автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Повышение надежности и ресурса пневматической рессоры подвески боевых десантных машин

ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Дня служебного пользования

Леонтьев Анатолий Николаевич

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ И РЕСУРСА ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ РЕССОРЫ ПОДВЕСКИ БОЕВЫХ ДЕСАНТНЫХ МАШИН

05.02.04 - Трение и износ п машинах

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 ЛВН РФ, кандидат технических наук, доцент Кузнецов Э.А.

Официальные ошюненты: доктор технических наук,

профессор Грязно» Б.Т. кандидат технических наук, доцент Блесман А.И.

Ведущая организация: 38-ой научно-исследовательский испытательный институт бронетанкового вооружения и техники.

Защита состоится « 24_ » июня 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 по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОмГТУ.

Автореферат разослан « /¿>> 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

к. ф. м. н., доцент

В.И.Суриков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из важнейших характеристик функциональной эффективности боевых машин десанта (БМД) является их высокая подвижность, которая наряду с огневой могцыо и защищенностью характеризует их технический уровень. При этом, потенциально высокие скоростные возможности машин обеспечиваются, главным образом, мощной силовой установкой и рациональным типом трансмиссии. Однако, реализация скоростных качеств, особенно в условиях пересеченной местности и бездорожья, в определенной степени зависит от совершенства конструкции подвески и гусеничного движителя.

В этой связи, задача совершенствования конструкции подвесок БМД с целью повышения их надежности и ресурса является одной из актуальных научно-технических задач трибологии и машиностроения. В решении этой задачи ведущая роль отводится разработке и применению эффективных гидропневматических подвесок. Однако в процессе эксплуатации выявляются серьезные недостатки этого типа подвесок, связанные, в основном, с нерешенностью проблемы обеспечения герметичности газовой и жидкостной полостей пневморессор, поскольку потеря герметичности является главной причиной возникающих параметрических отказов подвески. Решение этой проблемы находится на стыке нескольких наук: физики, химии, материаловедения, трибологии, поскольку механизм герметизации обусловлен не только механическим взаимодействием контактирующих поверхностей, но и процессами трения и изнашивания материала уплотнений в зоне контакта, связанными с физико-химическими процессами старения и изнашивания материалов в процессе эксплуатации при контакте с различными средами.

Уплотнение поршня-разделителя для газовой и жидкостной полостей пневматической рессоры подвески боевых десантных машин выполнено в виде колец овального сечения из высокоэластичното резинового материала с фторопластовыми защитными шайбами. Этот тип уплотнения конструктивно довольно прост, но имеет ряд недостатков. Данные конструкция и материал уплотнения не обеспечивают требуемого ресурса вследствие большой работы трения при высоких значениях давления, а также вследствие процессов изнашивания и старения с необратимыми изменениями свойств эластомеров. Названные процессы и особешюсти свойств эластомеров существенно снижают надежность поршня-разделителя пневморессоры, приводя к ухудшению динамических характеристик подвески вследствие недопустимо больших перетечек через уплотнение, приводящих к возникновению параметрических отказов.

Анализ конструкции, условий эксплуатации и физических причин потери герметичности уплотнений поршня-разделителя показал, что для

устранения названных недостатков и повышения надежности пнсвмонодвескн машин необходимо разработать и применить новый композиционный материал для уплоткитслъных элементов и новую, Солее совершенную конструкцию уплотнения поршня-разделителя. Новый материал должен иметь высокие 1рибогехнические свойства и длительно сохранять их в условиях эксплуатации. При этом необходимо изучить совокупность взаимосвязанных механизмов герметизации, трения и изнашивания сопряженных полимерных и металлических поверхностей пневмоцилиндра пневморессоры подвески.

Целью работы является повышение износостойкости и срока службы уплотнений поршня-разделителя пневморессоры при сохранении заданной степени герметичности путем разработки нового полимерного композиционного материала (Г1КМ) и более совершенной консгрукции комбинированного уплотнения с силовым и уплотняющим элементами на основе исследования закономерностей физико-химических процессов модификации структуры и свойств наполненного политетрафторэтилена (ПТФЭ) в условиях производства и эксплуатации уплотняющих элементов.

Научная новизна работы определяется следующими результатами:

1. Впервые исследовано влияние содержания ультрадисперсного скрытокристаллкческого графита на механические и триботехнические свойства ПКМ на основе ПТФЭ; установлено, что кондентрациошше зависимости свойств имеют экстремальный характер с совпадающими по концентрации интервалами минимальной скорости изнашивания и прочности ПКМ при сжатии.

