книги / Основы создания полимерных композитов

мер, имеющий заряд со знаком (+) в начале работы, неоднократно меняет его, но в стабильном режиме знаки сохраняются первичными. Дальнейшие исследования показали, что на поверхности композита образуется слой графита, вследствие чего возникает ложный заряд. Графит контактирует с металлом подшипника и воспринимает знак и заряд металла. После удаления пленки графита с поверхности компо­ зита полимер меняет свою полярность.

На основании проведенных исследований можно утверждать, что роль связующего не сводится только к объединению композита в единое целое и обеспечению способности воспринимать внешнюю нагрузку. Он должен активно участвовать в процессе формирования пленки фрикционного переноса. Для подтверждения этого исследо­ вали процесс трибоэлектризации металлической поверхности при трении композита на основе стеклопластика, наполненного графи­ том. В начальный период трения знак заряда перенесенных продук­ тов износа на металл положителен, а затем он снижается до нуля и меняется на отрицательный.

В результате была предложена следующая модель образования полимерной пленки фрикционного переноса. Вначале при трении на поверхности металлического контртела образуются и достаточно прочно удерживаются продукты износа связующего. После образова­ ния так называемого первого слоя из связующего продукты износа графита за счет своей разнозарядности со связующим удерживаются на поверхности электрическими силами [134, 135]. Затем формируется тонкая высокоориентированная пленка переноса, которая и обеспе­ чивает малый коэффициент трения. При увеличении скорости сколь­ жения происходит разогрев трибоконтакта и соответственно сниже­ ние трибо-э.д.с. Одновременно с этим уменьшаются электростатиче­ ские силы, удерживающие продукты износа графита на связующем, и наступает интенсивный износ.

Таким образом, процесс фрикционного переноса - это самое важное микроскопическое явление, которое отличает металлополи­ мерную трибосистему от металлической. Раскрытие механизма фрик­ ционного переноса создает базу для разработки новых высокоэффек­ тивных самосмазывающихся полимерных композиций.

2.4.Исследование влиянияразличных факторов на износостойкость композитов

Трение и износ, как было сказано выше, являются сложными многофакторными процессами, которые характеризуются многооб­ разием управляемых, неуправляемых и неконтролируемых факторов, большим числом сложных корреляционных связей между факторами и ярко выраженной зависимостью физико-механических, фрикцион­ ных и антифрикционных свойств трущихся материалов от темпера­ туры, внешней среды и других факторов [136,137].

501

При решении задачи исследования напряженно-деформирован­ ного состояния армированной системы было установлено, что вели­ чины Т, г и е зависят от одного и того же параметра v, который отве­ чает за объемную прочность композита в случае квазидинамического сдвига. Тогда можно сказать, что между полученным безразмерным параметром v и износом композита существует некоторая корреляци­ онная зависимость. Параметр v зависит от модуля упругости стекло­ волокна (Еа), когезионной прочности связующего (<тс), диаметра во­ локна (<d), толщины прослойки связующего (<5), а также от адгезион­ ной прочности связующего к поверхности стекловолокна. Прочность адгезии связующего к волокну изменяли путем использования стек­ ловолокон с замасливателем "парафиновая эмульсия" и кремнийорганическим замасливателем. При исследовании важно выяснить одно­ временно влияние имеющихся факторов на прочность и износостой­ кость композитов при трении полимер - матрица, а главное, выде­ лить, которые из них вносят максимальный вклад в формирование высокопрочного антифрикционного износостойкого материала. Для решения поставленной задачи целесообразно использовать математи­ ческий метод активного планирования эксперимента, который ус­ пешно применяется для решения многофакторных задач [138, 139].

В связи с большим числом переменных исследования проводили с использованием дробного факторного эксперимента типа N - 2я' 1= 25-' = 24, где N - число строк, а п - число переменных в мат­

рице.

Для построения матрицы планирования эксперимента по каж­ дому переменному фактору были определены основной уровень и шаг варьирования с учетом имеющихся составляющих компонентов композита. Испытывали пару трения полимер - металл (сталь 45, не­ закаленная). Каждый опыт проводили дважды. Порядок испытаний рандомизирован с помощью таблиц случайных чисел [140]. Испыта­

Коэффициенты уравнения регрессии рассчитываем по формулам

Однородность дисперсий параллельных опытов проверяли по критерию Кохрена:

502

N

м=1

Таблица 7

Уровниварьированиясвойстви матрицапланирования результатов дробногофакторногоэксперимента(ДФЭ)

Расчетное значение G^-критерия сравнивали с табличными для степеней свободы: в числителе f\ = z - 1, в знаменателе/ 2 = N и соот­

ветственно при выбранном уровне значимости а = 0,05:

С табл = 0,68,

Gma6n = ° ’6 8 > Gp = ОД1.

