Технологические аспекты запрессовки композиционных материалов в металлическую обойму

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЗАПРЕССОВКИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В МЕТАЛЛИЧЕСКУЮ ОБОЙМУ

В.Ю. ПРОХОРОВ, доц. каф. технологии машиностроения и ремонта МГУЛ, канд. техн. наук, А.И. РОДИОНОВ, доц. каф. прикладной математики МГУЛ, канд. техн. наук

Необходимость применения новых самосмазывающихся материалов в узлах трения лесопромышленного оборудования характеризуется следующими условиями работ: труднодоступностью узлов для периодического обслуживания; высокой трудоемкостью, частой периодичностью смазочных операций при техническом обслуживании (ТО); зачастую большим количеством смазываемых узлов (на валочно-пакетирующей машине ЛП-18 ежедневно необходимо смазывать 36 узлов) или большой протяженностью механизмов (лесотранспортеры, конвейеры); эксплуатацией машин и механизмов преимущественно на открытом воздухе, в контакте с влагой, водой, пылью, абразивосодержащими средами, древесиной; широким диапазоном температур; повышенными требованиями к защите окружающей среды и пожароопасности.

Опыт показывает, что применение антифрикционных самосмазывающихся угле-род-углеродных композиционных материалов (УУКМ) позволяет повысить показатели качества, надежности и долговечности машин и агрегатов, уменьшить затраты на их ремонт и техническое обслуживание [2]. Такие свойства новых материалов, как высокая износостойкость без введения смазочного материала, низкий коэффициент трения, работоспособность в широком диапазоне температур, высокая статическая и динамическая несущая способность (до 100 МПа), прирабатывае-мость, демпфирующая способность, удовлетворительные акустические и вибрационные характеристики делают перспективными их использование во многих тяжелонагруженных узлах лесопромышленного оборудования. Антифрикционные самосмазывающиеся материалы позволяют значительно снизить трудоемкость изготовления узлов и деталей благодаря применению малоотходных или безотходных прогрессивных технологий. Использование материалов с композиционной и комбиниро-

prohorovv@yandex. ru; rodionovai@inbox. ru

ванной структурой дает возможность уменьшить массу и размеры узлов и деталей машин, сэкономить большое количество смазочных материалов, цветные металлы, легированные стали и другие материалы, что позволит упростить конструкцию узлов и агрегатов.

Применение УУКМ в узлах трения лесопромышленного оборудования позволяет решить следующие задачи:

- уменьшить число точек смазки или увеличить периодичность смазывания многих узлов машин при техническом обслуживании;

- сократить расход смазочных материалов;

- уменьшить расход цветных металлов (бронзы, латуни) на изготовление подшипников скольжения за счет замены на УУКМ;

- заменить подшипники качения на УУКМ в некоторых узлах машин;

- уменьшить трудоемкость технического обслуживания и ремонта машин и оборудования;

- повысить износостойкость и надежность узлов трения;

- уменьшить шум, визг и вибрации в машинах;

- уменьшить стоимость, металлоемкость и массу машин;

- повысить качество выпускаемой продукции;

- повысить производительность оборудования за счет увеличения нагрузочных и скоростных режимов его эксплуатации.

В данной статье поставлена цель дать новые данные по запрессовке УУКМ в металлическую обойму.

Прессовые соединения должны обладать прочностью, чтобы выдерживать возникающие при работе нагрузки (осевые, крутящий момент, вибрации).

Прочность и относительная неподвижность соединений деталей с натягом обеспе-

138

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2010

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

чивается силами трения, которые зависят от давления, определяемого натягом. Сборка соединений с натягом может осуществляться под действием осевой силы, создаваемой прессом, или с термовоздействием - нагревом охватывающей или с охлаждением охватываемой детали. Применяют также гидропрессовую сборку, при которой деформация деталей соединения достигается подачей в зону сопряжения масла под высоким давлением через специальные канавки при одновременном действии осевой силы.

Под прочностью соединения с натягом понимается способность сопротивляться осевому сдвигу и провороту сопрягаемых деталей, когда они находятся под действием осевой нагрузки, вращающего и изгибающего моментов. Передаваемый соединением вращающий момент

M = 0,5nd2LfPy,

где d - диаметр сопряжения, мм;

L - длина сопряжения, мм; f - коэффициент трения сопряженной пары при относительном вращении;

P - удельное давление на контактной

поверхности

МПа:

ру _

сопряженной пары,

5„

C C d

E Е2

где ёэ - эффективные диаметральный натяг в мм, принимаемый меньше измеренного натяга ё ввиду смятия и срезания шероховатостей при запрессовке

§э = 5И - 1,2(RZ1 + rZ2X

где RZI и RZ2 - параметры шероховатости охватывающей и охватываемой поверхностей;

EI, E2 - модули упругости материалов сопрягаемых деталей, МПа;

С1, С2 - коэффициенты для охватывающей и охватываемой деталей соответственно

„ D2 + d2 _ d2 + d02

Ci +ч; С2 _- 0

D1 - d1

d1 - d2

2 3

где D - наружный диаметр охватывающей детали, мм;

d0 - диаметр отверстия в охватываемой детали, мм;

d - диаметр сопряжения, мм;

ц2 - коэффициенты Пуассона стали и УУКМ соответственно.

