автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Идентификация триботехнических характеристик металлополимерных трибосистем в активных водных средах

На правах рукописи

ВЛАСЕНКО Илья Борисович

ИДЕНТИФИКАЦИЯ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ ТРИБОСИСТЕМ В АКТИВНЫХ ВОДНЫХ СРЕДАХ

Специальность 05.02.04 - «Трение и износ в машинах»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 3 ноя 2014

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет» (ДГТУ) на кафедре «Технология конструкционных материалов» и в лаборатории «Машиностроение и высокие технологии» Южного научного центра Российской академии наук.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

каф. «Инструментальное производство» ФГБОУ ВПО ДГТУ Кохановский Вадим Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

зав. каф. «Транспортные машины и триботехника» ФГБОУ ВПО РГУПС Шаповалов Владимир Владимирович

кандидат технических наук, доцент, каф. «Технология машиностроения, технологические машины и оборудование»

ФГБОУ ВПО «ЮРГПУ (НПИ)» Бородай Александр Васильевич

Ведущее предприятие: «Южный федеральный университет» Институт математики, механики и компьютерных наук им. И.И. Воровича.

Защита состоится 30 декабря 2014 года в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.058.02 при ФГБОУ ВПО «Донской государственный технический университет» (ДГТУ) по адресу: 344000, г. Ростов - на - Дону, пл. Гагарина, 1, ауд. 252.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДГТУ и на сайте www.dstu.edu.ru.

Автореферат разослан 24 октября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

В.Э. Бурлакова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. Антифрикционные полимерные композиционные покрытия в опорных и уплотннтельных трибосистемах в настоящее время являются одним из наиболее эффективных самосмазывающихся материалов с высокой несущей способностью. Расширение области их применения представляется весьма перспективной задачей.

В современном машиностроительном производстве используется большое количество различных водных технологических жидкостей: моющих, смазочно-охлаждающнх, оксидировочных, для гальванических ванн, декапировки, травления и других. В этих средах работает целый ряд механизмов: насосов, смесителей, активаторов и др. Смазывание обычными смазочными материалами открытых трибосистем в этих условиях невозможно, а износ и протечки уплотнений позволяют активным средам проникать в зону трения закрытых узлов и разрушать смазочные материалы и сами подшипники. Самосмазывающиеся материалы в этих условиях обладают определенными преимуществами.

Однако использование фторопластсодержащих композиционных покрытий делает необходимым экспериментальную оценку ресурса их работы в активных водных средах, которые влияют на эксплуатационные характеристики покрытий. Износостойкость этих материалов необходимо учитывать даже несмотря на то, что после высыхания от ряда водных сред их свойства восстанавливаются, что имеет место при периодической работе агрегатов.

Таким образом, применение металлополимерных трибосистем с фторопластсодержащими композиционными покрытиями сдерживается отсутствием данных об их работоспособности в активных водных средах, которая определяется адгезией покрытий на субстрате и зазором трибосопряжения, состоящим из деформации ползучести и износа.

Изложенное подтверждает перспективность и актуальность развиваемых исследований и позволяет сформулировать их цель.

Целью исследований является расширение сферы использования металлополимерных трибосистем с композиционными покрытиями на основе установления рациональных условий и режимов их эксплуатации в активных водных средах. Выполнение поставленной цели требует решетя следующего комплекса задач.

1. Выявление основных закономерностей адгезии, изнашивания и ползучести полимерных покрытий при воздействии водных сред.

2. Определение состава и области рациональной эксплуатации рассматриваемых металлополимерных пар в водных средах.

3. Установление влияния водородного показателя водных сред на триботехнические параметры полимерных композитов.

4. Получение расчётных моделей для определения основных триботехнических характеристик металлополимерных трибосистем данного класса в новых условиях.

5. Апробация результатов выполненных исследований и разработок в промышленных условиях.

Объектом исследований являются процессу трения и изнашивания металлополимерных трибосистем.

Предмет исследований - триботехнические характеристики полимерных композиционных покрытий в активных водных средах.

Методологической основой экспериментальных исследований является моделирование состава и физико-химического влияния на металлополимерные трибосистемы активных водных сред набором буферных растворов с водородным показателем рН в диапазоне от 1,68 до 12,46.

