Использование силицированного графита в высокотемпературных подшипниках скольжения
Силицированные графиты находят все большее применение в различных отраслях промышленности. В машиностроении их используют в качестве элементов торцовых уплотнений и подшипников скольжения насосов, перекачивающих агрессивные среды, погружных и скважинных насосов, в высокоскоростных уплотнениях центрифуг и сепараторов и т. д. [1, 2]. Силицированный графит износостоек в средах, содержащих абразивные частицы, химически стоек в большинстве агрессивных жидкостей. Силицированные графиты выпускают по техническим условиям ТУ 48-20-89—76, ТУ 48-20-81—76 и др.
В настоящей работе исследовали возможность применения силицированного графита в высокотемпературных подшипниках скольжения циркуляционных насосов, предназначенных для перекачки дистиллированной воды. Известно, что дистиллированная вода при температуре 200 ... 300 °С является весьма агрессивной средой. Поэтому в первую очередь провели тепло-статические испытания — исследовали статическое воздействие воды высоких параметров на ряд углеродных материалов, в том числе на силицированные графиты различных марок.
В герметичных автоклавах образцы материалов выдерживали в дистиллированной воде при ступенчатом повышении температуры 150, 200, 250, 300 °С по 250 ч на каждой ступени; давление поддерживали в пределах 14 ... 16 МПа. После каждой ступени часть образцов извлекали из автоклавов. Воздействие дистиллированной воды различной температуры на материалы оценивали по внешнему виду, изменению массы, прочности при сжатии и твердости.
Было установлено, что для дальнейших исследований и использования могут быть приняты материалы, имеющие потерю массы не более 1 %, изменение твердости ±5 % и изменение прочности от +10 % до —5 % к исходным значениям. Эти критерии получены на основании испытаний материалов К-4 и 7В-2А [3], зарекомендовавших себя с положительной стороны в длительной эксплуатации при температуре до 100 и 200 °С соответственно и признанных эталонными.
На рис. 1 представлены результаты тепло-статических испытаний известных [1, 2, 4] и эталонных материалов. Испытания показали, что все материалы в той или иной мере подвергаются агрессивному воздействию дистиллята при высокой температуре. Значительную потерю массы имеют материалы, содержащие в составе пульвербакелит (К-4), нитрид бора (НИГРАНы, ХИМАНИТы), свинец (АПГС), фурфуриловый спирт (НИГРАН-В). Подвержен выщелачиванию в среде дистиллированной воды кремний, неизбежно входящий в состав всех силицированных графитов.
Характерной особенностью большинства углеродных материалов является значительный разброс величин физико-механических показателей даже в пределах одной заготовки. Этим обстоятельством и недостаточным числом образцов при некоторых испытаниях материалов объясняются значительные и незакономерные колебания средних значений пределов прочности при сжатии на этапах испытаний.
Испытания показали, что силицированный графит марки СГ-П 0,5 наиболее стоек к воздействию дистиллированной воды при температуре до 300 °С.
На рис. 2 приводятся результаты лабораторных испытаний на нестандартной машине трения в среде дистиллированной воды при температуре 25 ... 30, 100, 150 и 200 °С пар образцов материалов на трение и изнашивание. Пары образцов материалов имели вид плоских дисков, в одном из которых были радиальные канавки, что имитировало условия работы осевого плоскопараллельного подшипника скольжения. Из диаграммы следует, что наиболее износостойки при температуре до 200 °С пары 7В-2А — 25Х17Н2Б-Ш и СГ-П — СГ-П. Поскольку графитофторопластовый материал марки 7В-2А при температуре выше 200 °С значительно теряет свои физико-механические свойства, пара СГ-П — СГ-П получает несомненные преимущества для использования при более высоких температурах, держал 83 нагрева — расхолаживания, имел среднюю суммарную скорость изнашивания, не превышающую 10-10~3 мкм/ч. Радиальный подшипник с роторной втулкой в стержневом варианте прошел испытания длительностью 10 000 ч при температуре до 200 °С, выдержал 102 нагрева — расхолаживания, 107 пусковых режимов при средней суммарной скорости изнашивания (3 ... 5) 10~3 мкм/ч.
Длительные ресурсные испытания осевого подшипника из СГ-П (модификация СГ-П 0,5) подтвердили высокую работоспособность материала. При температуре 290... 300 °С подшипник отработал 12 800 ч, имея среднюю скорость изнашивания при номинальных удельных нагрузках: Р=20 Н/см2 — ИХ
X 10“^ мкм/ч; Р— 30 Н/см2 — 10-10—3 мкм/ч; Р= =40 Н/см2 — 78* 10“3 мкм/ч.
В другом опыте осевой подшипник с парой СГ-П 0,5 — СГ-П 0,5 был испытан при нагрузке
70... 80 Н/см2 в течение 14 300 ч (из них при температуре около 200 °С — 12 260 ч) и выдержал 590 пусковых режимов. Средний износ подушки составил 0,105 мм, пяты — 0,018 мм; средняя суммарная скорость изнашивания за 14 300 ч составила 9* 10“3 мкм/ч; скорость скольжения в обоих опытах — 16 м/с.
Использование силицированного графита в осевых подшипниках не вызывает затруднений в конструктивном отношении. В радиальных подшипниках из-за значительной разницы в коэффициентах термического расширения графита и стали возникают трудности. Для решения этой проблемы применяют конусный вариант исполнения узла радиального подшипника (рис. 3).
Недостатком конусного варианта для СГ-П является недостаточно надежная затяжка конуса, так как СГ-П обладает малой прочностью на растяжение. Этого недостатка лишен стержневой вариант (рис. 4) [5]. Радиальный подшипник в конусном варианте исполнения был испытай при температуре около 300 °С и скорости скольжения 17,3 м/с в течение 7800 ч. Выводы
Силицированный графит марки СГ-П 0,5 обладает высокой стойкостью к агрессивному воздействию дистиллированной воды с температурой до 300 °С по сравнению с другими известными материалами на основе углерода.
Силицированный графит марки СГ-П 0,5 при трении имеет высокую износостойкость в дистиллированной воде при температуре до 300 °С, что дает основание использовать его в высокотемпературных подшипниках скольжения на водяной смазке.
Предпочтительным конструктивным исполнением радиального подшипника является стержневой вариант.