CC BY
68
УДК 630.323.113 UDC 630.323.113
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПОДШИПНИКОВ IMPROVED OF BEARING EQUIPMENT IN
СКОЛЬЖЕНИЯ ЛЕСООБРАБАТЫВАЮЩЕ- FOREST PROCESSING
ГО ОБОРУДОВАНИЯ
Пошарников Феликс Владимирович Poshamikov Felix Vladimirovich
д.т.н., профессор Dr.Sci.Tech., professor
Воронежская государственная лесотехническая Voronezh State Academy of Forestry and Technolo-
академия, Воронеж, Россия gies, Voronezh, Russia
В статье рассматривается применение в узлах тре- In this article, application of perspective polymeric
ния перспективного полимернометаллического metal anti-frictional material in the knots of a friction
антифрикционного материала в том случае, когда in that case when the plug rotates with shaft to the mo-
втулка вращается с валом относительно неподвиж- tionless base of the bearing is considered
ного корпуса подшипника
Ключевые слова: ПОДШИПНИК СКОЛЬЖЕНИЯ, Keywords: SLIDING BEARING, ANTI-
АНТИФРИКИОННЫЙ МАТЕРИАЛ, ПОЛИМЕР- FRICTIONAL MATERIAL, POLYMERIC METAL
НОМЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ ПОДШИП- ELEMENT OF BEARING, TEMPERATURE,
НИКА, ТЕМПЕРАТУРА, ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ THERMAL CONDUCTIVITY
В антифрикционных узлах лесообрабатывающего оборудования в настоящее время применяют преимущественно такие материалы, как чугун, сталь и цветные металлы. Подшипники скольжения из этих материалов имеют недостатки: необходимость высокой точности и чистоты изготовления; длительность приработки; необходимость периодической или непрерывной смазки; интенсивный износ поверхностей трения, особенно в присутствии абразива; большие отходы при изготовлении деталей; дефицит материала и т. д. В связи с этим требуются затраты значительных средств на восстановление работоспособности антифрикционных узлов. Одним из перспективных направлений повышения эффективности работы узлов трения лесообрабатывающего оборудования является применение в них новых антифрикционных материалов.
В антифрикционных узлах лесообрабатывающего оборудования в настоящее время широкое применение находят подшипники скольжения из полимерных материалов. При применении пластмасс в узлах трения значительно снижаются затраты труда на техническое обслуживание, так как можно уменьшить число точек смазки, работать в режиме сезонной или периодической смазки, а иногда и без нее. Пластмассы обладают хо-
рошей демпфирующей способностью, быстро прирабатываются, имеют высокую износостойкость и долговечность [1].
Наиболее распространенной конструкцией подшипников скольжения из термопластов является вкладыш в виде втулки, запрессованный с определенным натягом в стальной корпус. Вследствие релаксационных явлений натяг втулки из термопласта с течением времени может уменьшаться или исчезнуть, поэтому в некоторых случаях полимерную втулку в обойме дополнительно фиксируют (рис. 1). Втулки с фланцами (рис. 1, б) фиксируют при помощи выступов, расположенных на фланце.
а б в
Рис. 1. Схемы крепления полимерных втулок в корпусе подшипника скольжения: 1 - втулка; 2 - корпус.
В целях уменьшения температурных деформаций втулок их иногда выполняют с разрезом вдоль образующей (рис. 1, в), но при этом возникают трудности при ее фиксации. Недостатком подшипников с разрезными втулками является то, что вблизи разреза между втулкой и обоймой скапливается грязь, самопроизвольно уменьшается зазор и ухудшается работоспособность. Целесообразно использовать цельную втулку, которая позволяет получать требуемые посадки с корпусом или валом. Давление со стороны вала втулка испытывает только по поверхности, определяемой углом контакта (охвата). В результате такого взаимодействия втулка изнашивается только в месте контакта с валом, а вал - по всей контактируемой поверхности вращения [2, 3, 5].
