Введение к работе
Актуальность темы. Развитие современного машиностроения связано с тем, что постоянно растет энерговооруженность машин, производительность, грузоподъемность, скорость выполнения основных и вспомогательных операций. Одним из направлений обеспечения надежности и работоспособности машин является использование антифрикционных полимерных композиционных материалов (ПКМ), в состав которых, кроме полимерных матриц, входят специальные наполнители снижающие трение и износ. Технологические основы производства ПКМ заложены в трудах
В.А. Белого, В.Э. Вайнштейна, В.В. Васильева, Б.Д. Воронкова, Ю.Н. Дроздова, А.П. Краснова, А.А Охлопковой, В.К. Крыжановского, Ю.М. Тарнопольского, Г.В. Сагалаева, А. П. Семенова, В.А. Иванова и других; теоретическим и экспериментальным исследованиям трения и изнашивания материалов, в том числе и полимерных, посвящены работы С.Б. Айнбиндера, Д.Н. Гаркунова, Б.И. Костецкого, И.В. Крагельского, А.В. Чичиназдзе и других ученых.
В последнее время интенсивно развиваются ПКМ, наполненные армирующими волокнами, нитями и тканями – угле-, стекло- и органопластики и др. Они находят широкое применение в различных областях техники, обладая рядом уникальных физико-механических и специальных свойств, в частности, самосмазываемостью, высокой прочностью и износостойкостью, что выгодно отличает их от традиционных антифрикционных материалов.
Наряду с известными термопластичными и термореактивными ПКМ высокие эксплуатационные характеристики показали самосмазывающиеся эпоксидофторопласты (ЭФ). Эти материалы применяются в условиях ограниченной смазки, без смазки, в воде, в том числе – морской, при давлениях до 100 МПа и при повышенных скоростях скольжения до 40 м/с (со смазкой), в диапазоне температур от -60 ОС до +120 ОС при низком коэффициенте трения до 0,05. ЭФ, изготавливаемые из литьевых композиций, например, центробежным способом, имеют обозначение - ЭФЛОНГ, армированные тканями – ЭФЛАСТ.
В последнее время интенсивно развивалось получение армированных ПКМ триботехнического назначения способом прямой радиальной намотки пропитанной антифрикционным компаундом ткани на формообразующую цилиндрическую оправку. Этот способ универсален, достаточно производителен, обеспечивает получение заготовок требуемых размеров с минимальными припусками на механическую обработку, позволяет гибко управлять свойствами и структурой изготавливаемых подшипников. Намотка многослойных конструкций для самосмазывающихся подшипников скольжения (СПС) позволяет получать градиентные и комбинированные структуры ПКМ с повышенными физико-механическими и триботехническими свойствами.
Метод формирования армированных ЭФ намоткой рассматривался в работах В.А. Иванова, А.П. Богачева, Ж.Н. Янковец. Главный фактор упрочнения ПКМ – уплотнение материала на оправке, связан с технологическим натяжением. Контроль натяжения армирующего материала в процессе формирования заготовки позволяет более полно использовать прочностные свойства волокнистого наполнителя. Ранее не рассмотрено влияние основных конструкционных и технологических факторов этого метода: вида ткани, степени ее натяжения, температуры и скорости на прочностные и триботехнические характеристики армированных эпоксидофторопластов (АЭФ), устройства для намотки, не позволяли контролировать технологические режимы процесса.
Таким образом, создание и исследование свойств АЭФ методом намотки, с более высокими механическими и триботехническими характеристиками является актуальной задачей материаловедения и машиностроения. На решение этих вопросов была направлена настоящая работа.
Связь работы с научными программами. В основу диссертации положены результаты исследований по следующим научно-исследовательским программам и темам: №1.1.00 Ф (ЕЗН) «Разработка методологии создания и использования армированных эпоксидографитофторопластов», 2002-2004гг. (гос.рег. № 01200.207862); Федеральная целевая научно-техническая программа Старт-2005 гос.контракт № 3698р/6100 по теме: «Разработка и исследование технологии и оборудования для центробежного формирования изделий из полимерных композиционных материалов», 2005г. (гос.рег. № 0120.0604256); хоздоговор № 16/06 по теме: «Разработка и изготовление гидрооборудования», 2003-2006гг.; хоздоговор № 63/06 по теме: «Разработка технологий ремонта и обслуживания узлов гидроприводов СДМ», 2004-2007 гг.; Госконтракт №15-И-23 по теме: «Разработка и создание опытных образцов высоконадежных самосмазывающихся подшипников скольжения на основе полимерных композиционных материалов», 2007 г.
