В конструкциях трубопроводной арматуры и насосов применяются разнообразные подшипники. Так, подшипники качения применяются преимущественно при больших скоростях и небольших нагрузках. Бронзовые подшипники выдерживают высокие контактные давления, но имеют высокий коэффициент трения, поэтому требуют применения смазки, тогда как зачастую невозможно или нежелательно вводить смазку в подшипниковый узел. Полимерные подшипники могут эксплуатироваться без смазки и обладают хорошей стойкостью к воздействию агрессивных сред, но им присуща высокая деформируемость под нагрузкой.
Помимо применяемых в узлах трения без смазки подшипников из полимерных или композиционных материалов, в основном это композиты на основе фторопласта. В 50-х годах появились металлополимерные подшипники на основе фторопласта, запрессованного в пористый бронзовый слой (МФЛ), а чуть позже и подшипники, состоящие из металлической подложки и адгезионно соединенного с ней фторопластового слоя, усиленного волокнами (МФП).
Сочетание низкого коэффициента трения, малых габаритов с высокой несущей способностью, нечувствительность к температурным колебаниям, возможность работы без смазки, бесшумность в работе делают металлополимерные подшипники скольжения перспективным средством передачи вращательного и поступательного движения. Наибольший эффект достигается при высоких нагрузках и невысоких скоростях скольжения. Этим объясняется актуальность их применения в узлах вращения в запорной арматуре и насосах.
Однако имеются существенные ограничения для их применения. Так, из-за нагрева и размягчения полимерного антифрикционного слоя они не могут использоваться при больших скоростях взаимного перемещения, а также при больших значениях pv-фактора.
Известны основные критерии, определяющие работоспособность подшипников скольжения. Это в первую очередь давление в сопряжении р, температура Т, при которой эксплуатируется подшипник, скорость взаимного перемещения v и pv-фактор – произведение давления, действующего в подшипниковом узле, на скорость взаимного перемещения сопрягаемых поверхностей. В таблице 1 представлены сравнительные характеристики двух основных типов металлофторопластовых подшипников импортного производства, предлагаемых на российском рынке.
Здесь приведены характерные цифры, несколько различающиеся у разных производителей, что объясняется отличиями в составе подшипников, однако эти отличия не носят принципиальный характер. Как видно, армированные волокнами подшипники выдерживают большие нагрузки, но при этом имеют меньшую предельную скорость скольжения по сравнению с металлофторопластовыми подшипниками, что объясняется их более низкой теплопроводностью по сравнению с МФЛ.
Как видно из таблицы, изготовители подшипников различают режимы приложения нагрузки на статический, динамический и переменный (колебательный), для которых существенно различаются максимальные допустимые нагрузки. При этом отсутствуют четкие указания на признаки, по которым необходимо различать эти режимы. Кроме того, отсутствуют ссылки на скорости, при которых возможны максимальные нагрузки. Поэтому необходимо конкретизировать различие режимов эксплуатации во избежание неверного применения подшипников и обусловленной этим преждевременной потери несущей способности подшипникового узла.
Например, если мы говорим о статическом приложении нагрузки, то под этим следует понимать практически полное отсутствие перемещений. Поэтому под статическим нагружением следует понимать сопряжение, в котором возможно проскальзывание без значимых взаимных перемещений, то есть v и pv равны нулю. Примером являются подшипники в опорах мостов. К нему же можно, по всей видимости, отнести работу подшипника в запорной арматуре с большими промежутками между фазами открытия и закрытия.
К динамическому режиму, исходя из имеющихся литературных данных, следует отнести вращение в одну строну с одинаковой невысокой скоростью без резких торможений и реверсивного движения. Например, в [1] за критерий отнесения к этому режиму принимают скорость менее 0,1 м/сек. Если же воспользоваться данными таблицы 1, можно определить предельные скорости вращения при максимальных нагрузках в динамическом режиме: v = pv/р = 2/150 = 0,8 м/мин, что, к примеру, для вала диаметром 50 мм составляет 5 об/мин. Это близко к значениям скоростей приводов трубопроводной арматуры и, вероятно, может использоваться при проектировании подшипниковых узлов трубопроводной арматуры со средней интенсивностью эксплуатации.
К переменному режиму относятся все виды взаимодействия, сопровождающегося существенными колебаниями значения нагрузки, как по величине, так и по направлению, а также высокоскоростные режимы нагружения. Поэтому для оценки работоспособности подшипников в трубопроводной арматуре и насосах с частыми реверсами при высоком уровне давлений и скоростей, на наш взгляд, правильнее применять для расчетов значения при «переменном» режиме нагружения.
