Результат интеллектуальной деятельности: Способ изготовления вкладыша подшипника скольжения

Изобретение относится к машиностроению, например к гидротурбиностроению, судостроению, в частности к узлам трения гидромашин, гребных валов, работающих при высоких нагрузках: больших удельных давлениях, скоростях скольжения без смазки и в водной среде.

Для обеспечения работоспособности высоконагруженных узлов трения в машиностроении узлы трения изготавливаются из высокопрочных материалов при одновременном снижении коэффициента трения за счет использования материалов с низким коэффициентом трения.

Известна антифрикционная наполненная композиция, содержащая армирующую ткань из углеродного волокна, термореактивное полимерное связующее на основе хлорсодержащей полиглицидиларилендиаминовой смолы и включения из политетрафторэтилена, размещенные в поверхностном слое композиции, которые предварительно активируют обработкой натрий-нафталиновым комплексом для улучшения адгезии (RU патент 2394850, C08J 5/16, C08L 63/00, 2008).

Недостатком данной композиции является использование неэкологичной хлорсодержащей полиглицидиларилендиаминовой смолы и применение для активации включений политетрафторэтилена натрий-нафталинового комплекса, вызывающего травление поверхности политетрафторэтилена и его деструкцию, которые приводят к снижению прочности материала. Процесс активации натрий-нафталиновым комплексом является экологически опасным, в нем используют металлический натрий, который взрывается при высокой влажности и соприкосновении с водой.

Известен способ изготовления вкладыша подшипника скольжения, включающий формирование на листе из политетрафторэтилена выступов, изготовление модели вкладыша, нанесение препрега углепластика на модель, прессование и отверждение в пресс-форме в нагретом состоянии и удаление внутреннего поверхностного слоя из политетрафторэтилена, причем выступы политетрафторэтилена формируют фрезерованием его поверхности в двух направлениях под углом 30-45° к оси ординат, совпадающей с направлением края листа, нанесение препрега углепластика на модель вкладыша осуществляют под углом, равным углу фрезерования, при этом используют углепластик, содержащий углеродную ткань и пропитывающую хлорсодержащую полиглицидиларилендиаминовую смолу (RU патент 2462625, F16C 33/04, F16C 33/14, 2010).

Недостатком данного способа также является использование неэкологичной хлорсодержащей полиглицидиларилендиаминовой смолы, многоступенчатость процесса изготовления вкладыша, включающего изготовление модели вкладыша, нанесение препрега углепластика на модель, прессование и отверждение в пресс-форме в нагретом состоянии и удаление внутреннего поверхностного слоя из ПТФЭ, а также формирование выступов из ПТФЭ фрезерованием его поверхности в двух направлениях. Недостатком является также низкая адгезия политетрафторэтилена при прессовании с углепластиком, приводящая к снижению эксплуатационной надежности вкладыша подшипника скольжения.

Известен способ активации поверхности политетрафторэтилена в низкотемпературной плазме пониженного давления различной частоты в атмосфере различных газов (Fluoroplastics. / Chapter 15. Ebnesajjad S. Surface Treatment of Polytetrafluoroethylene for Adhesion // NY.: William Andrew Publ. - 2015, V. 1, P. 314-335; Пискарев M.C., Гильман А.Б., Кечекьян A.C., Кузнецов А.А. Адгезионные свойства клеевых соединений пленок политетрафторэтилена, модифицированных в низкотемпературной плазме // Клеи, герметики, технологии. - 2016, №10, С. 15-17; Gilman А. В., Piskarev М. S., Yablokov М. Yu., Kuznetsov A. A. Surface Modification of Polyfluoroolefin Films by Glow Discharge // Russian Jour-nal of General Chemistry - 2015, V. 85, №5, P. 1302-1310; Гильман А.Б., Пискарев M.C., Яблоков М.Ю., Кечекьян А.С., Кузнецов А.А. Адгезионные свойства пленок полифторолефинов, модифицированных в разряде постоянного тока // Клеи, герметики, технологии. - 2014, №1, С. 14-17; Пискарев М.С., Гильман А.Б., Шмакова Н.А., Кузнецов А.А. Воздействие разряда постоянного тока на пленки политетрафторэтилена // Химия высоких энергий. - 2008, Т. 42, №2, с. 169-172; US Patent 6573311, C08F 2/46, C08J 3/28, 2003). Этот способ позволяет существенно улучшить адгезионные, фрикционные и контактные свойства политетрафторэтилена без снижения его механических характеристик.

