УДК 539.538:519.874

Планирование экспериментальных исследований по оптимизации состава композиций на основе эластомеров, модифицированных волокнами политетрафторэтилена

Рядченко Г.В., Назаренко Д.В., Болотников В.С.

Донской государственный технический университет,
Ростов-на-Дону, Россия.

Исследована возможность повышения износостойкости эластомеров, за счет легирования их волокнами политетрафторэтилена и галлоцианином.

Разработанные ранее антифрикционные полимерные покрытия для эластомеров [1] не в полной мере удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям по износостойкости.

В работе [2] было показано, что повышение износостойкости может быть осуществлено за счет увеличения числа карбоксильных групп в эластомере. В то же время имеется принципиальная возможность улучшения триботехнических свойств путем модификации эластомеров низкофрикционными волокнами, например, политетрафторэтилена (ПТФЭ) [3]. В связи с этим предпринята попытка улучшения триботехнических характеристик резин с использованием для их легирования волокон ПТФЭ и галлоцианина.

За базовый объект взята композиция, каркас которой выполнен из резаных волокон ПТФЭ, а матрица из резиновых смесей 3826 и 8544. Проведение сравнительных испытаний ряда опытных материалов позволило выбрать наиболее подходящие для исследуемых условий компоненты. В качестве легирующей присадки взят галлоцианин.

Качественный подбор компонентов осуществлялся на основе большого числа опытных данных (табл.1) по разработке и эксплуатации подобных композитов с учетом особенностей работы РМПТ. В дальнейшем осуществлялась оптимизация количественного соотношения компонентов. Для этого применялись методы отсеивающего эксперимента и крутого восхождения [4].

Применение крутого восхождения позволило уже на первом этапе исключить из варьируемых факторов резиновую смесь 8544. Дальнейшее движение по градиенту позволило установить существование оптимума износостойкости и коэффициента трения при содержании галлоцианина /х1/ - 0…3 вес.ч. и волокон ПТФЭ /х2/ – 0…100 вес.ч.

Таблица 1

Состав и триботехнические свойства композиций на основе эластомеров, модифицированных волокнами ПТФЭ и галлоцианином

Компо-зиция

№ п/п

Компонент, вес. ч.

Триботехнические свойства

Резина 3826

Резина 8544

Волокна ПТФЭ

Галло-цианин

Износ, h, мм

Коэфф. трения f

1

100

-

0

0

0,315

0,230

2

-

100

0

0

0,303

0,232

3

100

-

50

0

0,183

0,106

4

-

100

50

0

0,171

0,105

5

100

-

100

0

0,220

0,058

6

-

100

100

0

0,240

0,055

7

100

-

0

1,5

0,300

0,220

8

-

100

0

1,5

0,302

0,224

9

100

-

0

3

0,307

0,226

10

-

100

0

3

0,310

0,228

11

100

-

100

1,5

0,200

0,058

12

-

100

100

1,5

0,214

0,056

13

100

-

100

3

0,210

0,058

14

-

100

100

3

0,214

0,056

15

100

-

50

1,5

0,142

0,092

16

-

100

50

1,5

0,144

0,090

17

100

-

50

3

0,155

0,103

18

-

100

50

3

0,157

0,104

В связи с тем, что значительная кривизна поверхности отклика (см. рис. 1.) не позволяет описать ее в узкой области факторного пространства линейным уравнением, целесообразно описать процесс изнашивания полиномом второго порядка [128, 129]:

(1),

где b0; bi; bij; bii – параметры модели; – случайная ошибка.

В области экстремума был реализован план второго порядка. Уровни факторов и интервалы варьирования приведены в табл. 2, а матрица планирования – в табл. 3. За параметр оптимизации принята величина износа.

При обработке экспериментальных данных был произведен расчет коэффициентов полинома по методу наименьших квадратов [5]. Для этого полином (1) был приведен к уравнению линейного вида.

Рис. 1. Влияние модификаторов на износостойкость.

Таблица 2

Уровни и интервалы варьирования

Уровни факторов

Безразмерные величины

Натуральные величины

х1

х2

х1, вес.ч.

х2, вес.ч.

Основной уровень

0

0

1,5

50

Интервал варьирования

1

1

1,5

50

Верхний уровень

1

1

3

100

Нижний уровень

-1

-1

0

0

Квадратичные члены были преобразованы по рекомендациям [5] и произведена минимизация суммы квадратов отклонений.

(2)

После обработки результатов при помощи математического пакета MATLAB 5.3 были получены параметры модели и точка минимального износа:

h = 0,3204–0,0283х1 –0,0049х2 –0,0000067х1х2 +
+0,0079х12 +0,000039х22

(3)

Для определения оптимальных условий протекания процесса изнашивания проводился анализ модели второго порядка по рекомендациям [5].

Таблица 3

Матрица центрального композиционного плана второго порядка для двух факторов

Содержание плана

Номер опыта

x0

x1

x2

x1х2

х12

х22

y

План типа 22

1

+1

+1

+1

+1

+1

+1

0,210

2

+1

-1

+1

-1

+1

+1

0,220

3

+1

+1

-1

-1

+1

+1

0,307

4

+1

-1

-1

+1

+1

+1

0,315

Звездные точки с плечом =1

5

+1

+1

0

0

+1

0

0,155

6

+1

-1

0

0

+1

0

0,183

7

+1

0

+1

0

0

+1

0,200

8

+1

0

-1

0

0

+1

0,300

Нулевая точка

9

+1

0

0

0

0

0

0,142

В результате были найдены координаты нового центра: x1S = 1,8307 x2S=62,3690, которым соответствует минимальная величина износа h = 0,141 мм.

Установлено, что, основное влияние на износостойкость оказывает фактор x2, за счет снижения адгезионной составляющей силы трения.

Данные, приведенные в табл. 1 и на рис. 1, показывают что износостойкость модифицированной композиции в 2 раза выше исходной, а коэффициент трения ниже в 2…2,3 раза. При этом область оптимальных значений по фактору x2 лежит в интервале 50…75 вес.ч., а по фактору – x1 от 1,5…2,1 вес.ч.

Литература

  1. Данюшина Г.А. Триботехнические свойства антифрикционных полимерных покрытий электроосажденных на эластомерах: Дис…канд. техн. наук: Ростов-на-Дону, 1992.- 171 с.

  2. Хуторсков В.С. и др. Опыт применения карбоксилатных бутадиеннитрильных латексов для пропитки волокнистых материалов. – Л.: ЛДНТП, 1986. – 20 с.

  3. Кужаров А.С., Данюшина Г.А., Игнатенко Н.Л. Антифрикционные эластомеры //Безызностность: Межвуз. сб. науч. ст. – Ростов – н/Д, 1998. Вып. 5. – с. 16 – 47.

  4. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. – М.: Наука, 1976. – 280 с.

  5. Евдокимов Ю.А., Колесников В.И., Тетерин А.И. Планирование и анализ экспериментов при решении задач трения и износа. - М.: Наука, 1980. – 228 с.



На главную Яндекс.Метрика
Hosted by uCoz