CC BY
10УДК 628.893; 677.21 Негматов С.С., Абед Н.С., Гулямов Г., Эшкабилов О.Х.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА НА КОЭФФИЦИЕНТ ТРЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С ХЛОПКОМ-СЫРЦОМ
Негматов С.С. - д.т.н., проф., академик АН РУз; Абед Н.С. - д.т.н., проф.; Гулямов Г. - к.т.н., доцент (ГУП «Фан ва тараккиёт»); Эшкабилов О.Х. - PhD, доцент (Каршинский инженерно-экономический институт)
Мацолада пахта хом ашёсининг антифрикцион-ейилишбардош композицион полимер материал билан узаро таъсирида вужудга келадиган температура ва электр заряди зичлигининг ишцаланиш коэффициентига таъсири тадцицот натижалари келтирилган.
Калит сузлар: температура, электр заряд зичлиги, ишкаланиш коэффициента, антифрикцион-ейилишбардош композиция, пахта хомашёси.
The article presented results of studies of the effect of temperature and electric charge density on the coefficient of friction of anti-friction-wear-resistant composite polymer materials when interacting with raw cotton.
Key words: temperature, electric charge density, coefficient of friction, anti-friction and wear-resistant composition, raw cotton
Особенностью фрикционного взаимодействия полимерных и композиционных полимерных материалов с волокнистой массой является образование электростатических зарядов в зоне трения [1]. При этом, одним из основных вопросов является, какая максимальная поверхностная плотность зарядов возможна на поверхности взаимодействующих материалов и волокнистой массы.
Известно [2], что максимальная плотность зарядов в контактной площади составляет порядка нескольких квадратных сантиметров и выше обусловливается пробивной напряженностью воздуха (3,0 10-6 В/м). В то же время предельная плотность зарядов на взаимодействующих телах зависит от линейных размеров последних. Так, на поверхностях с линейными размерами 0,01-0,1 м предельная поверхностная плотность зарядов составляет 27 мкКл/м2, а на тонких нитях (волокнах) это значение достигает 170 мкКл/м2.
Из сказанного следует, что при изучении трибофизики процесса взаимодействия КПМ с волокнистой массой необходимо уменьшить площадь контакта и определить минимальный размер короба и массы хлопка-сырца, при котором будет наблюдаться максимально возможный заряд поверхности. Эти предпосылки связаны также с тем, что при взаимодействии полимера и волокнистой массы через большие площади соприкосновения должен проявляться эффект взаимокомпенсации зарядов, вследствие сближения противоположно заряженных микровершин. При этом приборы и установки не смогут обеспечить измерение действительного значения образующихся в зоне трения электростатических зарядов. Кроме того, выбор оптимальных параметров установки, необходимых для определения максимально возможных электростатических зарядов и одновременно для коэффициента трения, неоднозначен. Так, например, для измерения электростатических зарядов необходимо уменьшать диаметр цилиндрического короба, а для измерения коэффициента трения - увеличивать [3].
Исходя из вышеизложенного, были проведены исследования влияния основных параметров установки на образование электростатических зарядов и температуры в зоне трения полимерных материалов с хлопком-сырцом, на примере эпоксидной смолы.
Результаты исследований представлены на рисунках 1-4. Как видно из рис. 1, рост среднего радиуса трения R-ip, при неизменном диаметре цилиндрического короба d^80, вызывает снижение поверхностной плотности зарядов до значений 0,28 10-6 Кл/м2. При значениях R^ более 300 мм наблюдается стабилизация величины поверхностной плотности
зарядов. Такой характер изменения поверхностной плотности зарядов можно объяснить тем, что при меньших значениях среднего радиуса трения значительная разность линейных скоростей скольжения в дальней и ближней частях цилиндрического короба по отношению к средней части, вызывает неодинаковое воздействие хлопковых волокон с поверхностью эпоксидного покрытия. В дальней части цилиндрического короба происходит более интенсивный зарядовый обмен и взаимокомпенсация между хлопком-сырцом и антифрикционно-износостойким эпоксидным покрытием, а в ближней части из-за меньшей линейной скорости образование зарядов происходит медленнее. При увеличении среднего радиуса трения разность линейных скоростей становится меньше и все большее число хлопковых волокон вовлекается в более интенсивный зарядовый обмен, что приводит, в конечном итоге, к росту общего значения поверхностной плотности зарядов и их более интенсивной утечке, вследствие образования газового разряда и взаимокомпенсации. Стабилизация поверхностной плотности зарядов при значениях Rтp более 300 мм объясняется тем, что разность линейных скоростей очень мала и вся площадь соприкосновения хлопка-сырца с эпоксидным покрытием находится в одинаковых условиях зарядового обмена [4].
