автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Повышение надежности герметизирующих устройств части многоцелевых гусеничных и колесных машин

ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Для служебного пользования

Экз. № 2

Мамаев Олег Алексеевич

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ГЕРМЕТИЗИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ ХОДОВОЙ ЧАСТИ МНОГОЦЕЛЕВЫХ ГУСЕНИЧНЫХ И КОЛЕСНЫХ МАШИН

05.02.04 - Трение и износ в машинах 05.02.01 — Материаловедение (промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Омск-2000

Работа выполнена в Омском государственном техническом университете и Омском танковом инженерном институте.

Научные руководители: академик АИН РФ,

доктор технических наук, профессор Машков Ю.К.

профессор АВН РФ, кандидат технических наук, доцент Кузнецов Э.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Болштянский А.П., кандидат технических наук, доцент Полещенко К.Н.

Ведущая организация: 38-ой научно-исследовательский испытательный институт МОРФ.

\ V

Защита состоится«—декабря 2000 г. в 12-00 часов на заседании диссертационного совета К063.23.05 при Омском государственном техническом университете по адресу: 644050, 0мск-50, проспект Мира, 11.

Ваши отзывы в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим выслать но указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОмГТУ.

Автореферат разослан « 5 » ноября 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к. ф. м. н., доцент

В.И.Суриков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Высокая подвижность многоцелевых гусеничных и колесных машин (МГКМ) является одной из основных характеристик их технического совершенства. Это связано с тем, что реализация скоростных качеств многоцелевых гусеничных и колесных машин (МГКМ), особенно в условиях бездорожья, пересеченной местности и преодоления водных преград в значительной степени зависит от совершенства конструкции механизмов ходовой части. В этой связи, наряду с огневой мощью и защищенностью, подвижность характеризует технический уровень боевой машины и определяет ее готовность к выполнению поставленной задачи.

При разработке, производстве и эксплуатации МГКМ надежности работы механизмов ходовой части постоянно уделяется особое внимание. Специфика эксплуатации МГКМ создает очень напряженные условия работы для подшипниковых узлов ступиц опорных катков и направляющих колес. Работоспособность и ресурс подшипников в определяющей степени зависят от надежности и срока службы резиновых манжетных уплотнений, защищающих внутренние полости ступиц от проникновения абразива из окружающей среды. Попадание абразива во внутреннюю полость ступицы изменяет вид изнашивания, приводит к неконтролируемому катастрофическому износу подшипников и разрушению всего механизма.

Герметизирующее устройство ступиц опорных катков и направляющих колес содержит две ступени: первая - лабиринтное уплотнение из двух колец, вторая - радиальное уплотнение из двух резиновых манжет. Этот тип уплотнений широко применяется для уплотнения осей и валов машин. Однако данной конструкции ГУ присущ ряд недостатков, к которым необходимо отнести: статический и динамический эксцентриситеты поверхности вала; чувствительность к отклонениям от геометрической формы сопряженной поверхности вала и погрешности его установки; нестабильность и снижение вязко-упругих свойств резины вследствие процессов старения и релаксации, а также её низкие триботехнические свойства. Жесткие условия эксплуатации, а также недостатки конструкции и свойств материала уплотнений приводят к отказам герметизирующих устройств (ГУ) и не обеспечивают необходимых требований к надежности опорных катков и направляющих колес ходовой части МГКМ.

Проблема обеспечения высокой степени герметичности подвижно сопряженных поверхностей деталей машин относится к одной из сложных научно-технических задач трибологии и герметологии. Механизм герметизации подвижных соединений обусловлен не только механическим взаимодействием контактирующих поверхностей, но и процессами деформации, трения и изнашивания материалов в зоне контакта, а также физико-химическими превращениями материалов в процессе эксплуатации в различных средах.

Анализ конструкции, условий эксплуатации и физических причин потери работоспособности герметизирующих устройств ступиц опорных катков показал, что для устранения выявленных недостатков и повышения надежности хо-

разработать и применить новый антифрикци-

ЮвофашиЙйкКДО нс( ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА

онный материал для уплолштельных элементов и более совершенную конструкцию уплотнений. Новый материал должен иметь высокие триботехнические свойства и длительно сохранять их в заданных условиях эксплуатации. При этом необходимо изучить совокупность взаимосвязанных механизмов герметизации, трения и изнашивания сопряженных полимерных и металлических поверхностей герметизирующего устройства ступицы опорного катка.

Целью работы является повышение работоспособности,

износостойкости и срока службы уплотнений осей опорных катков и

направляющих колес ходовой части МГКМ путем разработки

комбинированного герметизирующего устройства с уплотняющими

элементами из нового полимерного композиционного материала высокой износостойкости, разработанного на основе исследования закономерностей

структурной модификации полимерной матрицы комбинированными наполнителями-модификаторами.

Научная новизна работы определяется следующими результатами:

1. Получены уравнения регрессии, отражающие зависимость механических и триботехнических свойств модифицированного ПТФЭ от концентрации отдельных компонентов при модифицировании комплексными модификаторами.

2. Установлена неаддитивность влияния различных по размерам и форме частиц компонентов на степень кристалличности и другие параметры надмолекулярной структуры модифицированного ПТФЭ.

3. Установлено явление структурной модификации и приспосабливаемо-сти ПТФЭ, наполненного комплексным волокнисто-дисперсным модификатором, в условиях фрикционного взаимодействия, выражающееся в изменении его структурно-фазового состояния и параметров надмолекулярной структуры.

4. Разработаны методики и установки для проведения лабораторных испытаний герметизирующих устройств, обеспечивающие ускоренный режим испытания и имитацию эксплуатационных условий работы уплотнений в составе ходовой части машины.

Практическая значимость полученных результатов.

1. Разработан и оптимирован новый ПКМ на основе ПТФЭ с комплексным волокнисто-дисперсным наполнителем, обладающий высокой износостойкостью, при этом жесткость материала определяется соотношением концентраций волокнистого и дисперсного компонентов наполнителя.