Не вращающиеся втулки из полимерных материалов в условиях сухого и граничного трения быстро теряют свою работоспособность вследствие локализации напряжений, температуры и износа на небольшой части их поверхности трения. Поиск различных способов улучшения работы полимерных пар привели к созданию принципиально новых видов трущихся сопряжений - «обратных пар» трения. В такой паре трения подшипник скольжения жестко закреплен на валу по своей внутренней поверхности, а внешняя его поверхность участвует в работе трения по опорной поверхности корпуса.
Одним из основных критериев при конструировании пластиковых подшипников скольжения является фактор Ру — произведение значений удельного давления на скорость скольжения. Работоспособность подшипника, кроме того, определяется температурой в зоне контакта. Температура трения влияет на величину и устойчивость коэффициента трения и на износостойкость пары. При повышенной температуре происходит потеря физико-механических свойств материала, пластик выдавливается под действием нагрузки, происходит термическая деструкция. Возникает опасность перегрева подшипника, поэтому для повышения работоспособности узла трения применяют различные смазки, создают композиции со смазывающими и улучшающими теплоотвод наполнителями [2, 4]. Для улучшения эксплуатационных и физико-механических свойств полимерных матриц в них вводят различные наполнители. В качестве наполнителей используют: антифрикционные добавки в виде графита, дисульфид молибдена, нитрид бора; металлические порошки и др., что приводит к повышению теплопроводности и снижение теплового расширения подшипников. Такое хаотичное расположение наполнителя не позволяет равномерно и интенсивно отводить тепло из зоны трения (рис.2, а).
Для устранения указанных недостатков подшипников из полимеров, обладающих плохой теплопроводностью, предлагается использовать при
изготовлении втулок в качестве наполнителя мелкую металлическую стружку (например, низкоуглеродистую сталь). Такой наполнитель можно равномерно распределить по объему полимера и выстроить металлические частички в заданном расположении за счет применения магнитного поля, так как данный металлический наполнитель относится к ферромагнитным материалам [6].
а б
Рис.2 Расположение ферромагнитного наполнителя без воздействия магнитного поля (а) и под воздействием магнитного поля (б).
В процессе изготовления антифрикционной втулки под воздействием магнитного поля частички стали можно выстроить таким образом, что они составляют цепочки, соединяющие внутреннюю поверхность втулки с внешней. Теплопроводные мостики выстраиваются по линиям магнитного поля, которые должны быть расположены перпендикулярно оси втулки (рис. 2, б). Оптимальное содержание наполнителя составляет до 20 % (по массе). С учетом указанного расположения металлического ферромагнитного наполнителя в полимерной матрице, нами был предложен способ изготовления антифрикционных элементов подшипников скольжения. На данный способ изготовления цельнопрессованных втулок подшипников скольжения была пода заявка № 2010128889/02(040987) от 12.07.2010 года и получено решение о выдаче патента на изобретение номер заявки № 2010128889/02(040987) от 28.10.2011.
В процессе фрикционного взаимодействия рабочих поверхностей узла терния образуется тепло на опорной площади подшипника, ограниченной углом контакта ф0. Избыточная температура отводится через корпус подшипника и частично через вал в радиальном и осевом направлениях. Количество выделившегося при работе подшипника тепла определяется по формуле:
л 1 ■л ■ /
Q(1)
2
где Q - удельная мощность подшипника, Вт/м ; I - длина подшипника, м; d - диаметр подшипника, м; р - среднее удельное давление, Н/м ; V -скорость скольжения, м/с; / - коэффициент трения; 1/427 - тепловой эквивалент механической энергии, ккал/кг- м.
Рассмотрим стационарное плоское температурное поле подшипника скольжения из композиционного материала на основе полимера при внешнем радиусе цилиндрической стенки г2, внутреннем - г1, с температурой поверхностей ?П и соответственно. Принимаем, что для каждого заданного гх температура цилиндрической стенки не зависит от координаты ъ вдоль оси и угла ф и является функцией только радиуса стенки гх. В обратной паре трения (рис. 3) допустим, что антифрикционный материал на основе пластика с металлическим наполнителем длиной I, ограниченный снаружи цилиндрической поверхностью диаметром d2 = 2г2, а внутри -цилиндрической поверхностью вала диаметром d1 = 2г1 [6, 7].
