Введение к работе
Актуальность проблемы. Абразивный износ резинотехнических изделий и автомобильных шин является одной из основных причин выхода их из эксплуатации. В настоящее время существует немало методов оценки истираемости резин, но практически во всех из них рассматривается трение по сухой абразивной поверхности. В реальности сухое трение достигается не всегда и не везде. Кроме того, большинство резинотехнических изделий, в том числе и автомобильные шины, эксплуатируется на влажной поверхности. В данном случае наличие пленки жидкости между истираемой поверхностью и контртелом существенно изменяет условия контакта, влияя как на коэффициент трения, так и на механизм разрушения в локальных областях контакта. Несмотря на большое количество работ, посвященных истиранию, на сегодняшний день существуют лишь основные принципы и закономерности, которыми пользуются разработчики резинотехнических изделий и шин. Таким образом, проблема прогнозирования износоустойчивости и фрикционных свойств конечного изделия базируется, в основном, на опыте разработчика и результатах отзывов конечного потребителя, что становится неприемлемым в условиях жесткой конкуренции и требований качества современного рынка.
Цель работы. Изучение влияния жидкой среды и типа контактного взаимодействия на фрикционные свойства резин и создание научно обоснованной методики оптимизации конструкторско-технологических параметров изготовления изделий на основе эластомерных композитов, работающих в условиях фрикционного контакта в среде воды.
Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:
- создание опытной установки и методики испытаний, позволяющей
оценивать фрикционные свойства и истираемость резин в условиях сухого трения,
трения на поверхности, смоченной жидкостью, и трения в жидкости при скольжении и
качении с варьируемым углом увода;
- разработка методики многокритериальной оптимизации составов резин;
разработка рекомендаций по выбору составов, технологии и конструированию резинотехнических изделий и автомобильных шин, эксплуатирующихся в контакте с жидкостью.
Научная новизна работы состоит в том, что обоснована возможность прогнозирования свойств эластомерных композиционных материалов и конструкции
изделий, эксплуатирующихся в жидкой среде и имеющих фрикционный контакт с абразивной поверхностью.
На основании результатов исследования на оригинальной установке показано, что зависимость коэффициента трения скольжения в присутствии воды от нормального давления, в отличие от сухого трения, имеет S-образный характер. Интенсивность перехода от низкого к высокому коэффициенту трения с увеличением давления зависит от толщины пленки воды и аэрации поверхности при малой толщине пленки.
Установлено, что качественное различие в характере истираемости резин на сухой поверхности и поверхности, покрытой слоем воды, определяется соотношением скоростей отвода тепла из зоны истирания и скорости диффузии кислорода. При этом наиболее существенным фактором, обеспечивающим качественное снижение истираемости в присутствии воды, является снижение температуры в зоне контакта.
Выявлено, что наличие в составе резин кремнекислотных наполнителей обеспечивает более высокий коэффициент сцепления с поверхностью в присутствии воды, чем на воздухе.
Впервые установлены закономерности фрикционных свойств резин в присутствии воды при качении с уводом к направлению движения. При этом показано, что с увеличением угла увода переход от режима с низким сопротивлением качению к режиму с высоким сопротивлением при движении в жидкости становится менее резким, но существенно повышается уровень сопротивления качению.
Предложена новая методика планирования эксперимента при многокритериальной оптимизации состава резин, существенно различающихся по уровню фрикционных и упруго-деформационных свойств.
Практическое значение работы состоит в создании методики оценки фрикционных свойств резин, эксплуатирующихся в среде жидкости, непосредственно пригодной для использования в производстве при решении задач расчета и оптимизации состава резин и конструкции изделий с целью обеспечения требуемых характеристик на стадии проектирования.
На основании результатов исследования выданы практические рекомендации по совершенствованию технологии, состава и конструкции ряда изделий, обеспечивающие существенное улучшение их эксплуатационных свойств. Положительный эффект подтвержден результатами эксплуатационных испытаний изделий.
Апробация работы Материалы, изложенные в диссертационной работе, доложены и обсуждены на следующих конференциях: «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-20» (Ярославль, 2007); «Полимерные материалы, и покрытия» (Ярославль, 2008); «Проблемы шин и резино кордных композитов» (Москва, 2009, 2010, 2012); «Каучук и резина» (Москва, 2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 10 тезисов докладов, получено 2 патента РФ на изобретения.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 139 страницах машинописного текста, состоит из введения, литературного обзора, теоретической и экспериментальной части, выводов. Работа содержит 90 иллюстраций и 4 таблицы. Библиография включает 131 ссылку на литературные источники.
