Содержание к диссертации
Введение
1. Полимерные композиты в водных средах 8
1.1Антифрикционные полимерные композиты и область их применения 9
1.2 Физико-химические процессы при работе трибосистемы в водной среде 14
1.3 Влияние водных сред на технические параметры трибосистем 21
1.4 Выводы .29
1.5 Цель и задачи исследований 30
2. Ползучесть полимерного композита в водных средах 32
2.1 Влияние жидких сред на жесткость композита 32
2.2 Идентификация параметров ядра ползучести 42
2.3 Работа алгоритмов программных модулей идентификации .56
2.4 Выводы .60
3. Методика экспериментальных исследований .61
3.1 Этапы исследований .61
3.2 Оборудование и инструмент 64
3.3 Материалы и образцы .74
3.4 Планирование экспериментов и обработка результатов .81
4. Работоспособность антифрикционных покрытий 84
4.1 Адгезионные свойства антифрикционных покрытий .84
4.2 Вязкоупругие свойства антифрикционных покрытий .90
4.3 Триботехнические свойства покрытий .103
4.4 Выводы .115
5. Промышленная реализация результатов исследований .116
5.1 Компоновка трибосистемы .116
5.2 Промышленные испытания 117
Общие выводы .122
Библиографический список
- Физико-химические процессы при работе трибосистемы в водной среде
- Идентификация параметров ядра ползучести
- Материалы и образцы
- Триботехнические свойства покрытий
Физико-химические процессы при работе трибосистемы в водной среде
Матричное термореактивное фенолформальдегидное связующее в результате поликонденсации становится пространственным густосетчатым относительно жёстким полимером [5,32]. Подобные материалы характеризуются тем, что их свойства в значительной мере определяются большим числом физических узлов сетки, возникающих в результате контакта гидроксильных групп фенольных ядер. Разрушение физических узлов при сорбции полярных молекул (в частности воды) должно сопровождаться существенным изменением свойств полимера, аналогичным тем, которые происходят при повышении температуры до значений, превышающих прочность водородных связей. Одной из наиболее опасных сред, способных разрушить водородные связи является вода [6,18].
Модификация фенольного связующего термостойким эластомером, образующим вторую пространственную сетку, проникающую в первую, должна повысить водостойкость адгезива. Следует отметить также, что вода не является для материалов, входящих в трибосистему растворителем, что определяет сравнительно низкий процент водопоглащения элементами системы [7,82].
Влияние на водостойкость антифрикционного покрытия оказывает и материал субстрата (подложки), то есть металл подшипниковой втулки. Это связано с тем, что на величину адгезии влияет как строение поверхности металла и его оксидов, так и его коррозионная стойкость. Разрушение адгезионного соединения покрытие – субстрат происходит не только в связи с влиянием воды на покрытие, но и в следствие коррозионных процессов под покрытием на поверхности металла [29]. Кроме того, учитывая относительно низкую прочность и жёсткость полимерного покрытия, необходимо обрабатывать ответную деталь (шейку вала или кольцо подшипника) до шероховатости не выше Ra = 0,025 – 0,4мкм [88,131,141]. В процессе приработки адаптационные процессы протекают лишь в покрытии и возникшее из-за коррозии контртела повышение шероховатости может нарушить целостность покрытия и ресурс трибосистемы.
По данным работы [14] чувствительность к воздействию воды снижается у металлов в следующем ряду: алюминий, титан, сталь, медь. Известно также [110], что в результате адсорбции металлы удерживают на поверхности тончайшие слои воды, удалить которые при склеивании невозможно. Адсорбированные молекулы препятствуют доступу клея к скле иваемым поверхностям и могут вступать с ними в химические реакции.
Рассмотрим основные физические свойства воды как активной среды, влияющей на ресурс металлополимерной трибосистемы. В сравнениями с другими жидкостями физические свойства воды в значительной степени аномальны, что связано с сильным взаимным притяжением её молекул, обеспечиваемым водородными связями [85]. Граничные плёнки воды на поверхности твёрдого тела построены из ассоциированных молекул. Очень велико поверхностное натяжение воды и величина внутреннего давления (2000МПа), что делает её практически несжимаемой. Для дистиллированной воды при слое 0,089 – 0,137мкм модуль сдвига равен соответственно 190 – 4,0МПа. По своей структуре металлы являются гидрофобными телами, но вода гидролизует поверхностные плёнки окислов, часто пористые, которые делают поверхность гидрофильной.
