Применение композиционных материалов в узлах трения оборудования лесного комплекса

УДК 62-233:674.05

ПРИМЕНЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В УЗЛАХ ТРЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ЛЕСНОГО КОМПЛЕКСА

THE USE OF COMPOSITE MATERIALS IN THE FRICTION UNITS OF EQUIPMENT OF FORESTRY COMPLEX

Шевелева Е.В. (Брянский государственный инженерно- технологический университет, г. Брянск, РФ) Sheveleva E.V.

Рассмотрены способы создания и использования теплоаккумулирующих композиционных антифрикционных материалов для изготовления узлов скольжения оборудования лесного комплекса

The methods of creation and use of the heat storage composite antifriction materials for the manufacture of slip knots equipment offorest complex

Ключевые слова: композиционные материалы, антифрикционные материалы, те-плоаккумулирующие материалы, вкладыши подшипников скольжения, оборудование лесного комплекса

Key words: composite materials, friction materials, heat accumulating materials, bearings, equipment for forestry complex

Несмотря на разнообразие оборудования лесного комплекса, практически все его виды имеют значительный износ деталей узлов скольжения. При их эксплуатации не всегда обеспечивается требуемая работоспособность, главным образом, по причине достижения недопустимой величины износа. Замена износившихся деталей зачастую требует длительной остановки машин, что приводит к простою оборудования и, как следствие, к снижению его производительности.

Отличительными эксплуатационными особенностями узлов трения, помимо широкого диапазона и уровня прилагаемых нагрузок, является работа в условиях вибраций, абразивных сред, недостаточной смазки. Процесс изнашивания рассматриваемых узлов скольжения обычно представляет собой совокупность сложных процессов и явлений, происходящих на функциональных поверхностях и в граничных слоях сопрягаемых деталей пары трения.

Кроме того, на работоспособность таких узлов существенное влияние оказывают тепловые процессы, возникающие в результате реализации достаточно высоких давлений и скоростей трения, а также протекания ряда физико-химических процессов под действием триботехнической среды.

В связи с этим актуальным является вопрос повышения долговечности узлов скольжения за счет совершенствования их конструкций, использования более эффективных антифрикционных материалов, обладающих повышенными теплофизическими характеристиками и виброгасящими свойствами, а также путем оптимизации технологии изготовления и упрочнения деталей, составляющих узлы трения.

Для повышения характеристик узлов скольжения во многих случаях можно рекомендовать использовать не гомогенные материалы, а вводить оптимизирующие наполнители в антифрикционный материал [1,2]. За счет подбора исходных материалов и целесообразной технологии создания композитов можно получать материалы с заранее прогнозируемыми свойствами. В частности, для снижения уровня теплового воздействия на детали узлов скольжения, изготовленных из полимеров, в качестве наполнителя целесообразно использовать металлы, обладающие высокой теплопроводностью. Для повышения работоспособности деталей при их фрикционном взаимодействии без смазки можно использовать в антифрикционном материале сочетание металлической и полимерной составляющих. Такой же результат достигается путем создания комбинированных конструкций деталей узлов скольжения, состоящих из полимеров и металлов, соединяемых между собой механическими способами [3,4,5,6].

Применение композиционных материалов на основе древесины позволяет обеспечить высокий уровень работоспособности узлов скольжения. При этом получение повышенных характеристик достигается путем комбинирования различных по природе материалов за счет того, что в них проявляются не только свойства отдельных исходных компонентов, но и достигается определенная совокупная эффективность нового материала за счет проявления синергетического эффекта [2,3,6,7]. Особенности строения древесины, разработанные технологии её модифицирования в сочетании со сравнительно низкой стоимостью делают эти материалы перспективными для применения в качестве основы для создания узлов трения.

Для повышения долговечности модифицированного древесного антифрикционного материала за счет снижения температурного режима эксплуатации предлагается располагать в нем металлические теплопроводящие элементы различной формы, изготовленные из материалов, обладающих повышенной теплопроводностью и антифрикционностью [3,7]. Благоприятный уровень теплофизических характеристик таких материалов обеспечивается за счет целесообразного выбора металлической составляющей, назначения ее оптимального химического состава, породы древесины, направления ее волокон и характера модификации, а также рационального соотношения в древес-но-металлическом материале древесной и металлической фазы.

В результате анализа обеспечения работоспособности древесно-металлических вкладышей подшипников скольжения и способов их получения установлено, что при выборе металлической фазы сферической формы возможно достижение ее более равномерного распределения в древесной матрице и обеспечение регулируемой ее концентрации по толщине вкладыша в зависимости от условий эксплуатации. Целесообразно распределять металлические включения по толщине вкладыша радиальными слоями с переменной концентрацией в каждом слое [3,6,7].

