ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА АНТИФРИКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ ШАРНИРОВ ЛЕСНЫХ МАНИПУЛЯТОРОВ

В лесной промышленности широко применяется технологическое оборудование манипуляторного типа. Рабочий ресурс оборудования такого типа в значительной мере определяют шарнирные соединения. Однако детали трущихся пар имеют значительно меньший рабочий ресурс по сравнению с ресурсом металлоконструкций и базовых машин.

Одним из путей повышения износостойкости пар трения является применение смазок. Однако, вопросу смазки шарнирных соединений технологического оборудования лесных машин необходимо уделить особое внимание. Под влиянием больших удельных нагрузок и реверсивности трения смазка выдавливается из зоны контакта и смазывание трущихся поверхностей шарнира происходит в граничном, сухом, редко, полужидкостном режиме. Это отрицательно влияет на износостойкость шарниров, так как возникают такие явления как схватывание и заедание. К тому же жидкая смазка без соответствующих присадок интенсифицирует водородное и окислительное изнашивания. Очевидно, что для смазки шарниров манипуляторов наиболее рационально было бы предположить твердую смазку, которая обеспечила бы устойчивое промежуточное тело между трущимися поверхностями, и которое в какой-то мере было бы способно противостоять высокому нормальному давлению и гасить сдвиговые напряжения не передавая их на основной материал. Применение твердых смазок позволит снизить влияние водородного и окислительного изнашивания, действие пластических деформаций, повысить сопротивление усталостному изнашиванию, исключить схватывание и заедание.

В настоящее время в качестве антифрикционного материала в шарнирных соединениях лесных манипуляторов используется Бр О5Ц5С5, в отдельных случаях стали и антифрикционные чугуны. Однако, существует несколько классов перспективных антифрикционных материалов, которые возможно использовать в шарнирных соединениях лесных манипуляторов. К ним относятся полимеры (полиамиды, полиформальдегиды полиурестаны и т.д.), антифрикционные пластики типа АМАН (ЭСТЕРАН, ТЕСАН, ВИЛАН), материалы на основе древесины (АПД – 1, АПД – 2 и др.), ленточные (слоистые) материалы (М1, Л90, 4 – ДВ и т. д.), углеграфитные материалы (АО – 600, АГ – 1500, АФГМ), металлокерамические материалы (ЖГр – 1 – 20, АЖГр – 6 – 3 и т.д.).

Для использования эффекта избирательного переноса можно использовать металлоплакирующие смазочные материалы, обеспечивающие сервовитную пленку на трущихся поверхностях (Свинцоль 01, ВНИИ НП – 254, ЦИАТИМ – 201, МоS2, ЦИАТИМ – 203, ЦИАТИМ – 201+30% МоS2 и некоторых других), а так же при специальном подборе материалов трущихся поверхностей.

Применять антифрикционный материал какого – либо из перечисленных классов необходимо исходя из прочностных свойств материалов, а так же эффективности и рентабельности.

Как видно из выше изложенного, пластичные смазки не оправдывают своего применения в шарнирах лесных манипуляторов. очевидно, необходимо применять при технологической разработке шарнирного соединения такие материалы, при использовании которых дополнительный подвод смазки не требуется. При выборе материалов для подшипниковых узлов необходимо разработать основные требования, предъявляемые к ним. Для подшипников скольжения, в узлах трения шарнирных соединений лесных манипуляторов, эти требования можно изложить следующим образом: материалы должны обладать более высокой износостойкостью, чем сплавы цветных металлов, используемых в подшипниках скольжения; используемые материалы при работе в паре с металлами не должны образовывать задиры на сопряженных поверхностях трения; следует снизить износ металлической оси, работающей в паре с антифрикционным материалом; подшипники из этих материалов должны сохранять свою работоспособность в случае проникновения в зону трения жидкости с наличием абразивных частиц; допустимая температура эксплуатации материалов должна быть не ниже 80⁰ С; уменьшение диаметров втулок в этих материалах в результате повышения температуры и влажности окружающей среды должно обеспечить возможность работы подшипников при сборочном диаметральном зазоре не более 0,1…0,3 мм; характеристики трения новых материалов по стали должны быть не хуже, чем у сплавов цветных металлов; материалы не должны быть дефицитными, дорогими, токсичными; методы изготовления деталей из этих материалов должны быть удобны для организации централизованного производства взаимозаменяемых деталей, при этом трудоемкость и доля ручного труда при изготовлении подшипников должны быть минимальными.

