VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Введение

Огромные задачи, стоящие перед Вооруженными силами России в период реконструкции материально-технической базы государства, настоятельно требуют бережного и экономного расходования цветных и черных металлов, а также внедрения в отрасли обеспечивающие производство вооружений экономичных синтетических материалов.

В декабрьском обращении президента России Государственной Думе указывалось, что " … применение синтетических материалов дает возможность значительно увеличить производительность во всех секторах экономики, снизить себестоимость продукции и позволяет экономить огромные материальные ресурсы".

Одной из наиболее перспективных областей применения син­тетических материалов является использование их в машиностроении в качестве облицовочных материалов в узлах трения различных машин. За последние годы накопился богатый материал по использо­ванию пластмасс, как за рубежом, так и в России, в качестве антифрик­ционных материалов в подшипниковых узлах вместо бронзы, баббита и других цветных металлов. Неметаллические антифрикционные мате­риалы являются надежными заменителями черных в цветных металлов в подшипниковых узлах, особенно в тех случаях, когда их экс­плуатация осуществляется в абразивной среде, в условиях сухого в полусухого трения или при работе в агрессивных средах. Одним из таких неметаллических антифрикционных материалов является прес­сованная древесина (ДП), широкое использование которой началось сравнительно недавно.

– 4 –

Высокая прочность, хорошие антифрикционные свойства и довольно большая износостойкость ДП открывают широкиеперспек­тивы её использования в машиностроении в качестве подшипникового материала. Наряду с хорошими физико-механическими свойствами прессованная древесина имеет сравнительно низкую себестоимость, что является её существенным преимуществом перед черными и цветными металлами и многими пластмассами.

Таблица 1.

Сравнительная стоимость прессованной древесины

и других антифрикционных материалов

Наименование материала	Объемный вес	Цена 1970 г. – руб.
		за 1 т	за 1 м3
прессованная древесина	1,10 - 1,20	350-380	300-427
капрон	1,15	1470	1690
текстолит	1,35	3940	5320
винипласт	1,39	680	945
бронза ОЦС 5 - 6 - 5	8,82	800	7050
баббит Б-83	7,38	8600	63500
баббит Б-II	9,55	2200	21000
медь М-3	8,75	685	6000
чугун СЧ 18-36	7,10	145	1030
сталь углеродистая	7,80	207	1015

Из приведеннойтабл. 1, видно, что замена подшипников сколь­жения из цветных металлов на подшипники из прессованной дре­весина позволит сэкономить миллионы рублей.

– 5 –

Однако, не смотря на это, область применения ДП, как и всех пластмасс, все еще недостаточна. Объясняется это тем, что неметаллические подшипниковые материалы, обладая хорошими антифрикционными свойствами, имеют ряд недостатков: высокий коэффициент линейно-термического расширения, способность поглощать влагу, релаксационный характер процессов при деформации и способность при определённых условиях течь под нагрузкой, что ведет к нестабильности размеров подшипниковых вкладышей и втулок, а следовательно к изменению размеров между валом и подшипником. Еще более существенными недостатками являются низкая теплопроводность и низкая теплостойкость. В связи с тем, что коэффициент трения с повышением температуры увеличивается, последние два свойства могут проявляться особенно остро: ухудшать антифрикционные свойства и работоспособность подшипников из ДП. Более того, несоблюдение температурного режима работы подшипникового узла с неметаллическим антифрикционным слоем, как показывает практика, всегда приводит к выходу его из строя.

В настоящее время в промышленности применяются в основном подшипники скольжения с вкладышами и втулками из ДП толщиной 5÷20 мм. Такие подшипники при ограниченной смазке минеральными маслами могут работать лишь в том случае, когда произведение PV не превышает 8 ÷ 10 кгс/см²∙м/с.

В последнее время в практике встречаются отдельные случаи применения тонкостенных вкладышей с втулками из ДП толщиной менее 6 мм, эксплуатация которых показала хорошие результаты.

– 6 –

Однако этот положительный опыт не находит широкого приме­нения из-за отсутствие в литературе исследований некоторых физико-механических свойств прессованной древесины и температурного режима тонкостенных подшипников из ДП. В связи с этим, целью настоящей работы является исследование ползучести ДП и темпе­ратурного режима работы прямой и обратной подшипниковых пар с тонкостенными втулками из прессованной древесины.

Работа состоит из двух глав. В первой главе дается обзор литературы, освещающей физико-механические свойства естествен­ной и прессованной древесины. Во втором параграфе этой главы приведены результаты исследования явления ползучести естественной и прессованной древесины березы при растяжении её поперек воло­кон. В результате обработки опытных данных методами математичес­кой статистики получены уравнения кривых ползучести в виде степенных функций.

Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию температурных режимов прямой и обратной подшипниковых пар из ДП при стационарном режиме их работы. Установлены зависимости максимальной температуры антифрикционного слоя в зоне трения от удельной мощности силы трения и толщины втулки. Для удобства практических расчетов, полученное уравнение представлено в виде номограмм. В этой жеглаве описывается новый метод получения прессовано-гнутой древесины.

– 7 –

Глава I

Физико-механические свойства прессованной древесины

Естественная древесина является широко распространенным ма­териалом, который обладает целым рядом ценных качеств и многими далеко еще не полностью вскрытыми возможностями полезного при­менения. "Древесина – чудесный материал с необычайно высоким техническим потенциалом. Это и механическое, и энергетическое, и химическое сырьё с колоссальными скрытыми в вей возможностями." Поэтому естественную древесину следует рассматривать как сырой материал, который в результате физико-механической обработки или синтеза с органическими и неорганическими веществами должен давать новые, необходимые для промышленности и сельского хозяй­ства, материалы. Всестороннее изучение физико-механических свойств древесины облегчает решать эту большую задачу.

Подробное исследование физико-механических свойств нату­ральной древесины [2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11] позволило найти несколько способов получения нового промышленного материала - прессованной древесины [12, 13, 14, 15, 16].

Прессование цельной древесины имеет своей задачей повыше­ние физико-механических свойств натуральной древесины с одновре­менным приданием ей большей устойчивости по отношению к факторам атмосферного и иного влияния. Изменений свойств древе­сины мягколиственных и хвойных пород путём прессования следует считать методом коренной переделки древесины, в результата чего малоценная древесина рассеянопоровых лиственных пород превра­щается в ценный промышленный материал.

– 8 –

Исследования П.Н. Хухрянского показали, что хвойные породы с ярко выраженным строением летней и весенней древесины могут прессоваться только в радиальном направлении. Объясняется это тем, что летние (поздние) слои имеют значительную прочность и их сближение возможно главным образом за счёт ранних рыхлых слоёв.

Древесина рассеянопоровых лиственных пород прессуется как в ра­диальном, так и тангенциальном направление, чему способствует равно­мерность строения годичных слоёв.

Исследованиями [12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20] установлено, что все основные показатели физико-механических свойств ДП изменяются в зави­симости от степени прессования. Степень прессования древе­сины, выража­ется в процентах и определяется формулами:

1) при одноосном прессовании (ДП-0)

h₀ – h

ε = ——— ∙ 100 %, (1.1)

h

где h₀ – высота бруска из натуральной древесины,

h – высота бруска после прессования.

2) при контурном прессовании (ДП-к)

d₀² – d²

ε = ———— ∙ 100 %, (1.2)

d²

где d₀ – диаметр цилиндра из натуральной древесины,

– 9 –

d – диаметр цилиндра из прессованной древесины.

3) при торцевом гнутье (ДП-к)

Z

ε = —— ∙ 100 %, (1.3)

ρ

где ρ – радиус центральной оси заготовки в случае гнутья с шиной – внешний радиус заготовки),

Z – расстояние рассматриваемого участка от нейтральной оси.

С увеличением степени прессования увеличивается объёмный вес ДП. Связь между объёмным весом прессованной древесины γ и степенью прессования ε выражает формулой:

γ

γ = ——— , (1.3)

1 + ε

где γ - объёмный вес исходной древесины.

Как показывают исследования [12, 13, 17, 18, 19, 20], физико-механические свойства прессованной древесины улучшаются с уве­личением степени прессования. Так, для древесины, спрессованной после предварительного прессования, зависимость предела прочности ДП от степени прессования выражается формулой:

σ = σ₀ (1 + k ε) , (1.5)

– 10 –

где σ₀ – предел прочности натуральной древесины,

k – коэффициент пропорциональности, зависящий от породы древесины. плоскости прессования, вида деформации и влажности ДП.

В таблице 2 приведены значения коэффициента k при сжатии ДП вдоль волокон, полученные из различных пород стандартным методом (ГОСТ 9629 - 61) [18].

Таблица 2.

Влажность ДП, % Породы	5	6	7	8	9	10	11	12
Сосна, берёзa	1,000	1,038	1,152	1,240	1,348	1,455	1,580	1,710
Бук	1,000	1,075	1.170	1,272	1,423	1,576	1,728	1,908
Граб	1,000	1,038	1,100	1,202	1,342	1,532	1,695	1,873

Исследования модуля упругости ДП [12, 19, 20] показывают, что он, так же как и предал прочности, зависит от породы древесины и степени её прессования. По данным Антипова В.Н. и Хухрянского П.Н., модуль упругости Е при сжатии вдоль и поперек волокон в тангенциальном направлении прессованной древесины сосны при влажности W = 10% может быть определен по формуле:

1 + ε

Е = Е₀ ————— , (1.6)

1 – 0,19ε

где Е₀ – модуль упругости натуральной древесины;

ε – степень прессования по отношению к поперечному размеру образца.

– 11 –

В таблице 3 приведены значения модуля упругости прессованной древесины, полученные П.Н. Житковым при сжатии и изгибе ДП (влажность ДП W =10 ÷ 12 %).

Таблица 3.

Порода древесины	Степень прессова­ния, %	Объёмный вес, г/см3	Модуль упругости × 103 кг/см2
			Сжатие вдоль волокон	Сжатие в радиаль­ном на­правлении	Статичес­кий изгиб в танген­циальном направле­нии
Сосна	0	0,56	115	4,7	105
Сосна	33	0,85	173	6,9	146
Сосна	50	1,17	220	10,0	210
Берёза	0	0,57	145	4,3	106
Берёза	33	0,80	212	5,1	120
Берёза	50	1,12	287	8,1	180

П.Н. Житковым были исследованы значения коэффициентов поперечной деформации для различных пород естественной и прессoванной древесины. При этом установлено, что для ДП справедливо равенстве:

E_a ∙ μ_ar = E_r ∙ μ_ra , (1.7)

где Е – модуль упругости,

μ – коэффициент поперечной деформации.

Первый индекс у μ в равенстве (1.7) обозначает направление

– 12 –

деформации, а второй – направление силы, вызвавшей поперечную деформацию.

В таблице 4 даны средние коэффициенты поперечной деформации древесины при сжатии (по данным П.Н. Житкова).

Таблица 4

Порода древесины	μar	μat	μra	μrt	μta	μtr
Берёза	0,043	0,040	0,580	0.490	0,450	0,810
Прессованная берёза	0,046	0,044	0,301	0,243	0,447	0,809
Сосна	0,030	0,031	0,490	0,380	0,410	0,790
Прессованная сосна	0,035	0,034	0,246	0,192	0,407	0,784
Осина	0,051	0,057	0,572	0,582	0,562	0,378
Прессованная осина	0,049	0,053	0,287	0,289	0,554	0,374

До настоящего времени ещё слабо изучены упругопластические свойства и реологические явления древесины. Исследование указанных вопросов является весьма важным, так как с ними приходится сталкиваться при решении разнообразных техноло­гических задач.

1.1. Древесина как упруго-вязкое тело

Естественная древесина – анизотропный полимерный материал. Анизотропия древесины является следствием её клеточного строения.

