Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям  

На правах рукописи

Усиков Алексей Васильевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ

ТОРЦОВОЧНО-РАСКРЯЖЕВОЧНОЙ УСТАНОВКИ В ГЛАВНОЙ

ПОТОЧНОЙ ЛИНИИ НИЖНЕГО СКЛАДА

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Воронеж - 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Воронежская государственная лесотехническая академия (ФГБОУ ВПО ВГЛТА).

Научный руководитель:  Заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор

Пошарников Феликс Владимирович

Официальные оппоненты:                 Посметьев Валерий Иванович

доктор технических наук, профессор,

заведующий кафедрой производства,

ремонта и эксплуатации машин

ФГБОУ ВПО Воронежская государственная лесотехническая академии

Пыриков Павел Геннадьевич

доктор технических наук, профессор

кафедры оборудования лесного комплекса ФГБОУ ВПО Брянская государственная инженерно-технологическая академия

               

Ведущая организация -                ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова

Защита диссертации состоится л22 мая 2012 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.034.02 при Воронежской государственной лесотехнической академии (394613, г. Воронеж, ул. Тимирязева 8, зал заседаний - ауд. 240).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Воронежской государственной лесотехнической академии (ФГБОУ ВПО ВГЛТА).

Автореферат размещен на официальном сайте ВАК Минобрнауки РФ

Автореферат разослан л20 апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета        А. В. Скрыпников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. В лесной промышленности на нижних складах используется большое разнообразие лесообрабатывающего оборудования, как старого, так и нового образца. Но независимо от времени выпуска, все оборудование необходимо поддерживать в полноценном рабочем состоянии. Надежность оборудования зависит от многих параметров, однако, узлы трения являются одним из самых слабых звеньев в любом механизме. Отличительной особенностью работы узлов трения в лесообрабатывающем оборудовании являются высокие контактные давления, динамические и вибрационные нагрузки, загрязненность абразивом, недостаток смазки, а так же подверженность климатическим воздействиям окружающей среды.

В настоящее время в подшипниковых узлах лесообрабатывающего оборудования применяются преимущественно такие материалы, как цветные металлы, сталь и чугун. Для подшипников скольжения из этих материалов характерны такие недостатки, как необходимость высокой точности и чистоты изготовления, длительность приработки, необходимость периодической или непрерывной смазки, что обуславливает большие затраты на восстановление узлов трения.

Торцовочно-раскряжевочная установка входит в перечень главной поточной линии лесообрабатывающего оборудования нижнего лесного склада, и эффективность ее работы сказывается на производительность всего нижнего склада. Исходя из условий и режимов работы торцовочно-раскряжевочной установки, видно, что подшипниковый узел подающего механизма дисковой пилы имеет короткий срок эксплуатации. Ремонт подшипникового узла требует остановки оборудования, восстановление цилиндрической поверхности сопрягаемого стального вала и замены антифрикционной бронзовой втулки, что приводит к простаиванию оборудования и дополнительным материальным затратам.

Использование в подшипниковых узлах новых антифрикционных материалов, таких как полимеры, позволяет повысить надежность работы и увеличить срок службы оборудования. Полимеры при работе в паре с металлом характеризуются низким коэффициентом трения, высокой износостойкостью, способностью предохранять сопряженные металлические детали от заедания и интенсивного износа. Однако применение полимеров в конструкциях лесообрабатывающего оборудования может быть достигнуто только при условии оптимизации их теплофизических характеристик, виброгасящих свойств, особенностей фрикционного контактирования рабочих поверхностей и технологии изготовления исследуемых подшипников скольжения.

Работа выполнена в соответствии с госбюджетной темой НИР кафедры технологии и оборудования лесопромышленного производства (ТОЛП) ФГБОУ ВПО ВГЛТА на 2006Е2010 гг. Разработка ресурсо- и энергосберегающих технологий лесозаготовок, лесоразработки и лесовостановления на базе компьютеризации и рыночного мониторинга. Научный руководитель - д.т.н., профессор ПошарниковаФ.В.

По теме и результатам диссертационной работы принимал участие в программе Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УМНИК, г. Воронеж 30марта - 1 апреля 2010 от фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, по результатам которой стал победителем и получил грант.

Степень разработанности проблемы. Вопросами исследования трения полимерных антифрикционных материалов занимались Г. М. Бартенев, И. В. Крагельский, В. А. Белый, Г. А. Гороховский, Ю. А. Евдокимов, Ф.В. Пошарников, В.П.аБелокуров, А.И. Серебрянский, Ш. М Билик, А. А. Кутьков, В. И. Колесников, А.аИ. Свириденок, А. В. Чичинадзе и многие другие.

