Замена металла: подпятники из PEEK VICTREX - удвоение ресурса нефтяных насосов, гидротурбин и генераторов

Daido Metal Company, крупнейший производитель подшипников в Японии (Nagoya), с успехом применяет полиэфирэфиркетон VICTREX® PEEK ™ для изготовления подшипников гидрогенератора, работающих с большими нагрузками на высоких скоростях вращения. ПЭЭК применяется из-за его качественных свойств - прочность и характеристики скольжения.

  Покрывая поверхности подшипников дисперсиями Vicote 800 серии и порошками Vicote 700 серии VICTREX PEEK, инженерам Daido Metal Company удалось улучшить несущую способность на 50 процентов и уменьшить трение на 30-40 %, в зависимости от нагрузки «скорость/давление». Применение покрытий ПЭЭК позволило сократить поверхность подшипника на 60%, а долговременную рабочую температуру увеличить до 250°C по сравнению со 125°С в металлических парах трения. Исследования Daido Metal Company показали, что реальный срок службы подшипников с ПЭЭК увеличился в два раза, по сравнению с подшипниками на основе металлов.

Инженеры-технологи компании разработали собственную методику изготовления поверхностей подшипников с VICTREX PEEK. Тонкий слой пористой бронзы спекают на поверхности стального толстого листа, а затем полученную пористую губчатую бронзу покрывают слоем VICTREX PEEK. Таким образом, готовое изделие состоит из стальной подложки необходимых размеров и формы, промежуточного слоя бронзы и скользящей поверхности VICTREX PEEK).

Самосмазывающийся, по своей природе, полиэфирэфиркетон  позволил Daido Metal Company уменьшить количество смазки, которая требуется на машинах, использующих металлические подшипники. Минимум смазки позволяет оптимизировать оборудование и процессы технического обслуживания. Химическая стойкость ПЭЭК позволила устранить любую изоляцию подшипника.

За три года постоянной работы осевые подшипники, разработанные компанией Waukesha Bearings Corporation (США) при использовании полиэфирэфиркетона марки WG101 и марки WG102 Victrex PEEK оправдали свою надёжность. Подшипники Hiperax были установлены компанией Weir Engineering Services Ltd в вакуум-насосах.

Waukesha Bearings Corporation разработала конструкцию осевых подшипников, обладающих высокой способностью переносить нагрузки в средах с водяной смазкой. При непрерывной эксплуатации в воде при 65°C подшипники Hiperax работают постоянно с нагрузкой до 8 МПа.

Преимущества подобного решения: высокие рабочие температуры - до 250°C, более высокая допустимая нагрузка до 8 МПа, стойкость к коррозии при работе в агрессивных жидких средах и электрическое сопротивление (выше 109 Ом•м).

Waukesha Bearings является одним из лидеров в области разработки и производства жидкостных плёнок и активных магнитных подшипников для турбин.

Компания CirComp GmbH -производитель деталей из композитов, разработала подшипники скольжения серии DW 710 на основе усиленного углеволокном полимера VICTREX PEEK с повышенными характеристиками ударопрочности и сопротивления износу.

Полимер VICTREX PEEK был выбран для замены ранее применявшегося реактопласта при изготовлении подшипника DW 710 благодаря его антифрикционным характеристикам при высоких температурах. Подшипники скольжения, изготовленные из марки WG101 VICTREX PEEK и усиленной углеволокном марки 90HMF40, позволили сократить коэффициент трения подшипника скольжения DW 710 на 28% и снизить показатели износа на целых 68% по сравнению с предыдущими подшипниками, изготовленными из реактопластов. Кроме того, коэффициент трения подшипников скольжения DW 710 примерно на 25% ниже, чем у тех же подшипников, изготовленных из реактопласта, усиленного углеродным волокном. Подшипники скольжения, изготовленные из полимера VICTREX PEEK, усиленного углеволокном, обладают стабильностью размеров при температуре до 260°C, что, в свою очередь, делает этот новый вид подшипников абсолютно пригодным для эксплуатации в жестких условиях.

