CC BY
39
УДК: 678.675/126:621.893
B.C. Кох-Татаренко, Н.Ф. Майникова*, О.И. Кладовщикова, К.С. Пиминова, Ю.А. Шабалтас, Т.П. Кравченко**
Тамбовский государственный технический университет, Тамбов, Россия 392620, Тамбов, Советская, д.106 * e-mail: teplotehnika@nnn.tstu.ru
Российский химико-технологический университет им. Д.И.Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, Миусская пл., д.9 ** e-mail: kravchenkopolimer@gmail.com
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛИАМИДА
АНТИФРИКЦИОННЫХ СВОЙСТВ АРМИРОВАННОГО
Представлено исследование пар трения применительно к радиальным подшипникам скольжения, содержащим элементы конструкции из полимерных материалов. Показана целесообразность введения в полиамид синтетических волокон Аримид.
Ключевые слова: пара трения, подшипник скольжения, полимерные композиционные материалы.
Повышение надёжности и долговечности машин является одной из проблем машиностроения. Экономическое значение этой проблемы очевидно, так как главной причиной выхода из строя машин является не их поломка, а износ подвижных сопряжений и рабочих органов под влиянием сил трения.
Задача, связанная с фрикционной нестойкостью и снижением теплонапряжённости узлов трения, может быть решена путем применения материалов, в которых в качестве матрицы используется термостойкий полимер, а в качестве наполнителя -высокопрочные волокнистые материалы
армирующего и антифрикционного назначения. Введение такого рода наполнителей в полимеры приводит к упрочнению слоёв, расположенных за фрикционными. На поверхности раздела металла и композита создается промежуточной слой пленки с низкой прочностью на сдвиг [1].
Некоторые виды композитов со специальными свойствами в значительной степени зависят от выбора армирующего волокнистого наполнителя. Армированные полимерные материалы со специфическими механическими, физическими и другими свойствами получают, используя специальные волокна, к которым в основном относятся органические волокна. Армированные полимерные материалы с высоким уровнем механических свойств получают с использованием волокнистых наполнителей на основе высокопрочных, а также сверхпрочных и сверхмодульных волокон и нитей - парарамидных, стеклянных, углеродных, карбидных, борных и других [2].
Композиционный полимерный материал, работающий в паре трения с металлом, должен обладать высокими показателями теплопроводности и термостойкости, жесткости и механической прочности. Композит должен быть устойчив к воздействию влаги, а также способен образовывать
устойчивые пленки из продуктов износа с низким коэффициентом трения и высокой адгезией поверхности композита к таким плёнкам. Для полимера, работающего в паре трения с металлом, когда затруднен отвод выделяющейся теплоты из зоны трения, присутствует пластификация или химическая модификация поверхности. Ресурс подшипниковых соединений (качения и скольжения), в особенности для
сельскохозяйственной техники, всегда ниже расчетного и находится соответственно в пределах 2300 - 3800 ч и 1200-1600 ч. Эти показатели явно недостаточны, так как в сравнении с импортной техникой они в 2-5 раз ниже.
Создать универсальный материал,
работоспособный в узлах трения без смазки и обладающий широким спектром физико-механических, теплофизических и
триботехнических свойств, является трудной задачей. Разработать материал с комплексом определенных свойств для конкретного узла трения стало возможным за счет применения композиционного подхода при формировании будущего материала.
В данной работе представлено исследование пар трения машин применительно к радиальным подшипникам скольжения, содержащим элементы конструкции из полимерных материалов. Процесс трения без смазки изучали на лабораторной установке в диапазоне давления 8-32 МПа и скорости скольжения 0,0035 - 0,02 м/с. Выбор данных режимных характеристик при фрикционных испытаниях пар трения обусловлен необходимостью передавать больше энергии с помощью компактных механизмов. Многие пары трения машин работают в тяжелых режимах трения, в условиях, когда смазка является нежелательной.
В работе выбрана схема испытаний с контактом по образующей. Эффективность функционирования лабораторной установки обеспечена применением
обобщенных условий эксплуатации применительно к радиальным подшипникам скольжения на модельных образцах. При исследовании зависимости коэффициента трения от давления и скорости скольжения в качестве контртела использовали ролик диаметром 60 мм. изготовленный из стали 45, термообработанной до твердости 42 - 45 ЫЯС. Шероховатость рабочей поверхности металлического ролика
характеризовалась параметром И = 0,32 - 0,63.
Исследованы антифрикционные свойства материалов на основе полиамида-12 (ПА12), в состав которого были введены синтетические волокна Аримид Т [3-5]. Благодаря способности формировать гладкую поверхность переноса (плёнку) с высокими антифрикционными свойствами ПА 12 используется в производстве подшипников.
Однако, поскольку сдвиговая прочность плёнки из чистого полимера недостаточна, то без армирования она быстро удаляется с металлического контртела, что ведет к быстрому износу полимерной детали.
Выбор данного волокнистого наполнителя определялся его физико-механическими свойствами и химическим сродством с полимерной матрицей, при котором возможно возникновение эффекта самоармирования.
Образцы-колодочки для испытаний (размером 4x10x15 мм) из ПА 12 и композита на его основе получали прессованием. Рабочую поверхность пластмассовых образцов шлифовали до получения ровной матовой поверхности.
