CC BY
14
4 Ь,
Р = —1 = 380 МПа. (5)
п
Коэффициент Ь1 пропорционален удельному сопротивлению, оказываемому пластиной при внедрении экспериментального шарика. Величина Ь1 является постоянной.
Библиографический список
1. Ветров Ю. А. Сопротивление грунтов резанию. - Киев: Изд. Киевского университета, 1985 -167 с.
2. Зеленин А.Н. и др. Машины для земляных работ. М.: Машиностроение, 1975.
3. Завьялов А. М. Основы теории взаимодействия рабочих органов дорожно-строительных машин со средой: Дис... д-ра техн. наук. - Омск, 1999.
4. Кузнецова В. Н., Мартюков Р. А. Экспериментальные исследования нагружения зуба рыхлителя при разработке мерзлых грунтов // журнал «Строительные и дорожные машины» № 4 - 2006.
5. Горячева И.Г. Контактные задачи в трибологии. - М.: Машиностроение, 1988. - 252 с.
6. Кузнецова В. Н. Развитие научных основ взаимодействия рабочих контактной поверхности рабочих органов землеройных машин с мерзлыми грунтами: Дис. д-ра техн. наук. - Омск, 2009.
Diagram of distribution length an ripper working bodies basis experimental data
V.N. Kuznetsova
The article presents of a process an interaction ripper working bodies with frozen soil in the three-dimensional space. Derive mathematical model an interaction ripper working bodies with frozen soil in the space and analytical dependence of distribution pressure on ripper working bodies for the first time.
Кузнецова Виктория Николаевна - канд. техн. наук, доцент Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Основное направление научных исследований - исследования в области разработки мерзлых грунтов землеройными и землеройно-транспортными машинами. Имеет более 60 опубликованных работ. E-mail: kuznetsova_vn@sibadi. org
Статья поступила 11.11.2009 г.
УДК 678. 539.2. 538
О КОРРЕЛЯЦИИ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ ТРИБОСИСТЕМ И ТРИБОЭДС
С.М. Андрюшечкин, канд. пед. наук, А.В. Тюкин
Аннотация. Рассмотрены результаты исследования зависимости трибоЭДС, возникающей в металлополимерной системе на основе ПТФЭ, от концентрации ультрадисперсного графита при различных значениях контактного давления. Изучена корреляция триботехнических характеристик полимерных композиционных материалов и трибоЭДС.
Ключевые слова: ультрадисперсионный графит, трибоэлектризация, скорость изнашивания.
В современном приборо- и машиностроении полимерные композиционные материалы (ПКМ) используются в различных видах техники - от изоляторов в электрических цепях до подшипников и уплотнений транспортных, технологических и энергетических машин. В науке о трении применение полимеров привело к множеству новых задач, обусловленных специфическими свойствами этих материалов, - композиционные материалы на основе полимеров в значительно большей степени, чем металлы, чувствительны к воздействию многочисленных факторов,
обусловленных трением и влиянием внешней среды [1]. Существенная особенность полимерных материалов и ПКМ заключается в том, что их работа в трибосистемах сопровождается процессами трибоэлектриза-ции. Возникновение трибоЭДС в металлополимерной паре трения оказывает влияние на ее трибологические характеристики - скорость изнашивания, коэффициент трения. По этой причине изучение корреляции между трибо-логическими характеристиками и трибоЭДС является актуальной задачей.
Первостепенный интерес для трибологи-ческих исследований представляет политетрафторэтилен (ПТФЭ). ПТФЭ обладает самым низким коэффициентом трения в условиях сухого трения по сравнению с другими полимерами. Уникальные физико-химические и антифрикционные свойства ПТФЭ позволяют считать его лучшим материалом для основы ПКМ триботехнического назначения. Однако ПТФЭ обладает недостаточно высокими механическими свойствами и низкой износостойкостью. Имея исключительно высокие антифрикционные свойства, ПТФЭ интенсивно изнашивается при умеренных и высоких нагрузках и скоростях скольжения. С целью устранения этого недостатка используют структурную модификацию. Одним из перспективных методов структурной модификации является введение наполнителей: дисперсных, волокнистых, а в последние годы - ультрадисперсионных [2]. Структурная модификация полимерных материалов лежит в основе методов повышения механических и триботехнических свойств полимеров и композитов на их основе.
