Введение к работе
Актуальность исследования. В лесной промышленности на нижних складах используется большое разнообразие лесообрабатывающего оборудования, как старого, так и нового образца. Но независимо от времени выпуска, все оборудование необходимо поддерживать в полноценном рабочем состоянии. Надежность оборудования зависит от многих параметров, однако, узлы трения являются одним из самых слабых звеньев в любом механизме. Отличительной особенностью работы узлов трения в лесообрабатывающем оборудовании являются высокие контактные давления, динамические и вибрационные нагрузки, загрязненность абразивом, недостаток смазки, а так же подверженность климатическим воздействиям окружающей среды.
В настоящее время в подшипниковых узлах лесообрабатывающего оборудования применяются преимущественно такие материалы, как цветные металлы, сталь и чугун. Для подшипников скольжения из этих материалов характерны такие недостатки, как необходимость высокой точности и чистоты изготовления, длительность приработки, необходимость периодической или непрерывной смазки, что обуславливает большие затраты на восстановление узлов трения.
Торцовочно-раскряжевочная установка входит в перечень главной поточной линии лесообрабатывающего оборудования нижнего лесного склада, и эффективность ее работы сказывается на производительность всего нижнего склада. Исходя из условий и режимов работы торцовочно-раскряжевочной установки, видно, что подшипниковый узел подающего механизма дисковой пилы имеет короткий срок эксплуатации. Ремонт подшипникового узла требует остановки оборудования, восстановление цилиндрической поверхности сопрягаемого стального вала и замены антифрикционной бронзовой втулки, что приводит к простаиванию оборудования и дополнительным материальным затратам.
Использование в подшипниковых узлах новых антифрикционных материалов, таких как полимеры, позволяет повысить надежность работы и увеличить срок службы оборудования. Полимеры при работе в паре с металлом характеризуются низким коэффициентом трения, высокой износостойкостью, способностью предохранять сопряженные металлические детали от заедания и интенсивного износа. Однако применение полимеров в конструкциях лесообрабатывающего оборудования может быть достигнуто только при условии оптимизации их теплофизических характеристик, виброгасящих свойств, особенностей фрикционного контактирования рабочих поверхностей и технологии изготовления исследуемых подшипников скольжения.
Работа выполнена в соответствии с госбюджетной темой НИР кафедры технологии и оборудования лесопромышленного производства (ТОЛП) ФГБОУ ВПО ВГЛТА на 2006…2010 гг. «Разработка ресурсо- и энергосберегающих технологий лесозаготовок, лесоразработки и лесовостановления на базе компьютеризации и рыночного мониторинга». Научный руководитель – д.т.н., профессор Пошарников Ф.В.
По теме и результатам диссертационной работы принимал участие в программе «Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых» УМНИК, г. Воронеж 30марта – 1 апреля 2010 от фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, по результатам которой стал победителем и получил грант.
Степень разработанности проблемы. Вопросами исследования трения полимерных антифрикционных материалов занимались Г. М. Бартенев, И. В. Крагельский, В. А. Белый, Г. А. Гороховский, Ю. А. Евдокимов, Ф.В. Пошарников, В.П. Белокуров, А.И. Серебрянский, Ш. М Билик, А. А. Кутьков, В. И. Колесников, А. И. Свириденок, А. В. Чичинадзе и многие другие.
Из анализа антифрикционных материалов, используемых в узлах трения подшипников скольжения, следует, что наиболее перспективными являются подшипники скольжения из полимерных материалов, которые обладают хорошими антифрикционными свойствами, химической стойкостью, легко прирабатываются и могут работать без смазки. Однако, они имеют низкую теплопроводность и их применение в лесообрабатывающем оборудовании недостаточно исследовано.
Цель и задачи исследования. Целью работы является повышение эффективности работы торцовочно-раскряжевочной установки в главной поточной линии нижнего склада путем совершенствования в подшипниковых узлах антифрикционных втулок с ферромагнитным ориентированным наполнителем.
Для реализации поставленной цели решаются следующие задачи:
1. Изучить особенности эксплуатации подшипников скольжения лесообрабатывающего оборудования и наметить пути улучшения их трибологических свойств на основе использования новых антифрикционных материалов для повышения эффективности работы торцовочно-раскряжевочной установки в главной поточной линии нижнего склада.
2. Разработать математическую модель взаимодействия трущихся поверхностей полимернометаллических антифрикционных элементов подшипников скольжения.
3. Получить аналитические зависимости для повышения эффективности работы торцовочно-раскряжевочной установки в главной поточной линии нижнего склада и определения трибологических свойств полимернометаллических антифрикционных элементов подшипников скольжения при вращения вала во втулке и втулки с валом в корпусе.
4. Установить для условий эксплуатации торцовочно-раскряжевочной установки оптимальные режимы работы подшипников скольжения с полимернометаллическими элементами.
Предмет и объект исследования. Объектами исследования являлись узлы трения лесообрабатывающего оборудования, элементы подшипника из полимернометаллического материала, неметаллический антифрикционный материал, ферромагнитный наполнитель.
Предметом исследования является изучение влияние металлического наполнителя на работоспособность подшипников скольжения из композиционных полимернометаллических материалов.