Таким образом, усилие запрессовки связано с материалом деталей (коэффициент трения, упругие свойства), с натягом и размерами сопрягаемых поверхностей.

Если наружный диаметр D стремится к бесконечности, то C = 1 + ц, если же охватываемая деталь не имеет отверстия, то есть

d0 = 0 то C2 = 1 + Ч.

Опытами установлено, что при D > 6d, значение C1 становится постоянным и начиная с этой величины D можно использовать приведенное значение C1 = 1 + ц1. Усилие запрессовки P = ndLfP где f - коэффициент трения при запрессовке.

Однако запрессовку под действием осевой силы при нормальной температуре можно осуществлять при сравнительно небольших натягах (0,02-0,04 мм), не приводящих к появлению опасных удельных давлений. Нагрев охватывающей или охлаждение охватываемой детали облегчают сборку при любых натягах, но наибольший эффект получают при значительных натягах, когда требуется высокая прочность соединения. Благодаря тому, что шероховатости поверхностей не сминаются, происходит их сцепление, и как показали опыты, увеличение прочности соединения в 2-2,5 раза. Нагрев охватывающей детали применяют также в том случае, когда она выполнена из материала, имеющего более высокий коэффициент линейного расширения, а собираемый узел работает в зоне повышенных температур.

Для определения температуры нагрева T охватывающей детали (или охлаждения охватываемой) пользуются соотношением

T _§и +50-Т d а

где 5 - измеренный диаметральный натяг, мм;

50 - зазор в момент сборки, мм;

d - диаметр отверстия охватывающей детали, мм;

а - коэффициент линейного расширения, 1/°С;

Т0 - температура окружающей среды, °С.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2010

139

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

Рис. 1. Основные параметры расточки внутренней поверхности втулок шарнирных сопряжений под запрессовку УУКМ

Рис. 2. Общий вид втулки шарнирного подшипника технологического оборудования после изготовления: 1 - основа втулки; 2 - УУКМ; 3 - бурт

Нагрев охватывающей детали осуществляют до температуры не более 320-350 °С, при которой сохраняются физико-механические свойства материала. В зависимости от вида производства детали нагревают в масляных ваннах, электропечах сопротивления, индукционных установках.

Соединения, собираемые с охлаждением охватываемой детали, примерно на 10-15 % прочнее, чем соединения, получаемые с нагревом охватывающей детали. Сборка с охлаждением не изменяет исходную структуру и физико-механические свойства металла. Поэтому этот способ целесообразно применять для сборки ответственных узлов, к которым предъявляются повышенные требования по эксплуатационной надежности,

В качестве хладоносителей обычно применяют твердую углекислоту

и жидкий азот. Температура охлаждения в жидком азоте -195 °С. В ванне денатурированный спирт-сухой лед с температурой охлаждения - 78 °С.

Охлаждение охватываемых деталей особенно удобно, когда приходится запрессовывать большое число мелких деталей в сравнительно большие корпусные детали, нагрев которых потребовал бы мощного и дорогого нагревательного оборудования.

Для предохранения контактной поверхности от задиров, а также для облегчения процесса сборки хорошо использовать дисульфидмолибденовую смазку (M0S2), применяемую в виде порошка или пасты. Эта смазка покрывает металл тонким слоем (3-5 мкм) и поэтому не влияет на натяг в соединении.

Технология изготовления заготовок для втулок шарнирных сопряжений, подлежащих запрессовке, не оказывает влияния на технологию запрессовки УУКМ и может быть оставлена на заводе неизменной. Единственной отличительной механической операцией, необходимой для подготовки втулки под запрессовку, является ее расточка на толщину УУКМ и выполнение особой формы торца внутренней поверхности. Характер расточки и форма торца являются едиными для всех типоразмеров втулок цилиндрической формы (рис. 1). Базы при механической обработке втулок и запрессовка УУКМ остаются неизменными.

Общий вид втулки шарнирного подшипника представлен на рис. 2

Библиографический список

1. Бабкин, А.М. Управление свойствами композиционных материалов при проектировании технологий изготовления и модернизации машин / А.М. Бабкин, В.Ю. Прохоров. // Материалы 2-й научно-практической конференции «Организация и развитие информационного обеспечения органов управления, научных и образовательных учреждений АПК», ФГНУ «Росинформагротех», 2006. - Т. 2. - С. 35-43.

2. Голубев, И.Г. Модернизация транспортных и технологических машин с помощью альтернативных материалов / И.Г. Голубев, В.Ю. Прохоров // Лесная промышленность. - 2004. - № 4. - С. 24-27.

140

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2010