2. Установлено, что ульградисперсный скрытокристаллический графит проявляет структурно-активные свойства при введении в ПТФЭ и вызывает существенное изменение надмолекулярной структуры полимера; концентрационные зависимости степени кристалличности и среднего межслоевого расстояния в аморфной фазе имеют экстремумы в интервале концентраций, совпадающие с экстремумами на зависимостях прочности и износостойкости.

3. Установлено влияние фрикционного взаимодействия ПКМ со стальным контртелом на структурно-фазовое состояние и характер концентрационных зависимостей параметров надмолекулярной структуры (степени кристалличности, среднего межслоевого расстояния) полимерной матрицы ПКМ, связанных со структурированием и трибоприспосабливаемостью ПКМ.

4. Разработали методика и установка дня проведения лабораторных стендовых испытаний исследуемых комбинированных уплотнений на надежность, обеспечивающие имитацию условий работы уплотнений в

эксплуатации и ускоренный режим испытания уплотнений в составе пневморессоры подвески машины.

Практическая значимость полученных результатов.

1. Разработана конструкция комбинированных уплотнений поршня-разделителя пневморессоры с двумя уплотнительными элементами из нового полимерного композиционного материала на основе ПТФЭ, снабженными силовыми элементами - эспандерами, обеспечивающими необходимое контактное давление и герметичность уплотнений в течение заданного ресурса.

2. Разработан новый ПКМ на основе ПТФЭ с ультрадисперсным скрытокристаллнческим графитом, обладающий высокой износостойкостью и умеренной жесткостью, уровень которых задается в соотвегствии с условиями работы уплотнителъного элемента путем изменения концентрации наполнителя.

3. Разработанные ПКМ, конструктивная схема герметизирующего устройства и методика лабораторных ускорешвдх испытапий могут быть использованы для решения задач повышения надежности и ресурса уплотнений различных узлов трения ходовой части и силовых установок транспортных и других машин.

В диссертационной работе на защиту выносятся следующие научные положения и результаты:

1) конструкция комбинированного уплотнения герметизирующего устройства (ГУ) поршня-разделителя пневморессоры подвески с силовым и уплотняющим элементами, геометрия и установка которых обоснованы расчетом контактного давления на уплотняемой поверхности с учетом физшсо-механических свойств материалов уплотняющего и силового элементов;

2) новый полимерный композиционный материал па основе ПТФЭ для уплотняющих элементов ГУ, наполненный ультрадисперсным скрытокристаллнческим графитом, и концентрационные зависимости его механических и триботехнических свойств;

3) кинетическая зависимость износа уплотняющих элементов поршня-разделителя и прогноз ресурса пневморессоры с разработанным герметизирующим устройством;

4) концентрационные зависимости параметров надмолекулярной структуры полимерной матрицы, показывающие связь износостойкости разработанных ПКМ со ефуктурно-фазовым состоянием полимерной основы;

5) установленная закономерность структурной приспосабливаемое™ разработашюго ПКМ к условиям фрикционного взаимодействия с

металлическим контртслом, выражающаяся в изменении структурно-фазового состояния и структурирования полимерной основы ПКМ.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях: «Новые материалы и технологии на рубеже веков» г. Пеаза, 2000 г; «Дороги-2000», г. Брянск, 2000 г; на международном симпозиуме «Славянтрибо-5», г. Салк-Петербург, 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 семь печатных работ.

Структура диссертации. Диссертация содержит введение, четыре главы, выводы, список литературы, приложения. Работа изложена на 162 страницах основного текста, включая 55 рисунков, 15 таблиц и 4 приложения. Список литературы содержит 67 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность и цель работы, определены объекты и методы их исследования, а также положения, выносимые на загцту.

В первой главе диссертации приведен анализ конструктивных особенностей, теоретических и экспериментальных исследований условий работы, физико-механических и триботехнических свойств материалов металлополимерных трибосистем и методов повышения зриботехнических свойств материалов, применяемых для уплотнений поршня-разделителя пневморессоры.

Показано, что обеспечение герметичности подвижно сопряженных поверхностей деталей машин является одной из сложных научно-технических проблем и связано с необходимостью комплексного нодхода к данной проблеме, так как механизм уплотнитсльного действия обусловлен не только механическим взаимодействием контактирующих поверхностей, по и процессами трения и изнашивания материала в зоне контакта, а также физико-химическими превращениями материала в процессе эксплуатации при контакте с различными средами.

