Аналіз трибологічних властивостей та перспективні дослідження неметалевих підшипників ковзання Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 4 32 Диха О.В., Вельбой В.П., Дитинюк В.О. Хмельницький національний університет, м. Хмельницький, Україна, E-mail: tribosenator@gmail.com АНАЛІЗ ТРИБОЛОГІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ТА ПЕРСПЕКТИВНІ ДОСЛІДЖЕННЯ НЕМЕТАЛЕВИХ ПІДШИПНИКІВ КОВЗАННЯ УДК 621.891: 622.620 DOI:10.31891/2079-1372-2018-90-4-32-35 Для виготовлення опор ковзання технологічних і транспортних машин найбільше розповсюдження отрима- ли підшипники з металевих антифрикційних матеріалів. Практика експлуатації підшипників з металевих сплавів по- казує, що вони мають високу зносостійкість лише за умов граничного або рідинного змащування. Змащування об- ладнання харчової, текстильної, паперової, фармацевтичної та хімічної галузей виробництва ускладнено через нега- тивний вплив мастила на якість готової продукції. Працездатність вузлів тертя таких механізмів забезпечується за- стосуванням неметалевих підшипників ковзання, які здатні працювати за умови сухого тертя, наявності агресивного середовища. З урахуванням економічних та екологічних чинників перспективним напрямком дослідження антифри- кційних матеріалів слід вважати розробку і дослідження трибо логічних властивостей таких матеріалів на основі природної деревини. В результаті аналізу матеріалів і технології деревно-полімерних композицій показано, що до- слідження спрямовані тільки на вивчення впливу синтетичного наповнювача та інших добавок на трибо технічні ха- рактеристики підшипників ковзання. Перспективними для покращення трибо технічних властивостей деревно- полімерних композицій для підшипників ковзання є пошук дешевих природних матеріалів, які за властивостями по- зитивно відрізняються від подрібнених відходів деревообробки. Ключові слова: підшипники ковзання, змащування, трибологічні властивості, дерево-полімерні компо- зиції. Практика експлуатації підшипників ковзання у вигляді втулок і вкладишів з антифрикційних ме- талевих сплавів показує, що металеві підшипники мають тривалу зносостійкість лише за умови гранич- ного або рідинного змащування. В іншому разі такі підшипники інтенсивно нагріваються, відбувається заклинення вала і працездатність рухомого з’єднання втрачається. Змащування вузлів тертя багатьох машин, зокрема механізмів технологічного обладнання харчової, текстильної, паперової, фармацевтич- ної, хімічної та інших галузей виробництва не припустимо через негативний вплив мастила на якість го- тової продукції. Тривала працездатність вузлів тертя таких механізмів зазвичай забезпечується застосу- ванням неметалевих підшипників ковзання, які здатні працювати за умови сухого тертя, наявності агре- сивного середовища, наднизьких температур тощо. За матеріальною основою та технологією виготовлення неметалеві підшипники можна поділити на три види – пластмасові, металополімерні та деревопластикові. Матеріальною основою пластмасових підшипників є відповідні термореактивні та термопласти- чні полімерні матеріали, які в основному визначають і обмежують їх експлуатаційні можливості. Так, наприклад, підшипники з текстоліту на основі формальдегідної смоли здатні працювати за температури не більше 80 оС, а при змащуванні водою коефіцієнт тертя складає 0,01 … 0,005, допускають наванта- ження р = 30 … 35 МПа, pv = 20 … 25 МПа∙м/с. Спільним недоліком більшості пластмасових підшип- ників, зокрема поліамідних та капронових, є низька теплопровідність, значна пружна деформація, обме- ження температурним інтервалом роботи 80 … 100 оС. Такі підшипники виготовляють у вигляді метале- вих