Научные результаты, выносимые на защиту

1. Установление эффекта абсорбционного увеличения контактной жесткости полимерного композита в водных средах и определение его причины как роста упругой составляющей модуля, перекрывающее снижение его вязкой составляющей, вызванное локальным повышением напряжений.

2. Разработана и опробована оригинальная методика повышения точности параметрической идентификации наследственного ядра ползучести полимерного композиционного материала на основе разделения упругой и вязкой составляющих деформации.

3. Закономерности влияния активных водных сред на основные триботехнические характеристики металлополимерных пар трения с антифрикционными композиционными покрытиями: адгезионную прочность, вязкоупругие свойства, трение и изнашивание.

4. Комплекс расчетных моделей, позволяющих определить в зависимости от нагрузочно-скоростных режимов (а - контактные напряжения, МПа; V - скорость скольжения, м/с) и условий эксплуатации (рН) коэффициент трения, интенсивность изнашивания и ресурс металлополимерных трибосистем различного состава с композиционным покрытием разной структуры.

Научная новизна результатов исследований

1. Впервые выявлен эффект абсорбционного повышения жесткости фторопластсодержащих композитов в активных водных средах и определена причина их разрыхления вследствие повышения локальных напряжений внутри абсорбированных микровключений жидкости в матрицу композита.

2. Установлено нивелирующее действие высоких рабочих нагрузок (=100 МПа) на вязкоупругую составляющую зазора металлополимерной пары трения с полимерным покрытием, эксплуатируемую в кислых, нейтральных и щелочных водных средах.

3. Разработан комплекс расчетных моделей, позволяющий определить для металлополимерных трибосистем, эксплуатируемых в активных водных средах, в зависимости от нагрузочно-скоростных режимов и параметров водной среды коэффициент трения, интенсивность изнашивания и ресурс.

Практическая значимость работы

1. На основе экспериментальных исследований влияния активных водных сред на адгезию антифрикционных полимерных покрытий на стальном субстрате получена оценка их адгезионной прочности, лимитирующая верхний предел рабочих нагрузок.

2. Экспериментальные исследования вязкоупругих свойств покрытий в активных водных средах позволили установить область рабочих нагрузок, при которых жесткость покрытий повышается в результате капиллярного и диффузионного проникновения жидкой среды в матричное связующее, и нагрузки, блокирующие этот процесс и приводящие к разрыхлению композита из-за роста локальных напряжений.

3. Установлены следующие закономерности изменения триботехнических характеристик металлополимерных пар трения с композиционными покрытиями в активных водных средах:

- контактные напряжения оказывают значительно большее влияние на основные параметры трения, чем скорость скольжения;

- наиболее сильное влияние на износостойкость покрытий оказывает дистиллированная вода - среда с водородным показателем рН равным 7,0;

- интенсивность изнашивания и ресурс покрытий снижаются в водных средах в среднем на один класс и соответствуют 8-9 классам износостойкости.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности

В работе установлено и изучено физическое явление абсорбционного повышения жесткости полимерных композитов в водных средах, что соответствует пункту 1 области исследования «Механические, тепловые, химические, магнитные, электрические явления при трении»; установлены закономерности поверхностного разрушения покрытий в результате локального роста напряжений в зоне абсорбированных агрегатов воды, что соответствует пункту 3 «Закономерности различных видов изнашивания и поверхностного разрушения», сформирован комплекс регрессионных моделей параметров трения и изнашивания, что соответствует пункту 10 «Физическое и математическое моделирование трения и изнашивания» паспорту специальности 05.02.04 «Трение и износ в машинах».

Апробация н реализация результатов работы

Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ДГТУ в 2003 г. и 2011-2013г.; Юбилейной научно-технических конференции ДГТУ, 4.10.2012г.; Санкт-Петербургской конференции «Трибология и надежность» 11-13.09.2013; V международном симпозиуме «Транстрибо-2013»

10-11.10.2013 (Санкт-Петербург); IX Miedgynarodowej naukowi-praktycznej konferencji "Wschodnie partnerstwo - 2013" 07 - 15.11.2013 (Przemysl).