Материалы, отвечающие указанным требованиям, позволят снизить себестоимость и трудоемкость изготовления подшипников скольжения, повысить надежность и долговечность работы узлов, упростить их эксплуатацию и ремонт.

Для изготовления антифрикционной втулки из всех рассмотренных типов и классов антифрикционных материалов, после сравнения их физических, химических и физико – механических свойств, были выбраны самосмазывающиеся антифрикционные пластики типа АМАН. В пользу такого выбора говорит то, что они имеют достаточно высокий предел прочности (80…100МПа) [7], низкий коэффициент трения по стали, бензо- и маслостойки, вибропрочны, не боятся влаги. Эти пластики значительно дешевле и менее дефицитны, чем цветные сплавы [1]. При работе в паре с пластиками значительно меньше изнашиваются металлические детали. Пластики имеют меньшую твердость, чем металлы, поэтому при одинаковой нагрузке площадь пятна контакта пластиковой и металлической детали всегда больше, чем при сопряжении двух металлических деталей. Благодаря этому величина максимальных контактных напряжений в полимерном подшипнике гораздо ниже, чем в металлическом, что благоприятно сказывается не только на сроке службы полимерной втулки, но и металлического вала. Ударные нагрузки в пластиковых подшипниках вызывают гораздо меньшие разрушения, чем в металлических. Практика позволила установить еще одно преимущество пластиков перед металлами, которое заключается в более высокой абразивной износостойкости. Податливость пластика позволяет твердым частицам погрузиться в тело втулки, благодаря чему износ подшипника резко уменьшается. Проведенные в проектноконструкторском бюро Главстроймеханизации Минстроя СССР лабораторные и эксплуатационные испытания на изнашивание подшипников такого типа, работавших в абразивной среде, показали, что их износостойкость на 25 – 40% выше по сравнению с бронзой [1]. Пластики типа АМАН представляют собой многокомпонентные системы, в которых в качестве связующего использованы полимеры. В качестве наполнителя в их состав входят твердые смазки со слоистой структурой [3].

Перерабатываются пластики методом компрессионного и литьевого прессования под давлением от 40 до 100 МПа при температуре (в зависимости от применяемого связующего) 230 — 500°С.

Для обоснования работоспособности и интенсивности изнашивания выбранных антифрикционных материалов необходимо провести исследования с целью определения величины линейного износа последних. Такие исследования авторами были проведены на специально разработанном лабораторном стенде, описание которого представлено в работе [6].

Линейный износ подшипников скольжения с антифрикционными втулками из ЭСТЕРАНа – 29, ВИЛАНа – 9 и АМАНа – 13 определялся при вращательном и реверсивном движении.

Антифрикционные пластики исследовались при скоростях скольжения V=0,08 м/с и V=0,13 м/с и удельных давлениях Р=1,06 МПа и Р=1,7 МПа в течении 150 часов. Исследовались пары трения сталь 40Х – антифрикционный пластик. Основываясь на более ранних исследованиях и априорной информации величину зазора при исследованиях принимаем

Результаты исследований сведены в таблицы 1,2,3,4,5 и 6.

Таблица 1.

Величина износа при вращательном движении ВИЛАН – 9

Износ втулки, мм.
V, м/с.	Р, МПа.	Д₁	Д₂	Д₃	д₁	д₂	Д₃	Д_ср	д_ср
0,08	1,06	0.05	0,08	0,07	0,06	0,07	0,1	0,067	0,077
0,13	1,7	0,1	0,08	0,1	0,09	0,1	0,12	0,093	0,1
Износ вала, мм.
0,08	1,06	0	0,01	0,03	0	0,02	0,01	0,013	0,01
0,13	1,7	0,02	0,01	0	0,01	0	0,01	0,01	0,006

Таблица 2.