На основе анализа данных эксплуатации боевых мансин десанта показано, что уплотнение поршня-разделителя рассматриваемой

пневморессоры подвески не обеспечивает заданного ресурса вследствие износа и повреждений уплотнительных элементов в условиях значительного давления и скороста Еозвратно-поступательного скольжения. Анализ свойств эластомера, используемого для уплотнений поршня-разделителя пневматической рессоры, 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 эластичпости. 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 показатели надежности пневморессор подвесок находятся на недопустимо низком уровне и вероятность безотказной работы составляет 1'(0 =0,5 при пробеге машины 4500 км при заданном ресурсе 11000 км.

Разрешепие проблемы повышения надежности пневморессор, т. е. обеспечения герметичности уплотнений норшня-разделителя в течение установленного ресурса может 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 оптимальной конструкции уплотнителыюго устройства, позволяющего реализовать с наибольшей эффективностью свойства материала уплотняющего элемента.

Анализ физико-химических свойств полимеров различных типов показывает, что существенно уменьшить отрицательное влияние процессов старения возможно путем замены эластомеров пластмассами, которые обладают более высокой химической стойкостью. Наибольшую химическую стойкость имеет политетрафторэтилен (1ГТФЭ). Наряду с этим, ПТФЭ сохраняет работоспособность и не охрупчивается при низких и криогенных температурах, он имеет наилучшие антифрикционные свойства, а коэффициент начального трения практически не увеличивается со временем. Благодаря такому уникальному сочетанию свойств ПТФЭ можно считать лучшим материалом для полимерной матрицы ПКМ триботехнического назначения.

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

Существующее в нашей стране и за рубежом многообразие композиционных материалов объясняется тем, чгго невозможно создать универсальный материал, который удовлетворял бы разнообразным требованиям различных условий эксплуатации для различных узлов трения.

Изменение свойств ПКМ связано с изменением структурной организации на 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, содержащих волокнистые и дисперсные наполнители-модификаторы. Исследованию и разработке ПКМ на основе ПТФЭ посвящены работы Н.П.Истомипа, 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 триботехнических 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 и установить физические причины и характер проявления неисправностей, приводящих к параметрическому отказу пневморессоры;

2) определить предельные значения перетечек рабочей жидкости через уплотнения поршня-разделителя, приводящих к отказу ппевморессоры, и закон распределения отказов вследствие повышенных перетечек жидкости;

3) разработать методику исследования триботехнических свойств образцов разрабатываемых ПКМ, обосновать применение методики исследования их структуры и механических свойств пневморессоры;

4) определить эффективный наполнитель и исследовать влияние количества наполнителя на механические и триботехнические свойства разрабатываемого ПКМ;

5) исследовать влияние режимов трения на износостойкость ПКМ, определить оптимальный состав ПКМ для заданных условий работы поршневых уплотнений;

6) исследовать влияние количества наполнителей на параметры надмолекулярной структуры и фазовый состав ПКМ;

7) разработать конструкцию комбинировашюго уплотнения поршня-разделягеля с теоретическим обоснованием основных конструктивных параметров и учетом физико-механических свойств ПКМ;

8) разработать установку, методику и провести стендовые испытания пневморессоры с разработанной конструкцией уплотнений и получить экспериментальные данные о герметичности и износостойкости уплотнений для оценки надежности и прогноза ресурса разработанной конструкции;

9) разработать методику и проверить надежность разработанной конструкции уплотнений поршня-разделителя ходовыми испытаниями в условиях эксплуатации БМД.

Вторая глава посвящена описанию выбранных методов и средств экспериментального исследования структуры и свойств полимерных композиционных материалов, разработанной установки для исследования герметизирующих и триботехнических свойств металлополимерпых пар трения (уплотнений) в условиях, приближенных к условиям эксплуатации УПС поршня-разделителя пневморессоры.

В соответствии с целью и задачами работы экспериментальные исследования включали:

- исследование физико-механических свойств разрабатываемого ПКМ на основе ПТФЭ;

- исследование триботехнических характеристик ПКМ;

- исследование структурно-фазового состава ПКМ и параметров надмолекулярной структуры при различной концентрации наполнителя и трении;

- стендовые испытания разработанной конструкции уплотнения поршня-разделителя с определением параметров герметичности, износостойкости и надежности;

- натурные испытания разработанной конструкции уплотнения поршня-разделителя пневморессоры в составе транснортной машины.

