Полимерного подшипника

С.Н.Дурновнм разработана флуктуационная теория прочности полимеров, согласно которой разрыв полимерного материала под действием внешних сил является процессом, зависящим от времени. Скорость его определяется соотношением энергии мехыолекулярных связей в тепловых флуктуации. (Флуктуацией навивают отклонение от равномерного распределения молекул вещества).

Рис. 58. Схема напыления порошка полимерного материала вихревым способом: 1 — стальной ящику 2 - изделие; 3 - перекладина; 4 -крышка; 5 - облако частиц полимера; 6 - пористая перегородка (мешковина); 7 -штуцер подачи воздуха

Структура полимерного материала способствует чрезвычайно неравномерному распределению внутренних усилий между отдельными молекулами. Основную нагрузку несут не более 20% цепных молекул. В основе разрушения наиболее нагруженных молекул лежит термо-флуктуационный механизм, согласно которому некоторые разрушенные связи восстанавливаются, но с ростом нагрузки число актов разрушения превышает число восстановлений (рекомбинаций). В соответствии с термофлуктуационной (кинетической) концепцией долговечность нагруженного тела как фундаментальная характеристика механической прочности отражает усредненную скорость протекания разрушения, связанного с накоплением повреждений в твердом теле. Систематические экспериментальные исследования долговечности твердых тел различной природы, в том числе и полимерных, привели к установлению основной закономерности, связывающей напряжение, абсолютную температуру и долговечность, известной как уравнение долговечности Журкова [38]:

где А — постоянная, зависящая от вида материала; t/o - энергия активации разрушения при отсутствии напряжения; a - напряжение; у- структурно-чувствительный коэффициент; k - постоянная Больцма-на. Экспериментальные исследования большого числа полимеров, посвященные изучению температурно-временной зависимости прочности полимеров, показывают, что параметр (70 в уравнении Журкова не зависит от изменения молекулярной массы (длины макромолекул), ориентации макромолекул (технологии получения и вытяжки) и пластификации (введения пластификатора). Вместе с тем параметр у заметно изменяется во всех этих случаях. Согласно этим данным энергия активации разрушения нечувствительна к изменениям структуры и может характеризовать свойства полимерного материала в качестве

Уравнение Журкова отражает температурно-временную зависимость прочности твердых тел при простом одноосном нагружении (растяжении). В то же время в процессе трения поверхностные слои трущихся тел испытывают напряжения различного вида и значительные деформации (особенно полимерные тела), приводящие к возникновению и накоплению микродефектов и к структурно-фазовым превращениям, которые сопровождаются изменением внутренней энергии, энтропии и других термодинамических параметров. Изменение названных термодинамических характеристик твердых тел (систем) наблюдается также при сжатии и растяжении тел. Подтверждение этому получено в ряде работ. Так, накопительный характер разрушения, наблюдаемый при объемной усталости, отмечен при изнашивании полимерных материалов [41]. Убедительным доказательством общности природы и механизма разрушения при фрикционном и одноосном нагружении являются полученная параллельность кривых фрикционной и объемной усталостей резин [42] и снижение сопротивления фрикционной усталости образцов полимерного материала, предварительно подвергнутых воздействию циклически изменяющейся осевой нагрузки или изгибу 43].

Для изучения влияния структурно-фазовых изменений в поверхностном слое полимерного материала на триботехнические характеристики пары трения в процессе 80-часового испытания наряду с исследованием структурно-фазовых изменений производили непрерывное измерение силы трения и износа образцов после 3, 6 и 12 часов трения и далее через каждые 8 часов работы. Максимальное значение интенсивности изнашивания зафиксировано после первых 3 часов, минимальное - в интервале 6-12 часов. В процессе дальнейшего трения увеличение интенсивности изнашивания чередуется с ее уменьшением, не выходя за пределы максимального значения, полученного в течение первых 12 часов (см. рис. 4.8). Наблюдаемые изменения интенсивности изнашивания связаны со структурно-фазовыми изменениями в поверхностном слое полимерных образцов и пленки фрикционного переноса.

