ПОДШИПНИК СКОЛЬЖЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
PLAIN BEARING AND METHOD OF ITS MANUFACTURE

Изобретение относится к деревообрабатывающей промышленности, в частности к получению деталей трения из древесины.
Известен подшипник скольжения из прессованной древесины с радиальным расположением волокон и неравномерной плотностью по сечению, содержащий антифрикционные вещества (авт. свид. СССР №926397, МПК F16C 33/12, 1982 г.)
Недостатком подшипника является то, что при больших нагрузках периферийная зона сминается и подшипник выходит из строя.
Известен способ металлизации древесины путем насыщения ее парами тетрокарбонила никеля и термического разложения, в результате чего содержание никеля в древесине составляет 15-20% от массы древесины (см. пат. РФ 32339505, МПК B27K 5/06, C23C 16/16, 2008 г.) Недостатком данного подшипникового материала является его высокая стоимость, обусловленная высокой стоимостью никеля.
Известен способ склеивания модифицированной древесины, когда для увеличения прочности клеевого шва в клеевой состав добавляют нанокристаллическую целлюлозу в количестве 8-10% от массы смолы (см. Патент РФ №2454444, МПК C09J 5/00 C09J 61/24, B82B 1/00, 2012 г.). Недостатком способа является то, что при этом не увеличивается прочность самой модифицированной древесины.
Прототипом является подшипник скольжения из прессованной древесины с радиальным расположением волокон с равномерной плотностью по всему сечению, содержащий смазку до 15% от массы (см. В.А. Шамаев, А.И. Смольяков, П.А. Смирнов, В.П. Ивановский, А.Е. Чаадаев. Прессованная древесина в машиностроении. Справочник, Воронеж, ВГТЛА, 2005, с.10, рис.1.18).
Такой подшипник является наиболее износостойким и выдерживает большие статистические нагрузки. Недостатком подшипника является невысокая износостойкость при динамических нагрузках и низкая теплопроводность.
Изобретение решает задачу увеличения износостойкости и теплопроводности подшипника.
Поставленная задача достигается тем, что в подшипнике скольжения, выполненном из модифицированной древесины с радиальным расположением волокон и равномерной плотностью по всему сечению, содержащем смазку в количестве 7-8% от массы древесины и металлическое включение, согласно изобретению древесина подшипника содержит нанокристаллическую целлюлозу в количестве 0,5-0,8% от массы древесины, а металлическое включение выполнено в виде сплошной пленки никеля толщиной 0,8 мкм в количестве 4-6% от массы древесины, выстилающей всю внутреннюю поверхность древесины.
Известен способ получения древеснометаллических втулок, в котором вкладыши прямоугольной формы прессуют через конус с формообразованием во втулку и пропиткой антифрикционными веществами (см. авт. свид. СССР №863429, МПК B32B 13/00, B27M 1/02, 1981 г.).
Недостатком способа является то, что он не позволяет получить подшипник скольжения с равномерной плотностью древесины по сечению.
Наиболее близким из известных (прототип) является способ получения втулок, включающий выпиливание сегментов из прессованной древесины, нанесение клея, формообразование в заготовку втулки, склеивание в автоклаве и последующую механическую обработку по внутреннему и наружному диаметру (см. авт. свид. СССР №409854, МПК B27d 1/08, B29c 27/10, 1974 г.). Недостатком способа является его трудоемкость, т.к. есть необходимость обтачивания заготовки по наружному и внутреннему диаметру. Кроме того, по этому способу невозможно регулировать конечную плотность подшипника в сторону увеличения, что не позволяет повысить износостойкость.
Изобретение решает задачу увеличения качества подшипника скольжения и снижения трудоемкости изготовления.
3
Поставленная задача достигается тем, что в способе изготовления подшипника скольжения, включающем изготовление сегментов из прессованной древесины, нанесение клея, установку во вспомогательную обойму, прессование через конус в приемник, склеивание и механическую обработку, согласно изобретению сегменты изготавливают с радиусами закругления будущего подшипника, угол конуса выбирают с возможностью подпрессовки древесины до плотности не менее 1350 кг/м, а механическую обработку производят по внутреннему диаметру подшипника.
На фиг.1 и 2 показана схема раскроя бруска из прессованной древесины на сегменты, на фиг.3 - готовый сегмент, на фиг.4 - формообразование заготовки с нанесением клея и установкой во вспомогательную обойму, на фиг.5 - прессование заготовки через конус в приемник, на фиг.6 - готовый подшипник.
Низкая конкурентоспособность неметаллических подшипников скольжения по сравнению с шарико- и роликоподшипниками из высоколегированной стали объясняется тем, что неметаллические подшипники имеют в 2-3 раза меньшую твердость и, как следствие, меньшую износостойкость и низкую теплопроводность, что резко ограничивает диапазон допустимых скоростей (при больших оборотах вала возникает перегрев в зоне трения и древесина обугливается). Для увеличения теплопроводности подшипника в древесину, предназначенную для прессования, вводят металлический никель в количестве 4-6% от массы древесины, т.е. в объеме 0,3-0,4% от объема древесины в виде сплошной пленки толщиной 0,8 мкм, выстилающей всю внутреннюю поверхность древесины по способу, описанному в патенте №23390505.
3
Для снижения коэффициента трения в металлизированную древесину вводят смазку типа Biol в количестве 7-8% от массы древесины. Для придания древесине повышенной жесткости, твердости и износостойкости вместе со смазкой в древесину вводят нанокристаллическую целлюлозу (НКЦ) в количестве 0,5-0,8% от массы древесины. Конечной операцией получения прессованной древесины является прессование брусков со способу, описанному в патенте №2340443, до плотности 1250-1300 кг/м.
Содержание никеля в древесине в количестве 4-6% обеспечивает теплопроводность прессованной древесины 12-15 Вт/м/К (теплопроводность натуральной древесины 0,5 Вт/м/К), что вполне достаточно для отвода тепла из зоны трения. При содержании никеля менее 4% теплопроводность падает в несколько раз из-за несплошности пленки никеля, а увеличение содержания никеля более 6% ведет к увеличению длительности процесса металлизации с двух часов до 5-6 часов.
При содержании нанокристиллической целлюлозы менее 0,5% твердость прессованной древесины увеличивается незначительно, а получить прессованную древесину с содержанием НКЦ более 0,8% технически невозможно из-за большого объема геля НКЦ.
3
3
Прессованная древесина с наилучшими показателями прочностных свойств получается по способу, описанному в патенте №2340443, в диапазоне плотности 1250-1300 кг/м. По этому способу возможно получение плотности до 1400 кг/м, однако брак по трещинам увеличивается в несколько раз, и процесс становится нетехнологичным.
Получение подшипника скольжения по предложенному способу происходит следующим образом.
На станке для нарезки сегментов из бруска прессованной древесины выпиливают сначала боковые грани, а затем отрезают сегмент с радиусом будущего подшипника, как показано на фиг.1, 2, 3. На боковые грани сегментов наносят клей и собирают их во вспомогательную обойму (фиг.4). Вспомогательную обойму 1 устанавливают на конус 2 (фиг.5), в свою очередь, установленный на приемнике 3. Угол конуса зависит от начальной плотности сегментов 4 и определяется по формуле:
<mrow><mi>λ</mi><mo>=</mo><mi>t</mi><mi>g</mi><mfrac><mrow><msup><mi>ρ</mi><mi>k</mi></msup></mrow><mrow><msup><mi>ρ</mi><mi>o</mi></msup></mrow></mfrac><msqrt><mrow><msup><mi>D</mi><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><msup><mi>d</mi><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt></mrow>
k
3
где ρ - плотность сегмента, кг/м;
о
3
ρ - плотность подшипника, кг/м;
D - внутренний диаметр вспомогательной обоймы, мм;
d - внутренний диаметр приемника, мм.
Далее пуансоном 5 заготовка из сегментов 4 через конус 2 перепрессовывается на гидравлическом прессе в приемник 3. После горячего отвердения клея готовый подшипник (фиг.6) вынимают из обоймы и при необходимости обтачивают по внутреннему диаметру с минимальным припуском 0,4-1,0 мм. Показатели свойств подшипника приведены в таблице.
№/№
Показатели свойств
Прототип - авт. свид. №409854
Предложенный способ
1
Плотность, кг/м<sup>3</sup>
1200
1400
2
Влажность, %
2
2
3
Содержание смазки, %
8
8
4
Содержание НКЦ
-
0,7
5
Содержание никеля, %
-
5
6
Теплопроводность, Вт/м/К
0,9
16
7
Предел прочности при сжатии вдоль волокон при
статических нагрузках, МПа
150
222
динамических нагрузках, МПа
35
90
8
Коэффициент трения при P=5 МПа, V=1,0 м/с
0,06
0,05
9
Твердость торцовая, МПа
160
350
10
Износ, мкм на 1 тыс.м пути
28
4
11
Допустимая температура в зоне трения, °C
100
160
12
Срок службы подшипника в узлах трения ленточных транспортеров, лет (серийный ш/п №208 служит 1,8 года)
1,2
2,4
Разработанная конструкция подшипника позволяет заменить в узлах трения не только подшипники скольжения, но и подшипники качения.
Способ изготовления подшипника скольжения позволяет автоматизировать процесс в виде роторно-конвейерной линии по аналогии с процессом получения шарикоподшипников и организовать серийное производство. Время, затрачиваемое на изготовление одного подшипника по предложенному способу, примерно вдвое меньше, чем по способу, описанному в авт. свид. №409854.