CC BY
20
УДК 62-233:674.05
НОВЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ УЗЛОВ ТРЕНИЯ ДЕРЕВОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ
NEW COMPOSITE MATERIALS FOR FRICTION JOINTS WOODWORKING EQUIPMENT
Шевелева Е.В. (Брянский государственный инженерно-технологический университет, г. Брянск, РФ) Памфилов Е.А. (Брянский государственный технический университет, г.
Брянск, РФ)
Sheveleva E.V. (Bryansk State Engineering-technological University, Bryansk,
Russia)
Pamfilov E-А. (Bryansk State Technical University, Bryansk, Russia)
Рассмотрены способы создания и использования композиционных древесно-металлических антифрикционных материалов для узлов трения деревоперераба-тывающего оборудования
The methods of creation and use of composite wood-metal antifriction materials for friction units of woodworking machinery
Ключевые слова: композиционные материалы, антифрикционные материалы, те-плоаккумулирующие материалы, вкладыши подшипников скольжения, деревообрабатывающее оборудование
Key words: composite materials, antifriction materials, heat accumulating materials, plain bearings, woodworking equipment
Несмотря на разнообразие оборудования лесного комплекса, практически все его виды имеют значительный износ деталей узлов скольжения, к которым относятся направляющие устройства станков, ползуны лесопильных рам, подшипники скольжения, фрикционные тормозные устройства, работающие в большом диапазоне скоростей. При их эксплуатации не всегда обеспечивается требуемая работоспособность, главным образом, по причине достижения недопустимой величины износа.
Отличительными эксплуатационными особенностями указанных узлов, помимо широкого диапазона и уровня прилагаемых нагрузок, является работа при действии вибраций, абразивных и химически активных сред, недостаточной смазке. На работоспособность этих узлов существенное влияние оказывают тепловые процессы, возникающие в результате реализации достаточно высоких давлений и скоростей трения, деформирование и износ, усугубляемые действием абразива и циклического нагружения, а также протекания ряда физико-химических процессов под действием триботехнической среды.
В связи с этим актуальным является вопрос повышения долговечности узлов скольжения за счет совершенствования их конструкций, использования более эффективных антифрикционных материалов, обладающих повышенными теплофизическими характеристиками и виброгасящими свойствами, а также путем оптимизации технологии изготовления и упрочнения деталей, составляющих узлы трения.
Для улучшения характеристик узлов скольжения во многих случаях можно рекомендовать использовать не гомогенные материалы, а вводить оптимизирующие наполнители в антифрикционный материал, создавая более работоспособную гетерогенную структуру. Таким образом, за счет подбора исходных материалов и целесообразной технологии создания композитов возможно получать материалы с заранее прогнозируемыми свойствами. В частности, для снижения уровня теплового воздействия на детали узлов скольжения, изготовленных из полимеров, в качестве наполнителя целесообразно использовать металлы, обладающие высокой теплопроводностью [1, 2, 3].
Применение композиционных материалов на основе древесины позволяет обеспечить высокий уровень работоспособности узлов скольжения деревообрабатывающего оборудования. При этом получение повышенных характеристик достигается путем комбинирования различных по природе материалов за счет того, что в них проявляются не только свойства отдельных исходных компонентов, но и достигается определенная совокупная эффективность нового материала за счет проявления синергетического эффекта [1, 3, 4].
Для повышения долговечности модифицированного древесного антифрикционного материала за счет снижения температурного режима эксплуатации предлагается располагать в нем металлические теплопроводящие элементы различной формы, изготовленные из материалов, обладающих повышенной теплопроводностью и антифрикционностью. Благоприятный уровень теплофизических характеристик таких материалов обеспечивается за счет целесообразного выбора металлической составляющей, назначения ее оптимального химического состава, породы древесины, направления ее волокон и характера модификации, а также рационального соотношения в древесно-металлическом материале древесной и металлической фазы. Существенную роль при обеспечении требуемого уровня теплофизических характеристик подшипникового материала играет его сплошность, характеризующаяся плотностью контакта между металлической и древесной фазами.
В результате анализа обеспечения работоспособности древесно-металлических вкладышей подшипников скольжения и способов их получения установлено, что наиболее перспективно использование металлических элементов сферической формы. Целесообразно распределять металлические включения по толщине вкладыша радиальными слоями с переменной концентрацией в каждом слое [3, 4, 5].
При работе подшипника нагрузка перераспределяется между вкладышем и металлическими включениями. Металлические включения в процессе эксплуатации контактируют с поверхностью вала, что позволяет снизить коэффициент трения и повысить теплоотвод из зоны фрикционного контакта. Металлические включения максимальных диаметров должны быть расположены в слое, прилегающем к внутренней поверхности подшипника и находиться в непосредственном контакте с валом.
