Технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик биметаллических подшипников скольжения
ART 86722
А.
В. ПросековаБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Просекова
А.
В.,
Родичев
А.
Ю.,
Савин
Л.
А. Технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик биметаллических подшипников скольжения // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2016. – Т. 11. – С.
3421–3425. – URL:
http://e-koncept.ru/2016/86722.htm.
Аннотация. В настоящее время производство оснащено современной сложной техникой, безотказность работы которой зависит от срока службы наиболее нагруженных деталей. Во многих изделиях машиностроительного производства нашли широкое применение различные подшипники скольжения, так как они обладают высокими антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью, выдерживают значительные удельные нагрузки и высокие скоростные режимы. Чаще всего это бронзовые подшипники скольжения типа «втулка». Эти подшипники лимитируют ресурс работы ответственных узлов и агрегатов. Обеспечение надежности и долговечности биметаллических подшипников скольжения является сложной задачей при их изготовлении.
Ключевые слова:
технология, подшипник скольжения, биметаллический подшипник скольжения, накатывание, напыление, несущая способность
Текст статьи
Просекова Анастасия Владимировна,Аспирант, старший преподаватель кафедры «Мехатроника и международный инжиниринг» ФГБОУ ВО «Приокский государственный университет», г. ОрелProsekova.anastasia@yandex.ru
Родичев Алексей Юрьевич,Кандидаттехнических наук, старший научный сотрудник проблемной научноисследовательской лаборатории «Моделирование гидромеханических систем» ФГБОУ ВО «Приокский государственный университет», г. Орелrodfox@yandex.ru
Савин Леонид Алексеевич,Доктор технических наук, заведующий кафедрой «Мехатроника и международный инжиниринг»savin@ostu.ru
Технологическое обеспечениеэксплуатационных характеристик биметаллических подшипников скольжения
Аннотация.В настоящее время производство оснащено современной сложной техникой, безотказность работы которой зависит от срока службы наиболее нагруженных деталей. Во многих изделиях машиностроительного производства нашли широкое применение различные подшипники скольжения, так как они обладают высокими антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью, выдерживают значительные удельные нагрузки и высокие скоростные режимы. Чаще всего это бронзовые подшипники скольжения типа «втулка». Эти подшипники лимитируют ресурс работы ответственных узлов и агрегатов. Обеспечение надежности и долговечности биметаллических подшипников скольжения является сложной задачей при их изготовлении.Ключевые слова:Подшипник скольжения, биметаллический подшипник скольжения, технология, накатывание, напыление, несущая способность
Наиболее ответственными элементами современных машин, работающими на высоких скоростях вращения и воспринимающимизначительные нагрузки,являются подшипники скольжения. Для обеспечения надежной работы машины и требуемой долговечности основных ее узлов необходимо решитькомплексную многофакторную задачу. Конструкция, качество изготовления и условия эксплуатации подшипниковых узловоказывают влияние на работу узла, машины или агрегата. Выбор конструкции подшипника скольжения зависит от параметров работы машины, ее функциональных особенностей, оптимальных соотношений размеров опорного узла, рационального выбора смазкии т.п.На качество изготовления подшипника скольжения оказывают влияние такие параметры,как выбор метода получения заготовки, технология изготовления, метод контроля обработанных поверхностей и т.п. На условия эксплуатации подшипникового узлавлияютскорость вращения цапфы ротора и величина воспринимаемой нагрузки, качество сборочных и монтажных работ, обеспечение требуемых посадок в подшипниковом узле и соосности посадочных мест, а также подвод смазочного материала и надлежащая смазка подшипникового узла.
Для обеспечения высокой конкурентной способности разрабатываемой машины или узлацелесообразно минимизировать использование дорогостоящих материалов. При проектирование подшипников скольжения для экономии цветных металлов и сохранения требуемых триботехнических свойств применяют биметаллические подшипники –на стальную основу наносится слой антифрикционного металла. Однако,выполненные рядом исследователей работы по изучению работоспособности деталей с покрытиями убедительно показали, что основной причиной их разрушения является недостаточная связь между материалом покрытия и основы[1, 2, 3]. По указанной причинесерьезным ограничением на пути более широкого применения изделий, упрочненных покрытиями, следует считать прочность сцеплениянапыленного материала со стальной основой. Как известно[4], она зависит от механической и физикохимической совместимости компонентов.Одним из путей повышения качества биметаллических подшипников скольжения,а,соответственно,и повышения износостойкости, является внедрение в производство технологии изготовления биметаллических подшипников скольжения с использованием порошков на основе бронзы способом газопламенного напыления.При этом применение специальной предварительной механической обработки перед нанесением покрытий газопламенным напылением позволяет повысить прочность сцепления покрытий с основой при максимальном сохранении исходной структуры и свойств порошка.