Публикации. По материалам исследований опубликовано 8 работ. Из них 5 статей (общий объем - 5,8 печатных листа, лично автором - 3,3) опубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 151 наименования и приложения. Общий объем работы составляет 140 страниц, 59 рисунков, 16 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована общая цель и задачи исследований.

В первой главе представлен аналитический обзор, включающий данные о составе и структуре антифрикционных полимерных композиционных покрытий, а также областях их применения.

Приведены отдельные результаты использования аналогичных исследуемым металлополимерных трибосистем в водных и других жидких средах. Установлено, что наибольшее физико-химическое влияние на полимерные покрытия оказывает вода, способная мигрировать непосредственно в композит, и блокировать адгезионные связи в области покрытие - субстрат.

Анализ литературных источников, с одной стороны, показал практически полное отсутствие систематических данных о влиянии воды и водных растворов на триботехнические параметры антифрикционных полимерных покрытий, с другой — позволил установить основные направления исследований: влияние водных сред на адгезию, ползучесть, трение и изнашивание полимерных композитов.

Во второй главе изложены результаты теоретических исследований, базирующиеся на численно-аналитических расчетах.

Основываясь на литературных данных и результатах предварительных экспериментов, была сформулирована рабочая гипотеза об абсорбционной природе повышения контактной жесткости полимерных покрытий и аналитически доказана ее непротиворечивость.

Корректное описание этого явления требует наряду с глобальной системой координат ввести локальную систему. Для этого вводятся уравнения движения конечноэлементной сетки, позволяющие на каждом шаге вычислять изменение объема жидкой полости.

Вычислительная техника для описания движущейся сетки называется методом Эйлера-Лагранжа (an arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) method). Подвижная сетка перемещается в двумерном пространстве.

Пространственные координаты в неподвижной системе обозначим (х, у), а референтные (X, У) координаты узлов сетки при их начальной,

недеформированной конфигурации. Референтная система как криволинейная система координат, соответствующая деформациям сетки, представлена на рис. 1.

В статическом случае для определения новых положений сетки решаются уравнения

д2Х д2Х дх1 + ду2

0; ^ + ^ = 0 дх1 ду2

(1)

в соответствии с которыми х,у удовлетворяют уравнениям Лапласа как функции х,у.

У,г ..у

хХ

а)

Ь)

Рис. 1 Пространственный и референтный фреймы: а) - недеформированная сетка - пространственный и референтный фреймы совпадают; б) - деформированная сетка.

В свою очередь, новые положения сетки х,у определяются из решения механической задачи

I+ ^ = 0; х е С1 хеЪ'

где а,, .

компоненты тензора напряжении.

(2)

Р, - компоненты вектора массовых сил в объеме тела 'Л (в нашей задаче отсутствуют),

п] - компоненты вектора нормали к границе области х, занятой материалом,

7) - компоненты вектора плотности поверхностных сил,

X - вектор координат произвольной точки области.

Для описания явлений, связанных с наличием жидких включений в структуре антифрикционного покрытия предлагается модель, содержащая одно эллипсоидальное включение (Рис.2). В условиях этого допущения целесообразно рассмотреть процесс в осесимметричной постановке.

Рис. 2 Расчетная модель с обозначением границ и областей

Для объяснение эффекта присутствия воды в антифрикционном покрытия достаточно принять значение сжимаемости постоянным и равным с„, = 4-Ю"ю Па"'. В связи с тем, что формулируемая задача является связанной, т.е. включает механическую подзадачу и задачу о движении сетки, для каждой области и границы будут приведены соответствующие уравнения каждой из подзадач. С целью удобства эти уравнения сведены в таблицу 1.

