автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.06, диссертация на тему:Фрикционное взаимодействие эластомерных композитов с твердой поверхностью в присутствии воды

На правах рукописи

Власов Валерий Владимирович

Фрикционное взаимодействие эластомерных композитов с твердой поверхностью в присутствии воды

05.17.06 - Технология и переработка полимеров и композитов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 6 МАЙ 2013

005058303

Работа выполнена в Ярославском государственном техническом университете на кафедре «Химия и технология переработки полимеров».

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, Соловьёв Михаил Евгеньевич профессор

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Агаянц Иван Михайлович

ФГБОУ ВПО «МИТХТ им. М.В.

Ломоносова»

кандидат технических наук, начальник Урядов Вячеслав Юрьевич отдела инжиниринга НТЦ «Интайр»

Ведущая организация: ОАО «ТИИР» г. Ярославль

Защита состоится 27 мая 2013 г. в 15 ч. 00 мин. на заседании Диссертационного Совета Д 212.120.07 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова» по адресу: 119831, Москва, ул. Малая Пироговская, д. 1.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью, направлять по адресу: 119571, Москва, проспект Вернадского, д. 86, МИТХТ им. М.В. Ломоносова, ученому секретарю Диссертационного Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИТХТ им. М.В. Ломоносова по адресу: Москва, проспект Вернадского, д. 86.

Автореферат размещен на официальном сайте МИТХТ им. М.В. Ломоносова: http://vAvw.mitht.ru

Автореферат разослан «26» апреля 2013 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета Д 212.120.07, доктор физико-математических наук, профессор

Общая характеристика работы

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 Б-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 резинокордных 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.

Основное содержание работы

Первая глава посвящена обзору литературы по вопросам механизма трения и износа резин. Рассмотрены основные виды испытательного оборудования для определения фрикционных свойств резин. Проанализировано влияние жидкости в пятне контакта на примере взаимодействия автомобильной шины с дорожным покрытием.

Во второй главе диссертации описаны объекты исследования и методики проведения экспериментов и расчетов.

Объектами исследования являлись: протекторные резины, применяемые в шинной промышленности, отличающиеся типом каучука и наполнителя, а также резина, наполненная оксидами металлов и применяемая для изготовления специальных резинотехнических изделий.

Для проведения исследований фрикционных свойств резин на воздухе и в жидкой среде была разработана и сконструирована специальная установка (рис. 1). Данная установка позволяет определять износостойкость, коэффициент трения, разогрев материалов и другие важные показатели в зависимости от нагрузки и типа контакта (трение на сухой поверхности или трение в присутствии жидкости) как при скольжении, так и при качении с варьируемым углом увода на стандартной поверхности (поверхности аналогичной стандартной шкурке для проведения испытаний ГОСТ 344-74).

Для опытного определения теплофизических свойств резин был сконструирован прибор и создана методика для обработки получаемых данных.

В третьей главе диссертации рассмотрено влияние среды в зоне контакта на фрикционные свойства эластомерных композитов: коэффициент трения, истираемость, сопротивление качению.

Рисунок 1 — Установка для исследования износостойкости резин на воздухе и в жидкой среде

I — корпус; 2 — электродвигатель;

3 — шкив электродвигателя; 4 — приводной ремень; 5 — приводной шкив; 6 — абразив; 7 — образец для испытаний; 8 — зажим; 9— прижимное устройство; 10 — груз;

II — стержень грузовой; 12 — кран; 13 —жидкость.

На рис. 2 представлены результаты испытаний типичной протекторной (эталонной) резины на основе комбинации каучуков ДССК + СКД и техуглерода N-339 в зависимости от контактного давления и вида среды в зоне контакта при трении скольжения. Испытания проводились по методике, описанной во второй главе.

Рисунок 2 — Зависимость коэффициента трения от контактного давления образца эталонной резины:

1 - в воде,

2 - на смоченной поверхности,

3 - на сухой поверхности

90 100 Р, кПа

При истирании резины на сухой абразивной поверхности коэффициент трения максимален. При этом происходит сильный разогрев и интенсивное разрушение материала. Зависимость коэффициента трения в воздушной среде от контактного давления в рассмотренном диапазоне является практически прямолинейной, в то время как аналогичная зависимость коэффициента трения в воде

имеет Э-образный характер. Это объясняется, по всей вероятности тем, что при малых контактных давлениях между поверхностью и образцом появляется слой воды, играющий роль смазки и снижающий коэффициент трения. При увеличении давления в пятне контакта происходит вытеснение воды и разрушение водного слоя, вследствие чего коэффициент трения повышается до уровня, близкого к уровню значений его на сухой поверхности.

Следует обратить внимание на характер зависимости коэффициента трения от контактного давления на смоченной поверхности. Как видно, при малых давлениях кривая проходит выше соответствующей зависимости при контакте в среде воды, а при высоких - ниже. Это можно связать с тем, что при прохождении диска через слой воды происходит смачивание и аэрация поверхности. Наличие пузырьков воздуха в водной пленке в пятне контакта изменяет условия взаимодействия и сглаживает резкий переход на кривой при повышении контактного давления.

Для оценки влияния состава резины на характер рассмотренных зависимостей в дополнение к эталонной была подвергнута испытаниям тестовая протекторная резина на основе комбинаций каучуков ДССК и СКД с 15 мае. ч. техуглерода N-339 и 50 мае. ч. кремнекислотного наполнителя марки геозП 1165-МЯ. Как видно из рис. 3, тестовая резина имеет более низкий коэффициент трения при испытаниях на сухой поверхности, но значительно более высокий при трении в воде и на смоченной поверхности. Это объясняется тем, что тестовая резина содержит смачиваемый водой кремнекислотный наполнитель. Поэтому, благодаря дополнительной адгезионной составляющей, возникающей в результате смачивания двух поверхностей — абразивной поверхности и резины за счет воздействию кремнекислотного наполнителя, повышается коэффициент трения в жидкой среде.

