Совершенствование подшипников скольжения лесообрабатывающего оборудования

В антифрикционных узлах лесообрабатывающего оборудования в настоящее время применяют преимущественно такие материалы, как чугун, сталь и цветные металлы. Подшипники скольжения из этих материалов имеют недостатки: необходимость высокой точности и чистоты изготовления; длительность приработки; необходимость периодической или непрерывной смазки; интенсивный износ поверхностей трения, особенно в присутствии абразива; большие отходы при изготовлении деталей; дефицит материала и т. д. В связи с этим требуются затраты значительных средств на восстановление работоспособности антифрикционных узлов. Одним из перспективных направлений повышения эффективности работы узлов трения лесообрабатывающего оборудования является применение в них новых антифрикционных материалов.

В антифрикционных узлах лесообрабатывающего оборудования в настоящее время широкое применение находят подшипники скольжения из полимерных материалов. При применении пластмасс в узлах трения значительно снижаются затраты труда на техническое обслуживание, так как можно уменьшить число точек смазки, работать в режиме сезонной или периодической смазки, а иногда и без нее. Пластмассы обладают хорошей демпфирующей способностью, быстро прирабатываются, имеют высокую износостойкость и долговечность.

Наиболее распространенной конструкцией подшипников скольжения из термопластов является вкладыш в виде втулки, запрессованный с определенным натягом в стальной корпус. Вследствие релаксационных явлений натяг втулки из термопласта с течением времени может уменьшаться или исчезнуть, поэтому в некоторых случаях полимерную втулку в обойме дополнительно фиксируют (рис. 1). Втулки с фланцами (рис. 1, б) фиксируют при помощи выступов, расположенных на фланце.

Рис. 1. Схемы крепления полимерных втулок в корпусе подшипника скольжения: 1 — втулка; 2 — корпус

В целях уменьшения температурных деформаций втулок их иногда выполняют с разрезом вдоль образующей (рис. 1, в), но при этом возникают трудности при ее фиксации. Недостатком подшипников с разрезными втулками является то, что вблизи разреза между втулкой и обоймой скапливается грязь, самопроизвольно уменьшается зазор и ухудшается работоспособность. Целесообразно использовать цельную втулку, которая позволяет получать требуемые посадки с корпусом или валом. Давление со стороны вала втулка испытывает только по поверхности, определяемой углом контакта (охвата). В результате такого взаимодействия втулка изнашивается только в месте контакта с валом, а вал — по всей контактируемой поверхности вращения.

Не вращающиеся втулки из полимерных материалов в условиях сухого и граничного трения быстро теряют свою работоспособность вследствие локализации напряжений, температуры и износа на небольшой части их поверхности трения. Поиск различных способов улучшения работы полимерных пар привели к созданию принципиально новых видов трущихся сопряжений — «обратных пар» трения. В такой паре трения подшипник скольжения жестко закреплен на валу по своей внутренней поверхности, а внешняя его поверхность участвует в работе трения по опорной поверхности корпуса.

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. Температура трения влияет на величину и устойчивость коэффициента трения и на износостойкость пары. При повышенной температуре происходит потеря физико-механических свойств материала, пластик выдавливается под действием нагрузки, происходит термическая деструкция. Возникает опасность перегрева подшипника, поэтому для повышения работоспособности узла трения применяют различные смазки, создают композиции со смазывающими и улучшающими теплоотвод наполнителями. Для улучшения эксплуатационных и физико-механических свойств полимерных матриц в них вводят различные наполнители. В качестве наполнителей используют: антифрикционные добавки в виде графита, дисульфид молибдена, нитрид бора; металлические порошки и др., что приводит к повышению теплопроводности и снижение теплового расширения подшипников. Такое хаотичное расположение наполнителя не позволяет равномерно и интенсивно отводить тепло из зоны трения (рис. 2, а).

Для устранения указанных недостатков подшипников из полимеров, обладающих плохой теплопроводностью, предлагается использовать при изготовлении втулок в качестве наполнителя мелкую металлическую стружку (например, низкоуглеродистую сталь). Такой наполнитель можно равномерно распределить по объему полимера и выстроить металлические частички в заданном расположении за счет применения магнитного поля, так как данный металлический наполнитель относится к ферромагнитным материалам.

Рис. 2. Расположение ферромагнитного наполнителя без воздействия магнитного поля (а) и под воздействием магнитного поля (б)

В процессе изготовления антифрикционной втулки под воздействием магнитного поля частички стали можно выстроить таким образом, что они составляют цепочки, соединяющие внутреннюю поверхность втулки с внешней. Теплопроводные мостики выстраиваются по линиям магнитного поля, которые должны быть расположены перпендикулярно оси втулки (рис. 2, б). Оптимальное содержание наполнителя составляет до 20% (по массе). С учетом указанного расположения металлического ферромагнитного наполнителя в полимерной матрице, нами был предложен способ изготовления антифрикционных элементов подшипников скольжения. На данный способ изготовления цельнопрессованных втулок подшипников скольжения была пода заявка № 2 010 128 889/02(40 987) от 12.07.2010 года и получено решение о выдаче патента на изобретение номер заявки № 2 010 128 889/02(40 987) от 28.10.2011.

В процессе фрикционного взаимодействия рабочих поверхностей узла терния образуется тепло на опорной площади подшипника, ограниченной углом контакта ц0. Избыточная температура отводится через корпус подшипника и частично через вал в радиальном и осевом направлениях. Количество выделившегося при работе подшипника тепла определяется по формуле:

(1).

