Лагери от полимерни материали

 В последните години редица производители на лагери обръщат все повече внимание на възможностите на различните полимерни материали като възможна алтернатива на металите при производството на различни видове лагери. В предишния брой на сп. Инженеринг ревю бяха представени съвременните метални и неметални материали, използвани при производството на плъзгащи лагери, като бяха посочени и някои от предимствата на полимерните материали и възможностите, които предлагат за подобряване на експлоатационните им характеристики. В настоящия брой на списанието ще представим по-подробно характеристиките и приложението на пластмасите за изработка на сачмени и плъзгащи лагери. В зависимост от използвания материал пластмасовите лагери се срещат още като полимерни, композитни или еластомерни.

Характеристики на пластмасите
Пластмасите са голяма група материали, чийто основен компонент са синтетични или полусинтетични органични полимери. Характерно за тях е, че остават твърди при стайна температура. Полимерите в пластмасата се състоят от големи молекули, образуващи линейни, разклонени и мрежовидни вериги, в които са обединени от няколко хиляди до милиони повтарящи се мономерни молекули. Важна характеристика на пластмасите е, че техните свойства като твърдост, еластичност, якост на опън, топлинна и химическа устойчивост варират в широки граници в зависимост от използваните изходни материали, технологията на производство и включените в състава им добавки. Сравнително лесната им обработка дава възможност от тях да се произвеждат предмети с различна форма, както и тънки влакна или фолио. По тези причини пластмасите намират разнообразни приложения както в бита, така и в промишлеността.

Най-често пластмасата се получава чрез процесите полимеризация или поликондензация на мономери или кополимери. Изходната суровина обикновено е нефт. Полусинтетичните полимери се получават чрез модифициране на естествени полимери като целулозата, а биопластмасите - чрез ферментация на естествени въглехидрати. В зависимост от вида на полимера и характера на прехода му от пластично-течно в стъклообразно състояние при формирането на пластмасовите изделия, пластмасите се подразделят на термореактивни, термопластични, композити и еластомери. Към термореактивните пластмаси се причисляват бакелитът, текстолитът, гетинаксът, които в начално състояние имат линейна структура на макромолекулите, а при определена температура на втвърдяване тази структура става мрежеста. След затвърдяването не могат да преминават в пластично-течно състояние. При нагряване над допустимото те се разрушават и при последващо охлаждане не възстановяват първоначалните си свойства.

Към групата на термопластичните пластмаси се включват: полиетилен, полипропилен, полиамид, полистирол, поливинилхлорид, полиетилентерафталат. Характерно за тях е, че при нагряване се разтопяват и при охлаждане възвръщат изходните си свойства.
По структура пластмасите се делят още на хомогенни (еднородни) и нехомогенни (нееднородни). Структурата на пластмасите зависи от въвеждането в полимера на други компоненти. По този показател пластмасите се делят на ненапълнени, газонапълнени, напълнени и съставни. Ненапълнените се състоят само от полимер, понякога с оцветител, пластификатор и стабилизатор. В газонапълнените (с ниска плътност) освен горните материали влизат въздух или друг газ чрез добавянето на въздуховъвеждащи или газообразуващи вещества. В повечето случаи за производството на пластмасови изделия се използват напълнените пластмаси, състоящи се от полимер и напълнител.

Композитните материали (или композити) се състоят основно от твърд армиращ пълнител (арматура) - стъклени или органични влакна (по-рядко метални нишки), и свързващи полимери (матрица) - епоксидни, полиестерни и други смоли. Чрез избор на типа и количеството арматура и матрица, различните свойства на композита като якост, топлопроводност, херметичност, относително тегло, коефициент на триене, химическа устойчивост и т. н. могат да се променят в широки граници. В машиностроенето композитните материали са широко използвани за създаването на защитни покрития на триещи повърхнини като плъзгащи лагери, направляващи и за производството на различни детайли.

Еластомерите (каучуци) са високомолекулни съединения, получени чрез полимеризация, молекулите на които са с голяма гъвкавост и съдържат специални връзки. Каучуците са аморфни полимери с ниска температура на встъкляване. Използват се предимно във високоеластично състояние като композиционни материали, които след вулканизация се превръщат в гума. Каучуците са естествени и синтетични. Еластомерите са основният компонент на каучуковите композиции, които освен тях съдържат: вулканизиращи елементи (сяра, прекиси и др.), ускорители и активатори, стабилизатори, пълнители, оцветители, и др. вещества.

Физични и химични свойства
Пластмасите притежават ниска плътност (1,1-1,4 kg/m3), т. е. няколко пъти по-малка от тази на металите. Това им свойство, съчетано с голямата здравина на пластмасовите изделия, дава широки възможности за замяна на металите с пластмаса. Сред предимствата на пластмасите са: добри електроизолиращи свойства, водоустойчивост, голяма химическа устойчивост, а в някои случаи - добра топлоустойчивост.