Формирование диссипативных трибоструктур способствует переходу системы в стационарное состояние, когда термодинамические силы становятся постоянными, а производство избыточной энтропии, связанное с изменением термодинамических сил, равно нулю. Суммарно накопленную в объеме трибосистемы энтропию находим как сумму энтропии слабовзаимодействующих подсистем [65] (металлической и полимерной), согласно аддитивности термодинамических функций (блок С). Она определяет степень разрушения (износа) менее прочного полимерного материала (блок W) и по каналу обратной связи обеспечивает устойчивость стационарного состояния трибосистемы. Стационарное состояние характеризуется минимальным производством энтропии и диссипации ее окружающей средой и, как следствие, минимальными и постоянными значениями силы трения и скорости изнашивания. В случае увеличения силы трения по каким-либо причинам (например, вследствие разрушения и уменьшения площади диссипативных трибоструктур) немедленно повысится температура в зоне трения, что вызовет градиент термодинамических сил и появление избыточной энтропии dQ/dt (блок С). По каналу обратной связи информационный сигнал о производстве избыточной энтропии поступает в блок С 2 и вызывает ускорение процесса формирования диссипативных трибоструктур, локального производства энтропии и диссипации потока энтропии ./52- В результате этого ускорения восстанавливается площадь диссипативных трибоструктур, необходимая для поддержания стационарного состояния, температура и сила трения понижаются до прежних величин, производство избыточной энтропии уменьшается до нуля и трибосистема продолжает работать в стационарном режиме при минимальном производстве энтропии. Такой переходный процесс будет повторяться каждый раз при отклонении системы от стационарного состояния. При этом возвращение системы к минимальному производству энтропии осуществляется благодаря производству отрицательной энтропии (за счет отдачи конфигурационной энтропии окружающей среде) в период формирования диссипативных трибоструктур типа ЖКС, поскольку их образование происходит с энергетическим выигрышем и увеличением упорядоченности структуры полимерной фазы [66].

В главе 1 приведены сведения о физико-механических и триботех-нических свойствах различных полимерных композиционных материалов, применяемых для изготовления деталей узлов трения (трибосис-тем). Эти материалы представляют собой полимеры (фторопласт-4, полиэтилен, полиамид, поликарбонат и др.), модифицированные введением различных наполнителей. В главе 6 на примере ПТФЭ (фторопласт-4) подробно рассмотрено влияние наполнителей-модификатора на параметры надмолекулярной структуры полимера, которое в совокупности с физическими свойствами наполнителей определяет свойства модифицированного полимерного материала.

НАПОЛНИТЕЛИ полимерных материалов — вещества (гл. обр. тонкодисперсные порошкообразные и волокнистые), к-рые вводят в состав пластмасс, красок, резин, смесей и др. с целью облегчения переработки, придания необходимых св-в, а также удешевления. Н., улучшающие к.-л. св-во полимерного материала, наз. а к-т и в н ы м и, или усиливающими; не изменяющие св-в,— инертными; волокнистые Н. наз. также армирующими. В качестве Н. для пластмасс применяют древесную муку, хлоп-

Для кабелей связи ввиду особенностей их конструктивной формы и условий эксплуатации требуются некоторые мероприятия, отличающиеся от мероприятий по защите трубопроводов от коррозии. Все кабели телефонной и телеграфной связи имеют в соответствии с нормалью VDE 0816 либо совершенно герметичную металлическую оболочку вокруг сердечника, либо (если эти кабели выполнены целиком из полимерного материала) металлическую ленту для электрического экранирования [1, 2]. У кабелей с защитной оболочкой из джута и жидкотекучей массы над металлической оболочкой переходное сопротивление на землю значительно меньше, чем у кабелей с полимерной оболочкой. На центральных телефонных станциях или усилительных подстанциях металлические оболочки или экраны соединяют с эксплуатационным заземлителем, чтобы улучшить экранирующее действие оболочек кабеля и уменьшить переходное сопротивление на землю эксплуатационных заземлителей. Еще несколько лет назад применяли преимущественно кабели с металлической оболочкой. При наличии опасности коррозии для таких кабелей необходимо было предусматривать катодную защиту. Современные кабели слоистого типа с полимерной защитной оболочкой в катодной защите от коррозии в общем случае не нуждаются.