Подшипники скольжения серии DW 710, изготовленные из ПЭЭК, могут использоваться даже при условии сбоя в работе смазочной системы, что делает их единственным решением для эксплуатации в насосном оборудовании, а также в машиностроении и кораблестроение для сокращения расходов на техобслуживание и повышения надежности эксплуатируемых систем.

Фирма Createc GmbH & Co. KG выпустила линейку новых волоконно-композитных материалов специально для применения в промышленных насосах. Детали, изготовленные из композитов на базе полимера VICTREX^® PEEK (марка 450G) и углеродного волокна (марки 90HMF20 и 90HMF40), демонстрируют меньший износ и меньшую подверженность коррозии по сравнению с металлическими деталями. Свойствами готовых изделий являются повышенная надёжность рабочего процесса, эффективное использование энергии вследствие сокращения зазоров и экономия расходов при эксплуатации насосов. Применение материалов VICTREX® PEEK ™ позволило Createc GmbH & Co. KG удовлетворить постоянно растущий спрос на надёжные и высокопроизводительные промышленные насосы.

В промышленных насосах подверженные износу детали из ПЭЭК (например, скользящие втулки или подшипники компрессора) легко заменяются. Минимальный зазор между элементами позволяет повысить коэффициент полезного действия и минимизировать потребление энергии.

Инженеры Createc экспериментальным путём выяснили, что повышение эффективности работы насоса особенно выражено, если пары трения (подпятники, опорные вращающиеся кольца) состоят из композита на основе ПЭЭК VICTREX®. Экономичность типичного многоступенчатого насоса достигает 4-5 %, при условии сокращения зазоров на 50 %. Длительные испытания шестиступенчатого насоса продемонстрировали повышение эффективности от 82,5 до 87 %. Это приводит к экономии электроэнергии на сумму около 80 тысяч Евро в год. Производители насосов в Германии предпочитают использовать композиты на базе ПЭЭК .

Традиционно подшипники скольжения, опорные кольца и подпятники изготавливались из металлов (бронза, специальные стали, чугун). Для замены металла в производстве Createc GmbH & Co. KG применяются композиты на базе VICTREX PEEK (марки 450FC30, WG101, WG102, 90HMF20, 90HMF40, 450CA30 и 450PF).

Каждые несколько лет Европейский Союз ужесточает экологические требования к автомобилям. Для того чтобы выполнить требования ЕС к автомобильной промышленности по сокращению выбросов CO₂, механические приводные насосы заменяются на электрические. При проектировании эффективного и надёжного гидронасоса бразильский производитель «Melling Engine Parts» начал применять подшипники скольжения, изготовленные из полимеров VICTREX® WG™.

Для рабочего колеса гидронасоса требуется небольших размеров подшипник скольжения, способный выдерживать большую нагрузку в течение длительного времени. Основной целью «Melling Engine Parts» стало намерение сократить зазоры в насосе согласно требованиям OEM для минимизации трения и экономии потребляемой энергии электомотором. С применением ПЭЭК в подшипниках скольжения «Melling Engine Parts» автопроизводители вдвое увеличили гарантию на приводные насосы.

В каждом конкретном случае для подшипника скольжения требуется материал, по возможности, с низким коэффициентом трения, малой скоростью износа, устойчивостью к высоким температурам и водно-гликолевой смеси. Испытания показали сокращение потерь на трение благодаря трибологическим свойствам ПЭЭК VICTREX WG, используемой для подшипника. Применение полиэфирэфиркетона марок WG101 и  WG102 приводит к снижению потребления топлива на 8%, к незначительному выделению тепла при трении и к сокращению нагрузки на насос в целом. Малый износ продлевает срок эксплуатации подшипника скольжения, минимизирует риск остановки насоса и сокращает затраты на техническое обслуживание.

