Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние проблемы и основные задачи исследования 11
1.1 Анализ причин отказов гидроцилиндров и существующих методов их ремонта 11
1.2 Устройство и преимущества современных гидроцилиндров с опорно-направляющими деталями из полимерных материалов 20
1.3 Повышение ресурса опорно-направляющих деталей силовых гидроцилиндров применением полимерных композиционных материалов 22
1.4 Методы изучения эксплуатационных и технологических характеристик полимерных композиций 39
1.5 Цели и задачи исследования 43
2 Теоретическое обоснование принципов модификации опорно-направляющих элементов силовых гидроцилиндров 47
2.1 Теоретический анализ сил, действующих на поршень и шток силового гидроцилиндра 47
2.2 Обоснование метода расчета теплофизических характеристик полиамидных композиций 54
2.3 Обоснование методики изучения релаксационных характеристик полимерных композитов в режиме индентирования 59
2.4 Выводы по главе 2 66
3 Методики экспериментальных и теоретических исследований 69
3.1 Методика компаундирования компонентов композиционных материалов на лабораторном смесителе периодического действия PolyLabRheomix 600 OS 69
3.2 Методика компрессионного формования образцов для физико-механических, реологических и триботехнических испытаний на лабораторном прессе GT-7014-Н50С 72
3.3 Методика исследования реологических характеристик расплавов композитов в динамическом режиме вынужденных колебаний на реометре HAAKE MARS III 74
3.4 Методика исследования упруго-прочностных характеристик композитов на испытательной машине UAI-7000 76
3.5 Методика исследования компрессионных характеристик композитов 78
3.6 Методика испытания композитов на влагопоглощение 80
3.7 Методика триботехнических испытаний композитов на реометре HAAKE MARS III и план многофакторного эксперимента 81
3.8 Методика измерения коэффициента температуропроводности композитов 88
3.9 Методика исследования релаксационных характеристик композитов в режиме статического индентирования на машине UAI-7000 89
3.10 Методика эксплуатационных испытаний 92
3.11 Выводы по главе 3 95
4 Результаты экспериментальных и теоретических исследований 97
4.1 Разработка составов, исследование эксплуатационных и технологических характеристик многокомпонентных композитов 97
4.1.1 Эксплуатационные и технологические характеристики полиамидного композита, содержащего дисульфид молибдена 97
4.1.2 Эксплуатационные и технологические характеристики полиамидного композита, содержащего тонкодисперсный порошок шунгита 101
4.1.3 Эксплуатационные и технологические характеристики полиамидного композита, содержащего тонкодисперсные порошки шунгита и графита 105
4.1.4 Эксплуатационные и технологические характеристики полиамидного композита, содержащего тонкодисперсные порошки шунгита, дисульфида молибдена и графита 109
4.1.5 Эксплуатационные и технологические характеристики полиамидного композита, содержащего йодид меди 114
4.1.6 Эксплуатационные и технологические характеристики полиамидного композита, содержащего рубленое углеволокно 116
4.2 Эксплуатационные и технологические характеристики разработанного полиамидного композита, содержащего тонкодисперсные порошки шунгита и графита 119
4.2.1 Упруго-прочностные характеристики 119
4.2.2 Результаты исследования влагопоглощения композитов 120
4.2.3 Компрессионные характеристики полимерных материалов 121
4.2.4 Релаксационные характеристики композитов 122
4.2.5 Трибологические характеристики композитов 125
4.2.6 План многофакторного эксперимента 126
4.2.7 Теплофизические характеристики 131
4.3 Результаты эксплуатационных испытаний отремонтированных силовых гидроцилиндров 132
4.4 Выводы по главе 4 133
5 Разработка технологического процесса ремонта силовых гидроцилиндров с использованием полимерных композитов и оценка его экономической эффективности 136
5.1 Рекомендации по повышению ресурса силовых гидроцилиндров при их ремонте 136
5.2 Расчет экономической эффективности разработанного технологического процесса ремонта силовых гидроцилиндров 138
Заключение 144
Список использованных источников 148
- Повышение ресурса опорно-направляющих деталей силовых гидроцилиндров применением полимерных композиционных материалов
- Обоснование методики изучения релаксационных характеристик полимерных композитов в режиме индентирования
- Методика триботехнических испытаний композитов на реометре HAAKE MARS III и план многофакторного эксперимента
- План многофакторного эксперимента
Введение к работе
Актуальность проблемы. В условиях ограниченных финансовых и материальных ресурсов проблема технического перевооружения сельскохозяйственного производства не может быть решена только за счет увеличения поступления новой техники. Значительная роль в этом процессе отводится разумному использованию имеющегося парка машин, поддержание его технического уровня за счет квалифицированного технического обслуживания и ремонта.
