CC BY
58
DOI: 10.12737/18740 УДК 621.002: 674.812
ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАВИСИМОСТИ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СИЛЬНО НАГРУЖЕННЫХ ПОДШИПНИКОВ ИЗ МОДИФИЦИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ
кандидат технических наук А. А. Аксенов1 кандидат технических наук С. В. Малюков1 1 - ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», г. Воронеж, Российская Федерация
Проведен анализ широкого применения модифицированной древесины в узлах трения различных машин. Основным условием ее использования в качестве подшипникового материала является наличие положительных свойств, которыми она обладает: низкая стоимость; высокая износостойкость; низкая плотность при высоких физико-механических показателях; способность поглощать смазочные вещества, что обеспечивает эффект самосмазывания; способность демпфирования при действии переменных и ударных нагрузок; низкий, по сравнению с металлическими подшипниками, коэффициент трения; простой уход при эксплуатации. Показано, что модифицированная древесина значительно меняет свои механические свойства в зависимости от рабочей температуры и влажности. Низкая теплопроводность и теплостойкость модифицированной древесины требует обязательной расчетной информации о температурном режиме в узлах трения опор скольжения. Выявлено, что недооценка темпе-ратурно-влажностных напряжений может привести как к интенсивному износу, так и в некоторых случаях к разрушению подшипников скольжения. Были проведены исследования твердости, временных упругих и остаточных деформаций модифицированной древесины в зависимости от положительных и отрицательных температур. Подробно описана приборная установка для проведения исследований и принцип ее работы. Показана методика проведения эксперимента. Проведены исследования подшипников из модифицированной древесины на торцевой поверхности, так как упругий контакт имеет место в парах трения металл -торцевая поверхность. По результатам исследований построены графики зависимости свойств модифицированной древесины от температуры в диапазоне от -100 °С до +100 °С. Проведены теоретические исследования по разработке расчетных математических моделей узлов трения, работающих в условиях низких температур в зоне предельных значений упруго-вязкой деформации. По экспериментально-теоретическим исследованиям работоспособности и долговечности подшипников из модифицированной древесины сделаны выводы о повышении нагрузочной способности подшипника до двух раз при значительном снижении коэффициента трения и увеличении долговечности и межремонтного пробега многих машин, работающих в условиях Крайнего Севера, при понижении температуры воздуха, окружающего узел трения, до -60 °С.
Ключевые слова: модифицированная древесина, подшипник, исследования
RESEARCH OF DEPENDENCE OF TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF HIGHLY LOADED BEARINGS MADE OF MODIFIED WOOD
PhD in Engineering A. A. Aksenov1 PhD in Engineering S. V. Malyukov1 1 - Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», Voronezh, Russian Federation
Abstract
Analysis of the widespread use of modified wood in friction units of various machines has been. The main condition for its use as a bearing material, is the presence of positive properties, it possesses: low cost; high wear resistance; low density with high physical and mechanical properties; ability to absorb lubricants, which provides self-lubrication effect; damping capacity under the influence of variables and impact loads; is low compared to metal bearings, friction coefficient; easy maintenance during operation. It has been shown that the modified wood is significantly changing its mechanical properties, depending on the operating temperature and humidity. Low thermal conductivity and heat resistance of the modified wood requires a mandatory settlement information about temperature in friction sliding bearings. It was revealed that the underestimation of the temperature and humidity stresses can lead to intensive wear, and in some cases, to the destruction of the slide bearings. Studies have been conducted hardness, elastic and temporary modified residual strain in the wood, depending on the positive and negative temperatures. Described in detail the instrument setting for research and how it works. It is shown that the method of the experiment. The investigations of the modified wood bearing on the face, as a resilient contact is a metal friction pairs - the end surface. Studies show graphs of properties of the modified wood according to the temperature range from -100 ° C to 100 ° C. Theoretical studies on the development of computational mathematical models of friction units, working in conditions of low temperatures in the zone limits visco-elastic deformation. According to experimental and theoretical studies of efficiency and durability of bearings of modified wood conclusions on increasing the load bearing capacity of up to two times while significantly reducing the coefficient of friction and increase durability, and turnaround of many machines working in the Far North by lowering the air temperature surrounding the friction assembly to -60 °C.
Keywords: modified wood, bearing, researches
Введение талей или узлов, выполненных из металла,
В настоящее время во всех отраслях на другой материал, который по некото-
производства стремятся снизить энерго- и рым характеристикам даже превосходит
трудозатраты, а также материалоемкость его, при этом имеет меньшую массу, явля-
производимой продукции. Система техни- ется более дешевым и легко поддается об-
ческого сервиса в сельском хозяйстве не работке [1, 2].
является исключением. Здесь одной из са- В связи с истощением мировых запа-
мых актуальных задач является экономия сов сырья для производства конструкци-
металла или, другими словами, замена де- онных материалов все большее внимание
привлекают новые композиционные материалы из возобновляемых источников сырья. Одним из таких материалов является модифицированная древесина (МД), которая используется для изготовления деталей трения, таких как подшипники скольжения, втулки, вкладыши, направляющие, зубчатые колеса и т. д. [3].
Говоря о задачах модифицирования, необходимо в первую очередь максимально использовать все ценное, что заложено в древесину природой. Сейчас, в XXI веке, в области использования древесины на первый план выдвигаются задачи получения материалов из древесины с заданными свойствами, поскольку древесина является единственным природным возобновляемым материалом. Модифицированная древесина является полноценным заменителем древесины твердых лиственных и экзотических пород, пластмасс, черных и цветных металлов. Например, упрочняя древесину мягких лиственных пород (осина, ольха, береза, тополь) и пропитывая ее антифрикционными составами, получают подшипники скольжения, способные заменить до 20 % применяемых подшипников скольжения и качения. Расчеты показывают, что потребность в модифицированной древесине в России составляет 250 тыс. м (по тем позициям, где выявлена экономическая целесообразность), в том числе 120 тыс. м3 - мебельные заготовки, 30 тыс. м - детали машиностроения, 100 тыс. м - строительство [4, 5].
