книги из ГПНТБ / Щеголев Н.В. Полимер вездесущий

древесины параллельны друг другу во всех листах, то получим материал, хорошо рабо­ тающий на сжатие и растяжение. Такие пли­ ты найдут применение как конструктивный материал в судостроении, в машиностроении для изготовления вкладышей подшипников, некоторых узлов трения и в других областях техники.

Если шпон попеременно укладывать то вдоль, то поперек волокон, получают равно­ прочный материал.

Шпон можно укладывать и несколько другим способом. Смещая направление каж ­ дого следующего листа на 15—30°, получают материал с особыми прочностными свойства­ ми, наиболее пригодными для поделки из не­ го зубчатых колец — шестерен.

Но и на этом не оканчиваются различные вариации. Если между слоями древесины прокладывать ткань или металлическую сет­ ку, то получают материалы с еще более ин­ тересными свойствами.

При изготовлении древеснослоистых пла­ стиков можно также использовать в качестве наполнителя некоторые бросовые материалы: раздробленную древесину, щепки, опилки. После пропитки их некоторыми синтетиче­ скими смолами получают с помощью прессо­ вания при нагревании различные технические изделия.

Какова прочность этих материалов по срав­ нению с металлами, достаточно ли они креп­ ки?

Прочность металла, камня, дерева опре-

3 9

делается разными показателями, одним из главных является проверка на растяжение и на сжатие. При этом необходимо учитывать удельный вес материалов.

Прочность на растяжение некоторых об­ разцов древесно-слоистых пластиков дости­ гает 2600 кг/см2. Кроме того, могут быть по­ лучены образцы и большей прочности. Прав­ да, у обычных сортов стали этот показатель примерно в два раза выше, но если учесть, что древеснослоистый пластик примерно в шесть раз легче стали, то эта разница ста­ новится не такой уже значительной.

Проведенные опыты и длительная прак­ тика эксплуатации шестерен и особенно под­ шипников из таких материалов показали, что они в большинстве случаев с успехом заме­ няют ¡подшипники из сплавов цветных металлов, например бронзы и баббитов.

Производство подшипников из дерева и полимеров обходится очень дешево. Судите сами, один кубический дециметр такого ма­ териала дешевле такого же объема баббита более чем в 20 раз, бронзы — более чем в 10 раз, чугунного литья — почти в 3 раза.

Высокая износоустойчивость подшипни­ ков из таких пластиков и уменьшение износа шеек металлических валов, простота изготов­ ления и дешевизна приведут в скором време­ ни к еще большему распространению этих материалов в машиностроении.

Уже сейчас только на ленинградском за­ воде «Севкабель» применяется более 30 ты­ сяч деталей из древопластиков.

40

Они нашли применение даже в таких ог­ ромных машинах, как расточный стан, где колонны стана весом 35—40 тонн (!) успешно перемещаются на санях из древеснослоистых пластиков. Это улучшило работу механизма и значительно снизило износы чугунной ста­

нины.

Но не только (в таких малознакомых широ­ кому кругу читателей машинах нашли при­ менение эти пластики.

Обычный трамвай — там вы тоже найдете подшипники из такого материала. Имеются они и в метро. Москвичи, ленинградцы, киев­ ляне, спускаясь и поднимаясь по эскалато­ рам, едва ли задумываются, что ступеньки эскалатора изготовлены из тех же слоистых пластиков и что эскалаторная лента до капи­ тального ремонта обычно успевает пройти до 100 тысяч километров, или два с полови­ ной раза обогнуть земной шар по эк­ ватору!

Подшипники из слоистых пластиков ока­ зались обладателями еще одного очень важ­ ного свойства — они достаточно устойчиво работают в агрессивных средах. Так, на цел­ люлозно-бумажных комбинатах они вытес­ нили кислотоупорную бронзу из всех насо­ сов, перекачивающих кислые продукты. И если подшипники из бронзы работали все­ го лишь три-четыре месяца, то деревянные трудятся годами. Вот видите, как облагоро­ женная полимерами древесина смогла конку­ рировать и даже вытеснить бронзу, баббит из их традиционных областей применения.

