ВЛИЯНИЕ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУР НА ТВЕРДОСТЬ И ДЕФОРМАЦИИ ПРЕССОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ

Аксенов Алексей Александрович

канд. техн. наук, ВГЛТА, г. Воронеж

E-mail: aaa-aksenov@mail.ru

INFLUENCE OF SUBZERO TEMPERATURES ON HARDNESS AND DEFORMATIONS OF THE PRESSED WOOD

Aksenov Alexey

Candidate of Technical Science, VSAFE, Voronezh

АННОТАЦИЯ

Рассмотрены зависимости твердости, временных упругих и остаточных деформаций прессованной древесины, критерия относительного сближения трущихся поверхностей от температуры, позволяющие скорректировать расчеты надежности и работоспособности подшипников из прессованной древесины при отрицательных температурах. Данные исследования характеризуют изменение основных механических свойств прессованной древесины при отрицательных температурах.

ABSTRACT

Considered dependences of hardness, temporary elastic and permanent deformations of a compregnated wood, criterion of the relative rapprochement of rubbing surfaces on temperature, allowing to correct calculations of reliability and serviceability of bearings from a compregnated wood at the subzero temperatures are considered. These researches characterize change of the main mechanical characteristics of a compregnated wood at the subzero temperatures.

Ключевые слова: прессованная древесина, узел трения, твердость, деформация, отрицательная температура.

Key words: compregnated wood, sliding friction knot, hardness, deformation, the subzero temperature.

В настоящее время в условиях отрицательных температур широко используются различные машины и механизмы, повышение работоспособности и надежности которых является весьма актуальной задачей. Применяемые в них узлы трения преимущественно изготавливаются из различных металлических сплавов. Такие узлы трения имеют ряд существенных недостатков при работе в условиях отрицательных температур. Основным недостатком металлических пар трения скольжения и качения является схватывание контактирующих поверхностей при отрицательных температурах (их примерзание и адгезия), которое при начале работы механизма вызывает значительный износ пары трения, а иногда и заклинивание подшипника, что приводит к выходу из строя всего агрегата.

Применение в узлах трения подшипников из прессованной древесины (ДП) может решить данную проблему. Узлы трения с подшипниками из ДП имеют ряд преимуществ перед подшипниками из других антифрикционных материалов: низкую себестоимость; незначительный износ сопряженной поверхности трения; хорошую деформативность при достаточной твердости и упругости; способность поглощения абразивных частиц; низкую металлоемкость; способность наполняться и пропитываться смазочными материалами (работают на самосмазке).

Для внедрения узлов трения с подшипниками из ДП в народное хозяйство многими учеными производились исследования свойств и различных характеристик ДП. Однако эти исследования имели частный характер и производились при температурах от +20 до +100 ⁰С. Исследования свойств ДП как антифрикционного материала при отрицательных температурах будут способствовать внедрению ее в механизмы и оборудование, работающие в условиях Сибири, Дальнего Востока и Крайнего Севера.

Основной характеристикой работы пары трения металл-ДП является критерий относительного сближения сопряженных поверхностей , определяемый как частное глубины внедрения металлической неровности  и радиуса этой неровности у основания .

В исследованиях [2] доказано, что критерий относительного сближения пары металл-ДП зависит от механических свойств ДП, так как металл в данном случае выступает в роли абсолютно твердого тела по отношению к ДП. Основными характеристиками механических свойств ДП является твердость, временные упругие и остаточные деформации, которые определяют надежность и работоспособность подшипникового материала.

Известно, что твердость и деформации ДП изменяются в зависимости от температуры [3], причем при повышении температуры от +20 до +100 ⁰С твердость и временные упругие деформации уменьшаются, а временные остаточные деформации увеличиваются. Логично предположить, что при уменьшение температуры от +20 до –100 ⁰С твердость ДП будет увеличиваться. Поэтому расчет подшипников, работающих при отрицательных температурах, необходимо вести с учетом изменения твердости и деформаций.