Ремонт агрегатов с восстановлением и упрочнением деталей – технически обоснованное и экономически оправданное мероприятие. Оно позволяет ремонтно-обслуживающим предприятиям и мастерским хозяйств сокращать время простоя неисправных машин, оборудования, улучшать показатели их надежности и использования.
Известно, что надежность современных тракторов и других сельскохозяйственных машин определяется в значительной степени надежностью агрегатов гидросистемы. Особое место здесь занимает силовой гидроцилиндр. Опыт эксплуатации гидрофицированных машин показал, что на их долю приходится 17…30 % отказов всей гидросистемы.
По данным ГОСНИТИ, областных, краевых и республиканских структур АПК ежегодно списывается более 340 тыс. силовых гидроцилиндров отечественной и зарубежной сельскохозяйственной техники. Некоторые сельскохозяйственные предприятия вынуждены проводить ремонт собственными силами. При этом из-за отсутствия опыта, технологий и оборудования ресурс отремонтированных агрегатов зачастую не превышает 30–60 % от ресурса новых.
В связи с вышеизложенным, разработка и внедрение новой технологии ремонта, основанной на использовании в трибосопряжениях силовых гидроцилиндров полимерных деталей из высокоэффективных антифрикционных композитов на основе капролона (полиамида), позволит снизить себестоимость ремонта, значительно повысить надежность всей гидросистемы сельскохозяйственной техники.
Степень разработанности темы. Систематизация и критический анализ материалов по тематике исследования проведены на основании изучения работ В.К. Астанина, В.В. Богданова, В.И. Борисова, Ф.Х. Бурумкулова, С.А. Величко, В.Н. Водякова, И.В. Воскобойникова, В.В. Глухих, В.А. Денисова, П.А. Ионова, В.В. Кузнецова, П.В. Сенина, В.А. Ушкова, П.В. Чумакова, Н.И. Шубина и других исследователей.
Однако, несмотря на значительное количество исследований в области ремонта силовых гидроцилиндров, в том числе с использованием полимерных материалов, возможности совершенствования данных технологий далеко не исчерпаны. В частности, недостаточно изученными остаются: проблемы разработки составов антифрикционных полиамидных композитов, содержащих такие тонкодисперсные модификаторы как шунгит, дисульфид молибдена, графит, углеволокно и другие; технология их производства; эксплуатационные и технологические характеристики данных материалов.
Работа выполнена в рамках приоритетного направления ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Мордовский государственный университет
им. Н.П. Огарева» (ПНР 1 № 28/2010 «Энергосбережение и новые материалы»).
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Правительства Республики Мордовия в рамках проекта «Получение и исследование новых композиционных полимерных материалов, содержащих тонкодисперсные и наноразмерные модификаторы, для элементов трибосопряжений машин» (Грант №18-48-130007а_р) и в соответствии с НИР государственного задания Министерства образования и науки РФ № 11.3416.2017/4.6 «Разработка технологий и средств повышения долговечности деталей, узлов, агрегатов машин и оборудования путем создания наноструктури-рованных покрытий источниками концентрированной энергии».
Цель исследований – повышение эффективности ремонта силовых гидроцилиндров сельскохозяйственной техники восстановлением трибосопряже-ний антифрикционными композитами на основе капролона, содержащего тонкодисперсные наполнители.
Объект исследования – технологический процесс восстановления три-босопряжений силовых гидроцилиндров композитами на основе модифицированного капролона.
Предмет исследования – физико-механические, реологические и трибо-логические свойства антифрикционных композитов на основе капролона, закономерности процессов их производства и переработки.