С целью имитации условий работы поршня-разделителя при лабораторных испытаниях выполнено моделирование профиля неровностей трассы и совместно с расчетом кинематики и динамических характеристик элементов пневматической рессоры определен максимальный ход поршня-разделителя Б - 120 лш, скорость перемещения V - 0,113 м/с и диапазон изменения давления от ртт = 9,0 МП а до рт1Х - ¡4,7 МПа, соответствующие условиям ходовых испытаний.

При разработке полимерного композиционного материала для уплотнений поршня-разделителя, в качестве основных положений были приняты методические принципы создания новых материалов, обоснованные профессором Ю.К.Машковым:

1) максимально высокая прочность и жесткость материала для снижения деформаций под нагрузкой;

2) максимально высокая теплопроводность для увеличения диссипации и снижения накопления теплоты и понижения температуры в зоне трения;

3) максимальная теплоемкость для увеличения удельной энтропии (плотноста энтропии);

4) минимальная сила (коэффициент) трения с целью снижения производства теплоты и энтропии в трибосистеме.

Реализация названных технических требований при разработке ПКМ решалась путем выбора матрицы и наполнителей с высокой теплоемкостью и теплопроводностью, способствующих формированию прочных структур с высокими антифрикционными свойствами.

Механические свойства оценивались по трем параметрам: условному пределу упругости, условному пределу текучести и пределу прочности при сжатии. Испытание образцов проводили на разрывной машине Р-05 по стандартным методикам (ГОСТ 9550-81 и ГОСТ 12262-80). Методики обеспечивали получение данных с погрешностью не более 10%.

В качестве основного физического метода исследования структуры поверхностного слоя полимерных материалов был принят метод рештеноезруктурного анализа с помощью рентгеновского дифрактометра ДРОН-3 с использовшшем известных методик.

Полученные рентгенограммы расшифровывали по методике качественного анализа. Степень кристалличности полимерной матрицы определяли по методу Метьюза. Пщрешность оценки степени кристалличности ячейки составляет менее 2%, межслоевого расстояния аморфной фазы ПТФЭ - 5%. Параметр ячейки определялся по смещению центра тяжести кристаллического пика.

Триботехнические свойства разрабатываемого ПКМ: износостойкость (скорость и интенсивность изнашивания), антифрикционные свойства (коэффициент трения), зависимости скорости изнашивания от контактного давлениея исследовали на специальном стенде ( схема усгановкиыа рисунке 1).

, _ _ „ Рис. 2. Установка для стендовых испытанш

Рис. 1. Стенд для триботехнических испытании: , __ .__„__•• ____ _______

™ г „ _ 1 - станок; 2 — хронигтепн; 3 - задняя опора.

1 - подвижный стол; 2 - упорный подшипник; . - , _ .

. / , 4 - пнсвморессора; 5-шток; 6-поводок;

3- плита; 4 - станина; 5 - образен; 6 - _ „

, о „ 7- приводнои диск; 8 - поршень-разделител!

контртело; 7 - шпиндель ставка; а - упор; 9 —

тензобалка, 10 тешорезистор, 11 - блок

усилителя ТУ УТС-1-ВТ-12, 12 - осциллограф

Н П5-ТУ 25-04-306-73; 13 - шхивы; 14 - рычаг

На данном стенде реализуется торцовая схема трения «диск - втулка» без смазки в диапазоне скоростей скольжения от 0,5 до 1,5 м/с и контактного давления ог 0,5 до 2,0 МПа. После каждого испытания образцы взвешивались на весах ВЛР-200 с погрешностью не более 0,015 г. По

результатам испытаний определялась средняя массовая и линейная скорость изнашивания.

Комплексная оценка достигнутого уровня надежности и ресурса разработанной конструкции герметизирующего устройства порнпш-разделнтеля проводилась по результатам стендовых испытаний. Методика стендовых испытаний базируется на двух принципах: максимальная приближенность к условиям эксплуатации и необходимый и достаточный объем испытаний. Поэтому для проведения стендовых испытаний разработана специальная установка, которая позволяет воспроизводить (моделировать) кинематические и динамические характеристики поршня-разделителя ппевморессоры при ее эксплуатации (схема установки на рисунке 2). Методика испытаний предусматривала контроль утечек масла, изменения диаметральных размеров уплотнительных манжет из композиционного материала и величины износа, по которым производилась количественная оценка уровня надежности и прогноз ресурса разработанного уплотнения.

