Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор по антифрикционным полимерным материалам 13
1.1. Обзор современных направлений повышения надежности и износостойкости нагруженных узлов трения 13
1.2. Системный подход к проблеме триботехники самосмазывающихся ПКМ 17
1.3. Антифрикционные материалы на основе фторопластов и термореактивных связующих 21
1.4. Особенности технологии изготовления изделий из литьевых эпоксидных композитов 29
Выводы 37
2. Объекты и методы исследования 39
2.1. Основы системного подхода к методологии создания и исследования самосмазывающихся подшипников на основе ПКМ 39
2.2. Исходные компоненты, композиционные материалы и комбинированные конструкции подшипников скольжения 43
2.3. Микроструктурное исследование наполнителей 52
2.4. Методики исследования физико - химических, физико-механических, термических свойств и структуры полимерных композиционных материалов 54
2.5. Методики и оборудование для триботехнических испытаний пар трения 60
Выводы 70
3. Разработка и исследование технологии и оборудования для переработки эпоксидофторопластов 71
3.1. Основы технологии производства триботехнических изделий 71
3.2. Разработка и исследование технологии и оборудования для подготовки порошковых и волокнистых компонентов 73
3.3. Разработка и исследование оборудования и технологии для смешивания, дозирования и подачи эпоксидофторопластовых компаундов 79
3.3.1. Анализ процесса смешивания и создание дозирующе-смешивающего аппарата 79
3.3.2. Методика исследования параметров конусного смесителя ДСА 90
3.3.3. Исследование конструктивных и технологических параметров конусного смесителя ДСА 93
3.3.4.Микроструктурное исследование процессов смешивания и гомогенизации 101
3.4. Разработка и исследование технологии и оборудования для центробежного формирования и отверждения заготовок из материалов ЭФЛОНГ 109
Выводы 118
4. Экспериментальных исследовании эпоксидофторопластов 119
4.1. Исследование физико-химических свойств эпоксидофторопластов 119
4.2. Исследование адгезионной прочности эпоксидофторопластовых соединений 128
4.3. Исследование механических свойств эпоксидофторопластов 133
4.4. Изучение термостойкости композиционных эпоксидофторопластов 140
4.5. Исследование триботехнических характеристик эпоксидофторопластов 143
4.5.1. Исследование влияния фторопластовых наполнителей 144
4.5.2. Исследование влияния наполнителей на трибохарактеристики при работе эпоксидофторопластов в водных средах 146
4.5.3. Работоспособность эпоксидофторопластовых материалов в масляных средах 153
Выводы 158
5. Производственные испытания и внедрение технологии изготовления самосмазывающихся подшипников 161
5.1. Результаты производственных ресурсных испытаний судовых лебедок 161
5.2. Внедрение направляющих для станков и телескопических рукоятей манипуляторов 165
5.3. Разработка технологий ремонта узлов трения гидравлических манипуляторов 168
5.4. Применение эпоксидофторопластов в катках транспортеров 171
5.5. Создание опытной технологии производства самосмазывающихся эпоксидофторопластовых подшипников 175
Основные выводы 181
Список использованных источников 184
Приложения 198
- Антифрикционные материалы на основе фторопластов и термореактивных связующих
- Исходные компоненты, композиционные материалы и комбинированные конструкции подшипников скольжения
- Разработка и исследование технологии и оборудования для подготовки порошковых и волокнистых компонентов
- Исследование влияния наполнителей на трибохарактеристики при работе эпоксидофторопластов в водных средах
Введение к работе
Качество машин, станков и оборудования в большой степени определяется параметрами надежности, которые в настоящее время недостаточны для большинства машиностроительных изделий, производимых и эксплуатируемых в России. Отказы техники, в основном, возникают в результате недостаточной износостойкости узлов трения [1,2,3].
Одним из направлений обеспечения надежности узлов машин является использование прогрессивных полимерных композиционных материалов (ПКМ) [4, 5, 6 - 19]. Наиболее высокие требования к ПКМ предъявляются для использования в подшипниковых узлах трения, это - низкий коэффициент трения, высокая несущая способность, износостойкость, самосмазываемость, антизадирная стойкость, вибро- и удароустойчивость, повышенная термостойкость и химическая стойкость к агрессивным средам [13, 17, 18 - 22].
За последние годы триботехническое материаловедение выдвинуло широкий класс антифрикционных самосмазывающихся материалов -наполненные фторопласты, металлополимеры, графитопласты, АМС-пластики, полимерные волокниты, металлофторопласты - применение которых значительно улучшило технические характеристики машин [5, 6, 10, 13, 104 - 108]. Применение новых ПКМ в узлах трения позволяет упростить и облегчить их конструкции, снизить трудоемкость и затраты на ремонт и обслуживание, повысить надежность при работе с низкими или высокими температурами, уменьшить загрязнение машин и окружающей среды.