Химический состав природной воды определяется растворёнными в ней солями. Так, водопроводная вода нашего Донского региона содержит 10 – 11 баллов жёсткости. Это сумма миллиграмм эквивалентов ионов Mg++ и Са++ . Один миллиграмм эквивалент ионов Мg++ соответствует 20,04 мг/л , Са++ - 12,16 мг/л. Причём, ионы Са++ удаляются при кипячении, а ионы Mg++ - остаются навсегда и определяют постоянную жёсткость. Речная вода имеет солёность не превышающую 0,50/00 , а морская – 5-42%. Причём на ионы Cl- и Na+ приходится 85,6% всех ионов.
Водные моечные растворы и смазочно – охлаждающие технологи-ческие среды (СОТС) содержат целый набор поверхностно активных веществ (ПАВ), которые более интенсивно влияют на свойства и условия работы металлополимерных трибосистем с композиционными покрытиями. В первую очередь это проявляется в эффекте Ребиндера, расклинивающем микротрещины металлического контртела и снижающим прочность жёсткоцепных волокон аримида.
Идентификация параметров ядра ползучести
Таким образом, доказана непротиворечивость выдвинутой рабочей гипотезы об увеличении контактной жесткости исследуемого полимерного композиционного антифрикционного покрытия в результате абсорбции водных сред и установлено локальное увеличение напряжений, способствующее разрыхлению покрытия.
Идентификация ползучести полимерных систем является относительно сложным многопараметрическим процессом. Это привело к разработке и использованию целого набора математических выражений различной структуры [37,62,70,109]. Ряд авторов [11,62] в качестве относительно простого приближения для описания свойств вязкоупругих материалов рекомендует уравнение Максвелла-Томсона – закон деформирования «типичного твердого тела».
Поведение изучаемых материалов при испытании на ползучесть описывается моделью типичного линейного тела, схематически изображенного на рис.2.9. где параметры модели выражаются через - модуль, характеризующий материала при бесконечно большом времени испытания, - мгновенный модуль, т.е. модуль, характеризующий деформативные свойства материала при его мгновенном нагружении (упругий модуль), - постоянная времени, характеризующая темп перехода от упругой деформации к деформации ползучести. Параметры модели (2.8) определяются по результатам экспериментальных исследований. В работе [62] параметры выражения (2.8) рассчитывались по экспериментальным данным в отдельных точках (обычно 3…4), а затем усреднялись. Следующий шаг по уточнению параметров модели сделан в работе [41], где в расчете параметров участвовала вся кривая экспериментальная ползучести и после линеаризации метод наименьших квадратов.
Однако метод уточнения определения величины параметров модели ползучести упирается не столько в методику расчета, сколько в имеющиеся экспериментальные возможности испытательных машин.
Современные испытательные машины (например, комплекс TIRA test) характеризуются исключительно высокой точностью создания испытательных нагрузок (около 0,1%), быстродействием и стабильностью, точностью измерения смещений и деформаций, широкими возможностями изменения режимов и способов регистрации результатов испытаний. Однако при длительных испытаниях тонкостенных материалов на сжатие даже с использованием самой современной испытательной техники возникает ряд принципиальных сложностей. В их числе следующие. При длительном испытании тонкостенного материала на сжатие одновременно развиваются практически мгновенный процесс упругой деформации и медленно развивающейся деформации ползучести. Поскольку оба эти процесса, как и характеризующие их параметры, представляют интерес, необходимо с достаточной точностью и без значительных шумов надежно регистрировать оба процесса одними и теми же средствами. К сожалению, высокоточных средств (типа экстензометров) для измерения деформации тонких сжимаемых образцов до настоящего времени не разработано. Поэтому величина деформации измеряется по траверсному пути, который в современных машинах оцифровывается и является дискретной величиной. Величина этой дискреты составляет 0,005…0,01 мм. Таким образом, регистрируемая деформация представляет собой ступенчатую функцию времени (см. рис.2.10).
Типичные начальные участки зависимости относительной деформации сжатия от времени, полученные в результате испытаний материалов на сжатие
Упругие свойства вязкоупругих материалов регистрируются в быстропротекающем эксперименте, т.к. при медленном нагружении (порядка 1 минуты) успевает развиться процесс нестационарной ползучести. Однако при быстром нагружении электромеханическая система «машина – приспособление – образец – силоизмеритель - система управления» испытывает колебания, период которых соизмерим с длительностью нагружения. Таким образом, на процесс создания испытательной нагрузки накладывается колебательный процесс, который зашумляет экспериментальную информацию (см. рис.2.11 ). Особенно сильно влияние колебаний системы при малых испытательных нагрузках.
Материалы и образцы
Выбор рационального плана экспериментальных исследований определяет достоверность полученной информации, вид математической модели выхода и тип графической интерпретации результатов.
В каждый блок экспериментальных исследований (см. таблицу 3.5) входят как классические однофакторные эксперименты, так и многофакторные двухуровневые.