Для того, чтобы определить температуру произвольно выбранной точки антифрикционного полимерного материала определим ее как функцию расстояния гх = dх /2 от оси цилиндра.
Рис. 3 Схема подшипникового узла (обратная пара): а - концевой подшипник; б — срединный подшипник
Для получения уравнения температурного поля в цилинрической стенке воспользуемся уравнением Фурье, представленным в цилиндрических координатах [1, 3, 7]:
Э; ,Э2 і 1 Э; 1 Э2 і Э2 і,
= а(з“2 + _ :Т + Т лТ + ТГ), Эт Эг г Эг г Эф Эг
(2)
где а - коэффициент температуропроводности, м2/с; t - температура, 0С; т - время, с; г, р, г - координаты рассматриваемой точки по радиусу г, углу р и вдоль оси г.
Так как рассматриваемый процесс является стационарным а t = / (г), то производные t по т, р иг в уравнении (2) будут равны нулю. Поскольку t является функцией только г, то вместо уравнения в частных производных (2) будем иметь обыкновенное дифференциальное уравнение:
d21 1 Ш
2 +------------= 0.
йг г <іг
После выполнения преобразований получим следующее выражение для плоского осесимметричного температурного поля в подшипнике скольжения из композиционного материала на основе полимера [5, 6].
1п р
t = tп + (^ - 1;п )
1п Р1
(4)
Для того, чтобы найти температуру на границе между валом и слоем неметаллического антифрикционного материала t1 — при стационарном тепловом режиме воспользуемся равенством теплового баланса:
Q1=а, Вт. (5)
Количество тепла, прошедшее через слой полимерной втулки с металлическим наполнителем, находится как
в
211 2 =~ 1п ^
d,
(tП - t1).
(6)
С учетом того, что в подшипнике скольжения антифрикционный материал выполнен из полимернометаллического материала, количество тепла, прошедшее через слой полимерной втулки с металлическим наполнителем в2 , можно определить по выражению [6, 7]:
в=
2л-1
1п ^ d.
1 +Т-----
а 1-а
х
х
(
2-I-
^ +— 0 ,2 л
в
к— д/а1 -11 - d
3
1 +1-----------
а 1—а
1 с.
+
d,
+- 1п— -10
2-I-
1 +1-------
а 1—а
+
ва
+d1^а ^ 111 - 1п
(7)
а
в
а
в
t
п
а
в
2
Количество тепла, отданное с поверхности вращающегося вала, определяется как
о, —р-4 а^Ми — О, (8)
0в — р1д/ а1 ё11 (!\ — ^о), (9)
где г0 — температура окружающего воздуха, ° С; а1 — коэффициент теплоотдачи с вращающегося вала в окружающую среду, Вт/м град. Численное
значение а1 принимается по экспериментально найденному уравнению
а —15.6 ■ V0 36 [2].
Уравнение (8) используется для концевых подшипников, а уравнения (9) — для срединных, когда вылет вала в обе стороны от подшипника больше 3ё1.
Подставляя выражения (6) и (8) в равенство (5), получим температуру на границе между валом и слоем полимерного антифрикционного материала:
1+-
1 — Ч,
Ч,
+ -
3 1—1
Iг П + ё1Л/ а1й11х 1п — ■г,
г1 =-
(10)
1+-
Ч,
1—Ч,
+ -
3 1—1
I + ё1Л/ а1ё111 1п
а / 2
Определив температуру в зоне контакта вала и втулки, можно определить количество тепла, прошедшее через слой полимерной втулки с металлическим наполнителем, а затем количество тепла, отданное с поверхности вращающегося вала.
Полученное значение температуры сравнивается с допускаемой температурой [г] для данного материала. В случае, если [ г ] > гв расчет за-
2
0
2
кончен, а если при расчете [ t ] < t в необходимо корректировать размеры подшипника скольжения для улучшения условий теплоотовода.