Цель работы – разработка и исследование самосмазывающихся эпоксидофторопластовых материалов, армированных тканями, с улучшенными прочностными и антифрикционными параметрами и отработка технологии их производства методом намотки.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
1. Разработка и изготовление экспериментального устройства для формирования АЭФ радиальной намоткой ткани с одновременной пропиткой ее компаундом.
2. Разработка экспериментально–расчетного метода исследования эксплуатационных свойств АЭФ полученных методом намотки.
3. Исследование физико-химических, механических, триботехнических характеристик и структуры композитов в зависимости от вида ткани, усилия натяжения ткани, типа эпоксидного связующего, скоростного и температурного режима формирования.
4. Установление функциональных закономерностей прочностных и триботехнических свойств от содержания фторопласта-4 и технологических факторов.
5. Разработка опытной технологии изготовления СПС на основе АЭФ.
6. Разработка машиностроительных материалов и на их основе конструкций СПС с улучшенными эксплуатационными характеристиками для узлов трения машин.
Научная новизна.
1. Разработан экспериментально–расчетный метод исследования эксплуатационных свойств АЭФ, полученных методом намотки.
2. Определена математическая зависимость линейной скорости намотки
от коэффициента пропорциональности упругого растяжения ткани, характеризующая процесс формирования АЭФ для созданной экспериментальной установки.
3. Впервые исследованы физико-механические и триботехнические свойства ЭФ, армированных хлопчатобумажными тканями разной плотности и полученных намоткой.
4. Установлены основные параметры управления прочностными и триботехническими свойствами АЭФ, формируемых методом радиальной намотки.
5. Установлены оптимальные значения технологических и конструктивных факторов, влияющих на прочностные характеристики АЭФ.
Новизна выполненных исследований подтверждена 10 патентами на изобретения РФ.
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением стандартных методов испытаний физико-механических и триботехнических свойств материалов на современном оборудовании, которое характеризуется высоким уровнем точности; применением статистических методов обработки экспериментальных данных; внедрением разработанной технологии и конструкций СПС в узлах трения машин.
Практическая значимость полученных результатов
1. Изготовлена экспериментальная установка радиальной намотки, позволяющая обеспечивать контроль за технологическими параметрами процесса.
2. Разработаны машиностроительные материалы, получившие название МАС-3ХБН.
3. На основе МАС-3ХБН разработаны технологии и способы изготовления металлополимерных самосмазывающихся подшипников скольжения и направляющих колец гидроцилиндров для строительно-дорожных, лесозаготовительных и других машин (патенты № № 2194888, 2208724, 2243095).
4. Разработан способ ремонта гидравлических двигателей (патент № 2238425) и специальный стенд для определения их работоспособности.
5. Выполнены производственные и эксплуатационные испытания узлов трения машин с использованием изделий из МАС-3ХБН.
6. Решен ряд практических задач в области производства самосмазывающихся подшипников и ремонта деталей узлов трения различных машин для предприятий Дальнего Востока: ООО СДМ, ЗАО «Дальтимбермаш», ОАО «Алькан ДВ».
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Экспериментальное устройство и технология получения СПС методом намотки на основе эпоксидофторопластов, армированных хлопчатобумажными тканями.
2. Экспериментально-расчетный метод исследования ЭФ, армированных тканями методом намотки.
3. Математическая модель работы экспериментальной установки радиальной намотки, влияющей на стабильность натяжения армирующей ткани.
4. Результаты исследования физико-механических и триботехнических свойств АЭФ, полученных намоткой.
5. Выбор оптимальных конструктивных и технологических параметров процесса намотки при получении антифрикционных ЭФ, армированных тканями.
6. Результаты производственных и эксплуатационных испытаний.
Апробация результатов диссертации
Работа рассматривалась и одобрена на расширенных научных семинарах кафедры «Машины и оборудование лесного комплекса». Основные положения научной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях аспирантов и молодых ученых Тихоокеанского государственного университета в 2002, 2005 и 2008 г.г.; на ХI Международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня» (г. Санкт-Петербург, 2009 г.), на Х русско-китайском симпозиуме «Современные материалы и технологии 2009» (г. Хабаровск, 2009г.), на международной конференции «Создание новых материалов для эксплуатации в экстремальных условиях» (г. Якутск, 2009 г.), на международной научно-технической конференции «Теория и практика механической и электрофизической обработки материалов» (г. Комсомольске – на – Амуре, 2009 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 18 научных работ, в том числе, 2 в изданиях, рекомендуемых ВАК, 10 патентов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 146 наименований и приложений. Работа изложена на 152 страницах машинописного текста, содержит 56 рисунков и 16 таблиц, 5приложений.
