УДК 678.01:539.53

Исследование влияния режимов эксплуатации на триботехнические свойства модифицированных эластомеров

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

Экспериментально установлен характер изменения триботехнических свойств эластомеров с покрытиями на основе текстильных изделий из волокон политетрафторэтилена в зависимости от условий эксплуатации, природы и шероховатости поверхности сопряженной с образцом деталью (вал, кольцо).

Ключевые слова: модифицированные эластомеры, низкофрикционные волокна, пропиточные составы, армирующие волокна, политетрафторэтилен, условия эксплуатации.

Введение. В работах [1, 2] было установлено, что эластомеры модифицированные низкофрикционными волокнами (политетрафторэтилен) или текстилем на их основе имеют высокие триботехнические характеристики, по сравнению с исходной резиной. Однако, данных о влиянии условий эксплуатации, природе материала и шероховатости поверхности контртела нет. В настоящей работе определено влияние этих факторов на триботехнические свойства модифицированных эластомеров в условиях вращательного и возвратно-качательного движения.

Экспериментальная часть. В качестве армирующей компоненты использованы текстильные изделия: трикотаж кулирный платированный и основовязанный футерованный, ткани саржевого переплетения 1/1 артикул 5386-80, 1/3 артикул 5384-80 ТУ ВНИИПХВ 278-81 из нитей политетрафторэтилена типа “полифен” (ТУ 6-06-9-7-81) и армирующих волокон типа “лавсан” (ТУ 6-06-28-21-79).

Изготовление образцов для проведения триботехнических испытаний производилось по известной технологии [1]. В качестве пропиточного состава использовали водный раствор латекса СКН-40-1ГП/16 ТУ 38.103464-80.

Испытания полученных образцов проводили на торцевой машине трения по известной методике [3] при скоростях относительного скольжения V=0,215; 0,328; 0,430; 0,538; 0,645 м/с и удельных нагрузках p=0,05; 0,10; 0,15; 0,20; 0,25 МПа в авиационном масле МС-20П ТУ 38.101265-88. Образцы представляют три сектора 60^o от кольца 40 x 60 x 10 мм, контртело – кольцо 30 x 77 x 4 мм из стали 40Х ГОСТ 4543-80.

Исследования зависимости триботехнических свойств от скорости скольжения и удельной нагрузки проводили на стенде возвратно-качательного движения (рис. 1) и образцах (рис.2) в режиме сухого трения при скоростях относительного скольжения в диапазоне от 4,73 ^. 10^-3 до 35 ^. 10^-3 м/с, угле осцилляции =7^o и удельных нагрузках p=0,554; 0,665; 0,777; 0,888; 1,000 МПа, ресурсные испытания – при угле осцилляции =7^o, удельной нагрузке p=0,554 МПа, скорости скольжения V=4,73 ^. 10^-3 м/с в течение 20 часов (100000 циклов) на образцах из резины 3826 с покрытиями на основе текстильных изделий.

Исследование влияния природы контртела на триботехнические свойства резины 3826, армированной полутораслойной тканью саржевого переплетения 1/3 ТУ ВНИИПХВ 278-81 артикул 5384/3-80, производили на стенде возвратно-качательного движения и контртелах из бронзы КМЦ 3-1 ГОСТ 1628 – 80, стали 40Х ГОСТ 4543 – 80, стали 45 ГОСТ 1050 – 78, стали 14Х17Н2 ГОСТ 5632 – 80 с шероховатостью контактирующей поверхности R_a=0,4 мкм, а влияния шероховатости поверхности контртела – на образцах из стали 45 с шероховатостью R_a=0,05; 0,10; 0,20; 0,40; 0,60 и 0,80 мкм при скорости скольжения V=3,455 ^. 10^-2 м/с, удельной нагрузке p=1 МПа и угле осцилляции =7^o.

Рис. 1 Стенд возвратно-качательного движения.

Рис. 2 Образцы.

Стенд возвратно-качательного движения изготовлен на базе фрезерного станка и состоит из привода 1, нагружающего устройства 2, опор 3 для крепления вала 4, в которых устанавливают испытуемые образцы 5, и тензометрического устройства 6, соединенного с регистрирующей аппаратурой 7. Привод вала 5 осуществляется электродвигателем 8 через клиноременную передачу 9, коробку скоростей станка и шарнирный четырехзвенник 10. Нагружающее устройство установлено на столе фрезерного станка и выполнено в виде рычага 11. Передача усилия на образец производится через шар диаметром 9 мм, который опирается в конусные выточки в рычаге 11 – и державке образца 3. Коромысло 6, представляющее собой тензозвено, жестко соединено с валом (контртелом) 4 и кривошипом 12, а тензодатчик соединен с измерительной аппаратурой 7.