вкладишів, облицьованих тонким шаром відповідної пластмаси шляхом вихрового розпилення. Од- нак плівки напиленої пластмаси навіть при незначному перегріванні оплавляються, з часом старіють та руйнуються. Металополімерні підшипники являють собою сталеву суцільну або розрізну втулку, покриту то- нким шаром пористого антифрикційного сплаву, пори якого заповнені полімером, здатним тривало пра- цювати в трибо спряженні без змащування. Відомий [1] металофторопластовий матеріал (ГОСТ 1050-88) складається з трьох шарів: основи з мало вуглецевої сталі товщиною 0,75…2,3 мм, по- критої шаром міді або латуні; порошкового пористого шару сферичних гранул бронзи, припечених до сталевої смуги; шару суспензії фторопласту 4ДВ (75 %) і дисульфіду молібдена (25 %), яка плівкою 0,3 мм покриває гранули бронзи і заповнює пустоти пористого шару бронзи. Такий матеріал при малих швидкостях ковзання (0,05 … 0,1 м/с) витримує навантаження до 350 МПа, зберігає працездатність в ін- тервалі температур від – 200 до +280 оС. За температури понад +120 оС навантажувальна здатність по- ступово зменшується і при +280 оС не перевищує 170 МПа. Залежно від режимів роботи коефіцієнт тертя підшипника з металофторопласту без змащування може бути в межах 0,04 … 0,23. Німецький металопо- лімерний матеріал спрелафлон (SF), у якому шар антифрикційного матеріалу складається з фторопласту ПТФЕ (37 %), свинцю (50 %) і фенол формальдегідної смоли (13 %) рекомендований для роботи за умо- Аналіз трибологічних властивостей та перспективні дослідження неметалевих підшипників ковзання Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 4 33 ви сухого тертя. Підшипники у вигляді нерознімних або рознімних втулок з металофторопластових смуг шириною 75 і 100 мм виготовляють штампуванням з наступним калібруванням. Вартість полімерних матеріалів та складених композицій на їх основі, як й іншої продукції хімі- чної промисловості, вітчизняне виробництво якої ґрунтується на використанні імпортного природного газу, невпинно зростає. Так, наприклад, пропонована єдиним в Україні виробником виробів з фтороплас- ту ТОВ «НВП «Пластополімер» ціна виробів з фторопласту сягає від 500 грн/кг. Так само значно подо- рожчали кольорові метали та антифрикційні сплави на їх основі. Разом з цим все гострішими стають екологічні питання хімічного та металургійного виробництва. Тому з урахуванням економічних та еко- логічних чинників перспективним напрямками дослідження антифрикційних матеріалів слід вважати розробку і дослідження трибо логічних властивостей і технології виробництва таких матеріалів на основі широко доступної природної деревини. З історичних довідок відомо, що дерев’яні підшипники з твердого і маслянистого бакаутового дерева, встановлені у вузлах тертя турбін американської гідроелектростанції, побудованої біля міста Ко- новінго (штат Меріленд). Такі ж підшипники були встановлені в механізмі корабельного гвинта амери- канського підводного човна SS-383, який брав участь у другій світовій війни. На підводному човні прое- кту 636 «Варшавянка» головний вал обертався в підшипниках з бакаута. Природне змащування, яке ви- діляється цим деревом, забезпечує надійну роботу вузлів тертя більше семи років. Огляд літературних джерел [2…8] показує, що і в сучасному машинобудуванні для виготовлення підшипників ковзання також використовують антифрикційні матеріали на основі деревини. Так, напри- клад, підшипниками, виготовленими з пластифікованої деревини комплектуються сільськогосподарські машини відомих виробників NECO, JOHN DEERE та інших зарубіжних фірм [9]. Сучасні антифрикційні матеріали на основі деревини за технологією надання їй високих трибо- технічних і