Картинка 1, 2, Freepik

Мы привыкли к стандартному виду многих технических компонентов и даже не представляем, что они могут быть кардинально иными, и в полной мере сказанное выше относится к подшипникам.

Мы знаем, что эти компоненты должны быть металлическими или из специальных составов, чтобы обеспечить минимальное трение (нейлон, фторопласт, графитонаполненные композиции и т.д.) одновременно с хорошей долговечностью.

Тем не менее, тут есть явная проблема: металлы трудно обрабатывать, а спецматериалы не лежат «на каждом углу, под рукой», чтобы их было так легко раздобыть и использовать.

Эта проблема ещё более усугубляется, если надо изготовить нечто чуть более масштабное, чем «подшипник с ноготь мизинца диаметром» :-)

Тем не менее, есть один широко распространённый материал, о котором прекрасно известно профессионалам, но он малоизвестен для применения в подшипниках широкой публике — и это древесина!

Да-да, как ни странно, она вполне может быть применена для этой цели, и далее мы посмотрим, каким именно образом…

Для начала небольшая предыстория, почему я вообще поднял эту тему: в своё время (довольно давно, лет 15-20 назад) я видел любопытный ролик, где один из самодельщиков показывал интересный вариант подвода вращательного движения от водяной крыльчатки диаметром примерно метра полтора, которую вращал речной поток воды, к генератору, расположенному довольно далеко от реки, на расстоянии примерно метров в 40.

К сожалению, за давностью лет я этот ролик сейчас не смог найти, поэтому ниже я привёл картинку, которая описывает всю систему:



Как можно видеть, вращение от крыльчатки подводится к генератору с помощью отрезков стальной водопроводной трубы, соединённых кусками резинового шланга. То есть получается своеобразный карданный вал.

Но здесь интересно не это, а то, как реализованы подшипники, на которые опирается этот вал: это обычные куски бревна, заточенные с одного конца и вбитые в землю, а с другого — несколько расщеплённые в форме буквы V, чтобы образовалась небольшая ложбинка, в которой и лежит труба.

Труба в этих ложбинках никак сверху не закреплена и просто лежит в них под своим весом.

Автор в этом видео довольно подробно показывал всю систему и говорил о том, что она у него работает уже не первый год в режиме 24/7 и ничего с ней не случилось за несколько лет, и даже подшипники-брёвна не износились! Просто он иногда (где-то 1 раз в день летом, а зимой реже) поливает места трения водой, чтобы они не высыхали, и этого оказалось более чем достаточно…

Почему система такая «замороченная»? Ведь по идее можно было поставить генератор и около реки: насколько можно понять по его рассказу, автор не сильно богат, живёт в сельской местности и дорожит генератором, поэтому он его таким образом защитил от негативных природных воздействий и разместил в специальном сарайчике, в стенке которого проделано отверстие, через которое вал и входит в сарайчик, где крутит генератор, который вырабатывает достаточный ток, позволяющий запитать нагрузку в несколько киловатт.

Таким образом, как можно видеть, даже такие простые, почти в буквальном смысле «дубовые» решения вполне неплохо работают.

И, кстати говоря, он не одинок в своём стремлении использовать древесину: деревянные подшипники являются одним из старейших элементов инженерных конструкций — известно их использование ещё в Древней Месопотамии, где они применялись в качестве втулок для колёсных повозок (этот принцип практически в неизменном виде дожил и до 20 века — вспомним колёсные телеги; а кое-где применяется и поныне).

В дальнейшем, когда наступила эпоха парусного флота, деревянные подшипники удерживали рулевые валы, долгое время выдерживая трение и воздействие морской воды, чему способствовало то, что они были изготовлены с использованием одного из видов «железных» деревьев — сердцевины («бакаута») гваякового дерева, которая обладает большой плотностью, а за счёт пропитанности большим количеством смол имеет эффект самосмазывания (то есть не требует внешней смазки) и успешно противостоит негативным факторам окружающей среды, скажем, в примере выше — солёной морской воде.

