Исследование триботехнических характеристик уплотнений шаровых кранов из композиционных материалов на основе терморасширенного графита, работающих при температурах выше 200 °с Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ТРЕНИЕ И ИЗНОС В МАШИНАХ

УДК 620.178:162: 661.666.232:621.646.6

Исследование триботехнических характеристик уплотнений шаровых кранов из композиционных материалов на основе терморасширенного графита, работающих при температурах выше 200 °С

Д. М. Караваев, Е. В. Матыгуллина

Представлены результаты трибологических испытаний композиционных материалов модифицированная силиконовая смола — терморасширенный графит (ТРГ), работающих при температурах выше 200 °С. Исследовано влияние структурных характеристик ТРГ на коэффициент трения и износ композиционных материалов. Показано, что применение шаровых кранов с седловыми уплотнениями, изготовленными из композиционного материала на основе ТРГ, позволяет расширить интервал рабочих температур шаровых кранов по схеме «металл по полимеру» до 550 °С и существенно снизить себестоимость готовой продукции.

Ключевые слова: запорная арматура, шаровый кран, композиционный материал, терморасширенный графит, полимер, трение, износ, трибологические свойства, коэффициент трения.

Введение

Шаровые краны, способные работать при температурах транспортируемых сред выше 200 °С, выпускаются в основном зарубежными компаниями [1]. Импортные шаровые краны с затвором «металл по металлу» на порядок дороже, чем задвижки, запорные клапаны, а также шаровые краны с затвором «металл— полимер». Снижение зависимости от импорта высокотемпературных шаровых кранов и разработка новых ресурсосберегающих технологий их изготовления остаются актуальными задачами для российских производителей трубопроводной арматуры [2].

В работе [2] рассмотрены основные способы достижения ресурсосбережения при металлообработке шаровых кранов. Авторами статьи [2] предложен подход, заключающийся в компенсации неточности изготовления шаровой пробки «мягкими» уплотнениями, реализуемый в шаровых кранах с затворами «металл по полимеру». С понижением задан-

ной точности технологический процесс изготовления деталей упрощается, затраты труда на изготовление шаровых кранов уменьшаются [2].

Одним из важнейших показателей работы уплотнений шаровых кранов является усилие, затрачиваемое на поворот шара, которое зависит от коэффициента трения в паре металл— уплотнение [3]. Износостойкость материалов и изготовленных на их основе уплотнителей шаровых кранов определяется температурой, шероховатостью поверхности, скоростью скольжения, удельной нагрузкой, адгезией, продолжительностью контакта, а также физико-механическими свойствами материалов уплотнителей и контактирующих с ними элементов шаровых кранов. При этом наиболее значимым фактором, определяющим работоспособность уплотнителей, является температура среды, при которой эксплуатируются шаровые краны, поскольку воздействие повышенных температур, как правило, вызывает снижение физико-механических свойств ма-

%

25 20 15 10 5 0

Рис. 1. Диаграмма распределения частиц порошка ТРГ по длине при рн = 14 ± 1 кг/м3

Рис. 2. Диаграмма распределения частиц порошка ТРГ по длине при рн = 200 ± 10 кг/м3

териалов уплотнителей и их износостойкость. Цель работы — разработка композиционных материалов с низким коэффициентом трения и малым износом при трении по стали 08Х18Н10Т, работающих при температурах выше 200 °С.

Основная часть

Объектами исследования являлись композиционные материалы (КМ) на основе терморасширенного графита (ТРГ) с модифицированной силиконовой смолой, используемой в качестве связующего. В работах [4-8] показано, что физико-механические свойства этих КМ в значительной степени зависят от концентрации и насыпной плотности используемого порошка ТРГ.

При изготовлении образцов для триболо-гических испытаний в качестве наполнителя КМ использовали порошок терморасширенного графита с разной степенью измельчения (насыпная плотность 14 и 200 кг/м3), полученный по методике, описанной в работах [8-10]. Диаграммы распределения по длине

частиц терморасширенного графита с разной степенью измельчения показаны на рис. 1 и 2. Концентрация ТРГ в композиционном материале составляла 80, 70 и 40 масс. % в соответствии с предыдущими исследованиями [4, 5], определяющими состав КМ терморасширенный графит—силиконовая смола с оптимальными прочностными характеристиками.

Коэффициент трения тестовых образцов КМ диаметром 10,5 мм по сухой поверхности образца из стали 08Х18Н10Т с твердостью 50 ИИС и параметром шероховатости Яа = = 0,84 мкм определяли на машине трения по схеме «палец—диск» (рис. 3) при давлении в контакте от 1 до 5 МПа и скорости скольжения от 0,01 до 5 м/с по методике, изложенной в работах [6, 7].

