CC BY
42
УДК 678.743.41
С. М. АНДРЮШЕЧКИН С. В. БИРЮКОВ А. В. ТЮКИН
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия,
г. Омск
Омский государственный технический университет
ОБ ОДНОЙ МЕТОДИКЕ ПРОГНОЗНОЙ ОЦЕНКИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ КАЧЕСТВ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ ТРИБОСИСТЕМ_________________________________________
Рассмотрены результаты исследования зависимости трибоЭДС. возникающей а металло-полимерной трибосистеме с полимерным композиционным материалом на основе политетрафторэтилена, от концентрации наполнителя — скрытокристаллического графита. Установлена зависимость между трибоЭДС и износостойкостью металлополимерной трибосистемы. Предложена методика прогнозирования эксплуатационных качеств ме-таллополимерного узла трения по величине трибоЭДС.
Ключевые слова: политетрафторэтилен, скрьпокристаллический графит. трибоЭДС, скорость изнашивания.
Введение. Полимерные композиционные материалы (ПКМ) и фа ют существенную прогрессивную ролі, в развитии современного приборостроения и машиностроения. ПКМ используются в различных видах техники - от изоляторов в электрических цепях до подшипников и уплотнений транспортных, технологических и энергетических машин. Современное материаловедение, используя совершенные технические средства и методики, разрабатывает и исследует пути и методы создания в полимерных композиционных материалах структур, обеспечивающих получение оптимальных механических, электрических, триботехнических и других свойств [I]. Значительный практический интерес представляют узлы трения, изготовленные с применением полимерных материалов, так как они имеют малую массу, работают практически бесшумно, обладают демпфирующей способностью, в большинстве случаев не требуют смазки (2]
І Іеобходимо отметить, что в науке о і рении полимеры породили множество новых задач, обусловленных специфическими свойствами э тих материалов. Как показывает практика, композиционные материалы на основе полимеров в значительно большей степени, чем металлы, чувствительны к воздейст вию многочисленных факторов, обусловленных фением и влиянием внешней среди |3). Это связано с тем, что струк тура полимеров характеризуется большим разнообразием молекулярных образований. В полимерах одновременно присутствуют'аморфная и кристаллическая фазы и свойства полимера в значительной мере определяются его степенью кристалличности. Строение полимерных материалов в итоге определяет механизмы их трения и изнашивания |2|
Существенная особенность полимерных материалов и ПКМ на полимерной основе заключается еще и в том, что их работа в трибосистемах сопровождается процессами фибоэлектризации. Анализ имеющихся данных о структурных изменениях в поверхностных слоях трущихся тел |4. 5] и одновременно происходящих термодинамических процессов диссипации механической энергии [5- 7| показывает, что эти процессы определяют характер и закономерности трибоэлектризации металлических, полимерных и металлополимерных узлов фения независимо от условий нагружения и смазки. Установлено, что процессы электризации вызывают одну из разновидностей вида изнашивания - коррозионно-механическую, при котором механическое изнашивание сопровождается химическим и электрическим взаимодействием материала со средой. Возникновение трибоЭДС в металлополимерной паре трения, оказывает влияние натриботехиические характеристики, во многих случаях ухудшая их, уменьшая тем самым срок службы трибосистемы, Таким образом, очевидна актуальность изучения и прогнозирования трибоэлектрических процессов в металлополимерном сопряжении. Этодасг возможность управления данными процессами с целью повышения эксплута-ционных качеств полимерных трибосистем, а именно, уменьшение коэффициента трения, уменьшение износа деталей пары трения и увеличения срока их службы
Первостепенный интерес для трибологических исследований представляет политетрафторэтилен (ПТФЭ). ПТФЭ обладает самым низким коэффициентом фения п условиях сухого фения по сравнению с другими полимерами. Это объясняется тем, что
ОМСКИЙ HAWxbM UCTHMi W> i CU) 1009
ВСЛЄДСТВИЄ особого сгроения молекул ПТФЭ имеет одну из самых низких поверхностных энергий ДЛЯ всех известных твердых тел.
