книги из ГПНТБ / Подшипники из алюминиевых сплавов

Выделение при трении большого количества тепла нередко вы­ зывало нагрев поверхности подшипника, а иногда нагрев распро­ странялся на значительную глубину и температура его доходила до температуры плавления легкоплавкой составляющей алюми­ ниево-оловянного сплава (свыше 228° С).

При таком нагреве локальное оплавление границ зерен, по ко­ торым располагаются оловянные включения, приводит к межзеренному хрупкому разрушению металла (рис. 7). Исследованиями, приведенными в работе [28], установлено, что пластичность спла­ вов в твердо-жидком состоянии можно повысить снижением содер­ жания в них кремния. У таких сплавов возрастает сопротивляе­ мость растрескиванию. Это обстоятельство послужило основанием для уменьшения в сплаве А9-2 содержания кремния до 0,3—0,7 вместо 2,0—3,0% при разработке ГОСТ 14113—69 на алюминие­ вые антифрикционные сплавы.

Опыт эксплуатации монометаллических подшипников накоплен на судах речного и морского флота. Внедрению таких подшипников предшествовали исследования свойств различных антифрикцион­ ных материалов, проведенные Н. Н. Галашовым [48]. На специ­ альном стенде по схеме машины Ундервуд при нагрузке 50 кГ/см2 и смазке маслом ДП-11 в паре со стальным валом (твердость НВ 160—170) в течение 150 ч были испытаны подшипники, изготов­ ленные из различных антифрикционных материалов. После испы­ таний был установлен относительный износ шеек валов (табл. 5). За эталон был принят износ шеек, работавших в паре с бабби­ том Б83.

Наряду с оценкой износостойкости сплавов была проверена также сопротивляемость монометаллических подшипников уста­ лостным разрушениям и определены механические свойства [52]. По результатам предварительных испытаний и с учетом ранее вы­ полненных исследований [24] для эксплуатационных испытаний монометаллических подшипников на судах речного флота был вы­ бран сплав А09-2 с содержанием 0,6—0,9% Si.

Рис. 7. Разруше­ ние подшипника, образовавшееся в результате нагре­ ва сплава до тем­ пературы твердо­ жидкого состоя­ ния

22

пускаемых заводом «Двигатель революции». За период навигации 1966—1967 гг. на теплоходах 507 и 507А (серии «Волга — Дон») в течение 2200—3500 ч наблюдалась устойчивая работа подшип­ ников семи двигателей без повреждений и замены. Не было выяв­ лено случаев ослабления натяга, а величины износов (табл. 6) были незначительны.

У подшипников из сплава А09-2, не имевших приработочного покрытия, по сравнению с подшипниками со слоем баббита Б83 износ протекает более интенсивно, при наличии же покрытия су­ щественной разницы нет. Положительные результаты испытаний позволили принять решение о значительном расширении исполь­ зования монометаллических подшипников [50, 51, 53]. В настоя­ щее время решено организовать на одном из предприятий речного флота централизованное изготовление монометаллических вклады­ шей из сплава А09-2 [50].

Получили также распространение монометаллические подшип­ ники на двигателях судов морского флота. Этому способствовали

23

работы, проведенные под руководством И. А. Елина и В. М. Хохлева [50, 83] в Центральном научно-исследовательском институте морского флота.

Биметаллические подшипники

Подшипники, изготовляемые штамповкой из биметаллической ленты или полосы сталь — алюминиевый сплав, получили большое распространение. Их используют для двигателей автомобилей и тракторов, для тяжелых транспортных дизелей, технологического оборудования, компрессоров и др.

Подшипники со слоем алюминиевых сплавов пришли на смену подшипникам, залитым баббитом и свинцовистой бронзой, вслед­ ствие лучших эксплуатационных свойств и большей экономичности.

Сравнительно широкое распространение такие подшипники по­ лучили в автомобилестроении, причем сначала для этой цели ис­ пользовали алюминиевые сплавы I группы, а затем II группы. Наиболее широко применяются биметаллические подшипники со слоем алюминиевых сплавов, содержащих олово, технология производства и параметры монтажа которых были разработаны фирмой «Glacier Metal Со». Эксплуатация подшипников со спла­ вом типа А20 показала, что он имеет лучшие антифрикционные свойства по сравнению со свинцовистой бронзой. Например, по данным [243], при испытании автомобильных подшипников из этих двух материалов после 100 000 км пробега изменение зазоров

Аналогичные результаты, указанные в табл. 8, были получены при проверке работы автомобильных подшипников после 10 000 км

24

25'

По данным Форрестера [258], износ шеек валов различных автомобильных двигателей, работающих в подшипниках со слоем баббита, соизмерим в ряде случаев с износом шеек, сопряженных

свкладышами со слоем сплава АО20-1 (табл. 9).

Вавтомобильной промышленности США получили распростра­

нение биметаллические подшипники со слоем сплавов SAE780 и SAE781 («Морен 400»). Для улучшения прирабатываемости под­ шипники покрывают слоем толщиной около 20 мк мягкого сплава свинца с оловом.