Рисунок 3 - Зависимость коэффициента трения от контактного давления на образец тестовой резины:

1 - в воде,

2 - на смоченной поверхности,

3 - на сухой поверхности

20 30 40 50 60 70

Установлено, что истираемость в условиях сухого трения на порядок выше, чем в воде и на смоченной поверхности (рис. 4). При этом корреляция между коэффициентом трения и истираемостью в среде жидкости выражена в существенно меньшей степени, чем при испытаниях на воздухе. Как показали исследования, причиной подобной аномалии является чрезвычайно сильное влияние воды в зоне контакта на окислительную деструкцию эластомера. Наличие воды, с одной стороны, затрудняет диффузию кислорода в области интенсивного разрушения резины при истирании, а, с другой стороны, резко снижает температуру в зоне контакта, уменьшая скорость термоокисления и способствуя сохранению прочностных характеристик эластомера.

Рисунок 4 - Зависимость истираемости резины от контактного давления:

1 - в воде,

2 - на смоченной поверхности,

3 — на сухой поверхности

Для подтверждения этого эффекта была специально изготовлена резина на основе 100 % СКИ-3, которую подвергли аналогичным испытаниям.

Как известно, одной из основных причин усиления окислительной деструкции резин является высокая температура. При фрикционном взаимодействии в области контакта за счет сил трения происходит интенсивный разогрев материала и так называемый «термоудар» - резкое повышение температуры в контактной паре. Для выяснения возможности возникновения таких процессов была произведена оценка температуры образцов исследуемых резин на. расстоянии 5 мм от пятна контакта, как показано на рис. 5, согласно специально разработанным методикам.

Как показали результаты испытаний, при фрикционном взаимодействии образца с контртелом происходит интенсивный разогрев материала вследствие резкого повышения температуры в пятне контакта, что наглядно демонстрирует рис. 6.

Согласно полученным данным, при испытаниях образцов резин в воде и на поверхности, покрытой слоем воды, разогрев материала не отмечается. Это можно связать с интенсивным теплообменом, происходящим при взаимодействии материала с турбулентным потоком теплоносителя постоянной температуры с высокой удельной

теплоемкостью. Кроме того, как отмечалось ранее, в данном случае вода играет роль смазки. Исходя из этого, износостойкость резин оказалась на довольно высоком уровне.

Рисунок 5 - Крепление для определения сопротивления

истиранию резины при трении скольжения и разогрева материала.

1 — корпус зажима;

2 — образец;

3 — термопара

О 200 400 600 800 С

Для того чтобы приближенно оценить температуру резины непосредственно в области фрикционного взаимодействия, было проведено численное моделирование

9

При истирании резин на воздухе, особенно при высоких контактных давлениях происходит сильный разогрев и интенсивное разрушение материала. Стоит заметить, что зависимости 6 сняты на расстоянии 5 мм от пятна контакта, поэтому можно полагать, что температура материала в пятне контакта еще выше.

1

Рисунок 6 - Зависимость температуры материала от времени испытания при контактном давлении, равном 90 кПа:

1 — резина на основе СКИ-3;

2 — резина на основе ДССК + СКД;

3 — испытания резин в воде и на поверхности, покрытой слоем воды.

распределения температуры в образце путем решения одномерного уравнения теплопроводности:

дТ д2Т , ч — - а—- + г(х) dt дх2 v'

(i)

определяли

где ОС - коэффициент температуропроводности, который экспериментально; г(х) - функция внутренних источников тепла.

Функцию г(х) с учетом особенностей фрикционного контакта выбрали в виде г(х) = b0 ехр(- (х + х0 )), b0, Ь{, х0 где - параметры. В качестве граничных условий использовали зависимости температуры от времени Г (У) -Т0 + Т[ (] - ехр(- ktj) - на границе фрикционного контакта и Т = Т0 - на

свободной границе, где к - параметр, определяющий скорость установления стационарных условий трения.

Уравнение (1) решали численно методом сеток по неявной итерационной схеме. Параметры для функций и вычисляли методом наименьших квадратов из условия наилучшего соответствия теоретических и экспериментальных зависимостей температуры от времени в точке, где был помещен датчик измерения температуры. На рис. 7 приведен пример сравнения расчетных и экспериментальных значений температуры для одной из резин. Как видно, наблюдается удовлетворительное соответствие с экспериментальными данными с учетом сделанных приближений.

Рисунок 7 - Сравнение экспериментальных и расчетных зависимостей температуры от времени испытания для резины на основе СКИ-3 при контактном давлении, равном 21,5 кПа

На основании рассчитанных распределений температуры в образце, пример которого показан на рис. 8, можно оценить температуру образца непосредственно в контактной зоне. Согласно проведенным расчетам в зависимости от типа резины и контактного давления она приблизительно на 10-30 градусов превышает температуру,

10

измеряемую датчиком. Эти оценки хорошо согласуются также с результатами физического моделирования, при котором испытываемый образец подвергался нагреванию с одного конца регулируемым источником тепла небольшой мощности таким образом, чтобы обеспечить зависимость температуры от времени в точке измерения, близкую к соответствующей зависимости, получаемой при испытаниях на истирание.

Рисунок 8 - Распределение температуры в образце резины на основе СКИ-3 при контактном давлении, равном 21,5 кПа.

