Разработка композиционного материала с полиамидной матрицей для узлов трения насосов, дозирующих солянокислые растворы Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ISSN 0321-2653 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ РЕГИОН._ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2018. № 2

ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIIREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2018. № 2

УДК 621.891 DOI: 10.17213/0321-2653-2018-2-71-76

РАЗРАБОТКА КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА С ПОЛИАМИДНОЙ МАТРИЦЕЙ ДЛЯ УЗЛОВ ТРЕНИЯ НАСОСОВ, ДОЗИРУЮЩИХ СОЛЯНОКИСЛЫЕ РАСТВОРЫ

© 2018 г. Д.В. Миньков

ООО «НПО «Орион ВДМ», г. Новочеркасск, Россия

DEVELOPMENT OF COMPOSITE MATERIAL WITH POLYAMIDE MATRIX FOR FRICTIONAL UNITS THE PUMPS DOSING MURIATIC SOLUTIONS

D.V. Min'kov

LLC «Orion VDM», Novocherkassk, Russia

Миньков Дмитрий Васильевич - директор - гл. конструктор, ООО «НПО «Орион ВДМ», г. Новочеркасск, Россия. Тел. (8635)260-188. E-mail: [email protected]

Min 'kov Dmitriy Vasil 'evich - Director - Chief Designer, LLC «Orion VDM», Novocherkassk, Russia. Ph. (8635)260-188. E-mail: [email protected]

Рассматриваются вопросы разработки композиционных материалов для узлов трения насосов, дозирующих солянокислые растворы. Актуальность разработки обусловлена необходимостью повышения износостойкости трибологических систем насосов. Предлагается методика оптимизации состава композиционного материала с применением теории планирования эксперимента. Построены математические модели, позволяющие прогнозировать изменение коэффициента трения композита и интенсивность изнашивания металлического контртела в зависимости от состава наполнителей материала. Приводятся номограммы этих параметров в зависимости от процентного содержания в составе композита наполнителей, граничные параметры варьируемых факторов и результаты определения минимального значения коэффициента трения композита и интенсивность изнашивания металлического контртела методом сопряженных градиентов. Разработка оптимального состава композитного материала позволила обеспечить высокие трибологические и физико-механические характеристики пар трения дозирующих насосов, работающих в агрессивных средах.

Ключевые слова: композиционный материал; дозирующий насос; трибологическая система; оптимизация; метод сопряженных градиентов.

In the article the questions of development of composite materials for friction units of pumps, dosing hydrochloric acid solutions. The urgency of development due to the need to improve the wear resistance of tribological systems ofpumps. The technique of optimization of the composition of the composite material using the theory of experiment planning. Built mathematical models to predict the change in the friction coefficient of the composite and the wear rate of a metal counterbody, depending on the composition of a filling material. Are the nomograms for these parameters depending on the percentage content in the composition of the composite fillers, the cut-off values varied factors and results of determining the minimum value for the friction coefficient of the composite and the wear rate of a metal counterbody method of conjugate gradients. Development of the optimal composition of the composite material allows to ensure high tribological and physical-mechanical characteristics offriction pairs of metering pumps, operating in aggressive environments.

Keywords: composite material; metering pump; tribological system; optimization; conjugate gradient method.

Введение

Одним из перспективных направлений повышения эксплуатационных характеристик механических систем является применение в системах

новых композиционных материалов. Например, применение высокопластифицированного полимерного композиционного материала ВДМ-1 [1] для изготовления корпусов насосов, дозирующих агрессивные прядильные растворы для формова-

ISSN 0321-2653 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИИ РЕГИОН._ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2018. № 2

ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2018. № 2

ния арамидных волокон СВМ, Русар, Артек, Армос и др., позволяет увеличить ресурс насосов [2, 3]. Это достигается за счет:

- повышения износостойкости некоторых трибологических систем насосов в связи с заменой в них пар трения «металл - металл» на пары трения «композит - металл». Ранее корпуса насосов изготавливались из антифрикционных чугунов [4, 5];

- использования в составе композита пластификаторов, позволяющих при трении создавать на поверхности металлического контртела пленки, понижающие процессы коррозионно-механического, водородного изнашивания и электрохимической коррозии. В дозирующих насосах корпус, изготовленный из композита, применяется для осуществления функции ввода и вывода прядильного раствора из насоса и также является подшипником скольжения ведущего вала [6, 7].

