ВЛИЯНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ВКЛАДЫШЕЙ ПОДШИПНИКОВ

Вкладыши подшипников являются важнейшими элементами ответственных узлов, долговечность работы которых в значительной степени определяет работоспособность и надежность двигателей внутреннего сгорания. В настоящее время широко используются вкладыши подшипников с антифрикционным слоем свинцовистой бронзы на рабочей поверхности, а также свинцовистой бронзы с дополнительным защитным оловянно-свинцовым слоем. Такие вкладыши, как показывает опыт эксплуатации, обладают высокими антифрикционными свойствами и длительной работоспособностью в условиях нормального смазывания, в том числе при больших контактных нагрузках [3]. В то же время при возникновении аварийных ситуаций (прекращение смазывания рабочих поверхностей при повреждениях в смазочных системах или при вынужденных пусках двигателя без возможности предварительной прокачки смазочной системы) имеют место задиры как самих вкладышей, так и контактирующих деталей [1].

Целью работы является исследование возможности использования тонкослойных полимерных покрытий для дополнительной защиты рабочей поверхности вкладышей в условиях недостаточной смазки или в ее отсутствии.

Такого рода покрытия, выполняющие роль твердой смазки, должны отвечать следующим требованиям при нанесении на рабочие поверхности вкладышей из свинцовистой бронзы:

- покрытие должно наноситься на окончательно обработанный вкладыш с сохранением монтажных и эксплуатационных зазоров, а также без изменения толщины слоя заливки свинцовистой бронзой;

- нанесение покрытия не должно сопровождаться нагревом вкладыша свыше 80-100°С и дополнительной механической обработкой рабочей поверхности;

- нанесение покрытия не должно включать операций, связанных с применением сложного и дорогостоящего оборудования и существенно повышать стоимость изготовления вкладыша;

С учетом вышеперечисленных требований была выбрана композиция из полиорганосилоксанового (КО-945) и фторлоно-эпоксидного (ЛФЭ-32) лаков. Технология нанесения данного покрытия предусматривает нанесение рабочего раствора на поверхность и его отверждение при температуре 70 - 80°С в течение 2-4 ч. Полученное после высыхания покрытие содержит компоненты фторлона и полиорганосилоксана в массовом соотношении 3:1 и имеет толщину 3-5 мкм, что приемлемо для рассматриваемых вкладышей [2, 4].

Для проведения триботехнических испытаний была разработана методика исследований на стандартной машине трения 2070 СМТ-1 на парах трения, состоящих из неподвижного нагружаемого верхнего образца (вкладыш) и вращающегося нижнего образца - ролика диаметром 46 мм, изготовленного из азотированной стали 18Х2Н4МА, применяемой для изготовления коленчатых валов (рисунок 1). Шероховатость рабочей поверхности ролика соответствовала шероховатости шеек коленчатого вала (Ra=0‚63 мкм). Полимерное покрытие наносили на верхний образец поверх слоя свинцовистой бронзы и электролитического оловянно-свинцового покрытия.

Испытания проводили при частотах вращения ролика ω=400…1200 мин^-1 (υ=1…3 м/с); общих нагрузках на узел трения Р=100...1000 Н; давлениях в зоне фрикционного контакта σ=2…30 МПа. Продолжительность испытания каждого образца на одном нагрузочно - скоростном режиме составляла от 10 до 30 мин; количество образцов в каждом испытании было не менее трех. Площадь пятен износа на рабочей поверхности из свинцовистой бронзы S измерялась после каждого испытания с помощью микроскопа с внутренней шкалой или лупы и микрометра, а также после работы на каждом нагрузочно - скоростном режиме. При этом погрешность измерений площадей пятен износа составляла 0,05мм², а погрешность измерения коэффициентов трения на машине трения 2070 СМТ-1 - от 0,004 (при Р =100 Н) до 0.001 (при Р = 1000 Н).

Рисунок 1. Схема испытаний: 1 – вкладыш, 2 – ролик

Сравнительные испытания образцов проводились на масле М-20Г2 (ГОСТ 12337-84) при трех режимах смазывания: I - работа в условиях обильной смазки (ролик погружен в масляную ванну на 2 мм); II - работа на остатках смазки после прекращения смазывания (удаления масляной ванны) и кратковременной (5-7 минут) остановки для стекания масла с ролика; Ш - работа после длительной стоянки (20-30 ч) без подачи смазки.

