Виброизоляционные опоры скольжения из композиционных материалов на основе древесины

ВИБРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ ОПОРЫ СКОЛЬЖЕНИЯ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ДРЕВЕСИНЫ

ISOLATION FROM VIBRATION OF THE SUPPORT OF SLIDING FROM COMPOSITE MATERIALS ON THE BASIS OF WOOD

Шевелева Е.В.

Рассмотрены принципы формирования композиционных древесно- металлических материалов для изготовления виброизоляционных узлов трения

Principles of formation of composite wood-metal materials for manufacturing isolation from vibration of the units of friction are considered

Ключевые слова: вибрации, композиционные материалы, подшипники скольжения

Keywords: vibrations, composite materials, bearings of sliding

Работа большинства машин и механизмов деревообрабатывающего оборудования сопровождается вибрациями различной природы. Колебания машин приводят к ослаблению соединений, разрушению опор и фундаментов, ускоряют процесс изнашивания деталей машин.

Значительное число деталей и узлов деревообрабатывающего оборудования работает в условиях, обусловленных комплексным воздействием различных эксплуатационных факторов (высокие окружные и угловые скорости вращения валов, статистические и динамические нагрузки, возможность попадания абразивных частиц в зону фрикционного контакта и т.д.). Пониженная точность в совокупности с высокими частотами вращения валов приводят к возникновению вибраций средней и высокой частот, что в значительной степени определяет качество обрабатываемой поверхности и повышает уровень шума.

В существенной степени надежность деревообрабатывающего оборудования зависит от работоспособности узлов трения. По данным ряда исследований большинство случаев отказов оборудования приходится на трущиеся сопряжения, в особенности на их подшипники скольжения.

Применение модифицированной древесины в узлах трения машин и механизмов обусловлено следующими основными свойствами уплотненной древесины: достаточными прочностными характеристиками, способностью работать в абразивной среде, хорошими демпфирующими свойствами, минимальным износом сопрягаемых деталей, высокой прирабатываемостью поверхности. Кроме этого, учитывая анизотропность прессованной древесины, возможно подбирать для различных условий наиболее выгодное решение, используя разные способы прессования.

Во многих случаях решения задачи обеспечения работоспособности узлов трения деревообрабатывающего оборудования целесообразно использование древесно-металлических композиционных материалов, благоприятное формирование эксплуатационных свойств которых в значительной степени определяется их объемной и поверхностной структурой.

Композиционные древесно-металлических материалы, получаемые путем размещения в древесине, обладающей высокими виброгасящими свойствами,

металлических элементов, обеспечивающих повышенную теплопроводность материала, являются наиболее приемлемыми для изготовления вкладышей подшипников скольжения.

Повышение уровня работоспособности древесно-металлических композиционных материалов обеспечивается посредством целесообразного выбора состояния древесной основы, формы, дисперсности и закона объемного распределения металлической фазы в объеме вкладыша подшипника скольжения.

Для формирования эксплуатационных свойств, определяющих работоспособность узлов трения, разрабатывалась схема взаимосвязи эксплуатационных особенностей подшипников скольжения, факторов, обеспечивающих управление уровнем работоспособности и возможных путей ее оптимизации. На основании проведенных исследований были приняты принципы формирования дре-весно-металлической композиции.

Выбирается состав и структура древесно-металлического композиционного материала в зависимости от условий нагружения подшипникового узла и прогнозируемого температурного режима его эксплуатации, а также с учетом целесообразности использования металлических элементов различной формы и достижения различной концентрации металлической фазы по толщине вкладыша.

Предлагаются способы формирования благоприятного уровня объемных и поверхностных триботехнических свойств древесно-металлических композиций, включающие различные варианты имплантации металлической фазы в объем древесины, пути модификации последней путем пропитки и уплотнения, а также обосновываются условия и режимы механической обработки функциональных поверхностей вкладышей подшипников скольжения.

Объемная структура рассматриваемых материалов создается в процессе их проектирования и изготовления заготовок. Структура поверхностных слоев и микрогеометрия контактирующих поверхностей определяют величину коэффициента трения и способность интенсивного отвода тепла с пятен фактического контакта в глубь материала вала и подшипника скольжения.

Наиболее перспективно использование металлических элементов, размещаемых в объеме материала вкладыша, поскольку в иных случаях получается материал с резко выраженной анизотропией свойств как по глубине, так и по поверхности фрикционного контакта. 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 задаваемых условий эксплуатации.

Выбор размеров и распределения металлической фазы в древесно-металлическом композиционном материале может осуществляться по различным схемам. Металлическая фаза одинаковой или разной дисперсности может произвольно располагаться в древесной матрице или металлическая фаза различной дисперсности послойно размещается в древесной матрице.

Одним из наиболее важных факторов при проектировании древесно-металлических композиционных материалов является определение благоприятного уровня концентрации металлической фазы в объеме подшипникового материала и ее дисперсности. Это обусловлено в значительной степени необходи-

мостью обеспечения существенного снижения уровня температурного режима эксплуатации древесно-металлических подшипниковых материалов.

Обосновываются принципы обеспечения повышения фрикционных характеристик и износостойкости рабочих поверхностей подшипников скольжения. Достижение благоприятного соотношения на них древесной и металлической составляющих и реализации возможностей протекания избирательного переноса на фрикционном контакте за счет образования тонких аморфных пленок и их активного участия в протекании процесса трения.

Существенную роль при обеспечении требуемого уровня теплофизических характеристик подшипникового материала играет его сплошность, характеризующаяся плотностью контакта между металлической и древесной фазами.

Таким образом, при создании древесно-металлических композиционных материалов необходим обязательный учет указанных факторов и их взаимосвязей для достижения необходимых эксплуатационных требований. В связи с этим принимается следующий алгоритм формирования древесно- металлической композиции:

- выбор породы древесной составляющей композиционного материала и задание направления волокон по отношению к прилагаемой нагрузке и скорости скольжения в подшипниковом узле;

- выбор марки металлической фазы, ее дисперсности и послойного объемного содержания;

- выбор способа имплантации металлической фазы в древесную составляющую;

- выбор схемы модифицирования древесины;

- выбор задания функциональных характеристик рабочих поверхностей подшипников скольжения и выбор технологических приемов их формирования при механической обработке антифрикционных материалов.

Рассматриваются технологические приемы обеспечения требуемых параметров поверхностного слоя при механической обработке древесно- металлических композиционных подшипниковых материалов.

Структура подшипниковых материалов, характеристики отдельных ее составляющих, их влияние на обрабатываемость древесно-металлических материалов и износостойкость используемого инструмента в значительной степени определяют состояние поверхностных слоев изнашиваемых поверхностей подшипников скольжения. Выявление закономерностей образования структуры поверхностного слоя обеспечивает получение благоприятного сочетания характеристик качества поверхностных слоев после их формирования обработкой резанием лезвийным инструментом. Эти закономерности могут быть установлены на основе анализа зависимостей, связывающих физико-химические и структурные свойства с показателями обрабатываемости исследуемых материалов и свойствами формируемых поверхностей.

Свойства функциональных поверхностей, формируемые в процессе механической лезвийной обработки, главным образом определяются режимами резания, угловыми параметрами резцов и свойствами древесной и металлической фазы. Это связано с тем, что в процессе обработки происходит одновременное

резание древесной и металлической фазы. При этом металлическая фаза может вдавливаться в упругую основу, перерезаться с образованием на поверхности фрикционного контакта металлического пятна, либо полностью вырываться из древесной основы. Характер протекания процесса определяется степенью закрепления металлической фазы в матрице, сопротивлением имплантированного металла срезанию, величиной касательной силы резания, определяемой прочностными характеристиками и уровнем срезания частицы.

Качество поверхностей, получаемых в процессе обработки резанием, определяется поверхностной структурой, микрорельефом, позволяющим управлять площадью контакта, наличием на ней выходов металлической фазы и отсутствием выровов металлической составляющей.

Предлагаемые материалы с повышенными триботехническими свойствами рекомендуется использовать в узлах трения, подверженных воздействию динамических нагрузок, действию абразива в зоне контакта, воспринимающих вибрации.