Особо следует отметить зависимость температуры резины на основе СКИ-3 от времени испытания при относительно большом контактном давлении (рис. 6). В данном случае температура вначале повышается, достигая некоторого максимума, а затем начинает снижаться, показывая тем самым «остывание» материала при интенсивном фрикционном взаимодействии, что в рамках рассматриваемой теоретической модели невозможно. Анализ подвергнутых испытанию образцов показал, что причиной аномального изменения температуры является «осмоление» резины - образование липкой пленки на абразивной поверхности по траектории движении образца. Это можно объяснить присутствием в резине легко окисляющегося при высокой температуре каучука СКИ-3. Таким образом, образовавшаяся на поверхности абразивного диска пленка из окисленного и деструктированного каучука способствовала снижению коэффициента трения, а, следовательно, и теплообразованию, вызываемому силами трения.

В результате рассмотрения микрофотографий поверхности резины на основе СКИ-3 подвергнутой истиранию (рис. 9), можно сделать вывод, что в рассмотренном диапазоне контактных давлений характерен износ посредством «скатывания», определенный за счет образования поперечных складок и борозд, переходящих в «скатки», а, как известно, одной из причин возникновения данного вида износа является окисление граничного слоя материала.

11

Рисунок 10 - Фотография поверхности подвергнутого

истиранию образца резины резин на основе ДССК + СКД

Рисунок 9 - Фотография поверхности подвергнутого истиранию образца резины на основе СКИ-3 (увеличено).

Характер подвергнутой истиранию поверхности такой резины (рис. 9) существенно отличается от практически одинаковых поверхностей для резин на основе ДССК + СКД (наполнитель ТУ) и ДССК + СКД (кремнекислотный наполнитель) (рис. 10). Это показывает то, что для этих резин в рассмотренном диапазоне контактных давлений характерен абразивный износ с образованием параллельных гребней, расположенных под прямым углом к направлению движения и называемых «рисунком истирания» или «рисунком Шалламаха».

После испытания истертый материал резины на основе СКИ-3 был собран и исследован на предмет окисления тремя способами: методом ИК-спектроскопии, по расходу антиоксиданта с привлечением метода УФ-спектроскопии и по степени набухания в растворителях.

Как показали исследования, окисление каучука происходит при всех рассмотренных видах испытаний, но в различной степени. Наибольшая концентрация антиоксиданта выявлена в образцах резины, подвергавшихся истиранию в воде, а наименьшая - в образцах резины, подвергавшихся истиранию на воздухе. Это говорит

о том, что при истирании на воздухе происходит более интенсивное окисление материала, что хорошо согласуется с выдвинутыми ранее предположениями.

Таким образом, среда эксплуатации и тип контактного взаимодействия оказывают самое непосредственное влияние, как на фрикционное взаимодействие, так и на скорость износа материала.

Исследованы зависимости сопротивления качению от нагрузки на образец и вида среды в зоне контакта при трении качения с варьируемым углом увода. Анализ экспериментальных данных проводился методом компьютерного моделирования качения образца по твердой поверхности с заданным углом увода. На основании расчетов определено напряженно-деформированное состояние испытуемого образца при различных углах увода и коэффициентах трения с опорной поверхностью.

Ниже представлены результаты испытаний эталонной резины на сухой поверхности (рис. 11) и на поверхности, покрытой слоем воды (смоченной поверхности) (рис. 12). Как видно из рис. 11, на сухой поверхности при увеличении угла увода существенно возрастает сопротивление качению. При этом для малых углов увода кривые зависимости коэффициента сопротивления качению от нагрузки практически прямолинейны в отличие от аналогичных зависимостей, полученных на поверхности, покрытой слоем воды (рис. 12).

Рисунок 11 - Зависимость коэффициента сопротивления

качению от нагрузки на образец эталонной резины на сухой поверхности: 1 - угол увода 0°, 2-угол увода 5°, 3 - угол увода 10°.

4 5 6 7

1 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Л', Н

На рис. 13 схематично изображено взаимодействие катящегося образца с поверхностью покрытой пленкой воды. В данном случае при небольших нагрузках N возникающая в процессе движения передняя волна создает некую подъемную силу, большую и противодействующую Ы, за счет чего при определенных значениях происходит отрыв образца от абразивной поверхности и скольжение по пленке воды, то есть имеет место так называемое «аквапланирование».

Рисунок 12 - Зависимость коэффициента сопротивления

качению от нагрузки на образец эталонной резины на смоченной поверхности:

1 — угол увода 0°,

2 - угол увода 5°,

3 - угол увода 10°.

При увеличении нагрузки N пленка воды под образцом начинает разрушаться и вытесняться из пятна контакта, что приводит к погружению образца в слой воды и турбулизация данного слоя. Теперь, помимо сопротивления качению, возникающему при контакте образца с поверхностью абразивного диска, возникает сопротивление передней волне и дополнительное сопротивление за счет обтекания образца -образование боковой волны (рис. 13,14). Этим можно объяснить резкое увеличение сопротивления качению.

Для исследования влияния коэффициента трения при качении было проведено моделирование экспериментов при различных коэффициентах сцепления колеса с опорной поверхностью, а также при движении с уводом.

исунок 13 - Схема движения бразца в слое жидкости

Рисунок 14 - Движение образца в слое жидкости с уводом

В ходе численного эксперимента были спроектированы геометрические модели образца - резинового колеса с различными коэффициентами сцепления с опорной поверхностью: 0,5, 0,1, 0,01. Эксперимент проводился в двух режимах: без боковой силы и с боковой силой. В процессе вычислительного эксперимента к колесу, вращающемуся с заданной угловой скоростью, прикладывалась нормальная нагрузка путем задания нормальной силы к опорной поверхности. При моделировании качения с уводом, помимо нормального усилия, прикладывался также поворачивающий момент к оси колеса (рис. 15).