Использование МД в узлах трения различных машин до настоящего времени решалось экспериментальным подбором и созданием различных конструктивных ва-
риантов опор трения скольжения. Целенаправленное же решение этой проблемы невозможно без создания и использования надежных, удобных и проверенных методов расчета подшипников из МД [6, 7].
Целесообразность применения подшипников и узлов трения на основе модифицированной древесины в сельскохозяйственном машиностроении состоит:
- в повышении долговечности узлов трения благодаря применению модифицированной древесины торцово-прессового деформирования, обладающей более высокими характеристиками износостойкости и работоспособности в абразивно-агрессивных средах, чем подшипники качения или металлические и полимерные подшипники скольжения;
- экономии дефицитных материалов путем замены дорогостоящих металлических подшипников более дешевыми подшипниками на основе прессованной древесины, производимых из местного возобновляемого сырья, которые также могут быть использованы как импортозамещающие изделия;
- упрощении схемы монтажа и демонтажа ПСС в узлах трения в полевых условиях при внезапном отказе;
- снижении металлоемкости готовых изделий, что позволяет уменьшить нагрузку на оборудование и обрабатываемую почву;
- сокращении материальных ресурсов и трудозатрат (соответственно, потребности в дорогостоящем станочном оборудовании) при производстве ПСС благодаря новой высокопроизводительной, материало- и энергосберегающей технологии получения древесных вкладышей подшипников скольжения;
- возможности создания узлов нового поколения, основанных на уникальном комплексе свойств, характерных для этого класса материалов [8].
Проектируя подшипниковые узлы, следует иметь в виду, что вдоль волокон древесина отводит тепло вдвое лучше, чем поперек. При водопоглощении усилия разбухания имеют направление, обратное прессованию, и составляют от (от 5 до 25 МПа), а в направлении торцовой поверхности (вдоль волокон) равны нулю. Необходимо также учитывать, что прессованная древесина при изменении атмосферной влажности воздуха меняет размеры. Для уменьшения влияния окружающей среды следует предусматривать защиту торцовых поверхностей втулки герметическими крышками [9, 10].
Постановка задачи
Работоспособности подшипников из МД, работающих под нагрузками, приближающимися к твердости МД, определяются по критерию критической величины относительного сближения (И/
Я'
Твердость подшипникового материала может быть определена по формуле
Р
н =
2^ЯИ
откуда
И
Р
Л
у
Я 2жЯ2И1 _(Н1- И)-100
И "
и
Л,
100И
(1)
(2)
(3)
(4)
где Р - нагрузка на вдавливаемый шарик при определении твердости, временных упругих и остаточных деформаций, которая идентична удельному давлению в подшипнике, Н;
Я - радиус шарика, идентичный радиусу неровностей на поверхности трения, м;
И - глубина отпечатка шарика, измеренная после снятия давления, идентичная глубине внедрения неровностей металлического контртела в МД, вызывающих временные остаточные деформации, м ;
И - глубина отпечатка шарика, измеренная под нагрузкой, идентичная глубине внедрения неровностей контртела в МД с исчезающим бороздообразованием при упругом контакте поверхностей трения, м ;
И - твердость подшипникового материала, Н/м2 ;
ЛУ, ЛО - соответственно временные упругие и временные остаточные деформации.
Моделируя процесс на поверхности трения пары металл - МД по условиям упруго-вязкого контакта при удельных нагрузках, приближающихся к поверхностной твердости МД, можно сделать следующие выводы:
• критерий относительной величины сближения поверхностей трения, который при упруго-вязком контакте характеризует внедрение неровностей металлического контртела в МД, а при движении явлением исчезающего и изменяющегося во времени бороздообразования, может быть моделирован при исследовании твердости, временных упругих и остаточных деформаций, определяемых по ГОСТ 13338-86;
• основными критериями, характеризующими триботехнические свойства МД как антифрикционного материала, является твердость, временные упругие и остаточные деформации, определенные по ГОСТ 13338-86;
• по результатам экспериментальных исследований глубины погружения шарика под нагрузкой и глубины восстановленного его отпечатка после снятия нагрузки в зависимости от величины удельного давления, идентифицируя его с нагрузкой на шарик при определении твердости по ГОСТ 13338-86, можно определить и исследовать зависимость от температуры критического значения
сближения поверхностей трения (у^) .
Другими словами, по результатам теоретических исследований зависимости твердости, временных упругих и остаточных деформаций от температур на поверхности трения по ГОСТ 13338-86 (в интервале температур от +100 до -100° С ), можно установить характер изменения критерия сближения трущихся поверхностей и коэффициент трения.
Устройство и эксплуатация приборной установки для исследования
Приборная установка для исследования представлена на рис. 1 и состоит из рычажной системы нагружения (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10) с индикатором 17 для замера глубины вдавливания шарика в древесину, автоматического блока для управления режимом на-гружения шарика 5, 16, термокриокамеры 12 с автоматическим блоком тепло - холод 16, подъемника камеры 15, направляющих с винтами перемещения образца в различных направлениях 13.
Рычажная система нагружения выполнена в виде двуплечего рычага 1, на конце
короткого плеча которого укреплен уравновешивающий груз 2. Двуплечий рычаг шар-нирно закреплен на опоре 3. Сверху двуплечего рычага установлен реверсивный двигатель 4 и реле времени 5 с конечными выключателями. Фрикционная передача 6 кинематически связана с винтом 7, по которому перемещается передвижной груз 8. Снизу на длинном плече двуплечего рычага шарнирно закреплен шток 9 с шариком 10, расположенным на свободном конце штока и взаимодействующим с испытуемым образцом 11.