-
£ JS
1,0
ю с
S -i-р- _
л
¡5 £
Г? п.
0,75
В- 0,50 -
0,25
1- 4=100;
2- dK=90;
3- dK=80;
4- dK=70 ; 5- dK=60
мм
i"-
О о "
5 2
с ■
ю i-= с
р. а
0 5
1 ё
б -
2 ■
60
300
120 180 240 Радиус трения, R,P
Рис. 1. Зависимость поверхностной плотности
зарядов от радиуса трения при трении эпоксидного композита с хлопком-сырцом при Р=0,05 МПа и V=6 м/с.
1-Ятр=300;
2-Rp=240;
3-Rтр=120;
4-Rтр=60;
5-Rтр=30 мм
60
70 80 90 100 Диаметр короба, с!к Рис. 2. Зависимость поверхностной плотности зарядов от диаметра цилиндрического короба при трении эпоксидного композита с хлопком-сырцом при Р=0,05 МПа и V=6 м/с.
Увеличение диаметра цилиндрического короба приводит к уменьшению общего значения поверхностной плотности заряда, как показано на рис. 2. Такой характер зависимости поверхностной плотности зарядов от диаметра цилиндрического короба, очевидно, зависит в основном от фактической площади контакта (ФПК). Причем, чем больше контакт, тем более интенсивнее происходят такие процессы, как образование, так и взаимокомпенсация зарядов и поэтому общее значение поверхностной плотности зарядов, фиксируемое измерительными приборами несколько ниже, чем при меньших размерах цилиндрического короба. Эти данные подтверждают вывод, о том, что чем меньше площадь взаимодействия при трении двух твердых тел, тем точнее измерение действительного значения поверхностной плотности зарядов, так как эффект взаимокомпенсации зарядов меньше [5].
Образование электростатических зарядов при взаимодействии полимеров с хлопком-сырцом тесно связано с температурой в зоне трения, результаты измерений температуры в зоне трения антифрикционно-износостойких эпоксидных покрытий с хлопком-сырцом представлены на рисунках 3-4. Из рисунка 3 видно, что увеличение среднего радиуса трения вызывает некоторое снижение температуры. Это подтверждает вывод авторов [6] о том, что температура является следствием процессов образования электростатических зарядов и их микрозарядов. Действительно, при всех прочих равных условиях увеличение среднего радиуса трения не должно вызывать роста температуры в зоне трения, так как ФПК контакта зависит от диаметра цилиндрического короба, а этот параметр остается постоянным. Однако снижение температуры при увеличении среднего радиуса трения, очевидно, вызывается
уменьшением процессов зарядового обмена и протеканием меньших микротоков и микроразрядов.
1- dк=100;
2- dк=90 ; 3^=80; 4-dк=70; 5 ^к =60; 6-
dк=40мм
120 180 240 Радиус трения, Игр
Рис. 3. Зависимость температуры в зоне трения антифрикционно-износостойкого эпоксидного
композита с хлопком-сырцом от среднего радиуса трения Rтр при Р=0,05 МПа и V=6 м/с.
и:
| 340 е-
н 330
¿320 р
300
1-Rтр=300;
2-Ятр=240;
3-Rтр=120;
4мм
Rтр=60
60 70 80 90 100 Диаметр короба. <1к Рис. 4. Зависимость температуры в зоне трения антифрикционно-износосойкого эпоксидного композита с хлопком-сырцом от диаметра цилиндрического короба при Р=0,05 МПа и V=6 м/с.