Режим определения антифрикционных показателей: давление - 15 МПа; площадь контакта - 40 мм2 ; скорость скольжения - 0,02 м/с; путь трения - 9,4 м (табл. 2).
Ранее было показано, что твердость, разрушающее напряжение при растяжении, относительное удлинение при разрыве полимерного волокнистого наполнителя играют решающую роль при оценке износостойкости композита.
Полученные данные свидетельствуют о том, что перечисленные свойства влияют на фрикционную стойкость ПА12, наполненного волокном Аримид Т. Достаточно большой размер армирующих волокон свидетельствует о том, что на прочностные свойства таких армированных материалов влияют и деформационные характеристики самого армирующего элемента. Кроме того, синтетическое волокно воздействует и на структуру полиамидной матрицы композита. Введение наполнителя увеличивает жёсткость ПА12, что связано с уменьшением подвижности сегментов
макромолекул на поверхности наполнителя и усилением полимерной матрицы.
Таблица 1. Свойства материалов на основе ПА12
Материал Твердость по Бринеллю, МПа Ударная вязкость, кДж/м2 Разрушающее напряжение, МПа Теплостойкость по Вика, °С нагрузка 10 Н Коэффициент трения
Растяжение Сжатие Изгиб
ПА12 90 90 47 56 60 160 0,135
ПА 12+10% Аримид Т 110 87 60 65 72 175 0,06
Таблица 2. Зависимость коэффициента трения от давления
Режим трения Коэффициент трения при различных нагрузках Давление, МПа
8 10 15 20 25 30 32
ПА12 0,15 0,145 0,143 0,14 0,135 0,13 0,13
ПА 12+10% Аримид Т 0,075 0,073 0,07 0,065 0,06 0,06 0,06
Полиамид-12 остается стабильным в высокотемпературных влажных средах и обладает отличными показателями скольжения и эластичности, что позволяет применять его для изготовления амортизаторов, втулок, роликов, поршней, деталей шнеков, колес, подвижных блоков.
Износ армированного ПА12 снижается по сравнению с износом исходного полимера, что объясняется доминированием термомеханических процессов при критических режимах трения без смазки, повышением прочности и уменьшением абразивного эффекта.
Деформационная теплостойкость наполненного композита на основе ПА 12 возрастает, что
объясняется образованием более плотно упакованного пограничного слоя на поверхности волокна, армирующего полимер [4].
При тяжёлых (критических) режимах трения надмолекулярная структура полимера
деформируется и кристаллиты становятся более мелкими, вследствие чего коэффициент трения уменьшается [5]. Коэффициент трения по стали армированного ПА12 ниже в 2 раза, чем у исходного материала (табл. 2).
Таким образом, показана целесообразность введения в полиамид-12 синтетических волокон Аримид Т с целью улучшения антифрикционных свойств применительно к радиальным
подшипникам скольжения.
Кох-Татаренко Вадим Станиславович, студент 4 курса Тамбовского государственного технического университета, Россия, Тамбов.
Майникова Нина Филипповна, д.т.н., профессор Тамбовского государственного технического университета, Россия, Тамбов.
Кладовщикова Ольга Игоревна, студентка 4 курса кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва.
Пиминова Ксения Сергеевна, студентка 3 курса кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва.
Шабалтас Юлия Андреевна, студентка 4 курса кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва.
Кравченко Татьяна Петровна, к.т.н., в.н.с. кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д.И.Менделеева, Россия, Москва.
Литература
1. Дроздов, Ю.Н. Трение и износ в экстремальных условиях: Справочник / Ю.Н. Дроздов, В.Г. Павлов, В.Н. Пучков. - М.: Машиностроение, 1986. - 224 с.
2. Перепелкин КЕ. Армирующие волокна и волокнистые полимерные композиты. - СПб.: Научные основы и технологии, 2015. - С. 249 - 264.
3. Кербер М.Л., Майникова Н.Ф., Воробьёв Ю.В., Кравченко Т.П. Антифрикционный материал на основе ПА-12// Пластические массы. - 1985. - №10. - С.14-15.
4. Кербер М.Л., Майникова Н.Ф., Воробьёв Ю.В., Кравченко Т.П. и др. Антифрикционные свойства ПА-12, армированного волокнистыми наполнителями // Пластические массы. - 1984. - №7. - С. 9-10.
5. Валецкая Н.Я., Кербер М.Л, Кравченко Т.П., Акутин М.С., Ткачева B.C. Переработка термопластов, наполненных полимерными волокнами // Пластические массы. - 1978. - №2. - С.38-39.
Koch-Tatarenko Vadim Stanislavovich, Mainikova Nina Filippovna*, Kladovschikova Olga Igorevna, Piminova Kseniya Sergeevna, Shabaltas Julia Andreevna, Kravchenko Tatyana Petrovna**
Tambov State Technical University, Tambov, Russia * e-mail: teplotehnika@nnn.tstu.ru
D.I.Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. **e-mail: kravchenkopolimer@gmail.com
THE STUDY OF ANTIFRICTION PROPERTIES OF THE REINFORCED POLYAMIDE
Abstract
The research into machine friction pair related to plain journal bearings containing structural elements made from polymer materials is presented. Desirability of injection of synthetic fibers such as arimid is shown.
Key words : friction, plain bearer, polymer composite materials.