Рассмотрим три способа изготовления биметаллического подшипника скольжения,которые отличаютсядруг от другаподготовкойповерхности под нанесениеантифрикционного покрытия.Предложенныерешения являются интеллектуальной собственностью авторов данной статьи, что подтверждается патентами РФ.Первый способ заключается в изготовлении биметаллического подшипника скольжения по следующей технологии [5,6]. Основу подшипника составляет стальная втулка,на внутренней цилиндрической поверхности которойнарезается «рваная» резьба(рис. 1), после чего на нарезанную резьбу наноситсякосое сетчатое накатывание(рис. 2,).На подготовленную таким образом внутреннюю поверхность(рис.3) напыляют газотермическим способом порошок бронзы при помощи газопламенной горелки толщиной 0,75÷2 мм. После напыления втулка растачивается до номинального размера(рис. 4, рис. 5).
Рисунок 1 –Фрагмент поверхности с нарезанной «рваной» резьбойРисунок 2 Фрагмент поверхности с витками «рваной» резьбы с последующей косой сетчатой накаткой двумя роликами
Рисунок 3 Фрагмент поверхности с витками «рваной» резьбы с последующей косой сетчатой накаткой двумя роликами (фото)
1 –втулка стальная, 2 –поверхность после нарезания «рваной» резьбы и косого сетчатого накатывания, 3 –напыленный антифрикционный слой порошка бронзы, 4 элемент типа «усеченная пирамида»Рисунок 4 Фрагмент подшипника скольжения, полученный по предлагаемой технологии.
Рисунок 5 Фрагмент подшипника скольжения, полученный по предлагаемой технологии (фото)
Косое сетчатое накатывание осуществляется с помощью специально разработанной технологической оснастки [7], которая состоит из накатной головки 1 и державки 2 для крепления всего приспособления к суппорту станка в резцедержателе. (рис. 6) Накатная головка 1 выполнена в виде серьги и развернута относительно державки 2 под прямым углом для удобства эксплуатации. Их фиксация друг относительно друга осуществляетсяс помощью шпонки 5 и стопорного кольца 6. В головке 1 устанавливаются два накатных ролика 3 с косой зубчатой насечкой и закрепляются с помощью винтов 4.
аба–объемная модель накатной готовки; б –фотография накатной головкиРисунок 6 –Оснасткадля нанесения косого сетчатого накатывания
Применение предлагаемого устройства позволяет упростить замену накатной головки, исключить дополнительные регулировки, а также упростить обработку деталей в труднодоступных местах(рис. 7).
аб
Рисунок 7–Процесс косого сетчатого накатывания
Второй способ заключается в изготовлении биметаллического подшипника скольжения по следующей технологии [8].Основу подшипника составляет стальная втулка 1 (рис. 8), внутренний диаметр которой растачивается на 24 мм больше номинального размера. На внутренней цилиндрической поверхности наносится сетчатое накатывание. На подготовленную таким образом внутреннюю поверхность 2 напыляют газотермическим способом порошок бронзы 3 при помощи газопламенной горелки толщиной 1÷2 мм. После напыления втулка растачивается до номинального размера(рис. 9).
1 –втулка стальная, 2 –поверхность после центробежноинерционного накатывания, 3 –напыленный антифрикционный слой порошка бронзы, 4 –элемент типа «усеченная пирамида», Р –смещение шага накатного ролика.Рисунок 8 –Фрагмент подшипника скольжения, полученный по предлагаемой технологии.
а сталь 20 с покрытием ПРБрАЖНМц 8,51,551,5, б –сталь 20 с покрытием ПРБрОЦС 555Рисунок 9 –Последовательность изготовления образцов центробежноинерционным накатыванием.
Центробежноинерционноенакатывание осуществляется с помощью специально разработанной технологической оснастки(рис.9)[9], которая состоитиз хвостовика 1 и корпуса 2 с установленной внутри него штангой 3. К корпусу с помощью осей 4 присоединены центробежные элементы 5, в которые вставляют грузы 6 и рычаги 7, к которым присоединены роликодержатели 8. Корпус снизу закрыт пробкой 9. В роликодержателях, параллельно оси изделия, по свободной посадке установлены сдвоенные накатные ролики: правый 10 и левый 11, с выфрезерованными на поверхности треугольными зубьями, расположенными под углом к оси ролика, где зубья сдвоенного ролика смещены относительно друг друга на величину от 0,5 шага зубьев, при этом из четырех сдвоенных роликов у двух зубья направлены вправо, а у двух других влево. Сдвоенные ролики крепят самостопорящимися гайками 12. Микрорельеф на стальную основу наносится сдвоенными роликами центробежноинерционным накатыванием. Для этого устройство хвостовиком 1 устанавливают в патрон вертикальнорасточного или вертикальносверлильного станка под прямым углом к обрабатываемой поверхности накатными роликами 10 и 11.
