиях, в значительной мере зависит от способов проведения монтажных работ.
При изготовлении корпусов и вкладышей подшипников, а также подшипниковых шеек (цапф), например роторов компрессоров и насосов, всегда имеются отклонения от их идеальной геометрической формы, называемые погрешностями. Дополнительные неточности привносятся при установке ротора. Накопление погрешностей значительно снижает реальную площадь контакта цапфы и вкладышей подшипника, что является причиной перенапряжения антифрикционного слоя, особенно в период приработки.
Кроме того, поверхность вкладышей и контактирующая с ними поверхность, так называемая постель под вкладышами, в местах неудовлетворительного прилегания могут подвергаться щелевой и фреттинг-коррозии [В.Тарельник, В.Марцинковский, Б.Антошевский. Повышение качества подшипников скольжения: Монография. - Сумы: Издательство «МакДен», 2006. - 160 с.].
Согласно [Д.Н.Гаркунов. Триботехника. - М.: Машиностроение, 1989. - 327 с.] сопротивление усталости антифрикционного слоя зависит от режима работы и конструкции подшипника, физических свойств соединения слоя с основанием, жесткости вала и постели под подшипником и др. Недостаточная жесткость вала, корпусов и постелей может стать причиной перекосов цапф относительно подшипников и концентрации нагрузки у краев. Результатом повышенного кромочного давления на подшипниках может быть трещинообразование либо пластический сдвиг мягкого сплава. При неудовлетворительном прилегании вкладышей подшипника к контактирующей поверхности, то есть постели, участки вкладышей с неплотным контактом прогибаются; одновременно перегружается остальная рабочая поверхность.
Площадь фактического контакта поверхностей состоит из множества малых дискретных площадок, расположенных на различных высотах пятен касания в местах наиболее плотного сближения поверхностей и зависит от микро- и макрогеометрии поверхностей, волнистости, физико-механических свойств поверхностного слоя и от нагрузки.
Увеличение податливости одной из деталей сопряженного узла может благоприятно влиять на его надежность и долговечность.
В справочной литературе [Словарь-справочник по трению, износу и смазке деталей машин / В.Д.Зозуля, Е.Л.Шведков, Д.Я.Ровинский, Э.Д.Браун. - Киев: Наук. думка, 1990. - 264 с.] под податливостью понимают способность детали выдерживать деформации за пределами упругости с сохранением несущей способности. Это чрезвычайно важное свойство для массивных деталей трения, например подшипников скольжения, тормозных колодок и др. Высокая податливость материала или изделия позволяет обеспечивать хорошее прилегание поверхностей и, тем самым, большую эффективность работы, надежность и износостойкость.
Наиболее близким к изобретению по техническому результату является способ сборки подшипника скольжения, заключающийся в установке корпуса и вкладыша, охватывающего вал, в посадочных местах, их креплении и последующей сборке подшипникового узла [Патент РФ №2044174, «Подшипник скольжения и способ его сборки» МПК, F16C 9/02. приоритет 23.01.92, опубликовано: 20.09.95.(прототип)].
Недостатком известного способа сборки является сложность его осуществления. Данный способ предполагает применение разрезного пружинящего корпуса подшипника, изготовленного согнутым по форме посадочного места. Технологический процесс сборки включает трудоемкую операцию разгибания корпуса подшипника перед его установкой в посадочном месте при довольно сложном процессе крепления. При использовании данного способа не обеспечивается требуемого прилегания поверхностей.
В основу изобретения поставлена задача создания способа сборки подшипника скольжения, который был бы более простым и эффективным и обеспечивал высокую надежность и долговечность подшипника.
Поставленная задача решается тем, что в способе сборки подшипника скольжения, заключающемся в установке корпуса и вкладышей, охватывающих вал, в посадочных местах с последующей сборкой подшипникового узла, согласно изобретению установку корпуса и вкладышей в посадочных местах выполняют после того, как, по крайней мере, на одну из контактирующих поверхностей корпуса и/или вкладышей подшипника наносят покрытие из материалов, обладающих податливостью.
В способе могут наносить покрытие из мягких металлов, например меди, серебра, олова, индия.
В способе могут наносить покрытие из баббита.