Научную новизну работы составляют:
– результаты теоретического анализа сил, действующих на детали силового гидроцилиндра С100/40200-344 тракторов типа МТЗ, позволяющие определить условия нагружения восстанавливаемого трибосопряжения «шток – передняя крышка»;
– математическая модель и результаты численного анализа внедрения сферического индентора в цилиндрический образец вязкоупругого композиционного материала при изучении его релаксационных характеристик;
– компьютеризированная методика исследования релаксационных характеристик вязкоупругих полимерных композитов методом индентирования;
–регрессионные уравнения, адекватно описывающие зависимость коэффициента трения и интенсивности изнашивания разработанного композита на основе капролона, модифицированного тонкодисперсными порошками шунги-та и графита, от контактного давления, скорости скольжения и температуры испытаний;
– результаты исследования физико-механических, трибологических и реологических характеристик композитов на основе капролона, содержащих тонкодисперсные порошки йодида меди, шунгита, дисульфида молибдена, графита и рубленого углеволокна.
Практическую значимость представляют:
–составы антифрикционных композитов для восстановления направляющих элементов трибосопряжений силовых гидроцилиндров;
–технологические процессы смешения и компаундирования компонентов антифрикционных композиционных материалов на основе капролона на лабораторном смесителе периодического действия PolyLabRheomix 600 OS;
–методика исследования релаксационных характеристик композитов в режиме индентирования на испытательной машине UAI-7000;
– конструкция трибометрической приставки и методика исследования трибологических характеристик композитов на реометре Haake Mars III;
– метод расчета теплофизических характеристик многокомпонентных полиамидных композитов;
–технологический процесс ремонта силовых гидроцилиндров применением полученных новых антифрикционных композитов.
Методы исследования. Экспериментальные исследования выполнены по оригинальным и известным методикам с использованием современного научно-исследовательского оборудования и средств измерений лаборатории «Энергоэффективные технологии переработки сырья и материалов» Института механики и энергетики Мордовского госуниверситета.
Исследование физико-механических характеристик образцов композитов производилось по ГОСТ 11262-80, ГОСТ 12423-66, ГОСТ 4648-71, ГОСТ 4650-80. При исследовании процессов компаундирования, реологических и трибо-технических испытаниях использованы компьютерные программы и оригинальные методики фирм – поставщиков оборудования.
Теоретические исследования выполнены с использованием положений теоретической механики, теории упругости и теплофизики. Численное исследование внедрения сферического индентора в образец вязкоупругого композиционного материала выполнено с использованием программного комплекса ANSYS, модуль MAPDL.
Обработка результатов исследований проведена с использованием методов математической статистики с помощью современных вычислительных средств и программы «Excel 2010».
Достоверность основных положений работы подтверждена сходимостью теоретических и экспериментальных исследований (расхождение не более 10 %), использованием в исследованиях высокотехнологичного оборудования и современных программных комплексов. Результаты исследований прошли широкую апробацию в печати, на научно-практических конференциях и выставках.
Положения, выносимые на защиту:
– результаты теоретического анализа сил, действующих на поршень и шток силового гидроцилиндра С100/40200-344 тракторов типа МТЗ;
– математическая модель и результаты численного анализа внедрения сферического индентора в цилиндрический образец вязкоупругого композиционного материала;
– составы и результаты исследования физико-механических, реологических, теплофизических и трибологических характеристик антифрикционных композиционных материалов на основе капролона, модифицированного дисульфидом молибдена, шунгитом, углеволокном и графитом;
– регрессионные уравнения, адекватно описывающие зависимость коэффициента трения и интенсивности изнашивания разработанного композита на
основе капролона, модифицированного тонкодисперсными порошками шунги-та и графита, от контактного давления, скорости скольжения и температуры.
–техпроцессы смешения и компаундирования компонентов разработан
ных антифрикционных материалов на лабораторном смесителе
(PolyLabRheomix 600 OS) периодического действия;
–технология ремонта силовых гидроцилиндров применением разработанных полиамидных композитов.
Реализация результатов исследования. Разработанный трехкомпонент-ный состав антифрикционного композита на основе капролона и технологический процесс его производства принят к внедрению Центром нанотехнологий и наноматериалов АУ «Технопарк-Мордовия». Разработанные технологические процессы восстановления гидроцилиндров внедрены в МИП ООО «Агросер-вис» и ООО «Эффект Гарантия».