Известен также способ улучшения адгезионных свойств полимерных материалов обработкой в течение заданного промежутка времени при атмосферном давлении плазмой тлеющего разряда, генерируемой усилителем высокой частоты с напряжением 1-5 кВ при частоте 1-100 кГц [Патент РФ №2154363, 2000 г., МПК Н05Н 1/24]. Такой способ позволяет модифицировать поверхность таких полимерных материалов, как полипропилен, полиэтилентерефталат и др., что касается модификации таким способом политетрафторэтилена, способ не позволяет получить значимый результат.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту является вкладыш подшипника скольжения (RU патент 2321782, F16C 33/04 B29D 31/02, 2007; Вкладыш подшипника скольжения и способ его изготовления), выполненный из армированного волокном эпоксидного пластика с заформованной в него специальной системой фторопластовых цилиндрических элементов, и способ его получения.

Основным недостатком вкладыша подшипника скольжения по данному патенту является недостаточная адгезия между армированным волокном эпоксидным пластиком и заформованной в него специальной системой фторопластовых цилиндрических элементов, закрепленных в пластике с помощью надрезов и изгиба в массиве пластика.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение нагрузочной способности и надежности вкладыша высоконагруженного подшипника скольжения за счет упрочнения соединения высокопрочного эпоксидного углепластика с заформованной в него системой элементов из политетрафторэтилена, обладающего повышенной адгезионной способностью в результате обработки политетрафторэтилена в низкотемпературной плазме пониженного давления высокой частоты в атмосфере различных рабочих газов.

Поставленная задача решается тем, что система цилиндрических антифрикционных элементов из политетрафторэтилена предварительно подвергается воздействию низкотемпературной плазмы пониженного давления высокой частоты (40 кГц-13.56 МГц) в атмосфере рабочего газа, выбранного из ряда: фильтрованный воздух, аргон или азот, при давлении в рабочей камере от 5 до 100 Па, потоке рабочего газа от 7 до 125 см³/мин, мощности разряда от 100 до 800 Вт и времени обработки от 20 до 300 с. В результате обработки в низкотемпературной плазме многократно увеличивается адгезия между системой цилиндрических антифрикционных элементов из политетрафторэтилена и высокопрочным эпоксидным углепластиком. Измерения силы отрыва (F_отp) обработанных в плазме фторопластовых пластин размером 25×100 мм от эпоксидного углепластика под углом 90° показали, что величина F_отp возрастает по сравнению с величиной для необработанного ПТФЭ от 0.7 Н до 4.8-7 Н в зависимости от режима обработки в низкотемпературной плазме. Полученный эффект сохраняется на уровне не менее 80% от достигнутого после обработки в течение 3 месяцев хранения обработанных пластин на воздухе при комнатных условиях перед их использованием во вкладыше подшипника.

Повышение эксплуатационной надежности вкладыша подшипника скольжения обеспечивается путем более надежного закрепления цилиндрических элементов антифрикционного слоя из политетрафторэтилена, предварительно подвергнутых воздействию низкотемпературной плазмы пониженного давления высокой частоты в атмосфере различных газов, за счет многократного увеличения адгезии политетрафторэтилена к эпоксидному связующему, что позволяет обеспечить монолитность композита и способствует невыпадению фторопластовых цилиндрических элементов. Так, прочность при сжатии образцов 20×20×7 мм без модификации фторопласта не превышает 200 МПа, а после модификации по данному способу достигает 350 МПа.

Отличительными признаками способа изготовления вкладыша подшипника скольжения являются:

- предварительная модификация поверхности системы цилиндрических элементов из политетрафторэтилена обработкой в низкотемпературной плазме тлеющего разряда пониженного давления высокой частоты;

- рабочие параметры для модификации поверхности политетрафторэтилена: давление в рабочей камере 5-10 Па, мощность разряда от 100 до 800 Вт при частоте разряда от 40 кГц до 13,56 МГц, времени отработки 25÷300 с;

- применяемые газы: фильтрованный воздух, аргон или азот.

Подобное техническое решение, состоящее в предварительном воздействии низкотемпературной плазмы пониженного давления высокой частоты в атмосфере различных газов на элементы подшипника из политетрафторэтилена, не использовалось ранее при изготовлении вкладышей подшипников скольжения, что характеризует соответствие предложенного технического решения критерию «новизна».

Единая совокупность предложенного технического решения с общими известными обеспечивает решение поставленной задачи и характеризует предложенное техническое решение существенными отличиями по сравнению с известным уровнем техники и аналогами. Данное техническое решение является результатом НИОКР по повышению надежности и нагрузочной способности подшипников скольжения гидротурбин, по повышению технологичности их изготовления. Решение неочевидно, что свидетельствует о его соответствии критерию «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется примерами получения положительного эффекта и графиками оптимизации параметров поверхностей модификации политетрафторэтилена, где на фиг. 1 изображена экспериментальная зависимость прочности при отслаивании от времени отработки в плазме, на фиг. 2 - зависимость прочности при отслаивании от мощности разряда, на фиг. 3 - зависимость прочности при отслаивании от давления в камере.

