Определение коэффициента трения композиционного материала на основе терморасширенного графита с кремнийорганическим связующим

Караваев Дмитрий Михайлович; Матыгуллина Елена Вячеславовна; Сиротенко Людмила Дмитриевна; Дегтярев Александр Иванович

УДК 661.666.232

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ТЕРМОРАСШИРЕННОГО ГРАФИТА С КРЕМНИЙОРГАНИЧЕСКИМ СВЯЗУЮЩИМ

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Поступила в редакцию 30.03.2015

Описано приспособление для испытания материалов на трение и износ по схеме «кольцо-диск». Исследовано влияние содержания в композиционном материале на основе терморасширенного графита крем-нийорганического связующего, удельной нагрузки и скорости скольжения на коэффициент трения. Исследования проведены в соответствии с методикой планирования экспериментов. Получены регрессионные уравнения. Установлено, что с увеличением содержания кремнийорганического связующего в композиционном материале на основе терморасширенного графита коэффициент трения возрастает. С увеличением удельной нагрузки коэффициент трения уменьшается. Используемое оборудование для исследования изнашивания и методику эксперимента возможно применять не только для материала, описанного в статье, но и для других, например, фторопласта, полиэтилена, полиамида и композиций на их основе.

Ключевые слова: терморасширенный графит, кремнийорганическая смола, композиционный материал, трение, трибология, коэффициент трения

В условиях интенсивной эксплуатации шаровых кранов, предполагающей стойкость к воздействию высоких температур (от +200 до +550°С), агрессивных сред, абразивного материала одним из факторов, ограничивающих их надежность, является недостаточная износостойкость уплотнения в области контакта пары «шар-седло» [1, 2]. Одним из основных показателей работы уплотнений шаровых кранов является усилие, затрачиваемое на поворот шара, которое пропорционально коэффициенту трения [3]. В этих условиях актуальной задачей современного арматуростроения следует считать разработку новых износостойких материалов с низким коэффициентом трения для уплотни-тельных элементов, повышающих эффективность эксплуатации оборудования в диапазоне температур от 200°С до 550°С [1].

Цель работы: экспериментальное установление зависимости коэффициента трения от содержания в композиционном материале (КМ) кремнийорга-нического связующего, удельной нагрузки и скорости скольжения.

Образцы КМ были произведены при тщательном смешивании порошков терморасширенного графита (ТРГ), полученного измельчением в две стадии [4], кремнийорганического связующего односторонним сжатием компонентов смеси, которые засыпали в удлиненную вертикальную форму

Караваев Дмитрий Михайлович, ассистент. E-mail: [email protected]

Матыгуллина Елена Вячеславовна, доктор технических наук, профессор. E-mail: [email protected] Сиротенко Людмила Дмитриевна, доктор технических наук, профессор. E-mail: [email protected] Дегтярев Александр Иванович, кандидат технических наук, профессор. E-mail: [email protected]

со съемным дном [5]. КМ на основе ТРГ были спрессованы при давлении 60 МПа в течение 60 сек. и затем термообработаны в течение 30 мин. при температуре 200±10°С. Коэффициент трения и износ колец по сухой поверхности контртела в виде диска из стали 20Х13 с твердостью 50 ИЯС и шероховатостью Иа=0,84 мкм определяли на испытательной машине МИ-40КУ со специально разработанным приспособлением по схеме «кольцо-диск» (рис. 1) [1, 3] при комнатной температуре и относительной влажности 25%.

Рис. 1. Приспособление для исследования изнашивания: 1 - кольцевой образец; 2 - захват; 3 - контртело; 4 - самоустанавливающийся захват

Кольцевой образец 1 размером 050хй70х10 мм закрепляли в захвате 2, который через переходник крепился к выходному валу кручения испытательной машины МИ-40КУ (на рис. 1 не показаны).