– 13 –

В соответствии в современным учением о субмикростркутре древес­ина состоит из целлюлозы, лигнина, гемицеллюлозы, пектиновых веществ в др.

В настоящее время о строении целлюлозы существуют две теории: мицеллярного в аморфного строения. Открытие Шубниковым А.В. в древесине пьезоэлектрического эффекта указывает на присут­ствие в ней кристаллических агрегатов. Следовательно, целлюлоза – вещество кристаллического волокнистого строения, обладающее высо­кой эластичностью.

Лигнин, в химическом отношении является сочетанием не­скольких веществ. Исследование изолированного лигнина в рентге­новских лучах показывает, что это вещество аморфное. Во влажном состоянии он под влиянием механического воздействий легко теряет свою структуру и превращается в однородную тестообразную массу.

Гемицеллюлоза во своему химическому составу стоит доволь­но близко к целлюлозе, но имеет меньшую химическую стойкость.

Пектиновые вещества имеют сложный химический состав и строение. При высокой температуре эти вещества расщепляются и образуют продукты легко растворяющиеся в воде.

Целлюлоза, лигнин, гемицеллюлоза и пектиновые вещест­ва, входящие в состав оболочки клеток, находятся в тесном соединении между собой. Особенно тесная связь обнаруживается у целлюлозыс лигнином. На природу этой связи существует два взгляда: одни исследователи считают, что лигнин соединен с целлюлозой химически, другие – механически. Механическая теория имеет большее число сторонников.

– 14 –

В 1954 году Огарковым Б.И. (Воронежский сельскохозяй­ственный институт) была разработана обобщенная теория дефор­мирования древесины [7, 21]. Древесину он рассматривает как полимерный материал, состоящий из упругих частиц целлюлозы и упруго-эластичных инкрустирующих веществ (гемицеллюлозы, лигнин и пектиновые вещества), между которыми осуществляется механическая связь согласно схеме, приведенной в таблице (рисунок 1.1)

a	б

а – в области прочного сопротивления;

б – в области пластического сопротивления;

У1 и В1 ­– упругий и вязкий элементы инкрустов;

У2 и В2 – упругий и вязкий элементы целлюлозы.

Рисунок 1.1 – Схема деформирования древесины:

– 15 –

По принятой схеме в области прочного сопротивления упруго-вязкие элементы инкрустирующих веществ соединены параллельно упругим элементам целлюлозы. Поэтому, если деревянный образец подвергнуть растяжению силой P, то эта сила будет воспринята целлюлозой и инкрустами пропорционально их жесткостям.

Но упруго-эластичные инкрустирующие вещества способны развивать обратимые эластические деформации при любых нагрузках при комнатной температуре. В силу этого с течением времени в нагруженном деревянном образце будет происходить удлинение инкрустов, а это, в свою очередь, вызовет перераспределение нагрузки между целлюлозой и инкрустами. Нагрузка на целлюлозу возрастает, что приведет к удлинению целлюлозы.

Таким образом, продольная деформация деревянного образца, подверженного центральному растяжению под действием постоянной силы, с течением времени будет непрерывно возрастать.

Явление непрерывного (хотя и сравнительно медленного) возрастания во времени деформации материала, происходящей под действием постоянных по величине усилий (или напряжений), называется ползучестью [69].

Явление ползучести у древесины было исследовано профес­сором Ю.М. Ивановым, которым наблюдал это явление при растя­жении и сжатии образцов древесины вдоль волокон. Ивановым Ю.М. был обнаружен предел пластического течения древесины [4].

В последствии этот предел был назван пределом роста элас­тичности [76], что более отвечает его физической сущности. Ползу­честь древесины протекает как за пределом пластического течения, так и до предела пластического течения. Этот вывод хорошо согласуется с результатами экспериментальных исследований. При этом следует

– 16 –

заметить, что явление ползучести, а следовательно, и предел пластического течения, у древесины являющейся полимерным материалом, в сильной степени зависят от температуры и влажности древесины.

Если внезапно снять на грузку после того, как в течении некоторого времени в образце древесины под действием напряжения происходила ползучесть, то скорость деформации изменит свой знак и образец постепенно возвратиться в той или иной степени к своему первоначальному состоянию (то есть образец будет стремиться восстановить свою форму и размеры). Это явление называется обратной ползучестью.

Явление прямой и обратной ползучести при растяжений древесины вдоль волокон наблюдается в течении нескольких месяцев и даже лет. Эти явления протекают значительно быстрее при растяжении древесины вдоль волокон. Явление ползучести древесины березы поперек волокон подробно исследовалось Б. И. Огарковым. Нами была поставлена цель получить путем математической обработки результатов эксперимента зависимость деформации ползучести прессованной древесины от времени действия силы в виде степенной функции.

– 17 –

1.2. Исследование ползучести естественной и прессованной древесины берёзы при растяжении поперек волокон

а) Подготовка образцов для испытания

Обычно в технике под ползучестью понимают развитие дефор­мации с течением времени при постоянной нагрузке. Чтобы получит результаты, которые давали бы возможность судит о величине ползучести древесины березы как материала удобнее исследовать деформацию ползучести при постоянном напряжении. В связи с этим форма образцов была принята такой, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2 – Форма и размеры образцов

Так как площадь поперечного сечения образца в рабочей части равна 1 см², то величина растягивающей силы численно равна напряжению, возникающему в любом сечении в рабочей части образца. Это дает возможность не проводить резкой грани между

– 18 –

ползучестью под действием постоянной нагрузки и ползучестью образца под действием постоянного напряжения.

Ползучесть древесины зависит от многих факторов: влажности и температуры образца, направлению волокон по отношению к растягивающей силе, плотности древесины и так далее. Величина ползучести древесины изменяется также при её прессовании. Чтобы иметь возможность сравнивать результаты испытаний различных образцов, нами был использован реечный метод разделки кряжей на образцы (ГОСТ 6336-52). На рисунке 3 приведена схема разделки кряжа.

Рисунок 3 – Схема разделки кряжа на рейки

Из реек 1 и 2 изготавливались образцы для испытания естественной древесины на ползучесть в тангенциальном направлении, из рейки 3 – в радиальном. Рейка 4 использовалась для получения прессованной древесины одноосного прессования [12, 13]. Из спрессованной рейки 4 изготовлялись образцы для исследования на

– 19 –

ползучесть прессованной древесины в тангенциальном направлении. Степень прессования была взята 50%. Таким образом, из одного кряжа изготовлялись образцы естественной и прессованной древесины.

Изготовленные образцы выдерживались в помещении при температуре 18 – 21 ºC в течении одного месяца. Затем для измерения относительной деформации на рабочую часть образцов клеем БФ – 2 наклеивались проволочные электротензометрические датчики с базой 20 мм и сопротивлением 200 Омов. Полимеризация клея произво­дилась при комнатной температуре. После наклейки датчиков, образцы выдерживались в течение двух недель, что давало возможность гарантировать окончание полимеризации клея и приобретения образцами равновесной влажности. Подготовленные таким образом образцы считались пригодными для испытания на ползучесть.

б) Экспериментальная установка и методика проведения эксперимента

Исследование явления ползучести у естественной и прессо­ванной древесины березы при растяжении поперек волокон произ­водилось с помощью установки, состоящей из испытательной машины НУ – 3 (рисунок 4) и электронного измерителя деформаций типа АИ – 1 (рисунок 5).

– 20 –

Рисунок 4 – Внешний вид испытательной машины ПУ-3

Рисунок 5 – Электронный измеритель деформаций

– 21 –

Принципиальная схема установки испытания естественной и прессованной древесины на ползучесть изображена на рисунке 6.

Рисунок 6 – Принципиальная схема установки для испытания образцов древесины на ползучесть.

Испытание образцов естественной и прессованной древесины на ползучесть производились следующим образом. Образец 1 с наклеен­ными на него датчиками вставлялся в захваты 3 испытательной ма­шины ПУ-3, отношение плеч рычагов которой равно 1:50. Электро­тензометрические датчики испытуемого (активно) 1 и компенсацион­ного 2 образцов с помощью коммутирующего устройства 4 при­соединялись к электронному измерителю деформаций 5 типа АИ-1, измеряющего относительную деформацию образца. Цена деления шкалы прибора АИ-1 равна 1∙10^-5.

В силу того, что наблюдение явления ползучести требует дли­тельного промежутка времени (некоторые опыты продолжались до 200 часов), через коммутирующее устройство одновременно с испытывае­

– 22 –

мым образцом к электронному измерителю деформаций присоеди­нялся второй ненагруженный образец, позволяющий следить за изме­рением положения нуля измерителя АИ-1.

Чтобы избежать влияния нагревания испытуемого образца за счет тепла, выделяющего в тензодатчиках испытуемого образца с помощью коммутирующего устройства подключались к электронному измерителю деформаций только в момент замера деформаций.

Ввиду того, что прибор АИ-1 является измерителем деформаций с автоматически балансирующимся мостом, в промежутках между измерениями он подключался через коммутирующее устройство к нерабочим датчикам.

Чтобы сделать рабочей всю шкалу приборы, сопротивления активного и компенсационного электротензометрических датчиков подбирались таким образом, чтобы ноль прибора был смещен к нулевому делению шкалы.

Сразу после нагружения испытуемого образца производился замер его упругой деформации. Затем, в силу быстрого разви­вающейся ползучести в начальный период, измерение производилось в первые 5 минут производилось каждую минуту, в дальнейшем – в течении первого часа замеры делались через 10 минут, а по истечении 1 часа – через 30 минут. Результаты измерений заносились в таблицу, форма которой показана в таблице 5 на примере наблюдения прямой ползучести естественной древесины березы в тангенциальном направлении по отношению к годичным слоям при нагрузке 30 кг.

Наблюдение прямой ползучести проводилось до тех пор, пока не достигалось такого состояния, когда показания электронного измерителя деформаций в течение 2-х часов оставались неизменными. Затем производилась разгрузка образца. Так же, как и в случае

– 17 –

наблюдения прямой ползучести, сначала заносились в таблицу, аналогичную таблице 5.

Явление ползучести исследовалось при растяжении образцов поперек волокон естественной древесины березы в тангенциальном и радиальном направлениях по отношению к годичным слоям. Средний объемный вес натуральной древесины березы был равен 0,58 г/см³.

Прессованная древесина березы (направления соответствовало радиальному направлению по отношению к годичным слоям) испы­тывалось на ползучесть только в тангенциальном направлении. Результаты эксперимента приведены в таблицах 6 и 7.

