Free Student HQ / FSHQ / "Штаб-Квартира свободного Студента"

Трение в условиях низких температур

Низкотемпературные узлы трения и применяемые материалы

Низкие температуры составляют обширный диапазон от О К до 273,15 К. Температуры ниже 120 К называют криогенными, а ниже 0,3 К — сверхнизкими.

В криогенном машиностроении прослеживается общая тенденция выноса узлов трения из области низких температур, что имеет целью повышение надежности и уменьшение потерь холодопроизводительности. Однако осуществление подобных конструктивных мероприятий в ряде случаев невозможно. Поэтому с развитием криогенного машиностроения и особенно электрических машин со сверхпроводящими обмотками, охлаждаемыми сжиженными газами, число низкотемпературных узлов трения постоянно увеличивается.

Низкотемпературные узлы трения могут работать со смазкой, например в среде криогенной-жидкости или с применением специальной жидкой смазки, а также без смазки. В последнем случае в узлах трения применяют самосмазывающиеся материалы.

Область применения. Применяют следующие типы низкотемпературных узлов: торцовые и радиальные уплотнения валов насосов для перекачивания криогенных жидкостей, вращающихся регенераторов, ректификаторов, турбодетандеров, электрических генераторов со сверхпроводящими роторами; поршневые уплотнения насосов для перекачки криогенных жидкостей, гелиевых холодильных газовых машин, низкотемпературных поршневых детандеров; радиальные подшипники качения узлов и машин, работающих в разнообразных средах, в вакууме при низких температурах; опоры скольжения узлов и машин, работающих в разнообразных средах, вакууме при низких температурах.

Примером низкотемпературного торцового уплотнения может служить силъфонное двухстороннее металлографитовое уплотнение, примененное в погружном насосе жидкого кислорода на космическом корабле. Уплотнение установлено на валу приводного электродвигателя, размещенного в герметичном корпусе, который заполнен гелием под давлением до 5,5 кгс/см².

Электродвигатель, находящийся в корпусе со сжатым гелием, отделен от перекачиваемого жидкого кислорода гелиевым и кислородным уплотнением, частота вращения электродвигателя 11000 об/мин. Графитовое (неподвижное) кольцо изготовлено из графита P5N, вращающееся кольцо — из нержавеющей стали 440С (США) с хромовым покрытием толщиной после притирки более 25 мкм.

Конструкционные материалы. Металлы. Целый ряд углеродистых сталей и металлы с объемноцентрированной кубической решеткой (Fe, Сr, Мо, Та, W) подвержены при низких температурах хрупкому разрушению (хладноломкости) и не могут быть рекомендованы к применению в широком диапазоне температур. Для использования в низкотемпературных узлах н машинах рекомендуются металлы с гранецентрированнон кубической решеткой (Аi, Ni, Pb, Си, Ag) или гексагональной плотноупакованной решеткой (Ti, Zn, Mg, Со); стали с мелкозернистой структурой (до —45°С), закаленные и отпущенные низколегированные ферритные стали с мелкозернистой мартенситной структурой (до 100°С), нержавеющие стали с аустенитной структурой (до —200°С), никелевые стали со стареющим мартенситом (до — 240°С). Самос широкое применение при низких температурах нашли медные, никелевые, магниевые, титановые и алюминиевые сплавы.

В узлах трения, в которых одна из сопряженных деталей пары трения является металлической, ее изготавливают чаще всего из нержавеющей стали. В паре с графитом хорошие результаты дает отожженная нержавеющая сталь 440С (США) с твердым хромовым покрытием. Находят применение стали 40Х, Г13Л, 38ХМЮА, У8, 12Х18Н9Т, сталь 45 (термообработанная) и др.

При изготовлении одного из тел пары трения из стали 40Х для повышения износостойкости может быть проведено газовое цианирование при 860°С с непосредственной закалкой в масло (твердость поверхности достигает HRC 61). Однако, влияние термообработки на износостойкость является сложным и неоднозначным.

Неметаллические материалы. Одним из распространенных материалов пар трения в условиях низких температур является графит, применяемый в сочетаниях графит—графит, графит — сталь. Графит широко используют в качестве добавок к различным пластмассам, например, для изготовления композиций - графит 15% + фторопласт-4 85% или графит 5% + нейлон 95%, работающих в среде жидкого азота и жидкого водорода (по иностранным данным). Из графита можно изготовлять сепараторы шарикоподшипников для работы при очень низких температурах. Однако наибольшее распространение в качестве антифрикционных материалов для низкотемпературных узлов трения получили фторопласты и фторопластсодержащие материалы.

