способ снижения трения и пускового момента в подшипниках скольжения
Классы МПК: | F16C33/04 вкладыши; втулки; антифрикционные покрытия F16C33/12 структура материала; применение особых материалов или способов обработки поверхности, например для придания антикоррозийных свойств F16C33/24 с отдельными участками поверхности скольжения, выполненными из различных материалов C10M125/00 Смазочные составы, отличающиеся добавкой, являющейся неорганическим материалом |
Автор(ы): | Антипов В.И., Виноградов Л.В., Гугняк А.Б., Маршалкин В.А., Сорокин Л.М. |
Патентообладатель(и): | Антипов Валерий Иванович, Виноградов Леонид Викторович, Гугняк Анатолий Борисович, Маршалкин Валерий Андрианович, Сорокин Лев Михайлович |
Приоритеты: |
подача заявки:
1999-04-28 публикация патента:
20.11.1999 |
Изобретение относится к машиностроению и предназначено для снижения трения в подшипниках. Способ заключается во введении в зазор между трущимися поверхностями вала и вкладыша подшипника скольжения антифрикционного материала на основе заданной фракции сфероидальных микрочастиц, 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. Технический результат - улучшение смазки подшипников. 5 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
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 dmin1![способ снижения трения и пускового момента в подшипниках скольжения, патент № 2141581](/images/patents/330/2141004/8805.gif)
![способ снижения трения и пускового момента в подшипниках скольжения, патент № 2141581](/images/patents/330/2141004/8773.gif)
![способ снижения трения и пускового момента в подшипниках скольжения, патент № 2141581](/images/patents/330/2141004/948.gif)
![способ снижения трения и пускового момента в подшипниках скольжения, патент № 2141581](/images/patents/330/2141004/948.gif)
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 1800oC. 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 dmin1![способ снижения трения и пускового момента в подшипниках скольжения, патент № 2141581](/images/patents/330/2141004/8805.gif)
![способ снижения трения и пускового момента в подшипниках скольжения, патент № 2141581](/images/patents/330/2141004/8773.gif)
![способ снижения трения и пускового момента в подшипниках скольжения, патент № 2141581](/images/patents/330/2141004/948.gif)
![способ снижения трения и пускового момента в подшипниках скольжения, патент № 2141581](/images/patents/330/2141004/948.gif)
![способ снижения трения и пускового момента в подшипниках скольжения, патент № 2141581](/images/patents/330/2141004/8805.gif)
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 dmin1 микрочастиц 4 выбирают в зависимости от средней высоты Ra микронеровностей трущихся поверхностей вала 2 и вкладыша 3, а максимальный диаметр dmax1 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: dmin1
![способ снижения трения и пускового момента в подшипниках скольжения, патент № 2141581](/images/patents/330/2141004/8805.gif)
![способ снижения трения и пускового момента в подшипниках скольжения, патент № 2141581](/images/patents/330/2141004/8773.gif)
![способ снижения трения и пускового момента в подшипниках скольжения, патент № 2141581](/images/patents/330/2141004/948.gif)
![способ снижения трения и пускового момента в подшипниках скольжения, патент № 2141581](/images/patents/330/2141004/948.gif)
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 1000o 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 (~80oC) 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 Ra= 0,82 мкм, диаметр вкладыша 50,042 мм с Rа= 0,64 мкм. В качестве Rа для подстановки в формулу использовали среднее арифметическое значение Ra 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 5oC, 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 2000oC 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 Ra = 1 мкм, т. е. чистоте поверхности, соответствующей чистовому шлифованию) диаметром 50 мкм, так как dmax1 = (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%.
Класс F16C33/04 вкладыши; втулки; антифрикционные покрытия
Класс F16C33/12 структура материала; применение особых материалов или способов обработки поверхности, например для придания антикоррозийных свойств
Класс F16C33/24 с отдельными участками поверхности скольжения, выполненными из различных материалов
Класс C10M125/00 Смазочные составы, отличающиеся добавкой, являющейся неорганическим материалом