– 24 –

Таблица 5

Время ползучести в часах	Напря­жение в кг/см²	Показания прибора АИ-1	Контроль нуля прибора АИ-1	Ползу­честь без учета смеще­ния нуля	Ползучесть с учетом смещения нуля
0	0	205,5	292	0	0
0	30	468	292	0	0
1	"	545	294	77	75
2	"	558	293	90	89
3	"	565	291	97	98
4	"	572	291,5	104	104,5
6	"	583	291,5	112	112,5
8	"	592	290,5	124	125,5
9,5	"	597,5	290,5	129,5	131
22	"	598,5	264	130,5	198,5
24	"	602	263,3	134	162,7
27	"	606	262	138	168
30	"	605,5	256,5	137,5	173
32	"	609	256	141	177
46	"	623	254	155	193
50	"	628	254	160	198
54	"	631	253	163	202
56,9	"	634	253	166,5	205,5
95	"	656,5	253	188,5	227,5
100	"	661	255	193	230
105	"	666,5	257,5	198,5	233
120	"	680,5	265	212,5	239,5
142	"	700,5	274,5	232,5	249,5
152	"	708	275	240	257
166	"	712	276	244	260
168	"	712	276	244	260

– 15 –

Таблица 6

Напряже­ние в образце кг/см²	Время наблюде­ния ползу­чести, час	Прямая ползучесть естественной древесины		Прямая ползучесть ДП танген­циального направления
		тангенциаль­ного направления	радиального направления
10	24	63,5 · 10-5	9,4 · 10-5	29,5 · 10-5
	48	71,0 · 10-5	11,0 · 10-5	34,5 · 10-5
15	24	91,5 · 10-5	14,5 · 10-5	41,0 · 10-5
	48	108,0 · 10-5	17,5 · 10-5	50,0 · 10-5
20	24	126,0 · 10-5	18,5 · 10-5	50,5 · 10-5
	48	144,0 · 10-5	22,0 · 10-2	62,5 · 10-5
	72	157,5 · 10-5	38,0 · 10-5	68,0 · 10-5
25	24	136,5 · 10-5	25,5 · 10-5	74,0 · 10-5
	48	161,0 · 10-5	30,0 · 10-5	86,5 · 10-5
30	24	162,7 · 10-5	27,0 · 10-5	84,0 · 10-5
	48	197,0 · 10-5	32,0 · 10-5	97,5 · 10-5
	96	228,0 · 10-5	38,5 · 10-5	113,0 · 10-5
	144	251,0 · 10-5	42,0 · 10-5	133,0 · 10-5
35	24	175,0 · 10-5	36,5 · 10-5	99,0 · 10-5
	48	205,0 · 10-5	43,0 · 10-5	116,0 · 10-5
40	24	183,5 · 10-5	39,0 · 10-5	102,0 · 10-5
	48	211,0 · 10-5	46,0 · 10-5	134,0 · 10-5
	96	251,0 · 10-5	53,5 · 10-5	158,0 · 10-5
	144	292,0 · 10-5	59,5 · 10-5	173,0 · 10-5
45	24	222,0 · 10-5	45,5 · 10-5	133,0 · 10-5
	48	260,0 · 10-5	53,5 · 10-5	156,0 · 10-5
50	24	244,0 · 10-5	47,5 · 10-5	144,0 · 10-5
	48	293,0 · 10-5	54,0 · 10-5	175,0 · 10-5
	96	345,0 · 10-5	64,0 · 10-5	207,0 · 10-5
	144	378,0 · 10-5	67,5 · 10-5	234,0 · 10-5

– 26 –

Таблица 7 -

Снятое с образца напряже­ние, кг/см²	Время на­блюдения обратной ползучести, час	Обратная ползучесть естественной древесины		Обратная ползучесть ДП танген­циального направления
		тангенциаль­ного направления	радиального направления
10	24	62,5 · 10-5	8,5 · 10-5	28,0 · 10-5
	48	70,0 · 10-5	10,0 · 10-5	33,0 · 10-5
15	24	71,0 · 10-5	13,0 · 10-5	37,0 · 10-5
	48	83,5 · 10-5	15,0 · 10-5	42,0 · 10-5
20	24	89,0 · 10-5	18,0 · 10-5	41,5 · 10-5
	48	109,0 · 10-5	21,0 · 10-2	46,0 · 10-5
	72	124,0 · 10-5	26,0 · 10-5	50,0 · 10-5
25	24	91,5 · 10-5	21,0 · 10-5	60,0 · 10-5
	48	121,0 · 10-5	24,0 · 10-5	60,0 · 10-5
30	24	116,5 · 10-5	26,0 · 10-5	71,5 · 10-5
	48	134,0 · 10-5	31,0 · 10-5	80,0 · 10-5
	96	154,0 · 10-5	37,0 · 10-5	95,0 · 10-5
	144	172,0 · 10-5	40,0 · 10-5	103,0 · 10-5
35	24	130,0 · 10-5	29,0 · 10-5	80,0 · 10-5
	48	145,0 · 10-5	35,0 · 10-5	98,0 · 10-5
40	24	126,0 · 10-5	34,0 · 10-5	86,0 · 10-5
	48	157,0 · 10-5	39,0 · 10-5	105,0 · 10-5
	96	160,0 · 10-5	45,0 · 10-5	125,5 · 10-5
	144	178,0 · 10-5	50,0 · 10-5	135,0 · 10-5
45	24	160,0 · 10-5	39,0 · 10-5	107,5 · 10-5
	48	177,0 · 10-5	45,0 · 10-5	120,0 · 10-5
50	24	170,0 · 10-5	42,0 · 10-5	125,0 · 10-5
	48	195,0 · 10-5	47,0 · 10-5	140,0 · 10-5
	96	222,0 · 10-5	52,0 · 10-5	169,0 · 10-5
	144	230,0 · 10-5	58,0 · 10-5	180,5 · 10-5

– 27 –

в) Результаты обработки экспериментальных данных

При обработке результатов экспериментальных данных был применен способ наименьших квадратов. Если нанести результаты опытов по исследованию прямой и обратной ползучести естественной и прессованной древесины березы на координатную плоскость, в которой по оси ординат откладывать деформацию ползучести Еn, а по оси абсцисс – соответствующее время ползучести t, то график функции εn = f(t) имеют вид степенной зависимости (рисунок 7).

Рисунок 7 – Кривые прямой ползучести естественной древесины березы тангенциального направления

Поэтому функцию εn = f(t) будем аппроксимировать степенной зависимостью вида:

εn = a t^α (1.8)

где а и α – некоторые параметры, подлежащие определению.

– 28 –

Логарифмируя (1.8) и составляя сумму квадратов отклонений, получим:

(1.9)

Находя частные производные S по а и и приравнивая их к нулю, получим систему двух нормальных уравнений способа наименьших квадратов [23] относительно параметров а и , при которых теоретическое значение ε, будут минимально отличаться от экспериментальных

a+

(1.10)

где v – число опытных значений .

Решая систему алгебраических уравнений (1.10) относительно а и , получим:

(1.11)

Δ₂

α = —— (1.12)

Δ

где:

(1.13)

– 29 –

(1.14)

(1.15)

Из формулы (1.8) видно, что параметр aвыражает деформацию ползучести образца при данной нагрузке за время t = 1. Величина параметра a при выбранной нагрузке зависит от выбора единицы измерения времени. При обработке опытных данных, в силу большой продолжительности опытов по исследованию ползучести, за единицу измерения времени был принят 1 час. Поэтому размерность коэффициента а будет час ^{– α}.

Если время будет измеряться в минутах, то формула (1.8) примет вид:

εn = a₁ t^α, (1.16)

где t – выражено в минутах, а .

В таблице 8 приведены теоретические значения параметра а для прямой ползучести, вычисленные по формуле (1.4) и сравнение полученных значений а с экспериментальными (размерность приведенных значений а в таблице – час ^{– α}, то есть время измерялось в часах).

В таблице 9 даны теоретические и экспериментальные значения а для обратной ползучести.

– 30 –

Таблица 8

Теоретические и экспериментальные значения параметра а дляпрямой ползучести естественной и прессованной древесины березы.

Естественная древесина						Прессованная древесина
Тангенциальное направление			Радиальное направление			Тангенциальное направление
расчетное × 10-5	экспе­рим × 105	расчетное ———— эксперим.	расчетное × 10-5	экспе­рим × 105	расчетное ———— эксперим.	расчет­ное × 10-5	экспе­рим × 105	расчетное ———— эксперим.
31,6	29,5	1,07	4,0	4,0	1,00	14,5	14,0	1,04
45,0	43,0	1,05	6,3	6,0	1,05	21,4	21,0	1,02
56,2	57,0	0,985	8,6	9,0	0,965	27,9	27,5	1,01
68,1	66,0	1,03	11,0	10,5	1,05	35,1	35,5	0,990
77,5	75,0	1,03	13,6	13,0	1,05	42,0	42,5	0,988
82,3	86,0	0,958	16,0	17,0	0,940	48,5	48,0	1,01
97,0	94,0	1,03	18,5	19,0	0,975	53,4	55,0	0,970
104,3	105,0	0,995	21,3	21,0	1,01	61,5	63,5	0,975
109,7	110,0	0,995	24,0	23,5	1,02	69,0	73,5	0,940

Таблица 9

Теоретические и экспериментальные значения параметра aдляпрямой ползучести естественной и прессованной древесины березы.

Снятое с об­разца напряже­ние кг/см2	Естественная древесина						Прессованная древесина
	Тангенциальное направление			Радиальное направление			Тангенциальное направление
	расчетное × 10-5	эксперим × 105	расчетн эксперим	расчетное × 105	эксперим × 105	расчетн эксперим	расчетное × 105	эксперим × 105	расчетн эксперим
10	22,8	24,0	0,950	4,4	4,0	1,10	13,0	12,5	1,04
15	32,0	33,0	0,970	6,4	6,5	0,985	18,2	19,0	0,958
20	40,5	41,9	0,968	8,5	7,5	1,13	22,8	23,0	0,990
25	50,4	49,0	1,03	10,8	10,0	1,08	31,0	30,0	1,03
30	59,0	58,0	1,02	13,0	12,5	1,04	41,1	39,5	1,04
35	67,1	64,5	1,04	15,2	14,5	1,05	43,3	42,0	1,03
40	72,3	72,0	1,00	17,4	17,0	1,02	47,3	49,0	1,04
45	82,2	79,0	1,04	19,6	19,0	1,03	55,0	56,0	0,982
50	89,1	86,0	1,04	21,8	22,0	0,991	61,2	62,5	0,979

– 31 –

Из приведенных таблиц видно, что величина aвозрастает с увеличением нагрузки (напряжения). В таблицах 10 и 11 приведены значения параметра α для естественной и прессованной древесины березы.

Из таблиц 10 и 11 видно, что параметр α для естественной и прессованной древесины колеблется в пределах от 0,180 до 0,298 и не зависит от нагрузки на образец. Очевидно, показатель степени α зависит от свойств наполнителей – гемицеллюлоз, лигнина и пектиновых веществ.

Пользуясь таблицами 8 – 11, можно по формуле (1.8) определить величину прямой и обратной ползучести естественной и прессованной древесины.

В таблице 12 приведены сравнения расчетных и экс­периментальных значений прямой и обратной ползучести естест­венной древесины тангенциального направления при напряжении в образце σ = 20 кг/см².

Таблица 10

Напряжение в образце кг/см2	Естественная древесина		Прессованная древесина
	тангенциальное направление	радиальное направление	тангенциальное направление
10	0,234	0,264	0,233
15	0,238	0,275	0,225
20	0,247	0,228	0,212
25	0,230	0,274	0,230
30	0,245	0,235	0,214
35	0,225	0,240	0,228
40	0,214	0,227	0,231
45	0,235	0,242	0,232
50	0,250	0,220	0,233

– 32 –

Таблица 11

Снятое с образца напряжение кг/см2	Естественная древесина		Прессованная древесина
	тангенциальное направление	радиальное направление	тангенциальное направление
10	0,298	0,234	0,252
15	0,240	0,220	0,212
20	0,254	0,296	0,179
25	0,250	0,215	0,220
30	0,212	0,247	0,190
35	0,230	0,210	0,216
40	0,180	0,217	0,210
45	0,223	0,225	0,214
50	0,204	0,195	0,218

– 33 –

Таблица 12

Время ползучести в час.	Прямая ползучесть × 105			Обратная ползучесть × 105
	расчет­ная	экспери­менталь­ная	расчетн. эксперим	расчет­ная	экспери­менталь­ная	расчетн эксперим
1	56,2	57,0	0,985	40,5	41,9	0,968
2	66,9	68,0	0,985	48,4	49,5	0,975
3	73,7	75,0	0,985	53,7	55,0	0,975
4	79,3	81,5	0,974	57,6	60,0	0,960
5	83,8	85,5	0,980	61,0	62,0	0,984
6	87,6	89,5	0,980	64,2	63,3	1,018
7	91,0	94,0	0,968	66,7	65,5	1,020
8	94,0	98,0	0,960	68,0	67,5	1,009
9	96,4	99,0	0,964	70,7	69,0	1,025
10	99,0	101,0	0,980	71,0	70,0	1,015
24	122,2	126,0	0,969	90,7	89,0	1,020
25	124,0	126,5	0,980	91,7	90,0	1,020
26	125,0	127,0	0,984	92,8	90,5	1,028
29	129,0	131,5	0,980	95,5	93,0	1,028
31	131,0	132,0	0,993	96,0	95,0	1,010
32	132,0	132,5	0,995	97,5	97,5	1,000
48	146,0	144,5	1,010	107,9	109,0	0,988
50	147,8	147,0	1,005	109,5	110,0	0,995
52	149,0	149,0	1,000	110,5	113,5	0,977
53	150,0	149,7	1,005	111,0	114,0	0,974
70	160,0	155,6	1,030	119,0	123,5	0,964
72	161,5	157,5	1,030	121,0	124,0	0,975

– 34 –

Выводы

Прессованная древесина обладает лучшими механическими свойствами и является более ценными промышленными материалами, чем естественная древесина.