На антифрикционные свойства ПТФЭ существенно влияет изменение температуры окружающей среды. Уменьшение коэффициента трения с повышением температуры выгодно отличает ПТФЭ от других полимеров, у которых при повышении температуры значительно увеличивается и без того высокий коэффициент сухот трения |2|
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 сколь* жепия. С целью устранения этою недостатка используют структурную модификацию. Одним из перспективных методов структурной модификации является введение наполни телей: дисперсных, волокнистых, а н последние годы —ультрадиспсрсионных (2|.
Следует отметить, что выбор наполнителя и его концентрация в полимере приводят не только к значительным изменениям механических итриботехии-ческих свойств, но вызывает изменение его структуры и электрических свойств.
Цель работы исследование трибоЭДС, возникающей в металлополимерном узле трения и определение взаимосвязи между трибоЭДС и износостойкостью полимерного композиционного материала.
Методика эксперимента. Для достижения поставленной цели был разработан специальный стенд на базе настольного сверлильного станка. Конструкция стенда обеспечивает:
1) изменение контактного давления между полимерным образцом и контртелом от 1.0 до 3. 0 МПа с помощью специального набора грузов;
2) изменение скорости скольжения образца относительно контртела;
3) относительную скорость скольжения образца, близкую к реальной скорости в узле трения, за счет выбора диаметра окружности металлического контр-тела и частоты вращения двигателя.
Основным элементом измерительного стенда является рабочий узел. Схема рабочего узла измерительного стенда представлена на рис. 1. Конструкция рабо чего узла состоит из следующих деталей: 1 —корпус-держатель полимерных образцов; 2 — металлическое кольцо; 3 — гайка крепления патрона; 4 — металлический патрон; 5— полимерный образец; б — металлическое контргело; 7 металлическая опора; 8 текстолитовая изоляция; 9— металлическое основание; 10— металлический шарик Рабочий узелреали-зует с хе му тре 11 и я п алец-ди ск.
Держатель образцом 1 позволяет одновременно устанавливать три образца. Полимерные образцы 5
Рис. I. Схема рабочего узла измерительного стенда
размещаются в металлических патронах (стаканах! -4. которые соединены между собой металлической пластиной, имеющей контакте металлическим кольцом 2. по которому происходит снятие заряда с помощью скользящего контакта
Образцы с заданным усилием рабочими горцами прижимаются к контртелу б — металлическому диску, изготовленному из закаленной стали марки СТ-45. С целью стабилизации температуры контртела был предусмотрен специальный алюминиевый радиатор, имеющий площадь боковой поверхности -1300 см ’ и воздушно«? охлаждение рабочего узла с помощью осевого вентилят ора с номинальной производительностью М0м '/ч Благодаря этому температура контртела в процессе испытаний имела отклонение от заданной не более ±2 *С.
Образцы выполнялись из ПКМ на основе IГГФЭ. В качестве наполнителя п образце использовался ультрадисперсионный скрытокристаллический графит (СКГ) марки ГЛС-3 (ГОСТ 5420-74) с кристаллами менее 0,2 мкм, неупорядоченной ориентацией и удельной поверхностью частиц 55-70 mVt. Наполнитель-модификатор СКГ смешивался с ПТФЭ в специальном смесителе. Для исследований был изготовлен комплектобразцов в форме цилиндра диаметром 5 мм и миной 13 мм с концентрацией наполнителя 5, 10, 15 и 20 массовых процентов.
С целью повышения точности измерения из образцов удалялась плата Д\я этого перед началом проведения измерений все полимерные образцы, корпус-держатель и металлическое контртело помещались на 30 минут в сушильный шкаф с температурой 90 *С.
Для регистрации трибоЭДС и обработки электрического сигнала использовали осциллограф фирмы VELLEAN, имеющий возможность вывода информации на мони тор компьютера. На экране монитора наблюдали зависимости трибоЭДС от времени, По окончании эксперимента полученные зависимости трибоЭДС от времени пыводилисьна печать.
Измерения трибоЭДС проводились! ipn температуре котртела 313 К и контактных давлениях 1.5- 3.0 МПа.
• ра1,6М1в
— р«20МП«
— р » 3,0 МПа
•/.