Испытания при скорости скольжения 0,01 м/с были проведены поворотом планшайбы с пальцами на 90° и возвращением. Испытания проводили в течение 50 циклов «поворот и возврат». Испытания при скорости скольжения 5 м/с проводили циклически, запуском машины трения для испытания по схеме «палец—диск» на 10 с. Испытания проводили в течение шести циклов «запуск и остановка».

2

0

4

5

6

7

8

9

10 11

Рис. 3. Лабораторная машина для трибологических испытаний по схеме «палец—диск»:

1 — электродвигатель; 2 — ременная передача; 3 — устройство для нагружения; 4 — опора; 5 — планшайба с держателем; 6 — образец-палец; 7 — контртело — диск с рычагом; 8 — тензометрический датчик силы; 9 — шарик; 10 — стойка; 11 — подшипник

Полученные значения силы трения использовали при расчете коэффициента трения. Износ КМ определялся весовым способом.

Исследования проводили в рамках полного факторного эксперимента. Факторы — насыпную плотность ТРГ рн (кг/м3), его содержание п (%), нагрузку на образцы Р (МПа) и скорость скольжения V (м/с) — задавали на минимальном и максимальном уровнях. Для построения зависимостей коэффициента трения от нагрузки Р и содержания п ТРГ в композиционном материале использовали математическую модель первого порядка в виде полинома [11]:

у = ь0 + Е Ь1хг + Ё Ь1]хгх].

ч=1 Чф] Факторы кодировали по формуле

(1)

Х =

Ч 0

Ахг

(2)

где ХЧ — кодовое значение Ч-го фактора; хЧ — натуральное текущее значение Ч-го фактора; хЧ0 — начальный (нулевой) уровень фактора; АхЧ - интервал варьирования Ч-го фактора,

Ах = хчтах хч тт Ч 2

(3)

Значения выбранных уровней варьируемых факторов представлены в табл. 1.

Результаты экспериментальных исследований и расчетные значения определяемых параметров представлены в табл. 2 и 3.

Статистическая обработка данных по коэффициенту трения и износу показала, что при уровне значимости а = 0,05 возможен регрессионный анализ.

Рассчитав коэффициенты уравнения (1) и исключив статистически не значимые, получили уравнение регрессии для коэффициентов трения (4) и износа (5):

у = 0,213 + 5,5 • 10-2Х1 - 7,8 • 10-2Х2 -

- 0,027Х2 - 0,083Х4 + 2,6 • 10-2 Х1Х2 -- 3,5 • 10-2 Х1Х4 - 3,4 • 10-2 Х2Х2; (4)

У = 0,233 + 0,058Х1 - 0,083Х2 + + 0,098Х2 + 0,045Х1Х2 + 0,014Х1Х2 -

- 0,058Х2Х2 - 0,027Х1. (5)

Проверка (4) и (5) по критерию Фишера показала их адекватность. Для приведения уравнений (4) и (5) к виду с натуральными значениями факторов использовали формулу кодирования (2), подставляя в уравнения (4) и (5) вместо кодовых натуральные значения факторов [9]. В результате получили следующие зависимости:

f = 0,297 + 1,19 • 10-5 рн + 9,87 • 10-4 п- 8,5 • 10-3 Р - 3,15 • 10-2 V + 2,84 • 10-6 р^ --1,53 • 10-5 рнV - 1,71 • 10-4 пР; (6)

I = 1,26 • 10-2 + 4,12 • 10-4 рн + 9,92 • 10-4п + +1,25 • 10-1 Р - 5,38 • 10-6 рнп + 1,2 • 10-3 рнР --1,38 • 10-3 пР - 1,43 • 10-5 рнпР. (7)

Уровни варьирования факторов

Таблица 1

№ п/п

Уровень варьируемых факторов

Основной

Интервал варьирования

Нижний

Верхний

Обозначение кодовое

0

Ат

-1

+ 1

рш , кг/м3

Х1

107

93

14

200

п,

%

Хо

70

10

60

80

Р,

МПя

Х3

V,

м/с

Х4

2,505

2,495

0,01

1

2

3

г

Г

1

К

с

ЕТАПЛООБРАБОТК.

