CC BY
9
ных материалов на основе водорастворимого биоклея из низкосортной древесины / С.В. Пашкин, М.А. Иванова, В.М. Щеколов // Лесной вестник. 2012. №8. С.59-63.
3. Стрикун, В.В. Получение древесных теплоизоляционных плит с использование клеев биологического происхождения / В.В. Стрикун, М.А. Баяндин, В.Н. Ермолин // Материалы VI Международного симпозиума имени Б.Н. Уголева, посвященного 50-летию Регионального Координационного совета по современным проблемам древесиноведения (Красноярск, 10-16 сентября 2018г.). Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2018. С. 189-192.
4. ГОСТ 17177-94 «Материалы и изделия строительные теплоизоляционные. Методы испытаний». М: Изд-во стандартов, 1994. 14 с.
УДК 62-233:674.05
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ АНТИФРИКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ УЗЛОВ СКОЛЬЖЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО
ОБОРУДОВАНИЯ
ADVANCED COMPOSITE ANTIFRICTION MATERIALS OF SLIDING NODES PROCESS EQUIPMENT
Шевелева Е.В.
(Брянский государственный инженерно-технологический университет, г.Брянск, РФ)
Sheveleva E.V.
(Bryansk State Engineering-technological University, Bryansk, Russia)
Рассмотрены способы использования антифрикционных вкладышей подшипников, изготавливаемых из древесно-металлических композиционных материалов, а также теплоаккумулирующих наполнителей вкладышей подшипников.
The ways of using antifriction bearing inserts made of wood-metal composite materials, as well as heat-accumulating fillers of bearing inserts are considered.
Ключевые слова: подшипники скольжения, композиционные материалы, тепло-рассеивающие материалы, теплоаккумулирующие материалы, древесно- металлические материалы
Key words: sliding bearing, composite materials, heat-dispersing materials, heat storage materials, wood-metal materials
Актуальным вопросом в настоящее время является повышение долговечности узлов скольжения технологического оборудования, совершенствуя их конструкцию и используяновые антифрикционные материалы. При проектировании подшипников скольжения важно стремиться исключить трение без смазочного материала, что дает возможность работать при больших нагрузках и высоких скоростях скольжения, в присутствии абразива без вибраций и перегрева подшипника. Однако, применительно к достаточно широкому кругу триботехнических объектов, такое инженерное решение является сложно разрешимым.
Анализ возможностей использования антифрикционных материалов показал, что гомогенные материалы не в полной мере отвечают свойствам, которые могут обеспечить работоспособность рассматриваемых подшипниковых узлов [1].Положительной особенностью антифрикционных полимерных материалов является возможность использования при их эксплуатации
в качестве смазочного материала водных сред, также они намного легче и значительно дешевле вкладышей, изготовленных из широко применяемых сплавов цветных металлов.Однако полимерные материалы обладают таким существенным недостатком, как малая теплопроводность, что негативно сказывается на эксплуатационных свойствах подшипниковых узлов.
Одним из возможных путей улучшения триботехнических характеристик узлов скольжения является введение в базовый антифрикционный материал оптимизирующих наполнителей и создание за счет этого более работоспособной гетерогенной структуры [2, 3]. Дополнительноулучшить свойства таких материалов можно за счет рационального комбинирования различных составляющих в композите, которое обеспечивает получение новых материалов, имеющих повышенные совокупные эксплуатационные характеристики, достигаемые за счет проявления синергетического эффекта. Например, можно эффективно применять такой растительный полимер, как древесина различных пород, которую для улучшения ее фунциональных характеристик целесообразно подвергать различным методам оптимизирующей модификации.
Разработка технологий, направленных на достижение более высокого уровня физико-химических и триботехнических характеристик древесины и антифрикционных материалов на ее основе, позволили обосновать их рациональное применение для изготовления широкой номенклатуры антифрикционных вкладышей подшипников скольжения, которые обладают достаточной для многих изделий работоспособностью [1-3].
В процессе исследований были выявлены закономерности влияния особенностей строения древесины, условий и технологических аспектов её модифицирования на формирование функциональных характеристик создаваемых антифрикционных материалов. Кроме того были установлены технико-экономические перспективы использования модифицированной древесины в качестве основы для создания древесно-металлических композиционных материалов трибологического назначения.
Анализ развития дальнейших перспектив повышения работоспособности деталей из древесно-металлических материалов показал, что она должна совместно обеспечиваться за счет формирования благоприятной совокупности объемных характеристик, которые определяются строением и свойствами отдельных структурных составляющих древесной матрицы и металлической фазы, а также путем управления свойствами функциональных поверхностных слоев деталей при обработке их резанием или реализации других схем формирования требуемой макро- и микрогеометрии деталей.
Таким образом, за счет подбора исходных материалов и использования целесообразной технологии создания композитов можно обеспечить получение изделий с заранее обусловленными триботехническими свойствами. Например, для снижения уровня теплового воздействия на рабочие поверхности деталей узлов скольжения в качестве наполнителя целесообразно использовать металлы, имеющие высокую теплопроводность, или обладающие значительной теплоемкостью и, соответственно, теплоаккумулирующей способностью.