58
Рис. 2. Записи мот. трибоЭДС II от концентрации наполнителя С при темпера іуре 313 К
ЛЮ*ГН
і. 10*г>ч
Рис. 3. Зависимость массовой скорости изнашивания./ образцов І1КМ ог поличним трибоЭДС V при »нлчгнии контактного давлення а) р = 1.5МПа;6)р-2,0МПо;в|р-3,0 МПа и томпсратуроЗІЗ К
Результаты исследования и их обсуждение. Проведенные экспериментальные исследования позволили установить взаимосвязь трибоЭДС 1/с концентрацией С наполни теля и контактным давлением р. Графические зависимости значений трибоЭДС 1/от концентрации С наполнителя и различных контактных давлениях р представлены па рис. 2. Из графиков видно, что значение трибоЭДС уменьшается как с увеличением концентрации скрытокристаллического графита н ГП'ФЭ, так и с увеличением контактного давления.
Полученные результаты допускают следующую теоретическую интерпретацию. Увеличение контактного давления приводит к уменьшению зазора между микронеровмостями поверхностей трения. Рассматривая металлополимерное сопряжение как конденсатор, можно говорил.о падении разности потенциалов ввиду уменьшения расстоянии между «пластинами» при увеличен и и давления. При концентрации от 5 до 15 массовых процентов трибоЭДС уменьшается незначительно, ввиду того, что формирование электропроводящих цепочек не завершено. Дальнейшее увеличение концентрации приводит к возникновению условий, обеспечивающий сток зарядов.
Следующим этапом работы было выявление зависимости между трибоЭДС и износостойкостью ме-
Таблица I
Массонам скорость изнашивания J обраіцоп 11 КМ при различных значеннях контактного давления р
Коицаитрация СКГ /• Массовая спорості, изнашивания./. Ю'г/ч
и массовые проценты р - и МПа р 2.0 МПа р - 3.0 МПа
5 0.61 6,28 0.05
10 4,38 4,72 5,90
15 3,89 5.67 7,04
20 5.00 В.05 13.06
ТаГ.л и ца 2
Ко іффицш-нтм аппроксимации
Контакт нов давлени* р„ МПа Коэффициыггы аппроксимации
о. с, а,
1.5 11.0 -276 2130 5460
го 5.1 08.9 650 -1390
3.0 31.8 -531 2940 -5370
таллополимерной три бо с и сто мы. Для -лого авторы воспользовались результатами экспериментов (8|, которые позволили установить зависимость массовой скорости изнашивания, непосредственно связанной с износостойкостью, от концентрации наполнителя и контактного давления. Результаты измерения массовой скорости изнашивания образцов ПКМ, приведенные в работе [8|, представлены в табл 1. Сопоставляя полученные авторами графические зависимости трибоЭДС и (С,р) от концентрации наполнителя С и контактного давления р. представленные на рис 2. сданными табл. 1, несложно уста повить связь между массовой скоростью изнашивания J образцов ПКМ от величины трибоЭДС и. В результате установленной связи были построены графические зависимости массовой скорости изнашивания і образцов ПКМ от величины трибоЭДС и при различных значениях контактной) давления (рис. За, б, в).
С помощью математической программы МАТІ.АВ была произведена полиминальная аппроксимация полученных графиков (рис. За, б, в), в результате которой получены уравнения зависимости массовой скоросги изнашивания./образцов ПКМ от величины трибоЭДС І/ при различных значениях контактного давления. Уравнения имеют вид:
J,-alUí + ЬlU3+cl^J+ е*(,
где о,, Ъ, с, и сі' — некоторые коэффициенты, характерные для определенного значения контактного давления /> (табл. 2).
Измерение трибоЭДС в металлополимерном узле трения не представляет серьезной проблемы и не занимаетзначительного времени в отличие от измерения грибологических параметров (в частности, массовой скорости изнашивания ПКМ).
Таким образом, на основании выше изложенного можно предложит», методику «замены» трибологических измерений — электрическими Эго позволит, по нашему мнению, ускорить процедуру поиска наиболее оптимального процентного содержания наполнителей, определяющих структурно-фазовое
состояние ПКМ, и, как следстпне, повысить эксплуатационные качества металлополимерной трибо-системы.