Т а б л и ц а 10

Алюминиевые сплавы при сравнительных испытаниях в под­ шипниках двигателей [253] оказались более износостойкими, чем свинцовистая бронза (табл. 10). В паре с подшипниками из свин­ цовистой бронзы как в Англии, так и в Америке используются валы с высокотвердыми трущимися поверхностями.

ВФРГ алюминиевые сплавы для подшипников применяются фирмами «Volkswagen», «Opel», «Porsche», «Glas».

ВСССР для подшипников автомобильных двигателей получили распространение вкладыши со слоем сплава АО20-1. После поло­ жительных эксплуатационных испытаний подшипников автомоби­ лей (ГАЗ-21 и ГАЗ-13) [167] Горьковского автозавода, изготовлен­ ных из биметалла со слоем сплава АО20-1, на Заволжском мотор­ ном заводе был построен специальный цех по производству биметаллических полос и вкладышей. Сейчас производство таких вкладышей расширяется. Положительные результаты испытаний

вкладышей со слоем сплава АО20-1 на двигателях автомобилей «Волга» (ЗМЗ-21) и «Чайка» (3M3-13) отмечены Н. М. Рудниц­ ким и другими [191, 166], которые приводят данные по износу шеек валов и вкладышей, залитых свинцовым баббитом СОС6-6 и изготовленных из биметалла со слоем сплава АО20-1 (табл. 11).

26

Т а б л и ц а 11

Из табл. 11 видно, что сталеалюминиевые вкладыши изнаши­ ваются значительно меньше, но они несколько больше, чем вкла­ дыши с баббитом СОС6-6, изнашивают шейки валов. При этом меньше увеличивается диаметральный зазор подшипников (зазор на масло), что обеспечивает большие пробеги автомобилей.

Использование биметаллических подшипников, изготовленных из полосы со слоем сплава АО20-1, позволило повысить долговеч­ ность двигателей автомобилей, что наряду с другими мероприя­ тиями увеличило моторесурс автомобилей Горьковского авто­ завода [74]. Положительный опыт эксплуатации вкладышей со сплавом АО20-1 получен на дизелях Ярославского моторного завода [177].

За последнее время получены положительные результаты испы­ таний биметаллических подшипников со слоем алюминиево-свин­ цово-оловянных сплавов в двигателях автомобилей. В СССР пер­ вые опыты с такими подшипниками (сплав, содержащий 1% Си, 10% Sn, 5% Pb, остальное алюминий) проводятся с 1968 г. НАМИ на двигателях Заволжского моторного завода (ЗМЗ-66, 3M3-53). Было установлено, что вкладыши такого типа по сравнению с под­ шипниками со сплавом АО20-1 вызывают меньший износ шеек коленчатого вала и меньше изнашиваются сами.

27

О положительном опыте использования подобных биметалличе­ ских подшипников на двигателях автомобилей сообщает фирма «Glacier» [289]. В статье указывается, что сплав алюминия с 15% РЬ обладает лучшими противозадирными свойствами, чем сплав АО20-1.

Имеются сведения о хорошей работе подшипников из алюми­ ниево-свинцово-оловянного сплава на двигателях автомобилей

«General Motors» [249].

Большой опыт использования биметаллических сталеалюминие­ вых вкладышей со слоем дешевого сплава ACM накоплен в трак­ торной промышленности. После длительных стендовых и эксплу­ атационных испытаний биметаллические подшипники, изготовлен­ ные штамповкой из прокатанной полосы, начали с 1955 г. применять на различных двигателях тракторов. Результаты исследований, технологических разработок, стендовых и эксплуата­ ционных испытаний вкладышей подробно рассмотрены Б. И. Госте­ вым и Ю. Я. Зильбергом [64]. Величины износа вкладышей и шеек валов, а также изменения диаметральных зазоров были примерно одинаковыми при работе подшипников со слоем сплава ACM и ранее используемых подшипников со слоем свинцовистой бронзы. Это видно из данных, приведенных на рис. 8, которые получены при испытании подшипников двигателей тракторов Д-54.

В связи с развитием тракторостроения совершенствовались дви­ гатели, уменьшался их вес, увеличивались мощность и скорость вращения коленчатого вала. При этом повышались нагрузки на подшипники, возрастали окружные скорости. Сплав ACM в ряде случаев оказался неспособным работать без усталостных повре­ ждений, стали наблюдаться в большем количестве и задиры. Поэтому были проведены испытания вкладышей, изготовленных

Рис. 8. Диаграмма сравнительных величин износов коренных шеек коленчатых валов (выше горизонтальной осевой линии) и сопряженных с ними тонкостен­ ных вкладышей (ниже осевой линии) после испытаний на стенде двигателя Д-54 в течение 2000 и 4000 ч:

а •—со слоем сплава ACM; б — со слоем свинцовистой бронзы

28

со слоем алюминиево-оловянных сплавов. Биметаллические под­ шипники со сплавом АО20-1 испытывались на тракторных дизелях (Д37М, Д37Е и Д21) Владимирского тракторного завода. По ре­ зультатам широких эксплуатационных испытаний было принято решение о переходе на шатунные вкладыши из биметалла со слоем сплава АО20-1 для тяжелонагруженных дизелей Д37Е.