В связи с развитием на Дальнем Востоке таких отраслей, как нефте-, газо- и горнодобывающая, дорожное строительство, лесозаготовительная и деревообрабатывающая, а также ростом транспорта и перерабатывающих технологий, важнейшей проблемой становится организация обслуживания и ремонта машин, а также производство запасных частей и комплектующих. Поэтому создание гибкого универсального производства триботехнических изделий на основе современных ПКМ является актуальной проблемой материаловедения и машиностроения. Данная технология должна быстро
перестраиваться на серийное или индивидуальное производство, на изготовление заготовок различной формы и размеров, состав полимерного композита должен быть универсальным для широкого спектра условий эксплуатации, а также легко изменяться, при необходимости, на другой состав. Изделия на основе ПКМ должны быть ремонтопригодны и не ухудшать технические параметры машин.
Однако разработки российских ученых недостаточно активно внедряются в производство машин по причинам технологической отсталости, недостаточной информированности, низкой конкурентоспособности [91].
Выполняемые на протяжении последних лет в Тихоокеанском государственном университете исследования, показали перспективность применения эпоксидофторопластовых материалов для широкого спектра триботехнических изделий - подшипниковых и уплотнительных систем [15, 16, 56, 66, 92, 131]. Разработанные материалы технологичны, имеют высокую износостойкость, самосмазываемость, достаточно низкий коэффициент трения, работоспособны в нагруженных узлах трения. Данные материалы, изготовленные на основе эпоксидной смолы, фторопласта-4, твердых смазок, армирующих компонентов, металлических порошков получившие обозначения ЭФЛОНГ, ЭФ ЛАСТ и ФЭЛОН перспективны для дальнейшего развития и исследования, а также для создания механизированной гибкой технологии и оборудования для переработки и производства самосмазывающихся подшипников на основе ЭФ-материалов [15, 16]. Задача совершенствования составов ПКМ и их технологий отвечает требованиям современного машиностроительного и ремонтного производства.
Данная специфическая для машиностроителей технология производства эпоксидофторопластовых антифрикционных изделий требует разработки специального оборудования, станков, инструментов и приспособлений; исследования новых технологических способов и приемов; определения режимов переработки и изготовления триботехнических изделий; исследования свойств новых износостойких ПКМ в различных условиях эксплуатации; постоянного совершенствования и модификации составов ПКМ.
Ранее выполненные исследования [15,16,56,66,92,131] больше
посвящены разработке и исследованию свойств эпоксидофторопластовых материалов и меньше вопросам технологии, специального оборудования и применению новых материалов в производственных условиях.
Решению этих задач и посвящена данная работа. В основном все экспериментальные и теоретические исследования выполнены в научно -исследовательской лаборатории композиционных материалов, на кафедрах Тихоокеанского государственного университета.
Целью настоящей работы является разработка новой группы эпоксидофторопластовых самосмазывающихся материалов с повышенной износостойкостью и прочностью, а так же повышение производительности и качества изделий за счет механизации и автоматизации технологии производства.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи.
1. Модификация и исследование эпоксидофторопластовых материалов с новыми антифрикционными и армирующими наполнителями для улучшения прочностных и триботехнических свойств.
2. Разработка новых составов эпоксидофторопластовых материалов и технологии их переработки и формирования изделий, содержащих в качестве матрицы эпоксидные литьевые смолы, а в качестве наполнителей и антифрикционных материалов - фторопласты, графит, дисульфид молибдена, металлические порошки, стекло- и углеграфитовые волокна.
3. Выполнение комплексных исследований влияния новых антифрикционных и армирующих наполнителей на физико-механические, адгезионные, структурные, триботехнические свойства разработанных ПКМ, а также установление их связи с технологическими параметрами.
4. Разработка методики и системы измерения свойств при триботехнических исследованиях параметров материалов в широком диапазоне скоростей скольжения, давлений, температур, и способов смазки.
5. Разработка и исследование специального оборудования позволяющего механизировать и автоматизировать основные операции переработки
эпоксидофторопластов в изделия - подготовку армирующих компонентов, смешивание наполнителей со смолой, формирование подшипников центробежным способом.
6. Разработка опытных конструкций узлов на основе MAC и технологии производства изделий из эпоксидофторопластов.
7. Выполнение производственных и эксплуатационных испытаний, и внедрение самосмазывающихся подшипников в высоконагруженные узлы машин и оборудования на промышленных предприятиях Дальнего Востока.
Научная новизна работы
1. Модицифированы базовые составы эпоксидофторопластов с использованием новых компонентов в полимерных композиционных антифрикционных материалах: мелкодисперсного фторопласта, углеграфитовых высокомодульных волокон, дисульфида молибдена и металлических порошков бронзы и свинца с целью улучшения физико-механических и триботехнических характеристик при работе без смазки и водных средах.
2. Разработаны эффективные способы и устройства смешивания и дозирования высоковязких эпоксидных компаундов с комплексом волокнистых и порошковых наполнителей, а также отвердителей и пластификаторов.
3. При исследовании процесса смешивания эпоксидофторопластовых компаундов проведена с использованием микроструктурного анализа оценка диспергирования фторопластовых и армирующих волокнистых наполнителей определяющая степень гомогенности внутренней структуры получаемых антифрикционных материалов.