Контртело в виде диска 3 устанавливали в самоустанавливающемся захвате 4, который через переходник крепился к комбинированному датчику силы и момента (на рис. 1 не показаны). Момент трения записывали через систему сбора данных на компьютер, а затем рассчитывали коэффициент трения. Перед началом каждого испытания поверхность контртела очищали с помощью ацетона [1].

Исследования проводили в соответствии с методикой планирования экспериментов. Каждую из серий испытаний выполняли в рамках полного факторного эксперимента. Факторы - содержание в КМ кремнийорганического связующего (п), удельную нагрузку (Р) и скорость скольжения (V) задавали на двух уровнях (минимальном и максимальном). Каждый эксперимент при выбранной комбинации факторов повторяли по 5 раза. Чтобы исключить влияние случайных ошибок, вызванных внешними условиями (переменой температуры, качеством сырья, квалификацией лаборанта и т. д.), рандомизировали опыты во времени, т.е. очередность их проведения выбирали случайным образом.

Для построения зависимостей коэффициента трения и износа от давления Р и содержания модифицированной силиконовой смолы в композиционном материале использовали математическую модель первого порядка в виде полинома [6]

В этом случае факторы кодировали по формуле

где X7 - кодовое значение 7-го фактора; х7 - натуральное текущее значение 7-го фактора; х70 - начальный (нулевой) уровень фактора; Ах7 - интервал варьирования 7-го фактора:

А „ _ ГР.ЙЛ ГГЦП

При проведении исследований по определению механических [7, 8] и триботехнических [2, 9] характеристик использовался Симплекс-вершинный план эксперимента с дополнительными внутренними точками. По этому плану содержания модифицированной силиконовой смолы в КМ были 10, 20, 30, 40 и 50 масс.%. Т.к. при 10 и 50 масс.% определяемые характеристики отклонялись от линейного закона, то они были исключены из плана эксперимента. Значения выбранных уровней варьируемых факторов представлены в табл. 1. Матрица планирования эксперимента с расчетными столбцами взаимодействия факторов экспериментального плана 22 представлена в табл. 2. Результаты экспериментов, а также результаты их статистической обработки, представлены в табл. 3.

Таблица 1. Уровни варьирования факторов

№ п/п Уровень варьируемых факторов Обозначение кодовое п, % Р, МПа V, об/мин

X! Х2 Х3

1 основной 0 30 3 3

2 интервал варьирования Ах 10 2 2

3 нижний -1 20 1 1

4 верхний +1 40 5 5

Статистическая обработка данных по коэффициенту трения показала, что дисперсия параллельных опытов не превышала 82<1,8Б-4. Для определения возможности регрессионного анализа рассчитали однородность дисперсий параллельных опытов по критерию Кохрена [6]. Так как расчет-

ные значение критерия Кохрена 0р=0,139 меньше табличного 0табл=0,391 [10] при уровне значимости а=0.05, то гипотеза об однородности дисперсий параллельных опытов принимается, и, значит, можно провести регрессионный анализ.

Таблица 2. Матрица планирования эксперимента

№ опыта Хо Хх Х2 Хз Х1 Х2 Х1 Х3 Х2 Х3 Хх Х2 Х3

1 + 1 -1 -1 -1 + 1 + 1 + 1 -1

2 + 1 + 1 -1 -1 -1 -1 + 1 + 1

3 + 1 -1 + 1 -1 -1 + 1 -1 + 1

4 + 1 + 1 + 1 -1 + 1 -1 -1 -1

5 + 1 -1 -1 + 1 + 1 -1 -1 + 1

6 + 1 + 1 -1 + 1 -1 + 1 -1 -1

7 + 1 -1 + 1 + 1 -1 -1 + 1 -1

8 + 1 + 1 + 1 + 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Таблица 3. Результаты экспериментов