2. Разработана конструкция комбинированного герметизирующего устройства для ступицы опорного катка ходовой части МГКМ с уплотнительными элементами из разработанного ПКМ, снабженная эластомерными компенсаторами погрешностей изготовления и монтажа ГУ и обеспечивающая повышение его надежности и ресурса.

3. Разработанная конструкция ГУ обеспечивает взаимозаменяемость ГУ с серийными манжетными уплотнениями оси ступицы опорного катка.

4. Разработанные ПКМ, схема ГУ и методики ускоренных испытаний могут быть использованы при решении задач повышения надежности и ресурса уплотнений различных узлов трения ходовой части МГКМ.

На защиту выносятся следующие научные положения и результаты:

1) новый полимерпый композиционный материал на основе ПТФЭ, разработанный на основе результатов исследования влияния комплексного наполнителя-модификатора на структурно-фазовое состояние, параметры надмолекулярной структуры и свойства I1KM;

2) уравпения регрессии, отражающие зависимость скорости изнашивания, предела текучести и модуля упругости ПКМ от концентрации компонентов-модификаторов и позволяющие определить состав ПКМ в зависимости от требуемого уровня механических и триботехнических свойств;

3) установленное явление структурной модификации и приспосабливаемое™ наполненного ПТФЭ в условиях фрикционного взаимодействия с металлическим контртелом, выражающееся в изменении его структурно-фазового состояния и параметров надмолекулярной структуры;

4) кинетические зависимости скорости изнашивания уплотнительных элементов - манжет от скорости относительного скольжения (частоты вращения) уплотняемой поверхности вала;

5) конструкция герметизирующего устройства осей опорных катков гусеничного движителя, разработанная с учетом напряженно-деформированного состояния и физико-мсхапических свойств материалов силового и уплотняющего элементов и обеспечивающая компенсацию погрешностей изготовления и монтажа деталей опорных катков, и взаимозаменяемость с серийными уплотнениями.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях и симпозиумах: «Динамика систем, механизмов и машин», г. Омск, 1999 г; «Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте», г. Самара, 1999 г; «Проблемы и прикладные вопросы физики», г. Саранск, 1999 г; «Автоматизация и прогрессивные технологии», г. Новоуральск, ] 999 г; 9th Nordic Symposium of Tribology NORDTRIB-2000, Финляндия, 2000 г; «Состояние и перспективы развития дорожного комплекса», г. Брянск, 2000 г; «Новые материалы и технологии на рубеже веков», г. Пенза, 2000 г; «Перспективы развития лесного и строительного комплексов, подготовки инженерных и научных кадров на рубеже веков», г. Брянск, 2000 г. В полном объеме работа докладывалась на расширенном заседании кафедры «Материаловедение и технология конструкционных материалов» Омского государственного технического университета с участием ученых и специалистов Омского танкового инженерного института.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ.

Структура диссертации. Диссертация содержит введение, четыре главы, выводы, сцисок литературы, приложение. Работа изложена на 137 страницах основного текста, включая 37 рисунков, 19 таблиц и 3 приложения. Список литературы содержит 55 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность и цель работы, определен объект и методы исследования, а также положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации приведен анализ конструктивных особенностей, условий работы, физико-механических и триботехнических свойств материалов металлополимерных трибосистем и методов повышения триботехнических свойств материалов, применяемых для уплотнений.

Всестороннее рассмотрение процессов герметизации подвижно сопряженных поверхностей деталей машин показало, что решение этих задач относится к одной из сложных научно-технических проблем, так как механизм уп-лотнительного действия обусловлен не только механическим взаимодействием контактирующих поверхностей, но и процессами трения и изнашивания материала в зоне контакта, а также физико-химическими превращениями материала в процессе эксплуатации.

На основе анализа данных эксплуатации МГКМ показано, что герметизирующее устройство ступиц опорных катков не обеспечивает заданного ресурса вследствие износа и повреждений уплотнительных элементов в условиях абразивного износа как манжеты, так и сопряженной поверхности вала. Анализ свойств эластомера, используемого для манжетных уплотнительных элементов, показывает, что в процессе эксплуатации и хранения при изменении давления и температуры в эластомере происходят структурные изменения и релаксационные процессы, приводящие к недопустимым изменениям характеристик механических свойств и к утрате одного из основных функциональных свойств -упругой эластичности. Кроме того, склонность эластомера к образованию сильных адгезионных связей с контртелом приводит к возникновению высоких значений сил трения, приводящих к механическим повреждениям поверхности трения эластомера. В силу названных причин надежность ГУ ступиц опорных катков ходовой части находится на недопустимо низком уровне. Обработка данных эксплуатации показала, что вероятность безотказной работы уплотнений снижается ниже допустимого уровня 0,9 при заданном ресурсе 14000 км для машин со сроком эксплуатации до 5 лет при пробеге 9 тыс. км, для машин со сроком эксплуатации от 5 до 10 лет при 6,5 тыс. км, а для машин от 10 до 15 лет уже при 2,0 тыс. км пробега.

Разрешение проблемы повышения надежности ГУ можег быть осуществлено путем решении двух задач: первая - выбор или разработка материала для уплотняющих элементов, свойства которого удовлетворяют предъявляемым

требованиям для заданных условий эксплуатации; вторая - разработка более совершенной конструкции ГУ, позволяющего с наибольшей эффективностью реализовать свойства материала уплотняющего элемента.

Проведенный анализ физико-химических свойств полимеров различных типов показал, что существенно уменьшить отрицательное влияние процессов старения возможно путем замены эластомеров пластмассами, которые обладают более высокой химической стойкостью. Наибольшую химическую стойкость имеет политетрафторэтилен (ПТФЭ). Наряду с этим, ПТФЭ сохраняет работоспособность и не охрупчивается при низких и криогенных температурах, он имеет наилучшие антифрикционные свойства. Благодаря такому уникальному сочетанию свойств ПТФЭ можно считать лучшим материалом для полимерной матрицы ПКМ триботехпического назначения.