4. Разработан широтно-импульсный способ центробежного формования изделий из высоконаполненных эпоксидофторопластов и устройство для его реализации, позволяющие изменять получаемую структуру и эксплуатационные свойства самосмазывающихся подшипников скольжения.
Новизна проведенных исследований подтверждена также 12 авторскими свидетельствами и патентами РФ.
Практическая ценность работы
1. Разработаны и исследованы материалы типа ЭФЛОНГ (МАС-1УКІІ, МАС-2УКН и др.) для эксплуатации в узлах трения без смазки и в воде при давлениях до 100 МПа.
2. Разработаны технические условия на материалы антифрикционные, самосмазывающиеся (ТУ 5.960 - 34.001.85) и технологические процессы изготовления триботехнических изделий методом центробежного формирования.
3. Разработана широкая гамма триботехнических изделий из материалов ЭФЛОНГ, включающая втулки и вкладыши подшипников, шарнирные соединения, направляющие, подшипниковые опоры для работы на открытом воздухе, без смазки или со смазкой, в водных средах, в диапазоне температур от -60°С до +120°С.
4. Создан универсальный стенд для триботехнических испытаний новых материалов и узлов трения - измерительно-вычислительный комплекс (ИВК МФТ).
5. Созданы опытные аппараты для дозирования и смешивания высоконаполненных эпоксидных композиций типа MAC.
6. Созданы опытные станки для центробежного формирования триботехнических изделий.
7. Создан и внедрен в производство опытно-промышленный участок по изготовлению триботехнических изделий центробежным методом на основе материалов ЭФЛОНГ.
8. Получены данные производственных и эксплуатационных испытаний подшипниковых и уплотнительных систем на основе материалов ЭФЛОНГ.
9. Материалы типа ЭФЛОНГ внедрены в высоконагруженных узлах машин и оборудования - подшипниках лебедок, опорах транспортера, в поворотных устройствах гидроманипуляторов, в гидроцилиндрах лесных и строительно-дорожных машин, в направляющих тяжелых деревообрабатывающих станков и др.
Апробация работы. Основные результаты работы опубликованы в 39 работах, в том числе 12 авторских свидетельствах и патентах на изобретения.
Работа рассматривалась и одобрена на расширенных научных семинарах кафедр «Машины и оборудование лесного комплекса» и «Литейное производство и технология материалов» Тихоокеанского государственного университета. Основные положения научной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях: «Опыт применения автоматических станочных систем» Хабаровск, 1988; «Проблемы и перспективы применения полимерных материалов в народном хозяйстве Дальневосточного региона» Хабаровск 1989; «Оптимизация эксплуатационных свойств опор скольжения», семинар-школа «Триболог-6М», Рыбинск, 1990; «Композиционные полимерные материалы», Ижевск, 1990; «Проблемы создания и эксплуатации технологического оборудования», Хабаровск, 1992; «Славянтрибо-4. Трибология и технология», Санкт-Петербург, 1997; «Теория и практика технологии производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов» (ТПКММ), Москва, 2005.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов и приложений, списка литературных источников из 154 наименований. Включает 197 страниц печатного текста, 27 таблиц, 70 рисунков.
Автор выражает благодарность своему второму научному руководителю, кандидату технических наук, доценту Захарычеву Сергею Петровичу за оказанную помощь в постановке задач исследования и экспериментов, за консультации при написании и представлении данной работы к защите.
На защиту выносятся:
1. Полимерные композиционные материалы - эпоксидофторопласты на основе олигомерной матрицы, антифрикционных наполнителей и армирующих углеграфитовых волокнистых компонентов с улучшенными характеристиками антифрикционности и износостойкости в условиях работы без смазки, в водных средах или с ограниченной масляной смазкой.
2. Технология и оборудование для переработки эпоксидофторопластовых композитов и изготовления самосмазывающихся подшипников скольжения, включающие трудоемкие операции подготовки и измельчения волокнистых компонентов, смешивания и дозирования композиций, центробежного формирования и термообработки.
3. Результаты исследования физико-механических, структурных и триботехнических характеристик СПС; их взаимосвязи с эксплуатационными свойствами.
4. Дозирующе-смешивающее оборудование для переработки высоковязких эпоксидных компаундов, а так же методика и результаты исследования технологических и конструктивных параметров процесса смешивания и взаимосвязь их со структурой и функциональными свойствами изделий.
5. Результаты производственных и эксплуатационных испытаний и внедрения самосмазывающихся подшипников на основе эпоксидофторопластов.
Антифрикционные материалы на основе фторопластов и термореактивных связующих
Повышение надежности и технического уровня техники является одной из наиболее актуальных задач для машиностроителей. Задача обеспечения высокой надежности является в большой степени задачей триботехнической и направлена на решение проблем износостойкости, безотказности, долговечности, сокращения трудоемкости ремонта и обслуживания [1 -6,10- 15].
Основные направления повышения надежности и износостойкости узлов машин возможно подразделить на три подуровня: а) материаловедческий; б) конструкторско - технологический; в) производственно - эксплуатационный [4,16].