Большой опыт испытаний подшипников двигателей тракторов накоплен на Челябинском тракторном заводе. Здесь в течение ряда лет на стендах и в эксплуатации на дизелях Д108 и Д130 проводились сравнительные испытания биметаллических подшип­ ников со слоем сплава ACM, цинкового марки ЦАМЭ-1,5 и алю­

величины износа, овальности и зазоров на масло для вкладышей, эксплуатировавшихся на дизелях ДІ08 и Д130 (сплавы А09-1 и ACM). Успешные испытания подшипников со сплавом А09-1 послужили основанием для установки их на более мощные двига­

желонагруженных двигателях 8ДВТ-330 (максимальные нагрузки на шатунные вкладыши превышают 300 кГ/см2) наблюдались случаи задира вкладышей, что объясняется неблагоприятным ре­ жимом трения, связанным с особенностями работы такого типа подшипников при существующих классах чистоты, точности обра­

2 9

ю

Рис. 9. Графики износа рабочих вкладышей и шеек коленчатых валов при стен­ довых (а) и эксплуатационных (б) испытаниях:

] — шатунных подшипников и шеек верхнего коленчатого вала (в. к. в.); 2 — то же нижнего ко­ ленчатого вала (н. к. в.); 3 — коренных подшипников и шеек в, к. в.; 4 и 5 — шатунные подшип­ ники со сплавом А09-2Б и шейки соответственно в. к. в. и н. к. в.; 6 и 7 —шатунные подшипники, залитые баббитом БК2, и шейки соответственно в. к. в. и н. к. в.

Проведены и продолжаются испытания биметаллических под­ шипников в тяжелых транспортных дизелях тепловозов постройки Коломенского и Харьковского тепловозостроительных заводов. Впервые были проведены стендовые и эксплуатационные испыта­ ния биметаллических подшипников со слоем сплава А09-2Б, сое­ диненного со стальным корпусом литейным способом (заливкой жидкого металла). Технология производства таких подшипников была разработана в ЦНИИ МПС и освоена Коломенским тепло­ возостроительным заводом. Такими подшипниками были обору­ дованы два дизеля марки 2Д100. Один из них проходил стендо­ вые испытания, другой был установлен на тепловоз ТЭЗ. Резуль­ таты стендовых и эксплуатационных испытаний изложены В. К. Фроловым и др. [214]. Стендовые испытания были прове­ дены в течение 4000 ч. Данные этих испытаний по износу шеек коленчатых валов и вкладышей представлены на рис. 9, а. Сравни­ тельные величины износов шеек валов и вкладышей со сплавом

Рис. 10. Графики изменения зазора на масло при эксплу­ атации дизеля тепловоза ТЭЗ:

/ и 3 — в подшипниках верхнего ко­ ленчатого вала, залитых соответственно сплавом А09-2Б и БК2; 2 и 4 —в под­ шипниках нижнего коленчатого вала соответственно со сплавом А09-2Б и БК2

30

А09-2Б и баббитом БК2, полученные при эксплуатационных ис­ пытаниях, показаны на графиках рис. 9,6, изменение зазоров на масло — на графиках рис. 10. После 300 тыс. км пробега не было выявлено резкого различия в величинах износа подшипников со слоем сплава А09-2Б и мягкого баббита БК2. Опытный тепло­ воз успешно эксплуатировался с подшипниками до заводского ремонта (пробег свыше 600 тыс. км). За этот срок был сменен лишь один шатунный вкладыш по усталостному выкрашиванию,

В достаточном объеме были проведены стендовые и эксплуа­ тационные испытания подшипников, изготовленных из биметал­ лических прокатанных полос. Испытания осуществлялись на ди­ зелях тепловозов, подшипники которых работали в различных условиях (табл. 13).

* Везде в числителе — для коренных, в знаменателе — для шатунных подшипников.

В течение 1965—1966 гг. были проведены испытания подшип­ ников на дизелях Коломенского тепловозостроительного завода. Подшипники из биметаллической прокатанной полосы со слоем сплава А09-1 испытывались на дизеле 11Д45 в течение 1500 ч. Изменения в зазорах на масло за этот срок выявлены не были. Были проведены также испытания подшипников на двигателях типа Д49. Максимальная продолжительность испытаний соста­ вила 1200 ч, при этом имелись случаи задиров вкладышей со слоем сплавов АО20-1 и А09-1, но на сопряженных с ними шей­ ках валов повреждений не было. При высокой нагрузке (до 600 кГ/см2) на вкладышах центрального шатуна этих двигателей после 1070 ч работы было обнаружено усталостное выкраши­ вание [177].

В настоящее время Коломенский тепловозостроительный завод проводит широкие испытания биметаллических подшипников на многих типах дизелей. Уже выпущена большая партия опытных дизелей для эксплуатационной проверки.

Накоплен опыт эксплуатации подшипников дизелей Д70, 2Д100 и 10Д100, оборудованных подшипниками из алюминиевых сплавов. Более чем на десяти дизелях типа Д70 достаточно

31