АНТИФРИКЦИОННЫЕ УГЛЕПЛАСТИКИ В ПОДШИПНИКАХ СКОЛЬЖЕНИЯ СУДОВЫХ МЕХАНИЗМОВ
И. В. Горынин, академик РАН, А. В. Анисимов, докт. техн. наук, В. Е. Бахарева, докт. техн. наук (ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей», тел. 812-2741200) удк 699.844-032.3
Надежность, живучесть, безопасность, экономичность и долговечность судовых механизмов и устройств, уровень вибрации и структурного шума, конкурентоспособность оборудования на Мировом рынке во многом определяются эксплуатационными характеристиками многочисленных узлов трения. В последние годы большое внимание уделяется экологической чистоте узлов трения современных судов. Эта проблема может быть решена, например, за счет исключения масляной смазки узлов трения и замены металлических антифрикционных материалов полимерными, способными работать с водяной смазкой [1].
Трудность решения проблемы заключается в том, что в судостроении и энергомашиностроении существует группа крупногабаритных (диаметром до 1 м) подшипников скольжения гребных валов и баллеров рулей судов, уникальных насосных агрегатов и арматуры многочисленных судовых трубопроводов, судовых энергетических установок, работающих в экстремальных условиях при высоких контактных давлениях (до 100 МПа) и в широком диапазоне температур (от -200 до 200 °С).
Подшипники должны обладать размерной стабильностью при эксплуатации в воде в течение 25 лет или всего жизненного цикла оборудования судов.
Традиционные антифрикционные полимерные материалы (фторопласты, полиамиды, текстолиты и др.) уступают по прочности металлическим сплавам в 4—50 раз, по износостойкости — в 5—10 раз, почти все они набухают в воде и имеют коэффициент линейного термического расширения в 10— 100 раз больший, чем у металлов, и поэтому непригодны для высокоточных судовых механизмов.
Создание принципиально нового класса экологически чистых антифрикционных полимерных композиционных материалов — углепластиков, отличающихся высокой конструкционной прочностью, износо- и ударостойкостью, технологичностью, размерной стабильностью на уровне металлических
сплавов, но в отличие от металлов способных работать с водяной смазкой, — было основной целью наших исследований. Работы по созданию антифрикционных углепластиков для судостроения были начаты по постановлению Правительства в 1978—1980 гг. в ЦНИИТС1 [2] и широко развернулись в 1986 г. после перевода лаборатории в ЦНИИ КМ «Прометей».
Интенсификации исследований способствовало современное приборное оснащение института, позволившее исследовать структуру углепластиков методами растровой электронной и атомно-силовой микроскопии, рентгеноструктурного анализа, инфракрасной спектроскопии и др. Очень полезным оказалось тесное сотрудничество материаловедов-химиков и металлистов. Был выполнен цикл исследований по определению влияния металла-контртела на трибо-технические характеристики пары трения «углепластик—металл», установлено влияние состава и структуры сталей, бронз, титановых сплавов на долговечность узла трения [1, 3].
Федеральное агентство по науке и инновациям по результатам конкурса определило институт как головную организацию по разработке наноматериалов и нанотех-нологий. Нами проведены исследования по модификации антифрикционных углепластиков на наноуровне, исследовано влияние наноструктуры углеродных волокон и полимерной матрицы на прочностные и триботех-нические характеристики углепластиков. В результате применения нанотехнологий удалось создать углепластики, способные работать по титановым сплавам и снизить коэффициент трения в 2 раза [1].
В научной школе ЦНИИ КМ «Прометей» исследования традиционно проводятся комплексно по схеме: состав—структу-ра—свойства—технология—промышленное производство материалов и изделий. Антифрикционные углепластики не стали исключением. С 1986 г. началось производство подшипников из углепластиков. Объем производства, составлявший вначале
1 Ныне ОАО «Центр технологии судостроения и судоремонта»
Рис. 1. Подшипники из углепластика УГЭТ
несколько десятков килограммов, в 2010-2011 гг. достиг 10 т ежегодно. В 2012 г. в Гатчине сдан цех, позволяющий довести объем производства до 30 т с дальнейшим увеличением до 60 т в год.
Проблемы создания, исследования, применения полимерных композитов в триботехнике обсуждались на четырех международных научно-технических конференциях, проводившихся в ЦНИИ КМ «Прометей».
Характеристика основных классов антифрикционных углепластиков. В результате многолетних исследований были разработаны три класса антифрикционных углепластиков [1].
1. Высокопрочный эпоксидный углепластик марки УГЭТ, предназначенный для тяжелонагруженных тихоходных узлов трения (длительное контактное давление до 100 МПа, кратковременное — до 200 МПа, скорость скольжения от 0,004 до
0,5 м/с), диаметром до 1000 мм, смазываемых морской или речной водой, нефтью, агрессивными жидкостями при температуре до 80 °С (табл. 1).
Подшипники из углепластика УГЭТ (рис. 1) успешно применяются в ряде механизмов: движительно-ру-левой комплекс судов различных классов и назначений (опоры рулевых устройств и рулевых машин), успокоители качки, интерцепторы, приводные устройства к исполнительным механизмам типа кингстонов, шпигатных щитов, подъемно-мачтовые выдвижные устройства, якорные и швартовные механизмы, буксирные лебедки, грузовые краны, устройства люкового закрытия грузовых трюмов, грузовых аппарелей.