Заключение. І 1ропеденные исследования показали. что трибоЭДС уменьшается с увеличением концентрации скрытокристаллического графи та и ПТФЭ и с повышением контактного давления. С использованием полученных результатов и данных, характеризующих зависимость скорости изнашивания от концентрации наполнителя, установлена зависимость Предлагается использовать подобные записи-мосгидля прогнозной оценки износостойкости ПКМ без приведения длительных и трудоемких испытаний на трение и износ.
Библиографический список
1 Бартенев | м„ Френкель С.Д. Фишка полимеров — Л Химия, 1‘КЮ - 432 с
2 Машков Ю.К.. Суриков В.И . Калистратола Л.Ф. Мама-см* О Л Модификации структуры и свойстял композиционных материалов на основе политеграфторэтилопа. - Омск.: И:ід-во СибАДИ 2005. - I /Ос.
3 Феклисова Т.Г. и др. Некоторые особенности грнбохи-мнческого окислении углеводородов//Тронис'и н:»шк: — 1084. -Т. 4. N0 2. - С. 339 341
4. Машкой ІО.К. Структурно-люргегическая самоорганизации и термодинамика металлополнмерных трнПосистем // Долговечность трущнхсмдеталеГ! млшин. — М.. НИМ). - Вып. 4, — С 2(9-244.
Я Бершадский А-И Основы теории структурной нрисиослб-ливаемосги и переходных состояний трнбосистем и ее приложение к задачам повышении надежности аубчдтых и черничных порел/14 :дис. докт тсхн и. - Ки«п, 1982. - 328с.
6. Термодиилмичсскии метод оценки интенсивности изнашивании грущнхея материалов//А А Ныжкин. А И Филин чук. К.І Щучев. ММ. Климов // Трение и и;шос - 1982 -Т.З -Nv 5. - С 807 - 872.
7. Поляков Л Л Диссипативная структура избирательного переноса // Долговечность трущихся деталей и машин. — М . 198/. - Вып. 2. - С. 97- 106.
8 Рубли А С!. Обеспечеіше работоспособности мсталлополи-морных трибоснстем типа герметизирующих устройств на ос ноне моделирования тепловых процессов: дис.... канд. техн, и. -Красноярск. 2008. — 214 с
ЛНДРЮШЕЧКИН Сергей Михайлопич, кандидат педагогических наук, доцент ка<|м*лры физики Сибирской государственной автомобильно-дорожнои академии.
Адрес для переписки: e-mail; ASM57@ mail.ru БИРЮКОВ Сергей Владимироинч, док тор технических наук, заведующий кафедрой «Системы автоматизированного проектирования машин и технологических процессов» Омского государственпогогехнн ческого университета, профессор кафедры физики Сибирской государственной автомобильно-дорож-ной академии.
Адрес для переписки: 644050, г. Омск. пр. Мира, 11. ТЮКИН Александр Владимирович, старший преподаватель кафедры физики Сибирской шсударствен-пой автомобильно-дорожной академии.
Адрес для переписки: 644080, г. Омск, пр. Мира. 5.
Статья поступил« п редакцию 10.00.2009 г.
© С. М. Аидрюшсчкни, С. В. Ьирюков. А. В. Тюкин
УДК 669.046.516 Е- н ЕРЁМИН
А. Е. ЕРЁМИН
Омский государственный технический университет
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ДИСПЕРСНЫХ ФАЗ НА ПРОЧНОСТЬ ЛИТЫХ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Изучено влияние структурных параметров дисперсной фазы в объеме литого металла на динамику дислокаций и прочностные свойства. Показано, что при модифицировании литого металла наночастицами тугоплавких соединений совместно с поверхностно-активными веществами можно ожидать существенного повышения прочностных и пластических свойств металла одновременно.
Ключевые слова: модифицирование, структура, дисперсная фаза, наночастицы, дислокации. деформация, прочность, литой металл.
Развитие техники определяет непрерывное повышение требований к конструкционным материалам. Отсутствие ма териалов с необходимыми характернс-гиками является в ряде отраслей промышленности тормозом для совершенствования и создания новых конструкций, машин и изделий,
Классические способы получения сплавов далеко не всегда позволяют получить материалы, обладающие требуемым комплекс ом свойств. Сложившаяся ситуация вызывает необходимость интенсивного поиска новых путей получения материалов с повышенными характеристиками.