Окончательная проверка надежности и работоспособности УПС пневматической рессоры проводилась ходовыми испытаниями разработашшх поршней-разделителей, которые были установлены на одном борту в подвесках БМД в зимних условиях (температура окружающего воздуха до - 40 °С).

В третьей главе рассмотрены результаты исследования структуры, физико-механических и триботехпическнх свойств разрабатываемого ПКМ.

При разработке ПКМ с требуемыми свойствами в качестве полимерной основы был выбран ГГГФЭ как материал, способный сохранить вязкоупругие свойства при глубоких отрицательных и высоких положительных температурах при самой высокой химической стойкости и гидрофобности. Поскольку материал уплотняющих элементов при высокой износостойкости должен обладать малой жесткостью, в качестве наполнителя-модификатора был выбран дисперсный

скрытокристаллнческий графит, обладающий высоким значением удельной поверхности (до 70 м2/кг) и не проявляющий армирующего влияния на полимерную матрицу.

Механические свойства ПКМ исследовали в соответствии с методикой испытания для образцов с содержанием наполнителя от 3 до 30 масс. %. Средние значения исследуемых параметров (табл. 1) показывают, что в интервале концентраций 10-20 масс. % композиционные материалы имеют постоянные и максимальные значения характеристик механических свойств. При малых концентрациях наполнителя - до 10 масс. % характеристики повышаются, особенно условный предел упругости асу и предел прочности аср, а при больших концентрациях - более 20 масс. % характеристики незначительно снижаются. Эти результаты указывают на

п

существование области оптимального ' удержания наполнителя и критических точек, определяющих изменение механических свойств 1ЖМ.

Таблица 1

Характеристики механических свойств ПКМ

Обозначение композиционного материала сг,, АШа стст, МНа сгср, МПа

Ф4СКГЗ 7,5 13,5 29,0

Ф4СКГ5 10,5 13,8 30,8

Ф4СКГ7 12,0 14,2 37,2

Ф4СКГ10 12,8 16,5 35,3

Ф4СКГ15 12,9 16,2 35,8

Ф4СКГ20 13,0 16,5 36,0

Ф4СКГ25 13,5 15,0 33,2

Ф4СКГ30 15,0 15,1 30,9

Характеристики триботехнических свойств образцов из ПКМ с содержанием наполнителя в том же диапазоне концентраций приведены на рисунке 3. Область минимальных значений скороста изнашивания (24-28) х КГ* г/ч находится в интервале концентраций 7-20 масс.%. В области малых концентраций (2-7%) при увеличении содержания СКГ наблюдается резкое, примерно в 7 раз, снижение скорости изнашивания.

их 10

и* 10 , г/ч

0,15

0,10

0,05

40

20

У

2 № Г

Л 1 ___

С, масс%

О

0,5

1,0

1,5

2,0 РМ[

Рис. 3 Концентрационные зависимости:

1 — скорость изнашивания;

2 - коэффициент трения;

Рис. 4 Зависимости скорости изнашивания от контактного давления для ПКМ:

1 - содержание наполнителя 10% ;

2 - содержание наполнителя 20%

Следовательно, зависимость 17 / ( С ) имеет область минимальных и практически постоянных значений скорости изнашивания, совпадающую с областью максимальных значений механических свойств - предела прочности и условного предела текучести. Также можно говорить о

существовании области минимальных значений коэффициента трения в интервале клщентраций наполнителя от 10 до 30 масс. %.

Зависимости скорости изнзлпхваняя от давления V / ( Р) (рис. 4) показывают, что в интервале концентраций от 10 до 20 масс. % скорость изнашивания практически пропорциональна величине контактного давления.

С целью изучения физических причин полученных закономерностей изменения механических и триботехнических свойств ПКМ исследовали влияние содержания наполнителя на структурно-фазовое состояние ПКМ. При этом снимали рентгенограммы исходных и подвергнутых трению образцов ПКМ с различной концентрацией СКГ. Рентгенограммы исходных поверхностей отражают аморфно-кристаллическую структуру ГТГФЭ и показывают, что СКГ как самостоятельная фаза регистрируется при концентрации 7 масс. % и выше. Концентрационные зависимости степени кристалличности и среднего межслоевого расстояшгя приведет! на рисунках 5, 6.

Полученные данные показывают, что степень кристалличности имеет минимальное и практически постоянное значение в интервале концентраций 10-20 масс.%, а среднее межслоевое расстояние - при 15 масс. %. При этом степень кристалличности резко возрастает при увеличении концентрации от 20 до 25 масс. %, достигая максимального значения 65% при концентрации 30 масс. %.

