Названные причины определяют два направления работ для повышения работоспособности и долговечности ГУ: разработка и применение более износостойкого и долговечного материала для уплотняющих элементов (манжет), совершенствование конструкции герметизирующих устройств с учетом условий эксплуатации и свойств материала уплотнительных элементов.

Анализ работ в области триботехнического материаловедения показал, что наиболее перспективным материалом для уплотняющих элементов герметизирующего устройства следует считать полимерный композиционный материал (ПКМ) на основе ПТФЭ, который обладает высокой износостойкостью и антифрикционностью, а также стабильностью физико-механических свойств при эксплуатации в различных средах, широком интервале рабочих температур и при неудовлетворительной смазке, характерных для условий эксплуатации герметизирующих устройств многоцелевых гусеничных машин.

Кроме того, введение в ПТФЭ структурно-активных наполнителей при создании позволяет направленно изменять структуру материала, значительно улучшая его физико-механические и триботехнические свойства. Выбор состава наполнителей должен обеспечить комплексное повышение свойств ПКМ триботехнического назначения в соответствии с заданными условиями эксплуатации.

С целью получения требуемого сочетания свойств композиционного материала на основе анализа ранее выполненных исследований и с учетом результатов предварительных исследований были выбраны три компонента для комплексного наполнителя: углеродные нанотрубки, полидисперсный скрытокристаллический графит природного происхождения (СКГ) и дисперсный дисульфид молибдена.

На основе результатов проведенного анализа сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена выбору методов и средств экспериментального исследования структуры, механических и триботехнических свойств разрабатываемых полимерных композиционных материалов, влияния состава и концентрации наполнителей на свойства ПКМ, разработке установки и методики исследования работоспособности металлополимерного герметизирующего устройства в условиях, приближенных к условиям эксплуатации в ступицах поддерживающих катков МГМ.

В соответствии с задачами в работе использованы следующие методы и средства экспериментальных исследований:

1) исследование механических свойств ПКМ;

2) исследование триботехнических свойств ПКМ;

3) оптимизационное исследование состава разрабатываемого ПКМ;

4) исследование структурно-фазового состояния и надмолекулярной структуры наполненного ПТФЭ;

5) исследование износостойкости уплотнительных элементов и работоспособности разработанного герметизирующего устройства в условиях нагружения, соответствующих эксплуатационным.

Исследование механических свойств (предела прочности, модуля упругости, относительного удлинения при растяжении) проводили на разрывной машине Zwick Roell в соответствии с ГОСТ 11262-80 «Пластмассы. Методы испытания на растяжение».

Рисунок 1 - Рабочий узел стенда для испытания на трение и износ:

1 - корпус держателя образцов; 2 - втулка; 3 - контртело; 4 - опора; 5 - втулка-изолятор; 6 - держатель образцов; 7 - плита; 8 - кожух; 9 - шпиндель станка; 10 - шаровая опора

Для исследований триботехнических свойств ПКМ использовали специальную установку-трибометр с механическим приводом на базе настольного сверлильного станка, в рабочем узле которого реализуется торцовая схема трения палец-диск (рис.1).

Структурно-фазовое состояние разрабатываемого ПКМ и влияние вводимых наполнителей на фазовый состав и параметры надмолекулярной структуры исследовали методом рентгеноструктурного анализа на рентгеновском дифрактометре D8 Advance. Полученные дифрактограммы расшифровывали по методике качественного фазового анализа. Параметры гексагональной кристаллической ячейки, степень кристалличности и размеры кристаллитов наполненного ПТФЭ рассчитывали по известным формулам, используя полученные дифрактограммы и соответствующие программные средства. Погрешность расчета параметров кристаллической решетки составляла 2 %, остальных величин - не более 5 %.

Оптимизацию состава по концентрации наполнителей разрабатываемого антифрикционного ПКМ проводили методом многокритериальной оптимизации с использованием ЛП-последовательностей, которые обладают наилучшими характеристиками равномерности. В качестве независимых параметров создаваемого композиционного материала были приняты массовые концентрации компонентов: Кскг (СКГ), Кунт (УНТ), Кдм (ДМ). По результатам испытаний определялся оптимальный состав комплексного наполнителя.