Результаты исследований используются при проведении занятий с бакалаврами и магистрами по направлению подготовки «Агроинженерия» в ФГБОУ ВО «МГУ им. Н.П. Огарева».
Апробация. Основные положения и результаты исследований докладывались на: Международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (г. Москва, 2017) на котором в рамках конкурса молодых ученых на лучшую научно-исследовательскую работу присужден диплом за проект «Повышение долговечности подшипниковых соединений на основе применения антифрикционных композитов»; Международных специализированных выставках: «Технофорум- 2017» (г. Москва,2017) и XVIII «Агроуниверсал – 2016» (г. Ставрополь, 2016); Международных научно-технических конференциях «Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы» (г. Саранск, 2014-2016); Международных научно-практических конференциях: «Ресурсосберегающие экологически безопасные технологии производства и переработки сельскохозяйственной продукции» (г. Саранск, 2016), «Перспективы развития технических наук» (г. Челябинск, 2016); Научно-практических конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов Национального исследовательского Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарева (г. Саранск 2016-2017), расширенном заседании кафедры механизации переработки сельскохозяйственной продукции ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарева» (2018).
Публикации. Основные положения работы опубликованы в 16 работах, в том числе 5 в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы. Работа изложена на 162 страницах машинописного текста, включает 66 рисунков и 34 таблицы, список литературы содержит 147 наименований.
Повышение ресурса опорно-направляющих деталей силовых гидроцилиндров применением полимерных композиционных материалов
Под коэффициентом трения понимают параметр, характеризующий активность взаимодействия поверхностей, выполняющих скольжение относительно друг друга. Он складывается из деформационной (механической Мтрм) и адгезионной (молекулярной цтр.а) составляющих.
Степень значимости каждой из составляющих зависит от ряда факторов, к которым относятся следующие:
- свойства материалов пары трения (трибосопряжения);
- параметры нагружения (температура, скорость, давление, частота нагружения);
- физическое состояние материалов пары трения в конкретных условиях на макро- и микроуровнях;
- геометрия поверхностей трения и др. [47].
Принято считать, что сила трения пропорциональна нормальной нагрузке (первый закон трения). Однако согласно данным многих авторов, этот закон выполняется для полимеров лишь в среднем диапазоне нагружения.
В работе [48] показано, что при скольжении стального шарика радиусом 6,35 мм по поверхности политетрафторэтилена (ПТФЭ), полиметилме-такрилата (ПММА), поливинилхлорида (ПВХ), полиэтилена (ПЭ) и нейлона коэффициент трения остается практически постоянным в диапазоне нагрузок 1(100 Н. Однако за пределами среднего диапазона пропорциональность силы трения нормальной нагрузке нарушается. Так, например, при умеренных нагрузках коэффициент трения снижается с ростом давления. Данный эффект объясним упругой деформацией неровностей поверхности [49]. Следует отметить, что аналогичным образом ведут себя резины, для которых типична упругая деформация [50]. При нагрузках, превышающих указанный диапазон пропорциональности коэффициента трения, он возрастает с ростом давления, что объясняется пластической деформацией контактирующих неровностей.
Из что коэффициент трения, как функция нагрузки, описывается зависимостью, предложенной И. В. Крагель-ским [49]. Коэффициент трения проходит через минимум, соответствующий переходу от упругого контакта (левая убывающая ветвь кривой) к пластическому (правая возрастающая ветвь).
Считается, что сила трения не зависит от скорости скольжения. Это утверждение справедливо только когда температура в контакте возрастает незначительно и, следовательно, поведение поверхностного слоя материала не изменяется. Однако весьма трудно разделить влияние скорости скольжения и температуры трения, поэтому необходимо внимательно анализировать данные, полученные различными исследователями. В табл. 1.1 представлены результаты исследований для ряда материалов.