Для повышения работоспособности деталей при отсутствии возможности их эффективного смазывания при фрикционном взаимодействии можно исполь-
зовать в антифрикционном материале сочетание металлической, твердосмазоч-ной и полимерной составляющих. Такой же результат может быть достигнут путем создания комбинированных конструкций деталей узлов скольжения, состоящих из растительного полимера - древесины и металлов.
Металлическая фаза, используемая в композите, может вводиться в матрицу в виде отдельных изолированных включений различной формы и дисперсности или соответствующего каркаса, выполненного из отдельных элементов, соединяемых между собой различными способами. Применение такого рода композиционных материалов с использованием в качестве матрицы древесины позволяет обеспечить высокий уровень работоспособности узлов скольжения [2, 3].
При обосновании предложенных структур древесно-металлических композиционных материалов принималось во внимание следующее.
Сферическая форма металлической фазы обусловливает возможность достижения более равномерного распределения наполнителя в древесной матрице при одновременном обеспечении и регламентируемом регулировании ее концентрации по отдельным локальным зонам деталей триботехни-ческого назначения. Например, для вкладышей подшипников скольжения -распределение по толщине. В частности целесообразно распределять металлические включения концентрично расположенными слоями с различной концентрацией наполнителя в каждом слое вкладыша [3].Окончательное формирование функциональных поверхностей осуществляется на операции механической обработки в процессе расточки внутреннего диаметра вкладыша, тем самым обеспечивается получение на формируемой рабочей поверхности вкладыша требуемого соотношения площадей древесного материала и теплоотводящих элементов, а также достигается благоприятное значение их возвышения над номинальной поверхностью.
Исключение термического разложения древесной составляющей композита достигается, если вкладыш эксплуатируется в режиме, при котором минимизируется тепловыделение и обеспечивается достаточный отвод из наиболее теплонагруженной зоны. При этом преобладающая доля тепла, выделяемого при трении стального вала о поверхность вкладыша, удаляется через теплоотводящие элементы или в них аккумулируется. Теплопоглоще-ние можно повысить, если использовать в составе теплоотводящих элементов легкоплавкие сплавы. В процессе эксплуатации температура нагрева сплава первоначально повышается до определенного значения, затем повышения температуры не происходит, так как энергия затрачивается на плавление металла. Это свойство металлических материалов можно использовать для дополнительного отвода тепла из зоны трения [3]. Наиболее стабильный температурный режим работы подшипников скольжения достигается при использовании в качестве материала наполнителя чистых легкоплавких металлов или их эвтектических сплавов.
Таким образом, для оптимизации теплофизических свойств создаваемых композиционных материалов в качестве металлической составляющей, применяемой для изготовления антифрикционных вкладышей узлов скольжения, эксплуатируемых в условиях действия повышенных температур,
возможно использование теплоаккумулирующих наполнителей. Улучшение теплофизических свойств достигается как за счет увеличения количества те-плоотводящих металлических компонентов, так и за счет обеспечения возможности аккумулирования тепловой энергии структурными составляющими вследствие теплопоглощения.
Выделяющееся при трении тепло отводится как металлическими включениями вследствие их высокой теплопроводности, так и расходуется в них на плавление легкоплавкого содержимого металлических элементов.
В предложенной конструкции подшипника скольжения [3] вкладыш выполняется из композиционного материала, который состоит из древесной основы и теплоотводящих элементов, выполненных в виде капсул с оболочкой, заполненной легкоплавким эвтектическим сплавом. Оболочки капсулы для увеличения отвода тепла изготавливаются из материалов высокой теплопроводности. Объем наполнителя и толщина оболочки капсулы определяются уровнем тепловыделения в контакте подшипника и вала в процессе эксплуатации узла трения.
Выделяющееся при трении тепло частично отводится металлическими включениями, а частично расходуется на плавление легкоплавкого содержимого металлических элементов или на фазовые превращения в них. Таким образом, размещение в модифицированной древесине теплоаккумулирующих элементов из легкоплавкого сплава одновременно повышает эффективность отвода тепла из зоны трения и понижает температуру работы подшипника.
Также имеется возможность не только обеспечивать максимальное значение нагрева контактной зоны вкладыша, но и ограничивать минимальную рабочую температуру, что важно, например, при достижении условий реализации в процессе работы явления избирательного переноса.
Кроме того древесина, благодаря своему пористому и волокнистому строению, способна обеспечить режим самосмазывания и обладает возможностями сопротивляться абразивному воздействию, гасить вибрационную и ударную нагрузку, поглощать шум.
Дополнительные возможности достижения других совокупностей благоприятных триботехнических характеристик рассматриваемых узлов скольжения может быть достигнуто путем комбинирования в материалах подшипников скольжения дополнительных составляющих, которые в еще большей степени могут оптимизировать физико-химическими свойствами.
Список использованных источников
1 Памфилов Е.А., Алексеева Е.В., Шевелева Е.В.Применение композиционных антифрикционных материалов для повышения работоспособности узлов скольжения дере-воперерабатывающего оборудования// Качество и жизнь. Москва: «Вива-Экспресс». 2014. С. 427-432.
2 Пат. 108519 РФ, 16 С 33/04 Б 16 С 33/24. Подшипник скольжения / Памфилов Е.А., Лукаш А.А., Прусс Б.Н., Пилюшина Г.А.; заявитель и патентообладатель Брянская гос. инж.-техн. акад. № 2011113560/11; заявл. 07.04.2011; опубл. 20.09.2011.
3 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.