Следовательно, гипотеза об однородности дисперсии параллель­ ных опытов принимается.

Среднеквадратическая ошибка эксперимента

S 2 = — У s 2 *(у) N ^ “

И=1

составила 0,98. Коэффициент регрессии:

S(bi)=-^kL = -? £ L = 0,185

4Nr л/ЙУ

503

После расчетов коэффициентов уравнение регрессии принимает

вид:

/ = 33,53 + 5,79гааг + 2,45сгг + 0,76Еа + ОД18С+ ОД 2dq .

Адекватность уравнения проверяли по критерию Фишера (F-критерию).

Отсюда следует, что наибольшее влияние на износостойкость композита оказывает адгезионная прочность и менее - когезионная прочность. Менее значимым оказался диаметр арматуры стеклянных волокон.

Увеличение износостойкости композита определяется повыше­ нием адгезионной прочности связующего к волокну и когезионной прочностью связующего для того, чтобы композит работал, как мо­ нолит. А это достигается путем увеличения модуля упругости свя­ зующего. Процесс разрушения композита имеет прогрессирующий характер, что связано с постепенным накоплением повреждений ар­ мирующих волокон.

Полученные результаты позволили установить количественное и качественное влияние рассмотренных переменных параметров на прочность и износостойкость композиционного материала при тре­ нии, а также показали роль каждого фактора и его вклад в формиро­ вание износостойкости композита. Рисунки 15 и 16 иллюстрируют влияние упругих и геометрических характеристик композита на его износостойкость.

Факторы, которые определяют свойства композитов, делятся на две группы: характеристики исходных компонентов и параметры процесса формирования. Исследование влияния технологического процесса на свойства композитов, особенно в статистическом ас­ пекте, очень трудная задача. Изучать влияние этих факторов не все­ гда возможно и целесообразно.

Из технологической схемы получения композитов видно, что ка­ чество, прочность и износостойкость композита могут зависеть от основных технологических факторов ведения процесса: содержания исходных компонентов, скорости намотки, шага раскладки и натяже­ ния наполнителя.

Содержание наполнителя и его ориентация являются важней­ шими факторами, влияющими на прочность композита. Содержание арматуры должно стремиться к теоретическому пределу, который со­ ставляет около 90% объема. Оптимальное значение зависит от мно­ гих факторов.

В одной из работ [143] было показано, что для полиэфирных композитов каждому наполнителю соответствует определенный оп­

зитов от содержания волокон при растяжении, но почти отсутствуют

504

/м г/км

Рис. 15. Влияниеупругихсвойствсвязующегонаизнос композита(бесщелочноестекловолокно, Р =2МПа, V= 0,1 м/с)

Рис. 16. Зависимость износа композита отдиаметра армирующего волокна (а) и удельного содержания

наполнителя (б)

работы, где исследованы зависимости износостойкости от содержа­ ния наполнителя. Поэтому параллельно образцы испытывали на износостойкость.

Еще меньше работ посвящено зависимости прочности при сжа­ тии композитов. В работе [147] оно составляет 69-84 мае. %, в работе [148] - 79-83%, а в работе [149] показано, что при изменении содер­ жания наполнителя в диапазоне 60-75 об. % прочность композита не изменяется.

505

ГЛАВА 3. Исследование влияния частоты и амплитуды внешнего нагружения на трение и износ композитов

вусловиях вибрации

Внастоящее время в сильнонагруженных узлах трения подвиж­ ного состава широко применяются подшипники скольжения из ком­ позиционных полимерных материалов. Опыт и анализ работы таких узлов трения показывает, что большинство из них работает в режиме динамического нагружения [80, 161]. В целях создания подшипников скольжения с высокой износостойкостью и прочностью были прове­ дены исследования по определению прочностных критериев и влия­ нию параметров вибрации на процесс трения. Однако характер ре­ альных вибраций и создаваемых на вибростенде может отличаться. Следующим этапом работы явилось изучение влияния нагрузочных и конструктивных параметров на интенсивность изнашивания и коэф­ фициент трения в условиях, близких к реальным.

