CC BY
30
ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ ТЕПЛОСТОЙКОСТИ ДРЕВЕСНО-МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ЗА СЧЕТ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ
ИХ СОСТАВА И СТРУКТУРЫ
Алексеева Е.В. (БГИТА, г.Брянск, РФ)
Intrusion of metal elements in the form of capsules with low-melting eutectic alloy inside leads to higher heat sink of wood-metal material.
В современной технике подшипники скольжения и качения являются основными типами подвижных сопряжений, каждый из них имеет свою область применения, определяемую техническими и экономическими требованиями (рис.1).
Рисунок 1
Подшипники скольжения широко применяют в двигателях внутреннего сгорания, паровых и газовых турбинах, насосах, компрессорах, центрифугах, прокатных станах, конвейерах, в тяжелых редукторах и других машинах.
В настоящее время все шире и шире находят применение подшипники скольжения из пластмасс и древесных пластиков. Свое широкое распространение в качестве антифрикционного подшипникового материала прессованная древесина получила как полноценный заменитель чугуна, цветных металлов и сплавов.
Однако, наряду со многими положительными свойствами (низкий коэффициент трения, способность работать без смазки, вибропоглощаемость, быстрая прирабатываемость, способность работать в абразивной среде и т.д.) у прессованной древесины отмечается ряд недостатков (значительные температурно-влажностные деформации и связанная с ними
формоизменяемость), сдерживающих применение ее в узлах трения. Наиболее существенным недостатком подшипников скольжения из прессованной древесины является их низкая теплопроводность.
Повышение работоспособности подшипников скольжения возможно при использовании в качестве подшипникового материала древесно-металлических материалов.
На сегодняшний день существуют несколько конструктивных разработок из древесно-металлических материалов с механическим внедрением металлических элементов.
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. Введение металлических элементов, например из бронзы, во вкладыш из прессованной древесины позволит в существенной степени увеличить теплопроводность материала и, тем самым, снизить значение максимальной эксплуатационной температуры вкладыша.
Однако существующие конструкции подшипников скольжения недостаточно технологичны и зачастую не имеют требуемых физико-механических свойств материала. В связи с этим существенно возрастает необходимость исследований и разработок новых древесно-металлических композиций с улучшенными структурами.
Основным недостатком древесины, ограничивающим ее применение в узлах трения машин, является ее низкая теплопроводность, кроме того, уже при температуре 1400С начинается процесс термического разложения древесины. Избежать этого можно, если вкладыш будет работать в режиме, при котором тепловыделение не превысит установленный температурный предел. При работе подшипника скольжения в условиях недостаточного смазывания основное тепло, выделяемое в подшипниковом узле при трении, будет выходить через теплоотводящие элементы, размещенные во вкладыше подшипника. Эффективность отвода тепла можно повысить применением в составе теплоотводящих элементов эвтектический сплав. Кривая нагревания эвтектического сплава, показанная на рис.2, свидетельствует о том, что при определенной температуре происходит плавление сплава, сопровождающееся поглощением теплоты, при этом дальнейшего увеличения температуры не происходит.
Т, °С
Область значений
200
температуры плавления эвтектических сплавов
150 140
100
50
0
tl 12
г,
Рисунок 2 - Кривая нагревания эвтектического сплава
Т - температура; И, 12 - время начала и окончания плавления эвтектического сплава соответственно
Благодаря этому свойству эвтектический сплав позволяет дополнительно отводить тело из зоны трения.
Подбор материала теплоотводящих элементов следует осуществлять по его температуре плавления, которая должна быть ниже температурной деструкции древесной матрицы и находиться в пределах от 100 до 1400С (табл.1.). Это связано с тем, что температуру плавления ниже 1000С выбирать нецелесообразно, так как чем она выше, тем больше требуется теплоты для её плавления и тем больше увеличивается стойкость подшипника к повышенным температурам.
Таблица 1- Состав и температура плавления эвтектических сплавов
Состав сплава Т °С ^^ С
висмут 57%,таллий 43% 139
висмут 57%,олово 43% 138
висмут 56%,олово 40%,цинк 4% 130
висмут 56,5%,олово 43,5% 125
висмут 55,5%,свинец 44,5% 124
висмут 55,2%,свинец 33,3%,таллий 11,5% 91
Объём наполнителя и толщина оболочки капсулы определяется тепловыделением в контакте подшипника и вала.
Таким образом, сочетание в одном материале древесины и металла позволяет выгодно использовать достоинства каждого материала и в тоже время устранить ряд недостатков, присущих этим составляющим в отдельности. Благодаря своему пористому строению прессованная древесина практически незаменима в узлах трения, работающих в условиях недостаточного смазывания, наличия абразивной среды и динамического нагружения. Однако низкая теплопроводность древесины и недостаточно высокие механические характеристики ограничивают область ее применения. Размещение в древесине
металлических элементов позволяет несколько повысить теплостойкость материалов на основе древесины и придать им более благоприятные механические характеристики. Кроме того, равномерное распределение металлических включений, являющихся основными несущими элементами в материале, внутри упругой древесной матрицы позволит дополнительно улучшить антифрикционные свойства и повысить износостойкость древесно-металлического материала за счет реализации принципа Шарпи.
Еще более повысить теплоотвод древесно-металлического материала и не допустить термическое разложение древесной составляющей возможно за счет введения металлических включений в виде капсул с легкоплавким эвтектическим сплавом внутри. Обладая свойством плавиться без дальнейшего повышения температуры, эвтектический сплав при этом поглощает тепло, выделяющееся в зоне трения. Оптимизируя сочетание всех входящих в материал компонентов, их структуру и распределение внутри материала можно значительно повысить его триботехнические свойства.
Литература
1. Памфилов, Е.А. Исследование древесно-металлических композиционных материалов на основе модифицированной древесины [Текст] / Е.А. Памфилов, А.П. Симин, Е.В. Шевелева // Деревообрабатывающая промышленность. - 2004. -№ 1. - С. 12-15.
2. Памфилов, Е.А. Повышение триботехнических характеристик подшипников скольжения из древесно-металлических композиционных материалов [Текст] /Е.А. Памфилов, А.П. Симин, Е.В. Шевелева // Машиностроитель. - 2004. - № 1. -С. 21-25.
3. Пат. 2226240 РФ Б16С 33/04. Подшипник скольжения/ Памфилов Е.А., Евельсон Л.И., Симин А.П., Шевелева Е.В. - Заяв. 23.11.2001; опубл. 27.03.2004, Бюл. № 9.
4. Пат. 2286489 РФ Б16С 33/18. Подшипник скольжения/ Памфилов Е.А., Шевелева Е.В., Сидоров О.В., Муратов Д.И. - Заяв. 14.03.2005; опубл. 27.10.2006, Бюл. № 30.
5. Пат. 2289732 РФ Б16С 33/24. Подшипник скольжения/ Памфилов Е.А., Шевелева Е.В., Сидоров О.В., Муратов Д.И. - Заяв. 05.07.2005; опубл. 20.12.2006, Бюл. № 35.
6. Пат. 2305804 РФ Б16С 33/24. Способ изготовления подшипника скольжения/ Памфилов Е.А., Шевелева Е.В., Сидоров О.В. - Заяв. 24.11.2005; опубл. 10.09.2007, Бюл. № 25.