Рентгенограммы образцов, прошедших испытания трением, свидетельствуют о существенном влиянии фрикционного взаимодействия на организацию и параметры надмолекулярной структуры. Характер концентрациошшх зависимостей позволяет сделать вывод о том, что в результате фрикционного взаимодействия степень кристалличности и среднее межслоевое расстояние в аморфной фазе увеличиваются. При этом влияние концентрации модификатора на среднее межслосвос расстояние в значительной степени нивелируется.

Сам.нм 1,62

1,60

1,58

1,56 1,54

—О—у

1 ^

24 С масс,%

Рис. 5. Концентрационные зависимости степени кристалличности: 1 - исходная поверхность; 2 -поверхность после трения,

0

16

24 С масс,%

Рис. 6. Концентрационные зависимости среднего межслоевого расстояния: 1-исходная поверхность; 2 - поверхность после трения;

Результаты рентгеноструктурных исследований показывают, что влияние СКГ на структуру ПТФЭ проявляете^, прежде всего, в изменении структурной организации аморфной фазы, вызывая изменение среднего межслоевого расстояния и перехода части аморфной фазы в кристаллическую благодаря структурно-активным свойствам СКГ. В зависимости от концентрации СКГ возможно формирование надмолекулярной структуры различного фазового состава. При концентрации менее критической (7 масс.%) в процессе холодного прессования и спекания образуется двухфазная аморфно-кристаллическая структура модифицированного ПТФЭ, а ультрадисперсяые частицы СКГ неупорядоченно располагаются в аморфной фазе и не влияют на параметры кристаллической ячейки. Введение более 10 масс. % СКГ приводит к формированию сложной структуры, содержащей аморфную и кристаллическую фазы ПТФЭ, кристаллическую фазу СКГ и межфазный слой, покрывающий кристаллиты графита.

Анализ результатов экспериментальных исследований влияния ультрадисперсного скрытокристаллического графита на структуру и свойства ПКМ показывает, что максимальной износостойкостью и прочностью обладают ПКМ при концентрации наполнителя от 7 до 20 масс. %. ■ При этом параметры надмолекулярной структуры (степень кристалличности, среднее межслоевое расстояние) имеют минимальные значения. Принимая во внимание, что материал уплотнителышх элементов наряду с высокой износостойкостью должен обладать сравнительно невысокой жесткостью, для изготовления уплотнительных элементов поршня-разделителя был выбран ПКМ с содержанием 7-8 масс. % ультрадислерсного СЮ'.

В четвертой главе приведены результаты расчета и разработки комбинированного уплотнения поршня-разделителя, результаты стендовых и ходовых испытаний разработанного поршня-разделителя и оценки параметров достигнутой надежности и ресурса.

На основании анализа причин параметрического отказа определен его диагностический признак - объем утечек масла из гидравлической полости в пневматическую. Показано, что механизм герметизации уплотнения при возвратно-поступательном движении уплотняемого поршня, изготавливаемого из мягких пластмасс, определяется, прежде всего, природой их деформационных характеристик. Для ПТФЭ деформационные процессы характеризуются относительно малой областью упругих деформаций (5-8%), большой областью вынужденной эластической деформации, зависимостью модуля упругости от скорости деформирования и температуры. В статике происходит: контактирование относительно мягкой поверхности уплотняющей губки из модифицированного ПТФЭ (Н = 35-40 МПа) с поверхностью цилиндра, имеющего параметры шероховатости на уровне Яа - 0,16 - 0,32 мкм. При контактном давлении рк

> Я развивается пластическая деформация, и контактная поверхность унлогнительной губки принимает форму микронеровностей поверхности цилиндра, заполняя впадины микронеровностей.

Деформируемость поверхности контакта уплотнения из модифицированного ГГТФЭ зависит от соотношения его твердости II и контактного давления рк, которое является основным расчетным параметром конструкции уплотнения, определяюпшм условия смазки, трения, изнашивания уплотняющего элемента, степени герметичности и ресурса уплотнения. Разработанная схема и конструкция комбинированного уплотнения (рис. 7) обоснованы механизмами герметизации, трения и изнашивания мегаллонолимерных трибоеистем, учитывающими особенности контактирования и трения относительно мягкого полимерного уплотнителя по сравнению с шероховатым металлическим контртелом. На уплотняющий элемент 3 (уплотняющая губка уплотнительпого кольца 1) действует давление р1 упругих сил силового элемента 4 (резиновое кольцо), которое создает на уплотняющей губке среднее контактное давление р„, при давлении рабочей жидкости р -- 0. р

МПа"' 2.5 .