Таблица 1. Формулировка связанной задачи о деформировании слоя антифрикционного покрытия с жидким эллипсоидальным включением

Область (граница) Механика Движение сетки Пояснение

а Е=400 МПа у=0,25 Р=0 с1г = и ск = IV Смещения сетки равны смешениям, полученным при решении механической задачи

Ч-ЙА = |2я -г с1гсЬ а. с1г = и ск = IV Объем полости К: вычисляется в деформируемой сетке, давление внутри полости определяется через относительное изменение ее объема К/К о и сжимаемость воды С„,

К, = $1ерк ■ раг Свободна Плавное кинематическое нагружение: шаг з1ерк = 0.01 мм; параметр меняется в пределах 0< раг< 13

Е2 К = 0: К, = 0 Свободна Фиксирована

Продолжение таблицы 1

23 Rr = 0 Свободна Фиксирована в радиальном направлении, свободно перемещается в осевом

Fr = pw-nr Fz=pyc- п. Свободна По нормали к границе действует давление рж

Ось Rr = 0 Свободна Фиксирована в радиальном направлении, свободно перемещается в осевом

Характер деформации и распределение напряжений в теле покрытия, имеющего 5,6% (объемных) воды, иллюстрируются на рис. 3.

Шкала напряжений

Исходный уровень покрытия (перед началом сжатия)

О 02 0-4 Об 0:S i 1.2 1 •> 1-6 t-Б 2

<13*

Рис.3 Деформация и распределение напряжений в слоях антифрикционного покрытия, имеющего 5,6 объемных процентов абсорбированной воды

Результаты расчетов показывают, что наличие жидкого включения повышает контактную жесткость покрытия, что обусловлено исключительно малой сжимаемостью воды. Кроме того, давление в жидком включении превосходит средние контактные напряжения, что может приводить к нарушению целостности композита.

Зависимость изменения контактной жесткости покрытия при наличии жидких включений описывается выражением (3) и приведена на рис.4.

Е (от ) = 480 + 5.7/« -0.058отД (3)

comp \ v / v v * \ '

где эффективный модуль упругости Е„тр (МПа), а объемное содержание влаги в покрытии измеряется в процентах.

5 Ю \/н2о,%

Рис, 4 Зависимость модуля упругости антифрикционного покрытия при сжатии с различным объемом содержания воды

Структурная идентификация ползучести полимерных систем базируется на уравнении Максвелла-Томсона - закона деформирования «типичного твердого тела».

Исходные данные

Время с шагом - 0,02с; Траверсный путь - мм; Усилие - Н

№ п/п Программный модуль Результат

1 Creep Моменты времени реализации с шагом 0,02; Значения относительной деформации; Напряжения в МПа; Производная напряжений по времени в МПа/с.

2 Initialization Min, шах и начальные параметры: Е0, Ею и т; Количество временных интервалов в опыте; Длина интервала фильтрации; Порядок аппроксимирующего полинома.

3 Filtering Фильтрация по методу Савитцки-Голей.

4 Discrepancy Минимизация функционала невязок параметров ядра ползучести гинетическим алгоритмом.

5 Whole Gauss Вычисление теоретических и интерполяция экспериментальных значений деформации

6 Final results Окончательное размерное представление параметров ядра ползучести Е0, Ею и т

Точность параметров идентификации модели упирается не столько в методику расчета, сколько в возможности испытательных машин. В этом плане существенны преимущества комплекса для механических испытаний TIRA test 2850 с электронной системой EDC-120, позволяющего разделить

упругую и вязкую составляющие деформации. Алгоритм программных модулей приведен в таблице 2, а результаты его применения в таблице 3. ___Таблица 3 Параметры ядра ползучести_

Среда Воздух Уточнение, % Вода, рН=7 Уточнение, %

Методика Исходная Новая Исходная Новая

Параметры Е0, МПа 70,57 76,43 8,3 82,74 88,62 7,1

Е •*—'ООз МПа 63,81 64,02 0,3 73,40 73,27 0,2

т, мин 13,75 14,5 5,2 13,28 15,8 15,9

В третьей главе описана методика экспериментальных исследований и приведена их общая схема (рис.5).

Рис.5 Рабочая схема исследований

Исследования адгезионной прочности и вязкоупругих свойств антифрикционных покрытий выполнялось на прецизионном комплексе для механических испытаний TIRA test 2850 с электронной системой управления ECD-120. Триботехнические исследования проводились на специальной установке, созданной на базе сверлильного станка модели НС-12. Основные исследования выполнялись на материале толщиной 0,53-0,55 мм (ткань атласного переплетения).