Использование бакаута на флоте не ограничилось эпохой парусников — в XX веке его применяли даже на подводных лодках: в качестве подшипников скольжения для подвешивания гребного вала — так называемых дейдвудных подшипников, с планками, укреплёнными внутри втулки.

Картинка: В. И. Врублевская, В. В. Кузнецова, М. В. Аникеева – «Область применения подшипников скольжения из натуральной и прессованной древесины»

Например, известно использование такого рода подшипников на первой в мире атомной подводной лодке USS Nautilus, а также на советских подводных лодках проекта «Варшавянка».

Впрочем, где он только ни использовался — даже на гидроэлектростанциях, одна из которых такого типа проработала в США до 1980-х годов.

Кстати, несмотря на то что об этом прямо не говорится, я подозреваю, что именно гваяковое дерево и послужило источником идеи о том, что некоторые виды древесины можно превратить в его искусственный аналог — с помощью пропитки под давлением машинным маслом. По некоторым данным, стоимость 1 м³ натурального бакаута превышает 2000 долларов, что, разумеется, вполне стимулирует научные изыскания по поиску более дешёвого аналога ;-)

И, раз уж мы упомянули об этом, посмотрим, как изготавливают «по науке», более дешёвые аналоги бакаута…

Для этого мы обратимся к книге Б.Д.Воронкова — «Подшипники сухого трения», где как раз подробно и рассматривается этот вопрос.

Как мы помним, бакаут — достаточно плотный и пропитанный смолами материал. Для получения синтетического аналога изготовляют прессованную древесину (а в качестве материала берут берёзу), которая прессуется в специальных пресс-формах под давлением в , а перед этим она пропитывается маслом разными способами (об этом ниже).

Согласно Б.Д.Воронкову, для пропитки используют минеральные масла, например: «масло индустриальное 45», «автол», «МС-20» и др. (но тут надо сразу учесть, что книга достаточно старая, и в современных условиях наверняка можно подобрать и другие маркировки масел, так как указанные масла могут уже не производиться на данный момент).

В таблице ниже можно увидеть характеристики некоторых видов использованной ранее прессованной древесины для изготовления подшипников и области их применения:

Картинка: Б.Д.Воронков – «Подшипники сухого трения»

Ниже будет ещё одна любопытная таблица, где показаны характеристики пропитанной древесины, полученной с применением трёх методов:

• По методу профессора П.Н.Хухрянского: древесина сначала подвергается прессованию и сушке, а затем естественным образом пропитывается маслом с температурой в 50°С;
• По методу ЛТА им. С.М.Кирова: сначала древесина пропитывается маслом при температуре в 105...120°С, а затем прессуется;
• По методу ЦНИЛХИ: принудительная пропитка прессованной древесины в вакууме при комнатной температуре:

Картинка: Б.Д.Воронков – «Подшипники сухого трения»

Результаты тестовой эксплуатации показали, что древесина, обработанная по второму методу, показала несколько меньшую износостойкость, чем обработанная по первому или третьему методу: подшипники, обработанные по второму методу, прослужили порядка 3200 часов, тогда как по первому или третьему методу — 4000 часов.

Для работы таких пропитанных подшипников условия должны находиться в следующих пределах (это крайние значения, желательно меньше — об этом будет ниже):

• рабочая температура не должна превышать 90°, так при превышении начинается обугливание деревянной поверхности и коксование масла;
• количество масла в пропитке должно быть не менее 15...20% от веса сухой втулки;
• скорость скольжения не должна превышать 3...4 м/с;
• давление не должно превышать .

При работе на предельных режимах, близких к указанным значениям, срок службы резко сокращается и необходимо периодически повторять пропитку маслом, поэтому рекомендуемые параметры существенно ниже:

• давление не более ;
• скорость скольжения не более 1 м/с;
• рабочая температура узла: до 70...80°С.

