Влияние степени уплотнения на твердость прессованной древесины при отрицательных температурах

Библиографическое описание статьи для цитирования:
Аксенов А. А. Влияние степени уплотнения на твердость прессованной древесины при отрицательных температурах // Научно-методический электронный журнал «Концепт». – 2013. – Т. 3. – С. 1186–1190. – URL: http://e-koncept.ru/2013/53240.htm.
Аннотация. Определены значения твердости прессованной древесины с учетом анизотропии при температурах от +20 до -100 °С и торцевых поверхностей прессованной древесины при увеличении ее степени уплотнения от 0 до 0,57. Установлена эмпирическая зависимость для расчета твердости прессованной древесины в зависимости от степени уплотнения и температуры.
Комментарии
Нет комментариев
Оставить комментарий
Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы комментировать.
Текст статьи
Аксенов Алексей АлександровичКандидат технических наук, доцент кафедры производства, ремонтаи эксплуатации машин ФГБОУ ВПО «Воронежская государственнаялесотехническая академия», г. Воронежaaaaksenov@mail.ru

ВЛИЯНИЕ СТЕПЕНИ УПЛОТНЕНИЯ НА ТВЕРДОСТЬПРЕССОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫПРИ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Определены значения твердостипрессованной древесины с учетом анизотропии при температурах от +20 до 100 0С иторцевых поверхностей прессованной древесины при увеличении ее степени уплотнения от 0 до 0,57. Установлена эмпирическая зависимость для расчета твердости прессованной древесины в зависимости от степени уплотненияи температуры.

Прессованная древесина, твердость, узел трения, отрицательная температура.

Узлы трения являются ответственными и, в то же время, уязвимыми конструктивными элементами машин и механизмов, часто определяющими их надежность и ресурс. Эксплуатация их неизбежно связана с протеканием процессов изнашивания, интенсивность которых зависит от свойств материалов деталей, технологической подготовки поверхностей и их качества, от условий работы узла трения: нагрузки, скорости, температуры, смазки и др. Снижение интенсивности изнашивания является одной из самых острых проблем современности. Свыше 80 % отказов машин происходит изза износа узлов и деталей. Потери средств от трения и износа в развитых государствах достигают 4…5 % национального дохода, а преодоление сопротивления трения поглощает вовсем мире 20…25 % вырабатываемой за год энергии [1]. Эксплуатация узлов трения многих машин и механизмов в различных отраслях промышленности протекает в абразивных, агрессивных и влажных средахв различных диапазонах температур. Одним из лучших антифрикционных материалов, способных работать в таких условиях является прессованная древесина.В настоящее время существуют различные способы прессования древесины: одноосное и контурное прессование, торцовое и продольное гнутье [2]. Это позволяет увеличить плотность поверхности трения древесных вкладышей до 57 %. Следовательно, возрастает твердость контактных поверхностей. Это обуславливает увеличение прочности, нагрузочной способности и износостойкости древесных вкладышей. Поэтому для получения заданных свойств подшипников из прессованной древесины необходимо иметь определенную твердость поверхности трения.Стандарт ГОСТ 1333886 устанавливает метод определения статической твердости прессованной древесины. Сущность метода состоит в определении глубины отпечатка стального шарикадиаметром 5 ммпри внедрении его в образец размерами 15×15×45 мм или втулку внутренним диаметром не менее 50 мм с толщиной стенки более 3 мм размерами 15×3×45 мм [3].В работе [4]проведены экспериментальные исследования зависимости твердости прессованной древесины от температуры с учетом анизотропии материла. Для испытаний были выбраны образцы прессованной древесины березы со средней степенью уплотнения�= 0,5.Испытания проводились при температурах +20, 0, 20, 50 и 1000С. В соответствии с требованиями точности число повторных опытов для каждой точки испытаний было принято равным 14 при доверительном интервале не менее 96%.Для определения твердостипрессованной древесиныприменялась экспериментальная установка, схема которой представлена на рис.1.

Рисунок 1‬Схема экспериментальной установкидля определения твердостив зависимости от температуры:1 ‬двуплечий рычаг; 2 ‬опора; 3 ‬реверсивный двигатель;4 ‬фрикционная передача; 5 ‬конечный выключатель; 6 ‬винт; 7 ‬груз; 8 ‬рычаг;9 ‬переключатель; 10 ‬станина; 11 ‬кнопкавключения; 12 ‬кнопка выключения;13, 14 ‬сигнальные лампочки управления; 15 ‬индикатор; 16 ‬шток;17 ‬упор;18 ‬противовес; 19 ‬сосуд Дьюара; 20 ‬изолированнаятрубка;21 ‬предохранительный клапан; 22 ‬магнитный клапан; 23 ‬крышка;24 ‬термокриокамера; 25 ‬винт;26 ‬шарик (индентор); 27 ‬образец;28 ‬подставка; 29 ‬винтовой подъемник; 30 ‬реле времени;31 ‬источник питания;32 ‬электронный регулятор установки теплахолода;33 ‬регулятор напряжения