Из углепластика марки УГЭТ изготовлены и эксплуатируются антифрикционные накладки направляющих ножей интерцепторов (приспособлений для стабилизации движения судна при дифференте от носа к корме), сферические подшипники крыльевого устройства, уплотнитель-ные кольца газовыхлопной трубы для скоростных судов нового класса (автомобильно-пассажирский паром пр. 1656, пассажирские суда пр. «WestFoil 25» и «Бире^оН 40»).
2. Теплостойкий фенольный углепластик марки ФУТ. Предназначен для скоростных подшипников (скорость скольжения до 40 м/с при смазке водой и 50—60 м/с при смазке маслами и нефтью) при контактных давлениях до 5 МПа. Температура эксплуатации до 125 °С. Подшипники из углепластика ФУТ применяются в узлах трения судовых гребных валов, а также в насосах различных марок, например в конденсатных насосах ЦН-103/11, НЦВС-160/80 атомных ледоколов; в морских поршневых насосах ЭНА-1, ЭНА-4, ЭНА-7 и насосах судовых энергетических установок, работающих в перегретой воде (рис. 2, табл. 2).
3. Теплостойкий полифенилен-сульфидный углепластик марки УПФС [1]. Предназначен для скоростных подшипников (скорость скольжения 40 м/с при смазке водой и 79 м/с при смазке маслами и нефтью) при контактном давлении до 5 МПа. Температура эксплуатации подшипников 200 °С. Подшипники из УПФС обладают высокой химической и окислительной стойкостью,
Таблица 1
Сравнительные характеристики материалов, используемых в тяжелонагруженных тихоходных подшипниках скольжения при смазывании водой
Материал
Характеристика УГЭТ УГЭТ- Тордон Капро- Масля- Брон- Баббит
МФ XI. лон нит-К за Б83*
Плотность, кг/м3 1450 1450 1200 1150 1150 7890 7380
Прочность при сжатии, МПа 200 200 35** 80 49 250 100
Модуль Юнга, ГПа 15 15 0,5 2 2,5 100 —
Коэффициент термического 1,6 — 10 9,8 9,5 1 2,2
расширения, 1/°С-10-5
Объемное изменение размеров при работе в воде, % Менее 0,1 Менее 0,1 1,3 5,0 0,4 0 0
Допускаемое контактное давление, МПа 100 100 7,5 5,0 10 50 5
Интенсивность изнашивания 3-10-9 1 -10-9 30-10-9 10-10-9 20-10-9 6-10-9 1-10-9
Коэффициент трения 0,12 0,06 0,12 0,01 0,15 0,14 0,01
Рабочая температура, °С -200 +80 -200 +80 -60 + 107 -40 +75 0 +40 -60 + 150 -60 +75
При смазывании маслом. Прочность при растяжении.
Таблица 2
Сравнительные характеристики материалов, используемых в высокоскоростных подшипниках скольжения при смазывании водой
Материал
Характеристика ФУТ УПФС Тордон XI. Капролон Графито-пласт АМС-3
Плотность, кг/м3 1450 1400 1200 1150 1790
Прочность при сжатии, МПа 150 250 35* 85 95
Модуль Юнга, ГПа 15 10 0,5 2 13
Коэффициент термического расширения, 1/°С-10"5 1,6 — 10 9,8 4,0
Объемное изменение размеров при работе в воде, % Менее 0,1 Менее 0,1 1,3 5,0 0
Допускаемое контактное давление, МПа 5,0 7,0 0,6 0,5 0,8
Коэффициент трения 0,010 0,007 0,010 0,030 0,050
Рабочая температура, °С -200 + 125 -200 +200 -60 + 107 0 +45 -60 + 150
Рис. 2. Подшипники морских насосов из углепластика ФУТ
Прочность при растяжении.
низким водопоглощением, что позволяет им работать в условиях перегретой воды, агрессивных сред, а также при сухом трении.
Модификация полимерной матрицы и армирующих материалов с целью оптимизации триботехничес-ких свойств антифрикционный углепластиков. Для достижения высокой износостойкости углепластиков оба их компонента — полимерная матрица и углеродные армирующие волокна — должны обладать трибохи-мической активностью и создавать на поверхности фрикционного контакта постоянно возобновляемую пленку «полимера трения» («третье тело»), обеспечивающую низкий коэффициент трения и малую интенсивность изнашивания полимерного материала [4].
Для дальнейшего расширения областей применения антифрикционных углепластиков необходимо: увеличить ресурс эксплуатации и обеспечить адаптируемость углепластиков к контртелам с низкими триботехническими характеристиками — коррозионно-стойким сталям с твердостью НРС менее 30 и титановым сплавам; повысить допустимое контактное давление для тяжелонагруженных тихоходных подшипников и скорость скольжения для высокоскоростных; снизить коэффициент трения при низких скоростях скольжения и высоких контактных давлениях. Все эти задачи могут быть решены при изучении структуры полимерных композиционных материалов и ее влияния на триботехниче-ские свойства.
Углепластики обладают сложной внутренней структурой, которая характеризуется наличием нескольких иерархических сопряженных друг с другом уровней. Попытки учета многоуровневой структуры и ее влияния на макроскопические свойства полимерных композиционных материалов предпринимались достаточно давно [2, 4—8]. Однако в триботехнике такие подходы являются новыми. Обычно повышение триботехнических характеристик углепластик
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.