Косвенно, данное предположение, подтверждается результатами проведенных экспериментальных данных по изучению значений поверхностной плотности зарядов и температуры в зоне трения наполненного сажей эпоксидного покрытия и хлопка-сырца, представлены в таблице 1.
Таблица 1
Зависимость значений поверхностной плотности зарядов и температуры в зоне трения наполненного сажей эпоксидного покрытия с хлопком-сырцом от радиуса трения при _Р = 0,05 МПа, V = 6 м/с, dk = 70 мм_
Радиус трения, Ятр, мм
30 60 100 140
Содержание наполнителя, мас. ч.
5 10 20 5 10 20 5 10 20 5 10 20
Поверхностная плотность заряда, q•10"5 Кл/м2
0,92 0,54 0,33 0,78 0,31 0,25 0,68 0,26 0,19 0,51 0,21 0,16
Температура в зоне трения, Ттр, К
336 333 328 330 328 323 325 321 315 322 318 310
Из таблицы 1 видно, что обеспечение отвода зарядов из зоны трения существенно снижает значение поверхностной плотности зарядов и температуры.
Увеличение диаметра цилиндрического короба как видно из рис 4 вызывает рост температуры. Такая зависимость роста температуры, очевидно, зависит от процессов образования электростатических зарядов, так и от условий теплоотвода из зоны трения. При увеличении диаметра цилиндрического короба ухудшаются условия теплоотвода из зоны трения и в то же время, как было сказано выше, интенсифицируются процессы образования зарядов и, одновременно, их нейтрализации. Этим объясняется возрастание температуры при увеличении диаметра цилиндрического короба. Для подтверждения данного объяснения были проведены замер температуры в зоне трения (табл. 2.), из которого видно, что улучшение теплоотвода зависит от содержания наполнителя эпоксидного покрытия с сажей, обладающие высокой теплопроводностью, и от температуры окружающей среды.
Таблица 2
Зависимость поверхностной плотности зарядов и температуры в зоне трения, наполненного эпоксидного композита с хлопком-сырцом от диаметра цилиндрического
короба при Р=0,05 МПа, У=6 м/с, Rтр.=210 мм, Твоз.=2850 К
Диаметр цилиндрического короба, dк, мм
40 80 100 120 140
Содержание наполнителя, мас.ч.
0 20 0 20 0 20 0 20 0 20
Поверхностная плотность заряда, q• 10-5 Кл/м2
1,2 0,7 0,8 0,34 0,65 0,92 0,30 0,19 0,21 0,16
Температура в зоне трения, Тр , К
318 308 319 314 323 316 325 318 327 320
Из данной таблицы 2 видно, что при обеспечении теплоотвода из зоны трения величина поверхностной плотности зарядов уменьшается, температура лишь незначительно возрастает при увеличении диаметра цилиндрического короба. Полученные данные позволяют сделать вывод о необходимости уменьшения диаметра цилиндрического короба до минимально возможных размеров, но не менее чем на 20-25 мм, т.к. площадь сечения одного семени средневолокнистого хлопка равна 1,8-2,0 см2, а в коробе должно быть минимум 3-4 семени хлопка.
Высота цилиндрического короба, как показали результаты исследований, не влияет на процессы образования электростатических зарядов на поверхности взаимодействующих антифрикционно-износостойких эпоксидных композитов и волокнистой массы, что доказывает их зависимость от таких факторов, как ФПК, давление, скорость, температура воздуха, качественных характеристик хлопка-сырца, и вида полимерного материала, т.е. процессы электризации и температуры в зоне трения не зависят от такого параметра установки, как высота цилиндрического короба. Несколько более высокое абсолютное значение поверхностной плотности зарядов при высоте короба 80 мм по сравнению с высотой 60 мм обусловлено взаимным перемещением долек хлопка-сырца внутри короба. Это предположение подтверждают экспериментальные исследования на установке без вращающегося диска с использованием вибрирующего второго поршня, соединенного с колебательным устройством (рис. 5).
Рис. 5. Схема устройства для определения электризуемости хлопковых долек от их взаимного перемещения внутри цилиндрического
короба.