Получение нового состава материала является сложным и многоплановым процессом, подверженным влиянию различных факторов. Во-первых, необходимо определить оптимальный состав композита, матрица которого содержит три наполнителя. Во-вторых, композит с этими наполнителями должен повышать трибо-логические характеристики пар трения насоса и, в частности, износо- и коррозионную стойкость аустенитных сталей, находящихся в трибологи-ческом контакте с композитом. В этой связи разработка эффективных методик, позволяющих решить указанные проблемы является актуальной задачей.

Методика оптимизации состава композиционного материала

Далее рассмотрена методика оптимизации состава новой модификации композиционного материала ВДМ-1 с матрицей из полиамида ПА6 [1].

В качестве наполнителей используются:

- графит коллоидный С-1;

- пластификатор №1 - пластичный смазочный материал № 158;

- пластификатор №2 - лецитин.

Задача определения оптимального состава новой модификации композиционного материала ВДМ-1 (далее «композита») решалась с применением теории планирования эксперимента, позволяющей путем составления наиболее приемлемого плана сократить объем экспериментальных исследований по выявлению влияния количества материала матрицы и наполнителей

на трибологические характеристики композита и металлического контртела.

В качестве показателей, характеризующих поведение композита в узлах трения дозирующих насосов, использовались коэффициент трения f композита и интенсивность изнашивания металлического контртела J.

Для выявления зависимости между f J и составом наполнителей композита проводился эксперимент по программе центрального композиционного ротатабельного планирования второго порядка. Его целесообразно использовать при поиске оптимальных условий процесса. В нашем случае - при определении состава наполнителей композита. В окрестностях точки оптимума более значимой является оценка дисперсии регрессионного уравнения в целом, чем оценка дисперсии отдельных коэффициентов полинома. Поэтому стремятся к равномерности распределения информации в уравнении функции отклика по всем направлениям. Такому положению отвечают ротатабельные планы. Кроме сказанного, подобные планы второго порядка позволяют минимизировать систематические ошибки, связанные с неадекватностью представления результатов полиномами второго порядка.

К основным входящим параметрам относятся:

1) фактор Х1 - содержание пластификатора № 1 (пластичный смазочный материал № 158), % по массе. Основной уровень 5 %, интервал варьирования ± 1 % по массе.

2) фактор XI - содержание пластификатора № 2 (лецитин), % по массе. Основной уровень 3 % по массе, интервал варьирования ± 1 % по массе.

3) фактор Х3 - содержание графита С-1,%. Основной уровень 10 % по массе, интервал варьирования ± 2 % по массе.

Матрица планирования эксперимента позволяет получить информацию о влиянии каждого фактора и их совместного действия на исследуемые параметры f и J. При ее составлении учитывалось: число факторов k = 3; ядро плана 23; число точек ядра пя = 8; число звездных точек п„ = 6; число нулевых точек п0 = 6; величина звездного плеча а = 1,682; общее число опытов N.

Уравнение регрессии для матрицы ротата-бельного планирования второго порядка с тремя факторами имеет вид [8]

у = Ь0 - Ь1х1 + Ь2 х2 + Ь3 х3 + Ь12 х1х2 +

2 2 2 (1)

+ Ь13 х1х3 + Ь23 х2 х3 + Ь11 х1 + Ь22 х2 + Ь33 х3 >

ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.

TECHNICAL SCIENCE. 2018. № 2

где x1, X2, xз - кодированные значения факторов,

X, — Xn

x, =-

дх

X — X ■

дт^- _ max min

X X

X imax'X imin,

Х0! - максимальное и минимальное значения, основной уровень /-го фактора, соответственно, / = 1, 2, 3.

Коэффициенты уравнения (1) определялись по формулам [9]

bo =

2 AB

b =

N CS

So B(k + 2)—C S Su

i=i

bü =

C 2 S,,

i Ф l;

b =

AC N

N il BN

SUC [(k + 2) B — k ] + C (1 — B)jrSu — 2BS(

i=i

. (2)

Здесь

A =

1

r; B =-

kN

2 B [(k + 2) B — k]' (k + 2)( N — n0 )'

c = -n_.

c N ;

N4

j=1

N N

So = S Yj; Si =NXjiYj, i = 1,2,...,k; j=i j=1

N

Sn = S XjiXjiYj,j ф l; j=1

N

S

j=1

Sii = SX2Yj, i = 1,2,...,k.

s (—?

s2

j=1

no — 1

где у - - значения функции отклика в опытах в

центре плана; у0 - среднее значение функции в центре плана.