Структурная модификация приводит не только к значительным изменениям механических и трибологических свойств, но меняет и электрические свойства ПКМ. Это, в свою очередь, влияние на интенсивность процессов электризации при трении.
В экспериментальном исследовании изучалась зависимость трибоЭДС, возникающей в металлополимерном узле трения на основе ПТФЭ, от концентрации наполнителя. Выявлена корреляция трибоЭДС со скоростью изнашивания.
Исследуемые образцы ПКМ выполнялись на основе ПТФЭ. В качестве наполнителя использовался ультрадисперсионный скрыто-
кристаллический графит (СКГ) марки ГЛС-3 (ГОСТ 5420-74) с кристаллами менее 0,2 мкм неупорядоченной ориентацией и удельной поверхностью частиц 55... 70 м2/г. Для исследований был изготовлен комплект образцов в форме цилиндра диаметром 5 мм и длиной 13 мм с концентрацией наполнителя 5, 10, 15 и 20 массовых процентов. Изготовление образцов с определенной концентрацией наполнителя производится путем добавления в матрицу требуемого количества наполнителя. При этом масса навески - наполнителя (20.50 грамм) определяется весьма точно на аналитических весах, что позволяет в итоге, получать образцы, в которых концентрация наполнителя поддерживается с относительной погрешностью не более 0,005.
Измерения проводились на специально разработанном измерительном стенде. Конструкция стенда обеспечивала изменение контактного давления между полимерным образцом и контртелом от 1,0 до 5,0 МПа с помощью специального набора грузов. Погрешность измерения давления не превышала при этом 50 кПа. Для регистрации трибоЭДС использовали осциллограф фирмы VELLEAN, имеющий возможность вывода сигнала на монитор компьютера и возможность его записи с последующей распечаткой. Погрешность измерения трибоЭДС не превышала 0,2 мВ.
Проведенные экспериментальные исследования позволили установить зависимость трибоЭДС и от концентрации наполнителя С при различных величинах контактного давления р (рисунок 1). Из графиков видно, что значение трибоЭДС уменьшается как с возрастанием концентрации наполнителя, так и с увеличением контактного давления.
О 5 10 15 20 С, масс. %
Рис. 1. Зависимость трибоЭДС и от концентрации наполнителя С
Эти результаты могут быть интерпретированы следующим образом. Металлополимер-ное сопряжение в некотором приближении можно представить как конденсатор. Увеличение концентрации наполнителя увеличивает проводимость системы «полимерный образец - металлическое контртело», что благоприятствует стоку заряда и ведет к уменьшению трибоЭДС. Увеличение контактного давления уменьшает зазор между микронеровностями
Для изучения корреляции между величинами J и и с помощью математической программы была произведена полиномная аппроксимация зависимости трибоЭДС и от концентрации наполнителя С. В результате определено уравнение зависимости трибоЭДС и от концентрации наполнителя С.
Данное уравнение имеют вид:
и = а, С 3 + Ь С 2+с: С + С , (1)
где а¡, Ь, с,,,С¡, - некоторые коэффициенты, характерные для определенного значения контактного давления р, (таблица 2).
Таблица 2 - Коэффициенты аппроксимации
Используя уравнение (1) и зная коэффициенты аппроксимации (таблица 2), не составляет труда получить уравнение, описывающее зависимость скорости изменения
трибоЭДС от концентрации наполни-
дС
теля С
= 3а,, С 2 + 2Ь С +с. (2)
дС
Анализируя концентрационные зависимости трибоЭДС можно отметить одну общую закономерность, которая заключается в том, что в интервале концентрации от 5 до 15 масс. % наблюдается незначительное сниже-
поверхностей трения, электроемкость «конденсатора» возрастает, приводя к падению разности потенциалов на его «пластинах».
Дальнейшим этапом работы было выявление корреляции между трибологическими характеристиками металлополимерной трибо-системы и трибоЭДС.
В работе [3] установлена зависимость массовой скорости изнашивания J от концентрации наполнителя С (таблица 1).
ние трибоЭДС, практически пропорциональное увеличению концентрации с градиентом (0,04 ... 0,05) мВ/масс.%.