На дне рабочего пространства термо-криокамеры 12, связанной разъемами и кабелем с приборной стойкой и регулятором напряжения РН, установлены горизонтальные направляющие с микрометрическим винтом 13, перемещающим образец. Термокриока-мера поднимается и опускается подъемником 15. После установки термокриокамеры 12 по высоте с помощью подъемника 15 к термо-криокамере сверху через магнитный клапан присоединяется сосуд Дьюара 14. Термо-криокамера связана с электронным передвижным регулятором температуры 16 установки тепло - холод. К основанию шарнирной опоры 2 прикреплен индикатор 17, взаимодействующий со штоком 9, удерживающим шарик 10.
На рис. 2 представлена схема автоматического блока управления режимом работы двигателя. Принцип работы автоматического устройства управления режимом нагружения шарика следующий. Груз, перемещаясь в крайнее левое положение к двигателю, упором нажимает и удерживает кнопку конечного выключателя К1 и тем самым разрывает цепь подачи тока к двигателю. Переключатель фаз П1 двигателя переводится в крайнее левое положение I, как показано на рис. 2, и
Рис. 1. Кинематическая схема приборного устройства для определения твердости, временных
упругих и остаточных деформаций
Рис. 2. Схема электронного блока управления режимом работы двигателя приборной установки
при этом его клеммы замыкаются. Одновременно рычаг переключателя П1 замыкает контакты конечного выключателя К2 реле времени. Клеммы 6 - 1 и 10 - 2 магнитного реле РЭС-22 при этом будут разомкнуты.
Для ввода прибора в действие включателем ВК1, расположенным на щитке управления приборной стойки, подключается реле времени к источнику питания постоянного
тока напряжением 12 В. Ток от источника питания через замкнутые клеммы ВК1 поступает к плюсовой клемме электролитического конденсатора С2 и далее от него через замкнутые клеммы конечного выключателя К2, реле времени и сопротивление R1 ко второй клемме источника. Электролитический конденсатор С2 при этом будет заряжаться до величины напряжения источника питания.
Одновременно к базе транзистора Т1 через сопротивления Я2 прикладывается отрицательное напряжение, вследствие чего транзисторы Т1 и Т2 открыты и ток поступает к обмотке электромагнитного реле. Реле срабатывает и замыкает нормально открытые контакты 3 - 8, 6 - 1, 10 - 2. Контакты 3 - 8 зажигают сигнальную красную лампочку Л2.
Переменный ток напряжением 220В из сети проходит через контакты переключателя П1 и замкнутые клеммы 6 - 1, 10 - 2 магнитного реле к двигателю Д. Двигатель начинает вращать винт, перемещающий груз слева направо (от двигателя). Кнопка К1 конечного выключателя освобождается и занимает исходное положение «замкнуто». Груз, дойдя до крайнего левого положения, посредством пружины переводит рычаг переключателя П1 в крайнее правое положение II, тем самым его контакты и контакты конечного выключателя К2 реле времени разрываются. Подача тока к двигателю прекращается, и груз останавливается в крайнем правом положении в конце рычага, при этом отрицательное напряжение на базу транзистора Т1 продолжает передаваться с конденсатора С2.
По мере разрядки конденсатора С2 отрицательное напряжение на базе транзистора Т1 постепенно уменьшается и по истечении определенного времени (например, 30 с) становится недостаточным для удерживания якоря реле. В результате этого реле выключается, и при этом контакты 3 - 8, 6 - 1, 10 - 2 раскрываются, а закрываются нормально закрытые контакты 7 - 3, 1 - 5, 2 - 9.
В этом положении ток из сети напряжением 220 В проходит через конечный выключатель К1, закрытый клеммой 5 - 1, 2 - 9 и конденсатор С1 к двум фазам двигателя, а
третья от двигателя проходит обратно к источнику тока. Одновременно через замкнутые контакты 7 - 3 включается зеленая сигнальная лампочка Л1. Двигатель начинает вращать винт в обратную сторону, и груз перемещается справа налево (к двигателю). Дойдя до крайнего левого положения, груз нажимает на кнопку конечного выключателя К1 и выключает двигатель, т.е. движение груза прекращается.
Для повторения цикла нагружения необходимо вручную обратно перевести рукоятку переключателя П1 из правого II в левое I положение, т.е. замкнуть его контакты и контакты конечного выключателя К2. В дальнейшем цикл нагружения повторяется в последовательности, описанной ранее. Регулирование времени выстоя производится изменением величины сопротивления которое сблокировано с сопротивлением Ю.
Для задания требуемой температуры, ее изменения и контроля служит установка тепло - холод, которая состоит из сосуда Дьюара 14, соединенного с термокриокамерой 12, регулятора напряжения РН, соединенного многоканальным разъемом с передвижным электронным блоком 16.
Установка тепло - холод работает следующим образом. После подключения передвижного электронного регулятора температуры 16 к сети напряжением 220 В , переключателями, расположенными на передней панели прибора, задаются, регулируются и поддерживаются нужные температуры в термокриокамере 12 в следующих диапазонах: от +100 до -100 0С через ± 10 0С.
В итоге в рабочем пространстве термо-криокамеры будут поддерживаться и контролироваться заданные температуры.
Для предохранения сосуда Дьюара от взрыва на конце латунной трубки подачи азота у входа в криокамеру установлен предохранительный клапан.
После окончания опыта по определению твердости при заданной температуре указатель рукоятки задатчика переводят на следующую ступень и опыт повторяется.