В настоящее время в качестве наполнителей при разработке ПКМ используется достаточно большая номенклатура материалов, включая порошкообразные (дисперсные) и волокнистые, металлические и неметаллические, при-родтше и искусственные материалы.

Изменение свойств ПКМ связано с изменением структурной организации па молекулярном уровне и модификацией надмолекулярной структуры полимерной матрицы при введении наполнителей-модификаторов. В последние годы накоплен значительный экспериментальный материал, отражающий влияние вида и параметров надмолекулярной структуры на физико-механические и триботехнические свойства многокомпонентных систем на основе ПТФЭ. Исследованию и разработке ПКМ на основе ПТФЭ посвящены работы Н.П.Истомина, Ю.К.Машкова, А.А.Охлопковой, А.К.Пугачева, А.К.Погосяна, А.П.Семенова, Г.А.Сиренко, И.Н.Черского и др. Результаты названных работ позволяют сделать вывод о том, что при разработке методов повышения трибо-технических характеристик композиционных материалов на основе ПТФЭ целесообразно использовать уже имеющиеся структурно-энергетические представления, а также достижения экспериментальной триботехники при дальнейшем изучении механизмов трения и изнашивания.

На основе анализа ранее выполненных исследований и разработок были сформулированы задачи диссертационной работы:

1. Исследовать причины потери работоспособности и отказов уплотнений осей опорных катков, приводящих к повышенному износу подшипников в эксплуатации, определить критерии предельного состояния уплотнений и разработать методику их оценки.

2. Исследовать и проанализировать закономерности структурной модификации ПТФЭ структурно-активными наполнителями различного вида, а также влияние комбинированного наполнителя на фазовый состав и параметры надмолекулярной структуры полимерной матрицы ПКМ.

3. Изучить влияние структурной модификации ПТФЭ на механические и триботехнические свойства ПКМ.

4. Разработать ПКМ на основе ПТФЭ для уплотняющих элементов ГУ, оптимизировать его состав по скорости изнашивания (износостойкости) с учетом параметров ограничения - характеристик механических свойств ПКМ.

5. Разработать схему и конструкцию комбинированного герметизирующего устройства с раздельными силовыми и уплотняющими элементами на основе расчетов осповных конструктивных элементов с учетом физико-механических свойств материалов и условий работы уплотнения.

6. Разработать установку и методику для исследования износостойкости и герметичности уплотняющих элементов из разработанного ПКМ и влияния режимов работы на скорость изнашивания уплотняющих элементов, провести ускоренные испытания ГУ и получить экспериментальные данные для прогнозной оценки ресурса разработанного ГУ.

7. Разработать методику и проверить работоспособность разработанной конструкции ГУ ходовыми испытаниями в условиях эксплуатации танка.

Вторая глава посвящена изложению общей методологии и описанию частных выбранных методов и средств экспериментального исследования структуры, механических и триботехнических свойств полимерных композиционных материалов, разработанных установок для исследования триботехнических и герметизирующих свойств металлополимерных пар трения (уплотнений) в условиях, приближенных к условиям эксплуатации герметизирующих устройств ступиц опорных катков МГКМ.

В соответствии с целью и задачами работы экспериментальные исследования включали:

- исследования физико-механических и триботехнических свойств ПКМ;

- оптимизацию состава разрабатываемого ПКМ;

- исследование структурно-фазового состава ПКМ и его изменение цри трении;

- исследование износостойкости манжет и работоспособности ГУ.

- натурные испытания разработанной конструкции ГУ ступицы опорного катка в составе транспортной машины.

Методика исследования физико-механических свойств предусматривала определение плотности материала, предела прочности, предела текучести, предела упругости и модуля упругости (ГОСТ 4651-78, ГОСТ 11262-80, ГОСТ 15139-69, ГОСТ 15782-83, ГОСТ 4647-80, ГОСТ 25.604-82).

Исследование триботехнических свойств разрабатываемых ПКМ предусматривало предварительное изучение влияния отдельных наполнителей и двойных наполнителей на износостойкость наполненного ПТФЭ и последующий поиск оптимального состава ПКМ в соответствии с требуемым комплексом механических и триботехнических свойств.

Первый этап исследования предусматривал изучение:

- влияния скрытокристаллического графита (СКГ) в интервале концентраций от 1,0 до 25 масс. %;

- влияния двойного наполнителя СКГ + измельченное углеродное волокно (УВ).

Первую серию экспериментов проводили на специальной установке на базе сверлильного станка по торцовой схеме трения «цилиндр-диск» при контактном давлении р = 1,5 МП а и скорости скольжения v = 0,6 м/с. Оценку ве-

личины износа образцов производили взвешиванием на микроаналитических весах с погрешностью не более 0,015 мг.

Методика второго этапа исследования предусматривала проведение полного факторного эксперимента с целью поиска оптимального состава ПКМ. Испытание образцов проводили на машине трения 2070 СМТ-1 по схеме трения «вал - частичный вкладыш». Образцы испытывали при контактном давлении 1,0-1,5 МПа и скорости скольжения 1,5-2,0 м/с. По результатам всех измерений для каждого образца определяли среднее значение измеряемых параметров и вычисляли среднюю массовую скорость изнашивания. По результатам испытания пе менее трех образцов каждого состава определяли среднее значение скорости изнашивания и ее среднеквадратическое отклонение, а также рассчитывали доверительный интервал для доверительной вероятности 0,95.

Методика разработки новых ПКМ для металлополимерных узлов трения предусматривала изучение влияния отдельных видов наполнителей (углеродного волокна, дисульфида молибдена, ульградисперсного скрытокристашшческо-го графита) на механические и триботехнические свойства материалов. При этом изучался механизм структурно-фазовой модификации полимерной матрицы и ее влияние на изучаемые свойства ПКМ.

