ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ УЗЛОВ СКОЛЬЖЕНИЯ ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ

 

USE OF COMPOSITE MATERIALS FOR KNOTS OF SLIDING OF THE WOODWORKING EQUIPMENT

 

Шевелева Е.В., Ковардаков Ю.П. (БГИТА, г.Брянск, РФ)

Sheveleva E.V., Kovardakov U.P.

(Bryansk State Academy of Engineering and Technologies)

 

Рассмотрена возможность использования  композиционных материалов для изготовления узлов скольжения деревообрабатывающего оборудования

Possibility of use of composite materials for production of knots of sliding of the woodworking equipment is considered

 

Ключевые слова: композиционные материалы, подшипники скольжения, деревообрабатывающее оборудование, антифрикционные материалы

Key words: composite materials, bearings of sliding, woodworking equipment, antifrictional materials

 

Практически ни одна рабочая  машина  деревообрабатывающего оборудования не обходится без узлов скольжения. К ним относятся направляющие устройства станков различного назначения,  ползуны лесопильных рам, подшипники скольжения, работающие в большом диапазоне скоростей.

Проведенный анализ возможностей использования антифрикционных материалов показал, что ни один гомогенный материал не отвечает в полной мере тем свойствам, которые следует обеспечить для изготовления подшипни­ков скольжения. В связи с этим решение вопроса комбинирования в конструкциях подшипников скольжения нескольких материалов, способных в совокупности обеспечить для рассматриваемого узла  необходимые триботехнические  характеристики материала, является важнейшим при выборе наиболее рациональных  материалов   для   изготовле­ния деталей узлов трения. При этом немаловажную роль играют доступность и стоимость составляющих материал  компонентов. С конструктивной точки зрения, проектируя подшипники скольжения, необходимо стремиться исключить возможность трения без смазочного материала, обеспечивая тем самым низкий коэффициент трения при эксплуатации. Это дает возможность работать при  больших нагрузках и высоких скоростях скольжения в присутствии абразива без шума, вибраций и перегрева опоры скольжения.

Для улучшения   характеристик   опор скольжения во многих случаях для их изготовления можно рекомендовать использовать не гомогенные материалы, а вводить антифрикционный материал, оптимизирующие наполнители, создавая тем самым более работоспособную гетерогенную структуру. Требуемые свойства гетерогенных материалов  достигаются благодаря комбинированию различных составляющих в  композите, которое обеспечивает получение новых материалов.  В них проявляются не только свойства отдельных исходных компонентов, но и достигаются определенные совокупные характеристики нового материала за счет проявления синергетического эффекта.

Таким образом, путем подбора исходных материалов и целесообразной технологии создания  композитов открывается возможность создания материалов с заранее прогнозируемыми свойствами. В частности, для снижения уровня теплового воздействия на детали узлов скольжения, изготовленных из полиме­ров, в качестве наполнителей целесообразно использовать металлы, обладающие высокой теплопроводностью. Для повышения работоспособности деталей при их фрикционном взаимодействии без смазки  возможно использовать в антифрикционном материале сочетание металлической и полимерной составляющих. 

Весьма эффективными из композиционных материалов, используемых для изготовления деталей узлов трения оборудования деревообрабатывающей  промышленности, являются металло-полимерные материалы. В качестве основы для этих материалов может быть выбрана древесина, поскольку она является единственным легко доступным и воспроиз­водимым материалом, она не только легка, но и прочна. Как правило, применяется древесина, модифицированная каким-либо  образом. В настоящее время существует несколько способов придания древесине новых свойств. Все они ведут к некоторому повышению физико-механи­ческих свойств древесины за счет уплотне­ния внутреннего содержимого клеток, а так­же за счет введения наполнителей. Благодаря пористому строению модифицированная древесина практически незаменима в узлах трения, работающих в условиях недостаточного смазывания, наличия абразивной среды и динамического нагружения.

При использовании древесины в качестве матрицы для изготовления антифрик­ционных материалов существенный эффект достигается  в  результате  наполнения  ее  легкоплавкими  металлическими   материалами, оксидами и т.д. Материалы, создаваемые таким образом, имеют повышенные физико-механические и антифрикционные характеристики, по сравнению с каждым из исходных материалов.

Таким образом, использование компози­ционных материалов позволяет в существенной степени снизить недостатки отдельных структурных составляющих, при этом получение повышенных механических, теплофизических и триботехнических характеристик достигается путем комбинирования различ­ных по природе материалов [1].

Композиционные древесно-металлических материалы, получаемые путем размещения в древесине, обладающей высокими виброгасящими свойствами, металлических элементов, обеспечивающих повышенную теплопроводность материала, являются наиболее приемлемыми для изготовления вкладышей подшипников скольжения.