Результаты и их обсуждение. Данные по результатам испытаний на торцевой машине трения даны на рис. 3-8.

Рис. 3. Зависимость коэффициента

Рис. 4. Зависимость линейного

Рис. 5. Зависимость коэффициента трения от скорости скольжения.

Рис. 6. Зависимость коэффициента трения от удельной нагрузки.

Рис. 7. Зависимость линейного износа от скорости скольжения.

Рис. 8. Зависимость линейного износа от удельной нагрузки.
трикотаж основовязанный; - - - ткань саржевая полутораслойная 1/3

Установлено (рис. 3), что в исследуемом интервале скоростей и нагрузок коэффициент трения плавно снижается с ростом удельной нагрузки и растет с увеличением скорости относительного скольжения, в то же время линейный износ (рис. 4) растет с увеличением обоих параметров (p, V).

Показано (рис. 5, 6), что коэффициент трения для каждой скорости и каждой удельной нагрузки постепенно стабилизируется и носит циклический характер, постепенно увеличиваясь при повышении скорости скольжения и снижении удельного давления.

Линейный износ (рис. 7) в зависимости от скорости относительного скольжения для каждой нагрузки имеет плавный рост для обоих покрытий, как при постоянной скорости, так и в исследуемом интервале скоростей. Линейный износ (рис. 8) при увеличении удельных давлений плавно увеличивается во всем скоростном диапазоне, это наблюдается для обоих вариантов покрытий. Кроме того, установлено, что триботехнические характеристики эластомеров с ткаными покрытиями лучше, чем – с покрытиями из основовязанного трикотажа.

Полученные в режиме вращательного движения данные по триботехническим свойствам эластомеров, модифицированных антифрикционными волокнами, не в полной мере отражают картину трения и износа резино-металлических пар трения, так как резинометаллические подшипники работают также и в режиме возвратно – качательного движения. Поэтому были проведены испытания по определению триботехнических свойств эластомеров с четырьмя видами текстильных покрытий в режиме сухого трения в условиях возвратно-качательного движения.

Рис. 9. Зависимость износа от времени наработки.

Визуальный осмотр испытанных образцов показал, что покрытия на всех образцах после наработки 100000 циклов имели неповрежденную структуру и были пригодны для дальнейшей работы.

Результаты триботехнических испытаний представлены на рис. 9. и в табл. 1. Установлено (табл. 1), что после приработки коэффициент трения носит скачкообразный характер, и практически не зависит от типа армирующего каркаса и лежит в исследуемом режиме работы. Анализ износа (рис. 9) показывает, что процесс приработки идет быстрее, чем при вращательном движении, что, по–видимому, связано, с малым углом качания, т.е. малой площадью поверхности фрикционного взаимодействия и, как следствие, с малым выносом продуктов износа из зоны трения.

Выявлено (рис. 9), что после приработки износ характеризуется линейной зависимостью в исследованном интервале времени, что свидетельствует о равномерном износе, причем для саржи 1/3, кулирного и основовязанного трикотажа он становится практически нулевым. Это позволяет сделать предположение о самосогласовании скорости образования и разрушения вторичных структур, формирующихся в результате кинетического перехода при совместном действии механических, деформационных, тепловых, адсорбционных, диффузных и химических процессов. Механические и деформационные процессы обуславливают упорядоченность структуры: ликвидацию дефектов, ориентацию, а физико-химические процессы приводят к снижению сил адгезии, что обеспечивает зону режимов минимального износа и оптимизирует величину коэффициента трения.

Таблица 1

Коэффициент трения

Исследование зависимости триботехнических свойств от скорости скольжения и удельного нагружения (рис. 10, 11) показали, что в исследуемом интервале скоростей и удельных нагрузок коэффициент трения практически мало зависит от нагрузки, а изменение скорости скольжения на порядок дает увеличение коэффициента трения в 2,0…2,5 раза как для основовязанного трикотажа, так и для полутораслойной ткани саржевого переплетения 1/3.

Рис. 10.* Зависимость коэффициента трения от скорости скольжения и удельной нагрузки.

Рис. 11.* Зависимость линейного износа от скорости скольжения и удельной нагрузки.

* трикотаж основовязанный; - - - ткань саржевая полутораслойная 1/3

В то же время линейный износ (рис. 11) растет с увеличением удельной нагрузки и скорости относительного скольжения. Причем с увеличением скорости скольжения в испытуемом интервале скоростей наблюдается тенденция к снижению величины линейного износа.

Данные по исследованию влияния природы и шероховатости поверхности материала контртела даны соответственно в таблице и на рис. 12.

