CC BY
36
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
УДК 621.891:532.517 0 Д. МАМАЕВ
Ю. К. МАШКОВ Б. Т. ГРЯЗНОВ А. А. БАЙБАРАЦКИЙ Р. И. КОСАРЕНКО
Омский танковый инженерный институт Сибирская государственная автомобильно -дорожная академия, г. Омск ООО «НТК Криогенная техника», г. Омск
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПОЛИМЕРНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА В УСЛОВИЯХ УСКОРЕННОГО СТАРЕНИЯ
Экспериментально исследованы работоспособность и долговечность нового полимерного композиционного материала на основе политетрафторэтилена. Показано, что после длительной выдержки в условиях повышенной температуры и всес тороннего сжатия он сохраняет свои механические и триботехнические свойства, что позволяет применять его для повышения надежности и ресурса герметизирующих устройств машин.
Ключевые слова: полимерный композиционный материал, работоспособность, старение.
В процессе эксплуатации и хранения машин про- тактируют с рабочей и окружающей средами, при-
исходитстарение материала уплотнительных племен- чем некоторые среды являются химически активны-
тов герметизирующих устройств. В большинстве слу- ми (агрессивными) или действуют как катализаторы
чаев это полимеры или полимерные композиционные химических реакций (11. что значительно ускоряет
материалы (ПКМ). Поддействием внутренних напря- старение материалов.
жений и различных внешних факторов физическое В условиях трения па уплотнительные элементы
состояние и химический состав материалов изменя- действуют механическая энергия деформации тре-
ются, поэтому при длительной эксплуатации и хра- ния. энергия механических волн, выделяющаяся при
нении также изменяются стандартные показатели вибрации, звуковых и ультразвуковых колебаниях
свойств материалов. Уплотнительные элементы кон- деталей грибосистем. В результате этих воздействий
МАШИИОСтХММ И МАШИНОМДЕНИС ОМСШЙ НАУЧНЫЙ ХСТНИК №1 ап. 2009
Рис. I. Универсальное приспособление-контейнер для испытания обранцоп ПКМ
Рис. 2. Плавающий поршень гидропневматического устройства:
I - уплотнительный элемент; 2 - резиновый эспандер; 3 - направляющая втулка; 4 - корпус поршня
в ПКМ происходят физико-химические изменения структуры вследствие сорбционного и диффузного массообменакомпонента ПКМ VI среды, химической деструкции полимерной матрицы, а также процессов, протекающих при деформации и трении.
Изменения физического характера проявляются втечение нескольких часов или суток в изменении массы (набухании) материала, характеристик механических свойств (предел прочности, модуль упругости, относительное удлинение) и температур перехода (температуры стеклования Т( и хрупкости Тхр) полимера в иное физическое состояние. Химическая и механохимическая деструкция материала происходит в течение очень длительного времени, и характеристики материала достигают предельно допустимых значений после нескольких лет эксплуатации (2-4). Эти изменения структуры и свойств ПКМ в конечном итоге значительно снижают работоспособность и долговечность металлополимерных герметизирующих устройств машин, например гусеничных и колесных, и другой техники.
Цель работы - исследование влияния режимов механического и теплового нагружения на характеристики механических и триботехнических свойств и структуру ПКМ на основе политетрафторэтилена.
ОбъекШ-И методы исследований - Объектами исследования служили новый антифрикционный композиционный материал па основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) с дисперсным и волокнистым углеродным наполнителями |5| и герметизирующее устройство пневмогидроцилиндра (6) гусеничной машины с уплотнительным элементом, изготовленным изданного композиционного материала.
Методика исследования включала два этапа. На первом этапе изучали влияние внешних воздействий, характерных для условий эксплуатации герметизирующих устройств транспортных машин и агрегатов, на физико-механические свойства и структуру ПКМ. ПКМ имел следующий состав: измельченное углеродное волокно - 6мас.%, скрытокрнсталличес-кий графит (марка ГЛС-3 по ГОСТ 5420-74, ультра-дисперсный размол природной графитовой руды с преобладающим размером частиц 10... 100 мкм) - 8 мас.%, дисульфид молибдена МоБ2 — 2 мас.%, остальное - ПТФЭ марки Ф-4. Образцы в виде колец прямоугольного сечения 10x10мм наружным диаметром 70 мм изготавливали по технологии холодного прессования и спекания под нагрузкой, описанной в |7|. С целью изучения совместного влияния всестороннего сжатия при давлении 4 и 16 МПа, температуры (20 и
100 ’С), газовой (воздух) и жидкой (масло) сред был разработан план факторного эксперимента типа 2. Восемь комплектов образцов выдерживали в заданных согласно плану условиях в печи, предварительно поместив их в специально изготовленные универсальные приспособления - герметичные контейнеры (рис. 1).