Из анализа антифрикционных материалов, используемых в узлах трения подшипников скольжения, следует, что наиболее перспективными являются подшипники скольжения из полимерных материалов, которые обладают хорошими антифрикционными свойствами, химической стойкостью, легко прирабатываются и могут работать без смазки. Однако, они имеют низкую теплопроводность и их применение в лесообрабатывающем оборудовании недостаточно исследовано.

Цель и задачи исследования. Целью работы является повышение эффективности работы торцовочно-раскряжевочной установки в главной поточной линии нижнего склада путем совершенствования в подшипниковых узлах антифрикционных втулок с ферромагнитным ориентированным наполнителем.

Для реализации поставленной цели решаются следующие задачи:

1. Изучить особенности эксплуатации подшипников скольжения лесообрабатывающего оборудования и наметить пути улучшения их трибологических свойств на основе использования новых антифрикционных материалов для повышения эффективности работы торцовочно-раскряжевочной установки в главной поточной линии нижнего склада.

2. Разработать математическую модель взаимодействия трущихся поверхностей полимернометаллических антифрикционных элементов подшипников скольжения.

3. Получить аналитические зависимости для повышения эффективности работы торцовочно-раскряжевочной установки в главной поточной линии нижнего склада и определения трибологических свойств полимернометаллических антифрикционных элементов подшипников скольжения при вращения вала во втулке и втулки с валом в корпусе.

4. Установить для условий эксплуатации торцовочно-раскряжевочной установки оптимальные режимы работы подшипников скольжения с полимернометаллическими элементами.

Предмет и объект исследования. Объектами исследования являлись узлы трения лесообрабатывающего оборудования, элементы подшипника из полимернометаллического материала, неметаллический антифрикционный материал, ферромагнитный наполнитель.

Предметом исследования является изучение влияние металлического наполнителя на работоспособность подшипников скольжения из композиционных полимернометаллических материалов.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Теоретическое исследование произведено на основе анализа работы составляющих агрегатов лесообрабатывающего оборудования. Лабораторный эксперимент поставлен на основе теории планирования эксперимента. Обработка результатов измерений производилась методами математической статистики с применением современных средств вычислительной техники и ЭВМ-программ.

Научные результаты, выносимые на защиту:

1. Обоснование улучшения эксплуатационных свойств подшипников скольжения лесообрабатывающего оборудования, позволяющее ориентированием ферромагнитного наполнителя электромагнитным полем повысить теплопроводность полимернометаллических элементов и тем самым повысить эффективность работы торцовочно-раскряжевочной установки в главной поточной линии нижнего склада.

2. Математическая модель взаимодействия трущихся поверхностей полимернометаллических антифрикционных элементов, позволяющая учитывать силовое взаимодействие пар трения и распределение тепла в зоне контакта узлов трения для повышения эффективности работы торцовочно-раскряжевочной установки в главной поточной линии нижнего склада.

3. Аналитические зависимости для определения трибологических свойств полимернометаллических антифрикционных элементов узлов трения и повышения эффективности работы торцовочно-раскряжевочной установки в главной поточной линии нижнего склада, позволяющие учитывать вращение вала во втулке и втулки с валом в корпусе.

4. Оптимальные параметры и режима работы подшипников скольжения с полимернометаллическими антифрикционными элементами для условий эксплуатации торцовочно-раскряжевочной установки в главной поточной линии нижнего склада, позволяющие снизить износ и температуру в зоне контакта.

Научная новизна результатов исследования:

1. Обосновано улучшение эксплуатационных свойств подшипников скольжения лесообрабатывающего оборудования, отличающееся тем, что ориентирование ферромагнитного наполнителя в полимернометаллических элементах осуществляется электромагнитным полем.

2. Разработана математическая модель взаимодействия трущихся поверхностей полимернометаллических антифрикционных элементов подшипника скольжения для повышения эффективности работы торцовочно-раскряжевочной установки в главной поточной линии нижнего склада, отличающаяся учетом силового взаимодействия пар трения и распределения тепла в зоне контакта.

3. Получены аналитические зависимости для определения трибологических свойств антифрикционных элементов подшипников скольжения и для повышения эффективности работы торцовочно-раскряжевочной установки в главной поточной линии нижнего склада, отличающиеся тем, что для способов вращения вала во втулке и втулки с валом в корпусе (прямая и обратная пары трения) учитывается влияние на процесс трения ориентированного металлического наполнителя.

4. Установлены для условий эксплуатации торцовочно-раскряжевочной установки в главной поточной линии нижнего склада режимы работы подшипников скольжения с полимернометаллическими антифрикционными элементами, отличающиеся учетом их степени износа и температуры в зоне контакта.

Теоретическая значимость результатов диссертационной работы заключается в разработке: методики теоретического определения нагрузок, удельных давлений, скоростей скольжения и температуры в зоне трения шарнирных соединений с полимернометаллическим материалом, с двумя рабочими поверхностями; математической модели теплового расчета подшипника скольжения; разработке методики определения рабочего ресурса опор скольжения с неметаллическими антифрикционными материалами, работающими при прямой и обратной паре трения, которые дополняют теорию трения и износа.

