ЧТОБЫ ШАРНИРЫ НЕ СКРИПЕЛИ

Ранним утром 6 апреля 1938 года  молодой сотрудник фирмы Дюпон (DuPont) Рой Планкетт открыл кран баллона с газообразным тетрафторэтиленом.  К удивлению юноши из баллона ничего не потекло.  Накануне, Рой закачал в баллон сильно охлажденный газ под высоким давлением и он должен был быть полным.  Рой распилил баллон и обнаружил в нем странный парафиноподобный порошок.  Исследования выявили уникальные свойства порошка, образовавшегося в результате случайной полимеризации тетрафторэтилена.  Так был открыт новый материал – политетрафторэтилен, которому была предназначена выдающаяся  роль в триботехнике.  Рой Планкетт стал доктором, в 1985 году его, наряду Эдиссоном, братьями Райт, Луи Пастером  избрали в Национальный Зал Славы Изобретателей.

Особенность конструкции геликоптера – наличие   большого количества различного рода шарнирных сочленений, наиболее важными из которых являются шарниры крепления лопасти к втулке несущего винта. В классическом варианте – это осевой, горизонтальный и вертикальный шарниры. Без шарниров не обходится также проводка управления шагом лопастей, расположенная на вращающихся частях несущего винта – на автоматах перекоса, поводках, соединительных тягах и качалках, система управления от рычагов управления в кабине пилота, механизмы управления двигателями, хвостовым оперением, подвеска редуктора, шасси и т.д.

Длительное время в вертолетных шарнирах использовались либо ведущие свою историю от Леонардо Да Винчи шариковые и роликовые подшипники качения, либо подшипники скольжения на основе пар трения сталь-сталь, сталь — антифрикционная бронза.  Большая часть вертолетных шарниров работает под воздействием высоких нагрузок в режиме колебательного движения с малыми амплитудами и скоростями. Даже высокопрочные  подшипники качения в этих условиях чувствуют себя не особенно хорошо и, как правило, для более или менее надежной и длительной работы требуют периодически возобновляемой смазки. Смазочные устройства, усложняя конструкцию, не всегда оказываются достаточно эффективными. При высоких удельных давлениях контактирующие тела качения продавливают смазочную пленку и, движение в обратную сторону некоторое время происходит по «сухой» поверхности. Контакт металла по металлу сопровождается своего рода «сваркой», созданием мгновенных молекулярных связей,  которые тут же разрушаются. Создаются условия для развития механизмов «питтинга», «ложного бринеллирования», «фреттинг-коррозии», на рабочих поверхностях возникают повреждения в виде углублений, язв, трещин, неровностей, что ведет к повышению сил трения, неравномерности скольжения, износу и, в конечном счете, к разрушению. 

Новые возможности в деле проектирования шарнирных сопряжений дал политетрафторэтилен (ПТФЭ -polytetrafluoroethylene). Этот материал, открытый химиком Роем Планкеттом, в 1941 году запатентован английской компанией Kinetic Chemicals (в будущем подразделение фирмы Дюпон) под торговой маркой «тефлон» (в России выпускается под названием фторопласт-4, другие зарубежные торговые марки: альгофлон (Италия, «Монтекатини»), гафлон (Франция, «Резинс флоурс», полифлон (Япония, «Дайкин Когу Компани») , флюон (Англия «Империал Кемикал  Индастриз), гостафлон (ФРГ, «Фарбверке Хехст»).

 В мире неорганики ПТФЭ являет собой удивительную метаморфозу: фтор, один самых неистовых по агрессивности элементов, с такой страстью соединяется с добропорядочным  элементом в виде углерода, что не оставляет себе сил для взаимодействия с другими элементами. Молекула  ПТФЭ с химической формулой (-C2F4-)n представляет собой длинную цепочку атомов углерода, окруженных крупными атомами фтора, которые сами исчерпали свою энергию взаимодействия, но образуют мощную броню, предотвращающую атаки химических реагентов на атомы углерода. Следствием такого сожительства атомов фтора с атомами углерода является необычайно высокая химическая инертность ПТФЭ, в частности, низкая адгезия, и, как следствие, хорошие антифрикционные свойства.