Образцы помещали в корпус контейнера, закрывали крышкой с уплотнительным кольцом и устанавливали на стол гидравлического пресса. С помощью пресса фиксировали резьбовую гайку при заданном давлении (4 и 16 МПа). Таким образом, находясь в замкнутом объеме, образец прямоугольного сечения испытывал всестороннее сжатие.
В первой серии экспериментов образцы выдерживали в печи втечение 2200ч, во второй серии - 4400ч. После этого из колец изготавливали образцы для испытаний на растяжение и трение и определяли предел прочности при растяжении о()1 модуль упругости Е() и относительное удлинение при разрыве е , а также момент трения и скорость изнашивания. Испытания на растяжение проводили не разрывной машине Р-05 по стандартной методике. Влияние длительного нагружения на структуру ПКМ изучали методом рентгеноструктурного анализа по методике исследования полимерных материалов, описанной в |7|. Испытания на трение и износ проводили на машине трения СМТ-1 по схеме вал - частичный вкладыш при контактном давлении 0,5 МПА и скорости скольжения 0,5 м/с. Контртело было изготовлено из стали 45 и 45ХНМ с твердостью 45...50 ИКС. продолжительность испытания каждогообразцасоставлялабч. В процессе испытания измеряли моменттрения и температуру образца на расстоянии * 1 мм от поверхности трения. Механические свойства определяли на разрывной машине Р-05 по стандартной методике.
С целью оценки работоспособности ПКМ, выдержанного при всестороннем сжатии поддавлением 16 МПа и при температуре 100°С, на втором этапе исследования проводили испытания уплотнительных элементов, изготовленных из ПКМ, в составе герметизирующего устройства плавающего поршня (рис. 2). Плавающий поршень испытывали на специально разработанном стенде, который включал элементы воздушной системы многоцелевой гусеничной машины и обеспечивал условия испытаний, близкие к условиям работы плавающего поршня при эксплуатации транспортной машины.
Продолжительность испытания составляла 2000 циклов двойных ходов поршня, сначала дл я уплотни-
Обрати
Условия нагружения образцов ПКМ в контейнере и результаты механических испытаний
Условия нагружения в контейнере Продолжительность нагружения 2200 ч Продолжительность нагружения 4400 ч
X, среда X, т. #с X, Р. МПа N9 образца Ор. МПа ЕР. МПа бр.% № образца Ор, МПа Ер. МПа бр.%
исходное состояние 0 23,5 245.6 64.0 9 26.8 300.9 87.5
масло 20 4.0 1 25.2 247.8 91,1 10 24.2 254.0 108.3
воздух 20 4.0 2 25.2 256.1 112.5 11 24,2 253.2 111,0
масло 20 16,0 3 25,9 254,2 78.3 12 24.3 320,5 95.5
воздух 20 16,0 4 25.5 321.8 85,8 13 23.6 322.9 113,3
масло 100 4.0 5 23.44 334.9 105.8 14 23,9 310.9 102.5
воздух 100 4.0 6 23.9 283.6 115.8 15 24,3 269.9 132.2
масло 100 16,0 7 23.2 280.6 102.5 16 24.0 290.0 122.5
воздух 100 16.0 8 22.4 246.7 108.3 17 23.8 240.7 120.5
Таблица 2
Результаты трнботсхннчсскнх испытаний образцов ПКМ
N9 образца Продолжительность выдержки 2200 ч № образца Продолжительность выдержки 4400 ч
Момент трения. Н м Скорость изнашивания. г/я10г Момент трения. Нм Скорость изнашивания, г/ч10*
0 3.42 0.270 9 3.07 0.147
1 4.18 0.283 10 4.22 0.190
2 3.84 0.350 11 3.54 0,159
3 3,31 0.238 12 3.25 0,136
4 3.84 0.266 13 3.52 0,132
5 3,27 0.210 14 4.16 0,178
6 3,26 0.246 15 3,07 0,152
7 3,36 0.221 16 3,70 0,168
8 3.63 0.255 17 3.30 0.165
Примечание. Условии нагружении образцов см. табл. I.