Полимерните композиции се отличават с голяма корозионна устойчивост, което позволява лагерите, произведени от пластмаса да бъдат използвани в корозионно агресивни приложения. Известен факт е, че една от основните причини за повреда на лагерите е корозията. Пластмасовите лагери са със значително по-малко тегло в сравнение с аналогичните им метални лагери, което оказва благоприятно влияние върху енергийните разходи.

Също така, производството на нестандартни лагерни конструкции е сравнително по-лесно и по-евтино при използването на пластмасови лагери. За производство на изделия от пластмаса се използват множество методи като леене, екструзия, пресоване, вибро- или вакуумно формоване и т. н.

Голяма част от пластмасите са химически устойчиви - трудно гният, водо- и газонепропускливи са. Не се влияят от въздействието на химически агенти като кислород, минерални и органични киселини, което определя и приоритетното им използване за детайли, които работят в подобна среда. Тъй като в повечето случаи пластмасовите лагери работят на сухо, без смазване, те се считат за подходящи за чисти приложения, в които не могат да се използват смазващи вещества, например по хигиенни причини.

Присъщо свойство на пластмасата е да намалява вибрациите, а при наличието на смазване пластмасовите лагери са много тихи при работа. Също така, поради еластичните свойства на пластмасата, тези лагери успяват да понесат по-лесно ударни натоварвания в сравнение с металните.

Подобно на металите различните видове пластмаси могат да бъдат смесвани, образувайки сплави. По този начин се постига обединяването на свойствата на няколко вида пластмаси в един. Използването на пластмаси също така дава възможност за бързо и серийно производство на изделия чрез леене и щамповане. Като недостатъците на пластмасите могат да се посочат сравнително по-малката им твърдост и склонността към стареене.

Пластмаси, използвани за производство на лагери
Поради относително ниските цени, лекота и гъвкавост на производство, пластмасите са все по-често използвани за производството на различни конструкции лагери. От голямото разнообразие на видовете пластмаси за производството на лагери и други машинни елементи основно се използват тефлон, полиамид, композитни материали.
Тефлон е търговското наименование на полимерното съединение политетрафлуоретилен (ПТФЕ), открито през 1938 г. от Рой Планкет от компанията DuPont. Политетрафлуоретиленът е полимер на флуорида и на етилена. ПТФЕ има най-малкия коефициент на триене от всички твърди вещества. Поради това му качество той се използва на места, където е необходимо плъзгане на части като например лагери, втулки, зъбни предавки, плъзгащи пластини и др. ПТФЕ има много ниска степен на химическа активност и се използва за елементи, работещи в среда на силно активни химикали. Температурата му на топене варира от 260 °C (FEP) до 327 °C (ПТФЕ) в зависимост от конкретния полимер. Има превъзходни електрически параметри, включително и при СВЧ, поради което се използва за изолации и др. В съчетание с високата си температура на топене, ПТФЕ е по-ефикасен от по-неустойчивия и лесно топим полиетилен.

В производството на лагери и елементи за тях приложение намират и фенолформалдехидни смоли, от които се произвеждат три вида пластмаси - бакелит, лети фенопласти и слоести фенопласти. Фенолформалдехидните смоли са термореактивни полимери. Те се омрежават при висока температура и налягане. Сред използваните материали са и полиетиленът (Polyethylene (PE), полипропиленът (Polypropylene (PP), полиамидът (Polyamides (PA).

Характеристики на лагерите от пластмаса
Пластмасовите лагери непрекъснато разширяват своето приложение. Характеризират се с различни параметри в зависимост от състава и структурата на полимера и на композитния материал (армировка, фибри, покрития). За лагерни втулки се използват главно термореактивни (текстолит, бакелит, дърволит) и термопластични пластмаси (полиамиди, поликарбонат и др.), а също и различни композитни материали на керамична основа с добавки. Например, лагерите от термопласти, лети под налягане, могат да работят на сухо при m=0,1 до 0,2 и не изискват поддръжка, имат абразивна устойчивост по-добра от тази на бронза, фенолни епоксиди и други неметални материали. Такива лагери се произвеждат от редица фирми, като видът на материала обикновено е кодиран и пълни данни за конструкцията, размерите и възможностите им се намират в специализираните фирмени каталози. Като готови стандартни продукти се предлагат цилиндрични втулки и такива с реборд и аксиални лагери - пети. Те имат общо приложение в машиностроенето, енергетиката, помпеното оборудване, кораборемонта и в други области на промишлеността. Характеризират се с: възможност за работа без смазване, дълъг експлоатационен срок, нисък коефициент на триене, висока износоустойчивост, корозионна устойчивост, устойчивост на неравномерно натоварване, екологичност и шумопоглъщащи свойства, лесна обработка и монтаж. Добре е да се има предвид обаче, че полимерните материали могат да понесат сравнително по-ниски товари и максимални скорости. Ценно предимство на пластмасовите лагери е и високата специфична якост (specific strength), представляваща съотношението якост/тегло (strength to weight ratio), особено в приложения, където теглото е важно конструктивно изискване.