На основании априорной информации и результатов предварительных исследований о влиянии наполнителей-модификаторов на механические и триботехнические свойства ПКМ на основе ПТФЭ в качестве способов воздействия на объект исследования были выбраны: количество вводимого в ПКМ измельченного углеродного волокна (УВ - Х], масс.%), количество вводимого ультрадисперсного скрытокристаллического графита (СКГ - х2, масс.%), количество порошка дисульфида молибдена (МоБг - хз, масс.%)., в качестве параметра оптимизации принята массовая скорость изнашивания I, г/ч, а в качестве параметров ограничения - условный предел текучести при сжатии сгтс, МПа и модуль упругости Ес.

Математическая модель принята в виде линейного полинома первой степени, учитывающего главные эффекты:

_ 1 _ к _

Ух=К+ У 2 = + Е СЛ> = 4. +1Хх" 1=1 1=1

Для определении основного (нулевого) уровня и интервалов варьирования факторов использовались результаты предварительных исследований влияния содержания (концентрации) СКГ и УВ по отдельности на механические и триботехнические свойства ПКМ. Результаты эксперимента, выполненного по плану типа N = 2к, после соответствующей математической обработки представлялись в виде уравнений регрессия. Коэффициенты сь <4 представляют собой количественные оценки влияния отдельных факторов на параметры оптимизации - скорость изнашивания и ограничения: предел текучести, модуль упругости. Но результатам анализа уравнений регрессии определяли направление движения по градиенту и центральную точку (нулевой уровень) эксперимента для функций у/, у2, уз.

Структурно-фазовое состояние разрабатываемого ПКМ, его изменение в процессе трения с металлическим контртелом и влияние вводимых наполнителей исследовали методом рентгеноструктурного анализа с помощью рентгеновского дифрактометра ДРОН-ЗМ Рентгенографирование поверхностей производили по методике съемки в больших углах 2в = (10-ЮС/1). Полученные рентгенограммы расшифровали по методике качественного фазового анализа. Параметры гексагональной кристаллической решетки «а» и «с», средний размер кристаллитов, среднее межслоевое расстояние аморфной фазы «ст» и степень кристалличности рассчитывали по известным формулам, используя полученные рентгенограммы. Погрешность расчета параметров кристаллической решетки составляла 2%, остальных величин - не более 5%.

Исследование износостойкости уплотнительного элемента и работоспособности герметизирующего устройства проводили в два этапа. На первом этапе оценивали износостойкость уплотнительиого элемента герметизирующего устройства из разработанного ПКМ при различных значениях скорости скольжения, соответствующих условиям эксплуатации, на специально разработанном стенде на базе токарного станка.

На втором этапе проводили комплексную оценку герметизирующей способности и работоспособности новой конструкции ГУ с уплотнительными элементами из разработанного ПКМ на специальной установке, обеспечивающей имитацию условий работы уплотнения в эксплуатации. Методика испытаний предусматривала контроль за проникновением воды и абразива во внутреннюю полость ступицы, изменение диаметральных размеров уплотни-тельных манжет и величины массового износа, по которым производилась оценка работоспособности разработанного уплотнения.

Окончательную проверку надежности разработанных ГУ, которые были установлены на одном борту ступиц опорных катков танка Т-80, проводили ходовыми испытаниями в осенне-зимний период.

Третья глава посвящена разработке и исследованию структуры и свойств полимерного композиционного материала для уплотняющих элементов ГУ. Выше было показано, что в условиях эксплуатации уплотнений ходовой части МГКМ наилучшей работоспособностью и сохраняемостью обладает ПТФЭ, который и был принят в качестве полимерной матрицы для разрабатываемого ПКМ. Из всего многообразия материалов, применяемых в качестве наполнителей ПКМ, были выбраны следующие: измельченное углеродное волокно «УРАЛ Т-10», ультрадисперсный скрытокристаллический графит (СКГ) и порошок дисульфида молибдена.

Введение углеродного волокна обеспечивает существенное повышение механических характеристик и износостойкости ПКМ. Однако чрезмерное повышение жесткости материала уплотняющих элементов недопустимо. Поэтому с целью получения высокой износостойкости материала при умеренной жесткости был выбран комплексный наполнитель, содержащий волокнистый и дисперсные компоненты.

В соответствии с методикой исследования на предварительном этапе изготавливали образцы ПКМ с одним компонентом - СКГ и исследовали влияние

его содержания на характеристики механических и триботехнических свойств. Затем исследовали образцы, содержащие фиксированное значение СКГ (4,0 и 15,0 масс.%) и различное - от 1,0 до 5,0 масс.% - углеродного волокна.

Установлено, что влияние наполнителей наиболее эффективно в области малых концентраций до 8-10 масс.%. Введение второго компонента - СКГ усиливает влияние наполнителей. Так при дополнительном введении 5,0 масс.% УВ предел прочности ПКМ увеличивается более, чем на 60%, а предел текучести - более, чем на 20%.

Триботехнические свойства ПКМ исследовали в два этапа. На рисунках 1 и 2 приведены полученные концентрационные зависимости скорости изнашивания.

и хЮ ,г/ч

120 80 40

V \

\ 2 —► ---

\ V- 1

0,15 0,10

0,05

ИО^ г/ч

160

120

0 5 10 15 20 25 С, масс%

80

V - __ ,

М, н-м

0,60

0,50

0 3 6 9 12 С.

Рис. 1. Концентрационная зависимость Рис. 2. Концентрационная зависимость скорости изнашивания ПКМ при изнашивания ПКМ при схеме

схеме трения «цилиндр - диск» трепля «вал - частичный вкладьпп»

Как видно, характер концентрационных зависимостей скорости изнашивания для обеих схем трения одинаков. В области малых концентраций - до 5-10 масс.% наблюдается резкое снижение скорости изнашивания, которая при дальнейшем увеличении содержания СКГ практически не изменяется в исследованной области концентраций.

Таким образом, предварительные исследования показали, что введение СКГ обеспечивает существенное повышение износостойкости ПКМ, особенно в области малых концентраций до 10%; ведение помимо СКГ измельченного УВ позволяет получить дополнительное повышение износостойкости до 35%. Однако для определения оптимального содержания и соотношения компонентов наполнителя необходимо проведение оптимизационного исследования.

С целью оптимизации состава ПКМ реализован план факторного эксперимента, условия проведения опытов и результаты испытаний приведены в таблице 1.

В таблице наряду с экспериментальными средними значениями параметра оптимизации у, приведены полученные значения параметров ограничения: условного предела текучести уг и модуля упругости ул.

Таблица 1

№ опыта Содержание наполнителей Скорость изнашивания ^-ЮЛе/ч Предел текучести ~у2,МПа Модуль упругости у3,МПа

XI-УВ Х2-СКГ хз - МоБ2

1 3 6 1,25 20,178 37,5 187,2

2 3 6 1,75 23,088 40,7 182,4

3 3 8 1,25 20,088 42,3 167,6

4 3 8 1,75 21,450 42,7 172,0

5 5 6 1,25 19,818 40,7 212,5

6 5 6 1,75 20,542 40,0 202,5

7 5 8 1,25 14,634 42,8 217,9

8 5 8 1,75 16,362 45,7 223,6

По результатам расчета коэффициентов регрессии с учетом оценки их значимости по критерию Стьюдента получено уравнение регрессии для скорости изнашивания ПКМ:

у, = (19,52 - 1,68X1 -1,38 хг) ■ 70"', г/ч.

Коэффициенты при х/ и Х2 показывают, что наибольшее влияние на износостойкость ПКМ оказывает концентрация углеродного волокна, затем СКГ. Дисульфид молибдена мало влияет на скорость изнашивания, т.к. коэффициент регрессии при хз оказался незначимым. С целью нахождения оптимального состава ПКМ, обеспечивающего минимальное значение скорости изнашивания, осуществляли движение по градиенту по линии крутого восхождения. Был спланирован и реализован факторный эксперимент с центральной точкой х/ = 5,5%;х2 = 8,5%;х3 = 1,0%.

Расчет коэффициентов регрессии показал, что коэффициенты при дг/ и хз незначимы, поскольку их значения меньше табличного значения критерия Стьюдента для наших условий эксперимента, а значение коэффициента при х2 лишь незначительно превышает его табличное значение. Известно, что критерием выхода в область оптимума является малое значение модуля градиента ->

фай у(х) -> 0, или иными словами, когда все коэффициенты регрессии в, становятся статистически незначимыми или равными нулю. В нашем эксперименте это условие выполняется, кроме того, знак коэффициента в2 изменился с (- ) на ( + ). Следовательно, можно считать, что по факторам х; и хз мы находимся в области оптимума, а по фактору х2 - вблизи оптимума. Это позволяет сделать вывод о том, что исследуемое во втором плане факторное пространство охватывает область с оптимальным значением факторов X/, х2, хз. Действительно, в первом опыте минимальное значение скорости изнашивания у! - 14,63 ■ 10 г/ч

получено при х, = 5%, х2 = 8% и хз =1,25%, а во втором опыте у2 = 14,18 ■ Ш4 г/ч получено при х; = 4%, х2 = 7%, хз =1,25%.

Отсюда можно сделать следующие выводы:

1) введение дисульфида молибдена не оказывает значимого влияния на скорость изнашивания ПКМ и его можно не вводить в состав комплексного наполнителя;

2) оптимум параметра оптимизации находится в непосредственной близости от точки с координатами х; = 4% и х2- 7%.

Для принятия обоснованного решения оптимизационной задачи необходимо проанализировать также влияние варьируемых факторов и на параметры ограничения. С этой целью рассмотрим уравнения регрессии для условного предела текучести у2 и модуля упругости у у.

у2 = 41,49 + 1,51x1 + 0,81x2 + 0,61хз, уз = 195,7 + 18,4х, МПа;

Из уравнения регрессии для у2 видно, что основное влияние на величину предела текучести при сжатии оказывает процентное содержание измельченного углеродного волокна. Введение скрытокристаллического графита и дисульфида молибдена также ведет к повышению предела текучести, но их влияние в 1,86 и в 2,47 раза соответственно меньше. В уравнении регрессии для модуля упругости уз отсутствуют члены х2 и хз, следовательно, влияние содержания СКГ и МоБг на величину модуля упругости ничтожно мало.

Анализ уравнений регрессии для параметров ограничения показывает, что, если по условиям работы требуется материал с высокой износостойкостью, но умеренной жесткостью, как это имеет место в случае разработки ПКМ для уплотнительных элементов герметизирующих устройств, то для повышения износостойкости целесообразно вводить СКГ в большей доле по сравнению с углеродным волокном. Этот вывод хорошо согласуется с результатами оптимизации состава разрабатываемого ПКМ по его износостойкости. С учетом названных положений для уплотняющих элементов разрабатываемого ГУ было принято следующее содержание компонентов: углеродное волокно - 4,0 масс.%, СКГ - 8,0 масс.%, остальное - ПТФЭ. Такое решение принято с учетом влияния наполнителей как на механические свойства и износостойкость ПКМ, так и на структуру полимерной матрицы.

Повышение механических свойств и износостойкости ПТФЭ связано со структурно-фазовой модификацией полимера при введении различных наполнителей-модификаторов. Поэтому исследование закономерностей структурно-фазовой модификации ПТФЭ помогает изучить и понять физические причины изменения свойств ПТФЭ и взаимосвязь между изменением структуры и свойств модифицированного ПТФЭ.

На первом этапе исследований изучали влияние содержания скрытокристаллического графита на фазовый состав и параметры надмолекулярной структуры. С этой целью снимали рентгенограммы с поверхностей образцов с различным содержанием СКГ. Рентгенограммы отражают аморфно-кристаллическую структуру ПТФЭ и содержат основную полезную информа-

цню в области углов дифракции 2 0 = 1СР-ЗСР. Содержание кристаллической фазы характеризуется параметрами кристаллических пиков, а доля аморфной фазы определяется площадью аморфного гало. Параметры надмолекулярной структуры: степень кристалличности %, параметры псевдогексагональной решетки а и с, среднее межслоевое расстояние в аморфной фазе Сщ,, размер блоков кристаллитов О, рассчитанные по рентгенограммам, приведены в таблице 2.

