CC BY
11
УДК 691.175.5.8:620
DOI: 10.52691/2500-2651-2022-91-3-51-56
ОСОБЕННОСТИ ИЗНАШИВАНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ С ТВЕРДЫМ НАПОЛНИТЕЛЕМ В НЕЗАКРЕПЛЕННОМ АБРАЗИВЕ
Specifics of Polymer Solid Filler Composites in the Loose Abrasive
Михальченков А.М., д-р техн. наук, профессор, Комогорцев В.Ф., канд. ф-м. наук, доцент, Филин Ю.И., канд. техн. наук, ст. преподаватель, Феськов С.А., канд. техн. наук, доцент Mikhalchenkov A.M., Komogortsev V.F., Filin Yu.I., Feskov S.A.
ФГБОУ ВО «Брянский государственный аграрный университет» Bryansk State Agrarian University
Аннотация. Композиты на полимерной основе находят широкое распространение для изготовления и реновации большой номенклатуры деталей различного функционального назначения. В последнее время они стали применяться для обеспечения высокой стойкости к абразивному изнашиванию деталей почвообрабатывающих орудий, конструктивных элементов рабочих органов горнодобывающей техники и других машин, работающих в абразивных средах. Строение таких материалов состоит из двух компонентов: связующей полимерной матрицы и противоабразивного дисперсного наполнителя, твердость которого выше или сопоставима с твердостью изнашивающей среды. Учитывая специфичность строения таких композитов, для увеличения абразивной износостойкости следует изучить особенности изнашивания в абразивной массе с незакрепленными частицами, так как эксплуатация большинства грунторазрабатывающих рабочих органов происходит в средах с большим количеством минеральных частиц высокой твердости. Поэтому представленные материалы посвящены рассмотрению особенностей изнашивания полимерных композитов с наполнителем, частицы которого имеют высокую твердость. Среди факторов, влияющих на абразивное изнашивание, определяющим является микрорезание (царапание), что и было положено в основу анализа механизма изнашивания. Базируясь на известных данных и собственных наблюдений показано, что на степень абразивного износа оказывают влияние: схема расположения частиц наполнителя, уровень перекрытия траектории перемещения составляющих абразивной массы по поверхности контактирования, механические свойства компонентов, адгезионные свойства композита. Главным фактором, влияющим на износостойкость, все же будет силовая схема взаимодействия фракций наполнителя и абразивной массы, которая определяется траекторией движения частиц абразивной среды и строением материала. Основываясь на вышеизложенном, показано, что особенностью процесса изнашивания полимерных абразивостойких дисперснонаполненных композитов состоит в удалении частиц наполнителя по мере истирания материала матрицы, когда сила сцепления фракции наполнителя будет меньше силы взаимодействия частиц внешней среды с частицами композита.
Abstract. Polymer-based composites are widely used for the manufacture and renovation of a large range of parts for various functional purposes. Recently they have been used to ensure high resistance to abrasive parts wear of tillage tools, structural elements of working bodies of mining machinery and other machines operating in abrasive environments. The structure of such materials consists of two components: a binder polymer matrix and an anti-abrasive dispersed filler, the hardness of which is higher or comparable to the hardness of the wear medium. Taking into account the specificity of the structure of such composites, in order to increase the abrasive wear resistance, it is necessary to study the wear specifics in the abrasive mass with loose particles, since the operation of most soil-working organs occurs in environments with a large number of mineral particles of high hardness. Therefore, the presented materials are devoted to the consideration of the wear characteristics ofpolymer composites with filler, the particles of which have a high hardness. Among the factors affecting abrasive wear, micro-cutting (scratching) is a determining factor, which was the basis for the analysis of the wear mechanism. Based on the known data and our own
observations, it is shown that the degree of abrasive wear is influenced by the layout offiller particles, the level of the movement trajectory overlap of the components of the abrasive mass along the contact surface, mechanical properties of the components, composite adhesive properties. The main factor affecting wear resistance will still be the force scheme of interaction between the filler fractions and the abrasive mass, which is determined by the particles trajectory of the abrasive medium and the material structure. Based on the above, it is shown that a feature of the wear process of polymer abrasive-resistant dispersed composites is the removal of filler particles as the matrix material is worn away, when the adhesion force of the filler fraction is less than the force of particles interaction of the external environment with the composite particles.
Ключевые слова: полимерный композит: абразивостойкий наполнитель; абразивное изнашивание; незакрепленный абразив; удаление частицы наполнителя.
