Перспективы использования углепластика из полифениленсульфида в подшипниках скольжения

Авторы: Б.Н. Агафонов, А.Б. Агафонов, Г.Б. Уфлянд (ООО «ЭНЕРГОТЕХ»)

Опубликовано на портале «Химическая техника», декабрь 2020

Из современных антифрикционных материалов для гидродинамических подшипников скольжения выделен углепластик из полифениленсульфида (УПФС) как наиболее перспективный материал, созданный сравнительно недавно ФГУП «Прометей». Продемонстрированы технические возможности этого материала применительно к подшипникам высоконагруженных высокооборотных агрегатов. Показано, что в результате применения оптимизированных подшипников скольжения с новым антифрикционным материалом эффективность агрегата может быть повышена на 0,2–0,3% в целом при сокращении на 40–50 % потребляемого расхода масла.

Несмотря на наличие в агрегатах подшипников качения, гидростатических подшипников, подшипников с магнитными подвесами и т. п., гидродинамические подшипники скольжения (ГДПС) были и пока остаются основными подшипниками для паровых и газовых турбин, электрогенераторов большой и средней мощности, турбинных редукторов и других агрегатов, работающих при больших удельных нагрузках, высоких частотах вращения и длительных межремонтных циклах [1–4]. ГДПС обладают максимальной несущей способностью, хорошей приспособляемостью к изменению режимов в широком диапазоне нагрузок, относительных скоростей и параметров смазки, лучше переносят динамические нагрузки. Конструкции ГДПС допускают наличие разъёма, облегчая сборку/разборку агрегата и повышая ремонтопригодность. В связи с этим появление нового антифрикционного материала практически всегда сопровождается большим объёмом различного рода исследований и опытных работ, целью которых являются:

• проработка новых конструкций подшипниковых узлов;
• доработка теории расчёта гидродинамической смазки, расчётных методик с новым антифрикционным материалом;
• проверка сочетаемости материала вкладышей с новым материалом;
• организация оптимальных систем смазки;
• проверка совместимости применяемых смазочных сред.

Базой для сравнения, как правило, являются баббиты – мягкие сплавы на основе олова и/или свинца с сурьмой. Содержащиеся в сплаве и выступающие над поверхностью мягкой основы твердые микрокристаллы сурьмы (массовая доля 10–18%) обеспечивают хороший комплекс трибологических свойств баббитов: прирабатываемость поверхности, повышенную приспособляемость к режиму полужидкого трения, низкий коэффициент трения при страгивании и т.д. [1–3].

При этом баббиты имеют ряд эксплуатационных недостатков, обусловленных их физико-механическими характеристиками [1–3]. Низкая ударная вязкость (на порядок ниже, чем у олова) ведёт к потенциальному растрескиванию в работе. Исходная твёрдость баббитов (при температуре 20^°С НВ = 20…35 кг/мм²) в основном обеспечивает приемлемые прочностные свойства, но лишь при сравнительно низкой температуре. С ростом рабочей температуры твёрдость существенно снижается (при температуре 120^°С НВ ≤ 12 кг/мм²) наряду с падением прочностных свойств и опасностью пластических деформаций. При этом баббиты имеют сравнительно низкий модуль упругости (Е = 220…660 кг/мм²), что в разы ниже, чем у стали и сплавов на основе меди. Деформация колодки вкладыша с баббитовой заливкой пропорциональна её размерам и нагрузке, но обратно пропорциональна модулю упругости. В результате деформация баббитовой поверхности крупного вкладыша под действием нагрузки при рабочей температуре может стать соизмеримой с толщиной смазочного слоя. Вместе с тем желаемое увеличение исходной твёрдости баббитов (с целью повышения прочности) приводит к снижению таких важных свойств, как прирабатываемость и выносливость.

Существуют также технологические сложности при заливке поверхностей сегментов баббитом:

• ограничение в выборе материала основы по уровню адгезии;
• необходимость тщательной подготовки поверхности основы;
• обязательность контроля состава баббита и соблюдение технологии заливки;
• проблемы контроля сплошности сегментов после заливки и в работе.

В результате с учётом возможного разброса свойств баббита, отклонений в технологии заливки, различий в условиях смазки и неравномерности распределения нагрузки в комплекте сегментов (колодок) для типовых серийных конструкций ГДПС рекомендуется ограничивать среднюю удельную нагрузку на колодки с баббитовой заливкой Q_ср ≤ 9…11 кг/мм² [2], а максимальную температуру баббита – значением £120^°С [2].

