Разработка композиционных материалов на основе древесины для узлов скольжения

УДК 621.822.001.02

РАЗРАБОТКА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ДРЕВЕСИНЫ ДЛЯ УЗЛОВ СКОЛЬЖЕНИЯ

DEVELOPMENT OF COMPOSITE MATERIALS ON THE BASIS OF WOOD

FOR SLIDING KNOTS

Шевелева Е.В.

Рассмотрен способ создания композиционных материалов на основе древесины для изготовления узлов скольжения

Ways of creation of composite materials on the basis of wood for production of knots of sliding are considered

Ключевые слова: композиционные материалы, подшипники скольжения, антифрикционные материалы, древесно-металлические материалы

Key words: composite materials, bearings of sliding, antifrictional materials, wood-metal materials

Для повышения триботехнических характеристик узлов скольжения при их изготовлении можно использовать не гомогенные материалы, а антифрикционный материал и оптимизирующие наполнители, создавая более работоспособную гетерогенную структуру. Требуемые свойства гетерогенных материалов достигаются благодаря комбинированию различных составляющих в композите, которое обеспечивает получение новых материалов.

Для снижения уровня теплового воздействия на детали узлов скольжения и повышения работоспособности деталей при их фрикционном взаимодействии без смазки возможно использовать в антифрикционном материале сочетание металлической и полимерной составляющих.

Исследование свойств древесины и разработка технологий, направленных на совершенствование физико-механических характеристик древесных материалов позволили значительно расширить область их применения, в частности для изготовления антифрикционных вкладышей подшипников скольжения. Особенности строения древесины, разработанные технологии её модифицирования в сочетании со сравнительно низкой стоимостью делают этот материал перспективным для применения в качестве основы для создания композиционных материалов трибологического назначения.

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

В результате анализа обеспечения работоспособности древесно-металлических вкладышей подшипников скольжения и способов их получения установлено, что наиболее перспективно использование металлических элементов, размещаемых в объеме материала вкладыша. При выборе металлической фазы сферической формы возможно достижение ее более равномерного рас-

пределения в древесной матрице и обеспечение регулируемой ее концентрации по толщине вкладыша в зависимости от условий эксплуатации.

Благодаря тому, что коэффициент теплопроводности антифрикционных металлических материалов гораздо больше, чем у древесины, основное тепло, образующееся при трении, будет выходить через металлические включения, что значительно снижает вероятность термического разложения древесной составляющей, которое может происходить при высоких температурах. Также металлические элементы из антифрикционного материала позволяют понизить коэффициент трения и, соответственно, тепловыделение на фрикционном контакте. С другой стороны, в сравнении с металлическими материалами, древесина обладает свойством в значительно большей степени демпфировать механические колебания в подшипниковом узле.

При изготовлении подшипников скольжения с вкладышами из антифрикционного композиционного древесно-металлического материала теплоотводя-щие 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 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.

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 отметить, 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. Температура плавления материала теплоотводящих элементов должна быть ниже температурной деструкции древесной матрицы, и находится в пределах от 100 до 140°С. Это связано с тем, что температуру плавления ниже 100°С выбирать нецелесообразно, так как чем она выше, тем больше требуется теплоты для ее плавления, и тем больше увеличивается стойкость подшипника к повышенным температурам.

Предложенный теплоаккумулирующий материал может использоваться в опорах валов различных машин, в частности в станках деревообрабатывающей промышленности. В предлагаемом подшипнике скольжения вкладыш выполняется из композиционного материала. Антифрикционный композитный материал состоит из древесной основы и теплоотводящих элементов, которые выполнены в виде капсул с оболочкой, заполненной легкоплавким эвтектическим сплавом, во избежание вытекания расплавленного металла. Материал оболочки капсулы для увеличения отвода тепла целесообразно изготавливать из материалов высокой теплопроводности, например меди, алюминия, бронзы, который наносится химическим или электроискровым методом, толщина оболочки должна составлять 0,1-0,3 мм. Объем наполнителя и толщина оболочки капсулы определяется тепловыделением в контакте подшипника и вала. В результате использования теплоаккумулирующего материала в подшипнике скольжения снижается расход высокотеплопроводного металла, а также одновременно повышается теплоотводящая способность.

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.

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

Использование композиционных материалов позволяет в существенной степени снизить недостатки отдельных структурных составляющих. При этом получение повышенных характеристик достигается путем комбинирования различных по природе материалов, в них проявляются не только свойства отдельных исходных компонентов, но и достигаются определенные совокупные характеристики нового материала за счет проявления синергетического эффекта. Путем подбора исходных материалов и целесообразной технологии создания композитов открывается возможность получения материалов с заранее прогнозируемыми свойствами.

Список использованных источников

1 Пат. 2432508 Российская Федерация, МПК Б16С 33/04 Б16С 33/24. Подшипник скольжения [Текст] / Е.А. Памфилов. О.В. Сидоров, Е.В. Шевелева, Е.В.Алексеева, Г.А. Пи-

люшина. Брянская гос. инженерно технол. академия.- № 2007143028/11; Заявл. 20.11.2007; Опубл 27.10.2011. - Бюл. № 30.