1 хвостовик, 2 корпус, 3 штанга, 4 ось, 5 центробежный элемент, 6 груз, 7 рычаг, 8 роликодержатель, 9 пробка, 10 накатной ролик левый, 11 накатной ролик правый, 12 самостопорящаяся гайкаРисунок 10
Устройство для центробежноинерционного накатывания:
Третий способ заключается в изготовлении биметаллического подшипника скольжения по следующей технологии.На поверхность стальной основы путем механической обработки наносится «рванная» резьба(рис. 11). Улучшениесцепления напыляемого антифриционного покрытия со стальной основой достигается путем изменения физикомеханических свойств поверхностного слояс помощью пескоструйной обработки(рис. 12)с последующимнанесением подслоя порошка ПГЮ5Н(рис. 13), обладающего хорошимиадгезионнымисвойствами. На подготовленную таким образом внутреннюю поверхностьнапыляютгазотермическим способом порошок бронзы (рис. 14)при помощи газопламенной горелки(рис. 15).После напыления втулка растачивается до номинального размера(рис. 16)
Рисунок 11Стальная втулка с нанесенной «рванной» резьбойРисунок 12 –Стальная втулка после пескоструйной обработки
Рисунок 13 –Втулка после нанесенияпорошка ПГЮ5НРисунок 14 –Втулка с нанесенным антифрикционным покрытием ПРБрАЖНМц 8,51,551,5
Отличительной особенностью данного способа от двух приведенных ранее, является то, что данный способ не требует дополнительных затрат на проектирование и производство технологической оснастки для подготовки поверхностиподнапыление.
Рисунок 15 Напыление антифрикционного покрытия.
Рисунок 16 –Механическая обработка (растачивание)биметаллического подшипника до номинального размера
Результаты исследований подшипников скольжения с различными антифрикционными покрытиями позволили остановить свой выбор наизготовлении биметаллических подшипниковскольжения с использованием в качестве антифрикционного покрытия порошок ПРБрАЖНМц8,51,551,5.
Для определения основных эксплуатационных характеристик разработанных биметаллических подшипников были проведены натурные эксперименты на установке по исследованию течений в коническоцилиндрическихканалах (рис. 17).Для этого были изготовлены образцы биметаллических подшипников скольжения с покрытием ПРБрАЖНМц8,51,551,5.
1 –основание; 2 –корпус установки; 3 –электрошпиндель; 4 –ротор; 5 –подшипник передний; 6 –подшипник задний; 7 –установка стационарного нагружения; 8 –муфта; 9 –монометр.Рисунок 17–Схема экспериментальной установки
В состав экспериментального модуля входит роторная установка 2 (с системой динамического нагружения 7) с двумя опорами жидкостного трения, одна из которых представляет собой радиальный гидростатодинамический подшипник 5 с радиальной подачей смазочного материала, а второй опорой служит гладкий цилиндрический подшипникскольжения6, а также комплект втулок биметаллических подшипников, системы для подачи смазочного материала.Кроме этого модуль имеет места для размещения первичных преобразователей информационноизмерительной системы.Конструкция опорного узла позволяет использовать для испытаний как цельнобронзовые подшипники скольжения, так и биметаллические.Конструкция узла с гидродинамическимцельнобронзовым подшипником жидкостного трения представлена на рисунке 18
Рисунок 18–Подшипниковый узел
Подшипниковый узел состоит из корпуса 1, в который устанавливаются втулка 2 (подшипник скольжения) и дистанционная втулка 3. Втулки крепятся в корпусе при помощи гайки 4. Гайки выполнены как с левой так и с правой резьбой, что препятствует их раскручиванию в процессе вращения ротора.
1электродвигатель, 2муфта, 3 –подшипниковый узел, 4гидравлическая система, 5бак, 6насосРисунок 19 –Схема экспериментальной установки
Отличительными особенностями данной экспериментальной установки являются:
воспроизведение условий радиального нагружения максимально приближенных к эксплуатационным за счет создания требуемой радиальной нагрузки на роторе с помощью нагрузочного устройства;
воспроизведение режимов смазки и обеспечение требуемого перепада давлений на торцах подшипника,за счет введения распределительного коллектора, установленного на сливной магистрали(рис.19);
установка позволяет производить испытание подшипников разного типоразмера, за счет наличия распорных втулок разной ширины.Основными эксплуатационными характеристиками, которые определяются по результатам проведения натурного эксперимента, являются несущая способностьипотери мощности на трение. Для получения численных значений характеристик подшипникового узла применяют контрольноизмерительную систему, которая состоит изЭВМ с платой аналогоцифрового и цифроаналогового преобразования, модулясогласования сигналов, первичныхпреобразователей. Программное обеспечение для функционирования информационноизмерительной системы, проведения эксперимента и обработки данных было написано на едином языке визуального программирования LabVIEW.Показания датчиков перемещения позволяют оценить несущую способность опоры скольжения по следующей методике(рис. 20): на установившемся режиме вал описывает траекторию вокруг некоторого центра, соответствующего кривой подвижного равновесия. Показания датчиков перемещений определяют эксцентриситет положения ротора относительно центра подшипника. На установившемся режиме работы несущая способность смазочного слоя многослойного подшипника скольжения равна внешней статической нагрузке, включая массу ротора.
Рисунок20–Определение относительного эксцентриситета
На рисунке 21представлены результаты сравнения несущихспособностейцельнобронзовых и биметаллических подшипниковскольжения.
Рисунок 21–Результаты исследования несущей способности подшипников скольжения.
Момент трения в подшипниках скольжения экспериментальной установки определялся на основании теоремы об изменении кинетического момента, при условии отсутствия момента движущих сил (свободный выбег ротора). В данном случае уравнение вращательного движения вала имеет вид:
,(1)где –полярный момент инерции вала;
–угловая скорость вращения вала;–момент трения ПС.Следовательно, зная результаты спектрального представления сигнала с датчика перемещения во времени, при выбеге ротора экспериментальной установки, представляется возможным определить момент трения в опорном узле (рис.22).
Рисунок 22–Представление показаний с датчика виброперемещений в спектральновременной зависимости
На рисунке 23представлены результаты сравнения потерь мощностей на трениецельнобронзовых и биметаллических подшипниковскольжения.
Рисунок 23–Результаты исследования несущей способности подшипников сколжения.
Проведенный анализ технологий позволил дать рекомендации производству поразработкетехнологических процессов и оснастки для изготовления биметаллических подшипников скольжения.Нанесение на поверхность основы «шероховатости»относится к числу важнейших факторов, определяющих прочность сцепления напыленного покрытия с основным металлом. Прочность сцепления возникает под действием ряда механизмов, из которых определяющее значение имеет механическое сцепление напыляемого материала с поверхностью основы. Основными способами нанесения «шероховатости»являются: струйноабразивная обработка; нарезание «рваной» резьбы; нанесения косого сетчатого накатывания, а также центробежноинерционное накатывание.После подготовки поверхностиодним изпредлагаемыхспособовосуществляют нанесение антифрикционного покрытиягазопламеннымнапылениемпорошковых материалов с помощью горелки. Поскольку при газопламенном напылении применяются порошки с диаметром частиц 40 мкм, а частицы порошка имеют высокую скорость при взаимодействии с заготовкой, достигается полное заполнение профиля напыляемым материалом за счет упрощения профиля поверхности подготовленной основы.Полученный таким образом подшипник скольжения из стальной втулки с нанесенным антифрикционным покрытием имеет более низкую стоимость изза экономии цветного металла бронзы, при высоких эксплуатационных характеристиках подшипника,увеличение прочности сцепления стальной основы с нанесеннымантифрикционнымслоем, увеличениеизносостойкости антифрикционной поверхности, увеличение несущей способности на 1517 % и потери мощности на трение 57%.
Ссылки на источники1.Зверев А.И., Астахов Е.А., Шаривкер С.Ю. Детонационные покрытия в машиностроении. –М.: Судостроение, 1979. 232с.
