О ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ В УЗЛАХ ТРЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ЛЕСНОГО КОМПЛЕКСА

 

Пошарников Ф.В., Усиков А.В. (ВГЛТА, г.Воронеж, РФ)

 

The Particularity of the calculation in that that except calculation on toughness, necessary to conduct and heat calculation. He required for determination warm-up compensation at choice of the clearance and натяга in node of the slide.

 

В лесной промышленности используется большое разнообразие деревообрабатывающего оборудования, как старого, так и нового образца. Надежность оборудования зависит от многих параметров, однако, узлы терния являются одним из самых слабых звеньев в любом механизме. Отличительной особенностью работы узлов трения в деревообрабатывающем оборудовании являются высокие контактные давления, динамические и вибрационные нагрузки, загрязненность абразивом, недостаток смазки, из-за чего происходит увеличение износа и нарушение кинематической точности сопряжения, а так же подверженность климатическим воздействиям окружающей среды. Данную проблему можно решить, например, использованием в узлах трения новых антифрикционных материалов, таких как пластмассы. Некоторые пластмассы при работе в паре с металлом характеризуются низким коэффициентом трения, высокой износостойкостью, способностью предохранять сопряженные металлические детали от заедания и интенсивного износа. Пластмассы снижают распространение упругих волн и, следовательно, вибрацию, а благодаря низкому модулю упругости нивелируют отклонения контр тела от правильной геометрической формы. Естественно, что применение пластмасс в конструкциях деревообрабатывающего оборудования имеет свои определенные границы, обусловленные их меньшей механической прочностью по сравнению с металлами, слабой сопротивляемостью высокой температуре и другими свойствами, присущими материалам органического происхождения.

Одним из основных критериев при конструировании пластиковых подшипников скольжения является фактор Pv — произведение значений удельного давления на скорость скольжения. Работоспособность подшипника, кроме того, определяется температурой в зоне контакта. Оптимальный температурный режим подшипников ограничивается значениями теплостойкости полимерных материалов. При повышенной температуре происходит потеря физико-механических свойств материала, пластик выдавливается под действием нагрузки, происходит термическая деструкция.

Узлы трения, в которых применяются втулки на основе пластика, работают в основном в условиях ограниченной смазки. Поэтому расчет таких подшипников скольжения рекомендуется производить не в соответствии с гидродинамической теорией трения, а по несущей способности с последующей проверкой на нагрев. Под несущей способностью подшипника понимается предельно-допустимая удельная нагрузка на втулку, вызывающая местные напряжения, равные пределу пропорциональности (σ_max=σ_пц).

Предельно допустимое среднее давление Р_ср (рисунок 1) можно выразить через величину несущей способности, которая проецируется на диаметральную плоскость подшипника [1]:

,                  (1)

где σ_max= σ_пц = 0,8 σ_Т ;

σ_Т — предел текучести материала при сжатии в кГ/мм²;

Е — модуль упругости материалов в кГ/см²;

b — радиальный зазор в см;

δ — толщина стенки подшипника в см;

φ₀ — половина угла контакта определяется по формуле:

                                              (2)

Предел текучести и модуль упругости определяются по формулам:

                                                (3)

где σ_Т0 и Е₀ – предел текучести и модуль упругости при 20⁰С;

t_пл – температура плавления;

t_р – наибольшая рабочая температура.

Величина минимально требуемой поверхности подшипника:

                                                         (4)

где Р — усилие, действующее на втулку.

Рабочая поверхность втулки определяется как::

                                                 (5)

где d – диаметр сопряжения, см;

l – длина втулки, см.

Определив d и l подшипника, необходимо провести проверочный расчет на нагрев. Расчет на нагрев основывается на предположении, что тепло, образующееся при трении, отводится в окружающую среду через поверхность вала, так как теплопроводность пластика в сотни раз ниже, чем теплопроводность стали.

 

Тепловыделение от преодоления силы трения в зоне контакта подшипника скольжения определяют из уравнения [2]:

                                         (6)

где  - расчетная радиальная нагрузка на подшипник, кГ;

 - скорость скольжения, м/сек.

Температура подшипника зависит от количества тепла , возникающего при трении скольжения, и величины теплоотдачи в окружающее пространство через вал  и корпус подшипника .

,                                                    (7)

Если толщина стенки втулки более 1,5 – 2 мм, то теплоотдача через корпус подшипника весьма мала и практически ею можно пренебречь. Все тепло из зоны трения отводится валом. Теплоотвод через вал происходит в обе стороны от подшипника, количество отведенного тепла в каждую сторону зависит от конструктивных особенностей узла трения и длины вала. Для расчета тепла, отводимого через вал, воспользуемся:

,                                            (8)

где  - суммарный коэффициент теплопередачи вала, ;

 - сумма коэффициентов теплопередачи обоих сторон вала;

 – температура вала;  – температура окружающей среды;

 – коэффициент погрешности при определении .

,                                              (9)

где  - коэффициент теплоотдачи боковой поверхности вала;

 - коэффициент теплопроводности материала вала;

 - диаметр вала.

При известных  и  температуру вала определяют по формуле:

,                                             (10)

,                                      (11)

Полученное значение сравнивается с допускаемой  для данного материала. В случае  расчет закончен, а если при расчете  необходимо корректировать размеры подшипника скольжения для улучшения условий теплоотвода.

Подшипники скольжения на основе пластика испытывают удельные давления 7…80 МПа при скоростях скольжения υ = 0,1÷2,5 м/сек. Максимальные развивающиеся температуры трения не превышают 90° С.

Особенностью расчетов является то, что кроме расчета на прочность, который определяет максимально допустимую нагрузку на антифрикционную втулку, необходимо проводить и тепловой расчет. Температурный расчет подшипника скольжения необходим для сравнения максимальной расчетной температуры, возникающей при работе узла трения, с температурой, предельно допустимой для полимерного материала. Это связано с низкой термостойкостью и теплопроводностью полимера. Необходимо так же знать рабочую температуру в расчетах по определению температурных компенсаций при выборе конкретных зазоров и натягов в соединениях корпус – вал – подшипник. После проведения расчетов, можно сделать вывод о пригодности данного материала к работе в узлах трения деревообрабатывающего оборудования при конкретных условиях работы. Подбирая таким образом более оптимальный материал для подшипников скольжения, можно повысить рабочий ресурс и производительность деревообрабатывающего оборудования лесной промышленности.

Литература

1.      Бегиджанова А.П. Применение пластмасс в тракторном машиностроении [Текст] : учеб. пособие / А.П. Бегиджанова, Л.М. Крейндлин. – М.: Машиностроение, 1970. – 213с.

2.      Альшиц И.Я. Проектирование из пластмасс [Текст]: справочник / И.Я. Альшиц, Н.Ф. Анисимов, Б.Н. Благов. – М.: Машиностроение, 1969. – 243с.