Полученные результаты показывают, что параметры кристаллической решетки «а» и «с» остаются постоянными (изменения параметров в пределах погрешности). Существенное влияние введение С КГ оказывает на соотношение кристаллической и аморфной фаз и на среднее межслоевое рас стояние сш. С увеличением содержания С КГ оба параметра уменьшаются. При этом первый имеет минимальное значение в интервале 10-15 масс.%, а второй - при 15 масс.%.

Таблица 2

Параметр Концентрация С КГ, масс.%

1 3 5 10 15 20

а, нм 0,56 0,56 0,56 0,56 0,56 0,56

с, нм 1,47 1,47 1,47 1,47 1,47 1,47

Сам, НМ 1,61 1,58 1,56 1,56 1,55 1,57

у, % 66 62 56 54 54 64

Д нм 55 60 60 55 60 55

Эти результаты не согласуются с результатами работ, выполненных ранее под руководством Ю.К.Машкова, по исследованию структурной модификации ПТФЭ волокнистым наполнителем. Начиная от исходной структуры, степень кристалличности % при введении УВ увеличивается от 53 до 64%, достигая максимума при 10 масс.% наполнителя. Среднее межслоевое расстояние с^ = 1,67 нм в чистом ПТФЭ при введении углеродного волокна в количестве 6 масс.% уменьшается до 1,53 нм и при дальнейшем увеличении концентрации остается неизменным. Параметры кристаллической решетки во всем интервале концентраций остаются постоянными и равными а = 0,565 нм, с = 1,62 нм. Размер кристаллитов, рассчитанный по полуширине основного дифракционного пика, Э = 64 нм.

Различие механизмов структурной модификации ПТФЭ дисперсными и волокнистыми модификаторами определяется, по нашему мнению, масштабным фактором - существенной разницей в размерах частиц наполнителей. Большая длина частиц волокон предопределяет их расположение в аморфной фазе с неупорядоченным расположением макромолекул и исключает их влияние на параметры кристаллической ячейки. Подтверждением этому являются полученные значения параметров о = 0,56 нм и с = 1,62 нм модифицированного углеродным волокном ПТФЭ, совпадающие в пределах погрешности с величинами этих параметров для чистого ПТФЭ. В то же время при исследовании

ПТФЭ, модифицированного ультрадисперсным СКГ, получено значение с = 1,47 нм- на 9,3% меньше, чем у чистого ПТФЭ. Столь значительное уменьшение длины связи С — С в основной цепи макромолекулы ПТФЭ свидетельствует о том, что часть ультрадисперсных частиц СКГ располагается непосредственно в кристаллической фазе, искажая кристаллическую решетку полимера. Уменьшение параметра с решетки может приводить к уменьшению размера кристаллитов. Подтверждением этому выводу служит полученное усредненное значение параметра О — 57,5 нм, в то время как для чистого и наполненного углеродным волокном ПТФЭ параметр О = 64 им или на 11,5% больше.

На следующем этане исследовали структурно-фазовую модификацию ПТФЭ комплексными волокнисто-дисперсными наполнителями (ультрадисперсный СКГ + измельченное УВ + Мо82). Для исследования механизма структурной модификации изготавливали образцы с содержанием наполнителей в области значительного и противоположного влияния на степень кристалличности: УВ - 3,0%; СКГ - 6-8%; МоБ2 - 1,25-1,75%.

С целью изучения влияния трения на структурно-фазовое состояние модифицированного ПТФЭ снимали и анализировали рентгенограммы исходных и подвергнутых трению (деформированных трением) поверхностей образцов. В таблице 3 приведены результаты расчета названных параметров надмолекулярной структуры в исходном состоянии и после испытания трением.

Таблица 3

№ образца а, нм с, нм 3 V, нм Сам, НМ Х.%

1 0,567 1.618 452 1,630 64,0

0,567 1,611 449 1,613 61,9

2 0.567 1,613 444 1.678 59,5

0,567 1,620 451 1,703 56,9

3 0.568 1,611 450 1,660 66,1

0,567 1,620 451 1,689 53,6

4 0.567 1,616 450 1.637 64.4

0,567 1,616 450 1,628 62,4

В числителе приведены значения параметров в исходном состоянии, в знаменателе - после испытания трением.

Приведенные результаты показывают, что параметры кристаллической решетки, а, следовательно, и ее объемы в пределах погрешности можно считать одинаковыми для всех четырех композиций. Среднее значение размера кристаллитов составило 52,5 нм, межслоевого расстояния аморфной фазы сш 1,651 нм. Изменение степени кристалличности от образца к образцу составляет 10%, а среднее значение равно 63,5%. При этом наибольшую степень кристалличности 66,1% имеют образцы, содержащие наибольшее суммарное количество нанолнителей.

Анализ всех экспериментальных данных по влиянию различных наполнителей на фазовое состояние и параметры надмолекулярной структуры показывает, что при модифицировании комплексным наполнителем реализуется отличный от рассмотренных механизм структурной модификации. Результаты рентгеноструктуриого анализа позволяют высказать предположение о развитии процессов структурной самоорганизации в многокомпонентной системе в условиях термообработки при нагреве спрессованной композиции выше температуры плавления кристаллической фазы и последующего медленного охлаждения. Результатом кооперативного самосогласованного развития адсорбционно-ориентациопных процессов самоупорядочения является формирование аморфно-кристаллической надмолекулярной структуры с уменьшенным размером кристаллитов с усредненным значением D = 52,5 нм, что на 18% меньше размера кристаллитов чистого и модифицированного усредненным волокном ПТФЭ.