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Теоретическое исследование произведено на основе анализа работы составляющих агрегатов лесообрабатывающего оборудования. Лабораторный эксперимент поставлен на основе теории планирования эксперимента. Обработка результатов измерений производилась методами математической статистики с применением современных средств вычислительной техники и ЭВМ-программ.
Научные результаты, выносимые на защиту:
1. Обоснование улучшения эксплуатационных свойств подшипников скольжения лесообрабатывающего оборудования, позволяющее ориентированием ферромагнитного наполнителя электромагнитным полем повысить теплопроводность полимернометаллических элементов и тем самым повысить эффективность работы торцовочно-раскряжевочной установки в главной поточной линии нижнего склада.
2. Математическая модель взаимодействия трущихся поверхностей полимернометаллических антифрикционных элементов, позволяющая учитывать силовое взаимодействие пар трения и распределение тепла в зоне контакта узлов трения для повышения эффективности работы торцовочно-раскряжевочной установки в главной поточной линии нижнего склада.
3. Аналитические зависимости для определения трибологических свойств полимернометаллических антифрикционных элементов узлов трения и повышения эффективности работы торцовочно-раскряжевочной установки в главной поточной линии нижнего склада, позволяющие учитывать вращение вала во втулке и втулки с валом в корпусе.
4. Оптимальные параметры и режима работы подшипников скольжения с полимернометаллическими антифрикционными элементами для условий эксплуатации торцовочно-раскряжевочной установки в главной поточной линии нижнего склада, позволяющие снизить износ и температуру в зоне контакта.
Научная новизна результатов исследования:
1. Обосновано улучшение эксплуатационных свойств подшипников скольжения лесообрабатывающего оборудования, отличающееся тем, что ориентирование ферромагнитного наполнителя в полимернометаллических элементах осуществляется электромагнитным полем.
2. Разработана математическая модель взаимодействия трущихся поверхностей полимернометаллических антифрикционных элементов подшипника скольжения для повышения эффективности работы торцовочно-раскряжевочной установки в главной поточной линии нижнего склада, отличающаяся учетом силового взаимодействия пар трения и распределения тепла в зоне контакта.
3. Получены аналитические зависимости для определения трибологических свойств антифрикционных элементов подшипников скольжения и для повышения эффективности работы торцовочно-раскряжевочной установки в главной поточной линии нижнего склада, отличающиеся тем, что для способов вращения вала во втулке и втулки с валом в корпусе (прямая и обратная пары трения) учитывается влияние на процесс трения ориентированного металлического наполнителя.
4. Установлены для условий эксплуатации торцовочно-раскряжевочной установки в главной поточной линии нижнего склада режимы работы подшипников скольжения с полимернометаллическими антифрикционными элементами, отличающиеся учетом их степени износа и температуры в зоне контакта.
Теоретическая значимость результатов диссертационной работы заключается в разработке: методики теоретического определения нагрузок, удельных давлений, скоростей скольжения и температуры в зоне трения шарнирных соединений с полимернометаллическим материалом, с двумя рабочими поверхностями; математической модели теплового расчета подшипника скольжения; разработке методики определения рабочего ресурса опор скольжения с неметаллическими антифрикционными материалами, работающими при прямой и обратной паре трения, которые дополняют теорию трения и износа.
Практическая ценность. Предложен новый технологический принцип формирования структуры в композиционном полимернометаллическом материале, для подшипников лесообрабатывающего оборудования с использованием электромагнитного поля для направленного ориентирования ферромагнитного наполнителя, позволяющий оптимизировать его антифрикционные характеристики. Получена методика расчета распределения тепла в композиционном полимернометаллическом материале дополняют теорию трения и износа подшипников скольжения, что позволяет, расширенно осуществлять разработку и конструирование подшипниковых узлов. Разработанная конструкция стенда для исследования подшипников скольжения на трение и износ в сравниваемых условиях прямой и обратной пары вращательного трения.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Полученные научные результаты соответствуют п. 5 «Обоснование и оптимизация параметров и режимов работы лесозаготовительных и лесохозяйственных машин» паспорту специальности 05.21.01 – Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства.
Апробация и реализация результатов диссертации. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Организационно-методические вопросы деятельности научно-образовательного центра в области переработки и воспроизводства лесных ресурсов» г. Воронеж, 2006 г.; на 1-ой Международной научно-практической интернетконференции «Леса России в XXI веке» г. Санкт-Петербург 2009 г.; на 3-ей Международной научно-практической интернетконференции «Леса России в XXI веке» г. Санкт-Петербург 2010 г. В полном объеме диссертация докладывалась на научных конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежской государственной лесотехнической академии (2007 –2010 гг.).
Результаты теоретических и экспериментальных исследований данной диссертационной работы используются в курсовом и дипломном проектировании при подготовке инженеров по специальности 150405 «Машины и оборудование лесного комплекса», магистров по направлению 150400 «Технологические машины и оборудование» в ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия».
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликованы 23 научные работы, 4 из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 1 патент на изобретение и 1 свидетельство государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы составляет 220 страниц, из них 181 страниц основного текста и 39 страниц приложений. Работа включает 57 иллюстрации, 31 таблицу и 138 наименований используемых источников.