Рисунок 15 - Распределение компонента тензора деформации при коэффициенте сцепления 0.01 в сечении колеса в различные моменты времени действия нормальной силы при движении с уводом (по оси х) Анализ полученных данных показал, что характер влияния коэффициента сцепления на распределение деформации в зоне контакта при движении с уводом практически такой же, как и при движении без увода. Однако можно заметить, что при движении с уводом существенно изменяется нормальная компонента тензора деформации (рис. 15), особенно на выходе колеса из зоны контакта. Эти зависимости

15

характерны для малых коэффициентов сцепления. Отсюда можно сделать вывод, что при движении с уводом скольжение колеса при выходе из зоны контакта возрастает.

Таким образом, результаты численного моделирования позволяют оценить роль коэффициента сцепления при качении колеса в зависимости от наличия или отсутствия увода к направлению движения. Эти данные можно сопоставить с результатами экспериментов, выполненных на реальных образцах при качении на сухой и смоченной поверхности. В частности, можно понять причину сдвига перегиба на кривых на рисунке 12 в сторону меньших нормальных давлений с увеличением угла увода. Если при больших значениях коэффициента сцепления кривые деформации в зоне контакта при движении без увода и с уводом практически одинаковы, то при малых значениях коэффициента сцепления на выходе из зоны контакта наблюдается существенное проскальзывание. Это и является причиной изменения режима качения колеса при меньших нормальных усилиях.

Таким образом, в результате проделанной работы было установлено влияние жидкой среды на фрикционные свойства резин при скольжении и качении с варьируемым углом увода. Показано, что состав резины влияет на эти показатели. Поэтому предлагаемая нами методика оценки фрикционных свойств резин в разных условиях контакта актуальна и показала свою эффективность. Она может быть использована для оптимизации фрикционных свойств резин на стадии разработки рецептур и проектирования любого резинотехнического изделия, в том числе и автомобильной шины.

В четвертой главе диссертации изложена методика многокритериальной оптимизации составов резин. Необходимость в создании данной методики была вызвана тем, что обычные методы нахождения условного экстремума в данном случае оказываются малоэффективными из-за того, что функции отклика, представляющие интерес в данной задаче, практически противоположным образом зависят от состава композиции: рецептурные факторы, приводящие к увеличению коэффициента трения, как правило, приводят к снижению истираемости и наоборот. Поэтому с самого начала оптимизации движение по градиенту «зацикливается».

В основу методики положены некоторые эвристические принципы, используемые инженерами-технологами в практике рецептуростроения резин в подобных ситуациях: 1) преимущественный выбор последовательного планирования эксперимента перед априорным; 2) выбор начальной точки не с точки зрения критерия оптимальности, а с точки зрения ограничений на независимые переменные.

Задача практического планирования эксперимента по оптимизации состава смеси состоит обычно не в том, чтобы на основании опытов восстановить

зависимости // и далее найти экстремум одной из этих функций, наложив ограничения на остальные, а в том, чтобы найти такой состав композиции, при котором все показатели У\ лежали бы в заданных интервалах

Уп<У1<Уп- . О)

В общем случае этому требованию удовлетворяет множество составов О, из которого на практике достаточно найти хотя бы одну точку ха'т ейсХ. Если задача не имеет решения, множество О окажется пустым. Поиск решения проводится путем последовательных измерений значений функций , которые осуществляются с ошибками, в разных точках множества X. Стратегия эксперимента (последовательный планирование) состоит в том, чтобы построить такую

последовательность точек х' а X, (/ = 1,2,...), которая приводила бы в область £2.

Сама идея методики заключается в организации серии одномерных движений в факторном пространстве по линиям, представляющим собой линейные комбинации независимых переменных. Направление линий определяется положением точек локальных экстремумов для разных функций отклика. В частности, если мы

I »

собираемся двигаться из точки X в точку х/ по прямой, то это означает, что мы должны изменять концентрации компонентов пропорционально координатам вектора, соединяющего данные точки, то есть по правилу

х'+1 = х' + - х1), (г = 1,2,...), где а! - величина шага на ;'-ой итерации.

При этом на каждом шаге измеряется расстояние между положением текущей точки поиска и координатами остальных точек

= (2)

В тот момент, когда становится очевидно, что ресурсы улучшения первого целевого свойства без существенного ухудшения остальных свойств исчерпаны, о чем может свидетельствовать или существенное ухудшение остальных показателей, или же значительное удаление от точки, которую предполагается выбрать в качестве следующей целевой, поиск по первому показателю можно прекратить, выбрать

следующую целевую точку и повторить процедуру, начиная с первого из вышеизложенных принципов.

С применением разработанной методики проведена оптимизация рецептуры конкретного изделия - эластичных подошв для специальной водолазной обуви, предназначенной для эксплуатации в доках и на твердых грунтах. Основным требованием к такой композиции является, в отличие от обычных подошвенных резин, высокая плотность, что позволяет обеспечить подошве заданный вес при минимальном объеме, и таким образом создать удобства для работы водолаза. Вместе с тем специфика условий эксплуатации обуви предъявляет дополнительное требование повышенной стойкости к износу в среде воды.