Особенностью приведенных расчетов является то, что состав композиционной втулки может изменяться, следовательно, будет изменяться и теплопроводность материала, которую необходимо учитывать при тепловом расчете. Это связано с низкой термостойкостью и теплопроводностью полимера. Необходимо так же знать рабочую температуру в расчетах по определению температурных компенсаций при выборе конкретных зазоров и натягов в соединениях корпус - вал - подшипник. На основании проведенных расчетов, можно сделать вывод о пригодности данного материала к работе в узлах трения лесообрабатывающего оборудования при конкретных условиях работы. Подбирая таким образом более оптимальный материал для подшипников скольжения, можно повысить рабочий ресурс и производительность лесообрабатывающего оборудования.
Проведенные экспериментальные исследования показали следующий результат (рис. 4).
Рис. 4 Разрез подшипника скольжения с обратной парой трения Ьйр://е] .kubagro.ru/2012/04^112.pdf
Важным преимуществом обратной пары перед прямой является лучший теплоотвод, что позволяет повысить скорость скольжения или давление (рис.5, 6).
—♦—5% 10% 20%
Рис. 5 - Зависимость температуры Т, 0С вблизи поверхности трения от удельной нагрузки при различном содержании металлического наполнителя в обратной паре трения (V =1,06 м/с)
5% 10% 20%
Рис. 6 - Зависимость температуры Т, 0С на корпусе подшипника скольжения от удельной нагрузки при различном содержании металлического наполнителя в обратной паре трения (V =1,06 м/с)
В ходе проведенных исследований был получен диапазон рабочих температур вблизи поверхности трения композиционных металлополимерных подшипников скольжения с различным содержанием металличе-
ского наполнителя, в пределах 50 до 980С. Такие значения температуры находятся в зоне допустимых рабочих температур для этих полимеров и находятся далеко от верхней границы этого диапазона, который для разных полимеров составляет 190...235°С. Отсюда можно сделать вывод, что антифрикционные полимеры на основе полиамидной смолы с металлическим наполнителем в виде мелкой стружки из низкоуглеродистой стали вполне работоспособны в качестве антифрикционного материала в шарнирных соединениях лесообрабатывающего оборудования.
Теоретические и экспериментальные исследования работоспособности обратных пар трения показали высокую их эффективность. Обратные пары имеют меньшее повреждение поверхностей и стойкость к заеданию, так как пластическая деформация элемента пары с меньшей твердостью (пластмассы) не препятствует работе сопряжения, нагрузка до заедания возрастает в несколько раз по сравнению с прямой парой.
Литература
1. Чичинадзе А.В. Основы трибологии (трение, износ, смазка) [Текст]: учеб./ под ред. А.В. Чичинадзе. - М.: Центр «Наука и техника», 1995. - 778с.
2. Справочник по триботехнике [Текст] / под ред. М.Хебды, Ф.В. Чичинадзе. - М.: Машиностроение, 1992. - Т3. - 730с.
3. Металлополимерные материалы и изделия [Текст] : учеб, для вузов / под ред. В. А. Белого. - М.: Химия, 1979. - 312с.
4. Бегиджанова А.П. Применение пластмасс в тракторном машиностроении [Текст] : учеб. пособие / А.П. Бегиджанова, Л.М. Крейндлин. - М., «Машиностроение», 1970. -213с.
5. Альшиц И.Я. Проектирование из пластмасс [Текст] : справочник / И.Я. Альшиц, Н.Ф. Анисимов, Б.Н. Благов. - М., «Машиностроение», 1969. - 243с.
6. Пошарников Ф.В. Применение композиционного материала на основе полимера в узлах трения лесообрабатывающего оборудования [Текст] / Ф. В. Пошарников, А. И. Серебрянский, А. В. Усиков // Лесотехнический журнал. Научный журнал № 1 (1) -Воронеж 2011. -С. 51-55.
7. Пошарников Ф.В. Исследование вращательного процесса трения в подшипниках скольжения лесообрабатывающего оборудования [Текст] / Ф.В. Пошарников, А.В. Усиков, А. И. Серебрянский /Лесотехнический журнал 2011 г. № 2 - Воронеж 2011. -С. 92-95.
