Допустимое контактное давление

Его выражают в МПа и назначают не по одной табличной цифре, а по режиму нагрузки, температуре, скорости скольжения, смазке и сроку службы узла. Для полимеров статическая прочность — лишь начало расчёта: под постоянной нагрузкой они ползут.

Технические характеристики

Контактное давление различают по номинальной и локальной величине. Для втулки скольжения номинальное давление рассчитывают по проекции контакта на диаметр вала:

$p = \frac{F}{dL}$

где F — радиальная сила, Н; d — номинальный диаметр вала, мм; L — рабочая длина втулки, мм. При таком выборе единиц результат получают в МПа.

В зубчатых передачах, роликах, колёсах и точечных опорах номинальная формула недостаточна. Там возникает герцево контактное напряжение, максимум которого существенно выше среднего давления. Его определяют с учётом радиусов кривизны, модуля упругости и коэффициента Пуассона обеих деталей. Мягкий полимер снижает пиковое напряжение за счёт увеличения пятна контакта, но одновременно получает большую деформацию.

• Для неподвижного контакта предельным состоянием служат смятие, остаточная деформация и ползучесть. Допустимое давление назначают с запасом относительно предела текучести при рабочей температуре, а не при 23 °C из паспорта материала.

• Для подшипника скольжения проверяют не только p, но и произведение давления на скорость скольжения: PV=p\cdot v. Рост скорости повышает тепловыделение, а перегрев размягчает полимер и ускоряет износ.

• Температурное расширение учитывают отдельно. Линейное изменение размера оценивают по формуле:

$\Delta l = \alpha l \Delta T$

где $\alpha$ — коэффициент линейного теплового расширения, $l$ — исходный размер, $\Delta T$ — изменение температуры. У конструкционных пластиков $\alpha$ обычно заметно выше, чем у стали.

• Влагопоглощение влияет на посадки деталей из полиамидов. Капролон и другие полиамиды способны менять размеры при увлажнении, одновременно изменяя модуль упругости и несущую способность контакта.

• Острые кромки, перекос вала, малая длина втулки и шероховатый контртел увеличивают локальное давление. Если расчёт показывает приемлемые 10 МПа, это ещё не означает, что кромка втулки не увидит кратно большую нагрузку.

Промышленное применение

В узлах трения допустимое контактное давление определяет размеры втулок, направляющих, подпятников и опорных накладок. При замене бронзовой втулки капролоном, полиформальдегидом или композитом нельзя механически перенести прежние размеры: у металла выше модуль упругости и меньше ползучесть, поэтому полимерной детали часто требуется большая рабочая длина или площадь опоры. Экономия на габарите обычно заканчивается овальностью отверстия и перегревом пары.

В пищевом и упаковочном оборудовании расчёт нужен для полимерных звёздочек, направляющих цепи, роликов и вкладышей. Здесь рабочее давление сочетается с мойкой, влажностью и периодическим нагревом. Для полиамида вода способна стать фактором изменения зазора, а для антифрикционного материала без смазки критичным становится тепловыделение по критерию PV.

В химическом оборудовании давление в контакте проверяют вместе с химической стойкостью. Материал может выдерживать нагрузку в сухом воздухе, но терять жёсткость либо растрескиваться после контакта с конкретным реагентом. Номинально прочная деталь, работающая в неподходящей среде, остаётся прочной только до первой плановой остановки.

Плюсы и минусы

• Расчёт по допустимому контактному давлению позволяет подобрать габариты детали до изготовления и не проверять ресурс узла производственным лототроном.

• Увеличение площади контакта снижает среднее давление и обычно уменьшает износ. Однако чрезмерно длинная втулка чувствительнее к несоосности вала и хуже отводит загрязнения.

• Полимеры хорошо демпфируют ударные нагрузки и могут работать без жидкой смазки. Взамен приходится учитывать низкую теплопроводность: тепло остаётся в зоне трения.

• Высокая кратковременная прочность не равна допустимой длительной нагрузке. Под постоянным давлением полимер деформируется во времени, особенно при повышенной температуре.

• Табличное допустимое давление удобно для предварительного выбора. Для реального узла оно бесполезно без проверки скорости, температуры, цикличности нагрузки, среды и качества стального контртела.

Совет технолога «ООО АВТЭКС»

Для втулки сначала рассчитывают $p = \frac{F}{d \cdot L}$, затем проверяют скорость скольжения, тепловой режим и запас на ползучесть. Посадочный зазор назначают с учётом температуры, влагопоглощения и допуска вала: нельзя проектировать полиамидную втулку так, будто это бронза. При ударной или реверсивной нагрузке полезно увеличить длину опоры, снять входные фаски и исключить концентрацию усилия на кромке.

Материал выбирают по фактическому режиму, а не по названию детали. Для сухого скольжения оценивают антифрикционные свойства и PV, для влажной среды — стабильность размеров, для горячего узла — сохранение модуля и сопротивление ползучести. Если нагрузка приложена через малый ролик, зуб или торец, рассчитывают контакт по Герцу: среднее давление там создаёт опасно оптимистичную картину.