Антифрикционные свойства нанокомпозитов на основе модифицированной древесины Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

мебели: основы, инструменты, практика. М.: ДМК Пресс, 2009. 864 с.

4. Новая парадигма проектирования САПР сложной корпусной мебели для по-

заказного промышленного производства / П.Ю. Бунаков, А.В. Стариков, А.А. Старикова [и др.]: монография. М.: МГУЛ, 2007. 320 с.

DOI: 10.12737/1762 УДК 674.048: 674.812

АНТИФРИКЦИОННЫЕ СВОЙСТВА НАНОКОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ МОДИФИЦИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ

аспирант кафедры древесиноведения Н. В. Губанова ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»

Gubanova@freemail. ги

Для получения нанокомпозитов на основе модифицированной древесины использованы: смазка Biol, целлюлоза (НКЦ), высокодисперсный кремнезем (А-300).

Испытания на трение и износ проводились на модернизированной машине трения МИ-1М. Схема экспериментальной установки показана на рис. 1.

Электродвигатель постоянного тока 1 с независимым возбуждением приводит во вращение через трехскоростной редуктор 2, систему клиноременных и зубчатых передач, шпиндель 3. Обороты электродвигателя изменяются регулятором напряжения 4 типа РНО-250-10. Вал 5 образован съемными роликами, которые насажены на консольную часть шпинделя и зафиксированы на нем гайкой. Образцы 6 из модифицированной древесины в виде вкладышей помещаются в самоустанавливающиеся оправки с шаровой опорой и нагружаются рычагами. Замена роликов производится путем снятия самоустанавливающегося шарикоподшипника 7, для чего он посажен по скользящей посадке относитель-

но своего корпуса и шпинделя. Момент трения замеряется системой: тензометри-ческое кольцо 8 с тензодатчиками, усилитель 9, микроамперметр 11. Для контроля нуля микроамперметра служит электромагнит 12, который позволяет во время испытания, не снимая нагрузки с образцов, разгрузить тензометрическое кольцо 8. Температура образцов определяется измерителем температуры 10 с помощью хромель-копелевых термопар.

Работа установки заключается в следующем. К вращающемуся валу 5 с заданной нагрузкой прижимаются испытуемые образцы 6. Под действием момента сил трения маятник 13 стремится повернуться вокруг своей оси, деформируя при этом кольцо 8 с наклеенными на него тензодат-чиками; возникающий сигнал подается на усилитель 9 и фиксируется микроамперметром 11 типа М266М. До начала опыта система замера момента трения тарируется. При испытании регистрируются следующие параметры: момент трения и температура образцов. По окончании опыта

Рис. 1. Схема установки для испытаний на трение и износ: 1 - электродвигатель, 2 - редуктор, 3 - шпиндель, 4 - регулятор напряжения, 5 - вал, 6 - образцы из ДП, 7 - шарикоподшипник, 8 - тензокольцо, 9 - усилитель, 10 - измеритель температуры, 11 - микроамперметр, 12 - электромагнит, 13 - маятник

определяется износ образцов.

Испытания на терние и износ проводились на образцах в виде колодочки с торцевой рабочей поверхностью. Форма и размеры образцов приведены на рис. 2.

Образцы готовились по следующей технологической схеме:

- получение спрессованных заготовок из древесины березы в виде брусков с размерами 65*65*300 мм и плотностью 1100 + 20 кг/м3 (ГОСТ 9629-81);

- выпиливание образцов в форме прямоугольной призмы из спрессованных брусков на фрезерном станке мод. 676; размеры образцов для испытаний на трение - 10*25*10 мм, для испытаний на из-

нос - 10*5*10 мм;

- пропитка образцов в автоклаве под давлением 40 бар, образцы пропитывались минеральным маслом Индустриальное И-50А ГОСТ 20799-88, смазкой Biol ТУ 0253-004-72589978-2005 с добавками на-нокристаллической целлюлозы (НКЦ) и аэросила (А-300). После пропитки образцы содержали:

ДП-М1 - 12...14 % масла Индустриальное И-50А;

ДП-М2 - 10.12 % смазки Biol; ДП-М3 - 10 % смазки Biol + 2 % НКЦ;

ДП-М4 - 10 % смазки Biol + 2 % НКЦ + 2 % аэросила (А-300);

Рис. 2. Форма и размеры образцов для испытаний на трение (а) и износ (б): 1 - образец из ДП, 2 - оправка, 3 - лунки на образцах

- формирование поверхности трения на токарно-винторезном станке;

- доводка образцов.

Точность изготовления и количество образцов принимались по ГОСТ 16483.0-89.

Схема отбора образцов показана на рис. 3.