Покрытие могут наносить методом электроэрозионного легирования, при энергии разряда 0,04-0,08 Дж, толщиной 0,05-0,12 мм.
Облегчение условий приработки и улучшение режима работы в послеприработочном периоде обеспечивается увеличением податливости вкладыша подшипника и более плотного прилегания к постели за счет включения в способ сборки подшипникового узла операции нанесения на его контактирующую поверхность мягких материалов. Мягкий материал, деформируясь под воздействием высоких удельных нагрузок, обеспечивает самоустановку вкладыша подшипника, компенсируя погрешности изготовления подшипника скольжения.
Покрытие из материалов, имеющих податливость, увеличивает площадь контакта взаимодействующих поверхностей, что уменьшает или устраняет возможность возникновения щелевой и фреттинг-коррозии и, тем самым, увеличивает надежность и долговечность подшипникового узла в целом. В свою очередь, увеличение площади контакта вкладыша с поверхностью цапфы значительно снижает силу трения и облегчает условия приработки антифрикционного слоя и поверхности цапфы, что также положительно влияет на надежность и долговечность подшипника.
Существует большое количество различных методов нанесения покрытий из мягких металлов на стальные изделия (гальванический метод, металлизация напылением и др.). Сравнение их достоинств и недостатков позволило обосновано выделить как наиболее перспективный метод электроэрозионного легирования (ЭЭЛ) - процесс перенесения материала на обрабатываемую поверхность искровым электрическим разрядом. Метод имеет ряд специфических особенностей:
- материал анода (легирующий материал) может образовывать на поверхности катода (легируемая поверхность) чрезвычайно прочно сцепленный с поверхностью слой покрытия; в этом случае не только отсутствует граница раздела между нанесенным материалом и металлом основы, но происходит даже диффузия элементов анода в катод;
- легирование можно осуществлять в строго указанных местах, не защищая при этом остальную поверхность детали;
- технология электроэрозионного легирования металлических поверхностей очень проста, а необходимая аппаратура малогабаритна и транспортабельна [Н.И.Лазаренко. Электроискровое легирование металлических поверхностей. - М.: Машиностроение, 1976. -46 с.].
На чертеже показаны три варианта нанесения покрытия на контактирующие поверхности корпуса и вкладышей перед их установкой в посадочные места.
Пример
При выполнении работ для ОАО «Новомосковская акционерная компания» «Азот» представители фирмы «ТРИЗ» изготавливали подшипники демпферные (ПД80, ПД90 и ПД110) для турбокомпрессорного агрегата 11ТК1. Установку вкладышей в корпусе подшипника выполняли по трем вариантам:
1-й вариант. Для подшипника скольжения ПД80 установку вкладышей выполняли после нанесения покрытия из баббита Б83 на поверхности вкладышей, контактирующие с корпусом (на спинку опорной колодки). Покрытие наносилось методом ЭЭЛ на установке «ЭИЛ-8А» при энергии разряда 0,04 Дж. При этом толщина покрытия составляла 0,04 мм, а шероховатость Rz=16,2 мкм.
2-й вариант. Для подшипника скольжения ПД90 установку вкладышей выполняли после нанесения покрытия из баббита Б83 на поверхность корпуса, контактирующую с вкладышами (на постель корпуса). Покрытие наносилось методом ЭЭЛ на установке «ЭИЛ-8А» при энергии разряда 0,04 Дж. При этом толщина покрытия составляла 0,04 мм, а шероховатость Rz=16,2 мкм.
3-й вариант. Для подшипника скольжения ПД110 установку вкладышей выполняли после нанесения покрытия из баббита Б83 на контактирующие поверхности как вкладышей, так и корпуса (на спинку опорной колодки и постель корпуса). Покрытие наносилось методом ЭЭЛ на установке «ЭИЛ-8А» при энергии разряда 0,04 Дж. При этом толщина покрытия составляла 0,04 мм, а шероховатость Rz=16,2 мкм.
После сборки подшипники исследовали на прирабатываемость поверхности вкладыша подшипника, контактирующей с цапфой. Площадь приработанной поверхности определяли через каждые 20 минут испытаний визуально по соотношению приработанной поверхности к исходной. Результаты испытаний сведены в таблице 1.