Таблица 2

Зависимость триботехнических характеристик композита на базе резины 3826 с покрытием из полутораслойной саржи 1/3 ТУ ВНИИПХВ 278 – 81, артикул 5384/3 – 80 от природы материала контртела

Рис. 12. Зависимость триботехнических от шероховатости поверхности контртела (сталь 45).

Влияние природы контртела на процесс трения и изнашивания пары трения определяется механизмом образования пленок переноса на металлической поверхности. Суть образования пленок переноса заключается в накоплении продуктов износа (макрорадикалов) во впадинах между выступами шероховатости и сорбционном закреплении их на поверхности контртела.

Коэффициент трения для сталей 45 и 40Х имеют практически равные значения и ниже, чем для бронзы КМЦ 3 – 1 и нержавеющей стали 14Х17Н2 и обусловлены наличием в стали 14Х17Н2 никеля, а в бронзе – меди, что хорошо подтверждается данными работы [4].

Экспериментально определена область допустимого линейного износа, зависящего от толщины покрытия, для испытуемой пары, которой соответствует шероховатость поверхности контртела R_a=0,05…0,40 мкм.

В работах [5, 6] рекомендуются шероховатости сопряженной металлической поверхности с общим диапазоном R_а = 0,1…0,4 мкм. Для исследуемых покрытий этот диапазон можно расширить до 0,5…0,6 мкм за счет уменьшения ресурса работы (рис. 12).

В результате экспериментальных исследований установлено, что материал контртела и шероховатость соприкасаемой поверхности оказывают существенное влияние на триботехнические свойства композитов на основе модифицированных эластомеров.

Выводы. Экспериментально установлен характер изменения триботехнических свойств эластомеров, модифицированных текстильными изделиями на основе волокон политетрафторэтилена, в зависимости от условий эксплуатации, природы материала и шероховатости поверхности контртела. Показано, что антифрикционные свойства ухудшаются с увеличением скорости скольжения шероховатости поверхности контртела и с уменьшением удельной нагрузки. В тоже время износостойкость определяется природой и шероховатостью поверхности контртела, скоростью скольжения и удельной нагрузкой. С увеличением этих параметров износостойкость падает.

ЛИТЕРАТУРА

1. Рядченко Г.В., Болотников В.С., Рядченко В.Г. Триботехнические свойства эластомеров, модифицированных текстилем на основе волокон политетрафторэтилена. // Вестник ДГТУ. Сер. “Трение и износ”, Ростов-на-Дону: ДГТУ. 2001. Т. 1. № 2(8). с . 155 – 159.

2. Рядченко Г.В., Болотников В.С., Рядченко В.Г. Триботехнические свойства композитов на основе эластомеров, модифицированных волокнами политетрафторэтилена. // Вестник ДГТУ. Сер. “Трение и износ”, Ростов-на-Дону: ДГТУ. 2001. Т. 1. № 4(10). с . 63 – 67.

3. Гречко В.О. Разработка медьсодержащих антифрикционных покрытий на основе волокон политетрафторэтилена: Дис…канд. техн. наук: 05.02.01. – Защищена – 25.05.82; утв.29.12.82: 028230071. – Новочеркасск, 1982. – 125 с. – Библиогр.: 160 назв.

4. Семенов А.П., Савинский Ю.Э. Металлофторопластовые подшипники. – М.: Машиностроение, 1976. – 192 с.

5. Бартенев Г.М., Лаврентьев В.В. Трение и износ полимеров. – Л.: Химия, 1972. – 240 с.

6. Ланкастер И.К. Образование третьего тела и износ сухих подшипников на основе ПТФЭ – волокон //Проблемы трения и смазки. – 1980. – Т. 102. - № 2. – с. 114 – 125.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

Гавриил Викторович Рядченко родился в 1976 г., окончил Южно-Российский Государственный Технический Университет (НПИ) в 1998 г. по специальности “Химическая технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов”, научный сотрудник НПГП “Синтез” Донского Государственного Технического Университета, автор 8 научных работ в области трения полимеров.
Рабочий телефон: (8632) 38-13-92

Дмитрий Владимирович Назаренко родился в 1972 г., окончил Ростовский Государственный Университет в 1995 г. по специальности “Радиофизика”, кандидат технических наук, доцент кафедры автоматизация производственных процессов Донского Государственного Технического Университета, автор более 20 научных работ в области идентификации параметров и управления динамическими системами.
Рабочий телефон: (8632) 38-17-51

Виктор Сергеевич Болотников родился в 1942 г., окончил Ростовский Государственный Университет в 1971 г. по специальности “Физическая химия”, кандидат химических наук, старший научный сотрудник, доцент кафедры химия Донского Государственного Технического Университета, автор более 60 научных работ в области физико-химии трения.
Рабочий телефон: (8632) 38-13-92