Вышеизложенное показывает, что подшипники в узлах трубопроводной арматуры и насосов могут эксплуатироваться при разных режимах, и это необходимо принимать в расчет в процессе проектирования. Приведенные рекомендации не означают, что при иных, более высоких нагрузках или скоростях эксплуатация подшипников невозможна. Превышение допустимых значений приведет к снижению срока его службы, то есть количества циклов «открыто-закрыто» до потери несущей способности. Здесь мы коснулись важного эксплуатационного параметра, без которого не имеют смысла другие характеристики – долговечности, – о котором будет более подробно изложено ниже.
Можно заметить некоторое противоречие в приведенных в таблице 1 данных: так, если рассчитать pv-фактор при максимальных значениях скорости и нагрузки при динамическом и даже переменном режимах нагружения, мы получим значительно превышающее приведенное здесь же максимально допустимое значение. Это объясняется влиянием на предельно допускаемые значения (pv) большого количества дополнительных факторов. Поэтому важно понимать, что приведенные данные по максимальным нагрузкам, скоростям и pv-фактору требуют экспериментальной проверки.
Дополнительным подтверждением этого является представленное на рисунке 1 соотношение для предельных значений скоростей и давлений, взятое из [1]. Анализ данных показывает, что допустимые значения pv-фактора вдоль кривой находятся в интервале 14-60 МПа м/сек, что многократно превышает заявленные в таблице значения. Очевидно, приведенные данные необходимо рассматривать как предельные, обусловленные кроме того спецификой нагружения, а возможные режимы p и v расположены в области под кривой.
Для проверки работоспособности подшипников МФП и МФЛ были проведены их динамические испытания при реверсивном вращении на угол 90 градусов со скоростью 4 об/мин ( 0,01 м/сек). На рисунке 2 приведены фото подшипников МФП и МФЛ после испытаний при постепенном ступенчатом росте нагрузки от 0 до 70 МПа в течение 100 циклов вращения. Изменение толщины подшипника МФП после нагружения составляет 0,1 мм, подшипника МФЛ – 0,05 мм. Согласно техническому описанию, данные толщины соответствуют толщине верхнего антифрикционного фторопластового слоя. Фото подтверждают, что наблюдается некоторая деградация антифрикционного слоя. Тем не менее работоспособность подшипников не ухудшается. Как утверждается в [4], на этом этапе происходит приработка антифрикционного слоя, в процессе приработки происходит частичный перенос материала антифрикционного слоя на контртело, частичное удаление его из зоны трения за счет срезания микронеровностями и запрессовка в армирующий слой (стеклоткань или пористая бронза). Коэффициенты трения изменяются от 0,1 в начале испытаний до 0,04-0,05 после 100 циклов.
Показанные выше допускаемые значения p, v, pv приведены для нормальной температуры. С ростом температуры эти показатели будут снижаться. Для учета влияния температуры в подшипниковом узле необходимо вводить понижающие коэффициенты к максимально допустимой нагрузке. При малых скоростях вращения шпинделя разогрев подшипника возможен только за счет теплопередачи от среды. Следовательно, при использовании арматуры в трубопроводах транспортировки сред с высокой температурой необходимо рассчитывать возможную температуру сопрягаемых с подшипниками деталей и корректировать исходя из этого несущую способность подшипников.
Конечно, основной вопрос при эксплуатации – это как долго по времени или в циклах при возвратно-вращательном или возвратно-поступательном движении будет работать подшипник при действующих условиях нагружения, особенно в условиях динамического или переменного режимов. Например, производители трубопроводной арматуры в техническом описании приводят данные по количеству циклов «открыто-закрыто», а также примерный срок службы. Для арматуры небольших диаметров, рассчитанной на невысокие давления и температуры эксплуатации, они составляют порядка нескольких тысяч. Для арматуры больших диаметров и высоких параметров гарантированное количество циклов составляет несколько сотен. Десятикратное различие в долговечности безусловно объясняется ростом нагруженности узлов. Наравне с нагрузкой, рассчитываемой по известной методике, температурой среды и скоростью вращения шпинделя, это будут основные исходные данные для подбора подшипника.
Как правило, производители подшипников скольжения не приводят эти данные, тогда как вариация этих значений может достигать одного порядка (отличаться в 10 раз). На самом деле долговечность подшипников, выражаемая в часах или количестве циклов (оборотов), является наряду с приведенными данными основным показателем их работоспособности. Отсутствие этих данных объясняется сложностью их прогнозирования из-за взаимного влияния большого количества факторов. Существующие оценки носят скорее феноменологический характер, то есть оперируют значениями «больше/меньше», нежели количественными показателями. В ранних исследованиях работоспособности полимерных и металлополимерных подшипников скольжения предпринимались попытки разработать теоретические подходы к расчету долговечности подшипников, однако они требовали большого количества экспериментально определяемых величин, что снижало их практическую значимость. Тем не менее все экспериментальные исследования характеристик работоспособности подшипников обязательно приводились в сопоставлении с количеством циклов вращательного или поступательного перемещений или же с долговечностью в часах.
