способ снижения трения и пускового момента в подшипниках скольжения

Формула изобретения

1. Способ снижения трения и пускового момента в подшипниках скольжения, заключающийся во введении в зазор между трущимися поверхностями вала и вкладыша подшипника скольжения антифрикционного материала на основе сфероидальных микрочастиц, отличающийся тем, что используют сфероидальные микрочастицы заданной фракции, в которой минимальный диаметр микрочастиц выбирают в зависимости от средней высоты микронеровностей трущихся поверхностей, а максимальный диаметр микрочастиц фракции выбирают исходя из минимальной величины зазора между трущимися поверхностями с учетом допуска посадки вала и вкладыша.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что минимальный и максимальный диаметры сфероидальных микрочастиц фракции определяют соответственно из соотношений d_min¹ 10 R_a, d_max¹ (D - d - 2)/2, где R_a - средняя высота микронеровностей трущихся поверхностей; d - диаметр вала; D - диаметр вкладыша; - предельно допустимое отклонение диаметра вала и вкладыша от номинального.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что антифрикционный материал вводят при температуре от -80 до +2000^oС.

4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что микрочастицы выполнены из материала, выбранного из группы, состоящей из металлов ряда Fe, Mo, Co, W, Al, Zr, Mg, Ti, оксидов и карбидов указанных металлов, керамики и стекла любого состава, включая кварцевое стекло.

5. Способ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что используют микрочастицы, полученные путем плазменной сфероидизации при затвердении в плазменной струе при отрицательном градиенте температуры в пределах 100 - 1000^oС на 1 см длины струи, обеспечивающем скорость охлаждения микрочастиц в пределах 1 - 1000 град/с.

6. Способ по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что при использовании в качестве антифрикционного материала жидкой или консистентной смазки с введенными в нее сфероидальными микрочастицами их количество составляет 1 - 150 г на 1 л смазки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению и предназначено для снижения трения в подшипниках скольжения, а также для уменьшения пускового момента.

Широко известны традиционные способы снижения трения в подшипниках скольжения путем введения жидкой смазки (патент США N 3784471). Недостатком этих способов является вытеснение жидкой смазки из зазора подшипника скольжения после остановки движения, что может привести к возникновению сухого трения с повышенным износом. В тяжело нагруженных механизмах возможно схватывание трущихся поверхностей.

Известны также способы снижения трения путем введения в жидкую смазку твердой составляющей, такой как, например, графит, дисульфид молибдена или кластерная медь (патент США N 4935056). Однако динамический коэффициент трения при этом характеризуется величинами, свойственными трению скольжения, а не качения, и сохраняется опасность схватывания трущихся поверхностей.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ снижения трения в подшипниках скольжения по патенту США N 5173202,согласно которому в зазор между трущимися поверхностями введен антифрикционный материал, представляющий собой жидкую смазку с введенными в нее по существу сфероидальными керамическими микрочастицами монофракции размером 0,5 мкм, с твердостью по Виккерсу в пределах 300-1500 и температурой плавления по крайней мере 1800^oC. Недостатки известного способа заключаются в следующем: 1) смазка с микрочастицами размером 0,5 мкм не может обеспечить трения качения в парах скольжения, так как в большинстве случаев при принятой в машиностроении чистоте трущихся поверхностей микрочастица не может накатиться на микронеровность, так как ее размер больше диаметра микрочастицы; 2) при микронеровностях, превышающих диаметр сфероидальных частиц, происходит схватывание трущихся поверхностей, вследствие чего возможно разрушение поверхности при пуске, а требуемый пусковой момент в этом случае будет в несколько раз превышать номинальное значение; 3) известный способ не может быть реализован ни при низких температурах, ни в вакууме, так как возможно замерзание и испарение жидкой основы смазки.

В основу настоящего изобретения положена задача разработки способа снижения трения и пускового момента в подшипниках скольжения, который за счет выбора размеров используемых в качестве смазки сфероидальных микрочастиц обеспечивал бы возникновение между трущимися поверхностями трения качения.

Поставленная задача решается тем, что по способу снижения трения и пускового момента в подшипниках скольжения, заключающемуся во введении в зазор между трущимися поверхностями вала и вкладыша подшипника скольжения антифрикционного материала на основе сфероидальных микрочастиц, согласно изобретению, используют сфероидальные микрочастицы заданной фракции, в которой минимальный диаметр микрочастиц выбирают в зависимости от средней высоты микронеровностей трущихся поверхностей, а максимальный диаметр микрочастиц фракции выбирают исходя из минимальной величины зазора между трущимися поверхностями с учетом допуска посадки вала и вкладыша.