Глубину погружения шарика в нагретые или охлажденные образцы под нагрузкой 250 Н и остающихся отпечатков по ГОСТ 13338-86 определяют следующим образом (см. рис. 1). При снятой крышке термокрио-камеры 12 в направляющие 13, расположенные на дне камеры, вставляют испытуемый образец 11 и микрометрическим винтом фиксируют его по заранее нанесенным меткам. После этого крышку термокриокамеры посредством винтовых зажимов плотно закрывают. Затем термокриокамеру устанавливают и фиксируют на подставке вертикального подъемника 15 так, чтобы шток 9, удерживающий шарик 10, совпал с отверстием в крышке термокриокамеры. Вращением плоской гайки подъемника 15 производят подъем камеры. При этом шток через отверстие в крышке проходит внутрь термокриокамеры. Термокриокамеру поднимают до тех пор, пока двуплечий рычаг 2, вращающийся вокруг оси кронштейна 3, не примет строго горизонтальное положение по уровню, установленному на рычаге.
В дальнейшем переносной электронный регулятор температуры установки тепло - холод посредством многоканальных разъемов присоединяют к нагревателям, к обмотке магнитного клапана, к задатчику и термодатчикам температуры, расположенным внутри камеры. В результате в рабочем пространстве
термокриокамеры устанавливается и поддерживается любая заданная температура. По истечении 15-20 мин образец, находящийся в термокриокамере, нагревается или охлаждается до заданной температуры. Температура нагрева внутренних слоев образца контролируется термодатчиком, установленным в высверленное в нем отверстие.
Для нанесения отпечатка шарика в нагретом или охлажденном образце с пульта, расположенного на щитке управления, автоматическим устройством нагружения включают реле времени, и в работу включается автоматическое устройство для управления режимом нагружения по ранее описанной схеме. Во время выдержки шарика под нагрузкой оператор наблюдает за стрелкой индикатора 17 (рис. 1) и после прекращения движения стрелки индикатора (примерно через 30 с ) записывает в протокол глубину отпечатка шарика под нагрузкой в образец. После снятия нагрузки с шарика и прекращения движения стрелки тем же индикатором определяют глубину восстановленного отпечатка шарика при снятой нагрузке.
Время выдержки шарика под максимальной нагрузкой регулируется реостатом, расположенным на щите управления. Кроме этого, на щите управления установлены две лампочки: красная сигнализирует о времени выстоя; зеленая - о нагружении.
Величину нагрузки на шарик можно изменять подбором массы гирь, устанавливаемых на передвижном грузе 8 и противовесе 1 (см. рис. 1). Для перемещения образца в положение второго отпечатка специальным поворотным рычагом длинное плечо двуплечего рычага 2 (см. рис. 1) поднимают вверх на 10-15 мм, тем самым образец освобож-
дают от шарика и микрометрическим винтом в направляющих перемещают его на расстояние 5 мм, т.е. к следующему нагруже-нию.
Таким образом опыты повторяют при той же или других значениях температуры.
После нанесения первого ряда отпечатков на одной из граней образца прибор выключают из сети, снимают термокриокамеру с подставки подъемника, открывают ее крышку и образец разворачивают в вертикальной плоскости на 1800 для нанесения второго ряда отпечатков или поворачивают вокруг оси на 1800 для нанесения отпечатков на противоположной грани.
Наиболее точные результаты могут быть получены при определении твердости для всех ступеней положительных и отрицательных температур на одной грани образца.
Методика проведения испытаний, обработки экспериментальных данных и результаты испытаний
Для исследования твердости, временных упругих и остаточных деформаций в зависимости от положительных и отрицательных температур используются образцы размером 15 х 15 х 45 мм, позволяющие на торцевых гранях размером 15 х 45 мм измерять твердость вдавливанием шарика для 12-ти ступеней температур в диапазоне от +100 до -1000С . Для подшипников из МД необходимо исследовать торцевую поверхностную твердость, так как упругий контакт имеет место в парах трения металл - торцевая поверхность МД.
Отклонение от номинальных размеров образцов должно быть не более 0,5 мм по высоте и ширине и 2 мм по длине.
Поверхность образцов обрабатывают фрезами так, чтобы параметр их шероховатости Я2 тах был равен 300-200 мкм (ГОСТ
7016-75). Поверхности не должны иметь пороков и механических дефектов обработки: сучков, трещин, вздутий, оттисков, рисок, сколов у кромок, выкрашивания уголков. До начала испытаний образцы выдерживаются в эксикаторах при 20 ± 5 0С и относительной влажности воздуха 65 ± 5 % в течение 5 суток. Массу, размеры образцов, определенные после выдержки в эксикаторах, и их значения принимают за исходные. Твердость определяют по ГОСТ 13338-86.
Для достижения точности не менее 5 % при коэффициенте вариации 15 число опытов п для каждого вида испытаний равно 9. До начала испытаний определяют плотность древесины каждого образца, измеряя их штангенциркулем с погрешностью до 0,1 мм и взвешивая с погрешностью не более 0,001 г . Плотность р , кг/м3, вычисляют с погрешностью до 1 кг/м3 по формуле m
Р
(5)
abl'
где ш - начальная масса образца, кг; Ь - ширина образца, м; а - высота образца, м; I - длина образца, м. После определения плотности испытуемый образец устанавливают на дно тер-мокриокамеры описанного ранее приборного устройства, по ранее описанной схеме, и создают предварительную нагрузку на шарик, равную 10 Н. Шкалу индикатора прибора устанавливают на 0, после чего плавно увеличивают нагрузку на шарик до 250 Н в те-
чение 30 ± 3 с и выдерживают его под нагрузкой 30 ± 3 с. Затем замеряют глубину погружения шарика в образец (отпечатка) И и нагрузку в течение 30 ± 3 с плавно снимают. После снятия нагрузки делают выдержку до тех пор, пока стрелка индикатора не остановится, т.е. не произойдет восстановление отпечатка шарика, и только после этого замеряют глубину восстановленного отпечатка И .