41

подшипники

БЕЗ СМАЗКИ

Современные машины и механизмы имеют, как известно, ряд узлов трения. От их работы фактически зависит надежность ма­ шины в целом и ее долговечность. Огромная машина может быстро выйти из строя, если какой-нибудь даже относительно маленький подшипник подплавится и станет неработо­ способным. История техники знает массу примеров такого рода. Трудно иногда бывает инженерам создать надежную смазку в ма­ шине. Им приходится усложнять конструк­ цию, чтобы, образно говоря, сделать возмож­ ным доступ носика масленки к подшипнику. И они на это вынуждены идти.

Машиностроение остро нуждается в та­ ких материалах, которые менее требователь­ ны к смазке, могут смазываться... водой и вообще работают практически без смазки.

Нужны подшипники, надежно работаю­ щие в агрессивных средах при низких темпе­ ратурах космоса. Нужно обеспечить смазку узлов трения в безвоздушном пространстве.

При решении многих проблем смазки человеку помогли полимеры. При более про­ стых случаях это были древеснослоистые пластики, капрон, текстолит, резины, при

42

сложных — фторопласты и новые термостой­ кие полимеры. Отныне некоторые подшипни­ ки гидротурбин волжских электрогигантов буквально купаются в смазке— воде, а шес­ терни и подшипники для сухопутных про­ изведет иногда могут довольствоваться со­ держащейся в воздухе влагой. Каким же образом происходит сам процесс такой во­ дяной смазки?

В конце прошлого века русским ученым Петровым была установлена одна из основ­ ных закономерностей, раскрывающая тайны смазки. Это так называемая гидродинамиче­ ская теория смазки, которая касается наи­ больших случаев трения в современных ма­ шинах и механизмах: от обычной швейной машины до мощных паровых турбин атомных электростанций.

По этой теории, вал при вращении в под­ шипнике как бы накатывается на слой масла, и оно, сопротивляясь этому, старается оттолк­ нуть вал к центру подшипника. При этом в зазоре между валом и подшипником обра­ зуется так называемый масляный клин. Чем меньше будет зазор в подшипнике, тем легче маслу это сделать.

Кратко разобрав вопросы смазки, вернем­ ся к нашим полимерным подшипникам и во­ дяной смазке.

Итак, каким же образом происходит сам процесс такой водяной смазки?

Оказывается, многое зависит от материа­ ла подшипника.

Попробуйте смочить водой металлическую

43

поверхность! У вас ничего не получится — металл водой не смачивается и, конечно,

вней не набухает.

Вто же время некоторые полимерные ма­ териалы водой все же смачиваются и даже

вкакой-то мере в ней набухают. Это способ­ ствует образованию слоя смазки, который при вращении вала разделит трущиеся по­ верхности. Образуется знакомый нам масля­ ный клин (применительно для наших условий

его можно назвать водяным клином). Вот в этом один из секретов эффективности под­ шипников из пластмассы.

При использовании полимеров для изго­ товления подшипников ученые сталкиваются со многими трудностями, одной из которых является проблема отвода тепла от трущейся пары. Попробуйте с некоторым усилием по­ тереть собственные ладони и вы сразу же почувствуете, что они становятся теплыми. Примерно то же наблюдается и в машине. Подшипник при работе разогревается. Тепло в этом случае только вредит, и его надо отво­ дить. Металл значительно теплопроводнее пластмассы, он быстрее отводит тепло в тело подшипника. Пластмасса же менее теплопро­ водна. И в этом можно легко убедиться, по­ местив алюминиевую и пластмассовую лож­ ки в стакан горячего чая. Первая сразу же нагревается, а вторая доЛгое время остается холодной.

Итак, как же отвести от пластмассового подшипника тепло?

Оказалось, что можно идти по пути введе­

44

"-чЛ-

ния в используемый полимер, например в по­ лиамид, порошкообразного графита или алю­ миния, свинца или же меди. Эти вещества достаточно теплопроводны. Кроме того, они мягки и, конечно, к повышенному износу шейки вала привести не смогут.

Было установлено, что подшипники из пластмассы, содержащей от 10 до 50 про­ центов таких наполнителей, стали выдержи­ вать и большую нагрузку и повышенную тем­ пературу. Хотя смазка водой в ряде случаев вполне допустима, но лучшей все же остает­ ся масляная. Например, для одного полимер­ ного подшипника допустимая нагрузка при смазке водой повышается в два раза по срав­ нению с нагрузкой при работе его вообще без смазки. Применяя же масло, нагрузку на подшипник можно увеличить более чем в три раза.