Поскольку современные типовые подшипники скольжения при всём их многообразии и широком применении не лишены недостатков, связанных в основном с материалом поверхности трения, ведутся работы по внедрению в конструкцию ГДПС, например, пористой металлокерамики, металлофторопластов, различных композитных материалов [2, 3], а также специальных полимерных покрытий [5]. Здесь же более подробно рассмотрим результаты работ по использованию для вкладышей углепластика из полифениленсульфида (УПФС), разработанного сравнительно недавно ФГУП «Прометей» и описанного в работе [6]. Обширные сведения о комплексе свойств антифрикционного термостойкого УПФС в сравнении с прочими углепластиками и другими композитными материалами для подшипников скольжения представлены в работе [7].

В презентации ОАО «НПО ЦКТИ» «Применение нового антифрикционного теплостойкого углепластика в качестве материала рабочей поверхности опор скольжения паровых турбин», представленной Ю.И. Моногаровым в 2016 г., обобщены результаты длительных стендовых испытаний опытных радиальных ГДПС с применением антифрикционного термостойкого углепластика (АТСП) типа УПФС. Радиальные подшипники диаметром 300 и 600 мм традиционной конструкции со вставками из АТСУ испытывались при вращении вала частотой 2000; 2500 и 3000 об/мин и удельных нагрузках от 2 до 4 МПа. Температура масла на входе поддерживалась в диапазоне от 35 до 38^°С. Максимальная температура вставки при нагрузке 4 МПа при частоте вращения вала 3000 об/мин составила всего 65 ^°С.

В ходе испытаний в условиях полусухого трения УПФС при заданных нагрузках показал практически постоянный коэффициент трения при страгивании, значение которого оказалось почти вдвое меньше, чем у баббита.

Испытания подшипника на скудной смазке показали, что при нагрузке 2,5 МПа с постепенным снижением частоты вращения от 3000 до 500 об/мин температура поверхности вставки не превысила 67^°С, при этом расход смазки был снижен в 3–4 раза относительно проектного значения.

Таким образом, экспериментально установлено, что УПФС по сравнению с баббитом обладает следующими преимуществами:

• меньшим коэффициентом полужидкостного трения (на ~40–50%);
• большей прочностью (на растяжение в ~3 раза);
• большей ударной вязкостью (в ~2 раза);
• большей термостойкостью (максимальная температура выше на 20…30°С);
• очень низкой электропроводностью (отсутствие электроэрозии).

На основе рекомендаций [8] предлагается на данном этапе развивать два направления внедрения АТСУ в конструкции сегментных ГДПС:

• доработку типовых конструкций (в том числе для фирменных ГДПС в рамках локализации, реинжиниринга и/или ремонта). Применение АТСУ позволяет наряду с продлением ресурса колодок и повышением ремонтопригодности существенно повысить работоспособность в результате расширения допустимых режимов эксплуатации;
• комплексную разработку перспективных ГДПС путем оптимизации конструкции, системы смазки, параметров и рабочих режимов с целью существенного улучшения эксплуатационных свойств.

С использованием расчётных методик [3, 4] и экспериментальных данных [6, 7] произведена оценка несущей способности и эффекта замены колодок с баббитом колодками с АТСУ УПФС применительно к высокооборотным сегментным осевым и радиальным ГДПС. Для сравнительной оценки взяты параметры сегментных подшипников высокооборотного опытного газотурбинного двигателя мощностью 2,0 МВт, предназначенного для прямого привода высокооборотного генератора. В расчётах принято масло турбинное ТП–22С с температурой на подаче 50^°С.

В табл. 1 сведены исходные данные и сравнительные результаты расчёта пятиколодочного радиального сегментного подшипника диаметром 60 мм.

Таблица 1

Сравнение расчетных параметров вариантов радиального сегментного ГДПС диаметром 60 мм при частоте вращения 25 000 об/мин с баббитом и АТСУ

Из данных табл. 1 следует, что замена материала поверхности трения колодки (с соответствующей корректировкой относительного зазора) привела к увеличению среднего подогрева масла в смазочном слое на ~60% при сокращении расхода смазки на 30%. При этом за счёт изменения режимных параметров смазочный клин полностью перешёл в область ламинарного течения, а максимальная температура смазки выросла всего на 12^°С. В результате расчета все критерии работоспособности радиального подшипника с колодками АТСУ УПФС обеспечиваются.