Для защиты от коррозии при укладке в землю свинцовую оболочку кабелей обвертывают несколькими чередующимися слоями пропитанной бумаги и жидкотекучего битума. Для механической защиты на кабелях небольшого диаметра предусматривается броня из тесно прилегающих друг к другу витков круглой проволоки; на кабелях большого диаметра выполняется броня в виде плющеной проволоки (плоской оплетки). Поверх брони располагается слой пропитанного джута, который хотя и дает некоторую защиту от коррозии, но не обеспечивает электрической изоляции оболочки кабеля по отношению к земле. Бесспорные преимущества по защите от коррозии имеют бесшовные и беспористые оболочки (шланги) из полиэтилена толщиной 1,6—4,0 мм. Активная катодная защита от коррозии поэтому применяется главным образом для кабелей со свинцовой оболочкой, имеющих джутовую изоляцию. Кабели с оболочками из других металлов могут быть подключены к системе катодной защиты, но при этом должны быть проведены особые предупредительные мероприятия [3]. У кабелей с гофрированной стальной оболочкой жилы охватываются лентой из углеродистой стали, сваренной продольным швом без нахлестки. На изготовленной таким способом трубе-оболочке выполняют поперечные гофры для придания ей гибкости. Впадины гофров заполняют пластичной массой, прочно сцепляющейся и с металлом, и с полимерным материалом, а затем всю конструкцию обматывают лентой из полимерного материала. Поверх этого слоя далее получают экструдированием полимерную оболочку из полиэтилена. Полимерная оболочка получается практически беспористой и поэтому обеспечивает хорошую защиту от коррозии. Дефекты могут образоваться только на муфтах и в местах механических повреждений.

Как показали специальные исследования [22], посредством термообработки можно достичь стабильного значения температурного коэффициента линейного расширения кристаллического полимера на всем температурном интервале эксплуатации полимерного подшипника, что имеет большое значение для расчета изменения сборочного зазора в сопряжении вал — полимерный подшипник при нагреве в процессе эксплуатации. Значение этого коэффициента становится независимым от толщины отливаемой детали и режима ее изготовления.

Рис. 27. Расчетная схема полимерного подшипника скольжения

Самым ответственным этапом расчета нагрузочной способности полимерного подшипника является определение параметра теплоотвода узла /Сто, в ко-

Если корпус относится к типу /// (рис. 28), то расчет параметра Кк следует осуществлять в месте, где ожидается наименьший теплоотвод, т. е. в наиболее опасном с точки зрения работоспособности полимерного подшипника. На схеме корпуса типа /// это соответствует участку, расположенному под шестерней блока, имеющей наименьший диаметр делительной окружности 2л2. При выборе опасного места не следует принимать во внимание участки ступицы с относительной протяженностью 2/ic/(rfc— d]) *? 1, где hc и rfc— соответственно ширина и наружный диаметр ступицы.

По рис. 34 можно определить теплоотвод корпусной стенки при различном исполнении полимерного слоя ТПС. Как видно из графиков, при увеличении толщины стенок (в 2 раза от 18 до 35 мм) теплоотводящая способность корпуса, при прочих равных условиях, повышается незначительно (не более чем на 20%). Рассчитываемый параметр заметно повышается с увеличением коэффициентов теплообмена. Однако при переходе от одного расчетного значения сгк к ближайшему по значению параметр /СКБ изменяется максимум на 20%. Таким образом, пользуясь рис. 34, путем интерполирования можно найти параметры теплоотвода любого реального корпуса при работе в его стенке полимерного подшипника.

На рис. 35—38 приведены зависимости теплоотвода зубчатых колес различных размеров от параметра V полимерного подшипника, являющегося их опорой.

Рис. 53. Схема температурных перемещений рабочей поверхности полимерного подшипника скольжения

чину 6Т [см. формулу (5)]. Это изменение происходит за счет расширения вала и перемещения рабочей поверхности подшипника. Особенностью полимерного подшипника является наличие рабочего слоя из полимера—материала с более высоким (по сравнению с металлом) температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР). Диаметральному расширению полимерного слоя препятствует металлический корпус, температура которого обычно значительно ниже, чем температура полимерного слоя. Поэтому температурное перемещение полимерного слоя обычно осуществляется в сторону вала.

Рис. 61. Зависимость коэффициента Кг от исполнения полимерного подшипника в корпусе С наружным диаметром dt до 200 мм (Kg — 0, обозначения кривых см. рис. 59)

Рис. 62, Зависимость коэффициента Kz от и полнения полимерного подшипника в^корпусе с наружным диаметром d2 до 300 мм (К — 0, обозначения^кривых см. рис. 59)"

Графики, приведенные на рис. 63, рекомендуется использовать для определения температурного изменения зазора при эксплуатации полимерного подшипника в корпусной детали. _