№ Уи1 У и 2 Уи5 Уи Б2 Бп % Б - пУ Ду а=0,95 л Уи

1 0,185 0,173 0,192 0,202 0,177 0,186 1,4Е-04 0,012 6,3 0,005 0,015 0,186

2 0,279 0,258 0,283 0,284 0,276 0,276 1,1Е-04 0,011 3,8 0,005 0,013 0,282

3 0,151 0,130 0,132 0,130 0,130 0,135 8,5Е-05 0,009 6,8 0,004 0,012 0,141

4 0,215 0,223 0,214 0,215 0,227 0,219 3,4Е-05 0,006 2,7 0,003 0,007 0,219

5 0,214 0,230 0,241 0,239 0,249 0,235 1,8Е-04 0,013 5,7 0,006 0,017 0,230

6 0,260 0,267 0,276 0,274 0,274 0,270 4,4Е-05 0,007 2,5 0,003 0,008 0,271

7 0,128 0,131 0,122 0,144 0,147 0,134 1,1Е-04 0,011 8,0 0,005 0,013 0,135

8 0,196 0,201 0,182 0,209 0,200 0,198 9,8Е-05 0,010 5,0 0,004 0,012 0,193

Примечание: Уи - среднее значение коэффициента трения, - дисперсия параллельных опытов, Sn - средняя квадратичная ошибка одиночного результата при п измерениях, Жп - коэффициент вариации, Бпу - средняя квадратичная ошибка среднего арифметического, Ду - доверительный интервал среднего арифметического Ун- расчетное значение коэффициенты трения, найденное по уравнению регрессии

(4)

Рассчитав коэффициенты уравнения (1), получили уравнение регрессии для коэффициентов трения

у = 0,207 +■ 0,034*; - 0,035^ + 0,003*8 +- 0,003*^ - 0,009*^ - О.СКИХ,^ + 0,004^

(4)

Проверку статистической значимости коэф- значимости 0,05 и имеют доверительный интервал фициентов уравнения регрессии для коэффициен- ± 0,003. После исключения статистически не зна-тов трения проводили с помощью 1>критерия чимых коэффициентов Ь^ уравнение регрессии (4) Стьюдента. Все коэффициенты уравнения (4), кро- принимает вид ме Ь3 и Ь^ статистически значимы при уровне

у = 0,207 + 0,034^ - 0,035*г - 0,009*^ - 0,008Хг*э +

(5)

Полученное уравнение (5) проверяли на аде- (5) к виду с натуральными значениями факторов

кватность по критерию Фишера. Так как расчетное использовали формулу кодирования (2), подстав-

значение критерия Фишера Бр=2,97 меньше таб- ляя в уравнение (5) вместо кодовых натуральные

личного Ртабл=3,29 [10], то, соответственно, уравне- значения факторов [6]. ние (5) адекватно [6]. Для приведения уравнения

у = 0,069 + 6 X 10 3х1 - 2,09д;2 + 0,03жэ + 3 X 10 4х±х2 - 8 X 10 4х±х3

—5 X 10 Зх2хэ -+ 1 X 10 Лхгх2х3 Выводы:

1. С увеличением содержания модифицированной силиконовой смолы в КМ на основе терморасширенного графита коэффициент трения возрастает.

2. С увеличением удельной нагрузки на образец и скорости скольжения при испытании коэффициент трения уменьшается.

Получена аналитическая зависимость влияния содержания в КМ на основе терморасширенного графита кремнийорганического связующего, удельной нагрузки и скорости скольжения на коэффициент трения, установленная по результатам планирования эксперимента. Используемое

(6)

оборудование для исследования изнашивания и методику эксперимента можно применять и для других материалов, например, фторопласта, полиэтилена, полиамида и композиций на их основе.

Исследования выполнены при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ по государственному заданию (проектная часть) № 9.1570.2014/К

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Караваев, Д.М. Влияние структурно-морфологических особенностей терморасширенного графита на износостойкость композиционного материала с кремнийорганическим связующим / Д.М.