Рассчитывалась дисперсия коэффициентов уравнения регрессии (1) по формулам:

у2 2AB (k + 2)?2 „2_ SB2ocn

= SBocn, Sh ="

N

N — n

i = 1,2,3;

s2 =

/-1^2 о 2 _ C SBocn i-j.1.

Sb,i = n 'i ф

AC 2 SB2ocn [ B (k +1) —(k — 1)] N '

Исключение из уравнения регрессии (1) статистически незначимых коэффициентов Ь выполняется с применением критического значения распределения Стьюдента. Для этого определяется дисперсия параметров у по результатам опытов в центре плана ^ и дисперсии

уравнения регрессии Sb по формулам

no

S 2 =

S( yk— у)

м-—; Sb2 = bSy2,

no — 1 y

Затем выполнялась статистическая обработка эксперимента.

Оценивалась дисперсия воспроизводимости по опытам в центре плана

где ук - значение параметра в к-м опыте; у -среднее значение у в п0 опытах; Ь - значения коэффициентов уравнения (1), определяемые по формулам (2).

Оценка значимости коэффициентов регрессионной модели проводится по критерию Стьюдента. В ротатабельном центральном композиционном плане принято считать, что коэффициент Ь значим, если |Ь| = tкр (р, к)Sb, где

¿кр (а, ф) - критическое значение распределения

Стьюдента для уровня значимости р и числа степеней свободы ф = щ — 1. Аналогичные условия значимости справедливы и для других коэффициентов регрессии.

Результаты исследований

Расчеты показали, что при ¿кр = 2,57 (р = 0,05, ф = 5) все коэффициенты регрессионной модели статистически значимы.

Тогда регрессионные уравнения в кодированных значениях факторов имеют вид: у1 = 0,0887 — 8,088 • 10—3 х1 — 4,393 • 10—3 х2 —

— 3,927 • 10—3 x3 + 0,015x1x2 + 0,01x, x +

x1x3

+ 5,003 • 10—3 x2 x3 + 0,015 x12 + + 0,013x,2 + 0,013^2;

y2 = 0,807 — 0,032x1 + 0,034x2 — 0,115x3 + +0,038x1x2 + 0,038x1x3 + 0,038 •10—3 x2 x3 + + 0,108x12 + 0,019x22 + 0,144x32.

(3)

(4)

0

Проверка адекватности полученных уравнений проводится по критерию Фишера. Расчет-

2

ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIY REGION.

TECHNICAL SCIENCE. 2018. № 2

ное значение F статистики вычисляется по формуле

f = S2 IS2

■^расч Sa^/ soct '

N i \ 2

o2 j=1

где S2CT = —

Z ( У3 j - УМ j )

■, y3. - значения y, п2-

N - т ' ~э' лученные экспериментально; ум - значения у,

полученные с помощью уравнения (1); m - число коэффициентов в уравнении (1);

Ni Y

Z( Уз7 - Ум} ) - SB2cn ( n0 - 1)

ç2 _ j=1 ^ад =

( N - m )-( no -1)

В результате расчета: для уравнения (3) ^расч = 4,79; для уравнения (4) Fрасч = 4,23. Табличное значение критерия Фишера ^расч = 4,95) находятся для уровня значимости 0,05 и двух степеней свободы: ^ = N - m) - (п0 -1) = 6; f2 = по -1 = 5.

Таким образом, расчетные значения статистики Фишера меньше табличных, поэтому связь между входными и выходными параметрами статистически значима и уравнения (3) и (4) адекватны истинным зависимостям с доверительной вероятностью 0,95. Вычисленные значения отличаются от экспериментальных на величины, не превышающие ошибку опыта.