В силу того, что каучук имеет низкую плотность, практически единственным способом создания резин с высокой плотностью является применение в составе смеси в больших дозировках неорганических наполнителей, имеющих высокую плотность. Эти наполнители имеют низкую дисперсность, что не обеспечивает износостойкости резин. Кроме того, для достижения нужного уровня технологических свойств необходимы дополнительные рецептурные приемы, следствием которых является еще большее ухудшение стойкости резин к износу. Таким образом, просматривается постановка задачи для планирования эксперимента. Вместе с тем, если использовать традиционные схемы планирования, то, учитывая, что на представляющие интерес свойства - плотность и износостойкость - оказывают существенное влияние не менее 5 входящих в состав смеси ингредиентов, количество опытов, необходимых даже для постановки линейного плана, превышает разумные пределы. В этой связи была использована вышеизложенная схема планирования на линейных комбинациях факторов.

На рис. 13 представлены полученные в результате эксперимента зависимости истираемости композиции в среде воды от номера итерации при движении по выбранному направлению линейной комбинации факторов (условно обозначенному смесь Б).

Доля смеси Б

Рисунок 13 - Зависимость истираемости композиции от номера итерации при движении по линейной комбинации факторов

Как видно, истираемость уменьшается в значительно большей ме;ре по сравнению с аддитивной зависимостью и достаточно хорошо аппроксимируется показательной функцией. По согласованию с конечным потребителем, ограничения на плотность композиции составляют 3000 кг/м3, что соответствует относительному значению координаты точки условного экстремума на линейной комбинации факторов, равной 0.34. На основании аппроксимирующей функции для зависимости истираемости была рассчитана оценка улучшения стойкости к истиранию, составившая 62 %, что было признано удовлетворительным. Далее была проведена оптимизация технологических параметров процесса изготовления смеси с высокой плотностью.

Таким образом, созданная методика позволяет решать задачи многокритериальной оптимизации рецептурно-технологических параметров изготовления эластомерных композиций, предназначенных для эксплуатации в условиях фрикционного контакта в среде жидкости.

Пятая глава диссертации посвящена разработке методики создания геометрического профиля поверхности изделий на основе эластомерных композитов, эксплуатирующихся в условиях фрикционного контакта в среде воды. Данная методика предусматривает следующие стадии проектирования изделия:

1. На основании предварительного анализа напряженно-деформированного состояния проектируемого изделия определяется рабочий диапазон условий фрикционного контакта (давления, скорости скольжения или качения, углы увода) и дополнительные требования к материалу изделия (физико-механические показатели, плотность и др.).

2. С использованием установки для исследования фрикционных свойств резин в жидкой среде проводится многокритериальная оптимизация состава композиции в заданном рабочем диапазоне условий контакта и дополнительных требований.

3. Проводится анализ напряженно-деформированного состояния изделия для выбранного состава композиции с целью оптимизации его геометрических параметров. При этом форма конструктивных элементов, работающих в зоне контакта в жидкой среде, изменяется таким образом, чтобы увеличить контактное давление в тех областях, где оно имеет значения ниже соответствующего точке перегиба на кривых зависимостей /л{Р), и снизить в тех областях, где оно имеет значения, существенно большие точки сближения кривых мокрого и сухого трения.

В качестве примера использования данной методики были выбраны подошва для специальной водолазной обуви и всесезонная легковая шина, создание рисунка протектора которой также осуществляется с учетом особенностей фрикционного контакта в среде воды. Для оптимизации геометрической формы изделий производилось численное исследование напряженно-деформированного состояния и распределение контактных давлений при контакте с твердой поверхностью. Для этого были построены твердотельные модели исследуемых изделий, для которых на основании исследований, проведенных в предыдущих разделах диссертации, были заданы необходимые физико-механические свойства. Расчет напряженно-деформированного состояния и контактной задачи производились численно методом конечных элементов. Дня водолазной подошвы в качестве рабочих параметров изделия были изучены нормальная нагрузка и угол атаки подошвы. Для шины в качестве таких параметров были изучены нормальная нагрузка, боковая нагрузка и угол поворота.

На основании проведенных расчетов определены варианты конструктивных изменений элементов рисунков протектора подошвы и шины, обеспечивающие улучшение эксплуатационных качеств изделий — увеличение коэффициента сцепления изделия с контактируемой поверхностью в жидкой среде при снижении скорости износа в областях концентрации контактных давлений.

Результаты испытаний опытных изделий подтвердили положительный эффект от предложенных конструкторско-технологических решений.

Заключение

1. На основании исследования фрикционных свойств эластомерных композитов при контакте с твердой поверхностью в среде воды разработана методика оптимизации конструктивно-технологических параметров изготовления изделий, работающих в условиях фрикционного контакта в жидких средах.

2. Создана экспериментальная установка, с использованием которой определены закономерности влияния состава резин на зависимости коэффициента трения от контактного давления и коэффициента сопротивления качению от силы нормального давления при различных углах увода при движении в среде воды и на смоченной водой поверхности.

3. Установлено, что зависимость коэффициента трения скольжения от нормального давления в присутствии воды, в отличие от сухого трения, имеет Б-образный характер. Интенсивность перехода от низкого к высокому коэффициенту трения с увеличением давления снижается с уменьшением толщины пленки воды и при аэрации поверхности.

4. Показано, что наиболее существенным фактором, обеспечивающим качественное снижение истираемости в присутствии воды, является понижение температуры в зоне контакта.

5. Выявлено, что наличие в составе резины кремнекислотного наполнителя обеспечивает в присутствии воды более высокий коэффициент сцепления с поверхностью контртела, чем на воздухе.

6. Показано, что при качении с уводом у поверхности, покрытой слоем воды, с увеличением угла увода переход от режима с низким сопротивлением качению к режиму с высоким сопротивлением качению становится менее резким, однако при этом существенно повышается уровень сопротивления качению.