Третья глава посвящена разработке нового полимерного композиционного материала и способов повышения эффективности структурной модификации. Выше было показано, что в условиях эксплуатации уплотнений ходовой части МГМ наилучшей работоспособностью и сохраняемостью обладают материалы на основе ПТФЭ, который и был принят в качестве полимерной основы для разрабатываемого полимерного нанокомпозита.

Известно, что структурная модификация ПТФЭ введением наноразмерных модификаторов, например, углеродных нанотрубок, способствует развитию структурообразующих процессов и приводит к изменению надмолекулярной структуры и повышению физико-механических и триботехнических свойств композиционного материала. Несмотря на то, что УНТ считаются весьма перспективными армирующими наполнителями-модификаторами благодаря своим прочностным свойствам и высокой структурной активности до настоящего времени не разработана технология создания ПКМ, обеспечивающая равномерное распределение нанотрубок в матрице. Предварительные наши исследования триботехнических свойств ПТФЭ, наполненного полидисперсным СКГ - 8 % масс. и УНТ с концентрацией нанотрубок в интервале 0,5…3,5 % масс., показали, что введение нанотрубок приводит к значительному повышению износостойкости ПТФЭ. Полученная концентрационная зависимость скорости изнашивания (рис.2) имеет экстремальный характер с минимумом при концентрации 2,0 % масс.

Рисунок 2 - Концентрационная зависимость скорости изнашивания ПКМ с наполнителем: 8 % масс.СКГ + (0,5-3,5)% масс.УНТ

полимерный композиционный модификация механический

При разработке нового ПКМ использовались результаты предварительных исследований с опыта широкого применения дисперсного дисульфида молибдена (ДМ) в качестве наполнителя в ПКМ на основе ПТФЭ. Поэтому в соответствии с методикой оптимизации состава разрабатываемого ПКМ в качестве независимых параметров исследуемой системы (композиционного материала) были выбраны массовые концентрации компонентов (СКГ, УНТ, ДМ) и критерии качества: скорость изнашивания (J) и коэффициент трения (f), а также критериальные ограничения: JKp = 18,5•10-4г/ч - скорость изнашивания и fKp = 0,11 - коэффициент трения материала-прототипа Криолон-5 для аналогичных условий испытаний. Согласно алгоритму многокритериальной оптимизации были определены пробные точки (8 точек) и составлена таблица для испытаний 8 образцов различного состава с концентрацией компонентов в пределах: УНТ - (0,31-4,37), СКГ - (1,5-11,25), ДМ - (0,38-2,62) % масс. Результаты испытаний и значения независимых параметров приведены в таблице 1 (получено совместно с Кропотиным О.В.).

Таблица 1

Значения независимых параметров и результаты испытаний ПКМ

Данные, приведенные в таблице 1, показывают, что для всех исследуемых композиций выполняется условие J<JKp, однако условие f<fKp, выполняется лишь для двух композиций: № 2 и № 4. а для остальных композиций значение f незначительно превышает критериальное значение. Это может быть обусловлено влиянием неравномерного распределения УНТ в матрице и слабым адгезионным взаимодействием наполнителя с полимером.

Характеристики механических свойств , Е, ? имеют относительно невысокие значения, но приемлемые для полимерных антифрикционных материалов триботехнического назначения. Значение модуля упругости сравнительно небольшое, что способствует повышению герметизирующей способности уплотнительных элементов. Таким образом, получены композиционные материалы, для которых значения скорости изнашивания меньше критериального на 30-70 %, при этом образец № 2 имеет наименьшую скорость изнашивания 5,7•10 -4 г/ч, а образцы № 4 и № 6 имеют J = 8,2•10 -4 г/ч. Средняя скорость изнашивания трех названных образцов равна 7,36•10-4 г/ч, что в 2,5 раза меньше Jкр. На этом основании было принято решение не продолжать оптимизационное исследование и при дальнейших исследованиях использовать композиционный материал состава, соответствующего образцу № 2.