Таблица 2

Результаты экспериментальных исследований по определению коэффициентов трения КМ на основе ТРГ

№ Натуральные значения факторов Результаты эксперимента Среднее Доверительный интервал Ду, а = 0,95 Расчетное

та Рн. 3 кг/м3 и, % Р, МПа V, м/с Уи1 Уи2 Уи3 значение уи значение уи

1 60 1 0,308 0,321 0,338 0,322 0,038 0,322

2 80 1 0,01 0,298 0,318 0,308 0,308 0,024 0,305

3 60 5 0,255 0,264 0,259 0,259 0,011 0,261

4 14 80 5 0,255 0,257 0,255 0,256 0,002 0,257

5 60 1 0,156 0,160 0,168 0,161 0,016 0,164

6 80 1 5 0,136 0,152 0,150 0,146 0,022 0,147

7 60 5 0,113 0,105 0,102 0,107 0,014 0,103

8 80 5 0,100 0,098 0,100 0,099 0,002 0,099

9 60 1 0,337 0,359 0,351 0,349 0,027 0,346

10 80 1 0,01 0,316 0,324 0,320 0,320 0,010 0,318

11 60 5 0,283 0,301 0,278 0,287 0,030 0,284

12 200 80 5 0,254 0,270 0,260 0,261 0,020 0,270

13 60 1 0,179 0,173 0,166 0,173 0,016 0,173

14 80 1 5 0,143 0,144 0,138 0,141 0,009 0,146

15 60 5 0,108 0,108 0,102 0,106 0,009 0,112

16 80 5 0,095 0,111 0,120 0,109 0,031 0,098

Таблица 3

Результаты экспериментальных исследований по определению износа образцов КМ на основе ТРГ

№ опыта Натуральные значения факторов Результаты эксперимента Среднее значение уи Доверительный интервал Ду, а = 0,95 Расчетное значение уи

Рн, „ кг/м3 и, % Р, МПа V*, м/с Уи1 Уи2 Уи3

1 14 60 1 5 скольже о анализа 0,12 0,10 0,14 0,12 0,05 0,12

2 80 1 0,08 0,10 0,14 0,11 0,08 0,11

3 60 5 0,32 0,24 0,36 0,31 0,15 0,31

4 80 5 0,20 0,20 0,10 0,17 0,14 0,17

5 200 связи с те л исключе! 60 1 0,22 0,20 0,18 0,20 0,05 0,20

6 80 1 0,08 0,10 0,16 0,11 0,10 0,11

7 60 5 0,60 0,72 0,60 0,64 0,17 0,64

8 * В тор бы 80 м что при из регре 5 скорости ссионног 0,28 ния 0,01 м 0,20 /с износа и 0,16 сследуемы 0,21 х материалов с 0,15 оставил менее 0,1 0,21 мг, этот фак-

На рис. 4-7 представлены зависимости экспериментальных значений коэффициента трения и износа от концентрации ТРГ в композиционном материале ТРГ — смола при разных значениях насыпной плотности, нагрузки и скорости скольжения.

Микроструктуры образцов КМ после три-бологических испытаний показаны на рис. 8.

Анализируя полученные результаты исследований, можно сделать следующие выводы. Влияние нагрузки и скорости скольжения на коэффициент трения и износостойкость композиционных материалов является закономерным. Неоднозначным представляется вклад в износостойкость терморасширенного графита. Из графиков видно, что с увеличением

0,4

в я

н ■&

■в о

к

0,3

0,2

0,1

1

2 1

3

4 ----1 1 ,

60 70

Содержание ТРГ в КМ, мас. %

80

0,8

Рис. 4. Результаты экспериментальных исследований по определению коэффициентов трения КМ на основе ТРГ с насыпной плотностью 14 кг/м3:

1 — Р = 1 МПа, V = 0,01 м/с; 2 — Р = 5 МПа, V = 0,01 м/с; 3 — Р = 1 МПа, V = 5 м/с; 4 — Р = 5 МПа, V = 5 м/с

и Я и

■е

о К

0,6

0,4

0,2

1

2

................1

60 70

Содержание ТРГ в КМ, мас. %

80

Рис. 6. Результаты экспериментальных исследований по определению износа КМ на основе ТРГ с насыпной плотностью 14 ± 1 кг/м3: 1 — Р = 5 МПа; 2 — Р = 1 МПа

0,4

и Я и

■е ■е

т

о К

0,3

0,2

0,1

1

2

: 3

4

" - -

60 70

Содержание ТРГ в КМ, мас. %

80

Рис. 5. Результаты экспериментальных исследований по определению коэффициентов трения КМ на основе ТРГ с насыпной плотностью 200 ± 10 кг/м3:

1 — Р = 1 МПа, V = 0,01 м/с; 2 — Р = 5 МПа, V = 0,01 м/с; 3 — Р = 1 МПа, V = 5 м/с; 4 — Р = 5 МПа, V = 5 м/с

0,8

0,6

0,4

0,2

1

2

60 70 80

Содержание ТРГ в КМ, мас. %

Рис. 7. Результаты экспериментальных исследований по определению износа КМ на основе ТРГ с насыпной плотностью 200 ± 10 кг/м3: 1 — Р = 5 МПа; 2 — Р = 1 МПа

насыпной плотности и снижением концентрации ТРГ износ повышается почти в 2 раза, а коэффициент трения при прочих равных условиях проведения эксперимента — до 3 раз.

