CC BY
177
Прохоров В. Ю.
ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ШАРНИРНЫХ СОПРЯЖЕНИЙ МАНИПУЛЯТОРОВ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНЫХ
МАШИН
Лесозаготовительный процесс в России характеризуется разнообразием природных условий и сырьевой базы. Поэтому, системой машин для комплексной механизации лесозаготовительного производства предусмотрено большое наименование агрегатных машин, оборудованных манипуляторами разной конструкции.
Наиболее слабым звеном в конструкции манипуляторов являются шарнирные соединения, износ которых в значительной мере определяет ресурс и предельное состояние технологического оборудования. Значительные удельные нагрузки и реверсивный характер трения (рис.1) в шарнирных соединениях приводят к выдавливанию смазки из зоны трения, из-за чего происходит увеличение износа и нарушение кинематической точности сопряжения. Это вызывает дополнительные нагрузки, удары, вибрации, что становится причиной разрушения как самих шарнирных соединений, так и деталей технологического оборудования.
Рис. 1. Схема нагруженности шарнирных сопряжений технологического оборудования валочно-трелевочной машины ЛП-17А
Dxd х I - соответственно внешний, внутренний диаметры и длина втулки, мм;
Nmax - максимальная нагрузка на шарнир, кН;
Руд - удельное давление в шарнире, МПа;
Ьтр - путь трения, пройденный втулкой шарнира за 5000 моточасов; а - угол поворота шарнира, град
Нарушение конструктивно - технологических параметров и, как следствие, интенсификация эксплуатационных факторов нагружения приводят к тому, что при наработке до 2000 моточасов шарнирные соединения лесных манипуляторов выходят из строя, в то время, как рабочий ресурс металлоконструкций лесных манипуляторов должен составлять 4500 - 5000 моточасов (до капитального ремонта трактора). Поэтому, решение задачи повышения износостойкости шарнирных соединений лесных манипуляторов является актуальным.
Одним из важных направлений повышения эффективности использования материальных и трудовых ресурсов является широкое применение композиционных материалов. Преимущества замены традиционных металлических материалов на композиционные позволяет:
- уменьшить число точек смазки или увеличить периодичность смазывания многих узлов машин и оборудования при техническом обслуживании;
- сократить расход смазочных материалов;
- уменьшить расход цветных металлов (бронзы, латуни) на изготовление подшипников скольжения за счет замены на композиты;
- уменьшить трудоемкость технического обслуживания и ремонта машин и оборудования;
- повысить износостойкость и надежность узлов трения;
- уменьшить шум, визг и вибрации в машинах и оборудовании.
Всем этим требованиям удовлетворяют подшипники скольжения из углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ), разработанные в МГУЛеса совместно с ОАО НПО «Композит». Данные подшипники скольжения предназначен для тяжелонагруженных узлов в условиях трения без смазочного материала при малых скоростях скольжения. Обладают повышенной износостойкостью и низким коэффициентом трения. В таблице 1 приведены физико-механические характеристики УУКМ. На рис. 2 показаны нагрузочные способности некоторых антифрикционных материалов в условиях трения без пластичной смазки. В таблице 2 представлены результаты испытаний на износ втулок шарниров в условиях реверсивновращательного движения вала.
Таблица 1
Физико-механические характеристики УУКМ
3 Плотность, кг/м 1650
Прочность, МПа при: изгибе 110
Сжатии 140
Растяжении 90
2 Ударная вязкость, кгс. см / см 25 - 30
Коэффициент трения по стали 0,05 - 0,65
Интенсивность изнашивания 1 • 10-8
Одной из важнейших особенностей УУКМ является возможность создавать из них материалы и детали с заранее заданными свойствами. Композиционные материалы содержат матрицу и армирующий наполнитель, причем нагрузку несут армирующие элементы, а матрица передает напряжения наполнителю и придает материалу монолитность.
В качестве армирующих элементов используют волокнистые материалы с высокой прочностью, достигающей (2,5 - 10) ГПа: углеродные, стеклянные и борные волокна, нитевидные кристаллы на основе карбида кремния, оксида алюминия и т.п. В качестве матрицы в УУКМ используют пироуглерод. Насыщение каркасов изделий осуществляется термоградиентным,
изотермическим способом из газовой фазы, либо по пековой технологии.