На заключительной операции механической обработки осуществляется расточка внутреннего и внешнего диаметров с формированием функциональных параметров поверхностного слоя. В процессе механической обработки
обеспечивается получение на формируемой рабочей поверхности вкладыша соотношения площадей древесного материала и теплоотводящих элементов.
Избежать термического разложения древесной составляющей подшипника можно, используя в составе теплоотводящих элементов легкоплавкие сплавы. Это связано с тем, что температура нагрева сплава повышается до определенного момента времени, затем повышения температуры не происходит, так как энергия затрачивается на плавление металла. Это свойство металлических материалов можно успешно применить для дополнительного отвода тепла из зоны трения.
Предложенный теплоаккумулирующий материал [2] может использоваться в опорах валов различных машин, в частности в станках деревообрабатывающей промышленности. В предлагаемом подшипнике скольжения вкладыш выполняется из композиционного материала, который состоит из древесной основы и теплоотводящих элементов, выполненных в виде капсул с оболочкой, заполненной легкоплавким эвтектическим сплавом, во избежание вытекания расплавленного металла. Оболочки капсулы для увеличения отвода тепла изготавливаются из материалов высокой теплопроводности, например меди, алюминия, бронзы, которые наносятся химическим или электроискровым методом. Объем наполнителя и толщина оболочки капсулы определяются уровнем тепловыделения в контакте подшипника и вала в процессе эксплуатации узла трения.
В этом случае выделяющееся при трении тепло частично отводится металлическими включениями вследствие их высокой теплопроводности, а частично расходуется на плавление легкоплавкого содержимого металлических элементов или на фазовые превращения в них. При этом дальнейшего увеличения температуры подшипника в определенном интервале температур не происходит. Таким образом, размещение в модифицированной древесине те-плоаккумулирующих элементов из легкоплавкого сплава одновременно повышает эффективность отвода тепла из зоны трения и понижает температуру работы подшипника.
Проведенный анализ возможностей использования антифрикционных материалов показал, что ни один гомогенный материал не отвечает в полной мере тем свойствам, которые следует обеспечить подшипникам скольжения деревообрабатывающего оборудования. В связи с этим решение вопроса комбинирования в конструкциях подшипников скольжения нескольких материалов, способных в совокупности обеспечить для рассматриваемых узлов необходимые триботехнические характеристики, является важнейшим при выборе наиболее рациональных материалов для изготовления деталей узлов трения.
Управление составом и структурой композиционных материалов, в том числе и новых теплоаккумулирующих, позволяет расширить их применение в качестве фрикционных, характеризуемых повышенными температурами работы и интенсивным износом. Выполненные исследования показали целесообразность использования древесно-металлических композиционных мате-
риалов для вкладышей подшипников скольжения деревообрабатывающего оборудования.
Список использованных источников
1. Памфилов Е.А., Алексеева Е.В., Шевелева Е.В. Применение композиционных антифрикционных материалов для повышения работоспособности узлов скольжения дерево-перерабатывающего оборудования // Качество и жизнь. Москва: «Вива-Экспресс», 2014. С.427-432.
2. Пат. 2432508 РФ, МПК Б 16 С 33/04 Б 16 С 33/24. Подшипник скольжения / Памфилов Е.А., Сидоров О.В., Шевелева Е.В., Алексеева Е.В., Пилюшина Г.А.; заявитель и патентообладатель Брянская гос. инж.-техн. акад. № 2007143028/11; заявл. 20.11.2007; опубл. 27.10.2011.
3. Пат. 2305804 РФ, МПК Б16 С 33/24. Способ изготовления подшипника скольжения / Памфилов Е.А., Шевелева Е.В., Сидоров О.В.; заявитель и патентообладатель Брянская гос. инж.-техн. акад. № 2005136603/11; заявл. 24.11.2005; опубл. 10.09.2007.
4. Шевелева Е.В. Создание новых древесно-металлических материалов и методы исследования их механических характеристик // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика: материалы международ. науч.-практ. конф. Т. 3. Воронеж: ВГЛТА, 2015. С. 481-485.
5. Шевелева Е.В., Изотов А.Г., Черняев С.Н. Использование древесины для создания композиционных подшипниковых материалов // Экология, рациональное природопользование и охрана окружающей среды. Сборник статей по материалам 3 Всероссийской научно-практической конференции. Том 1. Красноярск: Лф СибГТУ, 2014. С.316-318.
