Партнеры журнала:

Лесная наука

Детали трения из уплотненной древесины

Подшипники с деревянными втулками и вкладышами были в ходу на протяжении многих столетий. Еще в эпоху Возрождения Леонардо да Винчи разработал конструкции подобных подшипников, которые и в наше время используются в механизмах водяных мельниц, подъемных ворот, опорах шлифовальных кругов и прочих.

В настоящее время в России деревянные подшипники разного назначения (для прокатных станов, опор корабельных гребных винтов, например, для современной подводной лодки проекта 636 «Варшавянка», гидравлических турбин и т. д.) изготавливают из древесины бакаута. У этой тропической породы плотность 1,1-1,4 г/см3, чем и объясняются ее уникальные эксплуатационные свойства, так как плотность древесины определяет ее прочность. Однако стоимость 1 м3 древесины бакаута от $30 до 80 тыс. Поэтому рационально при изготовлении деталей узлов трения использовать уплотненную древесину тополя, осины, ольхи, показатели прочности которой после облагораживания методом прессования возрастают в 8-10 раз по сравнению с естественной.

Изготовление деталей узлов скользящего трения, или, другими словам, втулок и вкладышей подшипников скольжения, является одним из направлений использования древесины, модифицированной уплотнением.

Практика применения изделий из уплотненной древесины показывает, что использование 1 т этого материала в узлах трения может заменить 6-7 т бронзы, 15-20 т чугуна и 6-8 т стали. Вкладыши подшипников скольжения из модифицированной древесины надежно работают в абразивной среде, в водной и агрессивных средах. Стоимость уплотненной древесины как материала для изготовления втулок узлов трения ниже стоимости чугуна в 3 раза, стали - в 5 раз, бронзы - в 20 раз, текстолита - в 2,5 раза. Немаловажным положительным фактором использования уплотненной древесины является снижение веса узлов трения.

Создание производственных участков по изготовлению заготовок и деталей из уплотненной древесины не требует значительных инвестиций. Площадь подобного участка 30-50 м2. Несложная оснастка к серийному прессовому оборудованию может быть изготовлена силами работников местных механических мастерских. Обслуживают участок два-три рабочих средней квалификации.

В качестве сырья для изготовления заготовок из уплотненной древесины используются отходы древесины, которые неизбежно накапливаются в результате производственных процессов не только на деревообрабатывающих, но и на металлообрабатывающих предприятиях. При организации довольно крупных производств в качестве сырья можно использовать древесину молодых тонкомеров мягких лиственных пород диаметром, близким к диаметру черновых заготовок (в основном в виде жердей). Древесина возраста 8-15 лет эластичнее и податливее при сжатии поперек волокон, чем более возрастная древесина. Процесс уплотнения подобной древесины протекает с меньшей вероятностью микроразрушений по сравнению с обработкой более старой древесины.

Применение уплотненной древесины в узлах трения обусловлено следующими ее свойствами (на примере использования древесины березы со степенью уплотнения 0,50-0,55): плотность 1,1-1,2 см3/г; предел прочности при сжатии вдоль волокон 110-120 МПа; то же при сжатии поперек волокон 700-750 МПа; твердость торцовой поверхности по Бринеллю 18-25 НВ; твердость боковой поверхности (поперек волокон) по Бринеллю 9-12 НВ; предел тепловой стойкости 130оС; долговечность пары «сталь - уплотненная древесина» в 4-10 раз выше долговечности бронзы; способность гасить статическое электричество, вибрационную и ударную нагрузку; бесшумность работы; способность поглощать и удерживать смазку. Последняя обеспечивает коэффициент трения пропитанной маслом уплотненной древесины в паре со сталью в пределах 0,06-0,008. Поглощенное древесиной масло затрудняет проникновение в нее влаги, что значительно повышает гидрофобность уплотненной древесины, в результате чего повышается и надежность работы деталей при переменной влажности окружающей среды.

Рис. 1. Втулки узлов скользящего трения
Рис. 1. Втулки узлов скользящего трения

В Российской Федерации и за рубежом разработаны разные способы прессования и пропитки сырой и сухой древесины, а также формообразования заготовок деталей узлов трения (в основном втулок) путем прессования и гнутья.

На рис. 1 представлены некоторые типы втулок подшипников скольжения, изготовленные из уплотненной древесины.

Рис. 2. Устройство для изготовления цилиндрических секторов
Рис. 2. Устройство для изготовления цилиндрических секторов

Втулки, изображенные на рис. 1а, получают контурным прессованием. Они хорошо воспринимают ударные и динамические нагрузки, но у них низкая износостойкость. Втулки (рис. 1б и 1в) получают торцевым или продольным гнутьем полуколец с последующим их склеиванием. Они обладают более высокими эксплуатационными характеристиками, но гнутье полуколец - сложная и малопроизводительная операция. Наилучшие эксплуатационные характеристики у секторных втулок (рис. 1г). Подобная конструкция втулки гарантирует радиальное (по отношению к поверхности вала) расположение волокон древесины, что создает наиболее благоприятные условия для восприятия деталью нагрузок и обеспечивает ее высокую износостойкость. Однако изготовление секторов, склеивание их в кольцо - чрезвычайно трудоемкая и малопроизводительная операция.