Фторопласты в отличие от многих пластмасс сохраняют свою эластичность при низких температурах и широко используются в низкотемпературных узлах трения как в чистом виде, так и в композициях с другими пластмассами, металлами, твердыми смазками (MoS2, Pb и др.). Добавление бронзы в качестве 30 — 50% по объему во фторопласт-4 приводит к желательному снижению температурного коэффициента линейного расширения в 2 раза, повышению теплопроводности в 3 раза, резкому снижению интенсивности износа (по иностранным данным).

Для повышения износостойкости, механической прочности и теплопроводности фторопласта-4 в него вводяч наполнители в виде мелкодисперсных порошков твердых смазок. Материалами, получившими распространение в узлах трения низкотемпературных машин, являются материалы на основе фторопластов; ФН-202 наполненный фторопласт-4 (фторопласт-4 основа, 10% никеля, 3% дисульфида молибдена) ТУ П-889 — 64; АМИП-15М наполненный фторопласт-4 (фторопласт-4 основа, 15% ситалла, 3% дисульфида молибдена) ТУ П-407 —65; Ф4Ж-20 наполненный фторопласт, ТУ П-369-64; материалы ФКД5Б, ФСД5Б, Ф4К20, ФСД5, ФКД5.

Для изготовления сепараторов шарикоподшипников, работающих в среде жидкого азота, в США успешно использовался фторопласт-4 с наполнителем из стекловолокна; сепараторы из композиций фторопласт-4 + стекловолокно + + WSe2 имели незначительный изйос при работе в вакууме 10(-8) мм рт. ст. при температурах от 185 до +235°С.

Хорошие антифрикционные свойства и износостойкость в США показали при работе в вакууме до 10(-9) мм рт. ст. в температурном диапазоне от — 195 до +230°С следующие фторопластсодержашие композиции: 70% Ag + 20% фторопласт-4 + 10% WSe2 и 60% Си + 30% фторопласт-4 + 10% WSe2.

Положительно зарекомендовали себя при работе в насосах жидкого кислорода н азота комбинированные подшипникн скольжения, составленные из трех слоев: стальной подкладки (основы), пористой бронзы, пропитанной смесью 20% свинца и 80%, фторопласта-4, и слоя фторопласта-4 толщиной 25 мкм. В диапазоне температур 200 до + 200°С удовлетворительные результаты получены при использовании подшипников из оловянистой бронзы и слоя смеси фторопласта-4 со свинцом.

В подшипниках скольжения при низких температурах используют полимерные материалы, такие, как текстолит марки ПТ, полиамиды марок П-68, АК 80-20, капрон; стеклрнаполненный капрон, стеклонаполненный полиамид П-68, а также их композиции с дисульфидом молибдена. Полиамиды типа П-68, АК 80-20 имеют порог хладноломкости в интервале —30 — 70°С; стеклонаполненные полиамиды могут применяться при значительно более низких температурах.

 

Установка для исследования процесса внешнего трения и смазывания в сверхвысоком вакууме при температурах от 500 до 5 К.«Проблемы трения и изнашивания», 1972, № 2, с. 68-73. Авт.: С. С. Карапетян, В. С. Оськин, Д. Н. Пономарев, А. Л. Силин. Харитонова Л. Д. Расчет температурного поля в узлах трения низкотемпературных машин. — «Известия вузов. Машиностроение». 1973, № 12, с. 105 — 110. Элкоиии Б. В. О работоспособности сепараторов шарикоподшипников при низких температурах. — «Вестник машиностроения», 1968, № 2, с. 34 — 36. Burton R. A. Russel J. А., Р. М. Netallic friction at cryogenic temperatures..— «Wear», 1962, N 5, p. 60 - 68. Flom D. G., Porile N. T. Friction of teflon Sliding on teflon. «Journal of applied Physics», 1955, N 9, p. 1088-1092. King R. F., Tabor D. The effect of temperature on the mechanical properties and the Friction of Plastics.—«The Proceeding of the Physical Society», 1953, vol. 66B, p. 728 — 734. Schaaf S. A. On the superpostion of a heat source and contact resistance. — «Quarterly of applied mathematics», 1947, vol. 5, p. 107—111. Swenson C. A. Mechanical Properties of teflon at low temperatures. — «Review of Scientific Instrument», 1954, N 8. p. 834 — 835. Wisander, Johnson. Wear and Friction in liquid nitrogen with austenitic stainless steel harring various surface coatings. — «Advancing Cryogenic Engineering», 1960, vol. 4.

 

Сайт создан в 2012 г. © Все права на материалы сайта принадлежат его автору!
Копирование любых материалов сайта возможно только с разрешения автора и при указании ссылки на первоисточник.
Яндекс.Метрика