Исследование антифрикционных свойств армированного полиамида

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование антифрикционных свойств армированного полиамида

В.С. Кох-Татаренко

Н.Ф. Майникова

О.И. Кладовщикова

К.С. Пиминов

Ю.А. Шабалтас

Т.П. Кравченко

Аннотация

Представлено исследование пар трения применительно к радиальным подшипникам скольжения, содержащим элементы конструкции из полимерных материалов. Показана целесообразность введения в полиамид синтетических волокон Аримид.

Ключевые слова: пара трения, подшипник скольжения, полимерные композиционные материалы.

Повышение надёжности и долговечности машин является одной из проблем машиностроения. Экономическое значение этой проблемы очевидно, так как главной причиной выхода из строя машин является не их поломка, а износ подвижных сопряжений и рабочих органов под влиянием сил трения.

Задача, связанная с фрикционной нестойкостью и снижением теплонапряжённости узлов трения, может быть решена путем применения материалов, в которых в качестве матрицы используется термостойкий полимер, а в качестве наполнителя - высокопрочные волокнистые материалы армирующего и антифрикционного назначения. Введение такого рода наполнителей в полимеры приводит к упрочнению слоёв, расположенных за фрикционными. На поверхности раздела металла и композита создается промежуточной слой пленки с низкой прочностью на сдвиг [1].

Некоторые виды композитов со специальными свойствами в значительной степени зависят от выбора армирующего волокнистого наполнителя. Армированные полимерные материалы со специфическими механическими, физическими и другими свойствами получают, используя специальные волокна, к которым в основном относятся органические волокна. Армированные полимерные материалы с высоким уровнем механических свойств получают с использованием волокнистых наполнителей на основе высокопрочных, а также сверхпрочных и сверхмодульных волокон и нитей - парарамидных, стеклянных, углеродных, карбидных, борных и других [2].

Композиционный полимерный материал, работающий в паре трения с металлом, должен обладать высокими показателями теплопроводности и термостойкости, жесткости и механической прочности. Композит должен быть устойчив к воздействию влаги, а также способен образовывать устойчивые плёнки из продуктов износа с низким коэффициентом трения и высокой адгезией поверхности композита к таким плёнкам. Для полимера, работающего в паре трения с металлом, когда затруднен отвод выделяющейся теплоты из зоны трения, присутствует пластификация или химическая модификация поверхности. Ресурс подшипниковых соединений (качения и скольжения), в особенности для сельскохозяйственной техники, всегда ниже расчетного и находится соответственно в пределах 2300 - 3800 ч и 1200-1600 ч. Эти показатели явно недостаточны, так как в сравнении с импортной техникой они в 2-5 раз ниже.

Создать универсальный материал, работоспособный в узлах трения без смазки и обладающий широким спектром физико-механических, теплофизических и триботехнических свойств, является трудной задачей. Разработать материал с комплексом определенных свойств для конкретного узла трения стало возможным за счет применения композиционного подхода при формировании будущего материала.

В данной работе представлено исследование пар трения машин применительно к радиальным подшипникам скольжения, содержащим элементы конструкции из полимерных материалов. Процесс трения без смазки изучали на лабораторной установке в диапазоне давления 8 - 32 МПа и скорости скольжения 0,0035 - 0,02 м/с. Выбор данных режимных характеристик при фрикционных испытаниях пар трения обусловлен необходимостью передавать больше энергии с помощью компактных механизмов. Многие пары трения машин работают в тяжелых режимах трения, в условиях, когда смазка является нежелательной.

В работе выбрана схема испытаний с контактом по образующей. Эффективность функционирования лабораторной установки обеспечена применением обобщенных условий эксплуатации применительно к радиальным подшипникам скольжения на модельных образцах. При исследовании зависимости коэффициента трения от давления и скорости скольжения в качестве контртела использовали ролик диаметром 60 мм, изготовленный из стали 45, термообработанной до твердости 42 - 45 HRC. Шероховатость рабочей поверхности металлического ролика характеризовалась параметром Ra = 0,32 - 0,63.