1-первый поршень; 2-измерительные электроды; 3-цилиндрический короб; 4-второй поршень; 5-электродвигатель; 6-муфта; 7-электромагнит; 8-генератор низкочастотный; 9-измеритель емкости; 10-вольтметр; 11-изоляционные прокладки; Е-источник питания.
Полученные результаты, представленные в таблице 3, показывают, что при взаимном перемещении долек хлопка-сырца между собой наблюдается их электризация, причем величина поверхностной плотности почти равна разности между значением поверхностной плотности зарядов, полученным при высоте короба 60 мм, и значением поверхностной плотности зарядов, полученным при высоте короба 80 мм.
Таблица 3
Зависимость поверхностной плотности зарядов от числа оборотов_
Плотность трибоэлектрического заряда Число оборотов
2 об/мин 4 об/мин
Частота, Гц
10 20 30 40 10 20 30 40
q-10"5 Кл/м2 0,41 0,52 0,63 0,78 0,55 0,73 0,84 0,91
Заключение. Полученные результаты исследований позволили сделать заключение о том, что для измерения поверхностной плотности зарядов и температуры в зоне трения полимерных материалов с хлопком-сырцом оптимальными параметрами разрабатываемой установки являются средний радиус трения 200^300 мм, диаметр цилиндрического короба 60^70 мм и высота 60 мм. Изучение физических факторов в зоне трения полимеров с хлопком-сырцом показало, что процессы образования зарядов и температуры взаимосвязаны между собой. Указанные параметры установки обеспечивают наиболее приближенные к истинным значениям величин зарядов и температуры в условиях взаимодействия пары полимер-хлопок.
Таким образом, выявлено, что увеличение среднего радиуса трения вызывает некоторое снижение температуры. Однако снижение температуры при увеличении среднего радиуса трения, очевидно, вызывается уменьшением процессов зарядового обмена и протеканием меньших микротоков и микроразрядов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Крагельский И.В. Виноградова И.Э. Коэффициент трения. - М.: Машиностроение, 2013. -228 с.
2. Бозорбоев Ш.А., Тухташева М.Н., Абед Н.С., Гулямов Г., Негматов С.С., Эшкабилов О.Х. Исследование влияния порошковых металлических наполнителей на физико-механические свойства полимерных материалов // Новые композиционные и нанокомпозиционные материалы: структура, свойства и применение: Матер. Респуб. научно-техн. конф. (5-6 апреля 2018г.). - Ташкент: ГУП «Фан ва тараккиёт», 2018. - С. 8081.
3. Постников С.Н. Электрические явления при трении и резании. Горький: Волго-Вятское кн.изд., 1975. 280 с.
4. Балабеков М.Т., Усманов Л.И., Равшанов Р. Исследования электрофизических параметров зоны трения материалов // Научн. тр. ТашПИ «Технология машиностроения». -Вып. 214. -Ташкент, 1977. - С. 33-45.
5. Матвеенко В.П., Сметанников О.Ю., Труфанов Н.А., Шардаков И.Н. Термомеханика полимерных материалов в условиях релаксационного перехода. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009.
- 176 с.
6. Эшкабилов О.Х., Гулямов Г., Абед Н.С., Негматов С.С., Тухташева М.Н. Исследование физико-химического механизма взаимодействия компонентов антистатически-теплопроводящих полипропиленовых композиционных материалов //Узбекистоннинг иктисодий ривожланишида кимёнинг урни: Матер. Респуб. научно-практ. конф. - Самарканд: СамДУ, 2018. - С. 67-70.
7. Иванов В.А. Системный подход к созданию антифрикционных материалов и узлов трения.
- Хабаровск: Тихоокеан.ГУ, 2015. - 239 с.
8. Эшкабилов О.Х., Гулямов Г., Абед Н.С. Методы исследования коэффициента трения износа композиционных полимерных материалов на основе полиолефинов //Интеграция дисциплины образования - науки и производства: Матер. Междун. научно-техн. конф. 2018 -Ташкент, 2018. -С. 41-44.