Практическая ценность. Предложен новый технологический принцип формирования структуры в композиционном полимернометаллическом материале, для подшипников лесообрабатывающего оборудования с использованием электромагнитного поля для направленного ориентирования ферромагнитного наполнителя, позволяющий оптимизировать его антифрикционные характеристики. Получена методика расчета распределения тепла в композиционном полимернометаллическом материале дополняют теорию трения и износа подшипников скольжения, что позволяет, расширенно осуществлять разработку и конструирование подшипниковых узлов. Разработанная конструкция стенда для исследования подшипников скольжения на трение и износ в сравниваемых условиях прямой и обратной пары вращательного трения.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Полученные научные результаты соответствуют п. 5 Обоснование и оптимизация параметров и режимов работы лесозаготовительных и лесохозяйственных машин паспорту специальности 05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства.

Апробация и реализация результатов диссертации. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием Организационно-методические вопросы деятельности научно-образовательного центра в области переработки и воспроизводства лесных ресурсов г. Воронеж, 2006 г.; на 1-ой Международной научно-практической интернетконференции Леса России в XXI веке г. Санкт-Петербург 2009 г.; на 3-ей Международной научно-практической интернетконференции Леса России в XXI веке г. Санкт-Петербург 2010 г. В полном объеме диссертация докладывалась на научных конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежской государственной лесотехнической академии (2007 Ц2010 гг.).

Результаты теоретических и экспериментальных исследований данной диссертационной работы используются в курсовом и дипломном проектировании при подготовке инженеров по специальности 150405 Машины и оборудование лесного комплекса, магистров по направлению 150400 Технологические машины и оборудование в ФГБОУ ВПО Воронежская государственная лесотехническая академия.

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликованы 23 научные работы, 4 из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 1 патент на изобретение и 1 свидетельство государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы составляет 220 страниц, из них 181 страниц основного текста и 39 страниц приложений. Работа включает 57 иллюстрации, 31 таблицу и 138 наименований используемых источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованна актуальность темы диссертационной работы, изложены цель, задачи, научная и практическая значимость результатов исследований, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе приведен анализ подшипниковых узлов лесообрабатывающего оборудования, рассмотрены режимы работы и существующие конструкции подшипников скольжения. На основе анализа конструктивно - технологических и эксплуатационных характеристик, а так же специфики работы, условий и предмета труда установлено, что низкая износостойкость трущихся деталей шарнирных соединений торцовочно-раскряжевочной установки объясняется частым пуском и остановкой, наличием переменной нагрузки и несовершенным подбором смазочных материалов, влияние абразивной древесной пыли.

Рассмотрены антифрикционные материалы, применяемые для подшипников скольжения лесообрабатывающего оборудования, которые выбираются в зависимости от нагрузочно-скоростных режимов работы, среды, в которой они работают, режима смазки, характера движения, теплоотвода из зоны трения, а также от особенности машины, механизма или устройства, в котором они применяются и требуемого срока службы в процессе эксплуатации.

Особенностью ранее указанных работ является рассмотрение и анализ закономерностей вращательного процесса трения с пластичной или жидкой смазками. Однако, вопросу повышения износостойкости узлов трения, работающих при частых пусках и остановках, при недостаточном количестве смазочного материала, неравномерному распределению тепла уделялось недостаточно внимания. Не была рассмотрена возможность применения в шарнирных соединениях лесообрабатывающего оборудования неметаллических полимерных антифрикционных материалов как в прямой, так и в обратной парах трения.

Во втором разделе диссертации рассматриваются теоретические методы совершенствования антифрикционных материалов опор скольжения за счет использования полимернометаллических композиционных материалов. Износостойкость антифрикционных втулок, изготовленных из полимерных материалов, в значительной степени зависит от температурного режима работы подшипника скольжения и физико-химических процессов, протекающих в зоне трения сопрягаемых деталей. Одной из причин недостаточной работоспособности антифрикционного полимерного материала в узлах трения является низкая теплопроводность полимера.

В работе обоснована перспектива использования элементов металлической фазы в виде мелких частиц низкоуглеродистой стали с возможностью рационального ориентирования в полимерной матрице (рисунок 1).

а б а - без воздействия магнитного поля; б - под воздействием магнитного поля Рисунок 1 - Расположение металлического наполнителя в полимерном материале

Предложен новый принцип формирования структуры полимернометаллических антифрикционных материалов, который позволяет повысить теплопроводность этих материалов, для чего с помощью электромагнитного поля ориентируют ферромагнитный наполнитель в виде железной стружки, выстраивая из нее мостики для отвода тепла из зоны контакта. На основе нового принципа была пода заявка № 2010128889/02(040987) от 12.07.2010 года и получено решение о выдаче патента на изобретение - номер заявки № 2010128889/02(040987) от 28.10.2011.