технологічних властивостей поділяють на пластифіковану деревину (лігнамон), модифікова- ну деревину та пресовані деревно-полімерні композиції. Пластикацію природної деревини здійснюють шляхом тривалої обробки в автоклаві попередньо підготовлених і висушених брусків м’яколистяних та хвойних порід дерева аміаком, який діючи на дере- вину надає їй пластичність і здатність ущільнюватись при пресуванні, перетворюючи її у новий матеріал – лігнамон з якісно поліпшеними властивостями у порівнянні з вихідною деревиною. Проведені рядом авторів дослідження інститутом хімії деревини АН Латвії показали, що коефіцієнт тертя при змащуванні лігнамону солідолом рівнозначний коефіцієнту тертя по бабіту. Модифікування деревини введенням полімерних наповнювачів ґрунтується на просочуванні брусків дерева полімерними в’яжучими з наступною їх полімеризацію. Модифікована деревина поєднує в собі властивості природного (деревина) та синтетичного (наповнювач) полімерів. Проникненню напов- нювача в природну деревину сприяє її пористо-судинна будова і цей процес легше здійснити для м’яких листяних та хвойних порід (береза, вільха, осика). Як наповнювачі при модифікуванні деревини викори- стовують термореактивні смоли. Міцність модифікованої берези у порівнянні з натуральною при стис- канні вздовж волокон збільшується у 2 рази, а поперек волокон – в 6 разів. Наповнення механічно оброб- лених і висушених до 12 … 16 % вологості заготовки у вигляді втулок розчином смоли певної в’язкості здійснюється на промислових установках, обладнаних ємностями, системами стиснутого повітря або ва- куумування. Полімеризацію наповнювача здійснюють різними термічним, хімічними, радіаційними та іншими процесами [10]. Пресовані деревно-полімерні композиції отримують шляхом просочування дрібних фракцій де- ревини (подрібненого висушеного шпону, стружки, тирси) в розчинах спірто- і водорозчинних синтетич- них смол. Ущільнення суміші здійснюють шляхом компресійного пресування під тиском від 39 до 68 МПа за температури відповідно 145 і 165° С та витримці з розрахунку 1 хв/мм товщини пресованого ви- робу. Фізико-механічні властивості пресованої композиції залежать від розмірів, форми і вологості час- тинок деревини, виду і вмісту полімерної в’яжучої речовини і добавок та технологічних параметрів пре- сування. Встановлено, що чим менше розміри фракцій деревини, тим більше потрібно в’яжучої речови- ни, оптимальний вміст якої рекомендований в межах 25 … 30 % маси композиції. В результаті аналізу відомостей щодо вихідних матеріалів і технології виготовлення деревно- полімерних композицій виявлено, що проведені дослідження в основному спрямовані на вивчення впли- ву синтетичного в’яжучого наповнювача та інших добавок композиції на трибо технічні характеристики підшипників ковзання. Відносно матеріальної основи (деревини) відомо лише використання подрібнених та висушених відходів механічної обробки серцевини стовбурних та гілкових частин листвяних і хвой- них порід дерева у вигляді тріски, стружки та тирси. Відомо, що мікроструктура деревини волокниста, пориста і утворена з витягнутих веретеноподі- бних клітин-осередків, стінки яких складаються в основному з целюлози, що є природним лінійним по- лімером, ниткоподібні ланцюги якого жорстко зв'язані гідрооксидними зв'язками [11]. Макроструктура і обумовлені нею фізико-механічні властивості деревини у поперечному, подовжньому і тангенціальному (по хорді) розрізах стовбура значно відрізняються. Очевидно, що і складові фракції подрібнених відходів Аналіз трибологічних властивостей та перспективні дослідження неметалевих підшипників ковзання Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 4 