тельных элементов, изготовленных из ПКМ в исходном состоянии, а затем 2000 циклов для уплотнительных элементов из ПКМ, прошедших нагружение вте-чение шести месяцев (4400 ч) при повышенной температуре и давлении сжатия.
Результат.ЭШ1Ш1МеНТа Н НХ обсуждение Условия нагружения образцов в контейнере (рис. I) и результаты эксперимента по определении) механических характеристик ПКМ приведены в табл. I. Они близки к условиям нагружения уплотнительных элементов при работе в составе изделия.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что в процессе длительной выдержки образцов в условиях всестороннего сжатия механические характеристики ПКМ изменяются незначительно. Так, при выдержке в течение 2200 ч (образцы № 1-8) предел прочности повысился в среднем на 8,5 % при температуре 20°С и практически не изменялся при температуре 100°С, а модуль упругости при растяжении увеличился в среднем на 13% независимо от температуры выдержки. Образцы, выдержанные в течение 4400ч (№ 10-17). т.е. в два раза дольше, показали снижение предела прочности в среднем на 10% и модуля упругости - на 6 %. Относительное удлинение увеличилось на 56 % при выдержке в течение 2200 ч и на 30 % при выдержке втечение 4400 ч.
Таким образом, при продолжительности выдержки 2200 ч прочность и жесткость ПКМ незначительно повышается. При увеличении продолжительности выдержки в два раза эти характеристики незначительно снижаются. Для оценки степени влияния каждого из одновременно действующих внешних факторов, характерных для условий эксплуа-
тации герметизирующих устройств, была проведена обработка результатов факторного эксперимента и получены следующие уравнения регрессии. Для образцов. выдержанных в течение 2200 ч, уравнение для предела прочности у(1 имеет вид:
а ~24,4-1,1Х: 0,175Х1-0,2Х1Ху2,4Х2Х1-0,2Х1Х1Хг
Предел прочности образцов, выдержанных втечение 4400 ч. определяется уравнением
ор = 24.1 + 0,7Х,Х.Г 1.1 Х,Х, + 0.3Х,Х.Л
Полученные уравнения показывают, что при нагружении ПКМ втечение 2200 чего предел прочности зависит главным образом от уравнения температурного воздействия (Ха). ежи мающего давлен ия (X,) и от взаимодействия всех внешних факторов. При увеличении продолжительности нагружения влияние отдельных факторов нивелируется, т.к. коэффициенты уравнения регрессии при X,, X,. X,оказались незначительными. Следовательно, предел прочности материала в этом случае определяется только взаимодействием независимых внешних факторов.
Исследовали также триботехннческие свойства ПКМ в исходном состоянии и после длительной выдержки поддавлением. В табл. 2 приведены результаты испытаний образцов, выдержанных втечение 2200 и 4400 ч. а также образцов в исходном состоянии. Средние значения момента трения, характеризующие атифрикцнонные свойства пары, изменяются незначительно - от 5 до 15% при различных условиях выдержки. Средние значения скорости изнашивания
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ МСТНИ* М» 1 (77). 7009 МАШИНОСІГОІИИІ И МЛІ
Характеристики надмолекулярной структуры ПКМ поданным рснтгеиоструктурного аиалша
№ образца а.р, нм с,», нм с,, нм ж,%
9 0.56 1.56 1.46 83
10 0.56 1.56 1.58 74
11 0,56 1,58 1.52 76
12 0.56 1.58 1.58 75
13 0.56 1.58 1.64 73
14 0.56 1.61 1.58 75
15 0.56 1.60 1.54 73
16 0.57 1.54 1.48 74
17 0.56 1.56 1.56 77
среднее значение 0.56 1.57 1.56 75
Примечание. Услопня нагружения образцов см. тпбл. I.
изменились: при выдержке образцов в течение 2200 ч — на 4.4% в сторону уменьшения, а в течение 4400 ч — на 8,8% в сторону увеличения. Такие изменения находятся в пределах ошибки эксперимента и это позволяет сделать вы вод о том, что износостойкость образцов ПКМ при выдержке в заданном напряженно-деформированном состоянии втечение 4400 ч изменяется незначительно.