Как следует из табл.1.1, коэффициент трения не зависит от скорости лишь в ограниченном диапазоне (0,011,00 см/с) для ПТФЭ, ПЭ, ПММА и ПС, а также для полимерных волокон. Обычно же имеет место сложная зависимость коэффициента трения от скорости, причиной которой может быть вязкоупругое поведение полимеров. При низких скоростях скольжения вязкое сопротивление в зоне контакта увеличивается с ростом скорости. Если контактное давление велико, происходит аномальное вязкое течение, приводящее к резкому возрастанию вязкости вследствие роста скорости. Аналогичная зависимость получена на основе молекулярно-кинетических представлений [51, 52].
При высоких скоростях скольжения в зоне контакта доминирует упругое поведение материала, следовательно, сила трения слабо зависит от скорости или уменьшается при ее снижении [53]. Также следует иметь в виду, что при высокой скорости продолжительность контакта мала, что еще больше снижает силу трения. В промежуточном диапазоне скоростей все указанные факторы являются конкурирующими, и зависимость силы трения от скорости скольжения имеет максимум, положение которого определяется релаксационными свойствами полимера [54].
Следует отметить, что на зависимость силы трения от скорости скольжения существенное влияние оказывает температура испытаний (рис. 1.7).
Если в процессе испытаний температура приближается к температуре стеклования полимера, при которой сегменты молекул имеют высокую подвижность, то коэффициент трения сильно зависит от скорости, а при более низких температурах
При низких температурах в условиях постоянной скорости и усилия наблюдается снижение коэффициента трения. Однако, вблизи температур размягчения полимера в случае кристаллических и/или стеклования для аморфных наблюдается перегиб кривой, т.е. коэффициент трения быстро увеличивается. Вблизи температуры деструкции коэффициент трения может стабилизироваться, отражая в основном уже не столько механизм взаимодействия полимера с контртелом, сколько процесс его термомеханодеструкции [47].
Что же касается интенсивности изнашивания, то наибольшее влияние на данный параметр оказывает температура. Так, при нагревании полимерной детали до температуры, близкой к точке стеклования или размягчения, темп изнашивания резко увеличивается вследствие резкого падения модуля упругости, прочности и увеличения контрповерхностей до полного насыщения контакта. Давление влияет на износостойкость в меньшей мере, чем температура. При нагрузках, превышающих 5 МПа, увеличение давления будет вызывать ускоренный износ [47].
В конструкциях современных гидроцилиндров, как упоминалось выше, для увеличения ресурса в конструкцию вводятся направляющие и уплотни-тельные элементы, изготовленные из полимерных композиционных материалов. Типы, применяемых полимеров и их композиций, приведены в табл. 1.2. Таблица 1.2 – Материалы, применяемые в современных гидроцилиндрах [13]
Из известных антифрикционных термопластичных материалов ПТФЭ (фторопласт) и его сополимеры занимают особое место. Данный полимер имеет исключительно низкие значения коэффициента трения (от 0,2 до 0,02 в зависимости от нагрузки), теплостойкость, водо- и химостойкость более высокие, чем у всех остальных полимерных материалов. Однако, в то же время, он обладает следующими недостатками: низкая прочность, склонность к ползучести, зависимость коэффициента трения от скорости скольжения, низкая теплопроводность, высокий температурный коэффициент линейного расширения [55]. Физико-механические свойства различных композитов на основе фторопласта приведены в табл. 1.3. Таблица 1.3 – Свойства различных марок фторопласта [56]
Полиуретан (ПУ) отличается высокой эластичностью, вязкостью и относится к группе эластомеров. Эти материалы способны удлиняться под нагрузкой и возвращаться в начальное состояние без структурных изменений после снятия нагрузки. Детали, изготовленные из данного полимера, мало подвержены процессу старения, стойки к воздействию окружающей среды, воздействию влаги, химических элементов, абразивному износу, коррозии. По своим свойствам они не уступают металлическим, пластиковым и превосходят резиновые изделия. Основной недостаток полиуретана – сложность переработки и утилизации отходов. Материал неустойчив к воздействию таких химических реактивов, как азотная, фосфорная, метановая кислоты. Кроме того, в условиях высоких температур, ПУ может разрушаться от длительного взаимодействия со щелочами. Полиуретановые детали могут изменять свои физико-химические показатели при эксплуатации в интервале температур отличном от рабочего [57].