Рычажная система нагружения выполнена в виде двуплечего рычага 1, шарнирно закрепленного на опоре 2. Сверху в начале длинного плеча двуплечего рычага установлен реверсивный двигатель 3 с фрикционной передачей 4 и прикрепленного к ним конечным выключателем 5, кинематически связанным с двигателем винтом 6, с помощью которого перемещается грузом 7. На конце длинного плеча двуплечего рычага 1 установлен рычаг 8 переключателя 9. На конце короткого плеча двуплечего рычага укреплен уравновешивающий систему противовес 18. Снизу на длинном плече двуплечего рычага 1 шарнирно закреплен шток 16 крепления шарика(индентора).На пульте управления, прикрепленном к станине 10, располагаются кнопки включения 11 и выключения 12 прибора и сигнальные лампочкиуправления 13 и 14.К станине крепится индикатор 15 для замера глубины отпечатков. Индикатор 15 взаимодействует со штоком 16 через упор 17, прикрепленный к штоку.Для изменения температуры азот из сосуда Дьюара 19 по изолированной трубке20через предохранительный клапан 21 и магнитный клапан 22, прикрепленный к крышке 23, подается в термокриокамеру 24.Через изоляционную стенку термокриокамеры 24 проходит винт 25, перемещающий (координирующий) положение образца в камере по отношению к шарику 26. Образец 27 при испытании перемещается винтом 25 в направляющих так, что отпечатки шарика в располагаются в ряд на расстоянии 5 мм. Термокриокамера 24 устанавливается на подставку 28 винтового подъемника 29.В нижнем коробе станины 10 расположено реле времени 30, которое с помощью разъема и кабеля присоединяется к источнику питания 31. Термокриокамера 24 разъемом и кабелем соединяется с передвижным электронным регулятором 32 установки теплахолода. Для электропитания переменного напряжения нагревателей, входящих в установку теплахолодаслужит регулятор напряжения 33.При проведении испытаний образециз прессованной древесины стандартных разметов устанавливается на дно термокриокамеры 24 (рис. 1)и с помощью винтового подъемника 29 создается предварительная нагрузка на шарик, равная 10 Н.Затем шкала индикатора прибора устанавливается на нуль, после чегос помощью рычажного механизмаплавно увеличивается нагрузка на шарик до 250 Н в течение 30 с и выдерживается в течение 30 с, послечегонагрузка в течение 30 с плавноуменьшается до 10 Н. После снятия нагрузки делается выдержка до тех пор, пока стрелка индикатора не остановится, т.е. произойдет восстановление и только после этого замеряется глубина восстановленного отпечатка.Глубина отпечатка измеряется с погрешностьюне более 0,002 мм.Твердость прессованной древесины определялась по формуле [3]:

�=�2ߨ�ℎ,



















































(1)

где �‬твердость, Па;�‬нагрузка, приложенная к шарику, Н;�‬радиус шарика, м; ℎ‬глубина восстановленного отпечатка, м.Так как древесина, в том числе и прессованная, представляет собой анизотропный материал, исследования твердости проводились в различном направлении приложения нагрузки по отношению к расположению волокон для каждой экспериментальной температурной точки в соответствии с ранее изложенной методикой.По результатам экспериментальных исследований построены графики зависимости твердости прессованной древесиныв различном направлении к волокнамот температуры, которые представлены на рис. 2.

Рисунок2‬Зависимостьтвердости прессованной древесиныот температуры:1 ‬в радиальном направлении к волокнам;2 ‬в тангенциальном направлении к волокнам;3 ‬в торцевом направлении к волокнамАнализируя графики, представленные на рис. 2,можно сделать следующие выводы:1 С понижением температуры от +20 до 100 0С твердость прессованной древесиныувеличивается:‬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 Наибольшую абсолютную величину имеет твердость в торцевом направлении к волокнам прессованной древесины, следовательно торцевая поверхность предпочтительнее для использования в качестве поверхности трения.3Анизотропия древесины оказывает незначительное влияние на характер изменениятвердости в интервале температур от +20 до 1000С.Так как торцевая поверхность трения является оптимальной, по результатам экспериментальных данных изменения торцевой твердости прессованной древесиныв интервале температурот +20 до 1000С получена аналитическая зависимость [5]:

�т=158,34�−0,0093�,











































(2)

где �т‬торцевая твердость прессованной древесины, МПа; �‬температура, 0С.