Производственные аспекты износостойкости включают диагностирование, защиту от аварийных повреждений, методы технической эксплуатации: периодической смазки и обслуживания машин, различные способы приработки и обкатки, защиту узлов от вредных условий окружающей среды и др.
Конструкторско-технологические способы повышения надежности включают выбор материалов и видов их термообработки, выбор покрытий и способов механической обработки, выбор способа и типа смазки, а также рациональное конструирование узлов, определение размеров и учет влияния окружающей среды. Исследованиям конструкторско-технологических аспектов износостойкости посвящены работы отечественных ученых П.И. Орлова, А.С. Проникова, Д.Н. Гаркунова, М.М. Хрущева, В.А. Белого, Э.В. Рыжова, А.Г. Суслова, B.C. Комбалова, Б.И. Костецкого, А.В. Чичинадзе и др.
Материаловедческий аспект проблемы надежности и износостойкости машин направлен на разработку, исследование и внедрение новых материалов, что в первую очередь связано с материалами, имеющими сложную композиционную или комбинированную структуру [6-14]. Применение композиционных и комбинированных материалов в узлах трения, в большинстве случаев, позволяет упростить и облегчить конструкцию, экономить дорогостоящие цветные металлы и смазки, обеспечить самосмазываемость, упростить техническое обслуживание и ремонт, уменьшить потери на трение в механизмах и повысить их износостойкость, расширить диапазон эксплуатационных режимов оборудования, что позволяет в целом повысить долговечность и другие показатели надежности. Кроме того, улучшается ремонтопригодность конструкций, снижается вероятность аварийных разрушений трибосопряжений и механизмов [5-8, 13-21].
Научные основы создания, исследования и использования антифрикционных, в том числе самосмазывающихся материалов заложены в трудах В.А. Белого [22], В.В. Коршака [7], P.M. Матвиевского [65], И.М. Федорченко [141], И.А. Грибовой [150], Т.В. Сагалаева [19,58], А.П. Семенова [13,61], Ю.Н. Васильева [147], А.К. Погосяна [18], Б.Д. Воронкова [10], Г.И. Трояновской [152], Д.К. Ланкастера [104], Е.Р. Брейтуэйта [8] и др.
В работах В.А. Белого, А.И. Свириденко, В.Г. Савкина и других [22,51] изложены физико-химические, технологические и конструкционные принципы создания полимерных и металлополимерных материалов и узлов, их физико-механические и эксплуатационные свойства.
Оптимизация состава композиционных материалов, обоснование и выбор наполнителей, изучение триботехнических характеристик полимерных материалов выполнены в трудах А.К. Погосяна [18], Г.В. Сагалаева и И.Л. Шембель [19,58], А.Д. Курициной и Н.П. Истоминой [89], В.К. Крыжановского [17,38,129].
Вопросы обеспечения работоспособности тяжелонагруженных узлов сухого трения с применением твердых слоистых смазок, изучение особенностей их трения и износа на воздухе и в вакууме отражено в исследованиях В.Э. Вайнштейна, Г.И. Трояновской [49], Л.И. Сентюрихиной, P.M. Матвеевского [62,101], Е.Р. Брейтуэйта [8] и др. В работах А.П. Семенова, Ю.Э. Савинского, Н.П. Истомина [13, 14, 61, 62] обобщен опыт производства и применения металлофторопластовых подшипников. В монографии И.М. Федорченко и Л.И. Пугиной [137] обобщены данные по составам, технологии изготовления и триботехническим свойствам спеченных материалов антифрикционного назначения. Различные виды износостойких и антифрикционных покрытий для работы в режиме самосмазывания описаны в работах А.А. Кутькова [21], И.И. Маликова [142] и др.
Проблемам создания АСП - пластиков на основе высокомолекулярных соединений с улучшенными характеристиками термо- и теплостойкости посвящены труды В.В. Коршака [7], И.А. Грибовой [150], А.П. Краснова [130, 148], А.В. Виноградова и др. В работах Б.Д. Воронкова [10], А.Н. Раевского [48], А.В. Чичинадзе [5,6] обобщен опыт по исследованию, конструированию и расчету подшипников скольжения, уплотнений, работающих без смазки, а также в агрессивных средах и при низких температурах. Триботехнические свойства самосмазывающихся материалов и изделий на их основе освещены достаточно полно в трудах [5, 6, 8, 10, 18-20, 21, 22, 104], однако отсутствие общепринятой основы классификации материалов, баз данных, недостаточность информации и объективных стандартизованных критериев оценки работоспособности, огромное и постоянно растущее количество и многообразие видов, групп, классов материалов значительно затрудняет работу конструкторов и технологов по проектированию узлов и машин. В последние годы антифрикционное материаловедение интенсивно развивается в направлении разработки композиционных полимерных материалов с повышенной самосмазываемостью, предназначенных для работы с ограниченной смазкой или без введения смазки. Широко исследуется и растет использование в практике таких материалов, как наполненные фторопласты, металлополимеры, металлофторопластовые слоистые конструкции, конструкционные фенопласты, акрилаты, эпоксиды, полиимиды, графитопласты, углеграфитовые композиции, антифрикционные волокниты, твердые смазочные покрытия, АСП - пластики, упругие материалы, имеющие сложно гетерогенную композиционную структуру [3, 4-6].