По данным исследований, приведенных в работе [5], упругий контакт имеет место при величине сближения . Критическая величина относительного сближения поверхностей  зависит от механических свойств трущихся поверхностей.

Согласно исследованиям [6], контакт поверхностей при трении аналогичен контакту единичной неровности с поверхностью. Если  принять за глубину внедрения единичной неровности, при которой начинается микропластическая (временная остаточная) деформация ДП, то можно приближенно принять .

Для определения критерия относительного сближения перейдем на модель контакта поверхностей трения пары металл-ДП. Моделью металлической неровности принимаем металлический шарик диаметром 5 мм, с помощью которого определяется твердость, временные упругие и остаточные деформации по ГОСТ 13338-86 [4].

Из уравнения твердости ДП  получаем формулу для определения критерия относительного сближения поверхностей пары трения металл-ДП:

где:  — нагрузка на единичную неровность (шарик), Н;

 — радиус единичной неровности (шарика), м;

 — твердость ДП, Па.

Так как твердость ДП зависит от температуры, критерий относительного сближения поверхностей тоже будет зависеть от температуры. Поэтому формула (1) примет вид:

где:  — зависимость твердости ДП от температуры.

Таким образом, зная зависимость твердости ДП при отрицательных температурах, по формуле (2) можно рассчитать критерий относительного сближения поверхностей трения пары металл-ДП, по которому определяется надежность и работоспособность подшипников из ДП.

Экспериментальные исследования зависимости твердости, временных упругих и остаточных деформаций от температуры проводились на специально разработанной установке, описанной в работе [2].

Твердость , временные упругие  и остаточные  деформации определялись в соответствии с ГОСТ 13338-86 [4] по формулам:

где:  — нагрузка, прилагаемая к шарику, Н;

 — радиус шарика, м;

 — глубина отпечатка шарика, измеренная после снятия нагрузки, м;

 — глубина отпечатка шарика, измеренная под нагрузкой, м.

По результатам испытаний построен график зависимости твердости от температуры в интервале от +20 до –100 ⁰С для трех направлений действия нагрузки (рис. 1).

Рисунок 1. Изменение твердости ДП в зависимости от температуры:

1 — в радиальном направлении к волокнам; 2 — в тангенциальном направлении к волокнам; 3 — в торцевом направлении к волокнам

Анализируя графики, представленные на рис. 1, можно сделать следующие выводы:

1.  С понижением температуры от +20 до –100 ⁰С твердость ДП увеличивается: при действии нагрузки в радиальном направлении к волокнам от 124,7 до 349,3 МПа, в тангенциальном — от 128,1 до 400,4 МПа, в торцевом — от 133,6 до 404,5 МПа.

2.  Анизотропия древесины оказывает незначительное влияние на величину твердости в интервале температур от +20 до –100 ⁰С.

Так как торцевая поверхность трения является оптимальной, по результатам экспериментальных данных изменения торцевой твердости ДП в интервале охлаждения от +20 до –100 ⁰С получена аналитическая зависимость [1]

В результате обработки экспериментальных данных построены графики изменения величин временных упругих и остаточных деформаций ДП для нагрузок, действующих в радиальном, тангенциальном и торцевом направлениях в интервале температур от +20 до –100 ⁰С (рис. 2).

Рисунок 2. Изменение упругих и временных остаточных деформаций ДП в зависимости от температуры:

1, 2, 3 — упругие деформации; 4, 5, 6 — остаточные деформации;

1, 4 — в радиальном направлении к волокнам;

2, 5 — в тангенциальном направлении к волокнам;

3, 6 — в торцевом направлении к волокнам

Анализируя графики, представленные на рис. 2, можно сделать следующие выводы:

1. Характер изменения временных упругих деформаций может быть принят линейным. В интервале температур от +20 до –100 ⁰С временные упругие деформации возрастают: при действии нагрузки в радиальном направлении к волокнам от 67 до 82 % (на 15 %); при действии нагрузки в тангенциальном направлении к волокнам от 70 до 85 % (на 15 %); при действии нагрузки в торец от 63 до 83 % (на 20 %).