На необходимость проведения исследований в условиях, близких

кэксплуатационным, указывается в работах [162 - 165]. Стендовый метод испытаний отличается тем, что объектом исследования явля­ ются рабочие детали реальных узлов машин, и поэтому за счет уско­ рения нерабочих периодов можно интенсифицировать процесс иссле­ дования.

3.1.Методика, установка ирезультаты исследований

Для оценки антифрикционных характеристик и износа подшип­

ников скольжения разработано большое количество машин трения, позволяющих изменять в широких пределах скорость скольжения, нагрузки, работать при статических и динамйческих нагрузках, при отрицательных и положительных температурах, в условиях вакуума с использованием абразива [166 - 168]. Однако на этих установках не представляется возможным проведение исследований влияния вибра­ ций на трение и износ, действующих одновременно в трех взаимно перпендикулярных плоскостях.

Учитывая, что условия работы узлов трения тормозной системы железнодорожного подвижного состава значительно тяжелее, чем у сопряжений других машин, сочли целесообразным провести исследо­ вания применительно к условиям работы тормозной рычажной пере­ дачи вагонов. Для этого была разработана установка (рис. 17). Кон­ струкция стенда позволяет соблюдать геометрические размеры под­ шипников узлов трения тормозной рычажной передачи вагонов и схемы сопряжения и задавать режимы работы, близкие к реальным: нагрузка - до 20000 Н, скорость относительного скольжения - до 0,02 м/с, частота колебаний - до 100 Гц, амплитуда - до 1,0 мм, а так­ же возможность замера параметров вибрации, момента трения и тем­ пературы сопряжения. Вибрация осуществляется вибраторами на­

506

правленного действия, которые создают колебания стола в трех вза­ имно перпендикулярных плоскостях с частотой 1 - 100 Гц и ампли­ тудой 0 , 1 - 1 , 0 мм.

Рис. 17. Схема испытательного стенда:

1- электродвигатель, 2 - зубчатая передача, 3,9 - станина, 4 - редуктор, 5 - тяга, 6 - кронштейн, 7- муфта, 8 - измерительное устройство,

10 - рычаг

Изменение частоты и амплитуды колебаний регулируется чис­ лом оборотов вибратора и жесткостью пружин вибростола. Нагру­ зочное устройство позволяет создавать нагрузку от 0 до 30000 Н. Привод рычажной передачи состоит из электродвигателя 1 мощно­ стью 5 кВт с частотой оборотов 1400 об/мин.

Скорость вращения эксцентрика составляет 15 об/мин, или 15 циклов. В течение 1 ч совершается около 900 полных колебаний, а за 30 ч - 2700 циклов, что соответствует годовому периоду работы тор­ моза под вагоном железнодорожного транспорта [169, 170]. Узел стенда представлен на рис. 18.

Рис. 18. Узелстенда: 1 - контробразец, 2 - рама, 3 - образец, 4 - захват, 5 - нагрузочное устройство, 6 - стопор, 7- винт, 8 - вибростенд

507

Испытываемые образцы (полимерные и металлокерамические), представляющие собой сегменты с площадью касания 1,5 104 м2,

устанавливались с противоположных сторон вала - контробразца I. Внутренний диаметр был равен диаметру вала. Рама 2, в которой рас­ полагались образцы, была снабжена нагрузочным устройством 5 и крепилась к столу трехкомпонентного вибростенда 8. Частота (от 1 до 400 Гц) и амплитуда (от 0,1 до 3 мм) колебаний могли устанавли­ ваться и регулироваться как по одной координате, так и в трех вза­ имно перпендикулярных направлениях. Нагружали образцы сжатием пружин 5 посредством винтов 7. Стопоры б предохраняли от самоотвинчивания винтов при вибрации.

Вибрации в трех взаимно перпендикулярных направлениях пере­ даются от стола вибростенда 8 через раму 2 на узел трения как одно­

временно, так и раздельно вдоль каждой координаты. Система коле­ баний в указанных направлениях создается дебалансовым возбужде­ нием. Подвижная масса вибростенда (вибростол) и неподвижная масса (фундамент) соединены пружинным звеном. Частота возбужде­ ния колебаний изменялась регулированием числа оборотов электро­ двигателя. Амплитуда колебаний стенда регулировалась путем изме­ нения числа собственных колебаний пружинного звена. Вариатор по­ зволял изменять скорость скольжения в зоне трения образца в преде­ лах от 0,2 до 2,5 м/с.