Физико-механические свойства различных марок композитов на основе полиуретана приведены в табл. 1.4.
Обоснование методики изучения релаксационных характеристик полимерных композитов в режиме индентирования
Под твердостью понимают способность твердого тела противодействовать проникновению в него более твердого контртела – индентора. Эта способность зависит от свойств материала, от формы и свойств контртела [100].
Испытания материалов методом инструментального индентирования являются одними из самых распространенных испытаний полимерных композитов из-за простоты, воспроизводимости, малой трудоемкости и возможности неразрушающего контроля готовых изделий. Метод давно вышел за рамки обычного измерения твердости и используется при контроле модуля упругости, коэффициента Пуассона, параметров ползучести и релаксации, предела текучести и даже разрушающего напряжения [121-124].
В зависимости от скорости приложения нагрузки индентирование разделилось на статическое и динамическое [125]. Более распространенными пока являются методы, в которых используется статическое вдавливание ин-дентора по нормали к поверхности испытуемого материала [126]. Статические методы определения твердости отличаются геометрией индентора.
По методу Бринелля (ГОСТ 4670-2015) вдавливают стальной шарик диаметром 5 мм. Для расчета твердости необходимо измерить либо глубину вдавливания, либо размеры получаемого отпечатка. В последнем случае необходимо образец разгрузить и убрать индентор. В полимерном образце за время этих действий происходит восстановление упругой деформации, вследствие чего размер отпечатка будет отличаться от истинного, достигнутого при внедрении индентора. В связи с изложенным ГОСТ 4670-2015 предписывает для определения твердости пластмасс использовать метод Бринел-ля с измерением глубины отпечатка шарика по истечению 30 с.
Твердость по Бриннелю по ГОСТ 4670-2015 определяют по формуле: НВ = F /(2жШ0), (2.22) где F - усилие на шар, Н; R = 2,5 - радиус шара-индентора, мм; ho - глубина отпечатка, мм.
В связи с отсутствием пропорциональности между глубиной отпечатка и усилием стандарт предписывает пересчитывать нагрузку F к стандартной глубине h0= 0,25 мм по специальной формуле.Это позволяет исключить существование различных значений твердости для одного и того же материала.
Получаемое по указанному стандарту число твердости не дает достаточной информации для оценки всего комплекса упруго-прочностных и релаксационных характеристик полимерных материалов, потому что представляет собой лишь конечныйрезультат оценки процесса контактного деформирования материала индентором.
Более полную информацию о физико-механических свойствах материалов можно получить при непрерывной регистрации диаграммы вдавливания [125]. При этом индентирование шаром является более предпочтительным из-за лучшей теоретической проработки процесса нагружения. Его можно рассматривать также в качестве универсального индентора с переменным углом заострения, возрастающим по мере углубления [127].
В обоих методах в поверхность полимерного материала внедряется шаровой индентор (рис. 2.8) при усилии F (Н). Давление по площади контакта при внедрении абсолютно жесткой сферы в упругую плоскую поверхность распределяется по закону Герца [128]:
Из формулы (2.22) следует, что эпюра распределения давления по площади контакта представляет собой «полусферу» (рис. 2.8).
Упругое перемещение (опускание шара) h0в центре касания выражается согласно Н.И. Безухову следующим образом [129]:
Из формулы (2.24) следует, что имеет место наличие пропорциональной зависимости между модулем Юнга E и усилием нагружения F при заданной величине перемещения индентора h0. Полимерные композиты, как известно, относятся к классу вязкоупру-гих сред, моделирование механического поведения которых наиболее часто выполняется с помощью уравнений наследственной теории Больцмана-Вольтерры [131].
Исходя из вышеизложенного можно сделать вывод о допустимости исследования релаксационного поведения композитов в режиме индентирова-ния. При этом глубину вдавливания индентора в образец целесообразно принять равной стандартной глубине h0= 0,25 мм, предписанной ГОСТ 4670-2015. Для системы уравнений (2.25 – 2.27), описывающих трехмерное нагру-жение вязкоупругого массива (рис. 2.8), аналитические решения отсутствуют. Для проверки адекватности разработанной методики исследования релаксационных характеристик (раздел 3.9) была построена численная модель индентирования образца шаром в программе ANSYS MAPDL. Вязкоупругие характеристики полимерных материалов были приняты в соответствии с табл. 4.13.