Первое измерение твердости делают при температуре образца, равной 20 0С , последующие - при 0 и температурах -10 0С , -20, -50, -70, -100 0С. Для каждой из этих температур делают замер глубины отпечатка шарика: первый - при полном погружении шарика после выдержки в течение 30 с под нагрузкой 250 Н ; второй - после снятия нагрузки и восстановления отпечатка.
Глубину отпечатка измеряют с погрешностью не более 0,002 мм. Для определения изменений влажности в процессе испытаний образцы периодически взвешивают, причем первое взвешивание производят после воздействия - температуры +100 0С, второе - после воздействия температуры -100 0С и третье - в конце испытаний. Взвешенные в конце испытаний образцы высушивают в сушильном шкафу при +60 0С до постоянной массы. Высушивание образцов считают законченным, если разность между двумя последующими взвешиваниями, произведенными через 2 часа, будет не более 0,001 г . После охлаждения образцов в эксикаторе с безводным хлористым кальцием или серной кислотой их повторно взвешивают с той же погрешностью, и эту массу высушенных образцов принимают за действительную.
Твердость И, Н/м2 , временные упругие ЛУ, %, и временные остаточные деформации ЛО , %, вычисляют по ранее приведенным формулам (1), (3) и (4).
Вычисления производят с погрешностью не более 1 • 103 Н/м2 при определении твердости и не более 1 % при определении временных упругих и остаточных деформаций.
Влажность образцов W, %, вычисляют по формуле
т - тл
Ж
• 100,
тп
(6)
где т - масса образца до испытания, после воздействия температуры +100 0С, -100 0С и в конце испытаний до высушивания, кг ;
т0 - постоянная масса образца после
высушивания и выдержки в эксикаторе, кг .
Вычисления производят с погрешностью не более 0,1 %. Результаты опытных данных заносят в протоколы и обрабатывают методом вариационной статистики. Результаты испытаний 1. Определение твердости в зависимости от температуры.
По рассмотренной ранее методике на созданном вновь в ВГЛТУ приборном устройстве была исследована зависимость твердости от температур в диапазоне их изменения от +100° С до -100 0С. По результатам неоднократных исследований построен достоверный график зависимости торцевой поверхностной твердости МД от температур, который представлен на рис. 3.
Из графика, представленного на рис. 3, можно сделать следующие выводы:
•с повышением температуры МД твердость уменьшается. Так, например, с повышением температуры от +20 до +100 0С она снизилась от 150 до 75 Н/м2 , т.е. в 2 раза;
•с понижением температуры твердость более интенсивно возрастает, например, с понижением температуры с +20 до -100 0С
она увеличилась от 150 до 450 НI м2 , т.е. в 3,0 раза.
д.
403
300
1
' -
1 1 100 --- —
1 1
1 1 1 1
80 й 4а 20 О 40 60 || Ш
Рис. 3. График зависимости твердости торцевой поверхности от температуры в диапазоне от -100 0С до +100 0С
2. Определение временных упругих и остаточных деформаций от температуры.
Одновременно с определением твердости по ГОСТ 13338-86 по глубине под нагрузкой и восстановленной лунки после снятия нагрузки на шарик и выдержки определяем временные упругие и остаточные деформации, зависимость которых от температур
в диапазоне 178
от +100 до
-100
0С
представлена на рис. 4.
Из графиков, представленных на рис. 4, следует, что:
•временные упругие и остаточные деформации в зависимости от температур изменяются по ломаной кривой, близкой к прямой. Так, например, с повышением температуры от +20 до +100 0С временная упругая деформация уменьшается с 65 до 50 %, т.е. на 15 %, а временная остаточная деформация - возрастает с 35 до 53 %, т.е. на 18 %;
•с понижением температуры от +20 0С до -100 0С временные упругие деформации растут с 65 до 85 %, т.е. на 20 %, а временные остаточные деформации - уменьшаются с 35 до 15 %, тоже на 20 %;
•с понижением температуры антифрикционные свойства МД улучшаются за счет уменьшения критерия сближения трущихся
поверхностей
и деформационной со-
ставляющей коэффициента трения ¡ид .
Теоретические предпосылки по разработке расчетных математических моделей узлов трения, работающих в условиях низких температур в зоне предельных значений упруго-вязкой деформации.
•Если учесть тот факт, что основными критериями, определяющими работоспособность подшипников из МД при условии упруго-вязкого контакта, приближающегося к пластическому (к границе пластических деформаций), является твердость, временные упругие и остаточные деформации, возникающие на поверхности трения, то становится очевидным, что исследования этих параметров при разработке расчетных математических моделей являются определяющим
Рис. 4. Графики зависимости временных упругих ЛУ и временных остаточных Л О деформаций от температуры в диапазоне +100 0С до -100 0С : 1 - ЛУ; 2 - ЛО
фактором. Для подшипников третьей группы деформационная составляющая коэффициента трения занимает основную его долю, а температурный режим работы подшипника не является определяющим его работоспособность.
К этой группе подшипников относятся узлы трения с подшипниками из МД, работающие при нагрузках, близких по величине к ее твердости, но при незначительных скоростях. Это преимущественно узлы трения с направляющими планками, ползунами возвратно-поступательного движения прессов, кранов манипуляторов и другие, работающие в условиях Крайнего Севера, т.е. при низких температурах окружающей среды.
