CC BY
8
К ВОПРОСУ О СОЗДАНИИ НОВЫХ ДРЕВЕСНО-МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОДШИПНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Сидоров О.В., Муратов Д.И. (БГИТА, г.Брянск, РФ)
Questions on creation of bearings from wood and metal are considered.
Древесина является анизотропным материалом, свойства которого зависят, в том числе, от температурных условий [1]. Возможность использования модифицированной древесины для изготовления подшипников скольжения эксплуатируемых в агрессивных и абразивных средах, в условиях высокой влажности, при нарушении смазки обусловлена их высокой работоспособностью в такого рода материалах. По этим причинам древесина является весьма перспективным материал для применения её в качестве основы для создания новых композиционных материалов трибологического назначения. В то же время при создании таких материалов следует иметь в виду, что серьёзными факторами, ограничивающими возможность их широкого использования являются низкая грузоподъемность и небольшие допустимые скорости скольжения. Это связано с тем, что повышение нагрузки на такой подшипник может приводить к возрастанию температуры древесного вкладыша до недопустимых значений превышающих 1400 С. При таких температурах происходит температурная деструкция материала и узел трения быстро теряет свою работоспособность. В связи с этим, одной из важнейших задач, стоящих при проектировании древесных антифрикционных материалов является метод повышения трибофизических характеристик из модифицированной древесины, в частности, теплопроводности, температуропроводности и теплоёмкости.
Для решения этой задачи предлагается использовать древесно-металлические композиционные подшипниковые материалы. Приведенный ниже алгоритм их создания предложен на основании выполненного нами теоретического анализа:
1. Выбор породы древесной составляющей композиционного материала и задание направления волокон по отношению к прилагаемой нагрузке и скорости скольжения в подшипниковом узле.
2. Выбор марки металлической фазы, ее дисперсности, и послойного объемного содержания.
3. Выбор способа имплантации металлической фазы в древесную составляющую.
4. Выбор схемы модифицирования древесины.
5. Задание функциональных характеристик рабочих поверхностей подшипников скольжения и выбор технологических приемов их формирования при механической обработке антифрикционных материалов.
Высокие антифрикционные свойства, в основном, обусловлены обеспечением соответствия строения функциональных поверхностей принципу Шарпи и достижения реализации на фрикционном контакте явления избирательного переноса.
Наилучшее сочетание теплофизических характеристик рассматриваемых материалов можно обеспечить посредством оптимизации свойств основных составляющих композитов - древесной матрицы и металлического наполнителя. Это достигается за счет назначения благоприятного химического состава металлической составляющей, породы древесины для изготовления матрицы, направления ее волокон и характера модификации, а также достижения рационального соотношения в древесно-металлическом материале древесной и металлической фазы.
Для увеличения теплопроводности вкладыша предлагается в качестве металлической фазы использовать сферические элементы различной дисперсности, послойно расположенные по толщине. Решение температурной задачи, выполненное в работе, позволило опреде-
лить закономерности изменения температуры по толщине вкладыша в процессе его работы. Для вкладыша из прессованной древесины березы установленная закономерность изменения температуры по толщине подшипника, с заданными геометрическими параметрами.
Анализируя представленную зависимость, можно полагать, что объемная концентрация и диаметр металлической фазы по мере приближения к рабочей поверхности должны возрастать.
Оптимальная концентрация металлических частиц должна быть больше или равна концентрации, обеспечивающей максимальный теплоотвод, и меньше или равна концентрации, после достижения которой демпфирующие свойства остаются стабильными. Это предположение основывается на том, что теплопроводность тем больше чем насыщенней подшипниковый материал металлическими элементами, но избыток металлических частиц может повлечь за собой связывание их в единый каркас. При этом основная нагрузка будет передаваться не через древесную основу, а через металлический несущий каркас, у которого демпфирующие свойства крайне низкие.
Диаметры металлических включений целесообразно выбрать в интервале 1-3,5 мм. Это связано с тем, что частицы диаметром меньше 1 мм сложно имплантировать, а при диаметре больше 3,5 мм возможно разрушение древесной основы подшипника. Исходя из геометрических параметров и условия когда коэффициент межцентрового расстояния к>1 была определена зависимость по которой можно рассчитать концентрацию металличе-
й3
^ ш _ мет 1 „
ских включений т — 1 п 1 3 , где т-концентрация, амет-диаметр частиц включений, мм;
1,91 • Ь
1,91-концентрационный коэффициент, Ь- межцентровое расстояние частиц включений, мм.
Из этих зависимостей следует, что при к>1 концентрация металлических включений т<0,52.
Имплантирование осуществляется метанием с помощью установки, энергоносителем в которой является взрывчатое вещество метательного действия. Метание производят с внешней поверхности будущего подшипника. Для избежания выхода теплоотводя-щих элементов во время метания за пределы древесной основы, она устанавливалась на свинцовой пластине.
На основании обработки полученных ранее зависимостей была выведена формула для расчёта навески пороха необходимой для осуществления метания
Р • Ж
ю ^ ^—~р-^, г, где Ш-объём пороховой камеры, м ; Т—температура горения
пороха, К; 154-экспериментальный коэффициент; ^уст-коэффициент полезного действия установки; Р -давление, требуемое для имплантации, Па.
С целью экспериментального исследования свойств полученных материалов были проведены испытания древесных и древесно-металлических образцов на основе древесины сосны, при которых производились измерения температуры материала и момента трения. Экспериментальные исследования, проводились на машине трения СМЦ-2 для пары диск-колодка.
Испытания образцов проводились по принятой схеме испытаний на изнашивание разработанной на кафедре «Механической технологии древесины» Брянской государственной инженерно-технологической академии. Изнашивание образца осуществлялось поверхностью вращающегося контробразца при постоянной нагрузке Р=300Н и скорости скольжения У=0,7 м/с. В процессе испытаний в зону трения подавалось масло «Индустриальное-20» при расходе 0,25 ±0,01 мл/мин. Для определения температуры материала применялись термопары.
Испытания показали, что коэффициент трения после приработки для древесного подшипника равен 0,025 и древесно-металлического 0,019. Это можно объяснить тремя факторами: во-первых, с тем, что коэффициент трения пары древесина-сталь выше чем для пары бронза-сталь; во-вторых, проявляется положительный эффект избирательного переноса и принципа Шарпи; в-третьих, размещение металлических элементов способствует уменьшению температуры древесного материала, что также может влиять на значение коэффициента трения.
Экспериментальные значения максимальной температуры в зоне трения для древесины сосны составило 136,50С, с металлическими элементами 970С.
Результаты экспериментальных исследований показали, что размещение в древесном вкладыше подшипника скольжения сферообразных металлических элементов позволяет снизить максимальную температуру в зоне контакта, для выбранных нами характеристик подшипников примерно на 25%.
Предлагаемая технология получения древесно-металлических антифрикционных материалов для вкладышей подшипников скольжения позволила повысить их триботехниче-ские и теплофизические характеристики, технологичность изготовления, что значительно расширяет область их применения.
Литература
1. Сиваков В.В. Повышение износостойкости режущих рабочих органов лесозаготовительных машин и инструмента для резания мерзлой древесины. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. -Брянск, 2000.