На рис. 2.10 представлена конечно-элементная схема нагружения массива размером 030x6 мм сферическим индентором0 5 мм при глубине вдавливания h0 = 25 мм.
Численное решение задачи согласно разработанной программе осуществляется в три этапа: этап 1 - нагружение массива, длительность 2 с; этап 2 - выдержка под нагрузкой при заданной глубине вдавливания - 10 лет; этап 3 - разгрузка массива - 1 с.
Методика триботехнических испытаний композитов на реометре HAAKE MARS III и план многофакторного эксперимента
Целью настоящих исследований являлось изучение процессов трения и изнашивания полиамидных антифрикционных композитов в условиях одноосного нагружения с получением регрессионных уравнений, связывающих трибологические характеристики (коэффициент трения и интенсивность изнашивания) с факторами, определяющими их работоспособность в качестве материала направляющих элементов силовых гидроцилиндров.
Объектами исследования являлись цилиндрические образцы, изготовленные из композитов методом трансферного формования (см. раздел (3.2), размером (2 ±0,01)(5 ±0,1) мм.
Для проведения триботехнических испытаний была разработана приставка к реометру HaakeMARSIII (рис. 3.13).
Приставка (рис.3.14) включает монтажный диск 1, к которому винтами крепится стакан 2, в котором располагается диск-контртело 3 из стали 40Х, рабочая поверхность которого отшлифована до класса чистоты Ra= 2,5 мкм. Диск опирается на шар 4 диаметром 3,5 мм и удерживается от вращения штифтом 5, запрессованным в стакан 2.
Монтажный диск 1 с перечисленными дета- Рисунок 3.13 – Внешний лями прижатк обогреваемому столику рео- бмоемтреутрHиAчеAсKкоEйM пAрRиSстIIаIв ки к реометра 6 накидной гайкой 7. Испытуемые образцы 8 в количестве 3 шт. устанавливаются с одинаковым шагом в глухие отверстия, выполненные в обогреваемом роторе 9 по диаметру D = 26 мм. Для исключения теплообмена с окружающей средой приставка снабжена теплозащитным экраном 10.
Перед проведением испытаний образцы притирались по мелкозернистой наждачной бумаге P1200 (ISO 6344)с размером зерна 10-14 мкм.
Наждачная бумага в форме диска диаметром 60 мм зажималась накидной гайкой 7 между монтажным диском 1 и столиком реометра 6 при демонтированном стакане 2. При притирке на приборе задавались следующие параметры: температура 20оС; частота вращения ротора 10 об/мин; вертикальное усилие на роторе 2 Н (контактное давление 0,21МПа). При данных условиях средние значения крутящего момента и вертикального усилия на роторе в течение 20… 30 мин выходили на постоянное значение.
При испытаниях на трение со смазкой масло И-20А заливалось в объеме 1,2 мл, достаточном для покрытия поверхности контртела 3, в стакан 2. Перед испытаниями притертые образцы предварительно выдерживались в течение 3 суток в среде масла И-20А до достижения ими постоянного веса.
В эксперименте непрерывно регистрировались: момент трения (Нм); температура в зоне контакта (С); частота вращения ротора (об/мин.); вертикальное усилие на роторе (Н); длительность испытания (с).
После каждого цикла испытаний образцы и контртело промывались в этиловом спирте, высушивались в вакуумном шкафу BinderVD 23и взвешивались. Взвешивание производилось с точностью ± 0,1 мг для каждого образца отдельно в трехкратной повторности на аналитических весах СЕ 124-С. Монтаж каждого образца при продолжении испытаний производился в первичной ориентации в свое гнездо прибора.
Исследование указанных композитов методом полного факторного эксперимента в условиях трения со смазкой в среде индустриального масла И-20А проводилось по плану 23, позволяющим получить регрессионные уравнения, описывающие зависимость интенсивности изнашивания и коэффициента трения (функций отклика) от определяющих факторов.