Последовательность изготовления втулки, изображенной на рис. 1г, представлена на рис. 2 и 3.

Рис. 3. Технология сборки втулки из секторов прессованной древесины
Рис. 3. Технология сборки втулки из секторов прессованной древесины: а – перепресовка из хомута в пресс-форму; б – начало подпрессовки; в – выпрессовка из пресс-формы (1 – пресс-форма, 2 –заготовка втулки, 3 – пуансон, 4 – гайка, 5 – хомут, 6 – болт, 7 – подставка)

На первом этапе изготавливают секторы в устройстве, представленном на рис. 2. На опорную площадку между губками пресс-формы устанавливают матрицу с разделительной планкой и пуансоном. Пресс-форму помещают на стол гидравлического пресса, приподнимают пуансон и укладывают на опорные плоскости матрицы заготовки из натуральной древесины в виде брусков. Затем пуансон опускают до соприкосновения с заготовками (на рис. 2 это начало прессования).

Затем выполняют уплотнение древесины (на рис. 2 это конец прессования), в результате чего ее плотность повышается в два-три раза по сравнению с исходной. Полученные секторы выдерживают под давлением и передают для сборки заготовки втулки.

Второй этап сборки втулки включает следующие операции (рис. 3): нанесение клея на стыковые поверхности секторов; сборку секторов в заготовку втулки - секторы помещают в хомут, стягиваемый болтом и гайкой; перепрессовку заготовки втулки из хомута в цилиндрическую пресс-форму с сердечником, где осуществляется его прессование пуансоном в осевом направлении до необходимого размера; выпрессовку из пресс-формы заготовки втулки в подставку на втором прессе.

Рис. 4. Последовательность сборки втулок с вкладышами
Рис. 4. Последовательность сборки втулок с вкладышами

Предлагается менее трудоемкий и более производительный способ производства секторных втулок (рис. 4). Из натуральной древесины вытачивают цилиндрическую заготовку (рис. 4а), в которой прорезают (например, на фрезерном станке с делительной головкой) радиально расположенные пазы, число и ширина которых определяются назначением втулки.

В пазы устанавливают вкладыши из прессованной древесины, противоположные пласти которых смазаны клеем, причем b < h (рис. 4б). Ориентация волокон древесины всех вкладышей радиальная. Отметим, что прессование вкладышей до заданной степени прессования осуществляют до их монтажа в обойму на отдельном прессе и ведут наиболее технологичным способом - осевым сдавливанием бруска-заготовки вкладыша поперек волокон. Подобный способ прессования позволяет достичь наибольшей степени уплотнения древесины при наименьших затратах. Внутренние напряжения в прессованном вкладыше с прямоугольным поперечным сечением распределяются равномернее по сравнению с распределением напряжений во вкладышах с поперечным сечением в виде сектора.

Заготовку с начальным радиусом Rн и установленными вкладышами подвергают радиальному прессованию до получения заданного размера Rк (рис. 4в).

Прессованную заготовку сверлят с получением размера Dвн.изд. (рис. 4г) и выполнением условия: Dвн.изд. > Dвп, где Dвн.изд. - внутренний диаметр готовой втулки. Готовое изделие укладывают в ванну с обезвоженным минеральным маслом комнатной температуры и выдерживают в течение 5-12 суток (в зависимости от объема древесины втулки).

Пропитка готового изделия, выполненного по предлагаемой технологии, возможна и как завершающая операция, при которой пропитываются вкладыши (в меньшей степени) и секторы (рис. 4г), расположенные между вкладышами. Эти секторы являются основными масляными резервуарами, обеспечивающими смазку трущихся поверхностей узла трения в период эксплуатации.

Готовую деревянную втулку запрессовывают в стальное кольцо. Полученные секторные подшипники при увлажнении не меняют своих размеров. Силы, развивающиеся при разбухании древесины в направлении поперек волокон, поглощаются обоймой и создают прочную напряженную систему «сталь - древесина».

Реализация предлагаемой технологии изготовления втулок с вкладышами в виде прессованных параллелепипедов значительно дешевле и проще, чем известная технология сборки втулок из прессованных секторов.

Рис. 5. Фасонные детали узлов трения из уплотненной древесины
Рис. 5. Фасонные детали узлов трения из уплотненной древесины

Предлагаемая технология не требует изготовления отдельных пресс-форм (рис. 2 и 3) для каждого типоразмера втулок, позволяет максимально повысить плотность прессованной древесины вкладышей, снижает внутренние напряжения клееной конструкции, улучшает условия смазки, что в целом повышает эксплуатационные характеристики узлов трения.

В заключение следует добавить, что применение способа установки закладных вкладышей в тело заготовки с прорезанными пазами позволяет изготавливать также и фасонные втулки, например, конические (рис. 5а), а также детали трения для ползунов и направляющих (рис. 5б).

Представляется перспективным использование в виде вкладышей пластин из уплотненного шпона. Способ использования закладных вкладышей при изготовлении деревянных узлов трения защищен авторским свидетельством на изобретение.

Алексей БИРМАН, д-р техн. наук,
 проф. Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета