ОПРЕДЕЛЕНИЕ  ФАКТИЧЕСКОЙ  ПЛОЩАДИ  КОНТАКТА  ТЯЖЕЛОНАГРУЖЕННЫХ  ПОЛИМЕРНЫХ  ПОДШИПНИКОВ  СКОЛЬЖЕНИЯ

Демешова  Татьяна  Сергеевна

преподаватель, 
Пензенский  артиллерийский  инженерный  институт,

РФ,  г.  Пенза

E-mail: 

DETERMINATION  OF  THE  ACTUAL  AREA  OF  CONTACT  OF  HARD  LOADED  POLYMERIC  BEARINGS  OF  SLIDING

Tatiana  Demeshova

teacher, 
Penza  artillery  engineering  institute, 
Russia,  Penza

АННОТАЦИЯ

Необходимость  проведения  испытаний  по  определению  геометрической  площади  контакта  обуславливается  тем,  что  подшипники  скольжения,  изготовленные  из  полимерных  композиционных  материалов,  будут  иметь  различную  геометрическую  площадь  контакта  при  воздействии  одинаковой  нормальной  нагрузки,  что  определяет  границы  диапазонов  рабочих  режимов  исследуемых  материалов.  Испытания  исследуемых  материалов  на  лабораторной  машине  трения  СМТ-1  показали,  что  лучшим  материалом  для  изготовления  деталей  тяжелонагруженных  узлов  трения  являются  углепластики  с  наполнителем  антифрикционного  слоя  углелентой  ЛУП-0,2.

ABSTRACT

Need  of  carrying  out  tests  by  determination  of  the  geometrical  area  of  contact  is  caused  by  that  the  sliding  bearings  manufactured  of  polymeric  composite  materials  will  have  various  geometrical  area  of  contact  at  influence  of  identical  normal  loading  that  defines  borders  of  ranges  of  operating  modes  of  the  studied  materials.  Tests  of  the  studied  materials  by  laboratory  car  of  friction  of  SMT-1  showed  that  the  best  materials  of  production  of  details  of  hard  loaded  knots  of  friction  are  plastics  with  a  filler  of  an  antifrictional  layer  coal  a  tape  LUP-0,2.

Ключевые  слова:  полимерные  композиционные  материалы;  подшипник  скольжения;  геометрическая  площадь  контакта

Keywords:  Polymeric  composite  materials;  sliding  bearing;  geometrical  area  of  contact

Полимерные  композиционные  материалы  (ПКМ)  являются  одним  из  наиболее  важных  и  широко  используемых  классов  современных  конструкционных  материалов.  Применение  ПКМ  в  тяжелонагруженных  подшипниках  скольжения  способствует  решению  многих  технических  и  экономических  проблем,  основными  из  которых  являются  экономия  дефицитных  медесодержащих  сплавов,  снижение  стоимости,  повышение  износостойкости,  увеличение  срока  эксплуатации  машин  и  уменьшение  расхода  запасных  частей  [1,  с.  3].  В  этой  связи  перспективным  представляется  применение  подшипников  скольжения(ПС)  из  полимерных  композиционных  материалов.  Пропитанные  маслом  они  обеспечивают  режим  самосмазывания.  Высокие  антифрикционные  свойства,  способность  работать  в  условиях  сухого  трения  в  сочетании  с  высокой  прочностью  подложки  способствуют  увеличению  ресурса  в  тяжелых  условиях  эксплуатации  ПС  из  ПКМ,  армированных  высокопрочными  и  высокомодульными  волокнами  [2,  с.  5].

Механические  характеристики  ПКМ  значительно  зависят  от  схемы  армирования  материала  волокнами  наполнителя.  Соответственно  ПС,  изготовленные  из  этих  материалов,  будут  иметь  различную  геометрическую  площадь  контакта  (ГПК)  при  воздействии  одинаковой  нормальной  нагрузки,  что  необходимо  учитывать  при  расчете  давления  в  зоне  трения  [3,  с.  8].

Необходимость  определения  геометрической  площади  контакта  экспериментальным  путем  обусловлена  невозможностью  представить  поверхность  втулки  из  ПКМ  как  гладкую  поверхность  ввиду  особенностей  укладки  волокон  наполнителя  антифрикционного  слоя.

Для  определения  геометрической  площади  контакта  ПС  из  ПКМ  при  изнашивании  в  качестве  испытательной  установки  была  выбрана  лабораторная  машина  трения  СМТ–1  [4,  с.  5].  Испытаниям  были  подвергнуты  тонкостенные  образцы  в  виде  втулок,  изготовленные  из  различных  композиционных  материалов.Схема  модельного  узла  трения  представлена  на  рисунке  1.

Рисунок  1.  Схема  для  испытаний  образцов:  1  —  корпус;  2  —  образец;  3  —  контробразец;  4  —  термопара

Втулка  2  была  установлена  без  зазора  в  стальном  корпусе  1.  Жесткость  корпуса  обеспечивала  пренебрежимо  малую  его  деформацию  по  сравнению  с  деформацией  втулки.  В  качестве  контртела  были  использованы  стальные  (сталь  40Х  ГОСТ  4543-71)  втулки  3,  сопряженные  с  образцами  малым  (0,05  …  0,1  мм)  зазором,  при  котором  упругие  характеристики  незначительно  влияли  на  величину  центрального  угла  трения  пары  образец-контробразец.  Для  получения  четкого  отпечатка  пятна  контакта  использовалась  меловая  пыль,  напыляемая  на  поверхность  образца.

Испытания  образцов  проводились  до  достижения  на  образце  предельно-допустимого  по  техническим  характеристикам  машины  момента  трения  М_тр=20  Нм. 

Исследовался  вопрос  об  увеличении  площади  контакта  в  зависимости  от  увеличения  нормальной  нагрузки  с  целью  определения  увеличения  ГПК  в  зависимости  от  увеличения  нагрузки.  Измерение  площади  контакта  проводилось  в  3  различных  режимах  при  частоте  вращения  вала  n=100  мин^-1.

Подготовка  и  проведение  испытаний  включала  в  себя  следующие  операции:

1.  Исследуемые  образцы  промывались  в  бензине,  после  чего  измерялись  их  внутренний  диаметр  индикаторным  нутромером  НИ  18-50  ГОСТ  868-82.  Затем  на  внутреннюю  поверхность  образцов  напылялась  меловая  пудра.

2.  Контробразец  и  образец  устанавливались  в  держатели  вращательной  установки  СМТ-1  в  соответствии  с  требованиями  [4,  с.  15].

3.  Пуск  машины  производился  в  следующей  последовательности:

·задавалась  требуемая  скорость  вращения  шпинделя  испытательной  установки,  обеспечивающая  требуемые  параметры  вращательного  движения;

·нагрузка  подавалась  плавно  от  винта  механизма  нагружения  через  рычаг  испытательной  камеры;

·контроль  параметров,  определяющих  режим  испытания,  осуществлялся  по  встроенным  в  пульт  управления  СМТ-1  миллиамперметру,  вольтметру  и  счетчику  числа  оборотов.

4.  После  достижения  предельно  допустимого  техническими  характеристиками  машины  момента  трения  М_тр=20  Нм,  машина  выключалась,  образец  извлекался  из  держателей  вращательной  установки.

5.  После  каждого  цикла  испытаний  проводился  анализ  состояния  поверхностей  трения  с  соответствующими  записями  в  журнал  испытаний.

Всего  было  подвергнуто  испытаниям  17  образцов.  Результаты  испытаний  занесены  в  таблицу  1.

Таблица  1.

Определение  геометрической  площади  контакта

Зависимость  площади  контактаA_r  от  величины  нагрузки  F  представлена  на  рисунках  2  и  3  (номер  кривой  соответствует  номеру  образца).

Рисунок  2.  Зависимость  геометрической  площади  контакта  ПС  из  ПКМ  на  основе  органоволокон  со  стальным  валом  от  величины  нормальной  нагрузки  при  скольжении

Рисунок  3.Зависимость  геометрической  площади  контакта  ПС  из  ПКМ  на  основе  углепластиков  и  стального  вала  от  величины  нормальной  нагрузки  при  скольжении

Анализ  показал,  что  фактическое  пятно  контакта  на  15  …  20  %  меньше,  чем  по  расчетным  данным,  за  счет  того,  что  контактирование  поверхностей  образца  и  стального  вала  происходит  в  зависимости  от  конструкции  образца  по  слоям  намотки  и  по  выступам  волокон  наполнителя  антифрикционного  слоя.  Геометрическая  площадь  контакта  приближается  к  фактической  лишь  при  износе  образца  равном  0,01  мм.

Как  показал  анализ  зависимостей  геометрических  площадей  контакта  исследуемых  ПКМ  от  величины  нормальной  нагрузки,  ГПК  ПС  из  ПКМ  увеличивается  при  увеличении  нормальной  нагрузки  от  1500  …  3000  Н,  а  затем  практически  остается  постоянной.

Дальнейшее  незначительное  увеличение  площади  контакта,  как  показывают  визуальные  наблюдения  за  состоянием  пятна  контакта,  происходит  за  счет  смятия  и  износа  волокон  наполнителя  антифрикционного  слоя  ПС,  так  и  выступающих  поверхностей  слоев  ленты  наполнителя.  Причем,  чем  больше  величина  площади  сечения  волокон  наполнителя  антифрикционного  слоя,  тем  больше  увеличение  ГПК  при  возрастании  нормальной  нагрузки  (давления  на  площади  контакта).

Расчеты  показали,  что  при  увеличении  нагрузки  от  100  до  3000  Н  геометрическая  площадь  контакта  увеличивается  соответственно:

·для  органопластиков  (оксалон)  —  на  24  %;

·для  углепластиков  (вискум)  —  на  9  %;

·для  углепластиков  (ЛУ-П/0,2,  ЭЛУР)  —  на  5  %.

Список  литературы:

1. Мережко  Ю.А.,  Зиновьев  Р.С.  Подшипники  скольжения  из  армированных  реактопластов.  Книга  1.  Исследования  и  конструкторская  отработка  подшипников  из  полимерных  композиционных  материалов.  —  Екатеринбург:  Межрегиональный  совет  по  науке  и  технологиям,  2002.  —  249  с.
2. Савицкий  В.Я.  Основы  и  приложения  теории  прогнозирования  ресурса  сложных  трибосистем:  Монография.  —  Пенза:  ПАИИ,  2005.  —  326  с.
3. Чичинадзе  А.В.,  Браун  Э.Д.,  Буше  Н.А.  Основы  трибологии  (трение,  износ,  смазка):  Учеб.  для  техн.  вузов.  2-е  изд.  М.:  Машиностроение,  2001.  —  664  с.
4. Техническое  описание  и  инструкция  по  эксплуатации  машины  для  испытаний  на  трение  и  износ  СМТ-1.  —  М:  ВЦИО,  1980.  —  71  с.