Исследованы антифрикционные свойства материалов на основе полиамида-12 (ПА 12), в состав которого были введены синтетические волокна Аримид Т [3-5]. Благодаря способности формировать гладкую поверхность переноса (плёнку) с высокими антифрикционными свойствами ПА 12 используется в производстве подшипников.

Однако, поскольку сдвиговая прочность плёнки из чистого полимера недостаточна, то без армирования она быстро удаляется с металлического контртела, что ведет к быстрому износу полимерной детали.

Выбор данного волокнистого наполнителя определялся его физико-механическими свойствами и химическим сродством с полимерной матрицей, при котором возможно возникновение эффекта самоармирования.

Образцы-колодочки для испытаний (размером 4х 10х 15 мм) из ПА 12 и композита на его основе получали прессованием. Рабочую поверхность пластмассовых образцов шлифовали до получения ровной матовой поверхности. трение синтетический полимерный

Режим определения антифрикционных показателей: давление - 15 МПа; площадь контакта - 40 мм 2 ; скорость скольжения - 0,02 м/с; путь трения - 9,4 м (табл. 2).

Ранее было показано, что твердость, разрушающее напряжение при растяжении, относительное удлинение при разрыве полимерного волокнистого наполнителя играют решающую роль при оценке износостойкости композита. Полученные данные свидетельствуют о том, что перечисленные свойства влияют на фрикционную стойкость ПА 12, наполненного волокном Аримид Т. Достаточно большой размер армирующих волокон свидетельствует о том, что на прочностные свойства таких армированных материалов влияют и деформационные характеристики самого армирующего элемента. Кроме того, синтетическое волокно воздействует и на структуру полиамидной матрицы композита. Введение наполнителя увеличивает жёсткость ПА 12, что связано с уменьшением подвижности сегментов макромолекул на поверхности наполнителя и усилением полимерной матрицы.

Таблица 1. Свойства материалов на основе ПА 12

Таблица 2. Зависимость коэффициента трения от давления

Полиамид-12 остается стабильным в высокотемпературных влажных средах и обладает отличными показателями скольжения и эластичности, что позволяет применять его для изготовления амортизаторов, втулок, роликов, поршней, деталей шнеков, колес, подвижных блоков.

Износ армированного ПА 12 снижается по сравнению с износом исходного полимера, что объясняется доминированием термомеханических процессов при критических режимах трения без смазки, повышением прочности и уменьшением абразивного эффекта.

Деформационная теплостойкость наполненного композита на основе ПА 12 возрастает, что объясняется образованием более плотно упакованного пограничного слоя на поверхности волокна, армирующего полимер [4].

При тяжёлых (критических) режимах трения надмолекулярная структура полимера деформируется и кристаллиты становятся более мелкими, вследствие чего коэффициент трения уменьшается [5]. Коэффициент трения по стали армированного ПА 12 ниже в 2 раза, чем у исходного материала (табл. 2).

Таким образом, показана целесообразность введения в полиамид-12 синтетических волокон Аримид Т с целью улучшения антифрикционных свойств применительно к радиальным подшипникам скольжения.

Литература

1. Дроздов, Ю.Н. Трение и износ в экстремальных условиях: Справочник / Ю.Н. Дроздов, В.Г. Павлов, В.Н. Пучков. - М.: Машиностроение, 1986. - 224 с.

2. Перепелкин К.Е. Армирующие волокна и волокнистые полимерные композиты. - СПб.: Научные основы и технологии, 2015. - С. 249 - 264.

3. Кербер М.Л., Майникова Н.Ф., Воробьёв Ю.В., Кравченко Т.П. Антифрикционный материал на основе ПА-12// Пластические массы. - 1985. - №10. - С.14-15.

4. Кербер М.Л., Майникова Н.Ф., Воробьёв Ю.В., Кравченко Т.П. и др. Антифрикционные свойства ПА-12, армированного волокнистыми наполнителями // Пластические массы. - 1984. - №7. - С. 9-10.

5. Валецкая Н.Я., Кербер М.Л., Кравченко Т.П., Акутин М.С., Ткачева В.С. Переработка термопластов, наполненных полимерными волокнами // Пластические массы. - 1978. - №2. - С.38-39.

Размещено на Allbest.ru