Фрикционное взаимодействие поверхности образцов с металлическим конгртелом сопровождается деформированием поверхностного слоя и повышением температуры в зоне трения.На рентгенограммах поверхностей трения наблюдается второе более размытое аморфное гало в области углов дифракции 2 О = 4(f-55°. Кроме того, в отличие от рентгенограмм исходных поверхностей отсутствуют рефлексы, принадлежащие графиту (углероду) и дисульфиду молибдена. Данные таблицы 3 показывают, что параметры решетки и ее объем в процессе трения не изменяются. Закономерностей в изменении размеров кристаллитов также не наблюдается. Их средние значения остались в пределах 50-55 нм. В то же время значительно изменились в сторону уменьшения площади под рефлексами кристаллической фазы, что свидетельствует об уменьшении степени кристалличности полимерной матрицы.

Таким образом, деформирование поверхностного слоя образца многокомпонентного ПКМ при трении вызывает снижение степени кристалличности полимерной матрицы в отличие от ПКМ двухкомпонентной системы ПТФЭ + ультрадисперсный СКГ, фрикционное взаимодействие которой приводит к увеличению степени кристалличности ПТФЭ. Вторая особенность структурно-фазового состояния многокомпонентного ПКМ после испытания трением состоит в том, что несмотря на деформирование поверхностного слоя, на рентгенограммах не наблюдается уширения рефлексов при снижении их интенсивности. Эго свидетельствует о том, что при трении в кристаллитах не возникают микроискажения решетки 2 рода или фрагментация блоков мозаики - размеров кристаллитов, а происходит уменьшение размеров кристаллических областей и, следовательно, степени кристалличности. Третья особенность изменения надмолекулярной структуры многокомпонентной системы при трении связана с появлением второго аморфного гало со средним межслоевым расстоянием d/n — 0,227 нм, что говорит о локальном упорядочении в аморфной фазе по связям C-F.

В исследуемой системе ПТФЭ + УВ + СКГ -t MoS2 общее упорядочение в аморфной фазе, как и в других системах на основе ПТФЭ, характеризуется средним межслоевым расстоянием Но в отличие от других систем, иссле-

дуемая система имеет значение сы, близкое к значению параметра с кристаллической решетки, который отвечает химической связи С - С в основной цепи макромолекулы ПТФЭ. Это обстоятельство говорит в пользу упорядочения основных цепей макромолекул, что, в свою очередь, создает благоприятные условия для упорядочения по связям С - Р, что подтверждается появлением второго аморфного гало на рентгенограммах с поверхностей трения.

Рассмотренные особенности структурно-фазовой организации надмолекулярной структуры ПТФЭ, модифицированного дисперсным и волокнистым наполнителями, и ее изменения в процессе трения создают условия для проявления синергетических эффектов самоорганизации структур, отличающихся повышенной износостойкостью.

В четвертой главе приведены результаты разработки и исследования герметизирующего устройства опорного катка ходовой части. Успешное решение этой задачи возможно на основе правильного учета особенностей механизмов герметизации и трения в металлополимерной трибосистеме «уплотняемая поверхность металлического вала (оси) - уплотняющий элемент из полимерного материала (эластомер, пластмасса)».

Для обеспечения герметичности при низком давлении рабочей среды уплотняющая поверхность элемента из разработанного композиционного материала должна прижиматься к шероховатой поверхности вала контактным давлением рко не менее 0,1 МПа. Поэтому контактное давление рко является основным расчетным параметром при конструировании ГУ. Величину рко в первом приближении рассчитывали по эмпирической формуле, учитывающей геометрические параметры уплотняющего элемента и физико-механические свойства материалов.

Для уточненного расчета величины контактного давления, задаваемого величиной деформации силового элемента - резинового кольца, использовали уравнения, полученные в работах А.А.Мерзлякова и 10.К.Машкова при решении задачи напряженно-деформированного состояния в термоупругом приближении для двух колец различного сечения, которыми моделируются уплотняющий и силовой элементы герметизирующего устройства. Для рк0 получено уравнение

£, ъщ-щ Е1 г^щ -г2щ г2

Рко У\ . 2 2., 2 2'*

1-У, Гг -Г, 1 +V, Гг — Г( Г{

Выражение для контактного давления рк0 на уплотняемую поверхность вала имеет обобщенную форму и позволяет учитывать влияние давления рабочей среды р1, температуру, предварительную деформацию уплотняющего и силового элементов, упругие свойства материалов Ей V/, а также конструктивные параметры уплотняющей манжеты г1 и г2. На рисунке 3 показаны расчетные зависимости рк0 от величины деформации губки для трех значений температуры в зоне трения. Из них следует, что расчетное значение рт = 1,2 МПа, необходимое для обеспечения герметичности, при повышении температуры на 60 °С приводит к

увеличению рко на 0,4 МПа, т.е. примерно на 30%, и будет способствовать повышению степени герметичности уплотнения.

Конструкция разработанного ГУ показана на рисунке 4. При его разработке с целью устранения недостатков серийной конструкции реализованы следующие положения:

- исключена работа на трение для резиновых элементов;

- трущиеся уплотнительные элементы выполнены из разработанного ПКМ на основе ПТФЭ, обладающего более высокими триботехническими и постоянными физико-механическими свойствами;

- конструкция обеспечивает компенсацию погрешностей изготовления деталей и монтажа устройства за счет длинной и тонкой уплотняющей губки и резиновых компенсаторов на корпусе ГУ.

р.

и 2.0 и 1.0

1=1 Лг&р.

У,

0 0.15 0.25 0.35 0.45 и,«

Рис. 3. Зависимости контактного давления Рис. 4. Конструктивная схема комбинированного от радиального натяга (деформации) герметизирующего устройства:

при различных температурах 1 - ушютнителышй элемент; 2 - ушютнительная

губка; 3 - эспандер; 4 - кольцо жесткости; 5-крышка; 6-второе у плотнит ельное кольцо; 7 - корпус ГУ; 8 - компепсаторы.