Рис.6 Экспериментальные образцы и контртела

Нагрузки обеспечивались динамометром растяжения ДПУ 0,5-2, варьирование скорости скольжения - частотным регулятором АТУЗ12Ни 16№.

Экспериментальные образцы и контртела (рис.6) испытывались непосредственно в водных средах после их предварительной 100-120 часовой выдержке. Число параллельных опытов равнялось 3-5; все результаты обрабатывались статистически.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований. В начале исследовалась адгезионная прочность покрытий в кислой, нейтральной и щелочной среде. В итоге получена адекватная модель, связывающая остаточную адгезионную прочность покрытия с временем экспозиции I в средах и величиной водородного показателя рН

К = 61,273 - 2,265(рН) - 20,6731 - 1,884(рН)10,371 (рН)2 - 2,242^, (4)

где К = (РСред/РВозд)-

Анализ модели и графика показывает, что кислая среда вызывает более интенсивное понижение адгезионной прочности, чем щелочная; минимальная остаточная прочность характерна для нейтральной и слабокислой сред, а существенный вклад в снижение адгезии покрытия вносит подслойная коррозия. Это подтверждается значительной площадью адгезионного разрушения клеевого шва по субстрату.

Рис.7 Влияние времени экспозиции и водородного показателя на адгезионную прочность антифрикционных покрытий

Физико-химическим механизмом снижения адгезионной прочности является блокирование активными водными средами водородных связей фенольных ядер с субстратом.

Зазор в трибосопряжении образуется не только в результате изнашивания, но и вследствие ползучести полимерного покрытия. На реологию исследуемого композита существенно влияют водные среды. В сравнении с воздушной средой деформация в них изменяется до 60% (см.рис.8). Причем, имеет место и увеличение, и уменьшение деформации.

Это объясняется наличием двух конкурирующих процессов, одновременно протекающих в водных средах. Первый процесс представляет собой деструктивное, физико-химической природы изменение полимера, заключающееся в разрыхлении композита и понижении его жесткости в результате взаимодействия с водными растворами.

36 <У=2МПа 27

В м глитана мгновенно одуля в среде возду ГО о ха \

18

4 7 10 рН

Еи,МПа

400 о=51мпа 300 _ - -

200/ величина мгнове модуля в среде в нного / эздуха \

4 7 ' 10 рн

Е°,МПа

500 <5=100мш

400 величина мгнове модуля в среде вс шого здуха

300

4 7 10 гн

Рис.8 Влияние контактной нагрузки на жесткость полимерного покрытия в активных водных средах (кислых, нейтральных и щелочных)

Второй, параллельно идущий процесс, - это капиллярная и диффузионная миграция водных растворов в толщу композита и их накопление в порах и несплошностях, приводящая к повышению жесткости покрытия благодаря несжимаемости воды. Капиллярными каналами в композите являются межволоконные области во фторопластовых нитях и их границы с матричным связующим. Диффундируя в матричное связующее и полиимидные нити каркаса композита активная водная среда развивает деструктивные процессы, приводящие к снижению жесткости покрытия.

Второй процесс превалирует при относительно низких контактных нагрузках, в частности - 2 МПа. Значительно более высокие нагрузки, порядка 100 МПа практически полностью отжимают жидкую фазу и становятся заметными деструктивные процессы, разрыхляющие композит и понижающие его жесткость. Таким образом, получено экспериментальное подтверждение непротиворечивости рабочей гипотезы.

Идентификация деформации ползучести s(t) антифрикционного покрытия выполняется на основе наследственного выражения с затухающей

памятью - «типичного вязкоупругого твердого тела» (5) с параметрами: мгновенный Е0, равновесный Еш модули и постоянная времени ползучести т

а

а

~е1

а Е

О у

1

(5)

Таблица 4. Параметры ползучести полимерных композитов в различных средах (о = 2 МПа, *= 100 часов)