7. Разработана методика многокритериальной оптимизации рецептурно-технологических параметров резин, с использованием которой решены задачи выбора состава и технологии изготовления резин с повышенной плотностью и стойкостью к истиранию в среде воды.

8. Предложена методика создания геометрического профиля поверхности изделий на основе эластомерных композитов, эксплуатирующихся в условиях фрикционного контакта в среде воды.

Основные положения диссертационной работы изложены в следующих

публикациях:

1. Власов, В.В. Методика оценки фрикционных свойств резин в жидкой среде / В.В.

Власов, М.Е. Соловьев // Каучук и резина. - 2011. - № 4. - С. 26

2. Власов, В.В. Планы линейных комбинаций факторов при оптимизации состава

многокомпонентных смесей / В.В. Власов, М.Е. Соловьев, С.В. Усачев // Каучук и резина. - 2011. - № 2. - С. 25

3. Власов, В.В Определение фрикционных свойств резин в жидкой среде /В.В.

Власов, М.Е. Соловьев // Известия вузов. Сер. Химия и хим. технология. - 2011. -Т. 54, № ю.-С. 130-131.

4. Власов, В.В Повышение прочностных и фрикционных свойств резин, обладающих

высокой плотностью / В.В. Власов, М.Е. Соловьев // Известия вузов. Сер. Химия и хим. технология. - 2011. - Т. 54, № 11. - С. 113-115.

5. Власов, В.В. Автоматизация подготовки конструкторской документации при

проектировании радиальных шин / В.В. Власов, М.Е. Соловьев // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-20: Сб. трудов XX Межд. науч. конф. -Ярославль: Изд-во ЯГТУ, 2007. - Т. 6. - С. 65-67.

6. Власов, В.В. Расчет напряженно-деформированного состояния в зоне контакта

шашки протектора шины с дорогой / В.В Власов, М.Е. Соловьев // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-21: сб. трудов 21 Межд. науч. конф. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2008. - Т. 6. - С 92-93.

7. Власов, В.В. Исследование напряженно-деформированного состояния в зоне

контакта шашки протектора легкогрузовой шины с дорогой / В.В. Власов, М.Е. Соловьев // Полимерные композиционные материалы и покрытия: материалы III Межд. науч.- технич. конф. - Ярославль: Изд-во ЯГТУ, 2008. - С. 535-538.

8. Власов В.В. Разработка и исследование свойств резин, обладающих высокой

плотностью и стойкостью к истиранию // Проблемы шин и резинокордных композитов: материалы 20 симпозиума. - М.: НИИШП, 2009. - Т. 1. - С.128-135.

9. Власов, В.В. Методика оценки истираемости резин в жидкой среде / В.В Власов,

М.Е. Соловьев // Каучук и резина 2010: тез. докл. II Всерос. науч.-техн. конф. -М., 2010.-С. 119-120

10. Власов, В.В Метод многокритериальной оптимизации состава резин / В.В. Власов,

М.Е. Соловьев // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-23: сб. трудов 23 Межд. науч. конф. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2010. - Т.9. - С. 33-35.

11. Власов, B.B. Исследование сцепных свойств резин в жидкой среде // Проблемы шин и резинокордных композитов: материалы 21 симпозиума. - М.: НИИШП, 2010.-Т. 1.-С. 92-95.

12. Власов, В.В. Определения сцепных свойств резин в условиях сухого трения и трения в жидкой среде / В.В. Власов, М.Е. Соловьев, A.A. Воробьев // Эластомеры: материалы, технология, оборудование, изделия: тез. докл. V Юбилейной Украинской межд. науч.-техн. конф. - Днепропетровск, 2010. - С. 101.

13. Власов, В.В. Исследование влияния жидкости на фрикционное взаимодействие резин с абразивной поверхностью // Проблемы шин и резинокордных композитов: Материалы 22 симпозиума.-М.: НИИШП, 2011.-Т. 1.-С. 77-83.

14. Пат. 2372138 Российская Федерация, МПК B01F 9/08. Смеситель сыпучих материалов / А. И. Зайцев, А. Е. Лебедев, А. Б. Капранова, В. В. Власов. - Опубл. 10. 11.09, Бюл.№ 31.

15. Пат. 2372975 Российская Федерация, МПК B01F 3/18. Агрегат для смешения и уплотнения сыпучих материалов / А. И. Зайцев, А. Е. Лебедев, А. Б. Капранова, В.В. Власов. - Опубл. 20.11.09, Бюл. № 32.

16. Власов, В.В. Исследование влияния жидкости на сопротивление качению резин / В.В. Власов, М.Е. Соловьев, Д.В. Тимофеев // Проблемы шин и резинокордных композитов: материалы 23 симпозиума. - М.: ООО «НТЦ «НИИШП», 2012. -Т. 1,-С. 79-84

Подписано в печать 25.04.2013 г. Печ. л. 1. Заказ 475. Тираж 100. Отпечатано в типографии Ярославского государственного технического университета г. Ярославль, ул. Советская, 14 а, тел. 30-56-63.

