Съвременни материали за плъзгащи лагери

Механични системиСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 5, 2012

Лагерите са машинни елементи, които поддържат в определено положение геометричната ос на въртящи се части (валове и оси), като осигуряват движение с най-малки загуби. Те налагат ограничения във връзките между вала и останалите части на машината и там се появяват опорни реакции, чиято големина определя натоварването на лагера. Триенето на шийката (частта от вала или оста, която контактува с лагера при напречно (радиално) на геометричната ос натоварване) или петата (при осово (аксиално) натоварване) при плъзгащите лагери е триене при ротационно плъзгане. Съответно, с оглед на неговото намаляване се използват смазочни материали.
Съвременното развитие на техниката и технологиите позволява за триещите повърхнини на тези лагери да се използват нови метални и неметални материали, чрез което значително да се подобрят техните характеристики.

Конструктивни особености
Принципно, според направлението на натоварването, което поемат лагерите биват радиални, аксиални и радиално-аксиални, а според възможността да следват деформацията на геометричната ос на вала биват самонагаждащи и несамонагаждащи.

Плъзгащите лагери, от своя страна, в зависимост от принципа на работа и вида на смазването биват: хидро-(аеро)динамични, хидро-(аеро)статични, с гранично триене, с твърда смазка и специални (самосмазващи, магнитни).

В зависимост от геометричната форма на триещата повърхнина, плъзгащите лагери могат да бъдат с цилиндрична, конусна или сферична шийка и с плоска или пръстеновидна пета.

В конструктивен аспект плъзгащите лагери имат голям брой конструктивни модификации, които си определят от машината, в която са вградени. За удобство при монтирането на вала в редица случаи втулката се разделя на две части - черупки.

Самонагаждащите лагери се предпочитат при по-големи дължини на шийката. При тях черупката контактува с тялото на лагера по сферична повърхнина и това дава възможност тя да следва наклона на шийката вследствие деформации или неточности при монтажа. Лагерите с конусна шийка се препоръчват при малки и средни натоварвания, когато е необходимо често регулиране на хлабината от износване на лагера. Аксиалният (петов) лагер обикновено работи заедно с радиални лагери.

В съвременното машиностроене се забелязва тенденция към намаляване използването на плъзгащи лагери за сметка на търкалящите. При определени случаи обаче плъзгащите лагери се оказват по-доброто решение. Те се характеризират с по-удобен монтаж, например при колянови валове, в тежкото машиностроене, енергетиката. Считат се за по-подходящо решение при високи скорости (над 30 m/s). Предпочитани са за прецизни машини, за лагери с голям диаметър (над 1 m), при особени условия на работа (агресивна среда, вода, високи или ниски температури), при ударни и вибрационни натоварвания. Допълнителни предимства на плъзгащите лагери са простата и евтина конструкция за неотговорни и нискоскоростни машини, малките им радиални размери и възможността за ремонтиране.

Като техни недостатъци (в сравнение с търкалящите) обикновено се посочват: сравнително големите им осови размери, значителният разход на смазка, по-големите загуби от триене, необходимостта от наблюдение по време на експлоатация.

Триене и мазане на плъзгащи лагери
При работата на плъзгащите лагери е необходимо да се постигнат минимални загуби от триене, което заедно с икономията на енергия осигурява намаляване на отделената топлина и на износването, повишава надеждността и дълготрайността на лагера. За постигането на тази цел е необходимо да бъде известен режимът на работа на лагера и правилно да бъдат избрани материалите за триещите повърхнини, грапавостта им, вида на смазката, начина на охлаждане.

В зависимост от режима на работа, триенето в лагера съответно е сухо, полутечно (гранично) и течно (хидродинамично). При сухото триене работата на лагера е съпроводена с интензивно износване и задиране, загряване, поява на вибрации и висок коефициент на триене.

При граничното триене по повърхнините на елементите има тънък адсорбиран слой смазка. Износването е по-малко и движението на шийката (петата) е облекчено. Коефициентът на триене е от порядъка на 0,1 - 0,15 и зависи от качествата на маслото и материалите на шийката и черупката. Загряването е по-слабо. Граничното триене е характерно при мазане с пластични смазки, също и при течни смазки, когато количеството на смазката е недостатъчно или натоварването е значително. Такова е триенето и при металокерамичните плъзгащи лагери (втулки), които са познати и като „самосмазващи”.

При течното триене повърхнините на шийката и черупката са разделени от устойчив смазочен слой (от порядъка на 4 до 70 mm), чиято минимална дебелина е по-голяма от сумата на височините на микрограпавините на шийката и на черупката. За осигуряване на течно триене в хидродинамичните лагери е необходимо между шийката и черупката да съществува клиновидна хлабина, което се осигурява чрез предписването на стандартна сглобка с хлабина. Използват се сглобки Н7/g6, Н7/f7, Н7/d8, Н7/e8 и др. Сред необходимите условия са и хлабината да бъде непрекъснато запълнена с флуид с определен вискозитет (масло) и относително движение на стените на клиновидната хлабина със скорост, достатъчна за създаване на хидродинамична подемна сила, която да преодолее външното натоварване.

Най-често срещаните повреди при плъзгащите лагери са: абразивно износване вследствие попадане на абразивни частици в контактната зона и поради граничното триене в преходните режими; задиране - получава се при висока скорост на плъзгане вследствие на локално прегряване на повърхнините на лагера от топлината, която се отделя от силите на триене; питинг (повърхностна умора) - среща се при циклични натоварвания на лагера, например в буталните машини; крехко разрушаване (пукнатини) - наблюдава се най-вече за черупки от антифрикционни материали с ниска якост (бабити, някои пластмаси) при големи ударни претоварвания.

Съвременни материали за плъзгащи лагери
Шийката (петата) като неделима част от вала обикновено се изработва от стомана. При работа на лагера тя се трие по повърхността на втулката (черупката), която обикновено се изработва от друг материал - антифрикционен. Необходимо е антифрикционните материали да отговарят на някои изисквания като: да имат нисък коефициент на триене (в съчетание със стоманата), да са износоустойчиви, с достатъчна механична якост, лесно да се обработват и сработват в началния период на работа, добре да провеждат топлината, да не са дефицитни и скъпи. Необходимо е твърдостта на тези материали да е по-малка от тази на шийката минимум с 100 HB от съображения за ремонтопригодност. Втулките (черупките) на плъзгащите лагери най-често се изработват като метални, многослойни и пластмасови.

Сред често използваните материали за втулките на плъзгащи лагери са: антифрикционен сив чугун (AЧС1 - АЧС5) - за лагери при ниски скорости и натоварвания без удари; лагерни композиции (бабити), които представляват сплави на медна основа с добавки калай, олово, антимон и др. При тях в обема на металната маса са разпределени твърди кристали и това обуславя ниския коефициент на триене и добрата износоустойчивост. Тъй като нямат достатъчна механична якост, се използват предимно като тънки заливки върху стоманени или чугунени черупки. Прилагат се за отговорни лагери при средни и тежки режими на работа (двигатели, турбини, компресори и др.). Висококалаените бабити К83 и К16 се характеризират с някои предимства - сработват се добре, устойчиви са срещу задиране, подходящи са за високи скорости над 30 m/s. Друг използван материал са бронзите. Използват се при средни скорости  (4 до 10 m/s) и високи повърхностни натоварвания. Калаените бронзи (CuSn8, CuSn12) имат много добри антифрикционни свойства, но са и с висока себестойност. Оловните бронзи (CuSn5Zn5Pb5, CuSn7ZnPb2) заедно с алуминиевите бронзи (CuAl9Fe5, CuAl10Ni, CuAl10Fe3Mn1) се използват за лагери при циклични и ударни натоварвания. За лагерни черупки се използват още месинг (CuZn35MnPb2, CuZn25Al5) и алуминиеви сплави (AlSn9Cu5, AlSb6). Те имат твърдост HB 10 от 75 до 190-220 и работят със закалени и шлифовани шийки с грапавост Rz Ј 4. Допускат високи работни температури - до 250 °С и изискват поддръжка (смазване). Произвеждат се и лагерни втулки от термообработен бронз, получени по метода на центробежното леене, както и специални втулки от стандартен бронз CuZn25Al5 с депа (20-30% от обема) за твърда смазка – литиева грес. Последните не изискват поддръжка и имат коефициент на триене m=0,2 при работа на сухо и m=0,03 при допълнително смазване.