С целью повышения эффективности структурной модификации ПТФЭ полидисперсными наполнителями путем совершенствования технологического процесса исследовали влияние ограничения объемного теплового расширения в процессе термообработки (спекания) заготовок ПКМ.

Для этого было разработано специальное закрытое устройство (рис. 3), ограничивающее тепловое расширение композиции при повышении температуры до температуры спекания - 360 0С.

Рисунок 3 - Устройство для термообработки заготовок ПКМ в условия всестороннего сжатия:

1 - стакан; 2 - пуансон; 3 - пружина сжатия; 4 - опорное кольцо; 5 - регулировочный винт; 6 - заготовка ПТФЭ-композита

В устройство устанавливали прессованные заготовки образцов ПКМ и пружиной создавали необходимое давление сжатия образца в осевом направлении. Собранное устройство помещали в печь и производили термообработку - нагрев до 360 0С, выдержку при этой температуре и охлаждение по заданной программе.

В таблице 2 приведены сравнительные характеристики механических и триботехнических свойств образцов ПКМ, термообработанных свободным спеканием и в условиях объемного ограничения теплового расширения.

Таблица 2

Характеристики механических и триботехнических свойств ПКМ, изготовленных при различных способах спекания

Приведенные данные показывают, что при спекании образцов в условиях ограничения теплового расширения предел прочности повышается на 48%, модуль упругости - на 31,9%, относительное удлинение - на 29%. При этом скорость изнашивания уменьшается на 21%, коэффициент трения - на 9%. Следовательно, предлагаемый способ термообработки в закрытом устройстве является весьма эффективным. Подана заявка на этот способ и устройство для его реализации (совместно с Кропотиным О.В.) регистрационный № 20131225074 от 29.05.2013 г.

Исследование закономерностей структурно-фазовых превращений в матрице при модификации ПТФЭ комплексным наполнителем, в том числе с использованием рассмотренного способа термообработки, проводили методами рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии.

Полученные дифрактограммы отражают аморфно-кристаллическую структуру ПТФЭ и содержат полезную информацию в области углов дифракции = 10° - 60° о кристаллической и аморфной фазах. На рисунке 4 показана общая дифрактограмма поверхности ПКМ, полученного при спекании в условиях ограничения теплового расширения. Дифрактограмма содержит аморфное гало третьего порядка отражения от плоскостей (001) полимерной матрицы ПТФЭ и дифракционные максимумы (003) и (100) от ее кристаллических областей, а также рефлексы от наполнителей. Аналогичный вид имеет дифрактограмма от образцов ПКМ, полученных при свободном спекании.

Рисунок 4 - Дифрактограмма поверхности ПКМ, полученного при спекании в условиях ограничения теплового расширения образца состава:

СКГ - 9 масс.%, МоS2-0,75масс.%, УНТ-1,25 масс.%, ПТФЭ-остальное

По положению дифракционных максимумов и их полуширине были рассчитаны параметры кристаллической ячейки «а» и «с», а также размеры кристаллитов «L». Полученные результаты (табл. 3) показывают, что параметры кристаллической ячейки «а» и «с» в пределах погрешностей измерений остаются постоянными и не зависят от степени наполнения полимера и условий термообработки. Невысокие значения степени кристалличности ПКМ, содержащих комплексный наполнитель, при относительно высоком среднем размере кристаллитов, свидетельствует о небольшой доле кристаллических структурных элементов.

Таблица 3

Результаты рентгеноструктурного анализа образцов ПКМ

Для сравнения эффективности нового способа спекания образцов на рисунке 5 представлены концентрационные зависимости степени кристалличности ПКМ, полученного при свободном спекании и в условиях объемного ограничения теплового расширения.

Рисунок 5 - Концентрационная зависимость степени кристалличности ПКМ: 1 - при свободном спекании; 2 - при спекании с ограничением теплового расширения (совместно с Кропотиным О.В.)

Приведенные зависимости показывают, что при свободном спекании степень кристалличности меньше во всем диапазоне концентраций, что связано с уменьшением уровня адгезионного взаимодействия частиц наполнителя и матрицы при свободном спекании и свидетельствуют о снижении структурной активности наполнителя и эффективности структурной модификации ПТФЭ при свободном спекании.