Естественная и прессованная древесины являются полимерными материалами, у которых сильно развито явление ползучести.

Деформация ползучести у древесины при растяжении поперек волокон протекает значительно быстрее, чем при растяжении вдоль волокон, и длиться в течении нескольких суток.

Деформация ползучести естественной древесины при растя­жении поперек волокон в тангенциальном направлении больше, чем при растяжении поперек волокон в радиальном направлении.

Деформация ползучести ДП при растяжении поперек волокон в тангенциальном направлении значительно меньше, чем – у естествен­ной.

Деформация ползучести естественной и прессованной древе­сины может быть выражена степенной функцией вида:

εn = a₁ t^α

где а – коэффициент, выражающий ползучесть у древесины за время t = 1, зависит от вида взятого образца, напряжения и выбора единицы измерения времени, а коэффициент α остается почти неизменным.

– 35 –

Глава 2

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ ИЗ ПРЕССОВАНОЙ ДРЕВЕСИНЫ БЕРЕЗЫ.

За последнее время в Вооруженных силах в узлах трения стали широко применяться неметаллические антифрикционные материалы в замен бронзы, чугуна и цветных металлов, в основном углепластики.

Особенно хорошие эксплуатационные качества неметаллические подшипники скольжения показывают при использовании их для работы в абразивных и химических агрессивных средах. [24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 67, 68]

Но область применения неметаллических подшипников сколь­жения в Вооруженных силах все же недостаточна из-за того, что до настоящего времени не решен целый ряд вопросов эксплуатации и конструирования такого рода подшипников.

Одним из таких вопросов является тепловой режим подшип­ников, который приобретает особое значение в связи с тем, что повы­шение температуры неметаллического подшипника, обусловленное плохой теплопроводностью пластмасс и древопластиков, существенно сказывается на механических свойствах антифрикционного слоя, величине коэффициента температурных напряжениях, возникающих в теле подшипника, и т.д.

В настоящей главе приведены результаты экспериментального исследования температурных полей неметаллического антифрик­ционного слоя. В качестве исследуемого антифрикционного материала была взята прессованная древесина березы, из которой изготовлялись втулки подшипников. Для сравнения антифрикционных качеств ДП с

– 36 –

другими неметаллическими материалами были проведены испытания подшипников из капрона – наиболее распространенной пластмассы в настоящее время.

1. Технология изготовления прессованно-гнутой древесины

С 60-х годов в промышленности нашли широкое применение подшипниковые вкладыши из гнуто-прессованной и прессованно-гнутой древесины. [12, 13, 14, 16]

Гнуто-прессованная по стандартному способу (ГОСТ 9629-61) [12, 13] получается путем предварительного торцевого гнутья естественной пропаренной древесины и последующего подпрессо­вывания подогретой гнутой древесины в направлении оси под­шипника.

Прессованно-гнутая древесина [14] изготовляется путем предварительного одноосного прессования естественной пропаренной древесины и последующего торцевого гнутья подогретой прессованной древесины. Причем при гнутье подогретой спрессованной древесины изгибающий момент (М _изгиб) параллелен направлению одноосного прессования. Следовательно, и в этом случае получается вкладыш, спрессованный в направлении оси подшипника.

Несмотря на широкое распространение этих способов изго­товления подшипниковых вкладышей, они имеют некоторые недо­статки.

В общих случаях волокна древесины направлены в радиальном направлении подшипника, а древесина спрессована в направлении оси подшипника. В тангенциальном (кольцевом) направлении древесина спрессована незначительно и степень прессования на внутренней

– 37 –

(рабочей) поверхности вкладыша может быть определена по формуле [18]

h

ε_max = —— ∙ 100 % , (2.1)

R

или

h

ε_max = ——— ∙ 100 % , (2.2)

r + h

где h – толщина втулки,

R и r – соответственно внешний и внутренний радиусы вкладыша.

Формулы (2.1) и (2.2) показывают, что при r = 30 мм и h = 6 мм ε_max = 16,7%, а если h уменьшить, то соответственно уменьшится и ε_max. Но, так как основные усилия в подшипнике (сила нормального давления и сила трения) лежат в плоскости, перпендикулярной оси подшипника, то желательно, чтобы вкладыш имел большую жесткость и прочность в кольцевом направлении.

В обоих указанных способах необходимо четырехкратное применение тепловой энергии (для пропаривания, подогрева и двукратной сушки).

Чтобы избежать перечисленных недостатков, в 60-е годы в Воронежском сельскохозяйственном институте под руководством профессора Огаркова Б.И. был разработан способ получения пресс­совано-гнутой древесины, которое производилось с помощью универ­сальной машины УМ-5 и специальной пресс-формы (рисунки 8, 9). Способ позволял совместить предварительное прессование естествен­ной древесины поперек волокон и последующее бесшинное торцевое гнутье прессованной древесины.

Изготовление прессовано-гнутой древесины производиться сле­дующим образом. Естественную древесину перед прессованием

– 38 –

пропаривают или вымачивают в холодной или горячей воде. Дре­весина может быть взята в свежесрубленном состоянии. Единствен­ным требованием здесь является то, чтобы древесина имела влажность выше точки насыщения волокон (выше 30%).

Степень прессования определяется соотношением:

(2.3)

Рисунок 8 – Получение прессовано-гнутой древесины, спрессованной в кольцевом направлении

Пользуясь этой формулой, легко определить максимальную степень прессования (на внутренней поверхности вкладыша) при данном способе:

(2.4)

– 39 –

где r – внутренний радиус вкладыша, а;

l₀ – длинна заготовки из естественной древесины, взятой для прессования.

Рисунок 9 – Принципиальная схема пресс-формы для получения прессовано-гнутой древесины

– 40 –

Задавшись степенью прессования на внутренней поверхности подшипникового вкладыша, из формулы (2.4) определяется длина заготовки из естественной древесины. Так при r = 30 мм и степени прессования ε_max = 50 % длинна заготовки из естественной древесины l₀ ≈ 190 мм. Далее: заготовка 1 (рисунок 9) из естественной древесины помещается в приемник 2 пресс-формы и подвергается одноосному прессованию. В этот период работы, тормозящий валик 3 с помощью щёк 4 и болтов 5 удерживаются в покое. Затем заготовка 1 проталкивается толкателем 6 в обойму 7, где производиться торцевое гнутье и окончательная допрессовка. В этот период работы стопорные болты 5 постепенно ослабляются с таким расчетом, чтобы обеспечить продвижение спрессованной заготовки 1 в обойму 7, не допуская ее распрессовки. Прессованно-гнутая древесина с помощью болтов 8 и пуансонов 9 фиксируется в обойме 7, вынимается вместе с обоймой из пресс-формы и подвергается сушке в сушильном шкафу.

Предлагаемый способ получения прессовано-гнутой древесины не имеет тех недостатков, которыми обладает существующие методы получения прессовано-гнутой древесины [12, 14] В предлагаемом способе необходимо только двукратное применение тепловой энергии (распаривание перед прессованием и сушка после прессования и гнутья). При изготовление вкладышей толщиной до 10 мм удобнее не распаривать древесину, а замачивать в воде, доводя ее влажность до 40÷50%. В этом случае древесина будет подвергаться термической обработки только один раз.

В предлагаемом способе происходит бесшинное гнутье в специальной обойме 7, лежащей на основании 10, и практически не изнашивающейся.

– 41 –

Подшипниковый вкладыш опрессован в тангенциальном (кольцевом) направлении и может иметь на поверхности трения любую желаемую степень прессования независимо от радиуса вкладыша.

Рисунок 10 – Внешний вид пресс-формы для получения прессовано-гнутой древесины

1. Изготовление подшипникового узла прямой подшипниковой пары

При исследовании работоспособности подшипников скольжения из прессованной древесины нами ставилась цель улучшения отвода тепла путем определенных конструктивных мероприятий с учетом физико-математических и тепловых свойств ДП.

Так как термическое сопротивление антифрикционного слоя зависит от его толщины, то теплоотвод из зоны трения будет улучшаться с уменьшением толщины втулки. В настоящее время в промышленности применяются подшипники скольжения, в которых толщина втулок и вкладышей из ДП не менее 5 мм. Нами впервые была поставлена цель: исследовать работоспособность подшипников скольжения с втулкой из ДП толщиною в 3 мм.

– 42 –

а) Изготовление подшипника прямой пары из прессовано-гнутой древесины березы торцевого гнутья (ДП-ГТ)

Испытываемый подшипник скольжения прямой пары (рисунок 11) представлял собой стальную обойму 1 с наружным диаметром 79,9 мм, внутреннем диаметром 66 мм и длиною 60 мм, в которую впрессована втулка 2 из антифрикционного материала.

Рисунок 11 – Подшипник скольжения

Для изготовления втулок из ДП-ГТ описанным в пункте 1 настоящей главы способом, изготовлялись два полуцилиндрических вкладыша, толщиною 5 мм, которые склеивались казеиновым клеем и впрессовывались в стальную обойму 1 с натягом 1,5 мм. В силу того, что древесина спрессована в кольцевом направлении, вкладыши можно впрессовывать в обойму не склеивая. Далее впрессованная в обойму втулка растачивалась на токарном станке до диаметра 59,9 мм, а затем ее внутренний диаметр доводился до 60 мм с помощью специальной фрезы (рисунок 12).

Рисунок 12 – Фреза для расточки втулок

– 43 –

Для подвода смазки в подшипнике делалось отверстие 3 и масляный карман 4, имевший Т-образную форму.

Для сравнивания работоспособности подшипников из пресованно-гнутой древесины, изготовленной по предлагаемому в пункте 1 способу, и ДП-ГТ, изготовленной известными способами [13-14], были сделаны подшипники, в которых втулки спрессовывались в осевом направлении.

Для сравнения работоспособности тонкостенных подшипников (толщина втулки из ДП-ГТ 3 мм) с толстостенными изготовлены подшипники с толщиной втулки 6 мм.

б) Изготовление тонкостенных подшипников прямой пары из прессованной древесины контурного прессования (ДП-К)

Контурное прессование древесины и изготовление подшипников из ДП-К было проведено в лабораториях кафедры теоретической механики и сопротивления материалов Воронежского сельскохозяй-ственного института по технологии, разработанной профессором П.Н. Хухрянским [12, 13]. В качестве исходного материала для прессования использовалась древесина березы. Прессование древесины произво-дилось на двухсоттонном прессе типа БКК-200 (рисунок 13).

Степень прессования заготовок для втулок была 50 % по отно­шению к их первоначальному диаметру. Просушенные до 2÷3 % влажности заготовки, после проточки по наружному диаметру, впрессовывались в стальные обоймы, имеющие те же размеры, что и для подшипников из ДП-ГТ, с натягом 2 мм. Затем внутренний диаметр подшипника, как и в предыдущем случае, доводился до 60 мм. Получался подшипник с втулкой из ДП-к толщиною 3 мм. Изготовление и исследование тонкостенных подшипников из ДП-К производится впервые.

