Применение эпоксикаучуковых клеев для изготовления подшипников скольжения из антифрикционных углепластиков

В.А. Сытов, к.т.н., А.Е. Верстаков, А.Е. Воронин, В.Е. Бахарева, д.т.н., А.А. Чурикова, Д.В. Цуканов, В.В. Сытов.

Подшипники скольжения служат опорами для валов и вращающихся осей. Они воспринимают радиальные и осевые нагрузки, приложенные к валу, и сохраняют заданное положение оси вращения вала. От качества подшипников скольжения в значительной степени зависят работоспособность и долговечность машин.

ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» разработаны антифрикционные углепластики для подшипников скольжения, смазываемых водой, которые обладают высокой конструкционной прочностью, износо- и ударостойкостью, технологичностью и размерной стабильностью. Подшипники скольжения из углепластиков марок УГЭТ и ФУТ имеют различное конструктивное исполнение. В зависимости от конструктивного исполнения узла трения способы крепления антифрикционного углепластика в подшипнике могут быть следующие:

клеевое соединение втулки из углепластика с внутренней или внешней поверхностью металлической обоймы (направляющие аппараты гидротурбин, центробежные насосы)
клеевое соединение вкладыша из углепластика с сегментом подшипника (крупногабаритные составные подшипники).

Во всех случаях исполнение подшипников двухслойное (металл-углепластик).

В гидротурбиностроении есть ряд узлов трения, в которых кроме высокой износостойкости от подшипников требуются амортизационные свойства. Одновременно обеспечить и высокую износостойкость, и амортизационные свойства возможно только при использовании многослойных конструкций, в состав которых входит вибродемпфирующий материал. Одним из способов обеспечения демпфирующих свойств является применение эластичных материалов в сочетании с углепластиком. В настоящей статье в качестве эластичного материала применяется резина. Рассмотрено применение комбинированных подшипников с резиновыми «гидрозамками». Резина в этом случае является и амортизирующим и антифрикционным элементом (рисунок 1).

Рис. 1 Комбинированный подшипник с резиновыми «гидрозамками».

Необходимость применения резины в этом узле (рис. 1) была вызвана тем, что в ряде случаев при монтаже направляющих подшипников валов гидротурбин происходило повреждение гидрозамка (кромок подшипника).
Соединение резины и углепластиков в конструкции представляет значительные трудности, так как резина имеет низкую адгезию к углепластику. Механическое соединение нежелательно из-за возможности выхода крепежа на поверхность трения, поэтому нами была использована технология клеевой сборки, которая является надежным и экономичным способом соединения деталей.

Выбор клеевого состава

При выборе клеевого состава для сборки деталей из разнородных материалов (сталь-углепластик, сталь-резина) необходимо учитывать не только напряжения, возникающие в тонком клеевом шве при эксплуатации изделий, в которых масса деталей намного превышает массу адгезива, но и напряжения, обусловленные различными коэффициентами линейного температурного расширения. Следовательно, применяемый клей в отвержденном состоянии наряду с достаточной прочностью клеевого шва, высокими адгезионными характеристиками к стали, углепластику и резине должен обеспечивать минимальные значения внутренних напряжений, что на практике обеспечивается повышенной деформативностью.

В качестве объектов исследований конструкционных материалов и адгезивов были выбраны: Сталь 3, эпоксидный и фенольный углепластики, акрилонитрильная и изопреновая резины (свойства приведены в таблице 1), эпоксикаучковые клеи (свойства приведены в таблице 2).

Выбор марок резин обусловлен условиями эксплуатации и свойствами резин. В настоящее время из 8 марок рекомендуемых резин для амортизаторов наиболее доступной, технологичной и обладающей стабильными свойствами является резина марки 8470. Кроме того, для сравнения использовалась также резина марки 10677, применяемая в настоящее время в судовых подшипниках и кольцевых направляющих подшипниках вала гидротурбин.