Методом электронной микроскопии установлено, что введение в ПТФЭ углеродных нанотрубок в количестве 1,5 - 3,5 % масс. приводит к измельчению исходной ламелярной структуры полимера (рис.6), которая разбивается нанотрубками на небольшие (относительно структуры ненаполненного ПТФЭ) сегменты.

Рисунок 6 - Микрофотографии скола образца ПТФЭ, содержащего 1,5 масс.% и 3,5 масс.% УНТ (увеличение 3500) (получено совместно с Кропотиным О.В.)

При этом наблюдается значительное изменение морфологии надмолекулярной структуры ПТФЭ с образованием кристаллических областей. Аналогичные изменения структурны наполненного ПТФЭ идентифицируются как сильно дефектные сферолиты. Образование сферолитов наблюдается вблизи и вдоль нанотрубок. Неравномерность распределения частиц в матрице приводит к наличию в композиционном материале областей, в которых отсутствуют нанотрубки и, соответственно, сферолиты. Эти области имеют большую дефектность, на микрофотографиях они выглядят рыхлоупакованными неструктурированными участками.

В четвертой главе приведены результаты разработки и испытания новой конструкции ГУ поддерживающего катка ходовой части. При разработке герметизирующего устройства в качестве прототипа использовали конструктивную схему ГУ оси опорного катка МГМ, согласно Патенту РФ № 2265767. С целью обеспечения взаимозаменяемости разрабатываемого ГУ и серийных герметизирующих устройств МГМ в разрабатываемой конструкции исключено регулировочное кольцо между силовыми и уплотнительными элементами, а также вместо одного уплотнительного элемента устанавливаются три, что способствует повышению надежности устройства.

Для определения величины контактного давления уплотняющего элемента на уплотняемую поверхность кронштейна поддерживающего катка был проведен анализ кинематики движения деталей, участвующих в преобразовании движения и передаче усилий между элементами конструкции поддерживающего катка. Выполнен расчет силы натяжения гусеницы и контактного давления Рк между уплотняющим элементом и сопряженной уплотняемой цилиндрической поверхностью кронштейна. Давление Рк является основным расчетным параметром конструкции герметизирующего устройства, определяющим условия и вид трения (коэффициент трения, температуру в зоне трения), степень изнашивания уплотняющего элемента, герметичность и ресурс уплотнения.

Рисунок 7 - Расчетная схема уплотнительного элемента поддерживающего катка:1 - уплотняемая поверхность вала; 2 - силовой элемент (резиновое кольцо); 3 - корпус ГУ; 4 - уплотняющий элемент; РК? - давление, создаваемое уплотняющим элементом; Рко - давление, создаваемое силовым элементом

Величину контактного давления, необходимого для деформации уплотняющей губки вследствие износа в процессе эксплуатации ?Dи и температурной деформации ?Dt с учетом модуля упругости материала уплотнительного элемента и его конструктивных параметров в первом приближении можно рассчитывать по выражению (1):

, (1)

где Е = 4•108Па - модуль упругости разработанного ПКМ; = 3•10-3м - длина уплотняющей губки; = 0,8•10-3м - толщина уплотняемой губки; = 0,8•10-3м - длина контакта уплотняющей губки; D = 80•10-3м - диаметр уплотняемой поверхности вала; ?Dи = 0,2•10-3м - изменение диаметра вследствие износа; ?Dt = 2(?п - ?с)•?t - изменение диаметра вследствие изменения температуры.

Величина контактного давления, рассчитанная по выражению (1) с учетом износа и коэффициентов линейного температурного расширения ПКМ и стали составляет 0,1 МПа. С учетом давления, компенсирующего процесс старения и давления, которое испытывает каток под действием гусеничной ленты, суммарная величина контактного давления Рк? составляет 1,36 МПа и является основой для оценки условий фрикционного взаимодействия элементов ГУ в условиях эксплуатации МГМ. На рисунке 8, 9 показаны уплотнительный элемент и герметизирующее устройство, спроектированные на основе расчетных геометрических параметров и с учетом взаимозаменяемости разрабатываемого ГУ с серийными уплотнениями оси поддерживающего катка.