Предлагаемое изобретение предусматривает ввод в зазор подшипника скольжения фракции микрочастиц с жидкой смазкой, пластичной смазкой или без нее. Диаметр микрочастиц во фракции определяется в зависимости как от зазора между трущимися поверхностями, так и от размера микронеровностей. Это позволяет создать благоприятные условия для перекатывания микрочастиц через микронеровности и избежать возможное заклинивание.

Целесообразно, чтобы минимальный и максимальный диаметры сфероидальных микрочастиц фракции определялись бы соответственно из соотношений d_min¹10 R_a, d_max¹ (D - d - 2 ) / 2, где R_a - средняя высота микронеровностей трущихся поверхностей, d - диаметр вала, D - диаметр вкладыша - предельно допустимое отклонение диаметра вала и вкладыша от номинального.

Согласно изобретению, максимальный диаметр микрочастиц в парах вращения не может быть больше, чем величина зазора (D - d) / 2. Это объясняется тем, что при большем диаметре микрочастиц возможно заклинивание вала и вкладыша подшипника. Более того, максимальный диаметр микрочастиц в широкой фракции по размерам должен быть меньше на величину предельно допустимого отклонения размера вала и вкладыша от номинального, чтобы предотвратить зажим микрочастицы в точке контакта выступ вала - выступ вкладыша и последующее разрушение микрочастицы.

Минимальный размер микрочастиц может быть тоже задан, исходя из известных соображений наката микрочастиц на микронеровность (d_min¹10 R_a). Микрочастицы, имеющие диаметр меньше размера микровпадин, не работают и их целесообразно отсеивать. Поэтому работающая часть фракции порошка может считаться от минимального диаметра d_min¹, определяемого десятикратным средним размером микронеровности R_a, до максимального диаметра d_max¹ частицы, определяемого величиной зазора в подшипнике скольжения.

Антифрикционный материал можно вводить при температуре от -80 до + 2000^oC. Наиболее широко предлагаемый способ применим в машиностроении с использованием жидких и пластичных смазок при средних температурах трущихся пар до 100^oC и в буровой технике.

Микрочастицы могут быть выполнены из материала, выбранного из группы, состоящей из металлов ряда Fe, Mo, Co, W, Al, Zr, Mg, Ti, оксидов и карбидов указанных металлов, керамики и стекла любого состава, включая кварцевое стекло.

Материал микрочастиц может быть весьма различен, начиная от широко распространенных оксидов кремния, титана, алюминия, магния (SiO₂, TiO₂, Al₂O₃, MgO). Не ограничивая список оксидов только перечисленными, можно использовать микрочастицы из металлов, их карбидов, например WC b W₂C, любых керамик и стекол любого состава, выбираемых из условий доступности и низкой себестоимости.

Предпочтительно использовать микрочастицы, полученные путем плазменной сфероидизации при затвердении в плазменной струе при отрицательном градиенте температуры в пределах от 100 до 1000^o на 1 см длины струи, обеспечивающем скорость охлаждения микрочастиц в пределах от 1 до 1000 град/с.

Процесс сфероидизации на стадии нагрева частиц до их расплавления является известным из литературы (Н.Н. Рыкалин, В.А. Петруничев, Л.М. Сорокин, Е.Б. Королева, А.Б. Гугняк "Получение сферических и тонкодисперсных порошков в низкотемпературной плазме" в книге "Плазменные процессы в металлургии и технологии неорганических материалов", издательство "Наука", 1973 г, стр. 220 - 229). Однако на стадии затвердевания микрочастиц вносится существенное отличие от известных приемов, а именно: на стадии охлаждения формируется плазменная струя с отрицательным температурным градиентом в пределах от 100 до 1000^oC на 1 см длины плазменной струи. Это обеспечивает высокое качество поверхности микрочастиц (без микротрещин) и снятие внутренних напряжений в результате отжига. Даже стеклянные микрочастицы, полученные таким способом, способны выдержать нагрузку на сжатие до 8000 атм. Дополнительным положительным эффектом является возможность замены дорогостоящих материалов подшипников скольжения на обычную конструкционную сталь.