В процессе работы узла трения в зоне контакта сопрягаемых деталей образуется тепловой источник, а количество выделившегося тепла определяется:

,         (1)

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

Тепло, образующееся при трении, отводится в окружающую среду через поверхность вала и частично через корпус подшипника, тем самым, снижая температуру в зоне трения. Для подшипника с металлическим антифрикционным материалом уравнение теплового баланса может быть представлено в виде:

       ,        (2)

где - мощность теплового потока, отводимого валом, Вт; - мощность теплового потока, отводимая металлической втулкой Вт; - мощность теплового потока, отводимого корпусом подшипника скольжения, Вт.

Большая часть тепла, примерно 60Е80 %, отводится валом, а остальная часть тепла от 20 до 40 % отводиться через втулку и корпус подшипника, при этом металлическая втулка, плотно запрессованная в металлический корпус, хорошо отводит тепло вместе с корпусом.

При использовании полимерной втулки, она, обладая очень низкой теплопроводностью =0,1Е0,3 Вт/(м 0С), практически не проводит тепло и можно считать, что отвод тепла производиться только через вал, теплопроводность материала которого составляет =20Е50 Вт/(м 0С). В этом случае можно допустить, что =0 и =0, тогда . В этом случае при повышенных режимах работы подшипникового узла, происходит повышение температуры в зоне трения и перегрев полимерной втулки с последующим ее выдавливанием из подшипникового узла.

Применение полимернометаллической втулки позволит часть теплового потока отводить на корпус подшипника скольжения через металлические мостики, образованные под действием электромагнитного поля в полимерной втулке. Однако при использовании в подшипнике композиционного полимернометаллического материала эта формула не может быть применена, так как теплопроводность втулки изменяется. В этом случае:

       ,        (3)

где - мощность теплового потока, отводимого валом, Вт; - мощность теплового потока, отводимого втулкой, с металлическим наполнителем Вт; аЦамощность теплового потока, отводимого корпусом подшипника скольжения, Вт.

Отвод теплового потока через металлические мостики позволяет избежать перегрева подшипника, поскольку через эти мостики отводится до 20 % теплового потока.

С учетом изменения теплопроводности антифрикционной втулки, уравнение теплового баланса для подшипника скольжения, когда вал вращается относительно втулки, выполненной из полимернометаллического материала, будет иметь вид:

(4)

где - коэффициент, учитывающий погрешности теплопередачи обоих сторон вала; - диаметр вала, мм; - коэффициент теплоотдачи боковой поверхности вала, Вт/м2 град (для стали); - коэффициент теплопроводности материала вала, Вт/(м0С); 0 - угол контакта, град; - длина опоры подшипника, мм; - внутренний диаметр втулки, мм; - наружный диаметр втулки, мм; - объемная доля непрерывной фазы и обобщенная теплопроводность компонента А (полимера); - объемная доля компонента В (наполнителя) и его теплопроводность; Ч температура окружающего воздуха, С; а - коэффициент теплоотдачи от корпуса подшипника в окружающую среду, Вт/(м2 0С); Цаплощадь внешней поверхности корпуса подшипника, мм2. Процентное содержание металлического наполнителя не превышает 20 % по массе, теплопроводность композиционного материала может составлять =0,4Е0,7 Вт/(м 0С).

В обратной паре трения подшипник скольжения жестко закреплен на валу по своей внутренней поверхности, а внешняя его поверхность участвует в работе трения по опорной поверхности корпуса. В этом случае:

               (5)

Для удобства моделирования теплового расчета подшипника с полимернометаллическим материалом была разработана компьютерная программа на языке Object Pascal в интегрированной среде программирования Borland Delphi 7. На данную программу получено свидетельство о государственной регистрации № 2012612051 от 22.02.2012 года. Программа предназначена для моделирования распространения тепла от поверхности трения в подшипнике скольжения с целью подбора конструктивных параметров подшипника, при которых полимернометаллическая втулка не нагревается до критической температуры. В процессе работы программы производится решение уравнений теплопереноса в геометрических объемах, представляющих подшипник. Решение уравнений теплопереноса осуществляется сеточным методом. Характер распределения температуры в радиальном и осевом направлении подшипника представлен на графиках (рисунок 2, 3).

Для прямой пары трения температура внутри вала, в сечении подшипника, практически равна температуре в зоне трения (рисунок 2, а) и она поднимается до высоких значений (до 140ОС и выше). В направлении оси вала температура быстро спадает (рисунок 3, а) и на расстоянии примерно 2 ... 3 диаметра вала температура уже практически совпадает с температурой окружающей среды.

Рисунок 2 - Распределение температуры в подшипнике в радиальном направлении для прямой (а) и обратной (б) пар трения.