34 сортової деревини за будовою також неоднорідні та мають різні властивості, які є причиною різного ступеню пористості, теплопровідності та виявленої, зокрема, анізотропії зносостійкості деревно- полімерних підшипників ковзання. Перспективними в напрямі поліпшення трибо технічних властивостей деревно-полімерних ком- позицій для підшипників ковзання вбачаються пошуки інших широко доступних і дешевих природних матеріалів, які за макроструктурою та властивостями позитивно відрізняються від подрібнених відходів механічної деревообробки. До таких матеріалів передусім належить шкаралупа волоського горіха, яка рекомендована наповнювачем у вигляді подрібненої маси фракціями 2,5 … 5 мм для виробництва легко- го артболітбетону на основі цементозольношламовому розчину [12]. Дослідження властивостей артболі- тбетонів з вмістом наповнювача до 73 % за об’ємом у вигляді подрібненої деревинної тріски і фракцій шкаралупи волоського горіха показали, що у порівнянні з деревинною тріскою вміст фракцій шкаралупи в середньому підвищує міцність артболітбетону в 1,75 рази, а водопоглинення зменшується у 2 рази. Висновки 1. З урахуванням економічних та екологічних чинників перспективним напрямками дослідження антифрикційних матеріалів слід вважати розробку і дослідження трибо логічних властивостей і техноло- гії виробництва таких матеріалів на основі широко доступної природної деревини. 2. В результаті аналізу вихідних матеріалів і технології виготовлення деревно-полімерних ком- позицій виявлено, що дослідження в основному спрямовані на вивчення впливу синтетичного в’яжучого наповнювача та інших добавок композиції на трибо технічні характеристики підшипників ковзання. 3. Встановлено, що перспективними для покращення триботехнічних властивостей деревно- полімерних композицій для підшипників ковзання є пошук дешевих природних матеріалів, які за макро- структурою та властивостями позитивно відрізняються від подрібнених відходів механічної деревообро- бки. Література 1. Анурьев В. И. Справочник конструктора-машиностроителя: в 3-х т.: Т. 2. – 8-е изд. Под ред. И. Н. Жестковой. – М. : Машиностроение, 2001. 2. Конструкционные материалы: Справочник / Б. Н. Арзамасов, В. А. Брострем, Н. А. Буше и др.; Под. общ. ред. Б. Н. Арзамасова. – М. : Машиностроение, 1990. 3. Вигдорович А. И., Сагалаев Г. В. Применение древопластов в машиностроении. М.: Машино- строение, 1982. 4. Полимеры в узлах трения машин и приборов: Справочник/ Е. В. Зиновьев, А. И. Левин, М. М. Бородулин, А. В. Чичинадзе. М. : Машиностроение, 1988. 5. Словарь-справочник по трению, износу и смазке деталей машин. Киев: Наукова думка, 1979. 6. Трение, изнашивание и смазка: Справочник. М.: Машиностроение, 1979. 7. Зайчук Н. П. Виготовлення дерев’яних елементів підшипників / Н. П. Зайчук, С. П. Шимчук, Л. М. Пашинський // Інноваційні ресурснозбережні матеріали та зміцнювальні технології : Матеріали міжнар. наук.-практ.конф. 6-8 червня 2012 р., м. Маріуполь / ДВНЗ «ПДТУ». – Маріуполь, 2012. 8. Кулдашев Э. И., Тохиров М. З., Латипов М. Г. Технология изготовления подшипников сколь- жения на основе древесно-композиционных материалов // Молодой ученый. – 2017. –№12. – С. 62-63. 9. https.//prom. ua ˃ Потребительские товары 10. Винник Н.И. Модифицированная древесина. М.: Лесная промышленность, 1984. 11. Будник А.Ф., Юскаєв В.Б., Будник О.А. Неметалеві матеріали в сучасному суспільстві: На- вчальний посібник. – Суми: Вид-во СумДУ, 2008. 