Для определения зависимости твердости прессованной древесины от степени уплотнения исследования проводились на экспериментальной установке, описанной ранее[4]. Для проведения измерений была подготовленапартияобразцов изготовленныхиз натуральной и прессованной древесины березыв соответствии с ГОСТ 1333886 размерами 15×15×45 мм[3].Каждый образец взвешивался до и после уплотнения для определения плотности и расчета степени уплотнения по формуле:

�=lnߩ1ߩ0,





















































(3)

где �‬степень уплотнения прессованной древесины; ߩ1‬плотность после уплотнения, кг/м3; ߩ0‬плотность до уплотнения (натуральнойдревесины), кг/м3.

Степень уплотнения образцов �принимала следующие значения: 0,12; 0,15; 0,18; 0,25; 0,35; 0,50; 0,57. В соответствии с требованиями точности число повторных опытов для каждого значения степени уплотнения было принято равным 12при доверительном интервалене менее95%.Измеренияпроводились при температуре +20 0С только в торцевом направлении к волокнам, так как торцевая поверхность является оптимальной для трения. Твердость определялась в соответствии с ранее описанной методикой по формуле (1).В результатеэкспериментальныхисследований определена твердость прессованной древесины березы в зависимости от степени уплотнения и построен график зависимости, представленный нарис. 3.Установлено, что увеличение степени уплотнения до уровня0,57 приводит к возрастанию твердости до 147 МПа торцевой поверхности прессованной древесины.Анализируя графическую зависимость твердости прессованной древесины от степени ее уплотнения можно сделать предположение, что в пределах степени уплотнения от 0 до 0,6 твердость изменяется по линейной зависимости (на рис. показана пунктирной линией), т.е. твердость прямолинейно зависит от степени уплотнения древесины.

Рисунок3‬Зависимость торцевой твердости прессованной древесиныот ее степени уплотнения

Методом аппроксимации установленаэмпирическаязависимостьтвердости �от степени уплотнения �:

�т=134,2�+69,91,













































(4)

где �т‬торцевая твердость прессованной древесины, МПа; �‬степень уплотнения.

Таким образом, рассчитав степень уплотнения прессованной древесины по формуле (3), можно определить торцевую твердость прессованной древесины по формуле (4). Однако это не позволяет определить твердость при конкретной температуре.Для сопоставления формул (2) и (4) необходимо ввести коэффициенткорреляции�, зависящий от степени уплотнения. Такой коэффициент был найденграфическим методом и определяется по формуле:

�=1,0277�+0,5235,











































(5)

где �‬коэффициент корреляции; �‬степень уплотнения.

Тогда формула для расчета торцевой твердости прессованной древесины в зависимости от степени уплотнения и температуры запишется в виде:

�т=158,34�−0,0093�∗(1,0277�+0,5235).





























(6)Выводы1 Определены зависимости твердости прессованной древесины с учетом анизотропии от температуры.2 Установлено, что наиболее целесообразно использовать торцевую поверхность прессованной древесины как поверхность трения.3 Получена эмпирическая зависимость торцевой твердости прессованной древесины от температуры в интервале от +20 до 100 0С.4 Экспериментально определена зависимость торцевой твердости прессованной древесины от степени уплотнения, получена эмпирическая зависимость.5 Выведена формула для определения торцевой твердости прессованной древесины в зависимости от степени уплотнения и температуры в интервале от +20 до100 0С.

Библиографический список1 Богданович, П.Н. Трение и износ в машинах: учеб. для вузов [Текст] / П.Н. Богданович, В.Я. Прушак. ‬Мн.: Выш. шк., 1999. ‬374 с.: ил.2 Винник Н.И. Модифицированная древесина [Текст] / Н.И. Винник. ‬М.: Лесн. промышленность, 1980. ‬158 с.3 ГОСТ 1333886.Древесина модифицированная. Метод определения твердости, временных упругих и временных остаточных деформаций [Текст]. ‬Введ. 19860301. ‬М.: Издво стандартов, 1986. ‬8 с.4 АксеновА.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.5 Аксенов А.А. Влияние отрицательных температур на твердость прессованной древесины[Текст]/ Аксенов А.А. // Известия высших учебных заведений «Лесной журнал». ‬2010. ‬№6. ‬С. 133137.



Aksenov Alexey AleksandrovichCandidate of Technical Sciences, associate professor of production, repairand operation of Voronezh StateAcademy of Forestry Engineering, Voronezhaaaaksenov@mail.ru

INFLUENCE OF EXTENT OFSEALING ON HARDNESSTHE PRESSED WOOD AT SUBZEROTEMPERATURES

Values of hardness of the pressed wood taking into account anisotropy are defined at temperatures from +20 to100 of 0C and face surfaces of the pressed wood at increase in its extent of sealing from 0 to 0,57. Empirical dependence for calculation of hardness of the pressed wood in dependence on extent of sealing and temperature is established.

The pressed wood, the hardness, the friction knot, the subzerotemperature.