Новост при материалите за струговани лагерни втулки е използването на стомани 20MnV6  и 100Cr6, закалени до твърдост HRC 58-62 и шлифовани. Използват се при ударни натоварвания за [p] Ј 150 MPa и температури от -100 до 250 0 С. Изискват поддръжка и много добро смазване, от което зависи коефициентът на триене (m=0,05 до 0,25), работят с валове от закалена стомана 45.

Металокерамичните лагерни втулки
биват два вида от бронз-графит и от желязо-графит. Изработват се по методите на праховата металургия чрез пресоване на метални прахове - медни или железни с добавки от графит, калай или олово и последващо спичане (синтероване). Преди монтаж тези втулки не се обработват допълнително, защото функционалните им размери са изработени точно чрез калиброване. При пресоването в обема на втулката остава определен процент (15...35%) от свързани пори, които се пропиват с горещо масло. Пропитите втулки могат да работят без допълнително подаване на смазка, защото при загряване маслото се разширява, излиза по триещата повърхнина и смазва лагера. Работят при повърхностно налягане [p] Ј 250 MPa (статично) и [p] Ј 130 MPa (динамично) и температури от - 50 до 350 0С. С покритие от графитен филм имат коефициент на триене m=0,1 до 0,2. Предлагат се в различни конструктивни варианти и се използват за диаметри до 40 - 50 mm за бавноходни (v Ј 0,5 m/s за работа без допълнително смазване) и периодично работещи механизми, за работа в труднодостъпни места (стартери, динамомашини за ДВГ), в битовата техника и др.

При многослойните плъзгащи лагери втулката се състои от няколко слоя – стомана с покритие от бронз. В масовото производство (напр. за ДВГ) лагерните втулки се валцоват от стоманена лента, върху която се нанася тънко антифрикционно покритие (бабит, бронз, флуоропласт, найлон, тефлон). Предлагат се и многослойни валцовани втулки от стомана St44 и синтерован бронз-графит и графитен филм по работната повърхнина (самосмазващи, без поддръжка) (фиг. 1). Новост е използването на пружинни стомани 55Si7, Mn65 с твърдост HRC = 48±2. Те обаче изискват поддръжка и много добро смазване. Такива втулки се използват за линейни движения, при ударни и вибрационни натоварвания.

От неметалните материали за лагерни втулки се използват главно пластмаси- термореактивни (текстолит, бакелит, дърволит) и термопластични (полиамиди, поликарбонат и др.). Пластмасите имат добри антифрикционни свойства, голяма износоустойчивост, корозионна и химическа устойчивост, могат да се смазват с вода (за помпи, гребни винтове), но имат лоша топлопроводимост и стареят. По тяхната повърхност не полепват прах и замърсявания, което ги прави подходящи за приложение при изискване за чистота на средата като хранително-вкусова промишленост, техниката за бита, фармацията и други.

Полимерните лагери разширяват приложението си и имат различни параметри в зависимост от състава и структурата на композитния материал (армировка, фибри, покрития). Лагерите от термопласти, лети под налягане, могат да работят на сухо при m=0,1 до 0,2 и не изискват поддръжка. Такива лагери се произвеждат от много фирми, като пълни данни за възможностите им се намират в специализираните фирмени сайтове.

Лагерите от полимерни материали се предлагат в широк диапазон от размери както със стандартни, така и с нестандартни размери. Отпадането на необходимостта от поддръжка и сравнително по-ниските цени на използваните материали са сред предпоставките често тези лагери да бъдат посочвани и като икономически по-изгодни спрямо металните.

За лагери, работещи при тежки режими (често без смазване), се използват различни композитни материали на керамична основа с добавки.

При избора на материал за втулките (черупките) на плъзгащите лагери е добре да се вземат предвид, че ако скоростта на плъзгане и натоварването са значителни (v >5 m/s, рср >10 MPa) се препоръчват висококалаените бабити, калаените бронзи и минерало-керамиката. За средни скорости на плъзгане и натоварвания е добре да се изберат калаено-оловните бабити, оловните бронзи, цинково-алуминиевите сплави. За по-малки скорости на плъзгане и значителни натоварвания алуминиево-железните бронзи и месингите, а при спокойно натоварване - антифрикционните чугуни. При ниски и умерени натоварвания и скорости, и работа с прекъсвания е ефективно използването на металокерамични материали. При специални режими на триене и смазване и по-ниски натоварвания за подходящо се счита използването на пластмаси.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top