12. Акулова М. В. Получение легкого арболитобетона на основе цементозольношламового вя- жущего и органического заполнителя из скорлупы грецкого ореха / М. В. Акулова, Б. Р. Исакулов, М. Д. Джумабаев, Т. Ж. Толеуов // Интернет-журнал «Науковедение», Москва. Том 8, No 4 (35) 2016 г. С. 1-13. Надійшла в редакцію 27.12.2018 Dykha O.V., Velboi V.P., Dytynyuk V.O. Analysis of tribological properties and promising research of non-metallic sliding bearings. Аналіз трибологічних властивостей та перспективні дослідження неметалевих підшипників ковзання Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 4 35 Bearings made of metal antifriction materials were the most commonly used for the manufacture of pillars of slipping of technological and transport vehicles. The practice of using bearings made of metal alloys shows that they have a high wear resistance only in the case of limiting or liquid lubrication. Lubrication of food, textile, paper, pharmaceutical and chemical industries is complicated due to the negative impact of lubricants on the quality of finished products. The efficiency of the friction units of such mechanisms is ensured by the use of non-metal slide bearings, which are capable of operating under conditions of dry friction, the presence of aggressive media. Taking into account economic and environmental factors, the prospective study of antifriction materials should be considered as the development and study of tribological logic properties of such materials on the basis of natural wood. As a result of analysis of materials and technology of wood-polymer compositions, it has been shown that studies are aimed only at studying the influence of synthetic filler and other additives on the tribo technical characteristics of the bearings of sliding. Promising to improve the tribo technical properties of wood-polymeric compositions for sliding bearings is the search for cheap natural materials that, by their properties, are positively different from shredded waste wood processing. Key words: bearings for sliding, lubrication, tribological properties, wood-polymer compositions. References 1. Anurev V. I. Spravochnik konstruktora-mashinostroitelya. v 3-h t. T. 2. 8-e izd. Pod red. I. N. Zhestkovoj. M.: Mashinostroenie, 2001. 2. Konstrukcionnye materialy: Spravochnik. B. N. Arzamasov, V. A. Brostrem, N. A. Bushe i dr.; Pod. obsh. red. B. N. Arzamasova. M.: Mashinostroenie, 1990. 3. Vigdorovich A. I., Sagalaev G. V. Primenenie drevoplastov v mashinostroenii. M. Mashinostroenie, 1982. 4. Polimery v uzlah treniya mashin i priborov: Spravochnik. E. V. Zinovev, A. I. Levin, M. M. Borodulin, A. V. Chichinadze. M. Mashinostroenie, 1988. 5. Slovar-spravochnik po treniyu, iznosu i smazke detalej mashin. Kiev Naukova dumka, 1979. 6. Trenie, iznashivanie i smazka: Spravochnik. M. Mashinostroenie, 1979. 7. Zajchuk N. P. Vigotovlennya derev’yanih elementiv pidshipnikiv. N. P. Zajchuk, S. P. Shimchuk, L. M. Pashinskij. Innovacijni resursnozberezhni materiali ta zmicnyuvalni tehnologiyi. Materiali mizhnar. nauk.- prakt.konf. 6-8 chervnya 2012 r., m. Mariupol. DVNZ «PDTU». Mariupol, 2012. 8. Kuldashev E. I., Tohirov M. Z., Latipov M. G. Tehnologiya izgotovleniya podshipnikov skol-zheniya na osnove drevesno-kompozicionnyh materialov. Molodoj uchenyj. 2017. №12. S. 62-63. 9. https.//prom. ua ˃ Potrebitelskie tovary 10. Vinnik N.I. Modificirovannaya drevesina. M. Lesnaya promyshlennost, 1984. 11. Budnik A.F., Yuskayev V.B., Budnik O.A. Nemetalevi materiali v suchasnomu suspilstvi: Navchalnij posibnik. Sumi: Vid-vo SumDU, 2008. 12. Akulova M. V. Poluchenie legkogo arbolitobetona na osnove cementozolnoshlamovogo vya- zhushego i organicheskogo zapolnitelya iz skorlupy greckogo oreha. M. V. Akulova, B. R. Isakulov, M. D. Dzhumabaev, T. Zh. Toleuov. Internet-zhurnal «Naukovedenie», Moskva. Tom 8, No 4 (35) 2016 g. S. 1-13.