Караваев, А.М. Ханов, Е.В. Матыгуллина, Л.Д. Си-ротенко // Известия Самарского научного центра

Российской академии наук. 2013. T. 15, № 4(6). C. 378-381.

2. Караваев, Д.М. Трибологические 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-Т0-2014: меж-дунар. науч.-практ. конф., 5-8 авг. 2014 г.: сб. докл. - Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2014. I Т. 2. С. 73-76.

3. Черных, АА. Исследование влияния давления и содержания модифицированной силиконовой смолы на триботехнические характеристики композиционного материала на основе терморасширенного графита / АА. Черных, ЯА. Нефедов, Д.М. Караваев // Современные проблемы науки и образования [Электронный ресурс]. 2014. № 6. 8 с. Режим доступа: URL: www.science-education.ru/120-16098 (дата обращения: 03.03.2015).

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

5. Пат. 2469859 Российская Федерация, МПК В30В 15/02 (2006.01), B22F 3/03 (2006.01), В29С 43/02 (2006.01). Устройство для прессования полых изделий / А.М. Ханов, Д.М. Караваев, А.А. Нестеров и др.; № 2011125358/02; заявл. 20.06.11 ; опубл. 20.12.12, Бюл. № 35. 11 с.

б. Евдокимов, Ю.А. Планирование и анализ экспериментов при решении задач трения и износа / ЮА. Евдокимов, В.И. Колесников, А.Н. Тетерин. - М.: Наука, 19S0. 22S с.

l. Караваев, Д.М. Анизотропия механических свойств композиционного материала на основе терморасширенного графита I Д.М. Караваев, А.М. Ханов, А.И. Дегтярев и др. II Известия Самарского научного Центра Российской академии наук. 2012. T. 14, № 4(5). С. 1243-1245.

S. Караваев, Д.М. Механические свойства композиционного материала на основе терморасширенного графита I Д.М. Караваев, А.М. Ханов, А.И. Дегтярев и др. II Известия Самарского научного Центра Российской академии наук. 2012. T. 14, № 1(2). С. 562-5б4.

9. Karavaev, D. 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, 11-26 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. 1S5-190.

10. Большев, Л.Н. Tаблицы математической статистики / Л.Н. Большев, Н.В. Смирнов. - М.: Наука. Главная редакция физико-математическом литературы, 19S3. 41б с.

DETERMINATION THE FRICTION COEFFICIENT OF COMPOSITE MATERIAL ON THE BASIS OF THERMOEXPANDED GRAPHITE WITH SILICON-ORGANIC BINDER

The device for testing materials for friction and wear according to the scheme "ring-disk" is described. Influence of the content in composite material on the basis of thermoexpanded graphite the silicon-organic binder, specific load and speed of sliding of friction coefficient is investigated. Researches are conducted according to the method of design of experiments. The regression equations are received. It is established that with increase in the maintenance the silicon-organic binder on the basis of thermoexpanded graphite the friction coefficient increases in composite material. With increasing in specific loading the friction coefficient decreases. The used equipment for research the wear and design of experiment is possible to apply not only to the material, described in article. but also to others, for example, pluoroplastic, polyethylene, polyamide and compositions on their basis.

Key words: thermoexpanded graphite, silicon-organic resin, composite material, friction, tribology, friction coefficient

Dmitriy Karavaev, Assistant. E-mail: [email protected] Elena Matygullina, Doctor of Technical Sciences, Professor. E-mail: [email protected] Lyudmila Sirotenko, Doctor of technical Sciences, Professor. E-mail: [email protected] Alexander Degtyarev, Candidate of Technical Sciences, Professor. E-mail: [email protected]

TTS

DETERMINATION THE FRICTION COEFFICIENT OF COMPOSITE MATERIAL ON THE BASIS OF THERMOEXPANDED GRAPHITE WITH SILICON-ORGANIC BINDER

Текст научной работы на тему «Определение коэффициента трения композиционного материала на основе терморасширенного графита с кремнийорганическим связующим»