В настоящее время самосмазывающиеся подшипники скольжения или самосмазывающиеся подшипниковые системы (СПС) находят все большее применение в таких узлах машин и механизмов, где создание масляной пленки между трущимися поверхностями невозможно или затруднено, либо жидкая и пластичная смазка не являются эффективными при защите от трения и износа, либо присутствие смазки нежелательно по конструктивным соображениям [8, 10, 13].
По ряду показателей трения и изнашивания композиты, например, металлополимерные, значительно превосходят традиционные конструкционные металлические материалы. Такие свойства материалов, как работоспособность без введения смазочного материала, высокая несущая способность, статическая и динамическая грузоподъемность, быстрая прирабатываемость, антизадирная стойкость, износоустойчивость как со смазкой так и без смазки, температурная устойчивость, сравнительно низкий коэффициент трения, демпфирующая способность, удовлетворительные акустические и вибрационные характеристики, экономичность делают перспективным их использование при работе в тяжелонагруженных узлах машин и оборудования [10, 13, 14,16, 61, 62].
Исходные компоненты, композиционные материалы и комбинированные конструкции подшипников скольжения
При формировании изделий из ПКМ возможно значительное изменение структуры, а следовательно, и свойств полимера. Поэтому получаемые на основе одного и того же полимера материалы и изделия могут значительно отличается по характеристикам, если технологии изготовления у них разные. Важнейшими факторами, влияющими на структуру и свойства ПКМ, являются параметры процесса переработки - температура, давление, режимы нагрева и охлаждения и др. Правильный учет и подбор всех технологических параметров позволяет достигнуть в готовом изделии однородной структуры, минимального уровня остаточных напряжений (структурных, усадочных, термических), высокой степени завершенности процессов отверждения, кристаллизации, т.е. получить высококачественные изделия.
Основные стадии технологического процесса получения эпоксидофторопластовых самосмазывающихся подшипников скольжения приведены в [15,16,135 - 136]. Наибольшие технологические трудности с точки зрения механизации и автоматизации операций переработки литьевых эпоксидных компаундов, а также обеспечения качества изделия являются следующие: а) смешивание жидкой смолы с наполнителями; б) дозирование и смешивание полученного компаунда с отвердителем в заданных пропорциях; в) формирование и отверждение изделия. Наиболее распространенным методом приготовления эпоксидных композиций является взвешивание составных частей раздельно, а затем смешивание их вручную. Смешивание должно быть очень тщательным, иначе положительных результатов не получится. Для механизации процесса смешивания применяются различные виды электрических мешалок [24]. Простейшей из них является обычная электрическая дрель, в патрон которой вставляется перемешивающая лопатка. Известны ряд изобретений смесителей, которые дают минимальное количество воздушных включений и хорошо собирающие смесь со стенок и дна сосуда, в котором идет перемешивание. В [136] предложена неподвижная мешалка и вращающаяся платформа. Емкость со смолой ставится на платформу, в нее вводится мешалка и платформа приводится во вращение. Известно непрерывно действующее оборудование, снижающее затраты труда и дающее большую точность дозирования [24]. Машины, действующие в непрерывном режиме, могут содержать, например, шестеренчатые насосы, подающие составные части композиции; они могут включать весы с клапаном, который закрывает поступление ингредиентов свыше заданного количества, или они могут содержать клапан в магистрали, отрегулированный так, что по магистрали течет смола с определенной вязкостью и под определенным давлением [124].
При создании дозирующих смешивающих машин для эпоксидных композиций должны учитываться следующие особенности [24]: - вязкость и плотность смолы и отвердителя редко бывают одинаковыми, что требует различных по конструкции дозирующих систем; - часто бывает необходимым создавать композиции имеющие соотношение от 1:1 до 5:100; - перемешивание должно быть крайне тщательным, чтобы получить хорошие однородные свойства отвержденного продукта; - существует много тысяч вариантов эпоксидных композиций и машины, пригодные для одной композиции, могут быть непригодны для производства другой композиции; - требование высокой точности при производстве. В настоящее время рекомендуется создавать дозирующе-смешивающие машины под известный вид композиции. Создание универсальной машины связано со значительными трудностями [124, 127]. В непрерывно дозирующем оборудовании смола и отвердитель загружены в отдельные камеры, откуда через отмеряющие приборы компоненты в заранее выбранном соотношении поступают в смесительную камеру, а затем в сопла. Смесь должна двигаться как можно быстрее с минимальными потерями в смесителе, который должен быть прост, чтобы обеспечить его очистку. Оборудование должно изготавливаться из химически стойких материалов (емкости, трубы, прокладки, насосы и т.д.).