– 44 –

Рисунок 13 – Контурное прессование древесины березы

Для сравнения работоспособности тонкостенных подшипников с толстостенными, были изготовлены подшипники с втулками из ДП-к толщиною 6 мм.

3. Изготовление подшипникового узла обратной пары из ДП-К

По предложению кандидата технических наук Б. И. Огаркова нами была исследована работоспособность обратной подшипниковой пары, в которой впервые вал был облицован слоем ДП-К.

Особенность обратной подшипниковой пары состоит в том, что антифрикционный слой облицовывает вал и находится вместе с ним во вращательном движении.

– 45 –

В практике в большинстве случаев валы изготавливаются из материала с большей износостойкостью, чем подшипник, следовательно, в результате трения и меньшей площади износа его линейный износ всегда будет большим по сравнению с валом (прямая подшипниковая пара).

Износ деталей подшипниковой пары вызывает увеличение зазоров в подшипнике, что в некоторых случаях отрицательно сказывается на его работе, так как ухудшаются условия гидродинамической смазки.

Последнее время в практике машиностроения стали использоваться обратные подшипниковые пары 70,74, в которых подшипник изготовляется из материала более износостойкого (стали), а вал облицовывается слоем менее износостойкого антифрикционного материала. В обратной паре происходит износ всей поверхности вала, что ведет к меньшему линейному износу облицовки вала по сравнению с облицовкой подшипника в парямой паре при равных условиях работы.

Для получения вала, облицованного слоем ДП-К, были изготов­лены сменные цилиндрические цапфы с внешним диаметром 54 мм, имеющие внутри конус Морзе № 5. На цапфы одевались втулки из ДП-к, смазанные внутри клеем Бф-2. После просушки в сушильном шкафу до окончания полимеризации клея, цапфы, облицованные ДП-к, насаживались на шпиндель вала машины для испытания подшип­ников и с помощью специального суппорта, укреплявшегося на ста­нине машины, протачивались до диаметра, обеспечивающего необхо­димый зазор между валом и подшипником (рисунок 14).

Обработка цапфы на валу машины давала возможность довести ее диаметр до требуемых размеров и устранить биения вала.

– 46 –

4. Установка для исследования подшипников скольжения с неметаллическим антифрикционным слоем

Рисунок 14 – Приспособление для обработки внешней поверхности вала обратной пары

Экспериментальное исследование работоспособности подшип­ников скольжения из ДП проводилось на установке конструкции кандидата технических наук И.Г. Назарова, [30] принципиальная схе­ма которой изображена на рисунке 15, позволяющей испытывать работу подшипника при различных удельных давлениях и скоростях скольжения.

На массивном металлическом основании 1 установлен электро­мотор 2 трехфазного тока типа АОЛ-42-6, дающий 930 об/мин. С по­мощью ступенчатой клиноременной передачи 3 электромотор приво­дит во вращение вал 4, установленный в двух шарикоподшипниковых

– 47 –

опорах. Шпиндель вала машины имеет конус Морзе №5, на который одеваются сменные цилиндрические цапфы 5 с внешним диаметром 59,9 – 59,55 мм с чистотой обработки 6. Биения при вращения вала с одетой на него цапфой не превышали 0,02 мм. Испытуемый подшипник закреплялся в подвесной корпус 6 и одевался на сменную цапфу. Корпус 6 в нижней части с помощью призматических подвесок 7 соединяется с системой рычагов второго рода 8 и 9 с отношением плеч 1:120, позволяющих нагружать подшипник радиальной силой до 1500 кг. При вращении шпинделя по часовой стрелке подшипник под действием силы

Рисунок 15 – Схема экспериментальной установки для проверки работоспособности подшипников

Трения поворачиваются в том же направлении, а рычаг 10 через винт 11 надавливает на мембрану 12 гидравлической месдозы, с помо­

– 48 –

щью которой замерялась сила давления стержня 11 на мембрану. Благодаря большему диаметру мембраны (200 мм) и малому диаметру (0,2 мм) канала открытой манометрической трубки 13, сила давления на мембрану замерялась с достаточной степенью точности (цена деления шкалы манометрической трубки 0,050 кг).

а) Подача смазки в подшипник

Питание подшипника маслом (рисунок 16) осуществлялось из мерного цилиндра 1, откуда жидкая смазка поступала в штуцер 2 и по кольцевому каналу 3 – в масляные карманы подшипника 4 глубиной 1-2 мм.

Рисунок 16 – Питание подшипника смазкой

– 49 –

Скорость подачи смазки во всех опытах была одинаковой – 1 капля в секунду, что составляло расход жидкой смазки 3÷4 см² в минуту (в зависимости от вязкости масла).

б) Определение коэффициента трения

Перед началом работы подшипник уравновешивается грузом 14 (рисунок 15), чтобы он принял нейтральное положение. Затем, нажимая рукой на рычаг 15, чтобы винт 11 не касался мембраны, выводим ее показание на первый (нижний). Далее, отпустив рычаг 15, с помощью винта 11 показание месдозы выводится на второй нуль (верхний), что указывает на отсутствие зазора между винтом и мембраной месдозы.

Если местоза установлена правильно, то при нажатии на рычаг 15 показание должно соответствовать нижнему нулю, а при отпус­кании рычага – верхнему нулю. При вращении вала месдоза пока­зывает величину силы давления винта 11 на мембрану в кг, равную реакции N мембраны на винт 11. Так как подшипник находится в равновесии, то момент силы трения T относительно оси вращения вала уравновешивается моментом реакции N:

T r = N l, (2.5)

где r – радиус вала, а l – расстояние линии действия N от оси вала.

По закону трения:

T =f P, (2.6)

где P – сила давления на подшипник в кг.

Среднее удельное давление на подшипник [35]:

ρ = ——, (2.7)

F

где F – площадь осевого сечения подшипника в см².

– 50 –

Подставляя (2.6) и (2.7) в (2.5) и разрешая относительно f, получим:

l

f = ——— N, (2.8)

r F ρ

В проводившихся опытах l = 200 мм, r = 30 мм, F = 36 см². Следовательно, для вычисления коэффициента трения получим формулу:

0,185

f = ——— N, (2.9)

ρ

где ρ – среднее удельное давление на подшипник в кг/см²;

N – показание месдозы в кг.

в) Измерение температуры подшипникового узла

Измерение температуры подшипникового узла производилось с помощью 16 медно-константановых термопар, присоединявшихся к потенциометру постоянного тока типа ПП (№18443, ГОСТ9245-59, класс 0,2). Термопары изготовлялись из проволочек диаметром 0,15 мм. Градуировка производилась в ультратермостате Хипплера. Градуировка [36] показала, что электродвижущая сила термопар растет по линейному закону в зависимости от температуры нагрева слоя (нагрев слоя производился от 0º до 100ºС). График зависимости температуры нагретого слоя в градусах Цельсия от ЭДС термопары в МВ представляет прямую, проходящую через начало координат, с тангенсом угла наклона к оси абсцисс, равным [24, 57]. Поэтому температура нагретого слоя термопары определялась по формуле:

t = 24,57 U Cº , (2.10)

где U – э.д.с. термопары в миллиметрах.

– 51 –

Для измерения температуры в антифрикционном слое и метал­лическом корпусе сверлились отверстия диаметром 0,6 мм на глубину 30 мм. Для замера температуры в обратной паре был изготовлен коль­цевой токосъемник (рисунок 17)

Рисунок 17 – Кольцевой токосъемник

Камера и расположение термопар в прямой и обратной подшипниковых термопар изображены на рисунках 18, 19 и 20.

Рисунок 18 – Расположение термопар в прямой паре с антифрикционным слоем с толщиной 6 мм.

– 52 –

Рисунок 19 - Расположение термопар в прямой паре с антифрикционным слоем с толщиной 3 мм.

Рисунок 20 – Расположение термопар в обратной паре

Для определения температуры tn поверхности трения втулки строился график распределения температуры по толщине антифрик­ционного слоя и по графику определялось значение tn.

– 53 –

5 Методика и результаты проведения эксперимента

В начальный период работы температура подшипникового узла возрастает с течением времени, то есть тепловой режим подшипника в этот период работы является нестационарным. Если нагрузка на подшипник и окружная скорость вала не превосходят некоторых критических значений. То по истечению времени определенного периода времени после пуска наступает стационарный тепловой режим подшипникового узла. В этом случае распределение температур в подшипнике остается неизменным с течением времени и подшипник может работать сколь угодно. Если нагрузка на подшипник или окружная скорость вала превосходит критическое значение, то подшипниковый узел будет непрерывно разогреваться вплоть до выхода его из строя. Для практики наиболее важным является создание условий, при которых в подшипнике наступает стационарный тепловой режим.

При проведении эксперимента ставилась цель: выяснить влияние механических и геометрических характеристик подшипникового узла на температурный режим его антифрикционного слоя и установить условия, при которых в подшипниковом узле устанавливается стационарное температурное поле.

Все опыты были разбиты на две группы, производившиеся при зазоре 0,25 ÷ 0,4 мм и смазке подшипников минеральными маслами.

1-я группа опытов была посвящена исследованию работы и температурного режима антифрикционного слоя прямой подшипни­ковой пары,

2-я группа опытов – исследованию работы и температурного режима анифрикционного слоя обратной подшипниковой пары.

– 54 –

1 группа опытов была разбита на четыре серии, в каждой из которых исследовались работа и температурный режим тонкостенных (толщина втулки 3 мм) и толстостенных (толщина втулки 6 мм) подшипников из ДП-к и ДП-гт. Во 2 группе опытов исследовались подшипники. У которых вал был облицован слоем ДП-к толщиною 3 мм.

Результаты экспериментального исследования работоспособ­ности и температурного режима прямой подшипниковой пары приведены в таблицах 13 – 16, обратной подшипниковой пары – в таблице 17.

Анализ экспериментальных данных позволяет сделать следующие выводы:

1. Нормальная работа подшипников скольжения из прессован­ной древесины ограничивается температурой 70-80 ⁰С при зазора 0,25 – 0,40 мм. Однако в некоторых случаях температурный режим может быть доведен до 80-90 ⁰С для втулок из ДП-к и 100-120 ⁰С – для втулок из ДП-ГТ. Предельное значение температуры подшипника при стационарном режиме его работы зависит в основном от свойств ДП, смазки, и конструктивных особенностей подшипникового узла.

2. Как видно из сравнения результатов таблиц 13-14 и 15-16, подшипники скольжения с тонкостенными втулками из ДП при одинаковых нагрузочных и скоростных режимах имеют более низкую температуру поверхности трения, чем подшипники с толстостенными втулками. Это обстоятельство является следствием того, что термическое сопротивление втулки зависит от ее толщины.

3. Перепад температуры по толщине втулки в зоне трения зависит от величины температуры поверхности трения, тем больше перепад температуры между внутренней и внешней поверхностями

– 55 –

втулки.

4. Максимальная температура поверхности трения втулки при стационарном режиме работы подшипникового узла зависит от количества теплоты, выделяющегося в единицу времени за счет работы сил трения и количества теплоты, отдаваемого подшипником в окружающее пространство за тот же промежуток времени. Первое – зависит от мощности сил трения, а второе – от конструктивных особенностей, величины и частоты поверхности подшипникового узла, участвующей в теплообмене с окружающей средой.

5. Таблица 17 показывает, что прессованную древесину можно использовать в качестве антифрикционного материала в обратной подшипниковой паре, для облицовке валов.