Искомые функции отклика отвечают необходимым требованиям [141]:
- изменчивости при любом изменении (комбинации) факторов, определяющих работоспособность направляющих элементов гидроцилиндра;
- информационности, т.е. способности всесторонне характеризовать работоспособность направляющих элементов гидроцилиндра;
- наличия физического смысла, т.е. наличия способности достижения полезного результата определенного свойства;
- статистической эффективности и однозначности, т.е. возможности определения с достаточной точностью, позволяющей минимизировать количество экспериментов.
За варьируемые факторы, влияющие на функции отклика, исходя из условий обязательной возможности их регулирования, независимости и однозначности были приняты основные факторы, действующие на направляющие элементы силового гидроцилиндра С100/40200 трактора МТЗ 80/82 в условиях реальной эксплуатации (раздел 2.1) при следующих диапазонах возможного изменения: контактное давление (0,5 - 4,5) МПа, скорость скольжения (0,05 – 0,25) м/с и температура (20 – 70) оС.
Были введены обозначения: X1 – величина контактного давления, МПа; X2 – скорость скольжения, м/с; X3 – температура трибосопряжения, С.
Результаты расчета представлены в разделе 4.2.5. Верхний, нижний и основной уровни факторов соответственно обозначены, как +1, -1, 0. В планах матриц цифры опущены и указаны только знаки: «+» или «-».При проведении эксперимента было испытано 8 вариантов с различными комбинациями факторов в трехкратной рандомизированной повторности.
В итоге получены регрессионные модели процесса изнашивания в виде уравнений регрессии, связывающих варьируемые факторы с функциями отклика (интенсивностью износа и коэффициентом трения). Обработка экспериментальных данных матрицы планирования и расчеты коэффициентов регрессии проведены методами многофакторного корреляционного, дисперсионного и регрессионного анализа данных [142] в следующей последовательности.
План многофакторного эксперимента
Планы матриц, результаты эксперимента и рассчитанные значения параметров для интенсивности износа и коэффициента трения для композиции состава 0,5% графит + 2% шунгит + ПА-6 представлены в табл. 4.15 - 4.16.
В соответствии с выражением (3.15) был произведен переход к математической модели в реальных физических переменных.
Нормированные значения контактного давления, скорости скольжения и температуры могут быть представлены следующими соотношениями.
Было установлено, что при наличии восьмого слагаемого, включающего произведение трех сомножителей (XгХгХз), уравнения регрессии для интенсивности изнашивания и коэффициента трения не удовлетворяют условию адекватности по критерию Фишера.
Зависимость интенсивности изнашивания от давления, скорости скольжения и температуры в нормированных переменных
После подстановки значений коэффициентов из табл. 4.15 и проведения алгебраических преобразований получено уравнение регрессии, отражающее зависимость интенсивности изнашивания от давления, скорости скольжения и температуры для выбранного интервала значений:
/ = 10"9 [-8,92 + 12,98Р +10,15К + 0,82Г - 37,5PV - 0,058PT - 2,52VT] (4.4) Зависимость коэффициента трения от давления, скорости скольжения и температуры в нормированных переменных выражается аналогично:
/= со + сіХі + с2Х2 + С3Х3 + С4Х1Х2+ с5Х1Х3+сбХ2Хз (4.5)
После подстановки выражений (4.1) получаем следующее уравнение
После подстановки значений коэффициентов из табл. 4.15 и проведения алгебраических преобразований получаем уравнение регрессии, отражающее зависимость коэффициента трения от давления, скорости скольжения и температуры для выбранного интервала варьирования значений:
/ = 10"3 [67,68 - 2,82Р + 23,68К + 0,247/ - 3,35PV + 0,1РТ - 0,6VT] (4.7) На рис. 4.24-4.25 представлены зависимости интенсивности износа (мм/мм) и коэффициента трения согласно уравнениям (4.4) и (4.7).
Анализируя полученные графики можно заключить, что в исследованном интервале изменения параметров нагружения: рост скорости скольжения приводит к снижению интенсивности износа и коэффициента трения; рост давления в зависимости от величины температуры и скорости скольжения может приводить как к росту, так и снижению интенсивности износа и коэффициента трения; рост температуры при любых условиях обуславливает рост интенсивности износа и коэффициента трения.