Рисунок 3 - Распределение температуры внутри вала (вдоль его оси) для прямой (а) и обратной (б) пар трения.

Для обратной пары трения температура вала значительно ниже по сравнению с температурой зоны трения (рисунок 2, б). Непосредственно прилегающий к зоне трения корпус подшипника эффективно отводит тепло. Поэтому в целом температура в зоне трения ниже по сравнению с прямой парой трения - не более 120ОС.

В третьем разделе изложена программа экспериментальных исследований, описаны применяемое оборудование и методика проведения исследований. Экспериментальные исследования проводились с целью поиска оптимальных параметров: при эксплуатации полимернометаллического элемента подшипника скольжения в лесообрабатывающем оборудовании.

Экспериментальные исследования проводились в два этапа. На первом этапе, в лабораторных исследованиях, была проверена работоспособность подшипника скольжения лесообрабатывающего оборудования с полимернометаллическим антифрикционным материалом. На втором этапе, производственные исследования, был установлен опытный образец полимернометаллическоцй втулки в узлы трения подающего механизма дисковой пилы торцовочно-ряскряжевочной установки.

Для лабораторных исследований была изготовлена установка (рисунок 4), которая позволяла: изменять нагрузочно-скоростной режим работы; иметь возможность создания как прямой, так и обратной пары трения; плавно регулировать число оборотов вала; более точно измерять момент трения с помощью тензометрических датчиков и ЭВМ; измерять температуру вблизи поверхности трения и на корпусе подшипника. При экспериментальных лабораторных исследованиях была использована электронная аппаратура, позволяющая автоматизировано измерять, фиксировать и обрабатывать основные показатели при работе подшипника скольжения.

1 - рама; 2 - электродвигатель; 3 - частотный преобразователь переменного тока Е2-8300; 4 - червячный редуктор; 5 - вал; 6 - клиноременная передача; 7 - подшипник качения; 8 - съемный исследуемый подшипниковый узел; 9 - двуплечий рычаг нагружения; 10 - точка опоры рычага; 11 - груз; 12 - корпус исследуемого узла трения; 13 - плечо корпуса подшипника скольжения; 14 - балочка равного сопротивления; 15 - термопары

Рисунок 4 - Лабораторный стенд для исследования подшипников скольжения на трение и износ

При экспериментальных исследованиях необходимо было определить совместное влияние нагрузочно-скоростных режимов и условий эксплуатации узла трения подающего механизма дисковой пилы торцовочно-ряскряжевочной установки.

В четвертом разделе представлены результаты экспериментального исследования. Полученная математическая модель для наглядности и дальнейшего анализа представлена графически в виде поверхности отклика.

. (6)

Рисунок 5 - Поверхность отклика и область оптимальных значений функции f(p, v)при =0,3 мм

Рисунок 6 - Поверхность отклика и область оптимальных значений функции f(p, ) при =0,5 м/с

Рисунок 7 - Поверхность отклика и область оптимальных значений функции f(v, ) при =4аМПа

Оптимизация сложных систем сводится к задаче отыскания экстремума функции нескольких переменных. При этом необходимо определить такие области изменения входных параметров p, v, (факторов оптимизации), при которых коэффициент трения f (критерий оптимизации) будет минимальным.

Благоприятная область в факторном пространстве (p, v) (рисунок 5 в) достигается, если значения p в диапазоне 1,0...3,5 МПа, значения v в диапазоне 0,1...0,6ам/с. Оптимальная область в пространстве (p, ) (рисунок 6 в) если значение p находится от 2,0 Е 3,0 МПа, а минимальное значение f достигается практически независимо от зазора (по крайней мере для значений более 0,15Е0,25 мм). Оптимальная область в пространстве (v, ) (рисунок 7 в) показывает, с увеличением свыше 0,2 мм оптимальный диапазон v сужается. Так, при = 0,25 мм оптимальные значения скорости лежат в диапазоне 0,4 ... 0,8 м/с, а при = 0,30 мм в узком диапазоне 0,45 ... 0,65 м/с.

Совокупный анализ оптимальных областей во всех трех факторных пространствах позволяет сделать следующий вывод. Примерные диапазоны оптимальных значений факторов составляют: p = 2,0...4,0 МПа; v = 0,45...0,60 м/с; = 0,15...0,25 мм.

В процессе исследований фиксировалась температура вблизи поверхности трения и на корпусе подшипника скольжения (рисунок 8,9).

а - полимер; б - полимер с металлическим наполнителем (15 %), (V=1,06 м/с; Р=9,0 МПа; =0,3 мм) Рисунок 8 - Разрез подшипника скольжения с прямой парой скольжения

а - полимер; б - полимер с металлическим наполнителем (15 %), (V=1,06 м/с; Р=9,0 МПа, =0,3 мм). Рисунок 9 - Разрез подшипника скольжения с обратной парой трения

Увеличение скорости скольжения и удельной нагрузки приводит к возрастанию температуры вблизи поверхности трения, а влияние процентного содержания наполнителя оказывает одинаковый характер на изменение кривых.