В повечето случаи фирмите производители на лагери при производството на пластмасови лагери използват разработени от тях полимерни продукти, носещи съответно и специфични наименования. Тенденцията е тези продукти непрекъснато да бъдат подобрявани, да се разработват нови с подобрени характеристики, за постигане на оптимални параметри при различни експлоатационни условия.

Конструкции пластмасови плъзгащи лагери
Сред широко предлаганите от различни производители конструкции пластмасови плъзгащи лагери могат да се посочат плъзгащите лагери от термопластична пластмаса, от армиран композит, от еластомер.

Плъзгащите лагери от термопластична пластмаса се предлагат в голямо разнообразие от размери. Обикновено това са лагери със сухо триене, за обикновени приложения и много подходящ за аксиални движения.

Произвеждат се предимно от композитна пластмаса по метода на леене под налягане. Сред техните характеристики са: специфично статично допустимо натоварване Ј 70 N/mm2 в зависимост от температурата и продължителността на натоварване; специфично динамично допустимо натоварване ? 40 N/mm2 в зависимост от температурата и скоростта на плъзгане; скорост на плъзгане < 1,0 m/s, коефициент на триене в диапазона от около 0,08 докъм 0,20 m, топлинно натоварване около -50 до +100 °C, максимална Pv - стойност от порядъка на 0,6 N/mm2 x m/s, хигроскопичност около 0,1% при 20 °C за 24 часа.

Характерно за плъзгащите лагери от армиран композит е, че те не изискват поддръжка. Имат добри свойства на плъзгане, подходящи са за големи и много големи ударни натоварвания и притежават добри демпфиращи свойства. Считат се за много подходящ при ниски скорости на плъзгане. Притежават добра химическа устойчивост и се характеризират с голяма продължителност на експлоатация. Считат се за подходящи и за смяна на смазани лагери при следните експлоатационни параметри: специфично статично допустимо натоварване в диапазона около 300 - 350 N/mm2, специфично динамично допустимо натоварване  от порядъка на 95-105 N/mm2, коефициентът на триене m = 0, 04 - 0,12, работна температура от около - 80 докъм +100 °C.

Плъзгащите лагери от еластомер обикновено се произвеждат от патентован еластомерен полимер, първоначално разработен за приложение като плъзгащ лагер за вертикални помпи. Материалът комбинира свойствата на пластмасата със здравината и абразивната устойчивост на гумата. Тези лагерни материали работят изключително добре дори при следните експлоатационни условия: в контакт с или потопени във вода, в условия на силно абразивно въздействие и там, където ударното натоварване се явява значителен фактор.

Пластмасови сачмени лагери
Пластмасите успешно се използват и за производство на елементи на сачмени лагери и търкалящи направляващи. От пластмаса се изработват сепараторите, уплътненията, а в редки случаи външните и вътрешните пръстени, сачмите като се използват разнообразни материали и комбинация от материали за отделните елементи. При пластмасовите сачмени лагери за сачмите се използват керамични материали, така също и стъкло и неръждаема стомана.

Пластмасовите лагери се считат за подходящи в приложения, където е необходимо висока устойчивост на въздействието на влага и химически агресивни вещества и в които не се препоръчва използването на стоманени лагери. Сред възможните приложения на различните конструкции пластмасови лагери са хранително-вкусова промишленост, медицина, системи за отопление и вентилация, химическа промишленост, измервателно оборудване и други.

Полимерите
Полимерите са високомолекулни съединения, чиито молекули са съставени от множество периодично повтарящи се елементарни звена. Характеризират се с извънредно големи стойности на молекулната маса от десетки хиляди до няколко милиона. Полимерите, чиито главни вериги се състоят от атомите на един елемент, са познати като хомоверижни, а тези от различни атоми като хетероверижни. Ако полимерната молекула се състои от еднакви елементарни звена, както например е при полиетилена или полистирола, се говори за хомополимери, а при различни звена за съполимер. Обикновено съполимерите се образуват при съвместната полимеризация на два или няколко мономера. В случаите, при които към някои звена на основната верига (не в краищата) се присъедини една или няколко вериги с друг строеж се говори за прихванати (присадени) съполимери. Ако в молекулата на съполимера различни по състав участъци са пространствено разделени и образуват достатъчно дълги непрекъснати последователности, които се сменят една с друга, веществото е познато като блок-съполимер.