На поверхности трения в подшипниках этой группы имеют место сложные виды деформации при контакте трущихся пар. В первоначальный период приработки на поверхности трения образуются острова приработки, которые постепенно увеличиваются по размерам, достигают оптимальной величины и соединяются друг с дру-
гом. При воздействии нагрузок на подшипник в МД как упруго-вязко-пластическом материале (на островках контакта с металлом) происходят временные упругие и остаточные деформации. Причем, по данным исследований
М.Н. Михина и других авторов, остаточные деформации появляются одновременно с упругими с самого начала нагружения подшипника, но в начальной стадии при небольших нагрузках они являются обратимыми. При больших нагрузках, близких к твердости МД, эти деформации могут быть необратимыми, что приводит к пластическим деформациям и разрушению гидротермического равновесия в узле трения.
Подшипники из МД будут работоспособными в том случае, если нагрузки не вызывают деформации пластического течения, так как при высоких нагрузках появляются необратимые деформации, что нарушает режим работы узла трения в целом и приведет к его разрушению. Деформационная составляющая коэффициента трения при упруго-вязком контакте трущихся пар, в основном,
зависит от величины временных упругих и восстанавливаемых остаточных деформаций, которые изменяются в больших пределах под воздействием температур. При больших нагрузках на подшипник молекулярная составляющая коэффициента трения будет занимать небольшой удельный вес от общего его значения.
Упругий контакт имеет место, когда величина относительного внедрения единичных неровностей более твердого и жесткого контртела (металл) в антифрикционный слой (МД) И больше нуля и не превышает критической величины сближения
КР
, с которой начинается пластическая
деформация антифрикционного слоя из МД. Поэтому главным критерием, определяющим работоспособность и долговечность подшипников из МД, работающих в этих условиях, является критическая величина относительного сближения трущихся поверхностей, которая может определяться по ранее установленным зависимостям по методике определения твердости, временных упругих и остаточных деформаций МД по ГОСТ 13338-86: из условий твердости
Г И Л Р
V
Я
2жЯ2 И
(7)
'укр
из условий упруго-вязких деформаций
, . о
( И
— = ^ 1 -
Я
(1 -п-)*[§]. (8)
КР
где аГ - коэффициент гистерезисных потерь; П - коэффициент Пуассона; р - коэффициент, учитывающий влияние формы подшипника, вид трения (вращательное или возвратно-
поступательное), смазку, скорость скольжения, направление силы трения по отношению к волокнам древесины и другие факторы;
с - коэффициент повышения несущей способности контакта (запас прочности упругого контакта);
а - предел текучести МД, Н/м2; Е - модуль упругости МД при трении торцевой поверхности, Н/ м;
И - твердость подшипникового материала, определенная по ГОСТ 13338-86, Н/м2;
Р - нагрузка на шарик, Н . Величина относительного сближения поверхности трения для металлических пар трения ограничивается твердостью и дефор-мативностью подшипникового материала по следующей зависимости:
Г
V Я
Ис
Е
(9)
<5,4-(1 -п2) •Ф
У кр
где Н£ - твердость подшипникового материала по Бринеллю.
Соответственно допустимые пределы нагрузок на подшипники из МД могут быть определены по следующим зависимостям:
И
Я
(10)
р < 2жЯ2И
V Я Укр
или в зависимости от твердости по ус ловиям упруго-вязкого контакта
' Л2
р < 1 (1 -п ц са у
И,. (11)
2 ^ 7 V Е
В формуле (10) делается отождествление нагрузки на шарик Р , установленной по ГОСТ 13338-86, с удельным давлением на поверхности неровности, вдавливаемой в МД при трении, что может быть достигнуто при
2
установлении оптимальной критической нагрузки, при которой начинаются пластические деформации.
Коэффициент трения в зависимости от величины относительного сближения трущихся поверхностей, твердости и деформа-тивности антифрикционного материала определяется по формулам
!= — + ¡ + k1aГ Р
V
или
!= — + 3 + k1aI Р
V К У кр
Р
2жЯ2 Н
(12)
(13)
или с учетом конструкции подшипника и деформативности ДМ
Т 1
!=—+3+0,55у (1 - у) кагф--Р, (14)
р Е
или
! = -Л + 3 + 0,55у(1 -у)
Р
1 -п2 ( к1агф2яЯ2Н(
(15)
Е
V К Укр
где т0 - тангенциальная прочность адгезион-
ной связи, НI м2;
р - удельное давление, Н/м2; Р - нагрузка на шарик, которая в процессе эксперимента по величине приводится к удельному давлению р , Н / м2; 3 - пьезокоэффициент; у - показатель опорной поверхности; кх - коэффициент, зависящий от показателя кривой опорной поверхности.
Произведя анализ формул (8) - (15) с точки зрения контакта, имеющего место на
поверхности трения, и сопоставляя критерий сближения трущихся поверхностей с глубиной отпечатка шарика радиусом К под нагрузкой и после снятия нагрузки при исследовании твердости, временных упругих и остаточных деформаций по ГОСТ 13338-86, а также принимая во внимание исследования зависимости твердости, временных упругих и остаточных деформаций от положительных и отрицательных температур, можно сделать следующие выводы:
1. Первые два члена в формулах (12) -(15) представляют собой молекулярную составляющую коэффициента трения цмол, т.е.
!мол = —, которая может быть определена и Р
исследована в зависимости от температур в интервале от +100 до -100 °С экспериментальным путем на приборном устройстве, представленном на рис. 1, путем вращения шарика под нагрузкой вокруг вертикальной оси и определения внешней силы, расходуемой при этом на преодоление сил сцепления молекул между древесиной и металлом, при вращении шарика. Для решения этой задачи необходимо разработать новую конструкцию штока 9 и крепления шарика 10 приборного устройства (рис. 1). Необходимо шарик 10 жестко закрепить к стержню, располагаемому внутри штока 9 и свободно вращающемуся в опорных шариковых подшипниках. Для измерения усилия вращения стержня необходимо разработать специальную рычажно-измерительную систему, позволяющую с достаточной достоверностью определять силы поверхностного сцепления при вращении шарика;
2. Вторая часть формул (12) - (15)
представляет собой деформационную составляющую коэффициента трения
¡дф =Р+Ка
'и л
V яукр
-- (5+ЦаГ
Р
2я■Я-И
.(16)
или
(17)
иеф =£+0,55Ц1-г) Каф-Е^Р=
1-п2 ^ И Л =^+0,55г(1-г) к1а1ф—'- 2лЯ2И1 - .