В пятом разделе приведены результаты производственной апробации подшипников скольжения с вкладышами из полимернометаллических композиционных материалов в подшипниковом узле подающего механизма дисковой пилы торцовочно-раскряжевочной установки в главной поточной линии. Эти втулки были установлены в опорах скольжения подающего механизма пильного диска в торцовочно-раскряжевочной установке для поперечной распиловки и торцовки пиломатериала в Челнавском лесхозе Тамбовской области. Средний срок службы опытных подшипников скольжения до отказа составил в среднем 830 часов по сравнению 550 часами ранее применяемого антифрикционного бронзового материала, которые выходят из строя по причине износа. Таким образом, использование полимерно-металлических подшипников скольжения, изготовленных в соответствии с выработанными в диссертационной работе рекомендациями, позволяет обеспечить повышение межремонтного периода базового оборудования примерно в 1,4Е1,6 раза.

Внедрение предложенного антифрикционного полимерно-металлического композиционного материала в опоры скольжения подающего механизма дисковой пилы в торцовочно-раскряжевочной установке позволит получить годовой экономический эффект 46425,6 руб. (в ценах 2011 г.), при этом срок окупаемости дополнительных вложений составит 0,7 года.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1 Подшипниковые узлы лесообрабатывающего оборудования работают в условиях недостаточного смазочного режима, обусловленного низкими скоростями вращения, действием вибрации и динамических нагрузок, присутствием абразива и древесной пыли. Все это отрицательно сказывается на работоспособности подшипников, а применяемые антифрикционные материалы в подшипниковых узлах не обеспечивают надежной работы подшипников в указанных тяжелых условиях.

2. Для повышения работоспособности подшипниковых узлов лесообрабатывающего оборудования предложено использовать полимернометаллический материал на основе капролона, который может работать в условиях недостаточной смазки, а для улучшения теплоотвода из зоны контакта обоснован новый принцип формирования антифрикционного материала за счет использования электромагнитного поля для направленного ориентирования ферромагнитного наполнителя.

3. Предложенные аналитические зависимости позволили при силовом анализе трущихся антифрикционных поверхностей подшипникового узла обосновать параметры антифрикционной втулки из полимернометаллического материала, предельнодопустимое давление на ее несущую поверхность и установить значения реальных нагрузок, возникающих в узлах трения лесообрабатывающего оборудования.

4. Разработанная математическая модель взаимодействия трущихся поверхностей полимернометаллических антифрикционных элементов подшипников скольжения и компьютерная программа для моделирования рабочего процесса узла трения лесообрабатывающего оборудования, позволили установить закономерности распределения тепла по элементам подшипника. Для прямой пары трения, несмотря на то, что температура в зоне контакта поднимается до 140 0С, за счет отвода тепла через ориентированный металлический наполнитель в материале втулки, работоспособность подшипниковых узлов сохраняется. Лучшие условия работы подшипникового узла обеспечивается при обратной паре трения, поскольку корпус подшипникового узла более интенсивно, по сравнению с валом, отводит тепло, что позволяет не поднимать температуру выше 120 0С.

5. Экспериментальными исследованиями установлено, что износостойкость полимернометаллической втулки в обратной паре опоры скольжения по линейному износу почти в полтора раза превышает износостойкость такого же материала в прямой паре трения. По величине весового износа, наоборот, износостойкость втулки в прямой паре трения более чем в четыре раза выше износостойкости в обратной паре. Однако работоспособность подшипника определяет преимущественно линейный износ и применение опоры скольжения с двумя рабочими зонами трения предпочтительнее. Удельная нагрузка на подшипниковый узел 2,0...4,0 МПа; скорость скольжения 0,45...0,60 м/с; зазор в подшипнике скольжения между втулкой и валом 0,15...0,25 мм. Для обеспечения требуемой теплопроводности содержание металлического наполнителя должно браться в пределах 10Е20 % по массе, что позволяет на 15Е20 % снизить температуру в зоне трения.