Key words: polymer composite: abrasive-resistant filler; abrasive wear; loose abrasive; removal of filler particles.
Введение. Постановка задачи. Композиционные полимерные материалы, в силу своей специфичности, широко распространены в различных отраслях народного хозяйства [1]. В последнее время они широко используются в качестве абразивостойких покрытий и ремонтных материалов в аграрном производстве [2,3].
Абразивостойкие полимерные композиты представляют собой вещества, в которых частицы наполнителя достаточно равномерно распределены внутри матрицы, связаны с ней высокой адгезионной прочностью и имеют твердость (Н) сравнимую или большую твердости фракций изнашивающей среды (Известен композит с высоким сопротивлением изнашиванию, где в качестве наполнителя выступает диоксид кремния - SiO2, а изнашивающей средой является почва [4]). Кроме того, Н частиц наполнителя несравнимо выше твердости материала матрицы. Указанные факторы приводят к определенным особенностям процесса абразивного изнашивания такого материала. Между тем имеющиеся в свободном доступе сведения о взаимодействии абразивной среды и поверхности дисперсно-наполненного композита не дают полного представления о процессе изнашивания такого материала.
Поэтому задачей работы стало рассмотрение особенностей механизма изнашивания полимерных абразивостойких композитов с дисперсным наполнителем в среде с незакрепленным абразивом.
Предпосылки для рассмотрения задачи. Перемещение деталей технических средств в массе незакрепленных абразивных частиц сопровождается микрорезанием их поверхности, пластическим деформированием [5], а также, по мнению исследователей [6], перемещением абразивной фракции по поверхности трения путем перекатывания. Степень влияния той или иной формы изнашивания на состояние поверхности трения обуславливается: структурой композита; эксплуатационными параметрами (прежде всего скоростью и траекторией перемещения детали); силовыми воздействиями и составом изнашивающей среды; качеством поверхности контактирования [7].
Большая совокупность факторов и сложность явлений при работе полимерных композитов в среде с незакрепленным абразивом, а также недостаток информации о процессе их изнашивания затрудняют анализ взаимодействия абразива и поверхности трения, что серьезно тормозит использование материалов подобного типа в качестве защитных покрытий рабочих поверхностей конструктивных элементов, эксплуатирующихся в условиях интенсивного абразивного изнашивания (например, рабочих органов сельскохозяйственной, горнодобывающей техники и металлургического оборудования).
По мнению [8], стойкость дисперсно-наполненного композита к абразивному изнашиванию мало зависит от формы и геометрии частиц его наполнителя. В тоже время на величину абразивостойкости влияют: взаимное расположение фракций в материале; степень перекрытия траекторий движения частиц абразивной массы по поверхности детали; характер (схема) силового взаимодействия фракций наполнителя композита с частицами абразивной массы; механические характеристики компонентов композита; адгезионная прочность системы «частица-матрица». Среди перечисленных параметров определяющее значение будут иметь условия си-
лового взаимодействия полимерного композита с абразивной средой, определяемые траекторией перемещения частиц абразивной среды и строением материала. Другие же параметры носят сравнительно постоянный характер и при любой силовой схеме примерно одинаковы.
Как следует из публикаций [9,10], превалирующим фактором при абразивном изнашивании является царапающее воздействие частиц абразива поверхности трения (микрорезание). Контактные напряжения в области соприкосновения частиц почвы с покрытием и наличие факта их перекатывания существенного влияния на процесс износа не оказывают.
Дальнейшие рассуждения будут базироваться на единичном контактировании частицы абразивной среды и частицы наполнителя композита, так как в этом случае особенности механизма абразивного изнашивания таких веществ можно описать наиболее полно и подробно.
При рассмотрении силового взаимодействия частиц абразива с фракциями наполнителя с учетом того, что частицы последнего могут располагаться любой своей частью по отношению к наружной рабочей поверхности, за эквивалентную форму составляющих наполнителя можно принять любую их геометию. Это подтверждается работами [11,12]. Кроме того, как отмечалось выше, форма частиц наполнителя мало сказывается на абразивной стойкости вещества. Нельзя исключать и формоизменение частиц наполнителя в процессе износа из -за их истирания, хотя и незначительного, что отражено в работе [13].