Е V яУкр
Определяя экспериментальным путем оптимальное значение критерия сближения поверхности трения по ГОСТ 13338-86 И
и исследуя зависимость твердости
КР
И от температуры t, т.е. И = / (t), и упру
гих деформаций
= / (г), разрабаты-
ваем алгоритм зависимости деформационной составляющей коэффициента трения от температуры и упругой деформации, т.е.
Ьдеф = Р + 0,55г(1 -V)кцгф •
1 -П
Е
2я Я2
н=/
t, и
Я
(18)
Экспериментальные исследования по установлению зависимости критерия сбли-
жения поверхности трения
И
допус-
КР
каемых пределов нагрузок на подшипник [р ] и коэффициента трения и от температур t в широком диапазоне их значений (от +100 до -100 0С) позволят разработать реальные расчетные математические модели и построить рабочие номограммы по инженерным расчетам подшипников третьей группы при их проектировании и внедрении.
По предварительно проведенным экспериментально-теоретическим исследованиям работоспособности и долговечности подшипников из МД можно сделать далеко идущие выводы: понижение температуры воздуха, окружающего узел трения, до -60 0С позволит повысить нагрузочную способность подшипника до двух раз при значительном снижении коэффициента трения и увеличении долговечности и межремонтного пробега многих машин, работающих в условиях Крайнего Севера. Подтверждающим примером этому утверждению является опыт широкомасштабного внедрения подшипников из МД в устьевых сальниках нефтекача-лок в нефтедобывающей отрасли промышленности России.
Проводимые исследования в этой области представляют большой практический интерес для машиностроения, выпускающего технологическое оборудование, работающее в тяжелых условиях Крайнего Севера, так как широкомасштабное внедрение подшипников из МД в узлы трения машин, механизмов и технологического оборудования, работающих в условиях низких температур, вечной мерзлоты и высокой загрязненности абразивом, позволит значительно повысить их работоспособность, надежность и долговечность при минимальных энергозатратах.
Заключение
1. Постановка задачи на разработку расчетных математических моделей по определению работоспособности подшипников из МД по условиям критерия сближения поверхностей трения при упруго-вязком контакте на границе пластических деформаций под воздействием внешних отрицательных температур представляет большой теорети-
КР
ческий и практический интерес. Это позволит значительно расширить область высокоэффективного использования МД для изготовления подшипников.
основное внимание уделять повышению ее твердости и упругой деформативности.
3. Успешное решение этих задач может быть достигнуто при условии единства фундаментальных и прикладных исследований с образовательным процессом и привлечения ученых академических и образовательных систем.
2. При разработке высоких и критических технологий модифицирования древесины, систем технологического регулирования и управления качеством МД, используемой для изготовления подшипников, необходимо
Библиографический список
1. Подшипники скольжения из модифицированной древесины для сельскохозяйственных машин [Текст] / И. Н. Медведев, Д. Н. Афоничев, В. А. Шамаев, В. А. Манаев // Вестник Воронежского государственного аграрного университета. - 2013. - № 4. - С. 129-133.
2. Chemical responses to modified lignin composition in tension wood of hybrid poplar (populus tremula x populus alba) [Тех^ / J. M. Al-Haddad, F. W. Telewski, K.-Y. Kang, S. D. Mansfield // Tree Physiology. - 2013. - Vol. 33. - no. 4. - pp. 365-373. - DOI: 10.1093/treephys/tpt017.
3. Шамаев, В. А. Подшипники скольжения из модифицированной древесины [Текст] / В. А. Шамаев // Вестник машиностроения. - 2010. - № 7. - С. 45-49.
4. Шамаев, В. А. Химико-механическое модифицирование древесины [Текст] : монография / В. А. Шамаев. - Воронеж, 2003. - 260 с.
5. Grelier, S. Use of low molecular weight modified polystyrene to prevent photodegradation of clear softwoods for outdoor use [Тех^ / S. Grelier, A. Castellan, L. Podgorski // Polymer Degradation and Stability. - 2007. - Vol. 92. - No. 8. - Pp. 1520-1527. - DOI: 10.1016/j .polymdegradstab .2007.05.011
6. Белокуров, В. П. Термо-влагоупругость подшипников скольжения из дм при использовании задачи Ламе [Текст] / В. П. Белокуров // Лесотехнический журнал. - 2015. -Т. 5. - № 2. - С. 104-110. - DOI: 10.12737/111984
7. Duanmu, J. Hygromechanical properties of composites of crosslinked allylglycidyl-ether modified starch reinforced by wood fibres [Тех^ / J. Duanmu, E. K. Gamstedt, A. Rosling // Composites Science and Technology. - 2007. - Vol. 67. - no. 15-16. - pp. 3090-3097. - DOI: 10.1016/j.compscitech.2007.04.027
8. Врублевский, В. Б. Применение прессованной модифицированной древесины в узлах трения сельскохозяйственной техники [Текст] / В. Б. Врублевский, А. Б. Невзорова, В. А. Дашковский // Вестник Полоцкого государственного университета. Серия В: Промышленность. Прикладные науки. - 2010. - № 2. - С. 44-48.
