Применение композиционного материала на основе полимера в узлах трения лесообрабатывающего оборудования

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

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

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

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.