тип ткани обо-зна-че-ние размерность среды

водные растворы с рН равным воздух

1,68 4,01 7,0 9,0 12,46

атлас, ТОЛЩИ-НОИ 0.534мм Ео МПа 19,2 26,1 32,4 22,2 24,2 20,7

Е„ МПа 18,0 23,9 28,9 20,8 21,9 18,6

т мин 14,3 9,3 12,2 13,5 9,8 9,5

атлас. ТОЛЩИНОЙ 0,229мм Еп МПа 10,1 16,4 20,5 18,3 17,1 12,2

р -1—'00 МПа 9,4 14,3 17,5 16,6 15,5 11,4

т мин 12,6 15,2 11,1 11,9 11,8 8,9

саржа, толщиной 0,455мм Ео МПа 18,2 25,3 35,5 28,7 23,8 14,4

р А-'СО МПа 16,6 22,8 31,1 25,0 21,2 13,8

X мин 17,6 9,3 10,3 9,9 10,1 15,1

Процессы трения и изнашивания являются окончательным критерием работоспособности металлополимерных трибосистем рассматриваемого класса, которые эксплуатируются в экстремальных условиях, подвергаясь одновременному химическому и механическому нагрузочно-скоростному, а значит еще и термическому (до 100° С) воздействию.

0,090

0,045

К

мм

Рис.9. Кинетика изменения коэффициента трения и износа покрытия (5 = 0,55 мм; рН = 12,46; о = 72,8 МПа; п = 390 мин"1)

Рассмотрим типичную экспериментальную зависимость параметров трения и изнашивания металлополимерной пары, работающей в активной водной щелочной среде (Рис.9).

Анализ графиков показывает, что исследуемые процессы трения и изнашивания сохраняют свои основные закономерности. На графиках можно выделить приработочный и стационарный периоды. По сравнению с трением на воздухе и коэффициент трения и износ существенно увеличены в 5 и 3 раза соответственно.

Повышение коэффициента трения во второй половине стационарного периода может быть объяснено частичным обнажением на рабочей поверхности полиимидных волокон, уступающих по антифрикционным свойствам фторопластовым. Однако главной причиной увеличения износа и коэффициента трения является препятствование воды фрикционному переносу фторопласта на контртело. Косвенно это подтверждается близкими значениями коэффициента трения (средние отклонения в пределах 10%) во всем исследованном диапазоне водородного показателя водных сред. Обобщенная адекватная регрессионная модель зависимости коэффициента трения от нагрузочно-скоростных режимов имеет следующий вид:

Г = 0,297-о"°'453-У°'105 . (6)

Одним из главных показателей, характеризующих трибосистему является интенсивность изнашивания. Качественный характер ее зависимости от режимов практически совпадает для всех трех типов исследованных водных сред. Однако количественные оценки интенсивности изнашивания близки только для кислых и щелочных растворов. Это проявляется и в близости величин коэффициентов их регрессионных моделей:

(7) (8) (9)

Модели имеют выход в МО"7, адекватны и обеспечивают точность интерполяционных расчетов не менее 10%.

Результаты, полученные при работе покрытий в среде дистиллированной воды, значительно отличаются от предыдущих. Величина интенсивности изнашивания при тех же интервалах варьирования переменными факторами охватывает целых два порядка, что потребовало использования на графике модели логарифмического масштаба по оси ординат (Рис.10).

Т — О 1 \ т-0,485

для кислои среды 1 —¿,ио:г1и С 'V ,

т _ 1 теп 1 п-2„ 1,007 л 7-0,923

для щелочной 1— 1,30/111 С 'V ,

т _ п 00 1Л-3„ 1,623 л7-0,398 и для нейтральной 1— /,2о'Ш О -V

рН = 7,0

С5,мпв —----.----

50,2 27,6

Рис.10.Влияние режимов нагружения на интенсивность изнашивания покрытий в среде дистиллированной воды

Важнейшим этапом триботехнических исследований является определение величины ресурса металлополимерных трибосистем с композиционным покрытием в рабочих активных средах. Структура моделей ресурса сохраняет особенности, описанные для моделей интенсивности изнашивания. Все модели адекватны; их погрешность составляет не более 10%.