2.Шорошоров М.Х., Харламов Ю.А. Физико–химические основы денотационно –газового напыления покрытий. –М.: Наука, 1978. –234 с.3.Шаривкер С.Ю., Астахов Е.А, Гайда А.П. Влияние скорости полета напыляемых частиц на прочность сцепления напыленных покрытий. –Физика и химия обработки материалов, 1974. №5 с. 157 –164.4.Костиков В.И., Шестерин Ю.А. Плазменные покрытия. –М.: Металлургия, 1978. 192с.5.Патент РФ №2416744 F16C 33/00опубл. 20.04.11г. Бюл. №36 Способ изготовления подшипника скольжения. [Текст]/ Родичев А. Ю., Хромов В. Н., Коренев В. Н., Барабаш В. В.6.Пат. 2400312Российская Федерация, МПК В05D3/12. Способ подготовки поверхности изделия под напыление. [Текст]/Родичев А.Ю., Хромов В.Н., Коренев. В. Н. №2009118097/12; заявл. 12.05.2009; опубл. 27.09.2010 г. Бюл. №25. –6 с.7.Патент РФ №2427459 B24В 39/00опубл. 27.08.11г. Бюл. №24 Устройство для накатывания на станках. [Текст]/Коренев В. Н., Хромов В. Н., Родичев А. Ю.8.Патент РФ №2509236 F16/C33/04 опубл. 10.03.2014г. Бюл. №7 Способ изготовления подшипника скольжения. [Текст]/Савин Л.А., Родичев А.Ю., Просекова А.В., Павликов П.В., Филатов А.Н.9.Патент РФ № 2516506 В05D 3/12 опубл. 20.05.2014г. Бюл. 14.Способ подготовки поверхности изделия под напыление. . [Текст]/ Просекова А.В., Савин Л.А., Родичев А.Ю., Павликов П.В., Филатов А.Н. Заявитель и правообладатель ФГБОУ ВПО «ГосуниверситетУНПК»
Родичев Алексей Юрьевич,Кандидаттехнических наук, старший научный сотрудник проблемной научноисследовательской лаборатории «Моделирование гидромеханических систем» ФГБОУ ВО «Приокский государственный университет», г. Орелrodfox@yandex.ru
Савин Леонид Алексеевич,Доктор технических наук, заведующий кафедрой «Мехатроника и международный инжиниринг»savin@ostu.ru
Технологическое обеспечениеэксплуатационных характеристик биметаллических подшипников скольжения
Аннотация.В настоящее время производство оснащено современной сложной техникой, безотказность работы которой зависит от срока службы наиболее нагруженных деталей. Во многих изделиях машиностроительного производства нашли широкое применение различные подшипники скольжения, так как они обладают высокими антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью, выдерживают значительные удельные нагрузки и высокие скоростные режимы. Чаще всего это бронзовые подшипники скольжения типа «втулка». Эти подшипники лимитируют ресурс работы ответственных узлов и агрегатов. Обеспечение надежности и долговечности биметаллических подшипников скольжения является сложной задачей при их изготовлении.Ключевые слова:Подшипник скольжения, биметаллический подшипник скольжения, технология, накатывание, напыление, несущая способность
Наиболее ответственными элементами современных машин, работающими на высоких скоростях вращения и воспринимающимизначительные нагрузки,являются подшипники скольжения. Для обеспечения надежной работы машины и требуемой долговечности основных ее узлов необходимо решитькомплексную многофакторную задачу. Конструкция, качество изготовления и условия эксплуатации подшипниковых узловоказывают влияние на работу узла, машины или агрегата. Выбор конструкции подшипника скольжения зависит от параметров работы машины, ее функциональных особенностей, оптимальных соотношений размеров опорного узла, рационального выбора смазкии т.п.На качество изготовления подшипника скольжения оказывают влияние такие параметры,как выбор метода получения заготовки, технология изготовления, метод контроля обработанных поверхностей и т.п. На условия эксплуатации подшипникового узлавлияютскорость вращения цапфы ротора и величина воспринимаемой нагрузки, качество сборочных и монтажных работ, обеспечение требуемых посадок в подшипниковом узле и соосности посадочных мест, а также подвод смазочного материала и надлежащая смазка подшипникового узла.
Для обеспечения высокой конкурентной способности разрабатываемой машины или узлацелесообразно минимизировать использование дорогостоящих материалов. При проектирование подшипников скольжения для экономии цветных металлов и сохранения требуемых триботехнических свойств применяют биметаллические подшипники –на стальную основу наносится слой антифрикционного металла. Однако,выполненные рядом исследователей работы по изучению работоспособности деталей с покрытиями убедительно показали, что основной причиной их разрушения является недостаточная связь между материалом покрытия и основы[1, 2, 3]. По указанной причинесерьезным ограничением на пути более широкого применения изделий, упрочненных покрытиями, следует считать прочность сцеплениянапыленного материала со стальной основой. Как известно[4], она зависит от механической и физикохимической совместимости компонентов.Одним из путей повышения качества биметаллических подшипников скольжения,а,соответственно,и повышения износостойкости, является внедрение в производство технологии изготовления биметаллических подшипников скольжения с использованием порошков на основе бронзы способом газопламенного напыления.При этом применение специальной предварительной механической обработки перед нанесением покрытий газопламенным напылением позволяет повысить прочность сцепления покрытий с основой при максимальном сохранении исходной структуры и свойств порошка.
Рассмотрим три способа изготовления биметаллического подшипника скольжения,которые отличаютсядруг от другаподготовкойповерхности под нанесениеантифрикционного покрытия.Предложенныерешения являются интеллектуальной собственностью авторов данной статьи, что подтверждается патентами РФ.Первый способ заключается в изготовлении биметаллического подшипника скольжения по следующей технологии [5,6]. Основу подшипника составляет стальная втулка,на внутренней цилиндрической поверхности которойнарезается «рваная» резьба(рис. 1), после чего на нарезанную резьбу наноситсякосое сетчатое накатывание(рис. 2,).На подготовленную таким образом внутреннюю поверхность(рис.3) напыляют газотермическим способом порошок бронзы при помощи газопламенной горелки толщиной 0,75÷2 мм. После напыления втулка растачивается до номинального размера(рис. 4, рис. 5).