В композициях с наполнителями необходимы контроль температуры и тщательное смешивание их со смолой. Приспособления для смешивания весьма разнообразны: закрывающиеся камеры, вращающиеся валы со спиральными лопатками, быстроходные мешалки колебательного типа [24,125]. Во многих установках монтируются дозирующие насосы различных типов - шестеренчатые, поршневые, диафрагменные или червячные. Они бывают отрегулированы на различные соотношения компонентов и создают различные скорости подачи компонентов [126]. Компаунд может проходить вакуумную камеру, если требуется полное отсутствие в смеси воздуха, или вакуумные камеры могут присоединяться к соплам для вакуумирования компонентов и компаунда в течение производства операции герметизации или дегазации [127].
Методы изготовления изделий из литьевых эпоксидов весьма разнообразны по аппаратурно-технологическому оформлению и зависят от формы и размеров изделия, типа композита, наличия армирующего компонента. Все методы формирования изделий делятся на открытые и закрытые [24, 129]. К открытым относятся методы контактного формования, напыления, намотки, центробежного формования и др. В этих методах используется одна формообразующая поверхность, например цилиндр при центробежном способе. Вследствие этого значительно затруднен контроль за получением заданного качества и состава наполнителей в композите [128, 129]. Толщина и состав формируемого изделия являются функциями ряда параметров, к числу которых относятся вязкость связующего, состав и свойства наполнителей, конструктивные особенности формируемого изделия и др.
В закрытых методах, к которым относятся прессование, инжекционное формование, протяжка, все поверхности изделия контактируют с соответствующими элементами формы. В табл. 1.5 показаны наиболее распространенные методы изготовления деталей из эпоксидных литьевых композитов. Методы формования [90] классифицируют по давлению, развиваемому в формирующем инструменте, следующим образом: формование без давления и формование с малым (до 2,5 МПа), средним (до 7 МПа) и высоким (до 30 МПа) давлением. Без давления формируют изделия контактным методом и методом напыления. Намотка и центробежное формование осуществляются при малом давлении, высокие давления - при прессовании предварительно пропитанных материалов. Намотка, прессование и центробежное формирование являются наиболее применимыми методами изготовления триботехнических изделий из литьевых эпоксидофторопластов. При намотке армирующего слоя ткани, возможно регулировать объемное содержание, физико - механические и триботехнические свойства, получать материалы с высокими прочностными характеристиками [139]. При центробежном формировании достижение требуемой ориентации, состава и расположения наполнителя в толщине изделия является довольно трудной задачей. Выбор оптимальных технологических режимов - скорости, времени и температуры в сочетании с рациональной конфигурацией формы позволяет придать изделию анизотропию свойств, наиболее полно отвечающую характеру внешних нагрузок.
Разработка и исследование технологии и оборудования для подготовки порошковых и волокнистых компонентов
Для материалов антифрикционных самосмазывающихся (MAC) преимущественно использовалась эпоксидная смола ЭД-20 (ГОСТ 10587-76) отверждаемая алифатическим полиэтиленполиамином - ПЭПА (ТУ 6-02-594-75).
Неотвержденная смола ЭД-20 - низкомолекулярная вязкая жидкость янтарного цвета с плотностью 1,65...1,66 г/см и динамической вязкостью при 25С - 7...15 Па-с, которая легко растворяется во многих органических растворителях. Для уменьшения вязкости, а также устранения хрупкости в отвержденном состоянии рекомендуется применять пассивные и активные разбавители (например, низковязкие эпоксиалифатические смолы ДЭГ-1, ТЭГ-1 и др.). В качестве пассивного разбавителя, не вступающего в химическое взаимодействие с эпоксидной смолой и способствующего уменьшению межмолекулярного взаимодействия применяется дибутилфталат.
Свойства отвержденных эпоксидных связующих: теплостойкость по Мартенсу -65...95 С, разрушающее напряжение 88..Л08 МПа при сжатии и 68... 137 МПа при изгибе, ударная вязкость 9,8...22,6 КДж/м , твердость по Бринеллю 98...147 МПа, водопоглощение при 20 С в течение 24 часов -0,04...0,08%.
«Идеальное» связующее для антифрикционных эпоксидов должно обладать высокими показателями прочности и модуля упругости особенно при сжатии и сдвиге при сравнительно большом удлинении, а также высокой теплостойкостью. К таким перспективным материалам можно отнести эпоксидно- резорциновые и эпоксидно-аминные смолы, модифицированные изоцианатами (ар =125...130 МПа, = 5,0...5,5-103 МПа, єр = 3,0...7,5 % ) и др.
Стеклокловолокно используется для повышения характеристик прочности [64, 143], модуля упругости и износостойкости при жестких режимах трения за счет передачи части нагрузки от матрицы к волокнам. Для получения МАС в практике используются стеклянные волокна малого диаметра 5...11 мкм. Характеристики стекловолокон: р = 2,54...2,58 г/см% a = 3,57...4,57.1(Г МПа, Е = 74...88 ГПа, a = 4...5-106 К"1, теплопроводность 6-Ю8 Вт/(м-К).
