Научная статья на тему 'Повышение износостойкости шарнирных сопряжений манипуляторов лесозаготовительных машин'

Повышение износостойкости шарнирных сопряжений манипуляторов лесозаготовительных машин Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
224
177
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Прохоров В. Ю.

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Повышение износостойкости шарнирных сопряжений манипуляторов лесозаготовительных машин»

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.