Путем подбора состава, изменения соотношения компонентов и макроструктуры композиции можно направленно регулировать прочность, жесткость, рабочие температуры и другие свойства материала. К тому же многообразие упрочнителей и матриц, используемых при создании УУКМ, дает возможность обеспечить необходимые свойства материала.
> 100
> 90
Рис.2. Нагрузочная способность антифрикционных материалов в МПа в условиях трения без пластичной смазки, за исключением 1, данная для сравнения, при низких 0.01- 0.03 м/с скоростях скольжения:
1 - сталь 45 по стали 45, закалка ТВЧ, смазка - солидол С;
2 - бронза Бр ОЦС 5-5-5 (ГОСТ 613-79); 3 - винипласт; 4 - текстолит;
5 - ПТФЭ наполненный; 6 - графитопласт АМС-1; 7 - металлофторо-
пласт; 8 - полиамид П- 68; 9 - углепластики; 10 - УУКМ.
Таблица 2
Результаты испытаний на износ втулок шарниров в условиях _____реверсивно-вращательного движения вала_______________
Материал втулки Удельная нагрузка, МПа Время работы узла трения Коэффициен т трения Износ, мм
УУКМ, запрессованный в металлическую обойму 62,5 250 часов 0.04-0.06 -
Металло фторопласт 62,5 20-30 мин. 0,03 - 0,1 Обнаружены следы разрушения поверхностного слоя втулки
Чугун СЧ 18 -36, (смазка солидол С) 5,0 50 часов 0,03 - 0,05 0,1 схватывание поверхностей
30,0 10-12 мин. 0,05 - 0,34 0,12 - 0,2 схватывание поверхностей
62,5 Заклинивание и разрушение втулки
Сталь 45 (смазка солидол С) 30,0 10 мин. 0,07 - 0,21 0,05 - 0,2 заклинивание и разрушение втулки
62,5 Заклинивание и разрушение
Бронза Бр ОЦС 5-5-5 30,0 30 мин. 0,1 - 0,2 0,09 - 0,1
62,5 Смятие втулки
Например, изменение степени армирования матрицы (т.е. объемной доли волокон) приводит к пропорциональному изменению свойств композита в зависимости от характеристик используемых волокон, а введение в матрицу одинакового состава равного количества армирующих волокон, которые отличаются по прочности или модулю упругости, изменяет свойства УУКМ пропорционально характеристикам волокон, Кроме того, путем сочетания в
одном УУКМ волокон с различными упруго-прочностными свойствами (например, углеродных и органических) можно регулировать свойства материала. Создание полиматричных материалов также является одним из новых и оригинальных направлений регулирования свойств УУКМ.
В тоже время надо отметить, что непрерывный рост нагрузок, скоростей и температуры, усложнение условий эксплуатации узлов трения требуют постоянного улучшения свойств антифрикционных материалов.
Кроме того, в последнее время особое внимание уделяется исследованиям в области водородного изнашивания металлов, так как трение в присутствии водородосодержащего материала (масло, топливо, вода) приводит к выделению водорода и локализации его в приповерхностном слое детали. Это ведет к диспергированию, а при пересыщении металла водородом (молизации атомарного водорода) - к разрушению поверхности с последующим переносом отделившихся частиц на менее прочную структуру.
В связи с вышесказанным необходима разработка методов по совершенствованию технологии изготовления УУКМ, в том числе обработки на этапе подготовки металлической поверхности, а также создание покрытий, инициирующих режим избирательного переноса материалов при трении путем физической и химической модификации матрицы с участием наполнителей в виде наноразмерных порошков меди.
ЛИТЕРАТУРА
1. Голубев И.Г., Прохоров В.Ю. Модернизация транспортных и технологических машин с помощью альтернативных материалов. Лесная промышленность, 2004, №4, с.24-27.
2. Прохоров, В.Ю. Сравнительные исследования трибологических характеристик антифрикционных углерод-углеродных КМ для узлов трения / В.В. Быков, Г.Ф. Дружков // Научн. тр./ МГУЛ. - 1991. Вып. 251. - с.60-67.