Непосредственному  применению ПТФЭ в качестве конструкционного, в частности,  контактирующего материала мешает его низкая прочность, явление «псевдотекучести». Предел прочности чистого ПТФЭ на разрыв лежит в диапазоне значений δв = 150-270 кг/см2, модуль упругости Е = 7000 кг/см2, предел текучести под статической нагрузкой в течение 1000 часов составляет δт = 50 кг/см2.  Некоторое повышение механических свойств достигается введением в ПТФЭ различных наполнителей.

Плодотворную идею прочного подшипникового материала, использующего прекрасные антифрикционные свойства ПТФЭ, предложил австралийский ученый Фрэнк Филипп Боуден, который учился и читал лекции в Великобритании и прославился  работами в области трения (Frank Philip Bowden, 2 мая 1903 – 3 сентября 1968). Боуден впрессовал ПТФЭ в пористую медь, которая по своему химическому составу работоспособна в некоторых парах трения. При скольжении меди по контактирующему материалу металл  разогревается, и  ПТФЭ, имеющий высокий коэффициент теплового расширения выдавливается из пор на поверхность, выполняя роль своего рода твердой смазки.

В начале 1960-х годов английская фирма «Гласир», специализирующаяся на производстве разнообразных подшипников скольжения,  разработала материалы “DP” и “DU”, представляющие собой стальную основу из ленты малоуглеродистой стали, на которую методом порошковой металлургии наносился тонкий пористый слой высокооловянной бронзы, пустоты которой заполнялись ПТФЭ (“DP”) или смесью ПТФЭ со порошковым свинцом (20% по объему- “DU”).

Примерно в это же время, автор этих строк, который в ОКБ Н. Камова занимался вопросами динамической прочности вертолета, инициировал на Ухтомском вертолетном заводе (УВЗ) работы по внедрению не требующих смазки подшипников скольжения в осевой и вертикальный шарниры несущего винта вертолета. Представлялось, что замена установленных в этих шарнирах подшипников качения на подшипники скольжения поможет достижению двух целей: а) повышению устойчивости вертолета по отношению к автоколебаниям типа флаттер (трение в осевых шарнирах) и «земной резонанс» (трение в  вертикальных шарнирах); б) упрощению конструкцию за счет исключения смазочных устройств (осевой шарнир) и отказа от специальных демпфирующих устройств (гидравлического или фрикционного типа, устанавливаемых в вертикальных шарнирах). Были проведены многочисленные стендовые испытания, однако, ни один из известных в то время в России антифрикционных материалов сухого трения не смог удовлетворительно выдержать условия нагружения, действующие в шарнирах подвески лопастей несущего винта.  Ситуация развернулась в положительном направлении после того, как доктор технических наук Александр Павлович Семенов в рамках договора, заключенного между Институтом Машиноведения АН СССР и УВЗ, разработал технологию изготовления металлофторопластового материала, аналогичного материалу “DU”, в котором токсичный свинец был заменен на дисульфид молибдена, придающий дополнительные смазочные свойства.

На основе технологии А. Семенова  УВЗ  разработал способы изготовления цельных, неразрезных металлофторопластовых деталей: втулок, шайб, деталей сферической формы для шаровых подшипников. По результатам проведенных работ подшипники сухого трения с хорошим эффектом внедрены в вертикальные шарниры несущих винтов вертолетов Ка-26, Ка-25, Ка-27.

В осевых шарнирах замена подшипников качения на пары сухого трения избавляла от флаттера, но слишком дорогой ценой – увеличивались нагрузки в деталях системы управления шагом лопастей. От этой затеи пришлось отказаться. Зато  металлофторопластовые подшипники нашли применения в других вертолетных шарнирах: в узлах системы управления, шасси и т.д.  В развитие этого направление на УВЗ были разработаны подшипники на металлической основе с использованием сополимера формальдегида (методом литья), ткани с нитями из ПТФЭ и стекловолокна.  Работы на УВЗ по «тканевым» подшипникам возглавил ведущий конструктор Виктор Павлович Вагис.

В дальнейшем ленточные металлофторопластовые  материалы и подшипники из них  начал производить ряд российских предприятий, в том числе Климовский машиностроительный завод (г. Климовск, ОАО « Автоагрегат»), ООО «Фторопласт»  (г. Бугульма, республика Татарстан),  ПромСнабКомплект, ООО (г. Кинешма) и другие.  

Добавить комментарий

WordPress SEO