Анализ имеющихся в литературе [55,57,86] результатов экспериментальных исследований аналогичных композиционных материалов свидетельствует о том, что математические модели, описывающие изучаемые зависимости, и соответствующие поверхности отклика близки к линейному типу (имеют малую кривизну). В связи с этим представляется возможным существенно сократить объем экспериментальных исследований и расчетов, перейдя от относительно сложных и объемных планов второго порядка к более простым линейным полнофакторным планам. При этом линеаризация моделей выполняется логарифмированием [98].
Полученные подобным методом модели имеют мультипликативную структуру с отдельными сомножителями в виде показательных или степенных функций [41,98].
Известно, что полнофакторные планы первого порядка типа 2к удовлетворяют практически всему набору критериев оптимальности. Они ортогональны, ротатабельны, обладают свойством нормировки, А, Д, G и Е оптимальности [1,22].
Следовательно, при решении большинства поставленных в работе задач могут использоваться полнофакторные планы типа 2к со стандарт-ными матрицами.
Примеры исходных данных ПФЭ 2к для двух различных исследова-тельских блоков приведены в таблице 3.6.
Графическая интерпретация поверхности отклика осуществляется в виде 3-х координатных графиков [58,98].
При антифрикционных экспериментальных исследованиях температура экспериментального трибоузла, работающего в водной среде, соответствовала температуре саморазогрева зоны трения и не превышала 1000С. Результаты классических однофакторных экспериментальных исследований обрабатывались методом наименьших квадратов по стандартной методике [13,58,98]. Для них рассчитывались стандартные статистики[13,76,87].
Таким образом, обоснована организация экспериментальных исследований в виде двух неполных базовых блоков, осуществлено технологическое обеспечение изготовления и подготовки, экспериментальных образцов к исследованиям.
Требуемый ресурс антифрикционных полимерных композиционных покрытий, работающих в агрессивных водных средах, обеспечивается в первую очередь адгезионной прочностью покрытий на субстрате. Физико-химическое воздействие активной среды постепенно и постоянно ослабляет это взаимодействие [19,31].
При удовлетворительной фиксации покрытия на контактной поверхности детали узла трения ресурс обеспечивается величиной зазора в трибосопряжении, который увеличивается в процессе изнашивания и ползучести полимера. На эти процессы также влияет активность водной среды.
Все три процесса – ослабление адгезионного взаимодействия, ползучесть и изнашивание – протекают параллельно. Результаты их экспериментальных исследований приведены ниже.
Эксплуатационные свойства исследуемых антифрикционных покрытий определяются их вязкоупругой природой и, следовательно, зависят от присутствия, свойств и количества сорбированных низкомолекулярных веществ [16,34,85].
Благодаря имеющемуся тканному армирующему каркасу когезионная прочность покрытий значительно превышает адгезионную. В связи с этим, а также учитывая возможность подслойной коррозии при использовании стального субстрата, первостепенное значение приобретает адгезионная прочность покрытий.
Определяющей особенностью структуры и состава рассматриваемых антифрикционных композитов является наличие в армирующем каркасе фторопластовых нитей «полифен». Имея практически нулевую адгезию к матричному связующему, эти нити образуют целую сеть микроканалов в переходном слое с матрицей, как в сечении самого композита, так и в зоне контакта с субстратом. Последнее связано с тем, что фторопластовые нити, хоть и в незначительном количестве (до 10%), выведены на изнаночную сторону каркаса покрытия.
Размеры (особенно толщина) и структура покрытий исключают возможность исследования адгезионной прочности при срезе или равномерном отрыве. Поэтому её оценка осуществлялась при испытаниях на неравномерный отрыв при угле отслаивания 1800 [91] , при использовании разрывной машины для малых нагрузок. Водные буферные растворы, в которых выдерживались покрытия, являются моделями различных технологических сред: моющих, охлаждающих и т.п. В качестве сквозного параметра характеризующего их воздействие на покрытия, был выбран водородный показатель рН. Величина водородного показателя определяет кислую или щелочную реакцию водной среды.
Триботехнические свойства покрытий
Интенсивность абсорбционных процессов сильно зависит от площади поверхности адсорбента и, уменьшая ее, можно существенно снизить отрицательное влияние среды. Это требование было выполнено благодаря применению радиально-упорной конструкции подшипника в виде конической поверхности с конусностью 100 и беззазорного сопряжения с ней конического контртела. Подобное «закрытое» сопряжение контртела с покрытием возможно только благодаря податливости полимерного композита и его способности работать в режиме самосмазывания. Рис.5.1 Ресурс подшипников с полимерным покрытием при экспозиции в дистиллированной воде: 1-0, 2-300, 3-100 часов
Экспериментальные исследования износостойкости трибосопряжения, подвергавшегося 300-часовой экспозиции в наиболее активной среде из дистиллированной воды при блокировании контртелом рабочей поверхности, показали, что ресурс подобных трибосопряжений значительно превышает ресурс покрытий после 100-часовой открытой экспозиции. (Рис.5.1). Кроме того, трибосопряжение с закрытой поверхностью не уступает ресурсу покрытий даже в воздушной среде, превосходя его на 5,2%, что объясняется дополнительным охлаждением зоны трения водной средой (см. выделенную строку таблицы 4.4).