Следуя изложенным выше соображениям, в качестве предпосылок для описания процесса изнашивания композита на полимерной основе, наполненного частицами высокой твердости, положены следующие факторы: изнашивание происходит за счет микрорезания поверхности; рассматривается единичный контакт частицы наполнителя и фракции почвы; частица наполнителя имеет произвольную форму, а ее твердость превышает или равна твердости составляющих абразивной среды; твердость матрицы по отношению к истирающей массе сравнительно невелика.
Результаты и их обсуждение. Особенности механизма изнашивания противоабра-зивного композита. Экспериментально установлено, что абразивная износостойкость композита увеличивается по мере снижения его твердости [14]. Это указывает на принципиальное отличие механизма изнашивания композиционного полимерного вещества от гомогенных металлических тел, и обусловлено удалением частиц дисперсного наполнителя по мере истирания полимерной матрицы. Проще говоря, изнашивание материала происходит вследствие «вырывания» фракций наполнителя из общего объема материала. То есть наступает момент, когда площадь сцепления фракции с веществом матрицы не может обеспечить надлежащую адгезионную прочность, способную противостоять воздействию силовых факторов от абразивной среды. Если говорить об износе частиц наполнителя, то он будет незначителен вследствие небольшой разницы в свойствах фракций изнашивающей массы и фракций противоабразивной компоненты композита.
Таким образом, в основу механизма абразивного изнашивания полимерных дисперсно-наполненных материалов положен эффект удаления противоабразивных частиц наполнителя из общей массы вещества по мере износа полимерной основы в процессе эксплуатации детали.
Подтверждением выдвинутого положения является несопоставимая разница в качественном состоянии поверхности термоупрочненной стали 65Г и композита (рис. 1). Пример приводится для композита на эпоксидной основе с содержанием песчаной составляющей 60 мас. ч. и дисперсностью 1 мм, который использовался в качестве защитного покрытия рабочей поверхности плужных лемехов [15].
Рисунок 1 - Состояние поверхностей композита и металла детали после эксплуатации (долотообразная часть плужного лемеха после вспашки 10 га супесчаной почвы)
При увеличении рисунка 1 на фрагменте (рис. 2) отчетливо прослеживается повышенная разрыхленность покрытия, что указывает на высокую степень удаления частиц про-тивоабразивной составляющей композита.
Рисунок 2 - Поверхности композита с удаленными частицами песка
Вывод. Особенность механизма абразивного изнашивания полимерных дисперснона-полненных композитов в среде с незакрепленным абразивом заключается в удалении проти-воабразивных частиц наполнителя из общей массы вещества по мере истирания полимерной основы.
Библиографический список
1. Ющенко Д.А., Кузнецова Е.М. Перспективы применения полимерных композиционных материалов // Механики XXI веку. 2015. № 14. С. 194-198.
2. Артамонов И.А. Совершенствование технологических процессов ремонта машин с использованием дисперснонаполненных полимеров // Энерго-ресурсосберегающие технологии и оборудование в дорожной и строительной отраслях: материалы междунар. науч.-практ. конф. Белгород, 2020. С. 30-65.
3. Астахов М.В., Сорокина И.И. Об особенностях расчета на прочность ремонтного металлокомпозитного фланцевого соединения для тонкостенных агрегатов сельскохозяйственных машин // Труды ГОСНИТИ. 2015. Т. 121. С. 177-184.
4. Филин Ю.И. Эпоксидный композит для повышения ресурса термоупрочненных лемехов // Сельский механизатор. 2017. № 5. С. 36-37.
5. Соколова Н.М., Белова М.Е. Некоторые закономерности абразивного износа // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2008. Т. 74, № 3. С. 7.
6. Комогорцев В.Ф., Тюрева А.А. Теоретико-аналитическое рассмотрение движения частиц легкой почвы по армированной поверхности // Труды инженерно-технологического факультета: сб. науч. тр. / под ред. А.М. Михальченкова. Брянск, 2015. С. 9-45.
7. Исследование механизмов абразивного и ударно-абразивного изнашивания высокомарганцевой стали / В.М. Колокольцев, К.Н. Вдовин, В.П. Чернов и др. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2017. Т. 15, № 2. С. 54-62.
8. Изучение влияния высокодисперсных и наноразмерных неорганических добавок на
структурно-физические характеристики эпоксидных матриц и свойства трибопластиков / В.К. Крыжановский, И.В. Никитина, О.Г. Ясногородская и др. // Вопросы материаловедения. 2009. № 1 (57). С. 66-76.