При работе подшипника нагрузка, вследствие наличия металлической составляющей, перераспределяется между вкладышем и металлическими включениями. Металлические включения в процессе эксплуатации контакти-

руют 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. Так как максимальная рабочая температура находится в зоне контакта подшипника с валом, а распределение включений зависит от распределения температуры, то, по мере удаления от зоны контакта рабочих поверхностей, количество металла и диаметр теплоотводящих элементов уменьшается.

На заключительной операции механической обработки осуществляется расточка внутреннего и внешнего диаметров с формированием функциональных параметров поверхностного слоя. В процессе механической обработки обеспечивается получение на формируемой рабочей поверхности вкладыша соотношения площадей древесного материала и теплоотводящих элементов [6,7] .

В деревоперерабатывающей промышленности опоры оборудования могут быть выполнены с вкладышем из антифрикционного композитного материала, состоящего из проклеенной древесины с теплопроводящим элементом в виде металлической полосы, расположенной по спирали между слоями проклеенной древесины [4].

В предлагаемом подшипнике скольжения [5] вкладыш выполняется из теплоаккумулирующего композиционного материала, который состоит из древесной основы и теплоотводящих элементов, выполненных в виде капсул с оболочкой, заполненной легкоплавким эвтектическим сплавом, во избежание вытекания расплавленного металла. Оболочки капсулы для увеличения отвода тепла изготавливаются из материалов высокой теплопроводности, например меди, алюминия, бронзы, которые наносятся химическим или электроискровым методом. Объем наполнителя и толщина оболочки капсулы определяются уровнем тепловыделения в контакте подшипника и вала в процессе эксплуатации узла трения.

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.

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. При этом дальнейшего увеличения температуры подшипника в определенном интервале температур не происходит. Таким образом, размещение в модифицированной древесине те-плоаккумулирующих элементов из легкоплавкого сплава одновременно повышает эффективность отвода тепла из зоны трения и понижает температуру работы подшипника.

Комбинирование в конструкциях подшипников скольжения нескольких материалов, способных в совокупности обеспечить для рассматриваемых узлов необходимые триботехнические характеристики, 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 подшипника.

Список использованных источников

1. Памфилов Е.А., Алексеева Е.В., Шевелева Е.В. Применение композиционных антифрикционных материалов для повышения работоспособности узлов скольжения дерево-перерабатывающего оборудования // Качество и жизнь.- Москва: «Вива-Экспресс», 2014.-С.427-432.

2. Памфилов Е.А., Шевелева Е.В., Прусс Б.Н. Композиционные антифрикционные материалы на основе древесины // Трибология - машиностроению: труды международной научно-технической конференции.- М: Институт компьютерных исследований, 2016, С. 182-183.

3. Памфилов Е.А., Шевелева Е.В., Муратов Д.И. Создание новых композиционных древесно-металлических материалов // Лесн. журн. 2006. № 2. С. 60-66. (Изв. высш. учеб. заведений).

4. Пат. 108519 РФ, И1 Б 16 С 33/04 Б 16 С 33/24. Подшипник скольжения / Памфилов Е.А., Лукаш А.А., Прусс Б.Н., Пилюшина Г.А.; заявитель и патентообладатель Брянская гос. инж.-техн. акад. № 2011113560/11; заявл. 07.04.2011; опубл. 20.09.2011.

5. Пат. 2432508 РФ, МПК Б 16 С 33/04 Б 16 С 33/24. Подшипник скольжения / Памфилов Е.А., Сидоров О.В., Шевелева Е.В., Алексеева Е.В., Пилюшина Г.А.; заявитель и патентообладатель Брянская гос. инж.-техн. акад. № 2007143028/11; заявл. 20.11.2007; опубл. 27.10.2011.

6. Пат. 2305804 РФ, МПК Б16 С 33/24. Способ изготовления подшипника скольжения / Памфилов Е.А., Шевелева Е.В., Сидоров О.В.; заявитель и патентообладатель Брянская гос. инж.-техн. акад. № 2005136603/11; заявл. 24.11.2005; опубл. 10.09.2007.

7 Шевелева Е.В. Разработка композиционных древесно-металлических материалов для изготовления вкладышей подшипниковых узлов // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. Сборник научных трудов по материалам международ. науч.-практ. конф. № 9 ч.2 (20-2). - Воронеж: ВГЛТУ, 2015, С. 107-110.