Технология производства прочных конструкционных полимеров позволяет создавать пластмассовые узлы скольжения, не уступающие изделиям из металла. Классический металлический подшипник – это дорогое и сложное в производстве изделие. Сплавы из меди и высоколегированных сталей имеют высокую себестоимость. Во многих случаях такие узлы можно заменить полимерными деталями. В статье расскажем про пластиковые подшипники: чем они хороши и где их можно использовать.
Общие сведения о пластиковых подшипниках
В механизмах с подвижными элементами нужно снижать трение при надежной фиксации оси вращения. При небольшой скорости раньше использовались втулки из медных сплавов или чугуна. Отличной альтернативой таким изделиям стали полимерные материалы.
У большинства деталей из пластика перед металлическими есть ряд преимуществ:
- Низкий вес. Это позволяет существенно снизить массу готового изделия.
- Многократное снижение стоимости узла скольжения.
- Химическая стойкость. Пластиковые изделия не подвержены коррозии, способны сохранять свои качества в условиях повышенной влажности и агрессивных сред.
- Высокая износостойкость. Металл склонен при трении отделять микрочастицы. Полимер, наоборот, успешно противостоит этому из-за волокнистой структуры. Отделенные частицы обратно прилипают к массиву.
- Электроизоляционные качества. Во многих случаях требуется исключить протекание тока через точки вращения.
- Материал проницаем для электромагнитных волн. Изделия не содержат металлических включений, поэтому они немагнитны.
- Простота обслуживания. Пластиковые блоки не требуют регулярной смазки. Часть композитных составов имеет такие компоненты, как графит, масло и прочее. Это позволяет резко снизить коэффициент трения. Например, подшипники из маслонаполненного или графитонаполненного полиамида имеют функцию самосмазки.
- Низкий уровень шума. Пластичность полимеров позволяет гасить вибрации, что делает работу бесшумной.
- Экологичность. Специальные пластики нейтральны по отношению к пищевым продуктам. Например, из полиамида ПА делают опорные подшипники и втулки скольжения для электрических мясорубок, кухонных комбайнов и т.д.
- Возможность совмещения функций скольжения с герметизацией узла. То есть один и тот же элемент выполняет роль сальника и подшипника.
- Минимальное травмирующее воздействие на металлические детали. Подшипник стирается первым, при этом вал или шток сохраняют свою геометрию.
- Простота монтажа. Все операции по замене узла упрощены. Отсутствует вероятность повреждения механизма. Например, выпрессовка стандартного металлического подшипника часто приводит к повреждению всего узла.
- Упрощенные требования к подгонке деталей узла скольжения из-за естественной пластичности полимера.
- Снижение вибрационной нагрузки на все детали механизма. Это приводит к увеличению срока службы всего устройства.
- Окрашивание в любой цвет. Речь не идет об эстетике. Во многих случаях это необходимо, например, в пищевой промышленности цветной подшипник должен выделяться среди других деталей оборудования. Или в спортивном инвентаре все элементы должны соответствовать единой цветовой гамме.
Существующие ограничения по применению пластиковых подшипников:
- Полимер значительно мягче металла. Это не позволяет использовать детали в узлах, которые подвергаются большим нагрузкам. Под воздействием деформирующих усилий подшипник может менять свою геометрию.
- Втулки и шайбы из пластмассы сложно применять при высоких скоростях вращения, так как трение скольжения вызывает нагрев контактирующих поверхностей. А из-за низкого коэффициента теплопроводности втулка будет перегреваться и терять свои свойства.
- В присутствии некоторых растворителей происходит разложение полимеров.
- Некоторые пластики боятся ультрафиолетового излучения.
В большинстве узлов, где не требуется высоких скоростей вращения и больших физических нагрузок, целесообразно применять детали из пластика.
Виды пластмассовых подшипников
Существуют два основных типа изделий: подшипники скольжения и качения.
Подшипники скольжения бывают:
- Опорные. Это шайбы разной конфигурации, функция которых сводится к устранению осевого смещения вала.
- Радиальные. Это втулки разнообразных размеров, плоскость скольжения которых может быть по валу или обойме. Задачей узла является обеспечение вращения вала с заданным сопротивлением.
- Комбинированные. Это изделия, совмещающее в себе качества радиального и опорного подшипников. Имеет вид втулки с широким фланцем.
- Специальные. Изделия со сложной формой, например, полусферы шарового крана или сухари шаровой опоры. Деталь выполняет роль не только подшипника, но и сальника.
- Встроенные. Узел скольжения формируется в теле детали, изготовленного из полимера.