Антрифрикционные наполнители в композиционных материалах, как известно, выполняют функции уменьшения трения, обеспечения самосмазываемости, задиростоикости и износоустойчивости за счет создания на контактирующих поверхностях прочной защитной смазочной пленки. Разработанные материалы отличаются хорошими характеристиками самосмазывания за счет включения в их состав фторопласта-4, твердых слоистых смазок, жидких масел, порошков металлов и др.
Из антифрикционных компонентов материалов антифрикционных самосмазывающихся (MAC) основным является фторопласт-4 (ГОСТ 10007-80). Для композиции используется фторопласт-4 марки 0 представляющий собой (рис. 4.12, а, б) легко комкающийся порошок белого цвета с дисперсностью 0,05...0,2 мм. Насыпная плотность материала 0,45 г/см3. По ТУ 6-05-1999-85 выпускаются марки фторопласта Ф-4А1 и Ф-4А2, представляющие гранулированные сорта фторопласта-4 с повышенной сыпучестью и большой насыпной плотностью - до 0,7 г/см3, с размером гранул 0,5...0,7 мм. Промышленностью также выпускаются тонкоизмельченные фторопласты марки Ф-4Т (ТУ 6-05-1999-85), отличающийся малыми размерами частиц - 0,025...0,04 мм.
Фторопласт Ф-4НТД. В 1986 году был разработан Ленинградским объединением «Пластполимер» и налажено его производство. Материал Ф-4-НТД (ТУ 6-05-041-553-78) разрабатывался для применения в качестве сухой смазки в узлах трения и выпускался для этих целей и в аэрозольных упаковках «Смазка 5,1 сухая фторлан». Материал обладает наиболее малой дисперсностью из всех выпускаемых фторопластов и имеет частицы размером 2-10 мкм с четко выраженной шаровидной формой (рис. 4.12, в, г). Насыпная плотность 0,5-1 г/см3. Грабит марки ГС-1 или ГС-2 (ГОСТ 8295-73) вводится в составы для улучшения антифрикционных свойств, а также увеличения прочности, теплостойкости и теплопроводности, улучшения литейных качеств. Графит рекомендуется для материалов, работающих в узлах без смазки, на открытом воздухе, в водных средах, при повышенных температурах.
Углеродные волокнистые материалы или углеволокна получают специальной термообработкой химических и природных волокон, лигнина, каменноугольной смолы и нефтяных пеков. Углеволокна имеют структуру близкую к структуре графита.
Классификация углеволокон проводится по содержанию углерода [54] (1 -до 90 %, 2 - 90-98 %, 3 - свыше 98 %), по прочностным показателям (низкопрочные, средней прочности, низкомодульные, высокой прочности и высокомодульные) и по конечной температуре термообработки (частично карбонизированные - 573-823 К, углеродистые -1073 - 2273 К, графитированные -2273-3273 К (табл.2.5).
Углеродные волокна по сравнению со стеклянными более предпочтительны для MAC - они имеют более высокую износостойкость и меньший коэффициент трения. Кроме неорганических, использовались также для армирования MAC синтетические волокна, например, лавсан, капрон, фторволокна. Однако, модуль упругости этих волокон сравнительно невелик, что ограничивает их применение для армирования антифрикционных материалов.
Исследование влияния наполнителей на трибохарактеристики при работе эпоксидофторопластов в водных средах
Основными операциями подготовки исходных компонентов, являются: рубка волокна, в частности, стекловолокна, а также измельчение порошка фторопласта-4 и смешивание его с графитом и волокнами (рис. 3.1, поз. 1-5).
Разработаны и исследованы следующие виды рубки стекло- и углеволокна -ручной, гильотинный, многорезцовый, кривошипношатунный и эксцентриковый [66,70,72,81].
Установлено, что по параметрам производительности, качества и надежности наилучшим из способов изготовления короткого стекловолокна, является эксцентриковый способ [72]. Разработана и изготовлена опытная установка для механизированной рубки стекловолокна (рис. 3.2.). Шкив 2 приводится во вращательное движение от электродвигателя 1. Нити искусственных волокон, например ровинг, подаются с бобины 10 (или шпулей) в направляющую фильеру и поступают по ней в сторону пакета ножей 4, до упора в нижний неподвижный нож. При совпадении отверстий ножей нити втягиваются в отверстие нижнего ножа за счет упругости распрямляющихся волокон и отсоса воздуха вакуум-насосом 6. При перекрытии отверстий ножей происходит отрезание нитей. Отрезки нитей 8 отсасываются и собираются при повторном цикле резания в баке-накопителе 5, расположенном на линии отсоса перед вакуум-насосом 6. Требуемая длина отрезков волокна 8 и производительность могут изменяться в широком диапазоне при согласованном регулировании скорости подающих вальцов 9 и скорости вращения шкива устройства с верхним подвижным ножом. При этом не требуется разборки и переналадки устройства, что повышает производительность процесса резки волокон.