9. Метод повышения служебных свойств остова плужного лемеха путем использования абразивостойких наплавочных материалов и полимерных композитов / А.М. Михальчен-ков, М.А. Михальченкова, М.А. Петраков, А.А. Гуцан // Тракторы и сельхозмашины. 2019. № 3. С. 70-75.
10. Потекаев А.И., Хохлов В.А., Галсанов С.В. Природа и механизмы абразивного изнашивания материалов с памятью формы на примере никелида титана // Известия Томского политехнического университета. 2012. Т. 321, № 2. С. 107-111.
11. Мусохранов М.В. Физическая модель абразивного изнашивания деталей машин // Электронный журнал: наука, техника и образование. 2017. № 3 (14). С.100-104.
12. Повышение долговечности изделий с помощью поверхностного пластического деформирования / Б.И. Бутаков, В.А. Артюх, О.А. Анисимов, А.Т. Удодов // Тяжелое машиностроение. 2006. № 9. С. 26-32.
13. Болобов В.И., Бочков В.С. О возможности повышения износостойкости быстроизнашиваемых элементов горно-обогатительного оборудования термомеханической обработкой // Записки Горного института. 2016. Т. 221. С. 688-691.
14. The effect of the concentration of components and dispersion of particles of filler of epoxy-sand composite on hardness and its relationship with abrasive wear resistance / A.M. Mi-khalchenkov, A.S. Kononenko, A.A. Tyureva, I.V. Kozarez // Polymer Science. Series D. 2021. Т. 14, № 1. С. 17-20.
15. Михальченков А.М., Купреенко А.И., Филин Ю.И. Практическое применение эпоксидно-песчаных композитов для повышения ресурса и стойкости к абразивному изнашиванию восстановленных штампосварных лемехов // Клеи. Герметики. Технологии. 2018. № 5. С. 36-41.
16. Материально-техническое обеспечение и инновационное развитие АПК Брянской области / С.А. Бельченко, И.Н. Белоус, В.В. Ковалев и др. // Актуальные вопросы экономики и агробизнеса: сб. тр. XII междунар. науч.-практ. конф., 25-26 марта 2021 г. Брянск: Изд-во Брянский ГАУ, 2021. С. 388-400
17. Техническая и технологическая модернизация, инновационное развитие агропромышленного комплекса / С.А. Бельченко, И.Н. Белоус, В.В. Ковалев и др. // Вестник Курской ГСХА. 2021. № 1. С. 6-14.
References
1. Yushchenko D.A., Kuznetsova E.M. Perspektivy primeneniya polimernykh kompozitsionnykh materialov //Mekhaniki XXI veku. 2015. № 14. S. 194-198.
2. Artamonov I.A. Sovershenstvovanie tekhnologicheskikh protsessov remonta mashin s ispol'zovaniem dispersnonapolnennykh polimerov // Energo-resursosberegayushchie tekhnologii i oborudovanie v dorozhnoy i stroitel'noy otraslyakh: materialy mezhdunar. nauch.-prakt. konf. Belgorod, 2020. S. 30-65.
3. Astakhov M.V., Sorokina I.I. Ob osobennostyakh rascheta na prochnost' remontnogo metallokompozitnogo flantsevogo soedineniya dlya tonkostennykh agregatov sel'skokhozyaystvennykh mashin // Trudy GOSNITI. 2015. T. 121. S. 177-184.
4. Filin Yu.I. Epoksidnyy kompozit dlya povysheniya resursa termouprochnennykh lemekhov //Sel'skiy mekhanizator. 2017. № 5. S. 36-37.
5. Sokolova N.M., Belova M.E. Nekotorye zakonomernosti abrazivnogo iznosa // Za-vodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov. 2008. T. 74, № 3. S. 7.
6. Komogortsev V.F., Tyureva A.A. Teoretiko-analiticheskoe rassmotrenie dvizheniya chastits legkoy pochvy po armirovannoy poverkhnosti // Trudy inzhenerno-tekhnologicheskogo fakul'teta: sb. nauch. tr. /pod red. A.M. Mikhal'chenkova. Bryansk, 2015. S. 9-45.
7. Issledovanie mekhanizmov abrazivnogo i udarno-abrazivnogo iznashivaniya vysokomargantsevoy stali / V.M. Kolokol'tsev, K.N. Vdovin, V.P. Chernov i dr. // Vestnik
Magnitogorskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. G.I. Nosova. 2017. T. 15, № 2. S. 54-62.
