Використання пар тертя вуглецевих композиційних матеріалів в екстремальних умовах роботи зернозбиральної техніки

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВИКОРИСТАННЯ ПАР ТЕРТЯ ВУГЛЕЦЕВИХ КОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ В ЕКСТРЕМАЛЬНИХ УМОВАХ РОБОТИ ЗЕРНОЗБИРАЛЬНОЇ ТЕХНІКИ

О.В. Бондаренко

К.М. Думенко

У роботі проведено аналіз проблем роботи пар тертя в екстремальних умовах роботи зернозбиральної техніки. Наведено способи та засоби підвищення експлуатаційних показників пар тертя за рахунок використання композиційних матеріалів із сполучними матрицями.

Ключові слова: тертя, надійність, сполучна матриця, полімер.

Постановка проблеми. До екстремальних умов роботи пар тертя належить тертя без рідкого змащувального матеріалу в повітряному середовищі, при низьких і високих температурах, високому рівні забруднення пилом у корозійних середовищах, при роботі у прісній та морській воді тощо.

Надійність, а також ефективність механізмів і пристроїв багато в чому залежать від безвідмовності роботи вузлів тертя. Різноманітність явищ на межі контактуючих тіл в різних екстремальних умовах викликають складні за характером процеси зношування твердих тіл, тому загальний математичний опис теорії всіх явищ отримати не вдається [1]. Адгезійно-деформаційна теорія зовнішнього тертя твердих тіл представляє собою природу зношування з погляду фізико-хімічних змін поверхневих шарів, а нерівномірність руйнування (локальність) описується на основі статистичних закономірностей. Причина полягає в складності взаємосполучних поверхневих явищ в мікро і макромаштабах. Це призводить до зміни фізико-механічних властивостей матеріалів на плямах фактичного контакту, дії температурних градієнтів, стохастичного характеру руйнування мікрооб'ємів тощо.

Особливої актуальності це питання набуває в умовах розроблення і введення в експлуатацію машин з підвищеною продуктивністю, які одночасно можуть виконувати декілька технологічних операцій. Додатковими факторами збільшення ролі надійності в створенні і експлуатації сучасної сільськогосподарської техніки є активне введення в конструкції машин елементів гідрофікації, автоматизації і комп'ютеризації систем контролю і управління. Вказані напрямки розвитку сільгоспмашинобудування виявляють додаткові завдання до вирішення проблем забезпечення необхідного рівня надійності машин і їх комплексів на основі системного підходу.

В інженерній практиці часто використовують закон тертя у вигляді:

FТР = fP,

де f - коефіцієнт тертя;

P - нормальне навантаження.

Величину коефіцієнта тертя приймають за даними експерименту, в якому автоматично враховано вплив матеріалів контактуючих тіл та зовнішні чинники: навантаження, відносна швидкість, середовище, а також вплив третього тіла (проміжний шар в контактній області, що виникає в результаті взаємодії поверхонь між собою і з середовищем). Структура третього шару, починаючи від основи одного з тіл, досить складна і має таку структуру: шар "розпушеного" матеріалу основи, оксиди металу та інші хімічні сполуки, зовнішня плівка мастила, пари води, які адсорбовані або хімосорбовані залежно від температури та активності речовин в зоні контакту. На полімерах, наприклад, третє тіло складається з продуктів трибодеструкції. Дослідне значення коефіцієнта тертя враховує всі ці явища. Шляхом зміни керуючих чинників і аналізу результатів визначають шляхи підвищення зносостійкості триботехнічних пристроїв.

Аналіз останніх досліджень. Завдання підвищення зносостійкості пар тертя полягає в цільовому виборі матеріалів і покриттів, що створюють опір зношуванню в певних умовах тертя. Стан та структура поверхневого шару в екстремальних та звичайних умовах досить відрізняються. Так, в глибокому вакуумі (P ? 10-1 Па) на поверхні металів відсутня окисна плівка, яка перешкоджає схоплюванню, в результаті зростає адгезійна взаємодія та коефіцієнт тертя. В умовах високих температур коефіцієнт тертя корозійних сталей інших металів зростає за рахунок схильності до окислення одних матеріалів, а також поліморфної зміни інших. Наприклад, при температурі +400°С структура кобальту зазнає зміни - гексагональна кристалічна решітка переходить в кубічну. У результаті коефіцієнт тертя зростає від 0,4 до 1,5 і вище [2]. Тугоплавкі метали при високій температурі також мають високий коефіцієнт тертя.