6. В обратной подшипниковой паре температура антифрикцион­ного слоя ДП на поверхности трения, так же как и в прямой под­шипниковой паре, зависит от количества теплоты, выделяющегося в зоне трения за счет работы сил трения, и с увеличением мощности сил трения температура поверхности трения облицовочной втулки возрастает.

– 56 –

Таблица 13

Прессованная древесина типа ДП-к (толщина втулки h = 3 мм)

Удель­ная нагруз­ка на подшипник p, кг/см2	Окружная ско­рость вала v, м/сек	Коэффи­циент трения при стационарном режиме f	Макси­мальная темпера­тура tn на поверхности тре­ния втул­ки при стационарном режиме, ºС	Температура воздуха tо, ºС	Перепад температуры по толщине втулки в зоне трения	Удельная мощность сил трения p v f, кг м ———— см2 сек
Индустриальное 50 (машинное СУ) ГОСТ 1707-51
7,5	0,51	0,00715	29,0	22,0	3,2	0,0274
10,0	0,51	0,00793	31,8	21,4	4,8	0,0405
5,0	0,63	0,01100	28,3	20,0	3,7	0,0350
10,0	0,74	0,00760	33,2	21,9	5,2	0,0477
5,0	0,74	0,01000	29,0	20,0	4,7	0,0370
7,5	0,74	0,00775	32,0	20,7	5,0	0,0430
10,0	0,74	0,00684	33,0	20,7	6,0	0,0505
12,5	0,74	0,00640	36,0	22,0	7,2	0,0590
5,0	1,35	0,01100	39,4	22,0	8,9	0,0743
7,5	1,35	0,00765	39,6	18,5	9,6	0,0770
10,0	1,35	0,00665	41,6	19,0	11,0	0,0900
15,0	1,35	0,00495	46,0	20,0	12,3	0,1000
Дизельное масло (Д-11) ГОСТ 6360-52
15,0	1,92	0,00652	69,5	19,2	22,5	0,1880
17,5	1,92	0,00583	75,0	20,0	24,0	0,2030
Автотракторное масло (АК-6)ГОСТ 1862-57
17,5	1,29	0,00560	51,0	18,5	15,5	0,1270
20,0	1,29	0,00700	54,0	17,5	17,5	0,1550

– 57 –

Таблица 14.

Прессованная древесина типа ДП-к (толщина втулки h = 6 мм)

Удель­ная нагруз­ка на подшипник p, кг/см2	Окружная ско­рость вала v, м/сек	Коэффи­циент трения при стационарном режиме f	Макси­мальная темпера­тура tn на поверхности тре­ния втул­ки при стационарном режиме, ºС	Температура воздуха tо, ºС	Перепад температуры по толщине втулки в зоне трения	Удельная мощность сил трения p v f, кг м ———— см2 сек
Индустриальное 50 (машинное СУ) ГОСТ 1707-51
5,0	0,51	0,0163	31,2	22,2	6,0	0,0416
7,5	0,51	0,0129	34,4	22,9	7,1	0,0494
10,0	0,51	0,0117	36,2	22,9	7,9	0,0597
5,0	0,63	0,0143	33,9	22,9	6,6	0,0450
7,5	0,63	0,0123	37,2	22,5	8,2	0,0580
10,0	0,63	0,0114	38,8	22,5	9,4	0,0720
5,0	0,74	0,0136	35,0	22,4	7,2	0,0505
7,5	0,74	0,0138	38,2	22,5	9,9	0,0740
10,0	0,74	0,0130	43,1	22,5	13,4	0,0950
5,0	1,35	0,0174	44,4	21,9	15,2	0,1170
6,7	1,35	0,0140	47,2	22,5	16,5	0,1270
7,5	1,35	0,0139	49,2	20,0	18,2	0,1380
Дизельное масло (Д-11) ГОСТ 6360-52
10,0	0,60	0,0232	50,5	18,5	21,0	0,1400
6,7	1,73	0,0190	60,7	16,7	29,0	0,2260
Автотракторное масло (АК-6) ГОСТ 1862-57
10,0	0,60	0,0250	50,5	18,5	21,0	0,1500
5,0	1,73	0,0266	61,3	18,5	29,0	0,1820

– 58 –

Таблица 15

Прессованная древесина типа ДП-ГТ (толщина втулки h = 3 мм)

Удель­ная нагруз­ка на подшипник p, кг/см2	Окружная ско­рость вала v, м/сек	Коэффи­циент трения при стационарном режиме f	Макси­мальная темпера­тура tn на поверхности тре­ния втул­ки при стационарном режиме, ºС	Температура воздуха tо, ºС	Перепад температуры по толщине втулки в зоне трения	Удельная мощность сил трения p v f, кг м ———— см2 сек
Индустриальное 50 (машинное СУ) ГОСТ 1707-51
5,0	0,51	0,02050	33,7	20,1	4,2	0,0523
7,5	0,51	0,03700	59,3	20,0	11,8	0,1470
10,0	0,51	0,04540	82,0	20,0	19,0	0,2320
5,0	0,63	0,01800	35,6	19,5	4,6	0,0566
7,5	0,63	0,03230	60,5	20,0	11,9	0,1530
10,0	0,63	0,04350	95,2	20,0	22,5	0,2740
5,0	0,74	0,01930	38,1	19,7	5,6	0,0710
7,5	0,74	0,02960	62,3	19,9	12,6	0,1640
10,0	0,74	0,04450	110,5	20,0	28,4	0,3370
5,0	1,35	0,02960	73,8	20,0	17,2	0,2000
Дизельное масло (Д-11) ГОСТ 6360-52
5,0	0,51	0,01350	30,1	19,5	3,1	0,0344
7,5	0,51	0,02760	47,6	20,0	8,4	0,1060
10,0	0,51	0,03200	63,0	19,5	12,6	0,1630

– 59 –

Таблица 16

Прессованная древесина типа ДП-ГТ (толщина втулки h = 6 мм)

Удель­ная нагруз­ка на подшипник p, кг/см2	Окружная ско­рость вала v, м/сек	Коэффи­циент трения при стационарном режиме f	Макси­мальная темпера­тура tn на поверхности тре­ния втул­ки при стационарном режиме, ºС	Температура воздуха tо, ºС	Перепад температуры по толщине втулки в зоне трения	Удельная мощность сил трения p v f, кг м ———— см2 сек
Индустриальное 50 (машинное СУ) ГОСТ 1707-51
5,0	0,60	0,04100	46,5	18,5	12,0	0,1230
7,5	0,60	0,05550	71,5	16,5	25,0	0,2500
5,0	1,13	0,04600	79,0	17,5	26,5	0,2600
5,0	1,73	0,04500	114,5	17,0	41,0	0,3890
Дизельное масло (Д-11) ГОСТ 6360-52
5,0	0,60	0,02600	40,5	18,5	8,4	0,0780
7,5	0,60	0,02520	45,3	18,5	10,5	0,1130
10,0	0,60	0,04300	80,5	18,5	23,5	0,2580
5,0	1,13	0,03700	72,5	21,0	21,0	0,2090
7,5	1,13	0,03950	104,6	18,5	37,0	0,3360
5,0	1,73	0,02550	73,0	20,0	21,5	0,2210
Автотракторное масло (АК-6) ГОСТ 1862-57
7,5	0,60	0,03200	55,0	19,5	13,5	0,1440
10,0	0,60	0,05100	100,0	19,0	28,0	0,3060
5,0	1,73	0,04100	100,5	19,5	35,5	0,3550
Нигрол ГОСТ 542-50
5,0	0,60	0,05900	59,0	18,5	17,5	0,1770 0,3340
5,0	1,13	0,06000	102,0	18,7	36,0

– 60 –

Таблица 17

Вал облицован прессованной древесиной типа ДП-к (толщина слоя ДП 3 мм)

Удель­ная нагруз­ка на подшипник p, кг/см2	Окружная ско­рость вала v, м/сек	Коэффи­циент трения при стационарном режиме f	Макси­мальная темпера­тура tn на поверхности трения втулки при стационарном режиме, ºС	Температура воздуха tо, ºС	Перепад температуры по толщине втулки в зоне трения	Удельная мощность сил трения p v f, кг м ———— см2 сек
Дизельное масло (Д-11) ГОСТ 6360-52
7,5	0,60	0,0355	50,5	18,0	16,5	0,1598
2,5	1,13	0,0550	48,5	18,0	13,5	0,1555
4,0	1,29	0,0254	48,1	19,5	12,6	0,1310
2,3	1,73	0,0520	57,0	17,0	20,0	0,2070
5,0	1,73	0,0115	40,5	19,5	10,0	0,0995
7,5	1,73	0,0111	51,0	19,5	17,0	0,1443
Автотракторное масло (АК-6) ГОСТ 1862-57
15,0	0,60	0,0160	51,5	19,5	17,5	0,1440
20,0	0,60	0,0157	59,1	19,5	18,5	0,1885
4,0	1,29	0,0300	52,5	20,0	17,9	0,1550
3,0	1,92	0,0432	73,0	20,0	19,5	0,2490
Нигрол ГОСТ 542-50
15,0	0,60	0,0185	52,5	19,5	17,6	0,1665
20,0	0,60	0,0148	58,0	20,0	18,0	0,1778
22,5	0,60	0,0122	54,0	18,5	20,0	0,1649
2,5	1,13	0,0810	66,5	17,0	27,0	0,2290
5,0	1,73	0,0405	88,4	19,8	34,0	0,3510

– 61 –

6 Результаты математической обработки экспериментальных данных

а) Прямая подшипниковая пара

При работе подшипникового узла за счет работы сил трения происходит разогревание его частей, и в частности, повышается температура поверхности втулки в зоне трения на величину tn – t_o, где tn – максимальная температура втулки в зоне трения, t_o – температура окружающей среды, а следовательно, и начальная температура антифрикционной втулки из ДП, выражение в градусах Цельсия.

Повышение температуры tn – t_o будет пропорционально количеству теплоты Q,которое выделяется в подшипнике за счет трения:

tn – t_o = k₁ Q ºС , (2.11)

где k₁ – коэффициент пропорциональности.

Количество теплоты, выделившееся в подшипнике, определяется формулой [24-26, 37-39]:

Q = k₂ P v f , (2.12)

где P = p F– нагрузка на подшипник в кг;

v – окружная скорость вала в м/сек;

f – коэффициент трения;

p – среднее удельное давление на подшипник в кг/см²;

F – площадь осевого сечения подшипника в см².

Учитывая (2.11) и (2.12), можно записать в формуле:

tn – t_o = β p v f ºС (2.13)

где: β =k₁ k₂ F

Чтобы учесть влияние толщины втулки на величину tn – t_o положим в первом приближении:

β = k h^α (2.14)

Тогда закон превышения температуры в зоне трения втулки, в зависимости от ее толщины и мощности сил трения при стационарном режиме работы подшипникового узла, можно записать в форме:

– 62 –

tn – t_o = k h^α p v f ^oС (2.15)

где k и α – некоторые параметры, подлежащие определению.

Для определения параметров k и α воспользуемся способом наименьших квадратов. Прологарифмировав (2.15), составим сумму квадратов отклонений отдельных наблюдений от общей средней [40-47]:

(2.16)

Находя частные производные по к и , и приравнивая их к нулю получим систему двух нормальных уравнений способа наименьших квадратов для определения параметров к и .

(2.17)

Решая полученную систему уравнений относительно k и α, найдем:

(2.18)

(2.19)

где:

(2.20)

(2.21)

– 63 –

(2.22)

Используя результаты эксперимента, помещенные в таблицах 13-16 и пользуясь вспомогательными таблицами 18 для втулок из ДП-к и 19 – для втулок из ДП-гт, по формулам (2.18) – (2.22) были определены значения параметров k и α.