Работоспособность и ресурс разработанного ГУ проверяли и оценивали комплексом лабораторных и эксплуатационных испытаний. На первом этапе проводили ускоренные испытания при трех различных скоростях скольжения уплотняющей поверхности манжеты, соответствующих скоростям движения машины от 25 до 50 км/ч. Получены кинетические зависимости массового износа манжет (рис. 5), по которым рассчитаны скорости изнашивания для установившегося режима трения и изнашивания (рис. 6).

Дт„хЮ"*, г

08 <¥> 04 ер О

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 1, ч

Рис. 5. Кинетические зависимости износа манжет:

1-у =1,0м/с-, 2 - V - 7,5 м/с; 3 - V = 2,0м/с.

1х1(Г г/ч

0,8 0,6 0,4 0

У

1,0 1,5 2,0 Урн/с

Рис. 6. Зависимость скорости изнашивания манжет ог скорости скольжения

Предельно допустимый радиальный износ манжеты по условиям обеспечения контактного давления и герметичности составляет 0,6 мм по внутреннему диамегру, что соответствует массовому износу 0,03 г. Имея экспериментальные данные о скорости изнашивания манжет, можно прогнозировать, что предельный износ будет получен при пробеге машины 18500 км независимо от скорости движения.

Второй этап испытаний ГУ проводился на стенде-имитаторе с целью проверки работоспособности устройства при работе в условиях, близких к условиям эксплуатации. Испытание проводили в течение 200 ч при скорости скольжения манжет 1,0 м/с, что соответствует пробегу машины 5000 км. Анализ состояния рабочих поверхностей манжет показал, что они имеют нормальную приработку, находятся в хорошем состоянии и пригодны к дальнейшим испытаниям. Манжеты обеспечили герметичность внутренней полости, наличие абразива в них не обнаружено.

Третий этап испытаний - ходовые испытания разработанного ГУ в составе танка Т-80 проводили в жестких условиях эксплуатации. В процессе испытаний неисправностей или отказов по вине ГУ ступиц опорных катков не наблюдалось, что подтверждает результаты стендовых испытаний и позволяет сделать вывод о высокой работоспособности и надежности разработанного герметизирующего устройства.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. На основе анализа неисправностей и отказов герметизирующих устройств ступиц опорных катков в условиях эксплуатации получены количественные характеристики надежности серийной конструкции уплотнений, установлены физические причины отказов и определены пути повышения надежности и ресурса пневморессор.

2. Осуществлен выбор полимерной осповы и разработан новый полимерный композиционный материал на основе ПТФЭ для уплотняющих элементов герметизирующего устройства ступицы опорного катка ходовой части, обладающий наибольшей износостойкостью в заданных условиях трения и изнашивания.

3. Изучено влияние ультрадисперсного скрытокристаллического графита на структуру и свойства модифицированного ПТФЭ, получены концентрационные зависимости механических и триботехнических свойств ПКМ. Методом ренттеноструктурного анализа исследовано влияние количества вводимого модификатора-СКГ на фазовый состав и параметры надмолекулярной структуры; установлено, что интервал концентраций минимальных значений параметров надмолекулярной структуры совпадает с интервалом минимальной скорости изнашивания и максимальных значений характеристик механических свойств ПКМ.

4. Разработан новый полимерный композиционный материал на основе ПТФЭ с применением комплексного паполнителя-модификатора (измельченное

углеродное волокно + ультрадисперсный скрытокристаллический графит), отличающийся более высокой износостойкостью. Оптимизация нового ПКМ методом крутого восхождения позволила определить состав ПКМ, обеспечивающий максимальную износостойкость и влияние компонентов на скорость изнашивания и механические свойства ПКМ.

5. Совместный анализ результатов исследования структурно-фазового состояния, механических и триботехнических свойств ПКМ показал, что повышение механических свойств и износостойкости ПКМ связано с изменениями фазового состава и параметров надмолекулярной структуры полимерной матрицы - изменение степени кристалличности и среднего межслоевого расстояния приводит к изменению скорости изнашивания, предела текучести и модуля упругости ПКМ; установлено, что влияние содержания волокнистых и дисперсных наполнителей на параметры надмолекулярной структуры модифицированного ПТФЭ не подчиняется правилу аддитивности.

6. В процессе трения и изнашивания изменяются структурно-фазовое состояние и параметры надмолекулярной структуры, происходит текстурирование поверхностного слоя - его структурная прнспосабливаемость, что способствует стабилизации низкого уровня трения и изнашивания.

7. Оптимизационными исследованиями установлено, что влияние содержания СКГ и МоБг на величину модуля упругости ничтожно мало, дисульфид молибдена не оказывает значимого влияния на скорость изнашивания ПКМ; оптимальное значение содержания углеродного волокна - 4,0 масс.% и скрытокри-сталлического графита - 7,0 масс.% обеспечивает минимальное значение скорости изнашивания ПКМ.

8. Разработана конструкция герметизирующего устройства ступицы опорного катка, содержащего уплотнительные элементы из разработанного композиционного материала и силовые элементы - эспандеры из резиновых колец, обеспечивающая постоянную смазку уплотняющих губок и увеличение контактного давления при увеличении давления рабочей среды и температуры, благодаря чему достигнуто значительное увеличение надежности и ресурса уплотнений.

9. Разработаны установки и методики стендовых испытаний герметизирующих устройств, обеспечивающие иммитацито эксплуатационных условий работы уплотнений и получение количественных оценок износостойкости и ресурса уплотнений ступицы опорного катка.

10. Результаты стендовых испытаний разработанного герметизирующего устройства позволяют прогнозировать увеличение ресурса уплотнений ступицы опорного катка до 18500 км пробега, что на 32% превышает установленный ресурс, и в 2-3 раза - фактическую наработку до отказа, обеспечиваемую серийной конструкцией уплотнения. Ходовые испытания опорных катков с разработанными герметизирующими устройствами ступиц в составе танка Т-80 в жестких условиях эксплуатации полностью подтверждают высокую надежность и работоспособность разработанной конструкции уплотнений, полученные в лабораторных условиях.