Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Применение древесно-металлических композиционных материалов в узлах трения деревообрабатывающего оборудования обусловлено их высокой износостойкостью, необходимыми прочностными характеристиками, возможностью работать при наличии абразива в зоне трения, способностью гасить ударные нагрузки и вибрации, минимальным изнашивающим воздействием на сопрягаемые детали, хорошей прирабатываемостью рабочих поверхностей, способностью работать в условиях ограниченной смазки, и даже при ее отсутствии. Кроме этого, учитывая анизотропность прессованной древесины и возможность управления свойствами применяемого металлического наполнителя, можно, используя разные способы прессования, составы и схемы создания композиций, подбирать для различных условий эксплуатации наиболее эффективные решения.
Важными факторами являются также экологическая чистота и безопасность производства и эксплуатации подшипников скольжения на основе древесины, что с учетом существующего негативного экологического состояния окружающей среды имеет немаловажное значение.
В то же время многие известные конструкции подшипников скольжения изготовляемых из модифицированной древесины не всегда имеют характеристики, достаточные для обеспечения требуемой работоспособности узлов трения деревообрабатывающего оборудования.
Поэтому для повышения долговечности рассматриваемых узлов необходимо совершенствовать конструкции подшипников скольжения, предусматривая возможность эффективного использования модифицированной древесины в качестве антифрикционного материала. Однако должная работоспособность таких антифрикционных материалов может быть достигнута только при условии оптимизации их теплофизических характеристик, виброгасящих свойств, особенностей фрикционного контактирования рабочих поверхностей, обеспечиваемых посредством совершенствования конструкций и технологии изготовления исследуемых подшипников скольжения.
Кроме того, при работе узлов деревообрабатывающего оборудования должны быть обеспечены минимальные потери на трение, в результате чего достигается снижение энергонагруженности деревообрабатывающей техники. Поэтому проблема повышения длительности жизненного цикла узлов трения деревообрабатывающего оборудования и снижение энергозатрат при его эксплуатации, за счет использования рациональных конструкций древесно-металлических антифрикционных материалов, является актуальной.
Цель и задачи работы. Целью работы является повышение эксплуатационных характеристик узлов скольжения деревообрабатывающего оборудования за счет разработки и использования более эффективных видов древесно-металлических композиционных антифрикционных материалов и оптимизации их триботехнических показателей.
Основные задачи настоящей диссертационной работы, решение которых обеспечивает достижение поставленной цели, сводятся к следующему:
1. Выполнить анализ эксплуатационных условий и наметить перспективные пути повышения срока службы узлов скольжения деревообрабатывающего оборудования посредством рационального использования новых антифрикционных материалов.
2. Теоретически обосновать возможность создания, применительно к условиям эксплуатации деревообрабатывающей техники, конструкций подшипников скольжения, состоящих из древесины с размещенными в них металлическими элементами различной формы, позволяющих обеспечить повышенную износостойкость, антифрикционность, теплопроводность и диссипативные свойства.
3. Разработать методики исследований образцов в условиях, соответствующих условиям эксплуатации подшипников скольжения деревообрабатывающей техники, на трение и изнашивание, предусматривающие оценку фрикционных характеристик, температурного режима, диссипативных свойств в зависимости от конструктивно-технологических факторов изготовления подшипников.
4. Установить закономерности влияния эксплуатационных факторов на работоспособность подшипников скольжения, используемых в деревообрабатывающей технике.
5. Установить влияние свойств антифрикционных вкладышей на триботехнические характеристики и виброгасящие свойства узлов трения деревообрабатывающих станков.
6. Обосновать принцип рационального подбора структурных составляющих материалов для изготовления подшипников скольжения применительно к узлам деревообрабатывающего оборудования и решить вопросы обеспечения их обрабатываемости.
7. Провести производственные испытания конструкций подшипников скольжения и установить экономическую эффективность их использования в узлах трения деревообрабатывающих станков.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования выбраны подшипники скольжения деревообрабатывающего оборудования, изготовленные из композиционных древесно-металлических материалов.
Предметом исследования является изучение влияния структуры, свойств и особенностей изготовления антифрикционных материалов на работоспособность полученных из них вкладышей подшипников скольжения деревообрабатывающих станков.