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ярославский государственный технический университет»

На правах~р^к$писи

04201357344

Власов Валерий Владимирович

Фрикционное взаимодействие эластомерных композитов с твердой поверхностью в присутствии воды

05.17.06 - Технология и переработка полимеров и композитов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор физико-математических наук, профессор М. Е. Соловьев

Москва-2013

Оглавление

Введение.............................................................................................................4

1 Аналитический обзор.....................................................................................8

1.1 Виды износа резин и влияние различных факторов на износостойкость 8

1.2 Коэффициент трения и сцепление резин с различными поверхностями ..............................................................................................................................24

1.2.1 Сцепление шины с сухими твердыми шероховатыми покрытиями....25

1.2.2 Сцепление шин с мокрыми твердыми дорожными покрытиями.........27

1.2.3 Эффект аквапланирования шины............................................................29

1.3 Анализ причин отказов и факторов, определяющих ресурс цельнометаллокордных шин.............................................................................31

1.4 Постановка задачи исследования...............................................................33

2 Объекты исследования и методики проведения экспериментов и расчетов..................................................................................................................35

2.1 Объекты исследования................................................................................35

2.2 Методы исследования..................................................................................36

2.2.1 Методы изготовления и испытания резин..........................................36

2.2.2 Методы определения фрикционных свойств резин...........................37

2.2.3 Определение теплофизических характеристик резин........................46

3 Исследование фрикционных свойств резин..............................................53

3.1 Исследование фрикционных свойств резин в условиях трения скольжения..........................................................................................................53

3.2 Исследование фрикционных свойств резин в условиях трения качения ..............................................................................................................................70

3.3 Моделирование напряженно-деформированного состояния резинового образца при качении..........................................................................................73

3.3.1 Методика создания геометрической модели образца в виде колеса и проведения расчетов для исследования трения качения в программе Impact...............................................................................................................74

3.3.2 Исследование влияния коэффициента сцепления при трении качения на характер распределения деформации и напряжения без бокового усилия..............................................................................................83

3.3.3 Исследование влияния коэффициента сцепления при качении на характер распределения деформации при движении с уводом................88

4. Оптимизация рецептурно-технологических параметров резиновых композиций с улучшенными фрикционными свойствами в присутствии воды .................................................................................................................................98

4.1 Методика многокритериальной оптимизации состава резин..................98

4.2. Разработка состава эластомерной композиции для эластичных подошв специальной водолазной обуви......................................................................104

5. Разработка методики создания изделий на основе эластомерных композитов, эксплуатирующихся в условиях фрикционного контакта в среде воды.......................................................................................................................117

5.1 Общие принципы проектирования...........................................................117

5.2 Совершенствование конструкции контактной поверхности резиновых изделий..............................................................................................................119

Выводы по работе..........................................................................................126

Список использованных источников...........................................................128

Приложение А................................................................................................139

Введение

Важнейшее значение для перспектив развития российской промышленности переработки эластомеров имеют два вопроса: повышение ее технического уровня и сокращение отставания от передовых стран мира. Технический уровень производства, т.е. непрерывная ориентация на новейшие достижения технического прогресса, способность его быстро реагировать на все запросы рынка и социальные требования государства, имеет несравненно большее значение, чем количественный рост объема производимой продукции [1]. Существенной для оценки технического уровня является производительность основных видов технологического оборудования и сокращение затрат живого труда на всех этапах производства, что, в конечном счете, находит отражение в таком обобщающем показателе как производительность труда. В связи с резко возросшим за последние десятилетие уровнем автоматизации и компьютеризации технологического оборудования, в том числе и в резиновой промышленности, происходит постепенное обновление основных фондов [2,3], что обеспечивает высокую гибкость производства, отражающую возможность оперативно подстраиваться под постоянно растущие требования конечного потребителя к качеству выпускаемой продукции. Это практически невозможно без использования современных методик прогнозирования параметров качества конечного продукта [4,5].

Износ резинотехнических изделий и шин является одним из наиболее распространенных факторов выхода их из эксплуатации [6]. Скорость и характер износа напрямую зависят от условий и среды, в которой используется то или иное изделие. Несмотря на большое количество работ, посвященных износу, на сегодняшний день существуют лишь основные принцыпы и закономерности, которыми пользуются производители резинотехнических изделий и шин [7].

В настоящее время, как впрочем и 30 лет назад, испытания резин на износостойкость проводят, в основном, на машинах типа «МИР», «ГРАССЕЛИ», «ШОППЕР» [8], принцип работы которых состоит в измерении потери массы образца в условиях сухого трения на возобновляемой поверхности. В реальности сухое трение достигается не всегда и не везде [9]. Большинство резинотехнических изделий эксплуатируется в жидкой среде. 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. В результате невозможно с достаточной точностью спрогнозировать износоустойчивость и сцепные свойства того или иного изделия в условиях эксплуатации [10].

Целью настоящей работы явилось изучение влияния жидкой среды и типа контактного взаимодействия на фрикционные свойства резин и создание научно обоснованной методики оптимизации конструкторско-технологических параметров производства изделий на основе эластомерных композитов, работающих в условиях фрикционного контакта в среде воды.

Для достижения поставленной цели в процессе выполнения диссертационной работы решались 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 конструкции 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 Б-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 кремнийорганических 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.

Практическая значимость состоит в создании методики оценки фрикционных свойств резин, эксплуатирующихся в среде жидкости, непосредственно пригодная 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 изделий, обеспечивающие существенное улучшение их эксплуатационных свойств. Положительный эффект подтвержден результатами эксплуатационных испытаний изделий.

Материалы, изложенные в диссертационной работе, опубликованы в работах [11, 12, 13, 14 ,15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25] и доложены на конференциях:

- 20 международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-20» - Ярославль, 2005;

- 3 международной научно-технической конференции «Полимерные композиционные материалы, и покрытия» - Ярославль, 2008;

- 20 симпозиуме НИИШП «Проблемы шин и резинокордных композитов» - Москва, 2009, 2012;

- 2 Всероссийской научно - технической конференции «Каучук и резина 2010» - Москва, 2010;

1 Аналитический обзор

1.1 Виды износа резин и влияние различных факторов на износостойкость

Трение и износ являются важнейшими характеристиками любых материалов, в том числе и резин, определяющими во многих случаях их эксплуатационную ценность [26,27,28].

