Формирование древесно-металлических композиционных материалов для изготовления подшипниковых узлов

ФОРМИРОВАНИЕ ДРЕВЕСНО-МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

ПОДШИПНИКОВЫХ УЗЛОВ

Шевелева Е.В., Муратов Д.И., Тутенко С.В.

Formation of wood-metal composite materials for manufacturing bearing units.

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 трибо-логического назначения.

Одним из возможных способов совершенствования подшипников скольжения из модифицированной древесины является изготовление вкладышей на основе древесно-металлических композиционных материалов, получаемых путем размещения в древесине, обладающей высокими виброгасящими свойствами, металлических элементов. Это позволяет в значительной степени уменьшить температуру в зоне трения, повысить долговечность вкладыша по критерию износа и в целом дает возможность управлять физико-механическими характеристиками материала вкладыша. Изменяя значения различных параметров можно подобрать наилучшее их сочетание для получения необходимой прочности, теплопроводности, дисси-пативных и трибологических свойств материала применительно к конкретным заданным условиям работы подшипниковых узлов.

В результате анализа особенностей обеспечения работоспособности древес-но-металлических вкладышей подшипников скольжения применительно к условиям эксплуатации деревообрабатывающего оборудования и способов их получения установлено, что необходимо в процессе формирования композиционного материала достигнуть оптимальных значений сплошности, физико-химических характеристик материала, благоприятного уровня параметров шероховатости. Повышение уровня работоспособности древесно-металлических композиционных материалов обеспечивается посредством целесообразного выбора древесной основы, а также химического состава, формы, дисперсности и закономерностей объемного и поверхностного распределения металлической фазы. Благоприятный уровень работоспособности древесно-металлических подшипниковых материалов в значительной степени определяется их объемной и поверхностной структурой.

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 условий эксплуатации.

Таким образом, при изготовлении подшипников скольжения с вкладышами из антифрикционного композиционного древесно-металлического материала тепло-отводящие 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.

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 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. Тепло отводится на вал и через вкладыш на опорную втулку и далее в корпус механизма. Наличие металлических включений способствует увеличению теплоотдачи.

Исходя из диаграмм распределения температуры по глубине вкладыша целесообразно выделение трех слоёв вкладыша, толщина которых составляет для наружного- 40 %, среднего- 20 %, внутреннего- 40 % толщины вкладыша. Диаметры металлических включений целесообразно выбрать в интервале 0,5-4 мм. Это связано с тем, что частицы диаметром меньше 0,5 мм сложно имплантировать, а при диаметре больше 4 мм возможно разрушение древесной основы 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. 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.

Концентрация металлических частиц должна быть больше или равна концентрации, обеспечивающей максимальный теплоотвод, и меньше или равна концентрации, после достижения которой демпфирующие свойства остаются стабильными.

Значение максимальной теплопроводности древесно-металлического вкладыша обеспечивается, если металлическая фаза образует сплошной каркас, т.е. межцентровое расстояние должно быть меньше или равно диаметру частиц вклю-

чений. Однако создание таких материалов весьма затруднительно, поэтому целесообразно задать условия, когда межцентровое расстояние будет больше диаметра частиц включений.

Значение коэффициента межцентрового расстояния частиц включений целесообразно задавать равным 1,5-3,0. Его значения определяют работоспособность подшипникового материала с позиций обеспечения высоких диссипативных свойств. Это связано с тем, что при слиянии отдельных металлических включений возможно образование несущего металлического каркаса, резко снижающего упругие характеристики формируемого композиционного материала и его способность гасить возникающие в фрикционной системе вибрации.

Особые требования к заданию благоприятных угловых характеристик режущих инструментов предопределяются необходимостью обеспечения условий перерезания структурных составляющих, в значительной степени отличающихся по своим свойствам. После обработки материала на обработанной поверхности формируются выступы металлической фазы, которые являются основными несущими элементами подшипника скольжения. Таким образом, появляется дополнительная возможность управления фрикционными характеристиками поверхности композиционного подшипникового материала за счет реализации принципа Шарпи.

Характер протекания процесса резания определяется степенью закрепления металлической фазы в матрице, сопротивлением имплантированного металла срезанию, величиной касательной силы резания, определяемой в основном прочностными характеристиками материала, уровнем срезания частицы и угловыми характеристиками используемых инструментов.

Площадь металлической составляющей на поверхностях фрикционного контакта древесно-металлических вкладышей в значительной степени определяется размерами металлической фазы, глубиной ее расположения от обрабатываемой поверхности заготовки и величиной снимаемого припуска.

Предлагаемые материалы с повышенными триботехническими свойствами рекомендуется использовать в узлах трения, подверженных воздействию динамических нагрузок, действию абразива в зоне контакта, воспринимающих вибрации и.т.д. Выполненные исследования показали целесообразность использования дре-весно-металлических композиционных материалов для вкладышей подшипников скольжения деревообрабатывающего оборудования. Дополнительные возможности расширения их использования открываются в результате применения систем автоматизированного проектирования подшипниковых узлов.