Для втулок из ДП-к: k = 311, α = – 0,192

Для втулок из ДП-гт: k = 313, α = – 0,131

Внося k и α в (2.14), получим закон изменения максимальной температуры втулки из прессованной древесины при стационарном режиме работы подшипникового узла в зависимости от толщины втулки и удельной мощности сил трения:

Для втулок из ДП-к:

(2.23)

Для втулок из ДП-гт:

(2.24)

Сопоставление данных, полученных расчетным путем и экспериментально (таблица 20), позволяет сделать вывод о возможности использования полученных формул (2.23) – (2.24) для решения практических задач, связанных с расчетом и эксплуатацией подшипников скольжения из прессованной древесины.

Таблица 18

i	(tn – to)i	(p v f)i	(ln h i)	(ln h i)2	ln (tn – to)i	ln (p v f)i	ln(tn – to)i – ln(pvf)i	[ln(tn – to)i – ln(pvf)i] ln h
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	7,0	0,0274	1,09861	1,20694	1,94591	-3,59723	5,54314	6,08975
2	10,4	0,0405	1,09861	1,20694	2,34180	-3,20647	5,54827	6,09538
3	8,3	0,0350	1,09861	1,20694	2,11625	-3,35243	5,46868	6,00795
4	11,3	0,0477	1,09861	1,20694	2,42480	-3,04484	5,47764	6,00680
5	9,0	0,0370	1,09861	1,20694	2,19722	-3,29686	5,49408	6,03585
6	11,3	0,0430	1,09861	1,20694	2,42480	-3,14657	5,57137	6,12076
7	12,3	0,0505	1,09861	1,20694	2,50959	-2,98580	5,49539	6,03729
8	16,0	0,0590	1,09861	1,20694	2,77259	-2,83024	5,60283	6,15532
9	17,4	0,0743	1,09861	1,20694	2,85647	-2,59966	5,45613	5,99416
10	21,1	0,0770	1,09861	1,20694	3,04462	-2,56397	5,60849	6,16154
11	22,0	0,0900	1,09861	1,20694	3,09104	-2,40797	5,49901	6,04127
12	26,0	0,1000	1,09861	1,20694	3,25810	-2,30259	5,56069	6,10903
13	50,3	0,1880	1,09861	1,20694	3,91800	-1,67133	5,58933	6,14049
14	55,0	0,2030	1,09861	1,20694	4,00733	-1,59456	5,60189	6,15429
15	31,5	0,1270	1,09861	1,20694	3,44998	-2,06358	5,51356	6,05725
16	36,5	0,1550	1,09861	1,20694	3,59731	-1,86434	5,46165	6,00022
17	9,0	0,0416	1,79176	3,21040	2,19722	-3,17967	5,37689	9,63409
1	2	3	4	5	6	7	8	9
18	11,5	0,0494	1,79176	3,21040	2,44234	-3,00782	5,45016	9,76538
19	13,3	0,0597	1,79176	3,21040	2,58776	-2,81844	5,40620	9,68661
20	11,0	0,0450	1,79176	3,21040	2,39790	-3,10111	5,49901	9,85291
21	14,7	0,0580	1,79176	3,21040	2,68784	-2,84733	5,53517	9,91769
22	16,3	0,0720	1,79176	3,21040	2,79116	-2,63111	5,42227	9,71540
23	12,6	0,0505	1,79176	3,21040	2,53369	-2,98580	5,51949	9,88960
24	15,7	0,0740	1,79176	3,21040	2,75366	-2,60371	5,35737	9,59912
25	20,6	0,0950	1,79176	3,21040	3,02529	-2,35390	5,37919	9,63822
26	22,5	0,0117	1,79176	3,21040	3,11351	-2,14560	5,25911	9,42306
27	24,7	0,1270	1,79176	3,21040	3,20677	-2,06358	5,27035	9,44320
28	29,2	0,1380	1,79176	3,21040	3,37073	-1,98052	5,35125	9,58816
29	32,0	0,1400	1,79176	3,21040	3,46574	-1,96613	5,43187	9,73261
30	44,0	0,2260	1,79176	3,21040	3,78419	-1,48724	5,27143	9,44513
31	32,0	0,1500	1,79176	3,21040	3,46574	-1,89713	5,36287	9,60898
32	42,8	0,1820	1,79176	3,21040	3,75653	-1,70376	5,46029	9,78353
			46,24592	70,67744			174,83507	251,93104

Таблица 19

i	(tn – to)i	(p v f)i	(ln h i)	(ln h i)2	ln (tn – to)i	ln (p v f)i	ln(tn – to)i – ln(pvf)i	[ln(tn – to)i – ln(pvf)i] ln h
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	13.6	0,0523	1.09861	1,20694	2,61006	-2,95078	5,56084	6,10919
2	39.3	0,1470	1.09861	1,20694	3,67122	-1,91733	5,58855	6,18964
3	63.0	0,2320	1.09861	1,20694	4,12713	-1,46102	5,58815	6,13920
4	16.1	0,0566	1.09861	1,20694	2,77881	-2,87177	5,65058	6,20778
5	40.5	0,1530	1.09861	1,20694	3,70130	-1,87732	5,57862	6,12873
6	75.2	0,2740	1.09861	1,20694	4,32015	-1,29463	5,61478	6,16845
7	18.4	0,0710	1.09861	1,20694	2,91235	-2,64510	5,55745	6,10547
8	43.9	0,1640	1.09861	1,20694	3,78124	-1,80789	558913	614027
9	90.5	0,3370	1.09861	1,20694	4,50534	-1,08768	5,59302	6,14455
10	53.8	0,2000	1.09861	1,20694	3,98527	-1,60944	5,59471	6,14640
11	10.6	0,0344	1.09861	1,20694	2,36085	-3,39922	5,76007	6,32807
12	27.6	0,1060	1.09861	1,20694	3,31781	-2,24432	5,56213	6,11061
13	43.5	0,1630	1.09861	1,20694	3,77276	-1,81401	5,58677	6,13788
14	28.3	0,1230	1,79176	3,21040	3,34286	-1,09558	5,43844	9,74438
15	55.0	0,2500	1,79176	3,21040	4,00733	-1,38630	5,39363	9,66409
16	61.5	0,2600	1,79176	3,21040	4,11903	-1,34708	5,46611	9,79356
1	2	3	4	5	6	7	8	9
17	97,5	0,3890	1,79176	3,21040	4,57985	-0,94418	5,52403	9,89774
18	22,0	0,0780	1,79176	3,21040	3,09104	-2,55107	5,64211	10,10931
19	26,8	0,1130	1,79176	3,21040	3,28840	-2,18037	5,46877	9,79872
20	62,0	0,2580	1,79176	3,21040	4,12713	-1,35480	5,48193	9,82230
21	51,5	0,2090	1,79176	3,21040	3,94158	-1,56543	5,50701	9,86724
22	86,1	0,3360	1,79176	3,21040	4,45550	-1,09066	5,54616	9,93739
23	53,0	0,2210	1,79176	3,21040	4,02535	-1,50960	5,53425	9,91730
24	37,0	0,1440	1,79176	3,21040	3,61092	-1,93795	5,54887	9,94224
25	81,0	0,3060	1,79176	3,21040	4,39445	-1,18417	5,57882	9,99555
26	83,3	0,3340	1,79176	3,21040	4,42244	-1,09662	5,51906	9,88883
			37,57481	57,40542			144,47449	208,38469

– 68 –

Таблица 20

Удельная нагрузка p,	Скорость скольжения v, м/сек	Темпера­тура окружающего воздуха	Темпера­тура в зоне трения (опыт­ная)	Темпера­тура в зоне трения (расчет­ная)	tn (опытная) —————— to (расчетная)
ДП-ГТ (h = 6 мм)
7,5	0,60	16,5	71,5	78,5	0,91
5,0	1,73	17,0	114,5	113.5	1,01
7,5	0,60	18,5	45,3	46,5	0,97
10,0	0,60	18,5	80,5	82,5	0,97
7,5	1,13	18,5	104,6	104,0	1,005
5,0	1,73		100,5	107,5	0,93
ДП-К (h = 6 мм)
7,5	0,63	22,5	37,2	35,2	1,05
10,0	0,63	22,5	38,8	38,3	0,99
7,5	0,74	22,5	38,2	39,2	0,97
10,0	0,74	22,5	43,1	43,9	0,97
6,7	1,35	22,5	47,2	49,5	0,95
7,5	1,35	22,0	49,2	50,5	0,97

Для облегчения инженерных расчетов формул (2.23) – (2.24) представлены в виде номограмм (рисунок 21, 22). При использовании предлагаемыми номограммами можно, зная допустимую температуру в зоне трения tn и величину коэффициента трения f, определить допустимые значения p кг/см² и v м/сек или наоборот, имея p, v и f , определить температуру tn в зоне трения.

– 69 –

Рисунок 21 – Номограмма для определения температур в зоне трения и нагрузочного режима работы подшип­никового узла с втулкой из ДП-гт.

– 70 –

Рисунок 22 – Номограмма для определения температур в зоне трения и нагрузочного режима работы подшип­никового узла с втулкой из ДП-К.

Пример. Определить оптимальную величину скорости для срединного подшипника с втулкой из ДП-гт толщиною h=3 мм, если p =13,3 кг/см², f = 0.03, а величина температуры в зоне трения не должна превышать tn = 60 ºC при температуре окружающего воздуха t_o = 20 ºC. Скорость в данном случае не должна превышать величины v = 0,7 м/сек (рисунок 21).

– 71 –

Пример. Определить температуру tnв зоне трения, если имеем концевой подшипник, втулка которого изготовлена из ДП-к толщиною h =6 мм, если р =16 кг/см², v = 0,9 м/сек f = 0.024. Температура tnв этом случае будет: tn = 96 ºC; если же подшипник взять срединным, то tn = 60 ºC.

б) Обратная подшипниковая пара

Особенность обратной подшипниковой пары, как указывалось ранее, состоит в том, что антифрикционный слой облицовывает вал и находится вместе с ним во вращательном движении.

При быстром вращении вала все его точки, проходящие через зону трения в подшипнике, практически имеют одинаковую температуру. В силу плохой теплопроводности прессованной древесины, теплоотдачей с торцов втулки из ДП-к, облицовывающей вал, можно пренебречь. При таких предположениях, которые достаточно хорошо подтверждаются опытом, можно считать, что изотермические поверхности в антифрикционном слое вала представляют собой концентрические цилиндры.

Повышение температуры tn – t_o внешней поверхности втулки из ДП-к вала, как показывает опыт (таблица 17), находится в линейной зависимости от удельной мощности силы трения:

tn – t_o = k p v f . (2.25)

Обработка результатов эксперимента, приведенных в таблице 17, по способу наименьших квадратов [40-47] позволила установить следующую формулу зависимости температуры поверхности втулки из ДП-к вала от мощности силы трения при стационарном режиме работы подшипникового узла:

tn = t_o + 207 p v f . (2.26)

где: t_o – температура окружающего воздуха в ºС;

– 72 –

v – окружная скорость вала в м/сек;

f – коэффициент трения при стационарном режиме работы подшипника;

p – среднее удельное давление на подшипник в кг/см²;

Результаты эксперимента достаточно хорошо согласуются с полученной формулой, что видно из таблицы 21.