Модели зависимости ресурса от нагрузочно-скоростных режимов работы металлополимерных трибосистем имеют следующий вид:

Я = 5,83-102а"1-181-V0'485, (10)

К = 4,94-102а"1-008-Уа588, (11)

для нейтральной 18Л-Ю2ст"1,б22-У0,459. (12)

Следует отметить специфику влияния нейтральной среды на ресурс. При малых нагрузках (2 МПа) ресурс покрытий в дистилляте на 36.6% превышает ресурс как в кислой, так и в щелочной средах. С увеличением нагрузок (~ с 20 МПа) ресурс в этой среде резко падает и становится меньше, чем в остальных средах примерно на 40 - 60% (рис. 11). Объяснение этому лежит в наибольшем увеличении жесткости покрытий в чистой воде в сравнении с другими средами - водными растворами и сохранении ее при

для кислои среды для щелочной

малых нагрузках. При повышении нагрузок чистая вода легко отжимается, разрыхляя при этом структуру композита.

>10?

Чм/с

Рис.11. Ресурс полимерных покрытий в различных водных средах

Следует объяснить имеющееся повышение ресурса и снижение интенсивности изнашивания при росте скорости скольжения. В низком диапазоне скоростей, скорость растет интенсивнее, чем уменьшается величина ресурса. Это сказывается на интенсивности изнашивания и на расчете ресурса в циклах нагружения.

53,6

50,9

300

СО час

Дистиллированная вода, рН = 7,0

7,43

100 ' час

2,63

6,25

4,37

Сталь 45 _1_1_

х Э

л

4,73

2,63 саржа

атлас ! 0,71

0,5510,30 0,47

а)

6}

Рис.12. Ресурс в 10 циклов: а - для различных контртел, б - покрытий

Далее было установлено влияние на ресурс в активных водных средах вида антифрикционных покрытий, композиционная структура которых определяется типом тканного армирующего каркаса, а также физической природы и марки материала контртел (Рис.12).

Используя результаты экспериментальных исследований для расчета классов износостойкости было установлено, что в кислых и щелочных водных растворах композиционные покрытия данного типа имеют 8-9-й класс износостойкости (>106- 107), а в среде дистиллированной воды - 7-9-й классы (>105 и 107).

В пятой главе приводятся условия и результаты промышленных испытаний антифрикционных композиционных покрытий. Показано, что используя конструктивные параметры подшипников и вязкоупругие свойства покрытий можно значительно сократить поверхность адсорбента и, снизив деструктивное влияние водной среды, повысить износостойкость покрытий, используя охлаждающее действие воды (Рис.12).

Промышленные испытания проводились на двух погружных насосах \VILO с радиально-упорными подшипниками, оснащенными антифрикционными полимерными композиционными покрытиями, которые по мере выработки технологических растворов окунались в ванны для откачки этих растворов. Несмотря на то, что насосы работали периодически, полное высыхание полимерных покрытий для 100%-го восстановления их эксплуатационных свойств наблюдалось редко. Насосы безотказно работали в течение всего срока испытаний, что превысило ресурс штатных подшипников на 22 - 27%.

Общие выводы

1. На основе анализа имеющихся данных была выдвинута рабочая гипотеза об абсорбционной природе повышения контактной жесткости полимерного композиционного антифрикционного покрытия и доказана ее непротиворечивость аналитически и экспериментально.

2. Численно-аналитическими исследованиями установлена причина абсорбционного повышения контактной жесткости полимерного композита в водных средах, увеличение упругой составляющей его модуля в связи с практической несжимаемостью водных включений, перекрывающее рост вязкой компоненты, вызванной локальным повышением напряжений.

3. Разработана оригинальная методика идентификации наследственного ядра ползучести полимерного композиционного материала, реализован рабочий алгоритм и комплекс программных модулей, позволяющие повысить точность определения параметров вязкоупругой модели.

4. Экспериментальные исследования вязкоупругих свойств покрытий позволили установить параллельное протекание в композите двух процессов: повышение жесткости в результате капиллярного и диффузионного механизмов проникновения жидкой среды в матричное связующее и его

разрыхление от локального повышения напряжений. Причем, первый процесс превалирует только при относительно малых напряжениях (2 — 50МПа), второй - при больших (= ЮОМПа).