Разработанное ГУ состоит из трех уплотнительных манжет из разработанного полимерного нанокомпозита. Уплотняющие губки манжет прижимаются к уплотняемой поверхности вала силовыми элементами (резиновые кольца круглого сечения).

Рисунок 8 - Уплотнительный элемент (манжета) ГУ поддерживающего катка

Рисунок 9 - Герметизирующее устройство поддерживающего катка МГМ:

1 - крышка; 2 - кольцо распорное; 3 - манжета; 4 - вал (кронштейн); 5 - стакан; 6 - силовой элемент

Испытание ГУ проводили на установке (рис. 10), оборудованной на базе токарного станка. Поддерживающий каток закрепляется в патрон токарного станка и поджимается упором задней бабки.

Рисунок 10 - Внешний вид установки для испытания герметизирующего устройства

Согласно методике, испытание проводили циклами с чередованием режимной работы и остановок. Продолжительность непрерывной работы в цикле составляет 120 минут при частоте вращения привода 600 мин-1, что соответствует 5500 км пробега МГМ при продолжительности стендовых испытаний 180 часов. Перед испытанием и через каждые 40 часов производилось взвешивание и измерение внутреннего диметра манжет.

По результатам испытаний построен график зависимости диаметрального износа манжет ?d от продолжительности работы герметизирующего устройства (рис. 11). Из графика видно, что после 40 ч работы зависимость износа от времени становится практически линейной и пропорциональной продолжительности испытания со скоростью изнашивания, равной 4•10-6м/ч, при этом износ уплотняющей губки по диаметру составил 0,8 мм при допустимом износе 0,9 мм. Стендовое испытание в течение 180 часов при частоте вращения вала 600 мин-1 и скорости скольжения 2,5 м/с соответствует пробегу машины 5500 км со скоростью 30 км/ч.

Следовательно, разработанная конструкция ГУ с уплотнительными манжетами из нового нанокомпозита на основе ПТФЭ обеспечивает надежную работу уплотнений поддерживающих катков в течение пробега машин более 5500 км до среднего ремонта машины, соответствующего межремонтному ресурсу машин данного типа.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 11- Зависимость величины износа уплотнительного элемента ?d от времени работы ГУ

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. На основе анализа неисправностей и отказов герметизирующих устройств ступиц поддерживающих и опорных катков ходовой части МГМ в условиях эксплуатации, определяющих вероятность безотказной работы серийной конструкции уплотнений, установлены физические причины отказов и определены пути повышения надежности и ресурса герметизирующих устройств поддерживающих катков.

2. Осуществлен обоснованный выбор полимерной основы и создан новый полимерный нанокомпозит на основе политетрафторэтилена (совместно с О.В.Кропотиным) (получено положительное решение от 05.05.2014 №2012146766/05(075134) о выдаче патента на изобретение), обладающий более высокой износостойкостью и умеренной жесткостью, отвечающих требованиям к материалам уплотняющих элементов герметизирующих устройств, определена оптимальная концентрация наполнителей-модификаторов.

3. Методами рентгеноструктурного анализа, прочностных и триботехнических испытаний изучено влияние компонентов комплексного наполнителя на структуру и свойства модифицированного ПТФЭ, получены концентрационные зависимости параметров надмолекулярной структуры (степень кристалличности, размер кристаллитов) и триботехнических свойств разработанного нанокомпозита.

4. На основе результатов совместного анализа исследования структурно-фазового состояния, механических и триботехнических свойств ПКМ установлена взаимосвязь характеристик механических и триботехнических свойств ПКМ с фазовым составом и параметрами надмолекулярной структуры. При этом изменение степени кристалличности приводит к изменению скорости изнашивания, предела прочности и модуля упругости полимерного композиционного материала.

