CC BY
28
УДК 630.323.113
ПРИМЕНЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕРА В УЗЛАХ ТРЕНИЯ ЛЕСООБРАБАТЫВАЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ Ф.В. Пошарников, А.В. Усиков, А.И. Серебрянский
ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»
Предлагается использовать композиционный материал на основе полимера с металлическим наполнителем в узлах трения лесообрабатывающего оборудования. Представлена методика расчета теплопроводности композиционного материала и результаты исследования антифрикционного материала.
Ключевые слова: лесообрабатывающее оборудование, узел трения, композиционный материал, полимер, металлический наполнитель, теплопроводность.
В лесной промышленности на нижних складах используется большое разнообразие лесообрабатывающего оборудования. Надежность оборудования зависит от многих параметров, однако, узлы трения являются одним из самых слабых звеньев в любом механизме. Отличительной особенностью работы узлов трения в лесообрабатывающем оборудовании являются: высокие контактные давления; динамические и вибрационные нагрузки, режим работы при частом пуске и остановке оборудования, загрязненность абразивом; недостаток смазки, из-за чего происходит увеличение износа и нарушение кинематической точности сопряжения; подверженность климатическим воздействиям окружающей среды.
Данную проблему можно решить, например, использованием в узлах трения нижнескладского оборудования новых перспективных антифрикционных материалов, таких как полимеры. Полимерные материалы позволяют по-новому решать ряд технических вопросов, направленных на повышение надежности работы и увеличение срока службы оборудования. Некоторые полимеры при работе в паре с ме-
таллом характеризуются низким коэффициентом трения, высокой износостойкостью, способностью предохранять сопряженные металлические детали от заедания и интенсивного износа. Полимеры снижают распространение упругих волн и, следовательно, вибрацию оборудования [3].
Одним из перспективных материалов для подшипников скольжения является полимер на основе полиамида. Полиамидные смолы имеют хорошие физико-механические свойства и легко поддаются обработке. В настоящее время известно много способов по переработке полиамидов в изделия. Основные способы переработки полиамидов: прессование с нагревом; литье из расплава; прессование с последующим спеканием; экструзия; напыление; литье под давлением. Из всех приведенных методов наиболее перспективным и дешевым является прессование с нагревом. Использование такого метода позволяет получать полимеры с различными наполнителями, а также все отходы при обработке можно использовать вторично, предварительно измельчив материал.
Полиамиды обладают высокими антифрикционными свойствами при работе в
узлах трения без подачи смазки, но при повышенных температурах (без наполнителя) имеют низкую теплопроводность. Если применять метод изготовления антифрикционного материала для подшипников скольжения прессование с нагревом, то в качестве наполнителя можно использовать: графит; дисульфид молибдена; тальк; порошок меди; порошок свинца; порошок титана и бронза в виде мелкой стружки. Особенностью таких наполнителей является то, что они не подлежат внешнему воздействию постоянного магнитного поля, так как они не относятся к ферромагнитным материалам. Применения дисперсных металлических порошков (мелкая стружка) требует их равномерного распределения по объему полимера, что может быть достигнуто применением магнитного поля. Наполнители в виде мелкой стружки из стали легко поддаются воздействию постоянного магнитного поля и при этом частички железа можно выстраивать таким образом, что они составляют цепочки, соединяющие внутреннею поверхность втулки с внешней. Теплопроводные мостики выстраиваются по линиям магнитного поля, которые должны быть распределены перпендикулярно оси втулки. Применение наполнителей является самым дешевым и доступным способом улучшения свойств полимеров. Оптимальное содержание металлического наполнителя составляет 15...20 % по массе [1].
Для исследования подшипников скольжения на трение и износ, на кафедре Технологии и оборудования лесопромышленного производства Воронежской государственной лесотехнической академии,
была разработана установка позволяющая имитировать реальные условия работы узлов трения лесообрабатывающего оборудования. Данная установка позволяет изучить влияние на работу подшипников скольжения следующих факторов: материала, из которого изготовлен подшипник скольжения; величины максимальной нагрузки; скорости вращения вала в подшипнике; температура вблизи поверхности зоны трения подшипника; величины относительного зазора; работоспособности антифрикционного материала, как в прямой, так и в обратной паре трения; коэффициента трения в момент пуска и при установившемся движении.