При обработке результатов факторного эксперимента методами математической статистики получены уравнения регрессии для параметра и (скорость изнашивания). Дли образцов, выдержанных под нагрузкой в течение 2200 ч:
11 = 25.86+ 2.06Х.-2.56Х,--2.5X.Xj-f- 14.92X3X3 +З.ЭХ.ХзХ,,
Для образцов, выдержанных под нагрузкой в течение 4400ч:
II * 16.03-0.76Х, + 0.61X, -- 0.94Х3 + 0.9Х,Х, + 5.3Х,Х,+ 8.7Х,Х
Анализ полученных уравнений показывает, что ни один из трех независимых факторов (среда (X,), температура (X,), давление (X ,)) не оказывает преобладающего влияния на скорость изнашивания. Наибольшее влияние на нес оказывает взаимодействие факторов, т. е. совместный эффект повышенной температуры идавления при всестороннем сжатии.
В табл. 3 приведены данные о характеристиках надмолекулярной структуры восьми образцов, подвергнутых нагружению в течение 4400 ч, и эталонного образца в исходном состоянии. Изменения характеристик надмолекулярной структуры ПКМ при различной степени нагружения в процессе испытания носят случайный характер и находятся в пределах погрешности измерений, поэтому в последней строке таблицы даны их усредненные значения. Наибольшие изменения характеристик надмолекулярной структуры, по сравнению с исходным ПКМ. наблюдаются в аморфной фазе матрицы: межслоевое расстояние свв ней увеличилось на 5.5...8.3%, а степень кристалличности а; уменьшилась на 8... 12%.
Параметры кристаллической ячейки ач< и сщр, а также ширина кристаллического рефлекса (100) практически не изменились после испытаний. Следовательно, в кристаллической решетке отсутствуют .микронапряжения.
Анализ рентгенограмм и результатов расчета характеристик надмолекулярной структуры показал,
что длительная выдержка образцов ПКМ иод нагрузкой в различных средах при разной температуре приводит к изменению основных характеристик надмолекулярной структуры ПТФЭ: степень
кристалличности в процессе длительного нагружения образцов уменьшается в среднем на 10%. а среднее межслоевое расстояние увеличивается на 7%.
Таким образом, выдержка образцов ПКМ в условиях всестороннего сжатия при давлении до 16 МПа и температуре до 100*С в воздушной и жидкой средах приводит к незначительному повышению предела прочности (до 8.5%) и модуля упругости (до 13%) материала при длительности выдержки 2200 ч. Увеличение длительности выдержки до 4400 ч вызывает развитие процессов релаксации, что приводит к снижению предела прочности до 10% и модуля упругости до 6% по сравнению с исходными. Также незначительно изменяются триботехнические свойства ПКМ: при выдержке 2200 ч скорость изнашивания снижается на 4.4%. а при выдержке 4400 ч — повышается в среднем па 8,8%.
Основной интегральной характеристикой работоспособности герметизирующего устройства плавающего поршня является объем перетечек жидкости в пневмополость в зависимости от количества циклов стендовых испытаний. При использовании уплотнительных элементов из ПКМ, выдержанного поддавлением втечение 4400 ч, объем перетечек незначительно увеличился (*5.6%), что находится в пределах ошибки измерения. Все 10 исследуемых герметизирующих устройств плавающего поршня в течение установленного количества циклов (2000 циклов) сохранили работоспособное состояние по установленному критерию предельных перетечек.
В процессе испытания диаметр уплотнительных элементов уменьшился в среднем на 50...60мкм, причем для уплотнений из ПКМ, выдержанного поддав-лением, уменьшение диаметра оказалось большим, чем для уплотнений из исходного ПКМ. в среднем на 5...6 мкм, т. е. на 10%. Эти результаты подтверждают незначительное влияние длительной выдержки ПКМ в деформированном состоянии на его износостойкость.
Для определения линейного износа измеряли массу уплотнительных элементов до и после испытания. По изменению массы с учетом известных значений плотности, площади контакта, определенной по ширине изношенных поверхностей уплотнительных элементов, и изменения их наружного диаметра находили линейный износ, который составил «* 1 мкм. Интенсивность изнашивания колец находили как от-
ношение линейного износа (1 мкм) к нут трения 0.6 м х2000 = 1200 м за 2000 ходов поршня; интенсивность изнашивания составила 7.8-10,|#. Этот результат свидетельствует о высокой износостойкости ПКМ и позволяет прогнозировать увеличение ресурса герметизирующего устройства в три раза при допустимом износе уплотнительного элемента до 0.1 мм.