Подставив в уравнения (3) и (4) именованные величины, получаем математические модели, позволяющие определять в натуральном масштабе коэффициент трения f и интенсивность изнашивания J при различных сочетаниях независимых переменных:

f = 1,543 - 0,254X1 - 0,185X2 - 0,101X3 +

+ 0,015 1X1X2 + 5,003 -10-3 X1X3 + +2,502 -10-3 X2X3 + 0,015X^ + 0,01 3X22 + + 3,334 -10-3 X32;

(5)

J = 9,976 -1,414Х1 - 0,459Х2 - 0,926Х3 + +0,03 8Х1Х2 + 0,019 Х1Х3 + 0,019 Х2 Х3 + (6) + 0,108 Х12 + 0,0 1 9 X 22 + 0,036Х32.

Регрессионные модели (5) и (6) могут использоваться для прогноза значений параметров коэффициента трения и интенсивности.

Выполненные исследования показывают, что на коэффициент трения f композита и интен-

сивность изнашивания J металлического контртела существенное влияние оказывают все исследуемые факторы. На рис. 1 и 2 приведены номограммы коэффициента трения и интенсивности изнашивания в зависимости от процентного содержания в составе композита пластичного смазочного материала 158 и лецитина.

5,0

s4,0-

я я

я3,0 я '

2,0

4,0 5,0 6,0 7,0

Пластичный смазочный материал 158, % по массе

5,0

:4,0

я я £3,0 я ' я

2,0

4,0 5,0 6,0 7,0

Пластичный смазочный материал 158, % по массе б

5,0-

4,0

я я

Ё 3,0 я

2,0

4,0 5,0 6,0 7,0

Пластичный смазочный материал 158, % по массе

Рис. 1. Номограммы коэффициента трения от процентного содержания пластичного смазочного материала 158 и лецитина: а - содержание графита С-1 - 8 % по массе; б - 10 % по массе; в - 12 % по массе / Fig. 1. Nomograms of coefficient of friction from the percentage of plastic lubricant 158 and lecithin: a - holding of graphite C-1 - 8 mass %; б - 10 mass %; в - 12 mass %

а

в

ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.

TECHNICAL SCIENCE. 2018. № 2

5,0

и о о

s 4,0 о

С

^

о4

3,0-

3

2,0

4,0 5,0 6,0 7,0

Пластичный смазочный материал 158, % по массе

5,0

и о

ä

£4,0

о

С

^

о4

-3,0

2,0

4,0 5,0 6,0 7,0

Пластичный смазочный материал 158, % по массе

деления минимального значения методом сопряженных градиентов [10].

Прогнозируемые значения показателей, полученные по моделям (2), (3) составили: min f = 0,09 при Xi = 5,2 % по массе, X2 = 3,2 % по массе, X3 = 10,2 % по массе; min J = 0,8-10-9 при X1 = 5,1 % по массе, X2 = 3,5 % по массе, X3 = 10,0 % по массе.

Заключение

Разработка оптимального состава композитного материала позволила обеспечить высокие трибологические и физико-механические характеристики пар трения шестеренного дозирующего насоса. Эксплуатация насосов показала их высокую износоустойчивость, их ресурс повысился не менее чем в два раза. Таким образом, разработанная методика может использоваться для прогнозирования значений параметров узлов трения дозирующих насосов.

Предложенный подход целесообразно использовать для разработки новых композиционных материалов с целью повышения износостойкости трибологических систем, эксплуатирующихся в агрессивных средах.

5,0

§4,0

о

с

о4

>,о-

2,0

4,0 5,0 6,0 7,0

Пластичный смазочный материал 158, % по массе в

Рис. 2. Номограммы интенсивности изнашивания (х 10-9) от процентного содержания пластичного смазочного материала 158 и лецитина: а - содержание графита С-1 - 8 % по массе; б - 10 % по массе; в - 12 % по массе / Fig. 2. Nomograms of wear intensity (х 10-9) of the percentage of grease 158 and lecithin: а - the content of graphite C-1 - 8 mass %; б - 10 mass %; в -12 mass %

В результате анализа номограмм были выбраны граничные параметры варьируемых факторов для определения оптимального состава композита. Для каждого показателя (коэффициента трения и интенсивности изнашивания металлического контртела) с применением программной среды MathCad решалась задача опре-

Литература

1. Пат. Ш 2241722 РФ, МПК С08Ь77/00. Самосмазывающаяся антифрикционная композиция.