При использовании в качестве антифрикционного материала жидкой или консистентной смазки с введенной в нее сфероидальными микрочастицами целесообразно, чтобы их количество составляло бы от 1 до 150 г на 1 л смазки. Если количество микрочастиц меньше 1 г, то не вся поверхность трения покрывается сфероидальными частицами и положительный эффект пропадает, если больше 150 г, то дальнейшего повышения эффекта не наблюдается.

В дальнейшем предлагаемое изобретение поясняется конкретными примерами его выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:

фиг. 1 изображает взаимное расположение вала и вкладыша в режиме останова при наличии микрочастиц в смазке;

фиг. 2 - расположение микрочастиц в зазоре при вращении вала.

Предлагаемый способ снижения трения и пускового момента в подшипнике скольжения осуществляется следующим образом.

В зазор 1 (фиг. 1) между валом 2 и вкладышем 3 введен антифрикционный материал, например, в виде фракции сфероидальных микрочастиц 4, в которой минимальный диаметр d_min¹ микрочастиц 4 выбирают в зависимости от средней высоты R_a микронеровностей трущихся поверхностей вала 2 и вкладыша 3, а максимальный диаметр d_max¹ микрочастиц 4 фракции выбирают исходя из минимальной величины зазора 1 между трущимися поверхностями с учетом допуска посадки вала 2 и вкладыша 3. Минимальный и максимальный диаметры сфероидальных микрочастиц фракции определяются соответственно из соотношений: d_min¹10 R_a, d_max¹(D - d - 2 ) / 2, где: R_a - средняя высота микронеровностей трущихся поверхностей, d - диаметр вала 2, D - диаметр вкладыша 3, - предельно допустимое отклонение диаметра вала 2 и вкладыша 3 от номинального. При использовании микрочастиц 4 различных диаметров часть из них (диаметром около среднего размера микровпадины) заполняют микровпадины, уменьшая шероховатость трущихся поверхностей и, следовательно, повышая чистоту поверхностей, что приводит к дополнительному снижению коэффициента трения скольжения. Благодаря наличию во фракции микрочастиц 4 большого диаметра вал 2 (фиг. 2) катится на микрочастицах 4 по вкладышу 3, а не скользит по нему, заменяя при этом трение скольжения на трение качения. А кроме того, микронеровности при перекатывании микрочастиц сглаживаются и происходит микронаклеп поверхностей трения.

Таким образом, при использовании данного способа:

1) значительно снижается пусковой момент и исключается схватывание поверхностей трения;

2) снижается коэффициент трения;

3) повышается класс чистоты поверхностей;

4) повышается микротвердость поверхностей;

5) снижается износ подшипников скольжения, возможна замена дорогостоящего подшипникового материала на обычную дешевую конструкционную сталь.

Способ приготовления микрочастиц, отвечающих требованиям данного изобретения, состоит в том, чтобы обеспечить специальный режим охлаждения расплавленных в плазме микрочастиц, т.е. в зависимости от размера частиц нужно обеспечить скорость их охлаждения 1 - 1000 град/с. Указанная скорость охлаждения достигается тем, что плазменная струя растягивается для создания нужного отрицательного температурного градиента от 100 до 1000^o на см длины плазменной струи. Расплавленная в активной зоне плазмы частица летит вместе с плазмообразующим газом, постепенно охлаждаясь в соответствии с заданным температурным градиентом, который гарантирует высокую чистоту поверхности микрочастицы и отсутствие сверхвысоких внутренних напряжений при затвердевании микрочастиц, так как происходит автоотжиг микрочастиц. Таким образом, для создания микрочастиц с твердостью по Виккерсу выше 300 применяется стандартная плазменная технология с реализацией указанных отличительных особенностей.

Ниже приведены примеры, подтверждающие возможность реализации предлагаемого способа.

Пример 1. Кварцевые микрочастицы диаметром от 1 до 50 мкм, полученные по описанной плазменной технологии, были перемешаны с моторным маслом И-20 в соотношении 7 г микрочастиц на 1 литр масла. После этого масло с присадкой в виде микрочастиц вводилось в зазор подшипников скольжения, выполненных в виде вала диаметром 100 мм и вкладыша внутренним диаметром 100,11 мм. Результаты испытаний представлены в нижеприведенной таблице.