При изготовлении подшипников скольжения с вкладышами из антифрикционного композиционного древесно-металлического материала теплоотводящие элементы целесообразно выполнять в виде металлических включений сферической формы различного диаметра в материале и распределять их по толщине вкладыша радиальными слоями с переменной концентрацией в каждом слое. При работе подшипника нагрузка, вследствие наличия металлической составляющей, перераспределяется между вкладышем и металлическими включениями. В результате работы сил трения в зоне контакта на рабочих поверхностях выделяется тепло, распределяемое за счёт вращательного движения по всей внутренней поверхности подшипника. Металлические включения в процессе эксплуатации контактируют с поверхностью вала, что позволяет снизить коэффициент трения и повысить теплоотвод из зоны фрикционного контакта. Металлические включения максимальных диаметров должны быть расположены в слое, прилегающем к внутренней поверхности подшипника и находиться в непосредственном контакте с валом. По мере приближения слоя к внешнему диаметру вкладыша диаметр и объёмная концентрация металлических элементов должна уменьшаться.

Достаточно перспективным также выглядит предложенный нами новый теплоаккумулирующий материал, который может быть выполнен на основе различных полимеров, как искусственных, так и растительных, в частности - древесины [2].

Использование теплоаккумулирующего эффекта применяемых наполнителей спо­собствует дополнительному улучшению теплофизических свойств создаваемых ком­позиционных материалов. Такой эффект достигается как за счет увеличения количества теплоотводящих металлических компонентов, так и за счет обеспечения возможности аккумулирования тепловой энергии структурными составляю­щими вследствие теплопоглощения, проис­ходящего при фазовых превращениях эвтектоидного или эвтектического характера.

В этом случае выделяющееся при трении тепло частично отводится металлическими включениями вследствие их высокой теплопроводности, а частично расходуется на плавление легкоплавкого содержимого ме­таллических элементов или на фазовые превращения в них эвтектоидного характера. При этом дальнейшего увеличения температуры подшипника в определенном интерва­ле температур не происходит.

В предлагаемом подшипнике скольжения с вкладышем из антифрикционного композитного материала теплоотводящие элементы выполняются в виде капсул, представляющих собой оболочку, заполненную легкоплавким эвтектическим сплавом. Материал оболочки капсулы для увеличения отвода тепла целесообразно изготавливать из материалов высокой теплопроводности, например меди, алюминия, бронзы. Температура плавления легкоплавкого материала теплоотводящих элементов выбирается ниже температуры деструкции древесной матрицы и задается в пределах от 100 до 140°С. Это связано с тем, что чем выше температура плавления, тем больше требуется теплоты для плавления и тем больше увеличивается стойкость подшипника к повышенным температурам. Объем наполнителя и толщина оболочки капсулы определяется тепловыделением в контакте подшипника и вала.

Древесная составляющая подшипника скольжения при температуре выше 140°С подвергается термическому разложению. Избежать этого можно, если вкладыш будет работать в режиме, при котором тепловыделение не превысит установленный температурный предел. Основное тепло, выделяемое при трении стального вала о поверхность вкладыша, выходит через теплоотводящие элементы. Эффективность отвода тепла можно повысить применением в составе теплоотводящих элементов эвтектический сплав. Из диаграммы его плавления можно заметить, что температура нагрева сплава повышается до определенного момента времени. Затем повышение температуры не происходит, так как энергия затрачивается на плавление металла. Это свойство эвтектического сплава, как и чистых металлов, можно применить для дополнительного отвода тепла из зоны трения.

Таким образом, размещение в модифицированной древесине теплоаккумулирующих элементов из легкоплавкого сплава одновременно повышает эффективность отвода тепла из зоны трения и понижает температуру работы подшипника.

Предлагаемые материалы с повышенными триботехническими свойствами рекомендуется использовать в узлах трения, подверженных воздействию динамических нагрузок, действию абразива в зоне контакта, воспринимающих вибрации и.т.д. Выполненные исследования показали целесообразность использования древесно-металлических композиционных материалов для вкладышей подшипников скольжения деревообрабатывающего оборудования.

 

Список использованных источников

1 Памфилов, Е.А. Применение композиционных антифрикционных материалов для повышения работоспособности узлов скольжения деревоперерабатывающего оборудования [Текст]/ Е.А. Памфилов, Е.В. Алексеева, Е.В.Шевелева// Качество и жизнь. Научно-производственный и культурно-образовательный журнал.- Москва: «Вива-Экспресс», 2014.- С.427-432.

2 Пат. 2432508 Российская Федерация, МПК   F16C  33/04   F16C  33/24.  Подшипник скольжения [Текст] / Е.А. Памфилов. О.В. Си­доров, Е.В. Шевелева, Е.В.Алексеева, Г.А. Пилюшина; Брянская гос. инженерно-технол. академия.- Заявлено 20.11.07: опубл. 27.10.11, Бюл. № 30.