Рисунок 1 –Фрагмент поверхности с нарезанной «рваной» резьбойРисунок 2 Фрагмент поверхности с витками «рваной» резьбы с последующей косой сетчатой накаткой двумя роликами
Рисунок 3 Фрагмент поверхности с витками «рваной» резьбы с последующей косой сетчатой накаткой двумя роликами (фото)
1 –втулка стальная, 2 –поверхность после нарезания «рваной» резьбы и косого сетчатого накатывания, 3 –напыленный антифрикционный слой порошка бронзы, 4 элемент типа «усеченная пирамида»Рисунок 4 Фрагмент подшипника скольжения, полученный по предлагаемой технологии.
Рисунок 5 Фрагмент подшипника скольжения, полученный по предлагаемой технологии (фото)
Косое сетчатое накатывание осуществляется с помощью специально разработанной технологической оснастки [7], которая состоит из накатной головки 1 и державки 2 для крепления всего приспособления к суппорту станка в резцедержателе. (рис. 6) Накатная головка 1 выполнена в виде серьги и развернута относительно державки 2 под прямым углом для удобства эксплуатации. Их фиксация друг относительно друга осуществляетсяс помощью шпонки 5 и стопорного кольца 6. В головке 1 устанавливаются два накатных ролика 3 с косой зубчатой насечкой и закрепляются с помощью винтов 4.
аба–объемная модель накатной готовки; б –фотография накатной головкиРисунок 6 –Оснасткадля нанесения косого сетчатого накатывания
Применение предлагаемого устройства позволяет упростить замену накатной головки, исключить дополнительные регулировки, а также упростить обработку деталей в труднодоступных местах(рис. 7).
аб
Рисунок 7–Процесс косого сетчатого накатывания
Второй способ заключается в изготовлении биметаллического подшипника скольжения по следующей технологии [8].Основу подшипника составляет стальная втулка 1 (рис. 8), внутренний диаметр которой растачивается на 24 мм больше номинального размера. На внутренней цилиндрической поверхности наносится сетчатое накатывание. На подготовленную таким образом внутреннюю поверхность 2 напыляют газотермическим способом порошок бронзы 3 при помощи газопламенной горелки толщиной 1÷2 мм. После напыления втулка растачивается до номинального размера(рис. 9).
1 –втулка стальная, 2 –поверхность после центробежноинерционного накатывания, 3 –напыленный антифрикционный слой порошка бронзы, 4 –элемент типа «усеченная пирамида», Р –смещение шага накатного ролика.Рисунок 8 –Фрагмент подшипника скольжения, полученный по предлагаемой технологии.
а сталь 20 с покрытием ПРБрАЖНМц 8,51,551,5, б –сталь 20 с покрытием ПРБрОЦС 555Рисунок 9 –Последовательность изготовления образцов центробежноинерционным накатыванием.
Центробежноинерционноенакатывание осуществляется с помощью специально разработанной технологической оснастки(рис.9)[9], которая состоитиз хвостовика 1 и корпуса 2 с установленной внутри него штангой 3. К корпусу с помощью осей 4 присоединены центробежные элементы 5, в которые вставляют грузы 6 и рычаги 7, к которым присоединены роликодержатели 8. Корпус снизу закрыт пробкой 9. В роликодержателях, параллельно оси изделия, по свободной посадке установлены сдвоенные накатные ролики: правый 10 и левый 11, с выфрезерованными на поверхности треугольными зубьями, расположенными под углом к оси ролика, где зубья сдвоенного ролика смещены относительно друг друга на величину от 0,5 шага зубьев, при этом из четырех сдвоенных роликов у двух зубья направлены вправо, а у двух других влево. Сдвоенные ролики крепят самостопорящимися гайками 12. Микрорельеф на стальную основу наносится сдвоенными роликами центробежноинерционным накатыванием. Для этого устройство хвостовиком 1 устанавливают в патрон вертикальнорасточного или вертикальносверлильного станка под прямым углом к обрабатываемой поверхности накатными роликами 10 и 11.