Рис. 7. Схема комбинированного уплотнения поршня-разделителя: 1 - кольцо из ИКМ; 2 - поршень -разделитель; 3 - уплотняющий элемент; 4 - кольцо резиновое; 5 —цилиндр

О 0.15 0.25 0.35 0 45 и,, мм

Рис 8. Зависимости контактных давлений от радиального натяга б'/Ркв-давление на внутренней поверхности, Ркн- на наружией поверхности уплотняющего элемента

Для расчета зависимости контактного давления между уплотняющей губкой уплотнительного кольца и уплотняемой поверхностью цилиндра от деформации силового элемента использовали аналитическое решение задачи напряженно-деформированного состояния для комбинировашюго уплотнения типа «кольцо - кольцо», полученное А.А.Мерзляковым и Ю.К.Машковым. Использование аналитических решений позволяет на этапе проектирования уплотнительного устройства, исходя из условий эксплуатации и требований к герметичности, рассчитать контактные давления на уплотняемых поверхностях (рис. 8), определить основные конструктивные параметры уплотнений с учетом свойств материалов,

применяемых в данной конструкции. В соответствии с результатами расчета были сконструированы и изготовлены комбинированные уплотнения поршня-разделителя с раздельными силовыми и уплотняющими элементами.

Испытания опытных образцов разработанной конструкции поршня-разделителя проводились на стенде-имитаторе. Продолжительность испытания определена в 200 ч, что эквивалентно 7200 км пробега машины. В ходе испытания контролировались объемы перетечек жидкости, действительные диаметральные размеры уплотнительных элементов и масса поршней-разделителей. Полученные зависимости D = f(S) и AmfS) (рис. 9, 10) имеют нелинейный характер, максимальное изменение диаметра уплотнительных колец, в среднем, составило 0,2 мм, а массовый износ -0,031 г. При этом все 10 поршней-разделителей сохранили работоспособность и имели значительный запас по допустимым утечкам. Уменьшение диаметров колец (натяга) обусловлено релаксационными процессами в силовом элементе (эспандере) - 65-70% и остальное - износом ушюиштельной губки колец из ПКМ. При допустимой величине износа 0,2 мм полученная скорость изнашивания позволяет прогнозировать увеличение ресурса гшевморессоры по пробегу машины не менее, чем в 3 раза, а отсутствие отказов за время испытаний показывает, что вероятность безотказной работы при пробеге 7200 км, согласно методике, превышает 0,95.

Рис. 9. Зависимость диаметральных размеров Рис. 10. Зависимость износа

уплотнения поршней-разделителей от наработки уплотнительных манжет от наработки

С целью окончательной оценки работоспособности и надежности разработанных уплотнений поршня-разделителя пневмоподвески проведены

эксплуатационные ходовые испытания разработанного поршня-разделителя на БМД-1. За время испытаний неисправностей или отказов по вине поршня-разделителя подвески не наблюдалось. В целом, получеппые результаты стендовых и ходовых испытании разработанных поршней-разделителей показали их высокую работоспособность и надежность в условиях эксплуатации, что подтверждает высокую эффекгивность разработанной конструкции и стабильность физико-механических свойств материалов уплотнений поршня-разделителя пневморессоры.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. На основе анализа неисправностей и отказов Пневморессорь; подвески БМД в условиях эксплуатации получены количественный характеристики надежности серийной . конструкции пневморессор установлены физические причины отказов пневморессоры и определены пуги повышения надежности и ресурса пневморессор.

2. Осуществлен выбор полимерной основы и разработан новый полимерный композиционный материал на основе ПТФЭ для уплотняющих элементов герметизирующего устройства поршня-разделител^ пневморессоры, обладающий наибольшей износостойкостью в заданных условиях трения и изнашивания.

3. Изучено влияние ультрадисисрсного скрытокристалличсского графита на структуру и свойства модифицированного ПТФЭ - полимерного композиционного материала, получены концентрационные зависимости механических и триботехнических свойств ГЖМ, установлено, что а интервале 7-20 масс.% содержания СКГ скорость изнашивания имеет минимальное и практически постоянное значение, а механические свойство (предел прочности и предел текучести при сжатии) в этом же интервале концентраций наибольшие значения параметров.