Заключение. Длительная выдержка ПКМ при всестороннем сжатии под давлением до 16 МПа при нормальной и повышенной до 100*С температурах окружающей среды втечение 2200 ч характеризуется незначительным улучшением его механических и триботехнических свойств. После выдержки более 2200 ч наступает их незначительное ухудшение. В течение следующих 2200 ч изменения этих характеристик не превышают 10% и связаны с развитием процессов релаксации и незначительным изменением основных параметров надмолекулярной структуры полимерной матрицы. Стендовые испытания герметизирующих устройств в условиях, близких к эксплуатационным, подтвердили высокую работоспособность и долговечность нового ПКМ, подвергнутого ускоренному старению в условиях всестороннего сжатия. и показали возможность значительного повышения ресурса герметизирующих устройств плавающею поршня гидропневмоцилиндра при использовании этого ПКМ для изготовления уплотнительных элементов поршня.
Библиографический список
1. Кондаков Л. Д.. Голубев А. И.. Гордеев В. В. и др. Уплотнения и уплотнительная техника : справочник. -М. : Машиностроение. - 1994. - 220 с.
2. Бартенев Г. М.. Френкель С. Я. Физика полимеров / Под ред. А. М. Ельяшевича. - Л. : Химия, 1990. - 282 с.
3. Филлипс Д. Харрис Б. Прочность, вязкость разрушения и усталостная выносливость полимерных компо-
зиционных материалов // Промышленные полимерные композиционные материалы. • М. : Химия. - 1980. -С. 50-146.
4. Эмануэль Н. М., Бучаченко А. Л. Химическая физика старения и стабилизации полимеров. — М. : Наука. 1990. - 268 с.
5. Полимерный антифрикционный композиционный материал: патент РФ № 2307130. МПК СШ 5/16. С08К 3/04. С081. 27/18 / Ю. К. Машков. О. А. Мамаев. 3. Н. Овчар. В. С. Зябликов.
6. Герметизирующее устройство: патент РФ № 2269046. МПК Р1&1 15/16 / Ю. К. Машков. О. А. Мамаев. М. Ю. Байбарацкан. В. С. Зябликов.
7. Машков Ю. К.. Калистратова Л. Ф.. Овчар 3. Н. Структура и износостойкость модифицированного политетрафторэтилена. - Омск : Изд-во ОмГТУ. — 1998 -144с.
МАМАЕВ Олег Алексеевич, кандидат технических наук, доцент, начальник Омского танкового инженерного института.
МАШКОВ Юрий Константинович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой физики Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии.
ГРЯЗНОВ Борис Терентьевич, доктор технических наук, профессор, главный инженер ООО «НКТ «Криогенная техника»».
КОСАРЕНКО Роман Иванович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой N08 Омского танкового инженерного института. БАЙБАРАЦКИЙ Андрей Александрович, аспирант СибАДИ, кафедра физики.
Дата поступления статьи в редакцию: 25.03.2009г.
® Мамаев О.Л., Машков Ю.К., Грязное Б.Т.,
Косарснко Р.И., Байбарацкнй Л.Л.
Книжная полка
Александров, А. В. Сопротивление материалов [Текст! : учеб. для вузов / Л. В. Александров, В. Д. Потапов, Б. П. Державин; под ред. А- В. Александрова. - 6-е изд., стер. - М.: Высш. шк., 2008. - 559,11 ] с.: рис. -ISBN 978-5-06-003732-6.
Данная книга, написанная в соответствии с действующей программой курса, отличается более углубленным рассмотрением вопросов расчета элементов конструкций из композитных и неоднородных материалов; наряду с классическими приемами оценки прочности даются основные понятия механики разрушения тел с трещинами. Учебник содержит большое число контрольных вопросов и задач; нетрадиционно построение книги, направленное на лучшее усвоение учебного материала.
Проектирование технологий машиностроения на ЭВМ [Текст). - М.: МГИУ, 2006. - 519 с. - ISBN 5-276-00877-9.
В книге комплексно изложены основные положения о построении технологических процессов в машиностроении; приведены основные методики решений технологических задач с применением ЭВМ.
Рассмотрен ряд практических положений, использование которых создает предпосылки для разработки изделия с заданными техническими параметрами. Предназначена для подготовки специалистов конструкторских и технологических специальностей высших учебных заведений. Может быть полезна технологам и конструкторам машиностроительных предприятий.
ІЙ НАУЧНЫЙ МСТНИ* 1 01). 2009 МЛШИМОСТГОСНИЕ И МАШИНО МАІНИІ