Подшипники качения бывают:
- Опорные. Они аналогичны металлическим, при этом обойные шарики делают из твердых пластиков.
- Радиальные. Могут быть однорядными, двухрядными, самоцентрирующимися.
- Опорно-радиальные. Выполняют функцию, как опорных, так и радиальных узлов.
Такие подшипники делают из полипропилена ПП, полиоксиметилена РОМ, полиамида ПА 66. Элементами качения в изделиях могут быть шарики и ролики цилиндрической или конусной формы.
Материалы для подшипников
Большинство пластиков имеет низкий коэффициент скольжения по металлу. Основные материалы, которые используют для изготовления скользящих элементов – это капролон, политетрафторэтилен, высокомолекулярный полиэтилен, текстолит, фторопласт, полиацеталь.
Капролон
Один из самых распространенных материалов. Стержни из капролона используют для вытачивания втулок, шайб и других узлов. Детали предназначены для скольжения по металлу. Чистый капролон имеет белый или кремовый цвет, он нейтрален, устойчив к химическим воздействиям. Не требует дополнительной смазки. На его основе производят композитные материалы: маслонаполненный и графитонаполненный капролон. Часто применяют материал, окрашенный в разные цвета. Из гранул капролона делают узлы скольжения методом термопластического прессования.
Полиацеталь (РОМ)
Полиацеталь представляет собой технический термопластик. Характеризуется высокой твердостью, прочностью, жесткостью, сопротивляемостью к растрескиванию при ударных нагрузках и низкой гигроскопичностью. Работает в температурном режиме от -50 градусов до +90 градусов. Промышленность выпускает из полиацеталя листы, гранулы, втулки, стержни, круги, трубы. Изделия отлично контактируют с эпоксидной смолой и поликарбонатом. Хорошо поддаются любым механическим обработкам: фрезерованию, резке, в том числе лазером, токарной обработке и сверлению.
Полимер, как и все пластмассы, имеет склонность к частичному изменению геометрии. Поэтому рекомендуется стабилизировать материал температурным воздействием перед окончательной обработкой. Тонкие плоскости усиливают созданием ребер жесткости.
Из полуфабрикатов изготавливают детали для машиностроения: подшипники, ролики, зубчатые колеса, направляющие и проч.
Политетрафторэтилен (PTFE)
Другие названия материала – это тефлон, фторопласт Ф-4, ПТФЭ, где роль водорода в полимерной цепочке выполняют молекулы фтора. Изделия из этого полимера устойчивы к воздействию любых растворителей. Применение такого полимера оправдано в узлах, которые нагреваются до 250 градусов. При сильном нагреве пластик становится мягким, но при этом не течет как полиэтилен. Модифицируя химический состав, например, заменяя фтор на другие химические элементы, можно изменять коэффициент трения. Листы и стержни применяют для изготовления деталей в автомобилестроении.
Полиуретан (PU)
Полиуретан отличается высоким сопротивлением к сжатию. Он эластичен (при растяжении без разрыва удлиняется в 6 раз), устойчив к химическим воздействиям, экологически инертен. Высокая эластичность и способность многократно выдерживать деформационные нагрузки позволяют создавать из него узлы скольжения с изменяющимся наклоном оси. Это важно, если в конструкции трудно отцентровать вращающийся элемент. Свойства материала позволяют выдерживать трение с неполированной поверхностью. Основная сфера применения материала – это компенсационные прокладки, которые делают из листов и стержней.
Полиэтилен высокой плотности
Высокомолекулярный полиэтилен характеризуется хорошей влагостойкостью, устойчивостью к физическим нагрузкам, растрескиванию, деформации при высоких и низких температурах. Термопластик без цвета и запаха не выделяет токсичных веществ. Хорошо поддается любой механической обработке, в том числе сварке. Из листов и стержней делают подшипники сухого трения (без смазки). Полиэтилен является дешевой альтернативой фторопластам.
Текстолит
Текстолит – это композиционный материал, который используют для изготовления узлов скольжения с большими нагрузками и низкой интенсивностью эксплуатации. Способен выдерживать большие давления без деформации. Имеет коэффициент трения значительно больше, чем у капролона. Применяется редко из-за трудоемкой технологии обработки. Втулки, шайбы и другие элементы скольжения вытачивают из текстолитовых стержней с различным сечением.
Пластиковые подшипники в зависимости от вида полимера имеют неоспоримые преимущества перед металлическими изделиями при использовании в самых разных механических конструкциях. Металлопластиковые узлы скольжения есть в бытовых приборах, автомобилях, сельскохозяйственной технике, промышленном оборудовании, системах перекачки жидкостей и газа.