Исследования проводились для следующих вариантов материалов и покрытий рабочей поверхности вкладыша: 1 - из свинцовистой бронзы; 2 - из свинцовистой бронзы с полимерным покрытием; 3 - из свинцовистой бронзы с оловянно-свинцовым слоем; 4 - из свинцовистой бронзы с оловянно-свинцовым слоем и полимерным покрытием (обозначены на рисунках 2 - 4).

На рисунке 2 приведены результаты испытаний по оценке влияния полимерного покрытия на динамику образования пятен износа при малых площадях начального фрикционного контакта и последовательном увеличении нагрузки в условиях режима смазывания I (ω =400 мин^-1, υ =1м/c). Нанесение полимерного покрытия на поверхность свинцовистой бронзы снизило размер пятен износа в среднем на 8—10 %, а на поверхность с дополнительным оловянно-свинцовым покрытием - на 12-15 %; снижение коэффициента трения составило в среднем 6—9 %. Сравнительно малое влияние полимерного покрытия на антифрикционные и противоизносные свойства рабочих поверхностей в режиме I связано с тем, что при обильном смазывании узла трения положительные свойства покрытия как твердой смазки в полной мере не проявляются.

Рисунок 2. Зависимость площади пятен износа (S) от нагрузки (P) при режиме смазывания I

На рисунках 3 и 4 приведены результаты испытаний образцов с малой начальной площадью фрикционного контакта при режимах смазывания II и Ш (ω =400 мин^-1, υ =1 м/с). Пуск, быстрое нагружение (40 Н/с) и работа в течение 30 мин осуществлялись при общих нагрузках узла трения от 400 до 1000 Н. После каждого испытания проводились обмеры пятен износа.

В условиях работы на остатках смазки (режим II) положительное влияние полимерного покрытия возрастает (рисунок 3) - нанесение его на рабочую поверхность вкладыша из свинцовистой бронзы уменьшает площадь пятна износа в среднем на 30 – 35 %, на оловянно-свинцовый слой - на 25-30 %. При этом также отмечено снижение коэффициента трения на 5 – 8 %.

Рисунок 3. Зависимость площади пятен износа (S) от нагрузки (P)  при режиме смазывания II

При наиболее тяжелом режиме испытаний Ш (без смазки при нагрузке 1000 Н) нанесение полимерного покрытия на образцы привело к снижению площади пятен износа в среднем на 20 – 30 % (рисунок 4). При испытаниях приближенным к условиям трения без смазки в наибольшей степени выявились свойства выбранного полимерного покрытия как твердой смазки, что также привело к существенному снижению коэффициента трения в среднем на 25-30 %.

Таким образом, тонкослойное (3-5 мкм) полимерное покрытие на основе полиорганосилоксана и фторлона может быть использовано для рабочих поверхностей вкладышей высоконагруженных подшипников двигателей внутреннего сгорания с целью повышения антифрикционных свойств, особенно при ограниченной смазке и возможном возникновении задиров.

Рисунок 4. Зависимость площади пятен износа (S) от материала рабочей поверхности вкладышей в режиме смазывания Ш

Список литературы:

1. Дроздов Ю.Н. Прикладная трибология (трение, износ и смазка) // Ю.Н. Дроздов, Е.Г. Юдин, А.И. Белов – М.: Изд-во «Эко-Пресс», 2010. - 604 с.
2. Кравцова Е.А. Применение тонкослойных полимерных покрытий при изготовлении и восстановлении деталей машин // Е.А. Кравцова, С.А. Феськов. Вектор науки ТГУ. - 2015. №4 (34). - С. 31-36. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/primenenie-tonkosloynyh-polimernyh-pokrytiy-pri-izgotovlenii-i-vosstanovlenii-detaley-mashin (дата обращения: 11.12.2017).
3. Леонтьев Л.Б. Анализ видов, причин и последствий отказов подшипников коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей // Л.Б. Леонтьев, А.Л. Леонтьев, В.М. Макаров -  Фундаментальные исследования. - 2015. № 12 (2). - С. 283-287; URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=39406 (дата обращения: 11.12.2017).
4. Шестаков В.М. Работоспособность тонкослойных полимерных покрытий. - М.: Машиностроение. 1973. - 160 с.