В интервале концентрации от 15 до 20 масс. % градиент снижения трибоЭДС увеличивается примерно в 2 раза. Графики концентрационной зависимости массовой скорости изнашивания также указывают на существование критической области концентрации, в которой уменьшение массовой скорости изнашивания сменяется ее повышением и после которой увеличение концентрации приводит к снижению износостойкости ПКМ. Совместное построение графиков зависимости массовой скорости изнашивания J от концентрации наполнителя С и скорости изменения трибо-
ЭДС от концентрации наполнителя С (ри-
дС
сунок 2) позволило подметить следующую особенность: при всех значениях контактного давления р минимум графика J = ^С) и точка, в которой существенно меняется скорость
ди
изменения трибоЭДС —, наблюдаются при
дС
одинаковых значениях концентрации наполнителя С.
Измерение трибоЭДС в металлополимер-ном узле трения не представляет серьезной проблемы и не занимает значительного времени в отличие от измерения трибологи-ческих параметров (в частности, массовой скорости изнашивания ПКМ). На основании рассмотренных результатов анализа предлагается методика определения концентрации наполнителя, обеспечивающей минимальную скорость изнашивания разрабатываемого ПКМ с дисперсными углеродными наполнителями.
Таблица 1 - Массовая скорость изнашивания образцов ПКМ
Образец Скорость изнашивания J, 10-4 г/ч
Р = 1,5 МПа Р = 2,0 МПа Р = 3,0 МПа
5 масс.% СКГ 6,61 6,28 6,05
10 масс.% СКГ 4,30 4,72 5,89
15 масс.% СКГ 3,89 5,67 7,04
20 масс.% СКГ 5,00 8,05 13,06
Контактное давление р, МПа Коэффициенты аппроксимации
а ь с С
1,5 - 6,6-10" 4 0,018 - 0,193 9,1
2,0 - 4,0-104 0,012 - 0,14 8,0
3,0 - 4,0-104 0,013 - 0,15 6,6
1. Изготовление и испытание образцов ПКМ с несколькими значениями концентрации наполнителя с целью получения концентрационных зависимостей трибоЭДС при двух -трех уровнях контактного давления.
2. Получение концентрационных зависимостей трибоЭДС методом аппроксимации экспериментальных зависимостей и = f (С) с помощью соответствующих математических программ.
. 4
¿т 10 г/Ч
3. Построение графика производной зависимости и = f (С) и определение области концентраций с минимальным значением производной (по модулю).
4. Изготовление ряда опытных образцов ПКМ с концентрациями наполнителя, близкими к концентрации, определенной как оптимальная, и измерение для данных образцов скорости изнашивания с целью уточнения результата.
^ т мв
мйсс.Н
Рис. 2. График концентрационной зависимости массовой скорости изнашивания J и скорости
изменения трибоЭДС — (Р = 2,0 МПа)
дС
Библиографический список
1. Феклисова Т.Г. Некоторые особенности трибохимического окисления углеводородов / Т.Г. Феклисова // Трение и износ. - 1995. Т. 4, № 2. - С. 339 - 344.
2. Машков Ю.К. Модификация структуры и свойства композиционных материалов на основе политетрафторэтилена / Ю.К. Машков, В.И. Суриков, Л.Ф.Калистратова, О.А. Мамаев. - Омск.: Изд-во СибАДИ, 2005. - 170 с.
3. Рубан А.С. Обеспечение работоспособности металлополимерных трибосистем типа герметизирующих устройств на основе моделирования теп-
ловых процессов // Дис. на соискание уч. ст. канд. техн. наук. - Красноярск, 2008.
About correlation tribotechnical characteristics metal - polymer tribosystem and triboE-lectromotive
S.M. Andryushetshkin, A.V. Tyukin
Results of research of dependence triboElec-tromotive, arising in metal - polymer system on the basis of PTFE, from concentration ultra dispersive graphite are considered at various values
of contact pressure. Correlation tribotechnical characteristics of polymeric composite materials and tribolectromotive is studied
Андрюшечкин Сергей Михайлович - канд. пед. наук, доцент кафедры «Физика» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Основное направление научных исследований -методика преподавания физики в средней и высшей школе . Имеет 33 опубликованные работы. E-mail: ASM57@mail.ru
Тюкин Александр Владимирович - старший преподаватель кафедры «Физика» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Основное направление научных исследований -трибология. Имеет 12опубликованных работ.
Статья поступила 11.11.2009 г.