У водному середовищі метали піддаються електрохімічній корозії, зокрема мідь і її сплави. Процес корозії підвищується під дією механічних та циклічних навантажень. Тому водне середовище належить до екстремальних умов роботи триботехнічних пристроїв.

Вибір матеріалу вузла тертя визначається насамперед міцністю механізму для передачі обертового моменту дії інших зовнішніх навантажень. Як основний матеріал найчастіше використовують сталь і високоміцні сплави. Підвищення зносостійкості вузлів тертя у всіх екстремальних умовах зводиться до рішення задачі зниження сил тертя.

Мета роботи. У роботі визначено основні недоліки пар тертя. Запропоновано рішення з підвищення зносостійкості та якості роботи пар тертя за рахунок використання композиційних матеріалів у збиральній техніці.

Викладення основного матеріалу. Поставлене завдання у багатьох випадках успішно вирішується шляхом використання композиційних матеріалів на основі полімерного сполучника, який армований різного роду волокнами і наповнювачами, що мають антифрикційні властивості. Вибір полімерного сполучника, стабілізатора, пластифікатора, режиму затвердіння, а також армуючого матеріалу та наповнювачів здійснюють у відповідності з вимогами до антифрикційних матеріалів при конкретних екстремальних умовах експлуатації.

Вимоги при використанні антифрикційних матеріалів зводяться до високого показника припрацьованості, високої теплопровідності при низькому коефіцієнті термічного розширення, стабільності антифрикційних властивостей в умовах екстремальної температури, контакту з водою, і технологічними рідинами, радіації тощо. Крім того, важливими (вирішальними) властивостями є технологічність виготовлення, стабільність розмірів в різних середовищах, тривала міцність (високий ресурс), негорючість, нетоксичність, стійкість до мікроорганізмів, невисока вартість. Більшою мірою цим вимогам відповідають композиційні матеріали, системи яких мають дві або більше компоненти. Вони володіють властивостями, які відрізняються від властивостей компонентів, але із збереженням індивідуальності кожного з них.

З позицій системології, властивості системи в процесі взаємодії визначаються початковим станом і характером зовнішніх дій. Початковий стан композиційного матеріалу визначає проектувальник. Виходячи з цільової функції призначення матеріалу, проектувальник обирає компоненти сполучної матриці, армуючого матеріалу, спеціальних наповнювачів, їх кількість і масові частки. Планування і створення структури - це відмінна перевага композиційних матеріалів.

У широкому асортименті композиційних матеріалів особливе місце займають вуглецеві композиційні матеріали з полімерною матрицею, армовані вуглецевими карбонізованими і графітизованими волокнами з вмістом вуглецю 95-99% [3]. Завдяки високій термостійкості в нейтральних і відновлювальних середовищах міцність їх (500-1800 МПа) не змінюється до температури 20000С, на повітрі - до 300-3500С, не змінює своєї міцності при низьких температурах (до -1700С). Вуглецеве волокно має відмінну водяну і хімічну стійкість до розведених основ і кислот (крім концентрованої азотної), тому не піддаються окисленню і корозійній зношеності у вказаному інтервалі температур. Інертність вуглецевих волокон до металів визначає адгезійні характеристики, виключаючи місця зварювання і розвиток втомлювальних процесів. Другий важливий компонент композиційних матеріалів - полімерний сполучник. Його вибір визначається умовами експлуатації пар тертя. Наприклад, в інтервалі температур -200…+2700С і навантаженні 5 МПа підшипник кочення, із вуглецевого композиційного матеріалу на поліамідному сполучнику, володіє високою стабільністю розмірів та зносостійкістю, завдяки низькому коефіцієнту тертя (до 0,3) та ковзання без наповнювачів. При наповненні сухими мастильними матеріалами, такими як графіт та нітрид бора, коефіцієнт тертя знижується до 0,1, а також підвищується зносостійкість. Матеріал стійкий до кислот, олій, води. Композиційні матеріали із вуглецевого карбонізованого армуючого волокна з поліамідним сполучником і наповнювачами перспективні для роботи в якості підшипників кочення в екстремальних умовах низьких і високих температур, а також в контакті з агресивним середовищем. Недоліком вказаного матеріалу є обмеження в навантаженні до 15 МПа і швидкості руху до 1 м/с з підвищенням навантаження різко збільшується повзучість і збій в роботі вузла тертя. Переробка матеріалу у виріб пов'язана з необхідністю застосування високого тиску та температури - до 120 МПа і 4000С.