Пример 2. Для смазки трущегося в вакууме при низкой температуре (~80^oC) подшипника скольжения в виде вала-цилиндра диаметром 254 мм и вкладыша диаметром 254,2 мм, поверхность которых была обработана получистовым обтачиванием на токарном станке со средним размером неровностей, достигающих 12,5 мкм, в зазор между ними были засыпаны микрочастицы размером от 20 до 100 мкм. Микрочастицы широкой фракции были получены по плазменной технологии, а затем на ситах была выделена нужная фракция 20-100 мкм. В результате подтверждена возможность работы пар скольжения при низкой температуре и в вакууме.

Пример 3. В силиконовое масло для вакуумных насосов был введен 1 г стеклянных микрочастиц, размер которых определялся по формуле согласно предлагаемому изобретению. Диаметр вала 50 мм со средней высотой микронеровностей R_a= 0,82 мкм, диаметр вкладыша 50,042 мм с R_а= 0,64 мкм. В качестве R_а для подстановки в формулу использовали среднее арифметическое значение R_a для вала и вкладыша. В результате испытаний получено: 1) снижение пускового момента в 4,69 раза, 2) снижение динамического коэффициента трения в 1,94 раза, 3) снижение температуры в паре скольжения на 5^oC, 4) снижение интенсивности изнашивания в 1,6 раза.

Пример 4. Микрочастицы карбида вольфрама, полученные по плазменной технологии, были введены в зазор вала, вращающегося во вкладыше, и в сборе помещены в высокотемпературную тест-камеру. Температура в камере была повышена до 2000^oC и измерены статический и динамический коэффициенты трения. Испытания подтвердили работоспособность подшипников скольжения в этих экстремальных условиях, случаев схватывания и заклинивания не наблюдалось. Таким образом, подтверждена возможность работы пар скольжения при высоких температурах.

Пример 5. Жидкость вместе с микрочастицами в пропорции 150 г на литр смазочной жидкости с поверхностно-активными добавками вводили в подшипники скольжения вращающихся шарошек при бурении глубоких скважин. Были использованы стеклянные микрочастицы, полученные по плазменной технологии, размером фракции 50-150 мкм. При бурении случаев заклинивания шарошек не наблюдалось. И после вынужденного останова шарошки начинали рабочее вращение при минимальном пусковом крутящем моменте. До применения смазочной жидкости с микрочастицами из-за заклинивания шарошек приходилось извлекать из скважины всю буровую колонну, нередко высотой больше 1 км, на что уходило не менее 1,5 месяцев. Благодаря использованию фракции микрочастиц эти случаи удалось исключить и существенно сэкономить рабочее время на проходку скважины. Себестоимость микрочастиц, получаемых по плазменной технологии из стеклянных отходов, достаточно низка, чтобы их использовать как расходуемый материал вместе со смазочной бурильной жидкостью.

В предпочтительном варианте реализации предлагаемого метода снижения трения в подшипниках скольжения и предотвращения их схватывания были выбраны кварцевые микрочастицы (при диаметре вала d = 100,0 мм и при диаметре вкладыша D = 100,11 мм, при высоте микронеровностей R_a = 1 мкм, т. е. чистоте поверхности, соответствующей чистовому шлифованию) диаметром 50 мкм, так как d_max¹ = (100,11 - 100,0 - 0,001) / 2 = 0,0545 мм или 54,5 мкм. Фракцию микрочастиц 4 нужной ширины получали сначала рассевом на сите стандартного размера 50 мкм. Затем удаляли микрочастицы размером менее 1 мкм методом жидкостной седиментации. Микрочастицы указанной фракции добавляли в моторное масло в количестве 12 г на литр масла с применением поверхностно-активных добавок, чтобы предотвратить оседание микрочастиц в покое и их слипание между собой. При непрерывном движении масла оседания микрочастиц не происходило и применения ПАВ не требовалось.

Испытания были проведены на машине СМЦ-2 по схеме вал-вкладыш. Образцы пар скольжения выполнены из стали 45. Условия опыта: скорость скольжения 0,125 м/сек, удельная нагрузка P = 3 МПа.

Ниже в таблице приведены результаты испытаний.

Таким образом, коэффициент трения при пуске снизился в 3,57 раза, что характеризует снижение пускового момента, динамический коэффициент трения снизился в 2,12 раза, температура в зоне трения снизилась почти на 6%, а интенсивность изнашивания снизилась на 7%.