Таблица 21 –

Удель­ная нагрузка Р,	Ско­рость сколь­жения v м/сек	Темпера­тура окружа­ющего воздуха to, oC	Темпера­тура в зоне трения (опытная)	Темпера­тура в зоне трения (расчетная)	to (опытная) tn (расчетная)
Вал облицован слоем ДП-К (h = 3 мм)
7,5	0,60	18,0	50,5	51,2	0,987
4,0	1,29	19,5	48,1	46,7	1,03
2,3	1,73	17,0	57,0	59,9	0,952
15,0	0,60	19,5	52,5	54,0	0,973
20,0	0,60	20,0	58,0	56,8	1,02
22,5	0,60	18,5	54,0	52,7	1,02
2,5	1,13	17,0	66,5	64,5	1,03
5,0	1,73	19,8	88,4	92,4	0,957
3,0	1,92	20,0	73,0	71,5	1,02

– 73 –

ВЫВОДЫ

1. Прессованная древесина является весьма ценным промышленным материалом. Обладающим хорошими механическими и антифрикционными свойствами, которые дают возможность использовать ДП не как заменитель черных и цветных металлов в подшипниках скольжения, а как полноценный конструктивный материал.

2. В связи с плохой теплопроводностью прессованной древесины тепловой расчет подшипников из ДП имеет первостепенное значение и является определяющим условием ее применения в каждом конкретном случае.

3. Для улучшения теплового режима работы подшипников при ограниченной смазке необходимо применять тонкостенные втулки из ДП, толщина которых не превышает 10-14 % радиуса вала.

4. Прессовано-гнутая древесина, изготовленная по описанному выше способу обладает лучшими антифрикционными свойствами, чем гнуто-прессованная древесина спрессованная в направлении оси цилиндра.

5. В случае, когда металлический корпус подшипника имеет достаточно большие размеры, то есть когда корпус подшипника может отвести большое количество тепла, или когда в связи со спецификой работы машины (холодильные установки и тому подобное), необходимо уменьшить отвод тепла из зоны трения подшипника валом, лучше применять обратную подшипниковую пару.

6. Полученные эмпирические формулы (2.23) – (2.24) и номограммы (рисунок 21,22) могут быть использованы при инженерных расчетах подшипниковых узлов с втулками из прессованной древесины.

– 74 –

Литература

1. А.Х. Певцов «Физика древесины, ее задачи и место в системе лесных наук». Труды института леса, том II, 1948.

2. М.М. Перелыгин и А.Х. Певцов «Механические свойства и испытание древесины». Москва, 1934.

3. Ф.П. Белянкин «Длительное сопротивление дерева». ОНТИ, Москва, 1934.

4. Ю.М. Иванов «Предел пластического течения древесины». Стройиздат, Москва, 1948.

5. Н.Л. Леонтьев «Длительное сопротивление древесины». Гослесбумиздат, Москва-Ленинград, 1957.

6. Физико-механические свойства древесины (сборник трудов). Гослесбумиздат, Москва-Ленинград, 1953.

7. П.Н. Хухрянский «Прочность древесины». Гослесбумиздат, Москва-Ленинград, 1953.

8. М.Д. Бойко «Влияние температурно-влажностного состояния древесины на ее прочность». Госстройиздат, Москва, 1952.

9. В.Н. Быковский «Исследование сопротивления древесины при сжатии поперек волокон и при продольном изгибе с учетом продолжительности действия нагрузки». Сборник трудов № 3 НИИ по строительству Министерства строительства пред­приятий машиностроения. Машстройиздат. Москва, 1953.

10. В.Е. Вихров «Строение и физико-химические свойства древе­сины дуба».Издательство А.Н.СССР, Москва, 1954.

11. Е.И. Савков «Механические свойства древесины». Издатель­ство «Лесная промышленность», Москва, 1965.

– 75 –

12. П.Н. Хухрянский «Прессование и гнутье древесины». Гос­лесбумиздат, Москва, 1956.

13. П.Н. Хухрянский «Прессование древесины». Издательство «Лесная промышленность», Москва, 1964.

14. П.Н. Житков и Б.И. Огарков «Прессованно-гнутая древесина и ее применение в производстве». «Деревообрабатывающая промышленность», № 10, 1958.

15. Л.М. Перелыгин «Прессование древесины березы». «Механи­ческая обработка дерева», № 11, 1935.

16. В.В. Динисенко и И.В. Динисенко «Беспропарочный метод производства самосмазывающейся прессованной древесины». Сб. «Применение прессованной древесины в промышлен­ности». ГосИНТИ, Москва, 1963.

17. С.П. Красковский «Зависимость физико-механических свойств спрессованной древесины от объемного веса». «Лес.хим.пром.», №3, 1939.

18. «Прессованная древесина и древесные пластики». Издатель­ство «Машиностроение», Москва-Ленинград, 1965.

19. П.Н. Житков «Основные методы прессования древесины и физико-механические свойства прессованной древесины». Записки Воронежского СХИ, том ХХVIII, выпуск первый. Воронеж, 1958.

20. Б.И. Огарков «Механические свойства прессованной древе­сины». Записки Воронежского СХИ, том ХХV, выпуск пер­вый.

21. Б.И. Огарков «Закон вязкости твердых тел, деформирующих­ся во времени». Записки ВСХИ, том XXVII, выпуск второй, 1959.

– 76 –

22. Б.И. Огарков «Теория упругого последействия древесины». Журнал технической физики, том XXVII, 1957.

23. В.А. Белинский и др. «Высшая математика с основами мате­матической статистики». Издательство «Высшая школа», Москва, 1965.

24. В.К. Петриченко «Подшипники и шестерни из пластмасс». Машгиз, Москва, 1952.

25. В.К. Петриченко «Антифрикционные материалы и подшип­ники скольжения». Машгиз, Москва, 1952.

26. В.Ф. Платонов «Подшипники из полиамидов». Машгиз, Мос­ква, 1961.

27. П.Н. Хухрянский «Прессованная древесина как материал для трущихся деталей машин». ЦБТИ, Москва, 1961.

28. П.Н. Хухрянский «Опыт применения прессованной древеси­ны для изготовления деталей машин». ГосИНТИ, Москва, 1962.

29. «Прессованная древесина в народном хозяйстве». ГосИНТИ, Москва, 1964.

30. И.Г. Назаров «Экспериментальное исследование прессован­ной древесины как материала для подшипников скольжения». Канд.диссертация, 1963.

31. П.Н. Хухрянский и Л.Ф. Янин «Теплофизические характе­ристики прессованной древесины как подшипникового мате­риала». Лесной журнал, № 5, Архангельск, 1964.

32. Ю.К. Васильев «Подшипники скольжения из древесины кон­турного прессования в литейном и подъемно-транспортном оборудовании». Канд.диссертация, 1960.

– 77 –

33. Н.И. Винник «Исследование температурных режимов работы и производства подшипников из прессованной древесины». Канд. диссертация, 1965.

34. К.Н. Власов и Л.А. Носова «Некоторые свойства полиамидов как машиностроительного материала». Вестник машино­строения, № 4, 1960.

35. С.А. Чернавский «Подшипники скольжения». Машгиз, Моск­ва, 1963.

36. Г.П. Зедгинидзе «Измерение температуры вращающихся де­талей машин». Машгиз, Москва, 1962.

37. Д.М. Хайт «Неметаллические подшипники скольжения». Машгиз, 1949.

38. М.В. Коровченский «Теоретические основы работы подшип­ников скольжения». Машгиз, 1959.

39. А.П. Давыдов «Резиновые подшипники для гидротурбин». Госэнергоиздат, Москва-Ленинград, 1958.

40. В.А. Белинский и др. «Высшая математика с основами ма­тематической статистики». «Высшая школа», Москва, 1965.

41. Ю.В. Линник «Способ наименьших квадратов и основы тео­рии обработки наблюдений». Физматгиз, Москва, 1958.

42. Н.В. Смирнов и И.В. Дунин-Барковский «Краткий курс мате­матической статистики для технических приложений». Физ­матгиз, Москва, 1959.

43. В.Д. Пирятин «Обработка результатов экспериментальных измерений по способу наименьших квадратов». Издательство Харьковского университета, 1962.

44. Б.П. Демидович и И.А Марон «Основы вычислительной мА­тематики». Физматгиз, Москва, 1963.

– 78 –

45. А. Уорсинг и Д. Геффнер «Методы обработки эксперимен­тальных данных». И.Л., 1953.

46. В.И. Романовский «Применение математической статистики в опытном деле». Гостехиздат, 1947.

47. Л.М. Баутнер и М.Е. Позин «Математические методы в хи­мической техники». Госхимиздат, Москва-Ленинград, 1963.

48. А.Б. Невский «Методика построения номограмм». Гостехиз­дат, Москва-Ленинград, 1937.

49. А.Б. Невский «Справочная книга по номографии». Гостехиз­дат, Москва-Ленинград, 1951.

50. М.В. Пентковский «Номография». Гостехиздат, Москва-Ле­нинград, 1949.

51. О.П. Алексеева и А.В. Иванов «Задача теплопроводности для неограниченного стержня при наличии несовершенного кон­такта между слоями». Известия высших учебных заведений «Энергетика», № 1, 1960.

52. К.И. Страхович и Н.В.Крылов «Температурное поле в цилин­дрическом изоляционном слое, соприкасающимся с металли­ческим стержнем». Известия высших учебных заведений «Энергетика», № 7, 1962.

53. П. Шнейдер «Инженерные проблемы теплопроводности». Издательство И-Л, 1960.

54. Г. Карслоу и Д. Егер «Теплопроводность твердых тел». Из­дательство «Наука», Москва, 1964.

55. Н.С. Кошляков «Основные дифференциальные уравнения ма­тематической физики». ГИТТЛ, Москва, 1932.

56. В.И. Смирнов «Курс высшей математики». том IV, ГИТТЛ, Ленинград-Москва, 1941.

– 79 –

57. С.Л. Соболев «Уравнения математической физики». Изд.2, Москва-Ленинград, 1950.

58. Э. Камке «Справочник по обыкновенным дифференциаль­ным уравнениям». Москва, 1951.

59. М.В. Кирпичев, М.А. Михеев, Л.С. Эйгенсон «Теплопереда­ча». Госэнергоиздат, 1940.

60. М.А. Михеев «Основы теплопередачи». Госэнергоиздат, 1956.

61. С.Н. Шорин «Теплопередача». Издательство «Высшая шко­ла», 1964.

62. Э.Р. Эккерт и Р.М. Дрейк «Теория тепло- и массообмена». ГТТИ, 1961.

63. Г.М. Кондратьев «Регулярный тепловой режим». ГТТИ, 1954.

64. Г.М. Кондратьев «Тепловые измерения». Машгиз, 1957.

65. С.А. Чернавский «Подшипники скольжения». Машгиз, Моск­ва, 1963.

66. И. Тилей, В.Н. Константинеску, Ал. Ника, О. Бицэ «Подшип­ники скольжения». Издательство Академии Р.Н.Р., Бухарест, 1964.

67. И.В. Крагельский «Трение и износ». Машгиз, Москва, 1962.

68. И.В. Крагельский и И.Э. Виноградова «Коэффициенты тре­ния». Машгиз, Москва, 1962.

69. Л.М. Качанов «Теория ползучести». Физматгиз, Москва, 1960.

70. Н.И. Суслов «Замена металла пластмассами». Машгиз, Моск­ва-Свердловск, 1962.

71. П.Н. Хухрянский «Дерево вместо металла». Воронежское книжное издательство, 1954.

– 80 –

72. В.Г. Пустовалов «Технология прессования древесины и ее применение». Воронежское книжное издательство, 1961.

73. А.В. Лыков «Теория теплопроводности». Гостехиздат, 1952.

74. В.Ф. Череваткин «Исследование работы подшипников с об­ращенными материалами». Канд. диссертация, 1964.

75. А.М. Иванов «Расчет элементов деревянных конструкций с учетом продолжительности воздействия нагрузки». Сб. науч­ных трудов ВИСИ, № 6, 1956.

76. Ю.М. Иванов и В.А. Баженов «Исследование физических свойств древесины». Издательство АН СССР, Москва, 1959.

77. С.А. Чернавский «Подшипники скольжения». Машгиз, Моск­ва, 1963 г.

Код для цитирования: Скопировать