Говоря о пропитанной древесине, нельзя не сказать и о таком интересном её варианте, который также был испытан советскими учёными: под давлением в древесина была пропитана сплавом, содержащим 26% олова, 20% кадмия, 50% висмута — в результате чего прочность материала на растяжение и сжатие увеличилось в более чем полтора раза, с одновременным увеличением теплопроводности в 400 раз, что привело к уменьшению коэффициента трения и износа (конкретные цифры в литературе отсутствуют).

Но есть один существенный момент: пропитка металлами из-за высокой температуры приводит к обугливанию волокон, поэтому был разработан альтернативный способ, который ещё и решает одну интересную попутную проблему.

Было выявлено, что, так как древесина представляет собой естественный полимер, при трении её о стальную поверхность при температуре более 100 °C начинает выделяться водород, который проникает в поверхностные слои, увеличивает хрупкость и разрушает поверхность.

Для борьбы с этим явлением был разработан способ, заключающийся в пропитке деревянного подшипника окисью меди, что уменьшает коэффициент трения, а сама окись меди восстанавливается водородом до чистого металла, предотвращая проникновение водорода в поверхность стали.

Если сказать обобщённо, то такую пропитку можно проводить солями металлов, стоящих в ряду активности за водородом.

В целом можно сказать, что, несмотря на кажущуюся странность такого применения для несведущего человека, прессованная древесина в подшипниках рассматривается как полноценный заменитель бронзы, например марки БрОЦС5-5-5, прошедшей многократные испытания — например, в кондитерской промышленности, где в качестве материала для подшипников плунжерных насосов она смогла увеличить срок службы последних в 4–10 раз!

У таких подшипников есть целый ряд сфер, где их применение не только оправдано, но и необходимо:

• Во-первых, их дешевизна и лёгкость изготовления в любых габаритах позволяет применять такие подшипники во множестве самодельных устройств — например, в сельскохозяйственной сфере, для удержания различных валов конвейеров, сеялок и т. д., а также генераторов (как мы видели выше, в начале статьи);
• во-вторых, они незаменимы в условиях повышенной пыльности и абразивности среды: было обнаружено, что, например, в горной промышленности подшипники конвейеров, которые транспортируют руду, очень быстро выходят из строя из-за высокой абразивности пыли; то же самое касается и цементных производств — оказалось, что цемент обладает настолько высокой абразивностью, что за несколько месяцев истирает шары подшипников и они заклинивают, в то время как деревянные могут «жить» до 4 раз дольше!

Несмотря на то, что выше рассмотрены научные, несколько сложные способы создания подшипников (прессование, вакуумная пропитка), в самом простом варианте, они могут быть просто изготовлены вытачиванием на токарном станке по дереву (или даже без этого, будучи просто выструганными), после чего должны быть пропитаны любым маслом нагретым до 60-70°С (нагрев нужен для более глубокого проникновения в волокна). В качестве ещё одного альтернативного метода известно замачивание подшипников в масле на 12-24 часа.

Но если захочется «чего-то понаучней», то можно пойти по пути практической реализации одного из рассмотренных выше способов вакуумной пропитки – он, тем не менее, достаточно прост, не требует высоких температур, не вызывает растрескивание деревянных деталей: учитывая, что на известном китайском сайте продают вакуумные компрессоры всего за 5000 руб, можно попробовать повторить советскую технологию с вакуумным пропитыванием: подшипники помещаются в вакуумную камеру, из которой откачивается воздух, что вызывает удаление воздуха даже из глубоких пор древесины.

Далее в камеру подаётся масло для пропитки, которое заливает подшипник (подшипник можно заранее поместить в посудку, а масло подавать через, например, большой шприц).

На следующем шаге камера плавно разгерметизируется и давление атмосферного воздуха «вталкивает» масло глубоко в поры древесины (дополнительно, можно оставить подшипник, залитый маслом, на 12-24 часа).

Вся операция производится при комнатной температуре, без какого-либо нагрева.

Таким образом, подытоживая, можно сказать, что деревянные подшипники имеют свои ограничения и сферу применения, но, тем не менее, в некоторых случаях они незаменимы, а их дешевизна и возможность изготовить подшипник любого разумного размера делают их привлекательными для использования в разных проектах.

© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»

Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT 💻