6. Результаты производственных испытаний показали, что износ в подшипниковых узлах из полимернометаллического материала меньше в 1,4Е1,6 раза, чем у деталей традиционных металлических материалов, преимущественно используемых в большинстве подшипниковых узлов лесообрабатывающего оборудования, при этом износ вала резко уменьшается. Годовой экономический эффект от внедрения на лесообрабатывающих предприятиях композиционных подшипниковых узлов с полимернометаллическими втулками составляет 46425,6 рублей, при сроке окупаемости дополнительных капитальных вложений 0,7 года.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России

1. Пошарников, Ф. В. Снижение температурной напряженности в подшипниках скольжения с полимерными антифрикционными материалами [Текст] / Ф. В. Пошарников, А. В. Усиков // Научный журнал. Ученые записки Петрозаводского государственного университета № 8 (113) декабрь, 2010 Естественные и технические науки - Петрозаводск 2010. - с. 76-78.
2. Усиков, А. В. Стенд для исследования подшипников скольжения [Текст] / А. В. Усиков // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова № 01 , 2011. - Саратов 2011. ЦС. 54-57.
3. Усиков А.В. Применение в узлах трения лесообрабатывающего оборудования композиционного полимернометаллического материала [Электронный ресурс] / А. В. Усиков // Современные проблемы науки и образования. - 2011. - № 6. - Режим доступа: - Загл. с экрана. - Библиогр.: (6 назв.).
4. Усиков А.В. Повышение износостойкости подшипников скольжения в лесообрабатывающем оборудовании при использовании полимерного материала, армированного металлической стружкой [Электронный ресурс] / А. В. Усиков // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. - 2011. - № 74 (10). - Режим доступа: - Библиогр.: (4 назв.).

Статьи и материалы конференций

5. Пошарников, Ф. В. Методика и результаты исследований температуры трения в шарнирах лесных манипуляторов [Текст] / Ф. В. Пошарников, А. И. Серебрянский, А. В. Усиков // Организационно-методические вопросы деятельности научно-образовательного центра в области переработки и воспроизводства лесных ресурсов : материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием 13-15 сентября 2006 г. / ВГЛТА. - Воронеж, 2006. - С. 157-162.
6. Серебрянский, А. И. Эксплуатационные характеристики работы шарнирных соединений лесных манипуляторов [Текст] / А. И. Серебрянский, А. В. Усиков // Восстановление эколого-ресурсного потенциала агролесобиоценозов, лесоразведение и рациональное природопользование в Центральной лесостепи и на юге России : сборник научно-исследовательских работ по материалам школы-конференции / ВГЛТА. - Воронеж ; Сочи, 2007. - С. 151-154.
7. Серебрянский, А. И. О возможности замены пластичных смазок твердыми в шарнирах манипуляторов [Текст] / А. И. Серебрянский, А. В. Усиков // Лес. Наука. Молодежь - 2007 : сборник материалов по итогам научно-исследовательской работы молодых ученых ВГЛТА за 2006-2007 гг. - Воронеж, 2007. - С. 239-242.
8. Пошарников, Ф. В. Особенности работы узлов в лесопромышленном оборудовании [Текст] / Ф. В. Пошарников, А. В. Усиков // Восстановление эколого-ресурсного потенциала агролесобиоценозов, лесоразведение и рациональное природопользование в Центральной лесостепи и на юге России : сборник научно-исследовательских работ по материалам школы-конференции / ВГЛТА. - Воронеж, 2008. - С. 137-139.
9. Пошарников, Ф. В. Особенности работы узлов трения в лесопромышленном оборудовании [Текст] / Ф. В. Пошарников, А. В. Усиков // Природопользование: ресурсы, техническое обеспечение : межвузовский сборник научных трудов. - Воронеж, 2009. - Вып. 4. - С. 95-100.
10. Пошарников, Ф. В. Определение фактических величин напряжений в шарнирах распиловочно-торцовочного оборудования [Текст] / Ф. В. Пошарников, А. В. Усиков // Лес. Наука. Молодежь - 2009 : материалы по итогам научно-исследовательской работы молодых ученых ВГЛТА за 2008-2009 гг. - Воронеж, 2009. - Т. 1. - С. 64-66.
11. Пошарников, Ф. В. О возможности применения полимерных материалов в узлах трения [Текст] / Ф. В. Пошарников, А. В. Усиков // Лес. Наука. Молодежь - 2009 : материалы по итогам научно-исследовательской работы молодых ученых ВГЛТА за 2008-2009 гг. - Воронеж, 2009. - Т. 1. - С. 160-165.
12. Серебрянский, А. И. Методика и некоторые результаты определения эксплуатационных характеристик шарнирных соединений лесных манипуляторов [Текст] / А. И. Серебрянский, С. А. Зинченко, А. В. Усиков // Лес. Наука. Молодежь - 2009 : материалы по итогам научно-исследовательской работы молодых ученых ВГЛТА за 2008-2009 гг. - Воронеж, 2009. - Т. 2. - С. 79-82.
13. Усиков, А. В. О применении твердых смазок в шарнирных соединениях [Текст] / А. В. Усиков, А. И. Серебрянский, Е .В. Бацунова // Лес. Наука. Молодежь - 2009 : материалы по итогам научно-исследовательской работы молодых ученых ВГЛТА за 2008-2009 гг. - Воронеж, 2009. - Т. 2. - С. 100-102.
14. Усиков, А. В. Обоснование выбора антифрикционных материалов для узлов трения технологического оборудования лесозаготовительных машин [Текст] / А. В. Усиков, А. И. Серебрянский, К. П. Кошкина // Лес. Наука. Молодежь - 2009 : материалы по итогам научно-исследовательской работы молодых ученых ВГЛТА за 2008-2009 гг. - Воронеж, 2009. - Т. 2. - С. 102-106.
15. Пошарников, Ф. В. О возможности применения полимерных материалов в узлах трения оборудования лесного комплекса [Текст] / Ф. В. Пошарников, А. В. Усиков // Актуальные проблемы лесного комплекса : сборник научных трудов. - Брянск, 2009. - Вып. 24. - С. 39-43.
16. Пошарников, Ф. В. Обеспечение минимальной толщины смазочного слоя в узлах трения [Текст] / Ф. В. Пошарников, А. В. Усиков // Леса России в XXI веке : материалы 1 Международной научно-практической интернет-конференции. - СПб., 2009. - С. 199-201.
17. Пошарников, Ф. В. Совершенствание узлов трения лесообрабатывающего оборудования лесных складов за счет применения армированных пластиковых материалов [Текст] / Ф. В. Пошарников, А. В. Усиков // Леса России в XXI веке : материалы 3 Международной научно-практической интернет-конференции. - СПб., 2010. - С. 270-273.
18. Пошарников, Ф. В. Экспериментальная установка для исследования подшипников скольжения [Текст] : информационный листок / Ф. В. Пошарников, А.аВ.аУсиков. - Воронеж : Воронежский ЦНТИ, 2010. - 4 с. - № 36-040-10.
19. Серебрянский, А. И. Определение параметров модельного узла для стендовых испытаний подшипников скольжения [Электронный ресурс] / А. И. Серебрянский, А. В. Усиков // Лесной и химический комплексы: проблемы и решения : сборник статей по материалам Всероссийской научно-практическая конференция 3-4 декабря 2009. - Красноярск : СибГТУ, 2010. - Т. 2. - С. 216-223. - Режим доступа: - Библиогр.: (3 назв.).
20. Пошарников, Ф. В. Применение композиционного материала на основе полимера в узлах трения лесообрабатывающего оборудования [Текст] / Ф. В. Пошарников, А. И. Серебрянский, А. В. Усиков // Лесотехнический журнал. Научный журнал № 1 (1) - Воронеж 2011. ЦС. 51-55.
21. Пошарников, Ф. В. Исследование вращательного процесса трения в подшипниках скольжения лесообрабатывающего оборудования [Текст] / Ф. В. Пошарников, А. И. Серебрянский, А. В. Усиков // Лесотехнический журнал. Научный журнал № 2 (2) - Воронеж 2011. - С. 92-95.
22. Пошарников, Ф. В. Повышение износостойкости шарнирных соединений лесных манипуляторов [Текст] / Ф. В. Пошарников, А. И. Серебрянский, А. В. Усиков // Лесотехнический журнал. Научный журнал № 2 (2) - Воронеж 2011. - С. 85-92.
23. Пошарников, Ф. В. Экспериментальная установка для исследования подшипников скольжения. / Пошарников Ф.В., Усиков А.В. // Воронеж ЦНТИ. Информ. листок № 36 - 040 - 10, 2010. - 2 с.