Электрический гидронасос является  важной составной частью охлаждающей системы в автомобилях, тракторах, мотоциклах, изделиях малой механизации. Рабочая крыльчатка насоса непрерывно качает охлаждающую жидкость по каналам охлаждения двигателя. Остановка гидронасоса приводит к перегреву мотора, поэтому стабильность размеров подшипника скольжения чрезвычайно важна. Подшипники скольжения ранее изготавливались из металла, а  эксплуатационные ограничения металлов заставляли производителей насосов использовать дорогие роликовые подшипники. Металлы обладают дефектом – вступают в контакт с охлаждающими жидкостями (смесью 50:50 из воды и этиленгликоля) при температуре до 150 °C. Происходит коррозия металла, что может привести к блокированию насоса и поломке охлаждающей системы. Применение полимеров VICTREX WG позволило исключить опасность коррозии.

Цельнолитая крыльчатка насоса (рабочее колесо) из ПЭЭК (450GL30) со встроенным подшипником скольжения (марки WG101,  WG102) изготавливается литьём под давлением на термопластавтомате, что резко снижает затраты производства и приводит к миниатюризации охлаждающего насоса. Устойчивость ПЭЭК к гидролизу и агрессивным жидкостям позволяет экономить до 70 процентов веса готового изделия по сравнению с металлами. Детали из VICTREX WG устойчивы к деформации при температуре 150 °C в сравнении с лёгкими сплавами металлов. Детали из полиэфирэфиркетона марки 450GL30 обладают высокой износоустойчивостью при скорости вращения от 4 500 об/мин при низком, но постоянном коэффициенте трения. VICTREX WG позволяет проектировщикам разрабатывать детали функционально более эффективные  и меньшие по объёму.

В России, в настоящее время, для изготовления подпятников и пар трения успешно применяются три технологии:

а. Литьё под давлением на закладной элемент с бронзовой "губкой" (гранулы ПЭЭК 450FC30, WG101,  WG102) - самые высокие  температуры и давления долговременной работы;

б. Компрессионное формование закладного элемента с бронзовой "губкой" (ненаполненный порошок ПЭЭК - 450PF, либо наполненный дисульфидом молибдена);

в. Покрытия Vicote на подпятник (с бронзой или нет), с последующей  полимеризацией покрытия (Vicote марок F805, F806, F807, или F813).

Однако, наибольшее распространение получила технология литья под давлением на закладной элемент подпятника, так как данная технология позволяет изготавливать подпятники в гораздо бόльшем количестве за меньшее время (как и нанесение покрытий), но при этом можно получать относительно толстый слой ПЭЭКа на бронзовой подложке одновременно преследующей две цели:

1. Максимальная физическая адгезия ПЭЭКа к подпятнику из-за пористости бронзовой подложки;

2. Бронзовая подложка охлаждает пластинку ПЭЭКа, что в свою очередь не позволяет термически деградировать маслу на её поверхности. Сам ПЭЭК выдерживает постоянные температуры и до 260°С, однако масло горит и разрушается при температурах выше 200°С.

Выигрыш применения полиэфирэфиркетона при изготовлении подпятников, подшипников скольжения, подшипников качения, опорных колец, подшипников гидротурбин и гидрогенераторов, сухих генераторов и других пар трения:

•  Улучшение несущей способности на 50%;
•  Уменьшение трения на 30-40%, в зависимости от нагрузки «скорость/давление»;
•  Уменьшение поверхность подшипника на 60%;
• Долговременная рабочая температура до 250°C;
• Увеличение  реального срока службы подшипников с ПЭЭК в 2 раза;
• Непрерывная эксплуатация в воде при 65°C с постоянной нагрузкой до 8 МПа;
• Стойкость к коррозии при работе в агрессивных жидких средах;
• Электрическое сопротивление выше 109 Ом•м;
• Снижение износа на 68% в сравнении с подшипниками из реактопластов;
• Коэффициент трения на 25% ниже, чем у подшипников из реактопласта;
• Подшипники скольжения из ПЭЭК работают при отсутствии масла в системе;
• Применение ПЭЭК приводит к снижению потребления топлива на 8%;
• Цельнолитые изделия приводят к снижению затрат производства и миниатюризации;
• Устойчивость ПЭЭК к гидролизу и агрессивным жидкостям уменьшают вес изделия до 70% в сравнении с металлами.