Сегодня выпускается нема­ло различных аналоговых щи­товых электроизмерительных приборов (ЭИП), подвижные части которых крепятся в кер-новых опорах. Благодаря вы­сокой чувствительности и точ­ности, малым габаритам и стоимости, автономности и ничтожному потреблению энергии их производство в последнее время постоянно увеличивается. Поэтому одна из наиболее актуальных про­блем приборостроительных предприятий, выпускающих ЭИП на кернах, — повышение устойчивости таких приборов к внешним механическим воз­действиям, увеличение их срока службы при снижении материальных затрат.

Керновые опоры включают в себя камневые подпятники и металлические керны. Керн — это заостренный кусок прово­локи диаметром от 0,3 до 2 мм и длиной от 1 до 6 мм, выпол­ненный оров специаль­ного назначения изготавлива­ют из естественных и искусст­венных камней: агата, рубина, корунда, а для приборов быто­вого назначения —из стали У10-А или ко­бальт-вольфрамового сплава. Чистота рабочей поверхности керна должна лежать в преде­лах 12—13-го класса. Подпят­ники для приборов специального назначения изготавливают из естественных и искусственных камней: агата, рубина, корунда, а для приборов бытового назначения - из специ­ального стекла, сплавов медь-бериллий, никель-бериллий, бронзы и т.д. Такие камни из­готавливают в виде небольшо­го цилиндра диаметром 1,5— 2,5 мм и высотой от 1 до 2,5 мм, который завальцовывают в винт или в специальную оп­равку. В каждом приборе име­ется два подпятника, которые вместе с кернами и образуют керновую опору.

К недостаткам камневых опор следует отнести низкую прочность в условиях механи-ческих воздействий, сложную технологию изготовления и высокую их стоимость. Боль­шие уровни контактных напря­жений являются причиной снижения прочности и износо­стойкости опор в условиях ди­намических нагрузок.

Расчеты показали, что при наличии упругого характера контактирования величина максимального контактного давления в керновой опоре с вертикальной осью вращения подвижной части составляет более 100 кг/мм2. Наличие та­ких давлений вызывает силь­ный износ керновой опоры. Поэтому, чтобы снизить из­нос, приходится изменять площадь фактического кон­такта в опоре за счет увеличе­ния радиуса подпятника, а это приводит к увеличению мо­мента трения, что крайне не­допустимо. Исследования по­казали, что общее количество выходящих из строя приборов в процессе эксплуатации со­ставляет 20%, причем подав­ляющее число отказов обу­словлено разрушением кер-новыхопор.

Учитывая недостатки кам­невых опор, а также ограни­ченность естественных ресур­сов и сложность производства искусственных минералов в приборостроении, Ульянов­ским государственным техни­ческим университетом под ру­ководством д.т.н., профессо­ра Мишина В.А. совместно с ОАО «Электроприбор» г.Че­боксары ведутся работы по применению в узлах трения приборов полимерных само­смазывающихся материалов.

Результаты теоретических и экспериментальных исследо­ваний показали,что по своим прочностным и метрологичес­ким параметрам полимерные подпятники могут конкуриро­вать с камневыми.

По ряду показателей трения и изнашивания полимеры порой значительно превосходят металлы, позволяют снизить вибрацию и шум и обеспечить значительный технико-эконо­мический эффект.

Не менее важным критери­ем при замене камневых опор на полимерные материалы яв­ляется их цена. Высокая сто­имость камневых опор обу­словлена сложностью их про­изводства. Так, технологичес­кий процесс производства камней из рубина состоит из 24 механических операций, в которых участвует многочис­ленный инженерно-техничес­кий персонал и задействова­но дорогостоящее технологи­ческое оборудование (в ос­новном алмазное).

Кроме того, сложность из­готовления камневых опор заключается в их очень малых  размерах и весе. Дневная про­дукция цеха, в котором заня­ты сотни рабочих, легко раз­мещается в коробке для спи­чек.

Учитывая это, в университе­те разработаны, изготовлены и испытаны несколько вариан­тов конструкций полимерных подпятников, которые по ряду показателей трения, изнаши­вания, прочности и т.д. не только не уступают камневым, но и превосходят их в несколь­ко раз. Так для керновой опо­ры серийного прибора М4250, у которого керн выполнен из стали У10-А, а подпятник — из стекла-ситалла, контакт­ное напряжение составляет 126 кгс/мм2, для этого же при­бора с подпятниками, выпол­ненными из полимерного ма­териала — формальдегида СФД, контактные напряжения составляют 13,8 кгс/мм2, а для прибора с подпятниками из эластомера напряжения равны всего 0,268 кг-с/мм2. Коэффициент трения в камен­ной опоре в статике составля­ет 0,25, у керновой опоры, у которой пята выполнена из стеклонаполненного полиами­да, коэффициенттрения равен 0,18, а у керновой опоры из чи­стого фторопласта-4 коэффи­циенттрения равен 0,08.

Например, полимерный подпятник (а.с. 905866), вы­полненный из цельной части самосмазывающегося термо­пластика 1, скажем фторопла­ста-4, на котором имеется

резьба 2 и шлиц 3 для завин­чивания подпятника в обойму прибора (рис. 1).