5. Установлены основные закономерности изменения трибсггехнических характеристик полимерных композиционных покрытий в активных водных средах и особенности их рациональной эксплуатации в этих условиях.

- Контактные напряжения оказывают значительно большее влияние на трибохарактеристики покрытий (в среднем в 2,5 раза), чем скорость скольжения.

- Наиболее сильное снижение износостойкости покрытий происходит в дистиллированной воде (рН = 7) при работе тонких покрытий (0,3мм) в паре с углеродистой конструкционной сталью.

- Интенсивность изнашивания и ресурс покрытий снижаются в водных средах по сравнению с работой в воздушной среде на один класс и соответствуют 8 — 9 классам износостойкости.

- Показано, что при использовании конструктивных особенностей подшипников и учете вязкоупругих свойств покрытий, ресурс подшипников в водных средах может превысить ресурс на воздухе в среднем на 5,2%.

6. Промышленные испытания радиально-упорных подшипников, оснащенных полимерными композиционными покрытиями с армирующим тканным каркасом (полуторослойная саржа 1/3) проведенные на погружных насосах линии AQUACOMP Hard непрерывной гальванической обработки нагревательных элементов в гальваническом отделении ОАО «Роствертол» показали положительные результаты. Подшипник работал безотказно и показал в сравнении со штатным повышение ресурса на 22 - 27 %.

Основные публикации по теме диссертации

Статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Власенко И. Б. Антифрикционные композиты в активных водных средах / И. Б. Власенко // Вестник Дон. гос. техн. ун-та. - 2013.- № 7/8 (75). -С. 58 - 64.

2. Кохановский В. А. Свойства полимерных антифрикционных покрытий в кислых средах / В. А. Кохановский, В. В. Рубанов, И. Б. Власенко //Вестник Дон.гос.техн. ун-та. - 2011.-Т. 11.-№ 10 (61).-С. 1803-1807.

3. Кохановский В. А. Работоспособность антифрикционных полимерных покрытий в водных средах / В. А. Кохановский, И. Б. Власенко //Трение и смазка в машинах и механизмах. - 2012.-№ 1.-С.13-15.

4. Кохановский В. А. Вязкоупругие свойства антифрикционных покрытий в водных средах / В. А. Кохановский, И. Б. Власенко // Трение и смазка в машинах и механизмах. - 2012,- № 12. - С. 34-38.

5. Кохановский В. А. Износостойкость полимерных покрытий в активных водных средах / В. А. Кохановский, И. Б. Власенко // Трение и смазка в машинах и механизмах. - 2013.- № 11.- С. 45 - 48.

Статьи, опубликованные в других научных изданиях:

6. Власенко И.Б. Влияние абсорбции влаги на контактную жесткость полимерного антифрикционного покрытия. Повышение износостойкости и долговечности машин и механизмов на водном транспорте / И. Б. Власенко, С. Н. Шевцов, Н. Г. Снежина и др. // Сб.тр. V Международного симпозиума по транспортной триботехнике «Транстрибо-2013», 10-11 октября 2013 г.; Гос. ун-т морского и речного флота им. адмирала С.О.Макарова. - СПб: 2013. - С.193-197.

7. Журавлев J1. А. Адгезионная прочность полимерных антифрикционных покрытий в кислых водных средах / Л. А. Журавлев, И. Б. Власенко, С. И. Иванов // Сб. тр. конф. «Трибология и надежность», 11-13 сентября 2013 г.; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (ИТМО). -СПб., 2013.-С. 38-41.

8. Vlasenko I. В. On the contact stiffness of anti-friction polymeric composite covering operated in the fluid media /1. B. Vlasenko, S. N. Shevtsov, Huang Jyun-Ping // Materialy IX Miedgynarodowej naukowi-praktycznej konferencji "Wschodnie partnerstwo - 2013" Techniczne nauki. - vol. 33, Przemysl: 07-5.11.2013 . -C. 3-6.

В печать 2{, 0,2014.

Объём / 0 усл. п.л. Офсет. Формат 60x84/16.

Бумага Уип №3. Заказ Тираж-/¿%кз. Цена свободная

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия: 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина,!.