Для подтверждения положительного эффекта, выраженного в увеличении силы отслаивания пластины из ПТФЭ, обработанной в плазме, от эпоксидного связующего, позволяющей увеличить долговечность работы подшипника, его надежность и нагрузочную способность, приведены примеры увеличения адгезионной прочности в системе «ПТФЭ-эпоксидная смола» согласно приведенной ниже методике.

Описание методики

Примеры 1-3 даны на граничные условия обработки в плазме, указанные в формуле, и оптимальные условия для рабочего газа фильтрованного воздуха.

Примеры 4 и 5 даны на оптимальные условия для рабочих газов азот и аргон.

Пример 1. Фторопластовую пластину с цилиндрическими выступающими элементами обрабатывают в низкотемпературной плазме в атмосфере рабочего газа фильтрованного воздуха при частоте тока 40 кГц, мощности разряда 800 Вт; времени обработки - 300 с; давлении в рабочей камере 100 Па; расходе рабочего газа 125 см³/мин. Обработка в плазме приводит к повышению силы отрыва фторопластовой пластины шириной 25 мм от эпоксидного углепластика под углом 90° с 0,7 Н до 4,8 Н.

Пример 2. Фторопластовую пластину с цилиндрическими выступающими элементами обрабатывают в низкотемпературной плазме в атмосфере рабочего газа фильтрованного воздуха при частоте тока 13.56 МГц, мощности разряда 100 Вт; времени обработки 20 с; давлении в рабочей камере 3 Па; расходе рабочего газа 7 см³/мин. Обработка в плазме приводит к повышению силы отрыва фторопластовой пластины от эпоксидного углепластика под углом 90° с 0.7 Н до 4.8 Н.

Пример 3. Фторопластовую пластину с цилиндрическими выступающими элементами обрабатывают в низкотемпературной плазме в атмосфере рабочего газа фильтрованного воздуха при частоте тока 40 кГц, мощности разряда 200 Вт; времени обработки 60 с; давлении в рабочей камере 40 Па; расходе рабочего газа 70 см³/мин. Обработка в плазме приводит к повышению силы отрыва фторопластовой пластины от эпоксидного углепластика под углом 90° с 0.7 Н до 7.0 Н.

Пример 4. Фторопластовую пластину с цилиндрическими выступающими элементами обрабатывают в низкотемпературной плазме в атмосфере рабочего газа азота при частоте тока 40 кГц, мощности разряда 200 Вт; времени обработки 60 с; давлении в рабочей камере 40 Па; расходе рабочего газа 70 см³/мин. Обработка в плазме приводит к повышению силы отрыва фторопластовой пластины от эпоксидного углепластика под углом 90° с 0.7 Н до 7.0 Н.

Пример 5. Фторопластовую пластину с цилиндрическими выступающими элементами обрабатывают в низкотемпературной плазме в атмосфере рабочего газа аргона при частоте тока 40 кГц, мощности разряда 200 Вт; времени обработки 60 с; давлении в рабочей камере 40 Па; расходе рабочего газа 70 см³/мин. Обработка в плазме приводит к повышению силы отрыва фторопластовой пластины от эпоксидного углепластика под углом 90° с 0.7 Н до 7.0 Н.

Графические зависимости экспериментальных данных на фиг. 1, 2 и 3 показывают оптимальные режимы обработки системы цилиндрических элементов из политетрафторэтилена в низкотемпературной плазме тлеющего разряда пониженного давления высокой частоты в рабочей камере:

- давление в рабочей камере 5-400 Па;

- мощность разряда от 100 до 800 Вт при частоте разряда от 40 кГц до 13,56 МГц;

- время обработки - 25÷300 с.

При давлении в камере ниже 5 Па процесс модифицирования нестабилен, при мощности разряда более 800 Вт происходит травление, очистка поверхности системы элементов из политетрафторэтилена без увеличения прочности при отслаивании. Расход рабочей среды от 7 до 125 см³/мин установлен из условия обеспечения стабильности режима обработки (минимум) и отсутствия дальнейшего положительного эффекта от модификации при значениях расхода рабочей среды свыше 125 см³/мин.

Частота высокочастотного разряда - 40 кГц, 13,56 МГц - определена используемым наиболее эффективным промышленным оборудованием. Выбор рабочего газа осуществлен из возможности осуществления обработки плазмой в камере с получением положительного результата - фильтрованный воздух, аргон, азот.

Новое техническое решение - способ изготовления вкладыша подшипника скольжения - воспроизводимо промышленностью и востребовано при производстве подшипников скольжения гидротурбин, гидромашин и насосов, гребных валов.