8. Izuchenie vliyaniya vysokodispersnykh i nanorazmernykh neorganicheskikh dobavok na strukturno-fizicheskie kharakteristiki epoksidnykh matrits i svoystva triboplastikov / V.K. Kryzhanovskiy, I.V. Nikitina, O.G. Yasnogorodskaya i dr. // Voprosy materialovedeniya. 2009. № 1 (57). S. 66-76.
9. Metod povysheniya sluzhebnykh svoystv ostova pluzhnogo lemekha putem ispol'zovaniya abrazivostoykikh naplavochnykh materialov i polimernykh kompozitov / A.M. Mikhal'chenkov, M.A. Mikhal'chenkova, M.A. Petrakov, A.A. Gutsan // Traktory i sel'khozmashiny. 2019. № 3. S. 70-75.
10. Potekaev A.I., Khokhlov V.A., Galsanov S.V. Priroda i mekhanizmy abrazivnogo iz-nashivaniya materialov s pamyat'yu formy na primere nikelida titana // Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. 2012. T. 321, № 2. S.107-111.
11. Musokhranov M.V. Fizicheskaya model' abrazivnogo iznashivaniya detaley mashin // Elektronnyy zhurnal: nauka, tekhnika i obrazovanie. 2017. № 3 (14). S.100-104.
12. Povyshenie dolgovechnosti izdeliy s pomoshch'yu poverkhnostnogo plasticheskogo de-formirovaniya / B.I. Butakov, V.A. Artyukh, O.A. Anisimov, A.T. Udodov // Tyazheloe mashi-nostroenie. 2006. № 9. S. 26-32.
13. Bolobov V.I., Bochkov V.S. O vozmozhnosti povysheniya iznosostoykosti bystroiznashivaemykh elementov gorno-obogatitel'nogo oborudovaniya termomekhanicheskoy obrabotkoy //Zapiski Gornogo instituta. 2016. T. 221. S. 688-691.
14. The effect of the concentration of components and dispersion of particles of filler of epoxy-sand composite on hardness and its relationship with abrasive wear resistance / A.M. Mi-khalchenkov, A.S. Kononenko, A.A. Tyureva, I.V. Kozarez // Polymer Science. Series D. 2021. Т. 14, № 1. С. 17-20.
15. Mikhal'chenkov A.M., Kupreenko A.I., Filin Yu.I. Prakticheskoe primenenie epoksidno-peschanykh kompozitov dlya povysheniya resursa i stoykosti k abrazivnomu iznashivaniyu voss-tanovlennykh shtamposvarnykh lemekhov //Klei. Germetiki. Tekhnologii. 2018. № 5. S. 36-41.
16. Material'no-tekhnicheskoe obespechenie i innovatsionnoe razvitie APK Bryanskoy ob-lasti / S.A. Bel'chenko, I.N. Belous, V.V. Kovalev i dr. // Aktual'nye voprosy ekonomiki i agrobizne-sa: sb. tr. XII mezhdunar. nauch.-prakt. konf., 25-26 marta 2021 g. Bryansk: Izd-vo Bryanskiy GAU, 2021. S. 388-400.
17. Tekhnicheskaya i tekhnologicheskaya modernizatsiya, innovatsionnoe razvitie agropromyshlennogo kompleksa / S.A. Bel'chenko, I.N. Belous, V.V. Kovalev i dr. // Vestnik Kurskoy GSKhA. 2021. № 1. S. 6-14.
УДК 621.891 DOI: 10.52691/2500-2651-2022-91-3-56-61
ИССЛЕДОВАНИЕ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПАР ТРЕНИЯ НА ОСНОВЕ ГАШЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ С ПОМОЩЬЮ ПЛЁНОК ПЛАСТИЧНЫХ
МЕТАЛЛОВ
Study of Tribotechnical Characteristics of Friction Pairs Based on Vibration Damping
Using Plastic Metal Films
Погонышев В.А.1, д-р техн. наук, профессор, Мокшин И.А.1, соискатель,
Погонышева Д.А.2, д-р пед. наук, профессор
11 2 Pogonyshev V.A. , Mokshin I.A. , Pogonyshev D.A.
1ФГБОУ ВО «Брянский государственный аграрный университет» ФГБОУ ВО «Брянский государственный университет имени академика И.Г. Петровского»
1Bryansk State Agrarian University 1Bryansk State Academician I.G. Petrovski University
Аннотация. Работа посвящена исследованию триботехнических характеристик плёнок пластичных металлов, нанесенных на поверхности трения, и смазочных свойств масла на по-
