CC BY
20
ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НОВЫХ АНТИФРИКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Сидоров О.В. (БГИТА, г.Брянск, РФ)
Increase of wear resistance of details of the equipment for processing the information on the basis of use of new antifrictional materials.
Новые антифрикционные древесно-металлические композиционные материалы, создаваемые на основе модифицированной древесины и состоящие из древесной матрицы и металлических включений, обладают способностью сохранять работоспособность в условиях действия агрессивных и абразивных сред, а также при высокой влажности и нарушении смазки. При этом обладают такими благоприятными свойствами, как недефицитность, технологичность, экономичность и воспроизводимость.
Однако технологические методы изготовления таких материалов и деталей из них изучены в недостаточной степени для их эффективного использования.
По результатам ряда выполненных нами исследований установлена перспективность использования древесно-металлических подшипников в различных машинах и механизмах.
Подшипниковый материал из прессованной мягколиственной древесины имеет ограничения для широкого использования, которые вносят низкая грузоподъемность и относительно небольшие допустимые скорости скольжения. Это вызвано, тем что повышение скорости и 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.
Решение этой задачи может быть достигнуто за счёт насыщения прессованной модифицированной древесины металлическими
антифрикционными и высокотеплопроводными включениями, например бронзы. При этом требуемый уровень теплофизических и трибофизических характеристик получаемого материалов обеспечивается путём оптимизации свойств основных составляющих композитов- древесной матрицы и металлического наполнителя, за счет выбора благоприятного химического состава металлической составляющей, породы древесины для изготовления матрицы, направления ее волокон и характера модификации, а также выбора рационального соотношения в древесно-металлическом материале древесной и металлической фазы.
Наиболее приемлемой породой материала для изготовления основы композиционного материала является древесина берёзы и клёна, при этом другие породы не исследованы. По физико-механическим свойствам эти породы уступают древесине более твёрдых видов, однако, их триботехнические свойства могут быть существенно улучшены путём прессования и модифицирования.
На основании выполненных ранее работ и полученных закономерностей влияния геометрической формы металлических включений на фрикционные характеристики древесно-металлических материалов предложено металлическую фазу композиционного материала выполнять в виде сферических элементов различной дисперсности и располагать их послойно по толщине вкладыша, причём объемная концентрация и размеры частиц металлической фазы по мере приближения к рабочей поверхности должны возрастать.
Введение металлических элементов в древесную матрицу предлагается осуществлять либо с помощью специальных оправок, либо путём использования метательной установки, энергоносителем в которой является сжатый воздух или взрывчатое вещество.
Концентрацию металлических частиц целесообразно задавать на основе необходимости достижения оптимального сочетания интенсивности теплоотвода и демпфирующих свойств материала. Естественно полагать, что теплопроводность древесно-металлического композита тем выше чем насыщенней подшипниковый материал металлическими элементами. Однако превышение некоего уровня концентрации металлических частиц в древесной матрице может повлечь за собой связывание отдельных частиц в единый каркас.
Учитывая, что металлические частицы связываются в сплошной каркас, если межцентровое расстояние между металлическими частицами равно или меньше их диаметра, поэтому рекомендуется задавать межцентровое расстояние между отдельными частицами металлической фазы Ь большим чем их диаметры dмет, т. е. когда коэффициент межцентрового расстояния к металлических частиц равный отношению Ь^мет составляет величину более единицы.
В тоже время коэффициент межцентрового расстояния не должен превышать некоторых значений при достижении которых теплоотвод из зоны трения резко снижается из-за уменьшения концентрации теплоотводящих элементов.
Исходя из возможных геометрических параметров металлической фазы, и предпосылки что коэффициент межцентрового расстояния к должен быть больше единицы предложена зависимость связывающая - концентрацию, концентрационный коэффициент и межцентровое расстояние между отдельными частицами:
d 3
т =
1Ъ
'мет
1,91 • Ь ,
где т-концентрация металлических элементов, 1,91-концентрационный коэффициент.
Из анализа этой зависимости следует, что достижение условия к>1 обеспечивается если концентрация металлических включений в древесной матрице составляет величину меньшую 0,52.
Подшипник скольжения из древесно-металлического материала целесообразно изготавливать из отдельных секторов. Для их изготовления вначале в пропаренный и увлажнённый до 70...80% древесный материал, имплантируют теплоотводящие сферические элементы.
Это позволяет в процессе внедрения металлических частиц, во-первых, существенно уменьшить силовое воздействие и снизить вероятность разрушения древесного материала при введении в нее теплоотводящих элементов, во-вторых, обеспечить возможность повысить сплошность формируемого антифрикционного материала за счет ликвидации каналов, остающихся после введения имплантата, при последующем прессовании. Кроме того достигается возможность обеспечения повышенного теплоотвода за счёт заполнения образовавшихся при этом каналов теплопроводящей массой.
Результаты экспериментальных исследований показали, что размещение в древесном вкладыше подшипника скольжения сферообразных металлических элементов позволяет снизить максимальную температуру примерно на 24 %.
Исходя из полученных графических закономерностей следует, что степень влияния плотности породы древесины на теплопроводность и коэффициент трения вкладыша незначительна. Это объясняется слабой связью между плотностью, коэффициентом теплопроводности древесины и коэффициентом трения, откуда следует, что простым уплотнением древесины нельзя добиться значительного увеличения теплопроводности и коэффициента трения материала. При этом внедрение металлических элементов во вкладыш из прессованной древесины позволяет эффективнее решать эту задачу.
Испытания показали, что коэффициенты трения для различных материалов после приработки для древесного подшипника и древесно-металлического различаются. Это можно объяснить двумя факторами: во-первых, с тем, что коэффициент трения пары древесина-сталь выше, чем для пары бронза-сталь; во-вторых, размещение металлических элементов способствует уменьшению температуры древесного материала, что также может влиять на значение коэффициента трения, поэтому значение коэффициента трения для древесно-металлического материала может находиться в диапазоне между значениями для бронзы и древесины; во-вторых, размещение металлических элементов способствует уменьшению температуры древесного материала, что также может влиять на значение коэффициента трения.
Анализ проведённых экспериментальных исследований показывает, что внедрение в древесный вкладыш подшипника скольжения металлических элементов сферической формы позволяет уменьшить коэффициент трения, и значительно снизить максимальную величину температуры в зоне контакта вала с подшипником скольжения- примерно на 24 %.
Таким образом, предложенная технология получения и обработки древесно-металлических композиционных подшипниковых материалов, включающая использование высокоэнергетических импульсных методов насыщения древесины металлическими составляющими, её прессование и рациональную механическую обработку лезвийным инструментом позволяет получать достаточно эффективные конструкции подшипников скольжения для широкого спектра эксплуатационных условий.