На контактной поверхности каждого образца не должно быть трещин, сучков, сколов, рисок и других дефектов, видимых невооруженным глазом.

Рис. 3. Схема отбора образцов для испытаний на трение и износ: а) отбор пластинок из бруска ДПО, б) отбор образцов для испытаний на трение, в) отбор образцов для испытаний на износ

Шероховатость поверхности образцов должна быть не более Rz = 10 мкм (ГОСТ 2789-73).

Влажность образцов перед испытаниями составляла 0...2 %, для чего они высушивались до постоянной массы, а затем хранились в эксикаторе с обезвоженным хлористым кальцием.

В центре образца просверливалось отверстие диаметром 1,5 мм под термопару, которая устанавливалась на расстоянии 0,3.0,5 мм от поверхности трения. Образцы перед испытаниями прирабатывались. Приработка считалась законченной, если контактирующие поверхности образцов полностью прилегают к контртелу и если коэффициент трения не изменяется в течение двух часов непрерывной работы. Для определения износа на поверхности трения образцов нарезали лунки в соответствии с рекомендациями Р-50-54-36-88 и определяли их исходные размеры. Лунки нарезали с помощью приспособления, смонтированного на базе микроскопа МИС-11 (рис. 4). Схема нарезания лунки на образцах показана на рис. 5.

Контртелом служили металлические ролики с наружным диаметром 40 мм. Ролики изготовлялись из стали 45 (ГОСТ 1050-88) с последующей термообработкой и низкотемпературным отпуском до твердости ШТ 45.50 (ИСО 6508-86). Рабочие поверхности роликов имели шероховатость в пределах Ra от 0,63 до 0,40 мкм (ГОСТ 2789-73). Перед началом испытаний ролики обезжиривались ацетоном (ГОСТ 2603-79), а затем спиртом (ГОСТ 17299-78). В результате работы определена зависимость коэффициента трения от

контактного давления и скорости скольжения; определялся износ образцов.

На рис. 6 представлены зависимости коэффициента трения от величины

Рис. 4. Прибор для нарезания лунок на образцах из модифицированной древесины: 1 - образец, 2 - приспособление для нарезания лунок, 3 - резец, 4 - тиски

Рис. 5. Схема нарезания лунки на образцах: 1 - образец, 2 - резец, 3 - лунка, ОА - радиус вращения вершины резца, ЕF - длина лунки

контактного давления. Из графиков видно, что с увеличением контактного давления коэффициент трения снижается с 0,08 .. .0,09 до 0,05.. .0,052 для ДП-М3 и ДП-М4. Для ДП-М1 и ДП-М2 коэффициент трения сначала снижается до значений 0,11 и 0,075 соответ-

ственно, а затем возрастает, что связано с ростом температуры до 110 и 140 оС и интенсивным выносом смазки из зоны трения.

На рис. 7 представлены зависимости температуры в зоне трения образцов от контактного давления.

0,18

Материал

ДП-М1

ДП-М2

ДП-М3

ДП-М4

Контактное давление, МПа

Рис. 6. Зависимость коэффициента трения образцов из ДП-М от контактного давления

(у=0,2 м/с)

160

Материал ДП-М1 ДП-М2 ДП-М3 ДП-М4

Контактное давление р, МПа

Рис. 7. Зависимость температуры в зоне трения образцов из ДП-М от контактного давления

(у=0.2 ^с)

2

3

4

5

6

2

3

4

5

6

Для образцов из ДП-М3 и ДП-М4 температура при максимальной нагрузке 5,0 МПа не превышает 90.. .100 оС и ее зависимость имеет линейный характер. Для образцов из ДП-М1 и ДП-М2 при нагрузках выше 4,0 МПа наблюдается более интенсивный рост температуры до 140 и 110 оС.

На рис. 8 представлены зависимости коэффициента трения от скорости скольжения. Из анализа графиков видно, что с увеличением скорости скольжения коэффициент трения для всех образцов сначала снижается. А затем возрастает. Минимальные значения коэффициент трения имеет в диапазоне скоростей 0,4.0,6 м/с. Для ДП-М1, ДП-М2, ДП-М3, ДП-М4 - соответственно 0,15; 0,07; 0,06; 0,05.

Представленные на рис. 9 зависимости температуры в зоне трения образцов из ДП-М от скорости скольжения показывают, что с ростом скорости скольжения наблюдается практически линейный рост температуры. Наибольшей работоспособ-

ностью по температурному режиму обладают образцы из ДП-М3 и ДП-М4 соответственно 98 и 106 оС.

На рис. 10 представлены результаты испытаний на износ образцов из ДП-М при скорости скольжения V = 0,4 м/с и нагрузках соответственно 3,0 и 6,0 МПа.