Используя описанную конструкцию радиально-упорного подшипника скольжения с полимерным композиционным покрытием, проводились промышленные испытания в различных кислых и щелочных технологических водных средах. 5.2 Промышленные испытания
Промышленные испытания радиально-упорных подшипников с полимерным композиционным антифрикционным покрытием проводились в условиях гальванического производства ОАО «Роствертол». Технологическим объектом, на котором непосредственно проводились испытания являлась линия непрерывной гальванической обработки AQUACOMP Hard производства республики Чехия. Общий вид линии представлен на рис.5.2. Рис.5.2 Общий вид линии гальванической обработки деталей вертолета AQUACOMP Hard
Линия AQUACOMP Hard используется для гальванической обработки нагревательных элементов – ответственных деталей вертолета. На плане линии (Рис.5.3) показана последовательность расположения ванн и их номенклатура. Специфика гальванической обработки на данной линии характеризуется весьма разнообразным назначением и следовательно разным составом рабочих растворов. В ваннах линии производятся следующие операции: декапирование, травление, пассивация, нейтрализация, обезжиривание и целый комплекс различных промывок.
Содержимое всех ванн можно разделить на две группы: скислыми растворами (рН = 0,1…0,76 7) и щелочными (рН = 10,34…11,1 7). К первой группе относятся ванны для следующих операций: -декапирование нагревательных элементов (состав ванны – соляная кислота плотностью 1,17…1,19 г/см3); -травление нагревательных элементов и оковок (состав ванны – азотная кислота 226…425мл/л, соляная кислота 232…425мл/л, ортофосфорная кислота 70…90мл/л, серная кислота 60…90мл/л, Fe 8…80г/л); -пассивация нагревательных элементов (состав ванны – азотная кислота 175…190г/л, бихромат калия 20…25г/л); ко второй группе – для следующих операций: -нейтрализация нагревательных элементов (состав ванны – углекислый натрий 0,5…2,0г/л); -обезжиривание нагревательных элементов (состав ванны – едкого натрия 5…15г/л, натрия 10…20г/л, фосфорнокислого натрия 30…40г/л); -операции промывки (состав ванны – водопроводная вода).
Все операции производятся при температуре ванн 20…350С. Сменяемость растворов регламентирована технологическими инструкциями и осуществляется по мере утраты ими требуемых свойств. Состав растворов ежедневно контролируются центральной заводской лабораторией. Для удаления отработавших кислых и щелочных растворов используются погружные насосы WILO производительностью 21 м3/час (Рис.5.4).
Подшипниковые узлы этих насосов для установки крыльчаток выполнены из тонкого фторопластового антифрикционного покрытия. При перекачке отработанных растворов твердые микрочастицы шлама приводят к износу покрытия, ухудшению уплотнения подшипникового узла, снижению производительности и отказу насоса. В связи с тем, что оба типа насосов являются импортными покупными изделиями, возникает необходимость периодического заказа запасных частей, что может нарушать ритмичность технологического процесса.
Для оценки возможности замены импортных подшипников на трибосистемы, снабженные исследованными антифрикционными покрытиями, производились испытания. Два погружных насоса с радиально-упорными подшипниками оснащенными антифрикционными полимерными композиционными покрытиями по мере выработки технологических растворов окунались в ванны для откачки этих растворов. Несмотря на то, что насосы работали периодически, полное высыхание полимерных покрытий для 100%-го восстановления их эксплуатационных свойств наблюдалось редко. Насосы безотказно работали в течение всего срока испытаний, что превысило ресурс штатных подшипников на 22 - 27%.
Основными условиями увеличения ресурса разработанных трибосистем являются следующие: значительно больший объем фторопласта в применяемых композитах, изнашивающегося в результате адгезионного переноса; податливость покрытия, обеспечивающая обволакивание мелких частиц шлама фторопластом, и частично поглощающая их; наличие эффекта автокомпенсации изнашивания до истирания фторопластового слоя композиционного покрытия. Таким образом, промышленные испытания разработанной трибосистемы с антифрикционным полимерным композиционным покрытием оцениваются положительно и будут продолжаться.