9. Прессованная древесина в машиностроении [Текст] : справ. / В. А. Шамаев [и др.]. -Воронеж, 2005. - 92 с.
10. Effect of accelerated weathering on surface chemistry of modified wood [Text] / A. Temiz, N. Terziev, M. Eikenes, J. Hafren // Applied Surface Science. - 2007. - Vol. 253. -No. 12. - Pp. 5355-5362. - DOI: 10.1016/j.apsusc.2006.12.005.
References
1. Medvedev I. N., Afonichev D. N., Shamaev V. A., Manaev V. A. Podshipniki skol'zhenija iz modificirovannoj drevesiny dlja sel'skohozjajstvennyh mashin [Manayeu Plain bearings of modified wood for agricultural machines]. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [Bulletin of Voronezh State Agrarian University]. 2013, no. 4, pp. 129-133. (in Russian).
2. Al-Haddad J. M., Telewski F. W., Kang K.-Y., Mansfield S. D. Chemical responses to modified lignin composition in tension wood of hybrid poplar (populus tremula x populus alba). Tree Physiology, 2013, Vol. 33, no. 4, pp. 365-373. doi: 10.1093/treephys/tpt017
3. Shamaev V. A. Podshipniki skol'zhenija iz modificirovannoj drevesiny [Plain bearings of modified wood]. Vestnikmashinostroenija [Russian Engineering Research], 2010, no. 7, pp. 45-49. (in Russian).
4. Shamaev V. A. Himiko-mehanicheskoe modificirovanie drevesiny [Chemical-mechanical modification of wood]. Voronezh, 2003. 260 p. (in Russian).
5. Grelier S., Castellan A., Podgorski L. Use of low molecular weight modified polystyrene to prevent photodegradation of clear softwoods for outdoor use. Polymer Degradation and Stability, 2007, Vol. 92, no.8, pp. 1520-1527. DOI: 10.1016/j.polymdegradstab.2007.05.011
6. Belokurov V. P. Termo-vlagouprugost' podshipnikov skol'zhenija iz dm pri ispol'-zovanii zadachi Lame [Thermo vlagouprugost bearings from dm using Lame problem]. Lesotekhnicheskii zhurnal, 2015, Vol. 5, no. 2. pp. 104-110. (in Russian). doi: 10.12737/111984
7. Duanmu J., Gamstedt E. K., Rosling A. Hygromechanical properties of composites of crosslinked allylglycidyl-ether modified starch reinforced by wood fibres. Composites Science and Technology, 2007, Vol. 67, no. 15-16, pp. 3090-3097. doi: 10.1016/j.compscitech.2007.04.027
8. Vrublevskij V. B., Nevzorova A. B., Dashkovskij V. A. Primenenie pressovannoj modificirovannoj drevesiny v uzlah trenija sel'skohozjajstvennoj tehniki [The use of modified wood pressed in friction agricultural equipment]. Vestnik Polockogo gosudarstvennogo universiteta. Ser. B: Promyshlennost'. Prikladnye nauki [Herald of Polotsk State University. Series B: industry. Applied Science]. 2010, no. 2, pp. 44-48. (in Russian).
9. Shamaev V. A. [et al.] Pressovannaja drevesina v mashinostroenii [Pressed wood in mechanical engineering]. Voronezh, 2005, 92 p. (in Russian).
10. Temiz A., Terziev N., Eikenes M., Hafren J. Effect of accelerated weathering on surface chemistry of modified wood. Applied Surface Science, 2007, Vol. 253, no. 12, pp. 5355-5362. doi: 10.1016/j.apsusc.2006.12.005.
Сведения об авторах
Аксенов Алексей Александрович - доцент кафедры производства, ремонта и эксплуатации машин ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет
имени Г.Ф. Морозова», кандидат технических наук, г. Воронеж, Российская Федерация; e-mail: aaa- aksenov@mail.ru.
Малюков Сергей Владимирович - доцент кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», кандидат технических наук, г. Воронеж, Российская Федерация; e-mail: maljukov-sergejj@rambler.ru.
Information about authors
Aksenov Alexey Aleksandrovich - Associate Professor of Production, Repair and Maintenance of Machinery Department, Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», PhD in Engineering, Voronezh, Russian Federation; e-mail: aaa-aksenov@mail.ru.
Malyukov Sergey Vladimirovich - Associate Professor Department of Forestry Mechanization and Machine Design, Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», PhD in Engineering, Voronezh, Russian Federation; e-mail: maljukov-sergejj@rambler.ru.
DOI: 10.12737/18741 УДК 631.363.2
СПОСОБ ОПТИМИЗАЦИИ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ МОЛОТКОВ
КОРМОДРОБИЛОК
кандидат технических наук, доцент А. А. Петров1 кандидат технических наук, доцент В. С. Стеновский1 Н. В. Белоусова1
1 - ФГБОУ ВО «Оренбургский ГАУ», г. Оренбург, Российская Федерация
Целью исследования является повышение надежности работы кормодробилок за счет обоснования конструктивных параметров молотка и выбора материала для его изготовления. Объект исследования - процесс износа молотка в кормодробилке молоткового типа. Представлены результаты теоретических исследований по повышению износостойкости молотков кормодробилок. Проанализировав работу кормодробилки, пришли к выводу, что молоток отклоняется от радиального положения на угол а. Теоретическими расчетами установлено, что для исключения проскальзывания зерна по молотку кормодробилки необходимо изготовить молоток с заранее известным углом наклона рабочей грани, равным 16-18°. В результате исключения проскальзывания зерна по молотку происходит снижение износа. В результате эксперимента была получена зависимость угла отклонения молотка от радиального положения от таких факторов, как: скорость молотка, м/с; влажность измельчаемого материала, %; степень измельчения материала, %; величина подачи материала, кг/с. Для кормодробилки