Установка оборудована аппаратурой, позволяющей регистриро­ вать параметры вибрации, момент трения и температуру. Контроль за параметрами вибрации производился при помощи специального блока приборов, связанного с вибростендом вибродатчиками, уста­ новленными на вибростоле и узлах трения.

Момент трения в исследуемом узле при данном методе определя­ ется с помощью тензодатчиков сопротивлением 200 Ом, базой 20 мм, наклеенных на торсионный вал и соединенных по полумостовой схе­ ме. Через токосъемник, установленный на валу, через усилитель 8АНЧ, датчики подключаются к самописцу, проводящему запись мо­

мента трения. Тарировка тензобалки производилась до и после испы­ таний.

Для замеров температуры в испытуемом образце устанавлива­ лись две медно-константановые термопары: одна крепилась в верх­ ней поверхности образца, а вторая - на расстоянии 0 ,2 мм от поверх­

ности трения. Замер температуры производился при помощи потен­ циометра ПП-63.

Для измерения износа использовались методы взвешивания, микрометрических измерений и искусственных баз. Для измерения внутренних диаметров втулок применяли микрометрический глубинометр с ценой деления 0,01 (ГОСТ 4770-58), а для замера контроб­ разцов (наружных диаметров) - микрометр со скобой с ценой деления 0,01 (ГОСТ 6507-60).

Величина линейного износа определялась по формуле

508

/ = Di - Di, где D\ - внутренний диаметр подшипника до испытания, а Di - внутренний диаметр подшипника после испытания.

Перед испытанием образцы предварительно прирабатывались при удельном давлении Р = 7,5 105 Па и скорости V = 0,5 м/с. Для

оценки процесса изнашивания была принята величина - интенсив­ ность изнашивания [171]. Режимы работы узла трения соответство­ вали реальным условиям работы узлов трения тормозной системы железнодорожных вагонов.

Из результатов исследования влияния частоты вибраций на ин­ тенсивность изнашивания и коэффициент трения видно, что частота колебаний способствует увеличению интенсивности изнашивания. В диапазоне частот 10 - 100 Гц интенсивность изнашивания возрастает при колебаниях вдоль оси X в 1,4 - 1,7 раза, вдоль оси Y - в 1,5 - 1,8

раза, а вдоль оси Z - в 2,0 - 2,1 раза.

Коэффициент трения минимален в диапазоне частот 20 - 40 Гц. При дальнейшем увеличении частоты колебаний коэффициент тре­ ния возрастает. При вибрациях вдоль осей Y и Z наблюдается воз­ растание коэффициента трения с увеличением частоты колебаний от 10 до 100 Гц.

В результате исследований установлено, что направление дейст­ вия вибрации оказывает влияние на коэффициент трения и износ, как и толщина втулки (<5), амплитуда (А) и частота вибрации (v). Для оп­ ределения совместного влияния этих факторов на износ был исполь­ зован статистический метод планирования многофакторных экспери­ ментов [172].

Ввиду сложности эксперименты проводили в два этапа. На пер­ вом изучали влияние толщины композита (<5), частоты (v) и ампли­ туды колебаний (А) в одном направлении (при.колебаниях, нормаль­ ных к плоскости касания) на коэффициент трения (/) и интенсив­ ность изнашивания (/). На втором этапе исследовали влияние тол­ щины втулки при одновременном воздействии вибрации в трех вза­ имно перпендикулярных направлениях.

В результате предварительных испытаний установлено, что ис­ следуемые математические зависимости имеют Нелинейный характер. Для этого был использован ортогональный композиционный план второго порядка [172]. Согласно предложенному плану эксперимента, провели 18 опытов с четырьмя точками в центре. Для уменьшения систематических погрешностей каждый опыт проводили дважды в случайном порядке. В табл. 8 представлены уровни варьируемых

факторов и интервалы их варьирования в натуральных и кодовых значениях.

Матрица планирования эксперимента, экспериментальное и ре­ альное значения интенсивности износа и коэффициента трения пред­ ставлены в табл. 9.

509

Таблица 8

Матрица планирования эксперимента

следует рассматривать по формулам ортогональных планов второго порядка [160]

(7.25)

510