2.  Временные остаточные деформации изменяются также по линейной зависимости от температур обратно пропорционально упругим: при действии нагрузки в радиальном направлении к волокнам от 33 до 18 % (на 15 %);при действии нагрузки в тангенциальном направлении к волокнам от 30 до 15 % (на 15 %); при действии нагрузки в торец от 37 до 17 % (на 20 %).

Изменение временных упругой и остаточной деформаций торцевой поверхности ДП в интервале охлаждения от +20 до –100 ⁰С может быть описано аналитическими зависимостями:

На основе экспериментальных данных в зависимости от температуры можно установить максимальный критерий сближения , определенный по глубине отпечатка шарика под нагрузкой 250 Н и минимальный критерий сближения , определенный по глубине отпечатка шарика после снятия нагрузки.

На рис. 3 представлены экспериментальные графики зависимости максимального и минимального критериев относительного сближения трущихся поверхностей пары металл-ДП от температуры, из анализа которых следует, что с понижением температуры критерий относительного сближения уменьшается пропорционально повышению твердости. При понижении температуры от +20 до –100 ⁰С  снижается от 0,066 до 0,049, т. е. на 0,017 (25 %), а  — от 0,024 до 0,008, т. е. на 0,016 (70 %).

Критерий относительного сближения трущихся поверхностей, согласно формуле (2), зависит не только от твердости, но и от нагрузки. Поэтому при увеличении нагрузки на подшипник будет наблюдаться переход условий контакта из зоны упругих в зону остаточных деформаций. Если нагрузка на подшипник из ДП будет вызывать только временные упругие деформации на поверхности трения, то такие подшипники окажутся надежными и работоспособными.

Рисунок 3. Зависимость критерия сближения пары трения металл-ДП в зависимости от температуры:

1 — максимальный критерий сближения ; 2 — критерий сближения в пределах упругих деформаций; 3 — минимальный критерий сближения

В заключении можно сделать следующие выводы.

1.  Твердость ДП практически не зависит от анизотропии и при действии нагрузки в торцевом направлении к волокнам (торцевая твердость) в интервале температур от +20 до –100 ⁰С увеличивается с 133 до 405 МПа.

2. Временные упругие и остаточные деформации в небольшой степени зависят от анизотропии ДП. Максимальное значение отклонения деформаций для различных направлений действия нагрузок по отношению к волокнам не превышают 10 %. Причем временные упругие деформации с понижением температуры увеличиваются, а временные остаточные — уменьшаются.

3.  Повышение твердости и увеличением временных упругих деформаций понижает критерий относительного сближения трущихся поверхностей пары металл-ДП, что позволяет применять подшипники из ДП в узлах трения, испытывающих значительно большие нагрузки, чем при обычных температурах.

Список литературы:

1  Аксенов А.А. Влияние отрицательных температур на твердость прессованной древесины [Текст] / А.А. Аксенов // Известия высших учебных заведений «Лесной журнал». — 2010. — № 6. — С. 133—137.

2  Аксенов А.А. Повышение надежности подшипников лесных машин, работающих при отрицательных температурах [Текст]. Автореф. канд. диссер. / А.А. Аксенов — Воронеж: Воронежск. гос. лесотехн. акад., 2003. — 18 с.

3  Винник Н.И. Модифицированная древесина [Текст] / Н.И. Винник. — М.: Лесн. промышленность, 1980. — 158 с.

4  ГОСТ 13338-86. Древесина модифицированная. Метод определения твердости, временных упругих и временных остаточных деформаций [Текст]. — Введ. 1986-03-01. — М.: Изд-во стандартов, 1986. — 8 с.

5  Крагельский И.В. Трение и износ [Текст] / И.В. Крагельский. –2-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1968. — 480 с.

6  Михин Н.М. Трение в условиях пластического контакта [Текст] / Н.М. Михин. — М.: Изд-во «Наука», 1968. — 104 с.