Для получения более четкого представления о механизме формирования триболо-гических свойств КМ силиконовая смола — ТРГ проведены структурные исследования. Результаты свидетельствуют о том, что структура ТРГ, используемого в качестве исходного сырья для разработки материала уплотнителей, представляет сложную иерархическую систему из чешуйчатых пластинок и стержневых элементов различной геометрической

формы и размеров, в определенном смысле формирующих некоторую каркасную систему, аналогичную системе упрочняющих элементов в КМ искусственного происхождения. Пластинчатые чешуйки, в свою очередь, представляют сложноструктурированные слои с различной размерностью, ориентацией друг относительно друга и прочностью связи между ними (рис. 9 и 10).

Каркасная, ветвистая система стержней природного происхождения как в интеркали-рованных чешуйках, так и в червячках ТРГ, по-видимому, играет такую же роль, как и упрочняющие дискретные волокна при искус-

0

0

0

Рис. 8. Микроструктры КМ (а, б — 60 мас. % ТРГ; в, г — 80 мас. % ТРГ) после проведения трибологических испытаний: а, в — насыпная плотность ТРГ 14 кг/м3; б, г — насыпная плотность ТРГ 200 кг/м3

ственно создаваемых КМ. При этом в структуре ТРГ редко наблюдаются относительно крупные по длине и диаметру стержневые элементы, как правило, играющие роль армирующего стержня, на котором закреплены

массивы чешуек (рис. 11 и 12). Чаще встречаются стержневые элементы со значительно меньшими длиной и диаметрами. На рис. 13 представлены мелкие стержневые элементы, расположенные в порядке, аналогичном рас-

РАБОТКА

Рис. 11. Центральный стержнеобразный элемент, выходящий из червеобразного ТРГ

Рис. 12. Центральный стержнеобразный элемент с частицами ТРГ

положению жилок в области зубчатого края листьев различных пород.

Таким образом, как показывают микроструктурные исследования, стержневые элементы, присутствующие в структуре ТРГ, также сформированы по иерархическому принципу, аналогичному принципу строения листьев различных пород. При всем разнообразии систем жилкования листьев (сетчатое, парал-

ЯП

лельное, дуговое и др.) в центральной части листа проходит главная крупная жилка, а от нее отходят более мелкие. Поэтому для формирования модели структуры ТРГ наиболее удобно и результативно использовать принцип аналогии со строением листьев различных пород.

Поскольку износостойкость материала главным образом определяется его прочностью, значительный интерес представляет получение аналитических зависимостей, позволяющих оценить влияние структурных факторов на прочность КМ на основе ТРГ для определения оптимальных технологических параметров на различных этапах его получения.

Для оценки прочности КМ на основе ТРГ в работе использовалась модель разрушения композитов, хаотически армированных дискретными волокнами. В реальных условиях эксплуатации при повороте крана материал уплотнителя в области контакта находится в сложнонапряженном состоянии и подвергается совокупному воздействию сдвиговых, сжимающих и растягивающих напряжений, оценка которых в различных точках области контакта представляет сложную контактную задачу. В то же время для оценки общего влияния армирующих стержневых элементов ТРГ на эффективные прочностные характеристики материала достаточно воспользоваться упрощенной моделью, в рамках которой стержневой элемент ТРГ представляет изолированное тонкое волокно длиной I, заключенное в упругопластической матрице. Матрица — это КМ, который сформирован из силиконовой смолы и частиц ТРГ, составляющих основной массив в виде пластинок, чешуек и др., за исключением стержневых элементов. Если предположить, что соединение волокна с матрицей идеально, то при создании напряжений в волокне, действующих в осевом направлении, деформации на границе раздела матрицы и волокна будут одинаковыми, при этом торцы волокна не будут передавать напряжения.

В рамках рассматриваемой модели напряжение, действующее в некотором поперечном сечении волокна при растяжении в направлении волокна, можно определить по формуле

Рис. 13. Боковые стержнеобразные элементы частиц ТРГ

а =

2т

йх.