Свойства применяемых резин

Наименование показателей	Резина 8470 ГОСТ 7338-90 (Акрилонитрильная)	Резина 10677 ТУ 38.1051935-04 (Изопреновая)
Условная прочность при растяжении, МПа, не менее	7,0	9,3
Относительное удлинение при разрыве, %, не менее	200	150
Твердость по Шору А	55-70	70-85

Таблица 1

Выбор эпоксикаучуковых клеев обусловлен различным количественным содержанием каучуковой фазы в композиции (таблица 2), что позволяет варьировать деформативностью в широких пределах. Следует отметить, что при применении эпоксикаучуковых клеев величина зазора, а также ее изменение по длине клеевого шва практически не влияет на работоспособность клеевого соединения.

Свойства применяемых эпоксикаучуковых клеев

Наименование показателей	Марки клеев
Наименование показателей	ЭКАН-3	КДС-174-1	КДС-11
Разрушающее напряжение при сдвиге, Ст3-Ст3, МПа, не менее При температуре: минус 50 ^оС 20 ^оС 80 ^оС
	15	22	35
	12	15	26
	5	6	12
Относительное удлинение, %, не менее	40	8	4

Таблица 2

Клеи ЭКАН-3, КДС-174-1 и КДС-11 представляют собой композиции холодного отверждения на основе эпоксидной смолы, модифицированной каучуком, и аминного отвердителя. Температурный диапазон эксплуатации составляет от минус 60 до плюс 120 ˚С. Режимы отверждения:
Холодный: 20 ^оС — 24 ч
Горячий: 20 ^оС — 2 ч, затем 60 — 80 ^оС — 3 — 4 ч.
Исходя из природы применяемых конструкционных материалов и различий в свойствах выбранных клеев, исследовались характеристики следующих клеевых соединений:
— сталь 3 – клей КДС-174 – углепластик
— сталь 3 – клей ЭКАН-3 — резина
В качестве способа подготовки поверхности неметаллических материалов был выбран механический — зашкуривание до матовой поверхности с последующим обезжириванием бензином и выдержкой на воздухе перед нанесением клея в течение 15 минут. Приведенные в таблице 3 результаты показали недостаточную прочность клеевых соединений. Для повышения прочностных характеристик клеевых соединений был использован механохимический способ подготовки поверхностей склеиваемых материалов. Его применение позволило повысить прочность клеевых соединений в 1,5 — 2 раза [2, 3].

Прочность соединения структурных элементов многослойных подшипников

Склеиваемые пары	Разрушающее напряжение при сдвиге, МПа
Склеиваемые пары	механический метод подготовки поверхности	механо-химический метод подготовки поверхности
1. Резина (6470) со сталью, клей ЭКАН-3	2,71	3,59
2.Углепластик со сталью, клей КДС- 174-1	2,6	5,22

Таблица 3

Таким образом, задача создания комбинированных подшипников (рисунки 1 и 3) из разнородных материалов может быть эффективно решена методами клеевой сборки с применением эпоксикаучуковых клеев различной деформативности.

Для проверки сохраняемости свойств клеев ЭКАН-3 и КДС-174-1 были получены кинетические кривые изменения контролируемых показателей свойств материалов в результате теплового старения при температурах 70, 90, 110, 130 ºС в течение 1, 5, 15, 30, 60, 90, 120 и 270 суток. В ходе испытаний было выявлено, что на начальном этапе старения прочность клеевого соединения возрастает, достигая максимума, а затем незначительно снижается (рис. 2, рис. 3). Наличие начального периода роста прочности клеевого соединения связано с доотверждением клеев. Относительное удлинение в момент разрыва незначительно уменьшилось (рис. 4, рис. 5). Разрушающее напряжение при сдвиге определялось по ГОСТ 14759–69 на пластинах Ст3-Ст3, а относительное удлинение в момент разрыва на образцах типа «лопатки» по ГОСТ 21751-76.