Нами предлагается композиционный материал из полимера, армированный металлом, с увеличенной толщиной втулки (4.6 мм). Часть тепла из зоны трения отводится через металлический вал, а другая часть тепла отводится через корпус подшипника, благодаря металлическому наполнителю в антифрикционной втулке (рис. 1). На рис. 1 показано распределение температуры в зависимости от используемого материала. Композиционный материал с металлическим наполнителем (кривая б) позволяет отводить тепло через внешнюю поверхность корпуса подшипника скольжения. Снижение температуры в зоне контакта трущихся поверхностей позволит использовать полимерные материалы в узлах трения лесообрабатывающего оборудования при тяжелых режимах работы.
Температура антифрикционного слоя зависит от соотношения количества теплоты, возникающей в подшипнике в результате трения, и количества теплоты, переда-
ваемой в окружающее пространство. Так как в большинстве случаев пластиковые втулки работают при ограниченной смазке, то отвод тепла в них практически осуществляется через вал и корпус подшипника [3].
Расчет на нагрев основывается на предположении, что тепло, образующееся при трении, отводится в окружающую среду через поверхность вала и частично через корпус подшипника, так как теплопроводность композиционного полимера с металлическим наполнителем на много ниже, чем теплопроводность стали.
Зависимость теплопроводности полимерного вкладыша от степени наполнения металлической стружки определяется по формуле (1) для двухфазной системы:
Л2 - + Т^
Чв
+
л
(1)
3 X - л
в а
где Чаи Ла - объемная доля непрерывной фазы и обобщенная теплопроводность компонента А (полимера);
Чв и Лв - объемная доля компонента В (наполнителя) и его теплопроводность.
Теплопроводность стали Лв =40...50 Вт/(м-°С), а теплопроводность полимера находится в пределах Ла =0,29 Вт/(м °С).
Принимая во внимание, что процентное содержание металлического наполнителя не превышает 20 %, теплопроводность композиционного материала составляет Л2 =0,4.0,7 Вт/(м °С).
Антифрикционный композитный полимер с металлическим наполнителем позволяет часть тепла отдавать в окружающую среду через корпус подшипника, а снижение температуры в зоне трения позволяет расширить применение данного композиционного материала в тяжелых условиях работы подшипников скольжения [2].
а - чистый полиамид (капролон); б - полиамид, наполненный железной стружкой под действием магнитного поля Рис. 1. Распределение температуры в подшипнике скольжения с полимерной втулкой ^=5 мм)
При снижении температуры в зоне трения подшипника снижается и коэффициент трения, что подтверждается лабораторными исследованиями. Графики зависимости сухого коэффициента трения от температуры представлены на рис. 2.
f 0,7 0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
Резкая зависимость коэффициента трения от температуры выражена у полиамида, а у композиционного материала с металлическим наполнителем менее явная зависимость от температуры.
У* У У
У*
«урнал 1/2011
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
^ 0С
■ 1 - -2
1 - капролон; 2 - композиционный материал на основе капролона с металлическим наполнителем под действием магнитного поля Рис. 2. Зависимость коэффициента трения от температуры (Р=30 кГ/см2; V=0,78 м/с; А=0,3 мм)
Из анализа проведенных исследований видно, что полиамидный композиционный материал с металлическим наполнителем имеет высокие антифрикционные свойства и в ряде случаев может заменять в подшипниках цветные металлы (бронзу). В целом приведенные данные подтверждают повышение износостойкости композиций полиамида с металлическим наполнителем, что подтверждает о целесообразности применения в узлах трения лесо-
обрабатывающего оборудования. Применение данного композиционного материала позволит продлить срок эксплуатации нижнескладского оборудования.
Библиографический список
1. Альшиц И.Я. Анисимов Н.Ф., Благов Б.Н. Проектирование из пластмасс: справочник / М.: Машиностроение, 1969. 243 с.
2. Бегиджанова А.П., Крейдлин Л.М. Применение пластмасс в тракторном машиностроении [Трение]: учеб. / М.: Машиностроение, 1970. 213 с.
3. Основы трибологии (трение, износ,
смазка): учебник для технических вузов / под ред. А. В. Чичинадзе. М.: «Наука и техника», 1995. 778 с.