(8)

Г

Е ТАЛ Л О ОБ РАБО Т Kj

где т — напряжение сдвига по межфазной поверхности; г — радиус волокна; х — расстояние от конца волокна до рассматриваемого поперечного сечения.

Принимая величину т постоянной и равной ее среднему значению на межфазной поверхности, получим выражение для оценки прочности КМ в следующем виде:

аКМ =ам +dгF2, (9)

где ам — предел прочности матрицы; V и V — объемное содержание армирующих стержневых элементов и матричного материала.

Анализ выражения (9) свидетельствует о том, что увеличение длины волокна, характеризующее менее интенсивное измельчение исходного сырья ТРГ, оказывает положительное влияние на прочность КМ, а следовательно, и на износостойкость, что подтверждается приведенными в работе экспериментальными исследованиями триботехнических характеристик материала, предполагаемого к использованию в качестве уплотнителей для шаровых уплотнителей.

Выводы

1. Показано, что композиционные материалы силиконовая смола — терморасширенный графит могут использоваться в качестве уплотнений шаровых кранов.

2. Установлено влияние структурных особенностей ТРГ на износостойкость исследуемых материалов.

3. Разработаны методики, позволяющие качественно и количественно оценить влияние технологических параметров получения и условий нагружения КМ на их коэффициент трения и износ.

Литература

1. Шатров А. С., Кокарев В. Н. Инновационная недорогая запорно-регулирующая арматура с длительным сроком службы//Арматуростроение. 2011. № 2 (71). С. 54-57.

2. Караваев Д. М., Нестеров А. А., Матыгуллина Е. В. [и др.]. Перспективы снижения затрат на металлообработку шаровых кранов, работающих при температурах выше 200 °С // Металлообработка. 2015. № 3. С. 49-53 .

3. Караваев Д. М. Определение коэффициентов трения композиционного материала на основе терморасширенного графита в различных средах // Вестн. ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение. 2013. T. 15, № 2. С. 44-47.

4. Механические свойства композиционного материала на основе терморасширенного графита / Д. М. Караваев, А. М. Ханов, А. И. Дегтярев [и др.]. // Изв. Самарского научного центра Еоссийской академии наук. 2012. T. 14, № 1 (2). С. 562-564.

5. Анизотропия механических свойств композиционного материала на основе терморасширенного графита / Д. М. Караваев, А. М. Ханов, А. И. Дегтярев [и др.] // Изв. Самарского научного центра Еоссийской академии наук. 2012. T. 14, № 4 (5). С. 1243-1245.

6. The tribological properties of expanded graphite/ silicone resin composites / D. Karavaev, L. Sirotenko, E. Matygullina // GeoConference on Nano, Bio and Green — Technologies for a Sustainable Future: 14th intern, multidisciplinary sci. geoconf. SGEM 2014, Albena, Bulgaria, 17-26 June, 2014: conf. proc. Vol. 1. Micro and Nano Technologies. Advances in Biotechnology / Intern. Multidisciplinary Sci. GeoConf. SGEM. I Sofia : STEF92 Technology Ltd. 2014. P. 185-190.

7. Караваев Д. М. Tрибологичeскиe свойства композиционных материалов на основе терморасширенного графита // Поиск эффективных решений в процессе создания и реализации научных разработок в российской авиационной и ракетно-космической промышленности. АК^0-2014: Междунар. науч.-практ. конф., 5-8 авг. 2014 г.: сб. докл. / Каб. министров Pera. Tатарстан, М-во образования и науки Pera. Tатарстан, М-во пром-сти и торговли Pera. Tатарстан [и др.]. Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2014. T. 2. С. 73-76.

8. Караваев Д. М., Макарова Л. Е., Дегтярев А. И., Трошков К. В. Определение насыпной плотности терморасширенного графита // Изв. Самарского научного центра Pоссийской академии наук. 2013. T. 15, № 4 (2). C. 360-362.

9. Караваев Д. М., Матыгуллина Е. В., Макарова Л. Е.

[и др.]. Зависимость насыпной плотности порошка терморасширенного графита от скорости вращения гладких элементов измельчителя и продолжительности цикла измельчения // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 6. URL: http://www.science-education.ru/ ru/article/view?id=16031 (дата обращения: 18.04.2016).

10 Нефедов Я. А., Черных А. А., Караваев Д. М. [и др.]. Зависимость насыпной плотности порошка терморасширенного графита от скорости вращения элементов измельчителя с режущими кромками и продолжительности цикла измельчения // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 2-2.; URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=22882 (дата обращения: 18.04.2016).