Патенты и свидетельства

24. Пат. 2446914 РФ, МПК B22F3/087, B22F5/10. Способ изготовления цельнопрессованных втулок подшипников скольжения [Текст] / Ф. В. Пошарников, А. В. Усиков ; патентообладатель ГОУ ВПО "ВГЛТА". - № 2010128889/02 ; заявл. 12.07.2010 ; опубл. 10.04.2012.
25. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2012612051 РФ Программа для теплового расчета подшипника скольжения с полимернометаллическим материалом [Текст] / Ф.В. Пошарников, В.В. Посметьев, А.В.аУсиков ; правообладатель ГОУ ВПО Воронежская государственная лесотехническая академия. - 2011619947 ; заявл. 22.12.2011 ; зарег. 22.02.2012.

       Просим принять участие в работе диссертационного совета Д 212.034.02 или выслать Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями и гербовой печатью по адресу: 394613, г. Воронеж, ул. Тимирязева 8, Воронежская государственная лесотехническая академия, ученому секретарю.

Телефон: 8-(473)-253-72-40, Факс: 8-(473)-253-84-61

Усиков Алексей Васильевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ

ТОРЦОВОЧНО-РАСКРЯЖЕВОЧНОЙ УСТАНОВКИ В ГЛАВНОЙ

ПОТОЧНОЙ ЛИНИИ НИЖНЕГО СКЛАДА

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Подписано к печати ЕЕ...2012 г. Заказ №

Объем 1,0 усл. п. л. 1. Тир. 100 экз.

Отпечатано в РА Оптовик Черноземья

г. Воронеж, ул. Ленина, 73

Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям