Использование древесно-металлических композиционных материалов для изготовления подшипников скольжения

 

Шевелева Е.В. (БГИТА, г.Брянск, РФ)

 

The offering approach of creation wood-metallic composite materials. Represented results of the basic researches of the temperature of wood-metallic sleeve bearing for different sorts of wood.

 

Исследования 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. Способность древесины впитывать смазочные материалы обусловила создание самосмазывающихся подшипников скольжения с вкладышами из модифицированной древесины. Особенности строения и свойств различных пород древесины влияют на эксплуатационные качества подшипника и определяют технологию его изготовления.  

Опыт эксплуатации подшипников скольжения из модифицированной древесины показывает, что они обеспечивают стабильный режим работы узла трения, более стойки к истиранию, чем чугун, бронза, текстолит при работе в растворах морской и пресной воды, в условиях абразивных сред, при недостаточной смазке. Успешно применялись подшипники скольжения из модифицированной древесины в узлах деревообрабатывающих станков, на оборудовании текстильных производств и др. Однако ограничениями к более широкому применению этих подшипников является низкая грузоподъемность при небольших допустимых скоростях скольжения. Повышение нагрузки на подшипник приводит к возрастанию напряжения сжатия материала и мощности трения, что в свою очередь увеличивает интенсивность теплового потока трения. При температуре древесного вкладыша свыше  140⁰С происходит температурная деструкция материала, и узел трения теряет свое работоспособное состояние. Исследования показали, что на эксплуатационные свойства подшипников из модифицированной древесины в значительно большей степени влияет температура трения. В связи с этим, одним из основных путей повышения долговечности подшипника скольжения с вкладышем из модифицированной древесины является повышение теплопроводности подшипникового материала.

Использование анизотропности свойств древесины, связанной с её  строением, позволяет в ряде случаев управлять свойствами вкладыша подшипника, но, тем не менее, не решает проблему температурной деструкции. В связи с этим одним из эффективных способов решения задачи является размещение в древесном вкладыше материала с повышенными теплопроводящими свойствами, например бронзы. Получаемый при этом новый материал можно рассматривать как древесно-металлический композит. Введение в древесный материал вкладыша металлических элементов позволяет одновременно решить проблему отвода от вращающихся узлов накапливающегося статического электричества.   

В соответствии с этим, были разработаны несколько видов древесно-металлических композиций, отличающихся размерами и формой металлических элементов, каждая из которых может быть применена для подшипников различного исполнения и функционального назначения.

С целью обеспечения целостности получаемого материала, размещение металлических элементов должно выполняться в пропаренной древесине, а затем путем совместного прессования и последующей сушки формироваться сегмент вкладыша подшипника скольжения. Полученный материал обладает повышенными теплопроводящими свойствами.

Для обоснования целесообразности использования древесно-металлических композиционных материалов решалась стационарная температурная задача для подшипников скольжения с вкладышем древесного и древесно-металлического материалов, для чего была построена температурная модель подшипника скольжения. Теоретические расчеты проводились для вкладышей из древесины тополя, сосны, ореха, березы, дуба.  Выполнение расчетов для представленного ряда древесных пород позволило выполнить сравнительный анализ влияния плотности древесины на температуру материала древесного и древесно-металлического  вкладышей.

Полученные результаты показали, что влияние плотности, а также породы древесины на температуру вкладыша весьма незначительно, это подтверждает, что простым уплотнением древесины нельзя добиться значительного увеличения теплопроводности материала.  Однако внедрение металлических элементов во вкладыш из прессованной древесины позволило значительно увеличить теплопроводность материала, уменьшив значение максимальной температуры примерно на 24%.

С целью экспериментальной проверки результатов расчетов были проведены испытания древесных и древесно-металлических материалов на основе прессованной древесины сосны и березы, при которых производились измерения температуры материала и момента трения.

Образцы древесных заготовок пропитывались в растворе карбамида и подвергались прессованию до плотности материала 1200 кг/м³ для древесины березы, 850 кг/м³ для древесины сосны. Для изготовления древесно-металлических композиций была принята конструкция с использованием металлической вставки в виде тавра. В этом случае в технологию изготовления образца были внесены дополнения, связанные с изготовлением металлической вставки и размещением ее во вкладыше.

Анализ полученных результатов показал, что

б)

 относительная разница между значениями, полученными теоретически и экспериментально для вкладышей из прессованной древесины березы и  сосны, а также для древесно-металлических материалов незначительна. Экспериментальные исследования показали, что размещение металлических элементов во вкладыше позволило снизить значение максимальной температуры примерно на 20%.

Полученные зависимости коэффициента трения для различных материалов показывают, что различия в значениях проявляются для древесных и древесно-металлических материалов. Это объясняется тем, что коэффициент трения пары древесина-сталь выше, чем для пары бронза-сталь, поэтому значение коэффициента трения для древесно-металлического материала может находиться в диапазоне между значениями для бронзы и древесины, а также размещение металлических элементов способствует уменьшению температуры древесного материала, что может влиять на значение коэффициента трения.     

Результаты экспериментальных исследований подтвердили, что построенные теоретические модели позволяют получить адекватные результаты, сопоставимые с результатами экспериментальных исследований, а также то, что размещение в древесном вкладыше подшипника скольжения металлических элементов позволяет снизить максимальную температуру в зоне контакта, тем самым увеличить нагрузочную способность подшипников скольжения на основе модифицированной древесины.