2. Миньков Д.В., Лакунин В.Ю., Слугин И.В. [и др.]. Новые

направления в повышении качества параарамидных волокон отечественных производителей // Химические волокна. 2006. № 1. С. 21 - 23.

3. Миньков Д.В., Иванов А.С., М.Д. Миньков [и др.]. Повышение долговечности узлов трения оборудования предприятий, выпускающих новые химические волокна // Трение и смазка в машинах и механизмах. 2009. № 4. С. 15 - 21.

4. Миньков Д.В. Основные научно-технологические аспекты

повышения долговечности оборудования прядильных производств // Механика и трибология транспортных систем: материалы междунар. науч.-практ. конф. Ростов н/Д, 8 - 11 ноября 2011 г. Ростов н/Д, 2011. С. 97 - 105.

5. Миньков Д.В. Разработка инновационных технологий

создания механизмов оборудования для производств арамидных волокон // Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении: материалы II междунар. конф. Москва, 13-15 ноября 2012 г. М., 2012. С. 88 - 98.

6. Пат. Ш 2278300 РФ, МПК Е04С2/08. Шестеренный насос.

7. Пат. Ш 2307260 РФ, МПК Е04С2/08. Шестеренный дозирующий насос.

8. Хартман К., Лецкий Э., Шефер В. Планирование экспе-

римента в исследовании технологических процессов. М.: Мир, 1977. 552 с.

9. Асатурян В.И. Теория планирования эксперимента. М.:

Радио и связь, 1983. 248 с.

10. Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация. М.: Мир, 1985. 509 с.

а

б

ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.

TECHNICAL SCIENCE. 2018. № 2

References

1. Samosmazyvayuschayasya antifriktsionnayakompozitsiya [Self-lubricating antifriction composition]. Patent RF, no. 2241722.

2. Min'kov D.V., Lakunin V.Yu., Slygin I.V. et al. Novye napravleniya v povyshenii kachestva paraamidnykh volokon otechestvenykh proizvoditeley [New directions in quality improvement with a para-aramid fibers domestic producers]. Khimicheskie volokna, 2006, no. 1, pp. 21 - 23. (In Russ).

3. Min'kov D.V., Ivanov A.S., Min'kov M.D. et al. Povyshenie dolgovechnosti uzlov treniya oborudovaniya predpriyatiy, vypuskayuschikh novye khimicheskie volokna [Increase of durability of friction units of the equipment of the enterprises which are letting out new chemical fibers]. Trenie i smazka v mashinakh i mekhanizmakh, 2009, no. 4, pp. 15 - 21. (In Russ).

4. Min'kov D.V. [The main scientific and technological aspects of improving the durability of spinning equipment]. Mekhanika i tribologiya transportnykh system: materialy mezhdunar. nauchn.-prakt. konf. [Mechanics and tribology of transport systems: proceedings of the international. science.- prakt. conf.]. Rostov na Dony, 2011, pp. 97 - 105. (In Russ.).

5. Min'kov D.V. [Development of innovative technologies for the creation of mechanisms of equipment for the production of aramid fibers]. Undamental'nye issledovaniya i innovatsionnye tekhnologii v mashinostroenii: materialy IImezhdunar. konf. [Fundamental research and innovative technologies in mechanical engineering: materials II international. conf.]. Moscow, 2012, pp. 88 - 98. (In Russ.).

6. Shesterennyi nasos [Gear pump]. Patent RF, no. 2278300.

7. Shesterennyi doziruyushchii nasos [Proportioning gear pump]. Patent RF, no. 2307260.

8. Khartman K., Letskii E., Shefer V. Planirovanie eksperimenta v issledovanii tekhnologicheskikh protsessov [Planning an experiment in the study of technological processes]. Moscow: Mir, 1977, 552 p.

9. Asaturyan V.I. Teoriyaplanirovaniya eksperimenta [The theory of planning of experiment]. Moscow: Radio i svyaz', 1983,248 p.

10. Gill F., Myurrei U., Rait M. Prakticheskaya optimizatsiya [Practical optimization]. Moscow: Mir, 1985,509 p.

Поступила в редакцию /Received 02 марта 2018 г. /March 02, 2018