Методология выполнения работы. Методология основывалась на использовании комплексного подхода к оценке свойств, предлагаемых подшипниковых материалов, теоретического анализа и моделирования основных процессов изнашивания подшипников скольжения деревообрабатывающего оборудования, изучения температурных полей и трибологических характеристик, методов определения свойств композиционных материалов, использовании экспериментальных методов для оценки эксплуатационных свойств древесно-металлических материалов, применительно к деревообрабатывающей технике.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- разработано теоретическое обоснование использования антифрикционных материалов для изготовления подшипников скольжения деревообрабатывающего оборудования, сочетающих в своей структуре древесину и металлические элементы повышенной теплопроводности, позволяющие повысить уровень диссипации тепловой энергии и ее отвод из зоны трения подшипниковых узлов, а также обеспечить возможность управления контактной жесткостью и прирабатываемостью поверхностных слоев;
- установлены закономерности влияния условий приложения нагрузки и характера абразивного воздействия на износостойкость подшипников из древесно-металлических материалов со сферической и сетчатой металлической фазой, применяемых в узлах трения деревообрабатывающих станков;
- разработаны теоретические принципы выбора соотношения древесной и металлической составляющей, размеров и свойств металлической фазы в предложенных композиционных материалах, позволяющие оптимизировать фрикционные и диссипативные характеристики подшипниковых узлов деревообрабатывающего оборудования;
- разработаны технологические принципы формирования функциональных поверхностей триботехнического назначения древесно-металлических антифрикционных материалов при механической обработке;
- экспериментально подтверждена возможность использования эффекта избирательного переноса и обеспечения защиты контактирующих стальных валов от воздействия продуктов деструкции древесной составляющей композиционного подшипникового материала и применяемых смазочных материалов.
Теоретическая значимость работы заключается в разработке критериев оценки триботехнических и теплофизических характеристик подшипников скольжения деревообрабатывающего оборудования и комплекса структурных и технологических показателей древесно-металлических материалов для создания аналитических методов прогнозирования их работоспособности; в адаптации основных принципов инженеринга поверхностей применительно к подшипникам скольжения, изготавливаемых из гетерогенных антифрикционных композитов; в обосновании путей минимизации изнашивания деталей узлов трения скольжения за счет формирования возобновляемых покрытий и реализации явления избирательного переноса.
Практическая значимость работы заключается в создании и производственном опробовании усовершенствованных конструкций подшипников скольжения для различных условий эксплуатации деревообрабатывающих станков, обеспечивающих существенное повышение износостойкости и виброгасящих свойств, а также снижение эксплуатационных затрат. Существенное практическое значение имеют предложенные технологические рекомендации по объемной структурообразующей и поверхностной обработке гетерогенных материалов, позволяющие оптимизировать их антифрикционные характеристики.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
- теоретические принципы проектирования и изготовления исследуемых конструкций подшипников скольжения из древесно-металлических материалов применительно к эксплуатационным условиям деревообрабатывающей техники;
- закономерности влияния структуры древесно-металлических вкладышей на триботехнические характеристики подшипников скольжения деревообрабатывающего оборудования;
- закономерности формирования функциональных поверхностей древесно-металлических вкладышей подшипников скольжения при их механической обработке;
- закономерности трения, изнашивания, предлагаемые пути повышения теплостойкости вкладышей подшипников скольжения, увеличения их износостойкости и сопротивляемости, ударным и циклическим нагрузкам;
- рекомендации по промышленному использованию подшипников скольжения из композиционных древесно-металлических материалов в узлах деревообрабатывающего оборудования.
Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается их сопоставлением с известными теоретическими закономерностями, данными, полученными другими авторами, применением апробированных методик при проведении экспериментальных исследований, оценкой статистических характеристик полученных результатов, хорошей сходимостью теоретических выводов с результатами экспериментальных исследований.
Апробация результатов работы. Основные результаты исследований и разработок по теме диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы лесного комплекса» г. Брянск, 2007 г.- 2008 г.; на Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроение России», г. Москва, 2008 г.; в полном объеме диссертация докладывалась на научных семинарах кафедр «Механическая технология древесины» и «Оборудование лесного комплекса и технический сервис» Брянской государственной инженерно-технологической академии.
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 9 научных работ. В работах, опубликованных в соавторстве 1,2,3,4,6,7, личное участие автора заключается в выполнении теоретических и экспериментальных исследований и анализе их результатов. В работах, где соискатель является единственным автором 5,8,9, сформулированы цель и задачи исследований, представлен основной объем теоретического и экспериментального материала, приведенного в диссертации, рассмотрены перспективы использования полученных результатов для повышения работоспособности деревообрабатывающего оборудования.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 133 страницах, состоит из введения, 5 глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 36 рисунков, 4 таблицы, 137 наименований использованной литературы, в том числе 13 иностранных.
Реализация результатов. Полученные результаты работы использованы в производственных условиях на ОАО «Брянскмебель». Расчетный экономический эффект подтверждают данные производственных испытаний эффективности использования древесно-металлических вкладышей в узлах скольжения деревообрабатывающего оборудования.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований используются при чтении лекций по курсу «Теория и конструкция машин и оборудование отрасли», 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 Брянской государственной инженерно-технологической академии.