Таблица 1
Время приработки подшипников скольжения без технологического покрытия в посадочном месте вкладыша, обладающего податливостью и с технологическим покрытием
Марка подшипника, номер варианта
Площадь приработанной поверхности, %
Время приработки, мин
20
40
60
80
ПД80
70
80
90
100
ПД80* (1)
75
90
100
ПД90
70
80
90
100
ПД90* (2)
75
90
100
ПД110
70
80
90
100
ПД110* (3)
80
90
100
* подшипники скольжения с технологическим покрытием из баббита Б83 в посадочном месте вкладыша
Как видно из таблицы 1, подшипники скольжения с технологическим покрытием в посадочном месте вкладыша, обладающим податливостью, прирабатываются быстрее, а следовательно, они более надежны и долговечны.
Методика исследований
В современном машиностроении для изготовления вкладыша подшипника применяют металлические материалы чугуны, бронзы, баббиты [В.Тарельник, В.Марцинковский, Б.Антошевский. Повышение качества подшипников скольжения: Монография. - Сумы: Издательство «МакДен», 2006. - 160 с.].
Чугунные вкладыши изготавливают из антифрикционных чугунов, в частности из серого перлитного чугуна марки АСЧ-1 и АСЧ-2.
Бронзовые вкладыши подшипника изготавливают из оловянных и свинцовых бронз.
Мягкие антифрикционные материалы - баббиты и свинцовые бронзы - применяют исключительно в виде покрытий. Вкладыши подшипника в данном случае выполняют биметаллическими; тонкий антифрикционный слой в них наплавлен на стальную, чугунную, а в ответственных подшипниках на бронзовую основу.
Материалы, применяемые для исследования, подразделяются на материалы для катода (детали) и материалы для анода (легирующего электрода).
Используемые для исследований материалы анода и катода, а также некоторые их физико-механические свойства приведены в таблицах 2 и 3.
Таблица 2
Режимы обработки и физико-механические свойства материалов, применяемых при ЭЭЛ в качестве катода (детали)
Марка материала
Кристаллическая решетка
Предел прочности при растяжении кг/мм<sup>2</sup>,
Предел текучести, кг/мм <sup>2</sup>
Твердость, НВ
Сталь 20
О.Ц.К.
45
35
170-190
ОЦС 5-5-5
Г.Ц.К.
15-20
8-10
100-110
АСЧ-1
12-38
-
180-229
Таблица 3
Физико-механические свойства материалов, применяемыхпри ЭЭЛ в качестве анода (легирующего электрода)
Марка материала
Температура плавления, °С
Твердость
Теплопроводность, Вт/(м·К)
Коэффициент линейного расширения, 10<sup>-6</sup>, град<sup>-1</sup>
Медь
1084
88НВ
401
16,5
Серебро
817
25НВ
453
14,2
Олово
232
5НВ
59,8
22
Индий
157
0.9НВ
87
60,5
Баббит Б83
370
27-30НВ
-
23,0
В качестве материала анода использовались чистые металлы (медь, серебро, олово, индий), баббит В83.
На параметры качества покрытий при ЭЭЛ оказывают влияние множество факторов, из числа которых в первую очередь следует выделить режимы легирования.
Влияние материала легирования, режимов ЭЭЛ на качественные параметры покрытий определялось на установке с ручным вибратором модели «ЭИЛ-8А». Основные режимы ее работы приведены в табл.4.
Толщину слоя покрытия измеряли микрометром, а шероховатость поверхности - прибором профилограф-профилометр мод. 201 завода «Калибр» путем снятия и обработки профилограмм. Сплошность покрытия оценивали визуально.