Величина износа при вращательном движении ЭСТЕРАН – 29

Износ втулки, мм.
V, м/с.	Р, МПа.	Д₁		Д₂		Д₃		д₁		д₂		Д₃	Д_ср	д_ср
0,08	1,06	0		0,03		0,03		0		0,04		0,05	0,02	0,03
0,13	1,7	0,01		0,04		0,05		0,02		0,03		0,06	0,033	0,037
Износ вала, мм.
0,08	1,06		0		0		0		0		0	0	0	0
0,13	1,7		0,02		0		0,01		0,01		0	0,01	0,01	0,007

Таблица 3.

Величина износа АМАН – 13 при вращательном движении

Износ втулки, мм.
V,м/с.	Р,МПа.	Д₁	Д₂	Д₃	д₁	д₂	Д₃	Д_ср	д_ср
0,08	1,06	0,07	0,08	0,09	0,08	0,09	0,09	0,08	0,087
0,13	1,7	0,06	0,07	0,06	0,07	0,08	0,07	0,063	0,073
Износ вала, мм.
0,08	1,06	0,02	0	0,01	0,03	0,01	0,01	0,01	0,017
0,13	1,7	0,01	0,01	0	0,02	0,02	0	0,007	0,013

Таблица 4.

Величина износа ВИЛАН – 9 при реверсивном движении

Износ втулки, мм.
V, м/с.	Р, МПа.		Д₁		Д₂		Д₃	д₁	д₂	Д₃	Д_ср	д_ср
0,08	1,06		0,09		0,14		0,15	0,11	0,13	0,18	0,127	0,14
0,13	1,7		0,17		0,15		0,19	0,18	0,21	0,24	0,17	0,21
Износ вала, мм.
0,08	1,06	0,06		0,08		0,04		0,03	0,05	0,04	0,06		0,04
0,13	1,7	0,03		0,04		0,04		0,04	0,05	0,04	0,037		0,043

Таблица 5.

Величина износа ЭСТЕРАН – 29 при реверсивном движении

Износ втулки,мм.
V,м/с.	Р,МПа.	Д₁	Д₂	Д₃	д₁	д₂	Д₃	Д_ср	д_ср
0,08	1,06	0,04	0,08	0,07	0,05	0,08	0,09	0,063	0,073
0,13	1,7	0,03	0,09	0,08	0,06	0,08	0,1	0,067	0,08
Износ вала, мм.
0,08	1,06	0,01	0	0,02	0,03	0	0,01	0,01	0,013
0,13	1,7	0	0,02	0,02	0,01	0,02	0	0,013	0,01

Таблица 6.

Величина износа АМАН – 13 при реверсивном движении

Износ втулки, мм.
V, м/с.	Р, МПа.	Д₁	Д₂	Д₃	д₁	д₂	Д₃	Д_ср	Д_ср
0,08	1,06	0,12	0,1	0,13	0,11	0,11	0,12	0,117	0,113
0,13	1,7	0,09	0,11	0,09	0,1	0,1	0,09	0,15	0,179
Износ вала, мм.
0,08	1,06	0,04	0,02	0,01	0,02	0,02	0,02	0,023	0,02
0,13	1,7	0,02	0,01	0,02	0,02	0,01	0,01	0,017	0,013

Как видно из приведенных таблиц 1…6, линейный износ подшипников скольжения с антифрикционными втулками, изготовленными из пластиков ЭСТЕРАН – 29, ВИЛАН – 9 и АМАН – 13 невелик, что подтверждается и априорной информацией, в которой интенсивность линейного изнашивания пластиков типа АМАН фиксируется в пределах .

Таблица 7.

Физико – механические свойства АСП – пластиков

Параметры	ЭСТЕРАН-1	ТЕСАН-6	ЭСТЕРАН-21	ВИЛАН-20
Плотность, г/см³.	3,6	3,5	3,1	3
Ударная вязкость, кг×см/см²	1,5	2,5	3	3
Твердость по Бринелю, кг/мм².	25	28 — 30	22 – 25	25
Коэффициент трения	0,05	0,06	0,08	0,1
Предел прочности при сжатии, кгс/см².	800	1000	800	1000
Интенсивность линейного изнашивания.
Максимальная рабочая температура.	220	300	200	300

Таблица 8.