Силой трения называется сопротивление тангенциальному перемещению, возникающее в плоскости касания двух тел, сжимаемых нормальной нагрузкой.

Тангенциальная сила или сила трения Р приблизительно равна:

Р = (1.1)

где Р — нагрузка;

// —коэффициент трения.

Зависимость (1.1) носит название основного закона трения [29]. Его приближенность проявляется в том, что коэффициент ¡л фактически зависит от нагрузки и скорости скольжения. Для резин при контакте с твердыми телами увеличение Р приводит к уменьшению ¡л ; с возрастанием скорости скольжения /.г изменяется по экстремальной кривой, положение максимума которой зависит от шероховатости поверхности. Чем больше шероховатость, тем более высоким значениям скоростей соответствует положение максимума [30, 31]. Аналогично изменяется ¡и и с повышением температуры, причем положение максимума зависит от скорости скольжения (с повышением скорости он сдвигается в область более высоких температур).

К резинам применим принцип температурно - временной суперпозиции. Это дает основание считать, что в достаточно широком

интервале скоростей и температур трению присущ единый релаксационный механизм [32,33, 34].

Разрушение поверхностного слоя резины при трении, возникающем при скольжении ее по поверхности контртела, называется истиранием или износом. Износ характеризуется обычно массовыми или объемными потерями материала при истирании, отнесенными к затраченному времени (интенсивность износа) или к затраченной работе (удельная истираемость). Величина, обратная истираемости, называется износостойкостью. Показатель износа данной резины и соотношение этих показателей для разных резин зависит, прежде всего, от механических и физико-химических свойств резин, условий испытания или эксплуатации, конструкции изделий [35].

Износ - явление значительно более сложное, чем внешнее трение - он представляет собой результат совокупности физико-химических процессов, протекающих на поверхности трения и в граничных слоях полимера [36].

В зависимости от механизма процесса истирания различают три вида износа: усталостный, абразивный и износ посредством «скатывания» [37]. При трении резины по твердым шероховатым поверхностям из-за уменьшения площади фактического контакта роль адгезионной составляющей снижается и возрастает влияние деформационной составляющей силы трения [38].

Усталостный износ является основным видом износа при эксплуатации многих резиновых изделий. Вследствие неровностей в поверхностном слое резины в точках контакта возникают местные напряжения и деформации, которые, из-за проскальзывания трущихся поверхностей носят многократный характер и вызывают усталостное разрушение резины. Поэтому важнейшей характеристикой резины, определяющей ее износостойкость при усталостном износе, является выносливость при многократных деформациях [39, 40]. Этот вид износа реализуется при сравнительно небольшой силе трения между резиной и истирающей поверхностью и невысоких контактных напряжениях.

Усталостный износ может быть воспроизведен, в частности, при скольжении резины по поверхности с тупыми выступами (например, по металлической сетке).

Абразивный и износ посредством «скатывания» являются наиболее интенсивными видами износа, возникающими в основном в результате механического повреждения и разрушения поверхности материала.

Абразивный износ представляет собой однократное микрорезание или микрораздир и поэтому определяется в основном прочностными свойствами и жесткостью каучука [41]. Он реализуется при шероховатой поверхности контртела и высоком значении мощности трения.

Интенсивность абразивного износа и истираемость зависят от условий истирания. Эти показатели в значительной степени возрастают с увеличением скорости скольжения, температуры и размера зерен абразивного материала [42].

Р-г

1 = К— (1.2)

Е

Интенсивность абразивного износа, согласно формуле (1.2), пропорциональна давлению Р независимо от типа испытуемого материала и обратно пропорциональна твердости или модулю упругости материала Е, прямо пропорциональна радиусу кривизны абразивной частицы г. Механические свойства резины учитываются константой К, которая показывает число проходов абразива для отрыва частиц резины.

При постоянных нормальной нагрузке и скорости скольжения истираемость при абразивном износе на машине МИ-2 с уменьшением коэффициента трения и увеличением прочности и эластичности резины понижается [43, 44]. При трении по твердым поверхностям в условиях местного тепловыделения в основном наблюдается усталостный износ.

Износ посредством «скатывания» осуществляется по относительно гладким поверхностям контртела и высокой мощности трения. Зависимость износостойкости р от свойств резин описывается уравнением (1.3):

где Н— характеристическая энергия раздира;

Жр— среднее значение удельной энергии растяжения;

Р — нагрузка;

Э - эластичность резины (по ГОСТ 6950—73);

8 — относительное удлинение; г — радиус скатки;

а и Ь — толщина и ширина отделяемого «лоскута» резины соответственно.

Из уравнения (1.3) следует, что при износе посредством «скатывания» износостойкость увеличивается в основном с повышением энергии раздира и разрыва. В меньшей степени она зависит также от модуля упругости и эластичности. С увеличением жесткости резины износ уменьшается. Однако считать этот вид износа только механическим процессом нельзя. Установлено, что образование «скаток» в значительной степени связано с деструкцией полимера. Данный вид износа следует рассматривать и как усталостный процесс, вследствие чего большое значение приобретает среда. На воздухе износ больше, чем в инертной среде, но для разных полимеров он различен; для насыщенных каучуков (например, бутилкаучук или уретановый) он почти не меняется, а для НК увеличивается примерно в 3 раза [45].

Таким образом, преимущественный механизм износа, а, следовательно, и его интенсивность, прежде всего, определяются мощн