Таблица 4
Режимы работы модифицированной установки «ЭИЛ - 8А»
Номер режима
Напряжение холостого хода U<sub>x.x</sub>, В
Рабочий ток I<sub>p</sub>, A
Энергия разряда W<sub>u,</sub> Дж
С=150 мкФ
С=300 мкФ
С=150 мкФ
С=300 мкФ
1
16
0,2-0,4
1,0-1,4
0,01
0,02
2
23
0,3-0,5
1,4-1,6
0,02
0,05
<b>3</b>
<b>30</b>
<b>0,5-0,6</b>
<b>1,6-2,0</b>
<b>0,04</b>
<b>0,08</b>
4
37
0,6-0,7
1,8-2,0
0,06
0,12
<b>5</b>
<b>47</b>
<b>0,7-0,8</b>
<b>2,0-2,2</b>
<b>0,10</b>
<b>0,20</b>
6
57
0,8-0,9
2,2-2,4
0,15
0,30
<b>7</b>
<b>67</b>
<b>0,9-1,0</b>
<b>2,4-2,7</b>
<b>0,20</b>
<b>0,40</b>
8
77
1,0-1,2
2,6-2,8
0,27
0,55
<b>9</b>
<b>87</b>
<b>1,1-1,3</b>
<b>2,6-3,5</b>
<b>0,34</b>
<b>0,68</b>
Результаты исследований
На основании проведенных исследований получены качественные параметры покрытий из мягких металлов (медь, индий олово, серебро и баббит Б83), нанесенных методом ЭЭЛ на сталь 20 (табл.5).
Таблица 5
Качественные параметры покрытий из мягких металлов, нанесенных методом ЭЭЛ на сталь 20
Режим W<sub>u</sub>, Дж
Т<sub>рац</sub>, мин
Шероховатость, Rz, мкм
Прирост, Δh, mm
Медь
Индий
Олово
Баббит
Серебро
Медь
Индий
Олово
Баббит
Серебро
0,01
4,0
2
2,4
2,8
2,8
0,8
0,01
0,01
0,01
0,01
0,01
0,02
3,5
3
2,8
4,4
4,4
1,2
0,01
0,02
0,01
0,02
0,01
0,04
3,0
8
3,2
16,2
16,2
2,8
0,02
0,02
0,03
0,04
0,02
0,05
2,7
-
-
-
!8,4
3,2
-
-
0,05
0,06
0,02
0,08
2,0
9
-
24,4
26,0
3,4
0,03
-
0,10
0,12
0,03
0,10
2,0
10
-
28,2
27,2
3,6
0,04
-
0,12
0,13
0,035
0,20
1,2
12
-
34,3
37,1
-
0,05
-
0,13
0,14
-
0,34
1,0
15
-
37,0
43,0
-
0,09
-
0,13
0,15
-
0,40
1,1
16
-
-
-
0,09
-
-
-
-
0,68
0,75
27
-
-
-
-
0,14
-
-
-
-
К практическому применению в качестве материала покрытия можно рекомендовать олово или баббит Б83, твердость которых соответственно 5 и 27-30 НВ.
Наиболее рациональные режимы нанесения покрытия 0,04-0,08 Дж, позволяющие формировать покрытия на стали 20 толщиной 0,05-0,12 мм.
Следует отметить, что с увеличением режима легирования сплошность покрытия снижается и составляет для рекомендуемых режимов соответственно 90-70%.
При замене материала подложки стали 20 на чугун и бронзу механизм формирования покрытия из олова и баббита практически не изменяется.
К практическому применению рекомендуются режимы нанесения покрытия 0,04-0,08 Дж, позволяющие формировать покрытия на чугуне толщиной 0,05-0,12 мм и бронзе - 0,05-0,10 мм.
Таким образом, используя данные таблицы 5, на контактирующие поверхности вкладыша и/или корпуса подшипника можно гарантированно наносить различные слои мягких материалов, обладающих низким сопротивлением деформации (податливостью), и тем самым увеличивать площадь контакта поверхностей вкладыша как с контактирующей поверхностью корпуса подшипника, так и с поверхностью цапфы. Увеличение площади контакта вкладыша с контактирующей поверхностью корпуса подшипника снижает или устраняет возможность возникновения щелевой и фреттинг-коррозии и, тем самым, увеличивает надежность и долговечность подшипникового узла в целом. В свою очередь, увеличение площади контакта вкладыша с поверхностью цапфы значительно снижает силу трения и облегчает условия приработки антифрикционного слоя и поверхности цапфы, что также положительно влияет на надежность и долговечность подшипника.
Необходимая толщина наносимого слоя определяется точностью изготовления контактирующих поверхностей и погрешностями сборки. Чем ниже точность изготовления и больше погрешность при сборке, тем толще наносимый слой.