4. Методом рештеноструктурнош анализа исследовано влияние количества вводимого модификатора-СКГ на фазовый состав и параметры надмолекулярной структуры, установлено, что с увеличением концентрации СКГ степень кристалличности и среднее межслоевое расстояние в аморфной фазе ПТФЭ уменьшаются, при этом интервал концентраций минимальны» значений названных параметров совпадает с интервалом минимальной скорости изнашивания ПКМ. Параметры гексагональной кристаллической ячейки не зависят от концентрации паполнителя-модификатора самостоятельная кристаллическая фаза СКГ регистрируется при концентрациях 7 масс. % и более.

5. Совместный анализ результатов исследования струкгурно-фазового состояния, механических и триботехнических свойств ПКМ показывает, что повышение механических свойств и износостойкости ПКМ связано с-изменениями фазового состава и параметров надмолекулярной структуры

полимерной матрицы - уменьшение степени кристалличности и средне) межслоевого расстояния соответствуют снижению скорости гонашиваш ПКМ; в процесс трения изменяются параметры надмолекулярной структур] происходит текстурирование поверхностного слоя - его струкхурн; приспосабливаемость, что способствует стабилизации низкого трения v изнашивания.

6. Разработана конструкция герметизирующего устройства поргпн разделителя, содержащего уплотнительные элементы из разработанно1 композиционного материала и силовые элементы экспандеры из резиновь колец, обеспечивающая постоянную смазку уплотняющих губок и увеличение контактного давления при увеличении давления рабочий сред (жидкости и газа), благодаря чему достигнуто значительное увеличен! надежности (вероятности безотказной работы) и ресурса пневморессоры.

7. Разработаны установка и методика стендовых исныташэ пневморессор, предусматривающая иммитацию эксплуатационных условя работы поршня-разделителя и получение количественных оценок надежное! и износостойкости уплотнений поршня-разделителя.

8. По методике стендовых испытаний пневморессор на надежной получены количественные оценки надежности и ресурса порщня-разделите; с разработанными уплотнениями и всей пневморессоры; установлен существенно повышение надежности (вероятность безотказной работ разработанной конструкции более 0,95 против 0,55 для серийной щ наработке 7200 км), получены количественные характеристики процессс релаксации и старения силовых элементов - резиновых колец и изнашиваш унлотнительных элементов, которые позволяют прогнозировать увеличен! заданного ресурса пневморессоры по пробегу машины не менее, нем в тр раза.

9. Ходовые испытания пневморессор с разработанными поршням! разделителями в составе БМД в жестких условиях эксплуатации полиосты подтверждают высокую надежность и работоспособность разработанис конструкции поршня-разделителя, полученные в лабораторных условиях.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ

1. Машков Ю.К., Калистратова Л.Ф., Леонтьев АН., Овчар 3.1 Исследование структуры и износостойкости политетрафторэтилен модифицированного скрытокристаллическим графитом II Прикладные задач механики. Сб. науч. тр. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 1999, с. 134-137.

2. Машков Ю.К., Леонтьев А.Н., Мамаев O.A. Повышение надежност герметизирующих устройств специальных транспортных машин И Омски научный вестник, 2000, № 7.

3. Машков Ю.К., Калистратова Л.Ф., Леонтьев А.Н., Мамаев О.Л. Структурная модификация полимерного композиционного материала jiQ основе политетрафторэтилена // Омский научный вестник, 2С00, № 7.

4. Машков Ю.К., Леонтьев Л.Н., Мамаев О.Л. Повышение надежности и ресурса герметизирующих устройств ходовой часта транспортных машин// Тезисы докладов международной научно-технической конференции «Дороги-2000» - Брянск: 2000.

5. Машков Ю.К., Калистратова Л.Ф., Леонтьев А.Н., Овчар З.Н-Исследование структуры и износостойкости модифицированною политетрафторэтилена / Сборник трудов международного симпозиума «Славянтрибо-5». - С-Пегербург, 2000.

6. Машков Ю.К., Кузнецов Э.А., Леонтьев А.Н., Мамаев О.А Повышение надежности подвески специальных транспортных машин. Ипа. Б415, дата деп. 05.04.00, № 10863, СРДР, сер. Б, вып. 51,2000 г.

7. Машков Ю.К., Леонтьев А.Н., Мамаев O.A., Аппинг Г.А.. Новке полимерные композиционные материалы па основе политетрафторэтилена Тезисы докладов международной научно-технической конференции «Пенза-2000»,- Пенза: 2000.