Для того чтобы оценить долговечность подшипника при заданных условиях эксплуатации, необходимо определить критерии, по которым она будет оцениваться. В более ранних исследованиях характеристик подшипников скольжения за критерий работоспособности была принята толщина подшипника, точнее снижение толщины в результате деформации или износа. Ранее в работе [5] также было показано, что снижение толщины антифрикционного слоя под действием нагрузки и сдвигающих усилий от трения является критичной величиной для сохранения работоспособности металлополимерного подшипника. На рисунке 3 показано изменение толщины подшипника МПП под воздействием давления различной величины. Очевидно, что чем больше толщина полимерного слоя, тем больше его деформируемость под нагрузкой, что может негативно отразиться на сроке эксплуатации. В то же время с ростом толщины растет демпфирующая способность подшипника, что во многих случаях востребовано для компенсации ударных или иных динамических воздействий. В этих исследованиях было показано, что снижение толщины не должно превысить допускаемую величину: для низкоскоростных подшипников это 0,1 мм. Для высоких скоростей взаимного перемещения эта величина задается отдельно в зависимости от конкретных условий эксплуатации [4].
Нельзя забывать также, что состав и шероховатость сопрягаемой поверхности очень сильно влияют на долговечность подшипников в процессе эксплуатации. Здесь действует очень простое правило (хотя не без исключений, как и во всем, что касается трения и износа): чем ниже шероховатость, тем дольше срок службы металлофторопластового подшипника.
Невысокие допускаемые значения v- и pv-фактора подшипников скольжения стимулирует исследование возможностей их повышения для расширения областей применения. Как отмечено ранее, основная причина невысоких значений p и pv заключается в невысокой теплопроводности и износостойкости антифрикционного слоя из заполненных фторопластом волокон или пористой бронзы. На это были направлены основные усилия при разработке подшипников серии МПП. В результате, помимо радиальных подшипников с антифрикционным слоем из армированного стекловолокном фторопласта (рис. 4а), упорных подшипников той же конструкции (рис. 4б), армированного металлической сеткой фторопластового композита (рис. 4в), подшипников с наружным антифрикционным слоем (рис. 4г), появились подшипники на основе бронзового пористого слоя с впрессованным в него фторопластом (рис. 4д), радиально-упорные подшипники с армированным фторопластовым слоем (рис. 4е) и неразрезные подшипники с тонким теплопроводящим антифрикционным слоем (рис. 4ж). Эта новая серия подшипников предназначена для высоких скоростей вращения до 3 м/сек при относительно невысоких давлениях до 1 МПа. Высокое допустимое значение pv-фактора, недостижимое ранее для подшипников скольжения, стало возможным благодаря использованию в конструкции подшипников армирующих материалов с высокой теплопроводностью.
Проведенные исследования послужили основой для расширения классификации металлополимерных подшипников. Характеристики подшипников представлены в таблице 2.
Как видно, представленный ассортимент подшипников удовлетворяют широкому кругу условий эксплуатации, что обусловлено вариабельностью их конструкции и состава.
Отметим некоторые особенности эксплуатации подшипников. Для реализации заявленных параметров особенно важна равномерность нагружения подшипника при динамическом и переменном режимах нагружения. Она в первую очередь определяется жесткостью вала, во вторую – жесткостью подшипника, в третью – конструкцией подшипникового узла.
Как было показано ранее, технологии производства МПП, МПШ, МПУ позволяют получать подшипники с различной толщиной антифрикционного слоя, что дает возможность получить различную демпфирующую характеристику подшипника, что бывает крайне важно для узлов трения. Подшипники выпускаются толщиной от 0,5 до 3 мм, диаметр производимых подшипников – от 10 до 2000 мм.
Важным отличительным свойством серийных подшипников является повышенная устойчивость к химическим реагентам и воздействию окружающей среды. Подшипники выпускаются по ТУ 4791- 08-34726723-2009. Данное оборудование может применяться в металлургии, машиностроении, пищевой, текстильной, целлюлозно-бумажной, химической и нефтегазовой промышленности.
Литература
1. www.slibitaly.com [Электронный ресурс] (дата обращения: 16.12.2020).
2. https://technymon.com [Электронный ресурс] (дата обращения: 16.12.2020).
3. www.csb.com.cn [Электронный ресурс] (дата обращения: 16.12.2020).
4. Семенов А.П., Савинский Ю.Э. Металлофторопластовые подшипники // Машиностроение. – 1976. – С. 192.
5. Зерщиков К.Ю., Кузахметова Е.К. Металлополимерные подшипники для узлов вращения запорной арматуры // Трубопроводная арматура и оборудование. – 2012. – № 2(59). – С. 22-23.