5. С целью повышения эффективности структурной модификации ПТФЭ комплексными полидисперсными модификаторами разработано приспособление для спекания ПКМ в условиях ограничения объемного теплового расширения, обеспечивающее регулирование давление сжатия на заготовку и приводящее к усилению контактного взаимодействия и адгезионных связей полимерной матрицы с наполнителем, что обеспечивает повышение характеристик механических и триботехнических свойств.

6. Установлено, что при использовании наполнителей с развитой удельной поверхностью (нанонаполнители) «насыщение» матрицы наполнителем происходит при небольших концентрациях (несколько массовых процентов), в то время как при введении микроразмерного наполнителя СКГ это происходит при концентрации 8-10 % масс.

7. Разработана и испытана новая конструкция герметизирующего устройства ступицы поддерживающего катка, содержащего уплотнительные элементы из разработанного композиционного материала и силовые элементы - эспандеры из резиновых колец, обеспечивающая увеличение контактного давления при повышении давления рабочей среды и температуры, благодаря чему достигается повышение надежности и ресурса уплотнений больше заданного межремонтного ресурса.

8. Разработаны установка и методика стендовых испытаний герметизирующих устройств, обеспечивающие имитацию эксплуатационных условий работы уплотнений и получение количественных оценок износостойкости и ресурса уплотнений ступицы поддерживающего катка.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Машков Ю.К., Байбарацкая М.Ю., Сырьева А.А., Кургузова О.А. Новые износостойкие полимерные композиты материалов с углеродными наномодификаторами // Новые материалы и технологии в машиностроении: сборник научных трудов по итогам междунар.науч.-технич.конференции Выпуск 14. - Брянск: БГИТА, 2011. - с.128-131.

2. Машков Ю.К., Байбарацкая М.Ю., Дегтярь В.В., Кургузова О.А. Разработка новых полимерных нанокомпозитов для герметизирующих устройств МГКМ // Вестник сибирского отделения академии военных наук. - №15, Омск, 2012

3. Машков Ю.К., Кропотин О.В., Егорова В.А., Кургузова О.А. Влияние углеродных наполнителей на теплофизические свойства и термодинамические функции ПТФЭ // Динамика систем, механизмов и машин: Материалы VIII Международной науч.-технич. конф. Книга 2 - Омск: ОмГТУ, 2012. - с.391-394

4. Кропотин О.В., Машков Ю.К., Кургузова О.А. Создание полимерного антифрикционного нанокомпозита на основе политетрафторэтилена с повышенной износостойкостью // Омский научный вестник. -2013. - №2 (120)., - с.86-89

5. Кропотин О.В., Машков Ю.К., Егорова В.А., Кургузова О.А. Разработка полимерных композитов триботехнического назначения с микроразмерными модификаторами // Омский научный вестник. -2013. - №2 (120)., - с.91-94

6. Машков Ю.К., Кропотин О.В., Байбарацкая М.Ю., Алимбаева Б.Ш., Кургузова О.А., Малий О.В. Повышение надежности и долговечности уплотнений ходовой части МГМ // Вестник сибирского отделения академии военных наук. - №23, Омск, 2013,- с.288-290

7. Машков Ю.К., Кропотин О.В., Кургузова О.А., Чемисенко О.В. Влияние полидисперсных модификаторов на структуру и износостойкость полимерных нанокомпозитов // Россия молодая: передовые технологии - в прмышленность: Материалы V Всероссийской науч.-технич.конф. с международным участием, книга 1 - Омск: Изд. ОмГТУ, 2013.-с.89-92.

8. Кропотин О.В., Машков Ю.К., Егорова В.А., Кургузова О.А. Влияние углеродных модификаторов на структуру и износостойкость полимерных нанокомпозитов на основе политетрафторэтилена // Журнал технической физики, 2014, т.84, вып.5. - с.66-70.

9. Кургузова О.А., Машков О.В., Кропотин О.В. Разработка и исследование полимерного нанокомпозита для металлополимерных узлов трения //Актуальные проблемы современной науки: Материалы III региональной молодежной научно-практической конференции с международным участием - Омск: Изд. ОмГТУ, 2014.-с.15-18

Размещено на Allbest.ru