Полімери на основі епоксидного сполучника відрізняються поєднанням когезійної і адгезійної міцності до різних наповнювачів, що створює густосітчасту міцну структуру з малою усадкою, мають теплоі водостійкість, а також високу технологічність. Вуглецеві композиційні матеріали з епоксидним сполучником та різними антифрикційними наповнювачами володіють унікальними властивостями. Найбільш високі експлуатаційні якості у важко навантажених опорах кочення проявляє вуглецевий композиційний матеріал на основі епоксидної хлоровмісної смоли (ЕХС), зносостійкість якого в ненаповненому стані в 20 разів нижче у воді, ніж зносостійкість епоксидіанових. Причина тому - результат хімічної взаємодії ювенільної поверхні заліза з іонами хлору і утворення стійких хлоридів. В зоні контакту утворюються поверхнево активні речовини та їх абсорбція на поверхні суттєво знижує коефіцієнт тертя. З підвищенням навантаження цей шар диспергується і виноситься із зони тертя, одночасно формується новий шар. Крім того, в процесі тертя на поверхні контртіла створюється міцна плівка із продуктів трибострукції графітизованого вуглецевого волокна. На поверхні підшипника плівка приймає характерний металевий блиск, який властивий графітоподібній структурі. Інтенсивність зносу сталевого контртіла мінімальна, оскільки поверхнева плівка утворюється і за рахунок зносу композиційного матеріалу, що і визначає ресурс вузла тертя. Коефіцієнт втрат за рахунок деструкції не більше 0,05, у металевих підшипниках він складає 0,1-0,2. Для додаткового зниження зносу підшипника кочення за рахунок зносу стійких плівок переносу, антифрикційні композити модифікують введенням в склад полімерної матриці, знижуючи коефіцієнти тертя змазки зовнішньої дії (жирні кислоти і їх солі, парафін і т.ін.), порошки м'яких металів беруть участь у формуванні антифрикційної плівки, яка зменшує зношеність. Крім того, атоми металу беруть активну участь в процесі затвердіння епоксидних олігомерів [3]. В процесі експлуатації задири та заїдання не виникають, ресурс вузла тертя збільшується.

Вуглецевий композиційний матеріал з антифрикційними наповнювачами володіє високою вібростійкістю і демпфіруючою властивістю, що дозволяє застосовувати його в екстремальних умовах вібраційних навантажень [4]. Підшипники кочення із вуглецевого композиційного матеріалу, розроблені автором для водоперекачувальних станцій в Миколаївській та Кіровоградській областях, мають напрацьований ресурс безперервної роботи більше 15 років без видимого зношення вала і підшипників кочення, занурених у прісну воду.

Важливий показник вуглецевого композиційного матеріалу - практична незалежність від температури, коефіцієнта термічного розширення і близькість його до значень коефіцієнта розширення сталі, що дозволяє сприймати високі навантаження при підвищених температурах (межа міцності на стиснення 250-280 МПа і 150-230 МПа при 1400С ).

Висновок

тертя адгезійний антифрикційний підшипник

Висока зносостійкість, надійність, високий ресурс разом із технологічністю виготовлення сприяє широкому застосуванню вуглецевих композиційних матеріалів з антифрикційними наповнювачами в якості підшипників кочення в екстремальних умовах. Збиральна техніка може значно підвищити показник рівня надійності вузлів та машин в цілому при використанні вуглецевих композиційних матеріалів, які мають широкий стабільний діапазон роботи в екстремальних умовах.

Література

1. Костецкий Б. И. Фундаментальные основы поверхностной прочности материалов при трении / Б. И. Костецкий -- К. : Знание, 1980. -- 240 с.

2. Дроздов Ю. Н. Трение и износ в экстремальных условиях / Ю. Н. Павлов, В. Г. Дроздов, В. Н. Пучков -- М. : Машиностроение, 1986.

3. Рубин М. Б. Подшипники в судовой технике / М. Б. Рубин, В. Е. Бахарева -- Ленинград : Судостроение, 1987. -- 251 с.

4. Захаров Ю. В. Системный подход к созданию судового адиабатного двигателя / Ю. В. Захаров, Ю. В. Селезнев // Судовое машиностроение. -- Николаев, 1986. -- С. 45--52.

Размещено на Allbest.ru