1 хвостовик, 2 корпус, 3 штанга, 4 ось, 5 центробежный элемент, 6 груз, 7 рычаг, 8 роликодержатель, 9 пробка, 10 накатной ролик левый, 11 накатной ролик правый, 12 самостопорящаяся гайкаРисунок 10
Устройство для центробежноинерционного накатывания:
Третий способ заключается в изготовлении биметаллического подшипника скольжения по следующей технологии.На поверхность стальной основы путем механической обработки наносится «рванная» резьба(рис. 11). Улучшениесцепления напыляемого антифриционного покрытия со стальной основой достигается путем изменения физикомеханических свойств поверхностного слояс помощью пескоструйной обработки(рис. 12)с последующимнанесением подслоя порошка ПГЮ5Н(рис. 13), обладающего хорошимиадгезионнымисвойствами. На подготовленную таким образом внутреннюю поверхностьнапыляютгазотермическим способом порошок бронзы (рис. 14)при помощи газопламенной горелки(рис. 15).После напыления втулка растачивается до номинального размера(рис. 16)
Рисунок 11Стальная втулка с нанесенной «рванной» резьбойРисунок 12 –Стальная втулка после пескоструйной обработки
Рисунок 13 –Втулка после нанесенияпорошка ПГЮ5НРисунок 14 –Втулка с нанесенным антифрикционным покрытием ПРБрАЖНМц 8,51,551,5
Отличительной особенностью данного способа от двух приведенных ранее, является то, что данный способ не требует дополнительных затрат на проектирование и производство технологической оснастки для подготовки поверхностиподнапыление.
Рисунок 15 Напыление антифрикционного покрытия.
Рисунок 16 –Механическая обработка (растачивание)биметаллического подшипника до номинального размера
Результаты исследований подшипников скольжения с различными антифрикционными покрытиями позволили остановить свой выбор наизготовлении биметаллических подшипниковскольжения с использованием в качестве антифрикционного покрытия порошок ПРБрАЖНМц8,51,551,5.
Для определения основных эксплуатационных характеристик разработанных биметаллических подшипников были проведены натурные эксперименты на установке по исследованию течений в коническоцилиндрическихканалах (рис. 17).Для этого были изготовлены образцы биметаллических подшипников скольжения с покрытием ПРБрАЖНМц8,51,551,5.
1 –основание; 2 –корпус установки; 3 –электрошпиндель; 4 –ротор; 5 –подшипник передний; 6 –подшипник задний; 7 –установка стационарного нагружения; 8 –муфта; 9 –монометр.Рисунок 17–Схема экспериментальной установки
В состав экспериментального модуля входит роторная установка 2 (с системой динамического нагружения 7) с двумя опорами жидкостного трения, одна из которых представляет собой радиальный гидростатодинамический подшипник 5 с радиальной подачей смазочного материала, а второй опорой служит гладкий цилиндрический подшипникскольжения6, а также комплект втулок биметаллических подшипников, системы для подачи смазочного материала.Кроме этого модуль имеет места для размещения первичных преобразователей информационноизмерительной системы.Конструкция опорного узла позволяет использовать для испытаний как цельнобронзовые подшипники скольжения, так и биметаллические.Конструкция узла с гидродинамическимцельнобронзовым подшипником жидкостного трения представлена на рисунке 18
Рисунок 18–Подшипниковый узел
Подшипниковый узел состоит из корпуса 1, в который устанавливаются втулка 2 (подшипник скольжения) и дистанционная втулка 3. Втулки крепятся в корпусе при помощи гайки 4. Гайки выполнены как с левой так и с правой резьбой, что препятствует их раскручиванию в процессе вращения ротора.
1электродвигатель, 2муфта, 3 –подшипниковый узел, 4гидравлическая система, 5бак, 6насосРисунок 19 –Схема экспериментальной установки
Отличительными особенностями данной экспериментальной установки являются:
воспроизведение условий радиального нагружения максимально приближенных к эксплуатационным за счет создания требуемой радиальной нагрузки на роторе с помощью нагрузочного устройства;
воспроизведение режимов смазки и обеспечение требуемого перепада давлений на торцах подшипника,за счет введения распределительного коллектора, установленного на сливной магистрали(рис.19);
установка позволяет производить испытание подшипников разного типоразмера, за счет наличия распорных втулок разной ширины.Основными эксплуатационными характеристиками, которые определяются по результатам проведения натурного эксперимента, являются несущая способностьипотери мощности на трение. Для получения численных значений характеристик подшипникового узла применяют контрольноизмерительную систему, которая состоит изЭВМ с платой аналогоцифрового и цифроаналогового преобразования, модулясогласования сигналов, первичныхпреобразователей. Программное обеспечение для функционирования информационноизмерительной системы, проведения эксперимента и обработки данных было написано на едином языке визуального программирования LabVIEW.Показания датчиков перемещения позволяют оценить несущую способность опоры скольжения по следующей методике(рис. 20): на установившемся режиме вал описывает траекторию вокруг некоторого центра, соответствующего кривой подвижного равновесия. Показания датчиков перемещений определяют эксцентриситет положения ротора относительно центра подшипника. На установившемся режиме работы несущая способность смазочного слоя многослойного подшипника скольжения равна внешней статической нагрузке, включая массу ротора.