Опорная по­верхность 4 кратера 5 образо­вана упрочнением пластика 1, т.е. в зоне, прилегающей к опорной поверхности 4 и явля­ющейся опорным элементом 6, плотность и твердость пла­стика 1 выше, чем во всей ос­тальной его части.

Благодаря своей внутрен­ней структуре, самосмазыва­ющиеся пластики являются вязкоупругими телами. Поэто­му, учитывая, что жесткость опорного элемента 6 за счет упрочнения намного больше жесткости остальной части пластика 1, механическая мо­дель динамики подпятника представлена в виде абсолют­но твердого тела (опорного элемента 6) с опорной поверх­ностью 4, подвешенного в обойме 7 прибора с помощью упруго-диссипативных связей, где h, и с, (i =1, 2, 3) — эквива­лентные коэффициенты вязко­го трения и жесткости (рис.2).

В результате этого опорный элемент 6, образованный уп­рочнением пластика 1, как бы подвешен на амортизаторах в обойме 7 прибора, что смягча­ет (амортизирует) действие вибраций, тряски и ударов на опорный элемент 6 и предо­храняет от разрушения опор­ную поверхность 4, обуслов­ливая тем самым высокую прочность и износостойкость подпятника при механических воздействиях.

После литья, в процессе ос­тывания полимерного матери­ала, его структура на поверх­ности кратера может оказать­ся сильно нарушенной из-за коробления и микроразрывов материала, что приведет к на­рушению структуры полимер­ного материала, а следова­тельно, к нестабильности зна­чения трения и низкой механи­ческой прочности опор.

Кроме того, как бы точно ни изготавливались опорные по­верхности кратера, двух иден­тичных подпятников быть не может, и поэтому подпятники, установленные в прибор, все­гда будут иметь биения и раз­ные оси симметрии кратера относительно оси вращения подвижной части, что отрица­тельно скажется на износо­стойкости опор.

Поэтому был разработан способ упрочнения опорной поверхности кратера, при ко­тором керны сами себе гото­вят опорную поверхность, что обеспечивает высокие меха­нические характеристики опо­ры, в частности износостой­кость (пат. 21 17302).

В предлагаемом способе поверхность кратера упрочня­ют непосредственно в прибо­ре, одновременно создавая соударения кернов с поверх­ностью кратера и крутильные колебания подвижной части вокруг оси вращения. Соуда­рения кернов с опорной по­верхностью кратера и кру­тильные колебания осуществ­ляют или подачей переменно­го электрического сигнала в рабочую обмотку, или с помо­щью вибрационного стенда, что позволяет повысить меха­нические и метрологические характеристики опорной по­верхности за счет упрочнения и одновременно уменьшить требования к точности изго­товления и сопряжения эле­ментов керновых опор (отсут­ствуют перекосы, случайные деформации, правка и рихтов­ка после сборки).

Так как керны выполняются из сплавов высокой твердо­сти, а полимерный материал обладает по сравнению с ме­таллами значительно большей пластичностью, то при дина­мическом взаимодействии кернов с подпятниками высту­пы опорной поверхности, об­разующиеся в результате ко­робления и микроразрывов материала после литья, меня­ют свою форму (сглаживают­ся). При этом сам полимерный материал в результате разог­рева пограничного слоя поли­мера, при крутильных колеба­ниях подвижной части (враще­ния кернов) и соударениях, подвергается наклепу, после чего уменьшаются пластич­ность и ударная вязкость, по-вышаются твердость и проч­ность поверхностного слоя. Наклеп и сглаживание микро­геометрии опорной поверхно­сти создают упрочнение в зоне контакта, проявляющее­ся в том, что в пограничном слое материал подпятника из вязкоупругого состояния, ха­рактерного для полимеров, переходит в упругое и образу­ет более прочный слой, явля­ющийся опорной поверхнос­тью и обеспечивающий высо­кие механические характери­стики опоры за счет амортизи-рующих свойств остальной части пяты, остающейся вяз-коупругой. Кроме того, извес­тно, что упругий контакт на по­верхности трения обеспечи­вает минимальный износ и ус­тойчивое значение сил тре­ния..

Мы также разработали спо­собы рационального исполь­зования полимерного матери­ала и извлечения из них мак­симального эффекта, в ре­зультате которых изготовлены подпятники с тонкослойными полимерными покрытиями, наносимыми на поверхность металлического винта напы­лением или погружением в суспензию с последующей операцией сушки и спекания.

Были проведены экспери­ментальные испытания при­боров с полимерными подпят­никами на трение и износ пос­ле их 20-летнего хранения. Ре­зультаты испытаний показали, что старение подпятников в течение 20 лет существенно­го влияния на характеристики трения и износа не оказывает.В настоящее время на ОАО «Электроприбор» интенсивно ведутся работы по испытанию полимерных подпятников с последующим их внедрением в серийное производство.

В.МИШИН, докт. техн. наук Е.ЛАЗАРЕВ, канд. техн. наук Тел. (8422) 44-07-72. Лазарев Евгений Ксенофонтович.