где — удельная мощность подшипника, Вт/м2; - длина подшипника, м; - диаметр подшипника, м; - среднее удельное давление, Н/м2; - скорость скольжения, м/с; - коэффициент трения; - тепловой эквивалент механической энергии, ккал/кг· м.

Рассмотрим стационарное плоское температурное поле подшипника скольжения из композиционного материала на основе полимера при внешнем радиусе цилиндрической стенки, внутреннем —, с температурой поверхностей и соответственно. Принимаем, что для каждого заданного температура цилиндрической стенки не зависит от координаты z вдоль оси и угла ц и является функцией только радиуса стенки. В обратной паре трения (рис. 3) допустим, что антифрикционный материал на основе пластика с металлическим наполнителем длиной, ограниченный снаружи цилиндрической поверхностью диаметром, а внутри — цилиндрической поверхностью вала диаметром .

Для того, чтобы определить температуру произвольно выбранной точки антифрикционного полимерного материала определим ее как функцию расстояния от оси цилиндра.

Рис. 3. Схема подшипникового узла (обратная пара): а — концевой подшипник; б — срединный подшипник

Для получения уравнения температурного поля в цилиндрической стенке воспользуемся уравнением Фурье, представленным в цилиндрических координатах:

(2).

где — коэффициент температуропроводности, м2/с; - температура, 0С; - время, с; - координаты рассматриваемой точки по радиусу, углу и вдоль оси. Так как рассматриваемый процесс является стационарным, а, то производные по, и в уравнении (2) будут равны нулю. Поскольку является функцией только, то вместо уравнения в частных производных (2) будем иметь обыкновенное дифференциальное уравнение:

. (3).

После выполнения преобразований получим следующее выражение для плоского осесимметричного температурного поля в подшипнике скольжения из композиционного материала на основе полимера.

. (4).

Для того, чтобы найти температуру на границе между валом и слоем неметаллического антифрикционного материала — при стационарном тепловом режиме воспользуемся равенством теплового баланса:

Вт. (5).

Количество тепла, прошедшее через слой полимерной втулки с металлическим наполнителем, находится как:

. (6).

С учетом того, что в подшипнике скольжения антифрикционный материал выполнен из полимерно-металлического материала, количество тепла, прошедшее через слой полимерной втулки с металлическим наполнителем, можно определить по выражению:

(7).

Количество тепла, отданное с поверхности вращающегося вала, определяется как:

(8).

(9).

где — температура окружающего воздуха, ° С; — коэффициент теплоотдачи с вращающегося вала в окружающую среду, Вт/м2 град. Численное значение принимается по экспериментально найденному уравнению .

Уравнение (8) используется для концевых подшипников, а уравнения (9) — для срединных, когда вылет вала в обе стороны от подшипника больше .

Подставляя выражения (6) и (8) в равенство (5), получим температуру на границе между валом и слоем полимерного антифрикционного материала:

. (10).

Определив температуру в зоне контакта вала и втулки, можно определить количество тепла, прошедшее через слой полимерной втулки с металлическим наполнителем, а затем количество тепла, отданное с поверхности вращающегося вала.

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

Особенностью приведенных расчетов является то, что состав композиционной втулки может изменяться, следовательно, будет изменяться и теплопроводность материала, которую необходимо учитывать при тепловом расчете. 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. На основании проведенных расчетов, можно сделать вывод о пригодности данного материала к работе в узлах трения лесообрабатывающего оборудования при конкретных условиях работы. Подбирая таким образом более оптимальный материал для подшипников скольжения, можно повысить рабочий ресурс и производительность лесообрабатывающего оборудования.

Проведенные экспериментальные исследования показали следующий результат (рис. 4).

Рис. 4. Разрез подшипника скольжения с обратной парой трения

Важным преимуществом обратной пары перед прямой является лучший теплоотвод, что позволяет повысить скорость скольжения или давление (рис. 5, 6).

Рис. 5. Зависимость температуры вблизи поверхности трения от удельной нагрузки при различном содержании металлического наполнителя в обратной паре трения (=1,06 м/с)

Рис. 6. Зависимость температуры на корпусе подшипника скольжения от удельной нагрузки при различном содержании металлического наполнителя в обратной паре трения (=1,06 м/с)

антифрикционный подшипник термопласт лесообрабатывающий В ходе проведенных исследований был получен диапазон рабочих температур вблизи поверхности трения композиционных металлополимерных подшипников скольжения с различным содержанием металлического наполнителя, в пределах 50 до 98С. Такие значения температуры находятся в зоне допустимых рабочих температур для этих полимеров и находятся далеко от верхней границы этого диапазона, который для разных полимеров составляет 190…2350. Отсюда можно сделать вывод, что антифрикционные полимеры на основе полиамидной смолы с металлическим наполнителем в виде мелкой стружки из низкоуглеродистой стали вполне работоспособны в качестве антифрикционного материала в шарнирных соединениях лесообрабатывающего оборудования.

Теоретические и экспериментальные исследования работоспособности обратных пар трения показали высокую их эффективность. Обратные пары имеют меньшее повреждение поверхностей и стойкость к заеданию, так как пластическая деформация элемента пары с меньшей твердостью (пластмассы) не препятствует работе сопряжения, нагрузка до заедания возрастает в несколько раз по сравнению с прямой парой.