В табл. 2 приведены исходные данные и сравнительные результаты расчёта предельной несущей способности восьмиколодочного осевого сегментного подшипника с наружным диаметром упорного диска 95 мм при локально направленной смазке колодок.

Таблица 2

Сравнение расчетных параметров осевого сегментного ГДПС с наружным диаметром упорного диска 95 мм на частоте вращения 25 000 об/мин с баббитом и АТСУ

Как видно, замена материала поверхности трения рабочей колодки в условиях локальной направленной смазки привела к росту максимальной несущей способности вкладыша в ~1,5 раза за счет увеличения среднего подогрева в смазочном слое на 13^°С при уменьшении расхода смазки на 35–40%. При этом максимальная температура масла в смазочном слое упорных колодок, по предварительной оценке, выросла всего на 20^°С.

Таким образом, согласно экспериментальным данным и выполненным расчетным оценкам предельная температура на поверхности колодки сегментных ГДПС с АТСУ по сравнению с баббитовой заливкой может быть увеличена на 30…40^°С, а максимальная удельная нагрузка – в 1,5–2 раза.

При специальном проектировании сегментных ГДПС с АТСУ на повышенную температуру смазочного слоя целесообразно:

• назначать зазор в радиальных подшипниках с учётом температурного увеличения диаметра вала;
• применить локальную направленную смазку колодок со свободным сливом, избегая так называемой «масляной волны»;
• использовать масляные среды, более устойчивые к температурной деградации свойств.

Следует заметить, что для ГДПС с локально направленной смазкой деградация масла менее значительна из-за короткой выдержки в зоне локально высоких температур.

Высокие требования рынка к экономичности агрегата и снижению стоимости элементов, его составляющих, побуждают к использованию подшипников с локально направленной смазкой [5].

Снижение расхода смазки на ГДПС уменьшает ёмкость масляной системы и снижает её стоимость. При этом уменьшение потерь трения в подшипнике способствует повышению КПД агрегата.

Таблица 3

Сравнительные затраты на изготовление и эксплуатацию сегментных ГДПС для ГТД-2.0

По предварительным оценкам, благодаря применению оптимизированных ГДПС с АТСУ в зависимости от числа подшипников, мощности и быстроходности можно повысить на 0,2–0,3% эффективность агрегата в целом при сокращении на 40–50% расхода смазки.

Выполненный анализ применения для поверхности трения сегментных ГДПС АТСУ УПФС при комплексной оптимизации конструкции подшипника (включая корректировку геометрии, зазоров и параметров рабочих режимов) в сочетании с использованием локально направленной смазки демонстрирует наличие технических возможностей совершенствования подшипников с точки зрения заметного увеличения межремонтного ресурса при снижении потерь на трение и потребного расхода смазки.

Список литературы

1. Чернавский С.А. Подшипники скольжения. М.: Машгиз, 1963. 243 с.
2. Ковалевский М.М. Стационарные ГТУ открытого цикла. М.: Машиностроение, 1979. 262 с.
3. Воскресенский В.А., Дьяков В.И. Расчёт и проектирование опор скольжения. М.: Машиностроение, 1980. 224 с.
4. Воскресенский В.А., Дьяков В.И., Зиле А.З. Расчёт и проектирование опор жидкостного трения. М.: Машиностроение, 1983. 231 с.
5. Sumi Y., Sano T., Yamashita K., Nakano T. Разработка упорного подшипника с высокой удельной нагрузкой. Mitsubishi Heavy Industries. ASME Turbo Expo, GT2014-26798. Düsseldorf, Germany. 2014. 7 с.
6. Антифрикционные углепластики марок УГЭТ, ФУТ и теплостойкие углепластики марки УПФС. ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей». Источник: http://www.crism-prometey.ru/science/nonmetallic/ugleplastik-uget-fut.aspx
7. Лишевич И.В. Создание антифрикционных теплостойких углепластиков для высокоскоростных подшипников насосов и паровых турбин. Дис. … канд. техн. наук. СПб: ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей», 2015. 157 с.
8. Дитрих Я. Проектирование и конструирование. Системный подход. М.: Мир, 1981. 456 с.