Рисунок 2. Зависимость разрушающего напряжения при сдвиге клея ЭКАН-3 от времени старения при различных температурах.

Рисунок 3. Зависимость разрушающего напряжения при сдвиге клея КДС-174-1 от времени старения при различных температурах.

Рисунок 4. Зависимость эластичности клея ЭКАН-3 от времени выдержки при 90 ºС.

Рисунок 5. Зависимость эластичности клея КДС-174-1 от времени выдержки при 90 ºС.

Технология приготовления связующих клеев ЭКАН-3 и КДС-174-1 предполагает совмещение компонентов при температурах 150 – 160°С в течение 2-3 часов, при этом в связующем по окончании процесса практически не остается летучих веществ, что благоприятно влияет на здоровье сотрудников предприятий, применяющих клеи.
Углепластиковые подшипники, изготовленные методом клеевой сборки, успешно эксплуатируются в узлах трения гидротурбин, насосов, судовых механизмов и арматуры трубопроводов.

Рис. 6 Направляющий подшипник скольжения Юмагузинской ГЭС с гидрозамками из резины.

Последние годы в подшипниках ответственных насосов энергетических установок ТЭЦ, ТЭС, АЭС, и судовых энергетических установок (СЭУ) применяются теплостойкие антифрикционные углепластики. Они также применяются в насосах для перекачки нефти и нефтепродуктов. Температура перекачиваемой жидкости 80-125 ⁰С. В этом случае при клеевой сборке подшипников к клеям предъявляется дополнительные требование к теплостойкости, водостойкости (в том числе в перегретой воде) и нефтестойкости.

Данным требованиям наиболее полно удовлетворяет эпоксикремнийорганический клей холодного отверждения марки ТКС-500, предназначенный для склеивания металлических и неметаллических материалов, обладающий высокой адгезонной и когезионной прочностью, стойкостью к действию вибрационных нагрузок, тепловых и гидравлических ударов. Работоспособен в диапазоне температур от -196 до +300 ºС, кратковременно до +500 ºС . Стоек к воздействию воды, масел, бензина и дизельного топлива. Клей отверждается при температуре цеха при контактном давлении в течение 72 часов. Физико-механические свойства приведены в таблице 4.

Внешний вид	Однородная вязкая масса коричневого цвета
Жизнеспособность в диапазоне температур 15 – 35 ºС, мин., не менее	60
Относительное удлинение при разрыве через 24 ч, %	10
Разрушающее напряжение при сдвиге клеевых соединений, Ст.3 при температурах, МПа, не менее:20 ºС 300 ºС	18 0,8

Рис. 7 Клеевое соединение вкладыша из углепластика в металлическую обойму подшипника паровой турбины.

Заключение.

Разработана конструкция подшипника скольжения, в котором антифрикционные характеристики обеспечиваются углепластиком, а вибродемпфирующие свойства резиной.

Создан и успешно эксплуатируется на Юмагузинской ГЭС комбинированный подшипник с резиновыми «гидрозамками», в котором резина является и амортизирующим и антифрикционным элементом.

Установлено, что технология клеевой сборки является надежным и экономичным способом соединения деталей. Надежное крепление обеспечивается при использовании эпоксикаучуковых клеев марок ЭКАН-3 и КДС-174-1 и акрилонитрильной резины марки 8470. Требованиям повышенной термостойкости, водостойкости (в том числе в перегретой воде) и нефтестойкости наиболее полно удовлетворяет клей марки ТКС-500.

Список использованных источников.

[1]. Иванов М. Н. Детали машин. Учебник для ВУЗов. Изд 4.- М.:Высшая школа, 1984г. — 336с.

[2]. Сытов В.А.,Верстаков А.Е., Воронин А.Е. Системный подход к проблеме создания клеевых соединений в триботехнике// Вопросы материаловедения.-2006.-№2(46).- С.204-211.

[3]. Петрова А.П. Клеящие материалы. Справочник. Каучук и резина, М., 2002, С.196.