Физико – механические свойства материалов типа АМАН

Параметры	АМАН-7	АМАН – 12	АМАН — 13	АМАН – 21	АМАН – 23	АМАН – 25
Плотность, г/см³.	2,5	3,0	3,0	2,7	3,2	3,5
Предел прочности при сжатии, Мпа.	120	130	130	80	100	150
Ударная вязкость, Мпасм.	0,5	0,6	1,0	0,3	0,5	0,2
Твердость по Бринелю.	180… 200	200… 230	160… 180	200… 230	200… 230	230… 250
Коэффициент трения.	0,08	0,04	0,1	0,08	0,06	0,08
Верхний предел рабочих температур.	150	300	120	200	170	150

Учитывая ранее рассчитанный на основе теории подобия коэффициент перехода от образцов, используемых в экспериментах, к натуральным подшипникам скольжения, а так же при учете таблиц 7 и 8, и анализируя полученные результаты исследований можно сделать следующие выводы.

Антифрикционные пластики ЭСТЕРАН – 29, ВИЛАН – 9 и АМАН – 13 можно эффективно использовать вместо стали 45 и Бр.О5Ц5С5 при малых нагрузках и больших скоростях скольжения или при больших нагрузках и малых скоростях скольжения.

Антифрикционные пластики типа АМАН, в отличии от стали 45 и Бр.О5Ц5С5, не подвержены задирам и заеданиям, что существенно повышает рабочий ресурс подшипников скольжения, в которых они используются.

При реверсивном характере трения линейный износ пластиков типа АМАН выше чем при одностороннем, отсюда вытекает необходимость уменьшения или ликвидации влияния отрицательного эффекта реверса.

В тяжелонагруженных шарнирных соединениях лесных манипуляторов в качестве антифрикционного материала рекомендуется использовать АМАН – 13, в силу его физико – механических характеристик.

Применение пластиков типа АМАН в качестве антифрикционного материала упразднит необходимость периодической подачи смазки в зазор шарнирного соединения. В результате чего отпадет необходимость в масляных каналах. Кроме того, металлы, из которых изготовлены вал и охватывающая проушина сопрягаются с более мягким антифрикционным материалом, следовательно износ поверхностных слоев сопрягаемых деталей за счет упругих и пластических деформаций будет происходить в основном в антифрикционной втулке, в меньшей мере передаваясь на палец и охватывающую проушину.

Таким образом, предлагаемые антифрикционные материалы могут существенно повысить рабочий ресурс шарнирных соединений лесопромышленных манипуляторов, что подтверждается проведенными исследованиями [4, 5].

Список литературы:

Башкарев А.Я. Пластмассы в строительных и землеройных машинах. / Л.: «Машиностроение», 1981. — 191 с.
Гаркунов, Д. Н., Поляков А.А. Повышение износостойкости деталей конструкций самолетов — М.: «Машиностроение», 1974. — 200 с.
Серебрянский А.И., Смогунов Н.С. О целесообразности изменения смазочного материала в шарнирных соединениях лесных манипуляторов // Повышение технического уровня машин лесного комплекса: Материалы Всероссийской научно – практической конференции / Воронеж, 1999. — С. 83 – 85.
Серебрянский А.И. Влияние статических нагрузок на износостойкость пластиков типа АМАН — Деп. Рукопись. № 975-В2002. Воронеж, 2002. — 34 с.
Серебрянский А. И., Афоничев Д.Н., Ворохобин А.В. Повышение износостойкости шарнирных соединений манипуляторов при ремонте // Вестник Воронежского аграрного государственного университета. Теоретический и научно-практический журнал. – 2012. — Вып. 2 (33). — С. 107-111.
Смогунов Н.С., Серебрянский А.И., Рубахин В.И. Экспериментальная установка для исследования подшипников скольжения, работающих в условиях реверсивного трения. ВИНИТИ, № 3576-В98, 1998. — 6 с.
Трение изнашивание и смазка. Справочник. / Под ред. И. В. Крагельского и В. В. Алисина — Т. 1, М.: «Машиностроение», 1978. — 400 с.[schema type=»book» name=»ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА АНТИФРИКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ ШАРНИРОВ ЛЕСНЫХ МАНИПУЛЯТОРОВ» author=»Серебрянский Алексей Иванович, Мижевич Михаил Алексеевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-06-19″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.12.2014_12(09)» ebook=»yes» ]

euroasia

Похожие записи