Более высокой износостойкостью обладают образцы ДП-М3 и ДП-М4. Образцы ДП-М4, имеющие в своем составе смазку Biol с нанодисперсными наполнителями - нанокристаллической целлюлозой (НКЦ) и аэросилом (А-300) показали самую высокую износостойкость. По сравнению с образцами из ДП-М1, имеющими в своем составе машинное масло МС-20, образцы из ДП-М4 в 4...4,5 раза выше по износостойкости.

По результатам исследования антифрикционных свойств и износостойкости для производственных испытаний рекомендуется прессованная древесина (ДП), пропитанная смазкой Biol с нанодобавка-

0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02

- Материал ДП-М1 ДП-М2 ДП-М3 ДП-М4

0

1 2 3 4 5 6

Скорость скольжения V, м/с

Рис. 8. Зависимость коэффициента трения образцов из ДП-М от скорости скольжения

(р=2,0 МПа)

160

Материал ДП-М1 ДП-М2 ДП-М3 ДП-М4

0 4

1 2 3 4 5 6

Скорость скольжения V, м/с

Рис. 9. Зависимость температуры в зоне трения образцов из ДП-М от скорости скольжения

(р=2,0МПа)

к s

I

го m s

ü « 5 го

S 7

п

s 5

i I

о о £1 £1

О *

О

1

□ Материал

□ ДП-М1

□ ДП-М2

□ ДП-М3

□ ДП-М4

1 2 3 4 5 6

Давление р, 3 МПа и 6 МПа

Рис. 10. Сравнительная износостойкость образцов из ДП-М с добавками нанодисперсных наполнителей при скорости скольжения v=0,4 м/с

ми аэросила (А-300) и нанокристалличе-ской целлюлозы (НКЦ).

Исследованы физико-механические и триботехнические свойства нанокомпози-тов на основе модифицированной древесины. Показано, что небольшие добавки нанодисперсных наполнителей в смазоч-

ные масла (1.. .5 %) способны существенно изменять не только механические, но и триботехнические свойства.

Введение порошка активированной наноцеллюлозы в модифицированный состав увеличивает степень сшивки модификатора с древесиной с образованием трех-

1,2

0,8

0,6

0,4

0,2

0

мерной объемной сетки. За счет этого увеличивается жесткость и прочность модифицированной древесины.

Результаты испытаний древесины, модифицированной смазкой Biol и нанок-ристаллической целлюлозой, показали, что коэффициент трения находится в пределах 0,05...0,07, а износостойкость такой древесины почти в 2 раза выше, чем у других марок прессованной древесины. Температура в зоне трения на 10.20 оС ниже, чем у аналогов. Преимущество НКЦ в количестве 5.8 % от массы в модифицированной древесине существенно улучшает ее прочностные свойства. Так, прочность и твердость увеличиваются на 25.30 %, при этом формоизменение остается на прежнем уровне за счет наномодифицирования поверхностей трибосопряжений скорость изнашивания образцов из МД с нанона-полнителями снизилась в 2,5.3,5 раза.

Библиографический список

1. Борисенко Л.И. Трибологические свойства новых кремнеземных смазок // Полимерные композиты и трибология: ма-

териалы межд. науч.-техн. конференции. Гомель, 2011. С. 48-49.

2. Губанова Н.В. Исследование технологических режимов получения модифицированной древесины // Молодой ученый. Чита: Изд-во Молодой ученый, 2010. № 12 (23). Т.1. С. 17-19.

3. Губанова Н.В., Шамаев, В.А. Теоретическое исследование процесса пропитки древесины жидкостью // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. 2013. № 2 (94). С. 88-96.

4. Мышкин Н.К., Свириденок А.И., Фридрих К. Развитие трибологии полимерных материалов // Полимерные композиты и трибология: материалы международной научно-технической конференции. Гомель, 2011. С. 3.

5. Шамаев В.А. Модифицирование древесины: учеб. пособие для студ. вузов. Воронеж: ВГЛТА, 2005. 197 с.

6. Шамаев В.А. Подшипники скольжения из модифицированной древесины // Вестник машиностроения. 2010. № 7. С. 62-68.

DOI: 10.12737/1763 УДК 684.04: 004.09

ОРГАНИЗАЦИЯ МУЛЬТИАГЕНТНОГО ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ КОРПУСНОЙ МЕБЕЛИ В СРЕДЕ ВКБМ

аспирант кафедры автоматизации производственных процессов Д. А. Мешков заведующий кафедрой автоматизации производственных процессов, доктор технических наук, доцент А. В. Стариков ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» DAMeshkov@gmail.com, Starikov.vrn@gmail.сот

В настоящее время большинство оте- чественных производителей корпусной