Производительность установки до 100 г/час. В состав установки для рубки стекловолокна (рис. 3.3, а) входит устройство для рубки, вакуумный насос, механизм мерной подачи жгута, корпус. Рубленное волокно отжигают в печи при температуре 320 С в течение 1 часа с целью удаления замасливателей, связующего и повышения адгезионных свойств волокна.
В результате исследований определены оптимальные режимы и параметры процесса рубки волокон: диаметр стекловолокон -8-12 мкм; способ подготовки стеклонитей - скручивание в жгут; диаметр стекложгута - 3-4 мм; частота вращения резца - 500 об/мин; диаметр отверстия - 6 мм; скорость подачи жгута -1 м/мин; эксцентриситет — 7 мм; производительность — 10-15 г/мин. Исследовались антифрикционные свойства эпоксидофторопластов в зависимости от состава армирующих микроволокон. Выполненные испытания при ступенчатом нагружении в условиях возвратно-поступательного движения при давлении 100 МПа и скорости 0,1 м/с показали, что имеют наилучшую работоспособность покрытия на основе эпоксидной смолы с фторопластом-4, графитом и армирующими коротковолокнистыми добавками, например, стеклянными волокнами [93, 136]. Добавление в смолу 3-6 масс. % фторопласта 4 повышало несущую способность до ра= 50 МПа с коэффициентом трения 0,03 0,05 [53, 57]. Увеличение количества фторопласта Ф-4 более 20 масс. % в композицию приводило к увеличению износа образцов. Установлено оптимальное содержание фторопласта-4 и графита ГС-1 в эпоксидной композиции [140]. Армирующие волокна - грален и УКН-5000 в виде нарубленных отрезков нитей длиной 1-3 мм добавляли в ЭФ-материалы в количестве 1, 2, 5,10, 15, 20 масс. %. Влияние волокон - стекло-, грален и УКН-5000 на износ и трение образцов показано на рис. 3.4 и 3.5. Видно, что увеличение стекловолокон более 4 - 5% резко увеличивает износ и коэффициент трения. Оптимальное количество стекловолокон, обеспечивающих минимальный износ и коэффициент трения, находится в диапазоне 0,5-1,5 масс. %. Оптимальное количество углеволокна УКН-5000 составляет 1-3 масс.%. Однако, повышение количества волокон более 2-3 масс. % приводит к существенному ухудшению технологических свойств компаунда [16,43]. Экспериментально были установлены оптимальные значения длины волокон в композиции. Наилучшие результаты с точки зрения работоспособности образцов и технологичности компаунда показали волокна длиной 1-2 мм. Увеличение длины волокон до 5-7 мм приводило к значительному повышению вязкости компаунда и ухудшению адгезии покрытия MAC к металлическому основанию. Таким образом были определены базовые составы материалов MAC (см. табл. 2.6), с которыми в дальнейшем проводились экспериментальные исследования по разработке технологий.
Для разогрева и дозированной подачи эпоксидной смолы разработано устройство показанное на рис. 3.3, б, которое содержало емкость для смолы, нагреватели, датчики температуры, прибор контроля включения и отключения электронагревателей и шестеренчатый насос-дозатор с электроприводом [84].
С целью измельчения порошков фторопласта-4 применялись дископальцевые мельницы и центробежные рыхлители [50] . Размеры частиц фторопласта-4 для включения в композицию не должны превышать 0,01-0,02 мм. Наибольшую производительность с хорошим качеством размола фторопласта показала пальцевая мельница (рис. 3.3, в), которая применялась как для измельчения фторопласта, так и для смешивания порошковых компонентов.
Все операции по подготовке компонентов выполнялись в вытяжном шкафу. Полученную смесь порошков перед введением в эпоксидную смолу сушили при температуре 110 С в течение 2-х часов.
Исследование влияния температуры нагрева на вязкость и период гелеобразования эпоксидной смолы и ЭФ композиции приведены в работе [16]. Наиболее трудномеханизируемыми, грязными и ответственными за качество материала являются операции: перемешивание эпоксидной смолы с порошкообразными наполнителями и волокнами, подачу и дозирование композиции, дозирование отвердителя, смешивание композиции и отвердителя, подачу компаунда к формирующему устройству.
Изучение процесса перемешивания механическими мешалками сводится к решению внешней задачи гидродинамики - обтеканию тел потоком жидкости. Основные закономерности обтекания тел потоком жидкости применяются и для условий перемешивания. Однако, создание устройств для перемешивания вязких компаундов, связано со специальным проектированием самих мешалок, а также сосудов, в которых проводится процесс. Здесь практически невозможно применить теоретические наработки, изложенные ниже. Поэтому необходимо, проведя анализ известных технических решений в этой области, выбрать наиболее перспективные схемы конструктивных исполнений и компоновок, изучить процесс перемешивания для этих решений и выработать стратегию масштабирования для переработки различных объемов компаунда, требуемых по условиям производительности технологического процесса. Компаунды можно отнести к грубым суспензиям - неоднородным системам, состоящим из жидкой дисперсионной среды (здесь, например, смола эпоксидная - ЭД-20) и взвешенных в ней твердых частиц (наполнителей - фторопласта, графита, дисульфида молибдена или др.)