Рисунок20–Определение относительного эксцентриситета
На рисунке 21представлены результаты сравнения несущихспособностейцельнобронзовых и биметаллических подшипниковскольжения.
Рисунок 21–Результаты исследования несущей способности подшипников скольжения.
Момент трения в подшипниках скольжения экспериментальной установки определялся на основании теоремы об изменении кинетического момента, при условии отсутствия момента движущих сил (свободный выбег ротора). В данном случае уравнение вращательного движения вала имеет вид:
,(1)где –полярный момент инерции вала;
–угловая скорость вращения вала;–момент трения ПС.Следовательно, зная результаты спектрального представления сигнала с датчика перемещения во времени, при выбеге ротора экспериментальной установки, представляется возможным определить момент трения в опорном узле (рис.22).
Рисунок 22–Представление показаний с датчика виброперемещений в спектральновременной зависимости
На рисунке 23представлены результаты сравнения потерь мощностей на трениецельнобронзовых и биметаллических подшипниковскольжения.
Рисунок 23–Результаты исследования несущей способности подшипников сколжения.
Проведенный анализ технологий позволил дать рекомендации производству поразработкетехнологических процессов и оснастки для изготовления биметаллических подшипников скольжения.Нанесение на поверхность основы «шероховатости»относится к числу важнейших факторов, определяющих прочность сцепления напыленного покрытия с основным металлом. Прочность сцепления возникает под действием ряда механизмов, из которых определяющее значение имеет механическое сцепление напыляемого материала с поверхностью основы. Основными способами нанесения «шероховатости»являются: струйноабразивная обработка; нарезание «рваной» резьбы; нанесения косого сетчатого накатывания, а также центробежноинерционное накатывание.После подготовки поверхностиодним изпредлагаемыхспособовосуществляют нанесение антифрикционного покрытиягазопламеннымнапылениемпорошковых материалов с помощью горелки. Поскольку при газопламенном напылении применяются порошки с диаметром частиц 40 мкм, а частицы порошка имеют высокую скорость при взаимодействии с заготовкой, достигается полное заполнение профиля напыляемым материалом за счет упрощения профиля поверхности подготовленной основы.Полученный таким образом подшипник скольжения из стальной втулки с нанесенным антифрикционным покрытием имеет более низкую стоимость изза экономии цветного металла бронзы, при высоких эксплуатационных характеристиках подшипника,увеличение прочности сцепления стальной основы с нанесеннымантифрикционнымслоем, увеличениеизносостойкости антифрикционной поверхности, увеличение несущей способности на 1517 % и потери мощности на трение 57%.
Ссылки на источники1.Зверев А.И., Астахов Е.А., Шаривкер С.Ю. Детонационные покрытия в машиностроении. –М.: Судостроение, 1979. 232с.
2.Шорошоров М.Х., Харламов Ю.А. Физико–химические основы денотационно –газового напыления покрытий. –М.: Наука, 1978. –234 с.3.Шаривкер С.Ю., Астахов Е.А, Гайда А.П. Влияние скорости полета напыляемых частиц на прочность сцепления напыленных покрытий. –Физика и химия обработки материалов, 1974. №5 с. 157 –164.4.Костиков В.И., Шестерин Ю.А. Плазменные покрытия. –М.: Металлургия, 1978. 192с.5.Патент РФ №2416744 F16C 33/00опубл. 20.04.11г. Бюл. №36 Способ изготовления подшипника скольжения. [Текст]/ Родичев А. Ю., Хромов В. Н., Коренев В. Н., Барабаш В. В.6.Пат. 2400312Российская Федерация, МПК В05D3/12. Способ подготовки поверхности изделия под напыление. [Текст]/Родичев А.Ю., Хромов В.Н., Коренев. В. Н. №2009118097/12; заявл. 12.05.2009; опубл. 27.09.2010 г. Бюл. №25. –6 с.7.Патент РФ №2427459 B24В 39/00опубл. 27.08.11г. Бюл. №24 Устройство для накатывания на станках. [Текст]/Коренев В. Н., Хромов В. Н., Родичев А. Ю.8.Патент РФ №2509236 F16/C33/04 опубл. 10.03.2014г. Бюл. №7 Способ изготовления подшипника скольжения. [Текст]/Савин Л.А., Родичев А.Ю., Просекова А.В., Павликов П.В., Филатов А.Н.9.Патент РФ № 2516506 В05D 3/12 опубл. 20.05.2014г. Бюл. 14.Способ подготовки поверхности изделия под напыление. . [Текст]/ Просекова А.В., Савин Л.А., Родичев А.Ю., Павликов П.В., Филатов А.Н. Заявитель и правообладатель ФГБОУ ВПО «ГосуниверситетУНПК»