При использовании полимерных подшип­ ников сталкиваются еще с некоторыми их интересными свойствами. Они, например, от­ лично служат в запыленных помещениях, когда в них могут попасть различные абразив­ ные материалы: пыль, песок, частички метал­ ла. Когда инородные тела попадали в бронзо­ вый подшипник — он быстрее изнашивался:

в подшипник, царапали и его, и сам вал. Со­ всем по-другому реагирует на это пластмас­ совый подшипник: попавшая частичка вдав­ ливается в относительно мягкое тело и ника­ кого вреда узлу трения не приносит.

4 5

А вот еще одно ценное свойство подшип­ ников из полимерных материалов. Для рабо­ ты узла трения важен, как уже говорилось, размер зазора между валом и подшипником. И чем меньше этот зазор, разумеется, до оп­ ределенных пределов, тем лучше. Но как сохранить его постоянным в течение срока службы механизма? В процессе работы узла происходит износ трущихся пар. Поэтому подшипник, как принято говорить, периоди­ чески надо подтягивать.

От этого избавляют пластмассовые под­ шипники. Свойство некоторых древеснослои­ стых материалов, например таких, как лигнофоль, впитывать в незначительных, но вполне достаточных количествах воду й по­ этому несколько разбухать, оказалось очень ценным при изготовлении из них подшипни­ ков. По мере износа такой подшипник бла­ годаря набуханию практически восстанавли­ вает свои первоначальные размеры, обеспе­ чивая нормальную работу узла трения.

ПОЛИМЕР ЛЕТИТ В КОСМОС

В небо устремилась ракета!.. Сотни людей наблюдают с помощью различных приборов за ее полетом и принимают радиосигналы..'.

4 6

А можно ли было проникнуть в космиче­ ское пространство без полимеров?

Конечно, нет!

В последнее время в зарубежной техни­ ческой литературе описаны некоторые по­ лимерные материалы, нашедшие примене­ ние в ракетостроении. В основном это жаростойкие пластмассы повышенной проч­ ности. Они выдерживают нагрев, хотя и крат­ ковременный, но до 2500°С.

Что же собой представляют такие пласт­ массы по химической структуре? Ведь обыч­ ное органическое вещество разрушается и при более низких температурах, и убедиться в этом достаточно просто. Для этого нужно взять безопасное лезвие и спиртовку или да­ же обыкновенную свечу. Если на кончик лез­ вия поместить частицу органического вещест­ ва и ввести в пламя, то после непродолжи­ тельного прокаливания от органического ве­ щества не останется и следа. Правда, если взятое вещество представляло соль какойнибудь органической кислоты, то на лезвии останется слабый налет.

Как сообщают иностранные источники, повысить теплостойкость изделий, напри­ мер, из некоторых фенольных смол удалось путем применения в качестве наполнителя асбеста и других веществ, достаточно хорошо выдерживающих высокие температу­ ры. Но не только некоторые фенольные смо­ лы могут быть использованы при получении термостойких пластмасс. Для этих целей при­ годны также различные пластики на базе

47

кремнийорганических полимеров. Отдель­ ные образцы их способны выдерживать тем­ пературу 600°С весьма продолжительное вре­ мя, а температуру 2200°С в течение несколь­ ких десятков секунд.

Это позволяет использовать некоторые пластики при кратковременном воздействии температур, которые значительно выше тем­ ператур плавления и даже температур кипе­ ния некоторых металлов.

Действительно, температуры плавления алюминия, золота, марганца, железа, хрома, платины равны соответственно 660°, 1063°, 1260°, 1535°, 1615°, 1774°С; температура же кипения хрома примерно 2200°, меди — 2300°, а золота — 2600°С.

Главный секрет термостойкости пластмасс заключается, помимо соответствующего под­ бора высокомолекулярного соединения, в ма­ лой их теплопроводности.

Это хорошо известно вам из многих быто­ вых примеров. Обратите внимание, например, на то, что при глажении электрическим утю­ гом с пластмассовой ручкой не приходится прибегать к помощи тряпки.

Малая теплопроводность жаропрочных пластмасс позволила применять их (¡по со­ общениям зарубежной печати) для теп­ лоизоляционной оболочки межконтиненталь­ ных ракет. Вполете при скоростях 12—24 тыс. км/час оболочка ракет при входе в плотные слои атмосферы разогревается, и эта пласт­ массовая защитная оболочка, сгорая слоями,

4 8